南雄自然保护区—城乡梯度空气负离子时空分异对比研究

郭绪兵，蔡章林，邱治军，陈志红，周光益

1.广东南雄小流坑—青嶂山省级自然保护区，广东南雄 512421；

2.中国林业科学研究院热带林业研究所，广东广州510520

空气负离子(Negative Air Ion，NAI)，又称负氧离子，是由空气中负氧离子与若干个水分子结合形成的原子团。空气负离子不仅具有杀菌、降尘和清洁空气等作用，而且具有保健功效，有助于提高人体免疫力，促进人体身心健康发展，被誉为“空气中的维生素”[1，2]。空气中的负氧离子数量和分布已经成为评价空气洁净度与生态环境的重要指标之一。

自然保护地是人们户外旅游休闲重要的去处之一。探明自然保护地空气负离子的时空分布特征对于评价该保护区空气质量和促进森林旅游发展都具有十分重要的理论价值和现实意义。目前，不少学者通过监测空气温度、湿度、降水等气象因子研究影响空气负离子的环境因素，但尚未得到一致结论，仍然存在不少争议[3，4]。且大多数研究采用定点监测的方法，只分析比较森林公园或自然保护区内部的空气负离子水平[5-8]，在森林—乡镇—城市梯度不同土地利用类型的空气负离子的时空分异特征对比上缺乏深入的监测研究。该文选取南雄市不同土地利用类型为研究对象，在小流坑—青嶂山自然保护区不同林分、保护区外城乡不同位置设置对比监测点，探究不同地点空气负离子时空变化特征，揭示森林植被对空气负离子的调控作用，旨在为森林规划、旅游资源开发和生态环境建设提供科学依据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

小流坑—青嶂山保护区位于广东省北部南雄市，重点保护亚热带森林生态系统及珍稀动植物资源，由小流坑（位于帽子峰森林公园内，面积873.8hm2）和青嶂山（面积7000.2hm2）两部分组成。保护区总面积达7874hm2，森林覆盖率89.1%。帽子峰森林公园位于南雄市西北部，距离南雄市42km，地处南岭山脉与大庾岭交界处，森林覆盖率94.8%。青嶂山位于南雄市东南部，距离南雄市13km，是南雄市南面最高的山，也是保护区核心区所在地。

研究区域属亚热带季风气候区，具有四季分明、冬短夏长、秋季过渡快的特点。冬季盛行东北季风，夏季盛行西南和东南风。年均气温19.6℃；极端最低气温-6.2℃，极端最高气温39.5℃。年均太阳辐射111.7kcal·m-2，≥10℃的有效积温7177.9℃，降雨量1551.1mm，蒸发量1678.7mm[9]。该地区森林为20 世纪80 年代采伐后恢复的天然次生林，乔木树种主要有木荷(Schima superba)、米锥(Castanopsis chinensis)、小红栲 (Castanoposis Carlesii)、青冈(Cyclobalanopsis glauca)、杉 木 (Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)等。林下灌木主要有杨桐 (Adinandra millettii(Hook.et Arn.)Benth.et Hook.f.ex Hance)、赤楠(Syzygium buxifoliumBook.et Arn)、杜茎山 (Maesa japonica(Thunb.)Moritzi.ex Zoll)、鼠刺(Itea chinensisHook.et Arn)等。草本植物主要有顶芽狗脊(Woodwardia unigemmata(Makino)Nakai)、芒萁(Dicranopteris dichotoma(Thunb.)Bernh)、玉叶金花(Mussaenda pubescensAit.f)等。

1.2 研究方法

根据不同林分类型和人为活动密集程度，在保护区内外设置7 个监测点（表1）。前4 个土地利用类型为森林，人为干扰较少；雄州镇和帽子峰镇为乡镇区域，居民点与农业用地交错分布；汽车站为人车流量较大的城区核心区域。该研究采用移动监测的方法，设置2 条监测路线，南线为南雄汽车站—雄州镇—青嶂山针叶林—青嶂山阔叶林，北线为南雄汽车站—帽子峰镇—帽子峰针叶林—帽子峰阔叶林。每天监测1 条路线，在各监测点来回监测，各点监测主要时间分布在7:00～19:00 之间。

表1 空气负离子监测点基本情况Tab.1 Basic Information of Nai Monitoring Sites

该研究观测时间为2019 年1 月至12 月。每个月选择天气情况较好的2d～4d 天进行监测。其中2月份数据未采集，4 月份青嶂山阔叶林因天气条件不佳无法采集数据。检测仪器采用空气负离子检测仪，型号为COM 3200 PRO II。测量前先用三角架固定空气负离子检测仪，三角架高1.2m，用外置的锂电池(12V 100AH)供电。每天第1 次测量前先开机预热20min 后再进行正式测量。测量前先将仪器调节水平，然后分别测定东、南、西、北4 个方向的空气负离子浓度，取其平均值作为该次的测量值。每次监测时间为30min 左右。

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010 完成数据处理，运用SPSS 25 对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 空气负离子浓度总体特征

将2019 年全年监测结果求平均值，得到不同监测地点空气负离子平均浓度（表2）。7 个地点的空气负离子浓度从高到低依次排序为：青嶂山针叶林＞帽子峰阔叶林＞青嶂山阔叶林＞帽子峰针叶林＞帽子峰镇＞雄州镇＞汽车站。浓度最高的青嶂山针叶林与浓度最低的汽车站之间相差928 ion·cm-3，前者是后者的3.17 倍。自然保护区内空气负离子最高，4 个监测点的全年平均值为1194 ion·cm-3，是帽子峰镇和雄州镇2 个监测点平均值的1.5 倍，是城区汽车站平均值的2.8 倍。由于数据不符合正态分布，故采用非参数检验中的Kruskal-Wallis 单因素ANOVA（K 样本）对不同地点的空气负离子浓度差异进行分析[10]。Kruskal-Wallis 检验结果表明，帽子峰阔叶林与帽子峰针叶林、青嶂山阔叶林和青嶂山针叶林之间不存在显著差异，帽子峰针叶林和帽子峰镇之间也不存在显著差异，但汽车站和雄州镇及其他所有地点均存在显著差异。森林各监测点的空气负离子浓度显著高于雄州镇和汽车站等人为活动密集区域（P＜0.05）。

表2 2019 年不同地点平均空气负离子浓度Tab.2 Averaged Nai Concentration at Different Study Sites in 2019

2.2 空气负离子浓度月动态变化

将保护区内7 个监测点1 月～12 月的空气负离子浓度按月统计，得到空气负离子月变化(图1)。不同监测点空气负离子浓度变化趋势存在不同的模式，负离子浓度的最低值与最高值出现时间也不完全相同。帽子峰阔叶林、帽子峰针叶林、青嶂山针叶林和帽子峰镇的空气负离子浓度呈现先上升后下降的趋势，为单峰曲线，在夏季（7 月份和8 月份）达到最高值，在冬季（1 月份和12 月份）达到最低值。其中帽子峰阔叶林空气负离子浓度月变化幅度最大。虽然青嶂山阔叶林的峰值出现在秋季（10 月份），但是，春秋两季空气负离子浓度和夏季基本一致，冬季仍然是处于最低值。雄州镇和汽车站的空气负离子浓度全年变化不大，维持在一个较低的水平。

图1 不同监测点空气负离子浓度月变化Fig.1 Monthly Variations of Nai Concentration at the Seven Sites

2.3 空气负离子浓度日动态变化

选取空气负离子浓度较高的夏季（6 月、7 月和8 月），将一天当中的监测时间分为4 个时段，分别为上午（7:00～11:00）、中午（11:01～14:00）、下午（14:01～17:00）和傍晚（17:01～19:00），统计空气负离子浓度日变化(图2)。帽子峰阔叶林、帽子峰针叶林和雄州镇空气负离子浓度日变化趋势相同，从大到小排序为：傍晚＞上午＞下午＞中午。总体而言，上午和傍晚属于空气负离子浓度较高水平的时间段，中午一般为最低。汽车站全天变化不大，主要受到人流量和车流量的影响，保持在一个稳定的低水平。

图2 不同监测点空气负离子浓度日变化Fig.2 Daily Variations of Nai Concentration at the Seven Sites

3 结论与讨论

该研究通过南雄自然保护区—城乡梯度不同土地利用类型空气负离子1a 的监测数据分析发现，自然保护区的空气负离子资源丰富，显著高于城镇和汽车站等人流密集区域。此外，保护区空气负离子浓度存在明显的季节变化和日变化规律，而且森林质量越好，这种变化的规律越明显，说明森林对空气负离子具有明显的调控作用。因此，自然保护区建设有利于森林质量的提升和空气环境的改善，为发展森林康养旅游奠定了良好的生态环境条件。

3.1 森林对空气负离子的调节

森林植被的枝叶尖端放电效应以及光合作用形成的光电效应会导致大气分子电解，从而产生大量空气负离子[11，12]。大气中的负氧离子寿命从几秒到几分钟不等，每一时刻都有大量的正、负离子产生和消失，其浓度处于动态平衡之中[13]。植被的有无以及景观群落的复杂性是影响空气负离子浓度的关键因素[14]。该研究发现，帽子峰阔叶林、帽子峰针叶林、青嶂山阔叶林和青嶂山针叶林等森林环境的空气负离子浓度显著高于雄州镇和汽车站等人为活动密集的区域。人为活动程度中等的帽子峰镇，其空气负离子浓度高于人为活动程度少的雄州镇，得益于前者周围大量森林植被的存在。与农田、裸地或其他土壤类型相比较，森林土壤的热容量较大，有较好的通气性和较高的渗透性，因而以氧离子或负氧离子为主的空气负离子在森林植物根系和森林土壤微生物利用氧时被释放并交换到空气中也比较多[7]。大量森林植被能够吸收空气中的污染物，从而起到净化空气的作用。雄州镇周围的农田作物相比较于帽子峰镇周围的杉木和毛竹等植被，产生的空气负离子较少，而且无法有效降低乡村公路所带来的汽车尾气和地面扬尘等污染。此外，有研究报道负氧离子浓度与人流量、车流量均呈负相关[15]。汽车站作为小流坑-青嶂山自然保护区的交通枢纽，车辆往来密集，人为活动干扰程度最剧烈，空气负离子浓度也属于最低水平。陈雷等[16]在广州绿地植物群落的研究也发现，位于交通主干道绿岛的乔灌群落和缺乏绿色植被的火车站广场的空气负离子浓度显著低于公园的绿地群落。邵海荣等[17]在北京地区的监测发现空气负离子浓度从市中心向郊区逐渐增大，人为活动密集和汽车尾气等干扰强烈的城市区域空气负离子水平偏低。

此外，对于不同植被类型的空气负离子浓度差异，一直处于争议之中[18，19]。该研究发现，两种不同林分4 个监测地点的空气负离子浓度呈现出不同的差异（表2）。在帽子峰，阔叶林的空气负离子浓度大于针叶林；而在青嶂山则出现了相反的结果，即针叶林的空气负离子浓度大于阔叶林。对于前者，一般认为是阔叶林的空气相对湿度高所致；对于后者，则是因为针叶具有“尖端放电”的功能，进而使空气发生电离，能够提高空气中的负离子水平[15，20]。造成此种结果的原因可能有植被的因素（如植被密度、叶片形态和叶面积指数等），也可能受其他环境因素的影响(如风速、空气湿度、湿度等)。若要深入揭示具体因素所起的作用，需要将来开展针对性的室内控制实验来探究植被和环境因子对空气负离子的影响机制[20]。

3.2 空气负离子随时间的变化

以往的研究表明，空气负离子存在明显的季节变化和日变化规律[13，21]。森林环境的空气负离子浓度的变化通常与植物的生长周期和气象因子，如温度和湿度等相关[22，23]。夏季大气中的空气负离子浓度最高，其次为春秋两季，最低为冬季。7 月份和8月份帽子峰阔叶林，帽子峰针叶林，青嶂山针叶林和帽子峰镇的空气负离子浓度达到峰值，因为此时正处于盛夏，大气中水分和热量等条件充足，植被生长最旺盛，为空气负离子的生产创造了良好的条件。冬季大气温度开始下降，植被的生理活动减弱，负离子产出不足，导致整体浓度下降。韩静波等[25]的研究表明，空气颗粒物与负离子浓度呈负相关。雄州镇和汽车站可能是由于常年人为活动和汽车扬尘导致空气中颗粒污染物过多，并与负离子相结合形成沉降进而长期维持在一个较低的水平，因而没有表现出明显的月变化规律。

中午是一天当中浓度较低的时段，因为正午时分温度很高，蒸腾作用强烈，植物光合作用速率下降导致空气负离子浓度减少。此外，空气负离子的日变化规律可能是与植物光合作用存在“午休”现象有关。这与彭琳玉等[26]在九连山国家森林公园的研究结果基本一致，即空气负离子早晚浓度明显高于中午。不过，青嶂山针叶林和帽子峰镇表现为下午空气负离子浓度显著高于白天的其他时段。石彦军等[24]则发现空气负离子浓度存在两个峰值，分别出现在上午9:00 和下午16:00 前后。因此，空气负离子的野外监测很容易受到环境条件的干扰，尤其是不同天气条件下，空气负离子浓度会表现出不一样的模式。