不同热带森林空气负离子浓度评价研究

王一荃 ，周璋 ，李意德，陈德祥，张涛 ，杨繁

1.中国林业科学研究院热带林业研究所/海南尖峰岭森林生态系统国家野外科学观测研究站，广东 广州 510520；2.南京林业大学，江苏 南京 210037；3.中国林业科学研究院热带林业研究所试验站，海南 乐东 572542

空气负离子NAIs（Negative Air Ions）主要是由空气中含氧负离子与若干个水分子结合形成的原子团（黄世成等，2012），是带负电荷单个气体分子及其轻离子团的总称（Pino et al.，2013）。空气负离子具有沉降污染物和悬浮尘埃、洁净空气、杀菌抑菌、除臭味的作用（Marin et al.，1989；Ryushi et al.，1998；Wu et al.，2004；李安伯，2001），其浓度大小是评价空气质量的重要指标（Tikhonov et al.，2004；邵海荣等，2005），对于空气状况的评价具有重要意义。空气负离子对人体具有广泛的生理生化效应，具有促进新陈代谢、提高免疫力、调节机能平衡的功效，被誉为“空气维生素和生长素”（徐长松，1982；倪军等，2004；章志攀等，2006）。自然界中空气负离子的产生机理主要有3种：一是紫外线、宇宙射线、放射性物质、雷电、风暴等因素充当电离剂的作用使空气发生电离从而产生空气负离子；二是植物的尖端放电以及光合作用形成的光电效应促使空气电离产生空气负离子：三是水的勒纳德效应（Lenard water fall effect），水自上而下，在重力的作用下高速运动使水分子裂解，产生大量空气负离子（赵雄伟等，2007）。

在森林的光合作用和尖端放电下，森林环境中会产生大量空气负离子，并且森林生态系统的复杂结构改变了森林中的小气候，使其更适合于负离子的长期保留（Wang et al.，2020），因此森林中往往具有较高的空气负离子水平。深入开展森林负离子的测定方法、变化规律以及林分属性与森林改善空气环境功能之间的关系，对生态环境保护、健康产业的发展以及森林城市建设等相关领域具有重要的科学意义（邓成等，2015；朱丽娜等，2019）。

目前，国内关于空气负离子的研究主要侧重于负离子浓度的时空变化规律及影响因素、空气负离子的评价、空气负离子对生物机体和环境的影响、以及空气负离子的开发与应用（吴楚材等，2001；朱丽娜等，2019；彭巍等，2020）。有关森林空气负离子的研究主要集中在温带（Wang et al.，2020；邵海荣等，2005；刘双芳等，2020）、亚热带（彭少麟等，1999；邓成等，2015；任晓旭等，2016），但是对热带森林空气负离子相关研究较少。本文以海南岛尖峰岭热带林区为研究区域进行定期监测，比较和评价各森林类型的空气负离子浓度和空气质量参数，探寻空气负离子浓度的时空变化及其同环境因子和林分组成和结构之间的关系，以期为热带雨林空气质量评价的研究提供科学依据，为热带林区发挥森林游憩和森林康养作用提供经营建议。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

尖峰岭位于海南省西南部乐东黎族自治县和东 方 市 交 界 处 （ 18°20′— 18°57′N ， 108°41′—109°12′E），总面积约 640 km2，包括尖峰岭林区及周边地区，行政上隶属海南省乐东黎族自治县尖峰镇。尖峰岭林区面积为472.27 hm2，为海南岛五大林区之一（李意德，2012）。尖峰岭林区内的热带雨林是中国现有面积较大、保存较完整的热带原始森林之一。尖峰岭属低纬度热带岛屿季风气候区，干湿两季明显，雨季从5—10月，旱季从11月至次年4月。年均降雨量介于1300—3700 mm之间；年均温度为 24.5 ℃，最冷和最热月极端温度分别为10.8 ℃和32.6 ℃（周璋等，2015）。该区森林类型丰富，其中热带常绿季雨林为本地区的地带性植被，热带山地雨林则为本地区发育最为完善、结构最为复杂的类型（曾庆波等，1997；李意德，1997）。热带山地雨林分布在海拔700—1300 m的山体中至上部，其植物种类组成复杂，以樟科、茜草科、壳斗科和桃金娘科为优势科（李意德等，2002）。

1.2 监测样地建设与数据采集

在尖峰岭热带山地雨林区，选择天然起源（含原始林和次生林类型）、人工起源（鸡毛松Podocarpus imbricatus和加勒比松Pinus caribaea）等林分作为研究对象，并就近选择无林空旷地作为对照监测点，在 4个森林类型中各建立 3—4个600—10000 m2样地。记录的样地基本信息包括地点、经纬度、海拔、坡度坡向坡位、土壤类型，以及组成群落的物种、胸径、树高等，计算群落物种多样性和林分结构多样性指数，并通过收集资料获得样地的造林年份（人工林）以及干扰历史信息，样地信息表（表1）。

表1 尖峰岭热带山地雨林区监测样地基本信息Table 1 Information of monitor point of tropical mountain rainforest in Jianfengling

物种多样性指数计算采用 Shannon-Weiner指数（Strong，2016）：

式中，Pi为单个样方内第i个物种的多度占所有物种多度之和的比例，S为单个样方内的物种数。

林分结构多样性指数计算采用林分结构Shannon-Weiner指数（Fahey et al.，2015）：

式中，Gi为单个样地内第i个径级的胸高断面积占所有径级胸高断面积之和的比例，S为单个样地内的径级数。

在每个样地中采用五点取样法设置5个空气质量观测样点，放置空气负离子浓度测试仪（COM-3200PRO Ⅱ），测量空气正负氧离子含量、空气温湿度等数据。2019年起每隔2个月选择天气晴朗的09:00—12:00间进行空气质量监测。

为了进一步探究空气负离子的时间连续变化特征，在次生林林内还设置全自动实时连续监测点。使用EPEX-EP100B负离子自动监测系统（固定式），从2019年1月起连续进行空气负离子以及环境要素（温度、湿度、PM2.5质量浓度）的监测，监测频率为1 min。

1.3 空气质量评价方法

空气质量评价采用日本学者安倍（1980）提出的空气质量分级标准，它反映了空气中离子浓度接近自然界洁净空气离子化水平的程度，是国际上通行的空气清洁度评判标准（吴楚材等，2001）；以及国内学者石强等（2004）根据森林环境中空气离子的特性，并结合人们开展森林旅游的目的所提出的森林空气离子评价模型为标准，进行空气质量综合分析和评价。

安倍空气离子评价指数（CI）计算公式为：

式中，q为单级系数，q=n+/n−，n+和n−分别为正负离子浓度（ion·cm−3），1000为满足人体生物学效应最低需求的空气负离子浓度（ion·cm−3）。采用安培空气离子评价指数（CI）进行评价时，其评价标准如表2所示。

表2 安培空气离子评价指数（CI）评价标准Table 2 Evaluation Standards of Ampere Air Ion Evaluation Index (CI)

森林空气离子评价模型（FCI）为：

式中，p为空气负离子系数，p=n−/(n−+n+)，n+和n−分别为正负离子浓度（ion·cm−3）。采用森林空气离子评价模型（FCI）进行评价时，其评价标准如表3所示。

表3 森林空气离子评价模型（FCI）评价标准Table 3 Evaluation criteria of forest air ion assessment model (FCI)

运用Excel 2018对原始数据进行剔除离异值处理，并用Origin 2018做相应的柱状图、折线图和散点图分析各区域空气负离子浓度的时空变化规律及与环境、林分因子之间的趋势分析。

采用SPSS 23.0软件对数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD），对比分析不同林分起源、林分类型、不同季节间空气负离子浓度间的差异性。

2 结果与分析

2.1 不同类型空气负离子浓度变化特征

2.1.1 负离子浓度日变化特征

在热带山地雨林次生林林内进行了负离子全天自动连续监测，将监测时间范围内每分钟负离子浓度求均值，得到负离子浓度的旱季、雨季日变化图（图1、2）。图中可以看出，空气负离子呈现明显的日变化特征，旱季与雨季的负离子浓度日变化趋势相似，但在雨季的趋势更为平缓。旱季负离子浓度在一天中的07:00—08:00开始上升，在10:00—12:00达到峰值；然后下降，在16:00—18:00持平；然后再下降，在20:00—21:00达到最低值，随后较为平缓。而雨季在一天中的07:00—08:00开始上升，在10:00—12:00达到峰值，然后下降，在16:00—19:00之间呈波动趋势。

图1 次生林旱季负离子浓度日变化Fig.1 Diurnal variation of NAIs concentration during the dry season

图2 次生林雨季负离子浓度日变化Fig.2 Diurnal variation of NAIs concentration during the rainy season

2.1.2 负离子浓度季节变化特征

海南岛尖峰岭热带山地雨林区各森林类型监测所得的空气离子浓度如表4所示，总体平均负离子浓度为 (3882±1234) ion·cm−3，为世界卫生组织规定的清新空气的2—5倍。从季节分布上看，旱雨季存在极显著差异（P=0.001），雨季的负离子浓度(4114±1463) ion·cm−3明显高于旱季 (3645±1118)ion·cm−3。

表4 各类型林分季节空气离子浓度Table 4 The concentration of NAIs and positive air ions (PAIs) during different seasons ion·cm−3

分析结果表明，负离子含量在不同林分起源、不同森林类型均存在极显著差异（P<0.01）。从林分起源来看，空气负离子平均浓度顺序依次为：空旷地<人工林<天然林。从林分类型来看，空气负离子平均浓度顺序依次为：空旷地<加勒比松人工林<鸡毛松人工林<热带山地雨林次生林<热带山地雨林原始林。

不同植被覆盖、林分起源、林种结构、树种组成的负离子浓度年内变化见图 3。负离子含量在全年各月份中，有林地高于空旷地，天然林高于人工林，原始林高于次生林，鸡毛松高于加勒比松，各类型林分的负离子浓度变化趋势在不同月份略有不同。

图3 不同植被覆盖（a）、林分起源（b）、林种结构（c）、树种组成（d）的负离子含量年内变化Fig.3 Seasonal changes of NAIs of different forest origins

2.2 空气负离子浓度与环境因子相关性分析

对不同林分空气负离子浓度与环境因子进行相关性分析，表明空气负离子浓度同空气温度、相对湿度、PM2.5质量浓度具有线性相关关系（图4）。Pearson相关性分析（表5）结果表明，空气负离子浓度与湿度具有显著的正相关关系，与温度、PM2.5质量浓度具有显著的负相关关系。偏相关分析表明负离子浓度主要受湿度主导，而与温度、PM2.5质量浓度相关性不显著。

表5 空气负离子浓度与环境因子Pearson相关性系数Table 5 Pearson correlation coefficient between NAIs concentration and environmental factors

图4 负离子浓度与环境因子相关性分析Fig.4 Correlation analysis between NAIs concentration and environmental factors

2.3 空气负离子浓度与物种和林分结构多样性相关性分析

对不同林分空气负离子浓度与多样性指数进行相关性分析，结果表明空气负离子浓度与物种多样性指数、结构多样性指数具有极显著的正相关关系（图5）。

图5 负离子浓度与林分多样性相关性分析Fig.5 Correlation analysis between NAIs concentration and forest diversity

2.4 空气环境质量评价

分别采用日本学者安倍空气质量分级标准以及森林空气离子评价模型两种方法对尖峰岭热带山地雨林区空气质量进行评价，其结果如表6所示。

表6 空气环境质量评价结果Table 6 Air environment quality evaluation results

根据安倍空气质量分级标准评价方法，尖峰岭热带山地雨林区总体单极系数为 (0.89±0.08)，安培空气质量评价系数为 (4.35±1.57)，空气质量达到了A级，清洁程度为最清洁级别，可见尖峰岭热带山地雨林林区总体的空气环境质量好。各样地类型的安培空气离子评价指数（CI）由低到高依次为：空旷地<加勒比松人工林<热带山地雨林次生林<鸡毛松人工林<热带山地雨林原始林。各林分起源的CI值由低到高依次为：空旷地<人工林<天然林。

根据森林空气离子评价模型评价方法，尖峰岭林区总体森林空气离子系数为 (0.53±0.02)，森林空气离子评价指数为 (2.05±0.69)，森林空气离子评价等级为Ⅱ级。这显示尖峰岭林区总体森林空气质量好，清洁度高。各类型的森林空气离子评价指数（FCI）由低到高依次为空旷地<加勒比松人工林<鸡毛松人工林<热带山地雨林次生林<热带山地雨林原始林。各林分起源的FCI值由低到高依次为：空旷地<人工林<天然林。同安倍空气质量分级标准评价结果一致，但前者评价方法分级更细化。

可见，采用两种方法评价的空气环境质量情况是一致的，都表明森林具有明显的产生空气负离子、改善空气环境质量的作用，天然林在提供负氧离子改善空气环境质量方面的功能要强于人工林，原始林要高于次生林。

3 讨论

研究结果表明，无论是从空气负离子浓度还是空气质量指数来说，有林地都优于空旷地，这与大多数学者（邵海荣等，2005；王薇，2014；冯鹏飞等，2015；何平等，2015；赵怡宁等，2018）的研究结果一致。在森林环境中，空气负离子浓度会比其他地方高，这是由于林下土壤疏松，岩石和土壤中的放射性元素容易逸出土壤而进入空气；林木在光合作用过程中的光电效应以及森林的树冠、枝叶的尖端放电都能促使空气电离，产生负离子；一些植物释放的挥发性物质，例如植物受伤时发出的“芬多精”等也能促进空气电离，从而增加空气负离子浓度，加上树木有除尘作用，使林区的负离子不仅浓度高，而且寿命较长（曾曙才等，2006）。同时，有林地中天然林优于人工林，天然林区中原始林优于次生林，分析结果也表明负离子浓度与物种多样性指数、结构多样性指数呈显著正相关关系，即群落结构复杂的森林负离子浓度比群落结构简单的森林负离子浓度高，这与阳柏苏等（2003）、邓成等（2015）研究结果一致。天然林尤其是原始林相较于人工林物种多样性指数、结构多样性指数都更高，群落结构复杂稳定，生态功能更完备，森林产生空气负离子的能力也更强。此外，人工林中的鸡毛松也有较高的负离子浓度。实验所选鸡毛松林虽是人工造林，但由于造林树种为乡土树种，适合当地气候，物种多样性指数与结构多样性指数都高于加勒比松人工林，因此其负离子浓度很高。这与邓成等（2015）得出的随着林分发展阶段的深入，森林净化空气的能力逐渐增强的结论一致。

监测数据显示，在森林环境中的空气负离子表现出一定的年变化和日变化规律。一年中负离子浓度均值最高值为旱季雨季交接的5月，最低值为雨季旱季交接的9月，推测这种变化与尖峰岭地区干湿分明的气候有关。从图4和表5的结果来看，相对湿度是影响空气负离子浓度最为重要的环境因子，尖峰岭每年的5月开始进入雨季，空气湿度明显增加（周璋等，2015），同时由于雨季开始，植物生长逐渐旺盛，植物生理活动导致植物“精气”的释放量也能得到增加，而空气中的PM2.5质量浓度由于湿度的增加而降低，导致了5月进入空气负离子浓度的高峰期；在9月，尖峰岭地区即将进入旱季，空气湿度降低（周璋等，2015），加之温度同时也降低，且植物生长进入缓慢期甚至是停滞期，导致了空气负离子浓度的降低。负离子浓度在一天中的最高值出现在 10:00—12:00，与前人（倪军等，2004；高铭聪等，2011；冯鹏飞等，2015；何平等，2015；杨春艳等，2019）所研究的双峰型变化不同，峰值出现时间也不同，前人研究多在正午有浓度的波谷，可能是研究区域的气候、环境等不同造成的，作者认为这与尖峰岭地区植物在正午光合作用达到最大高峰值，而光合午休现象在14:00出现有关（陈德祥等，2003）。旱季最低值出现在20:00—21:00，雨季没有明显低峰，在16:00—19:00之间呈波动趋势，总体来说，雨季变化较平缓，由于空气负离子浓度与降雨强度具有正相关关系（司婷婷等，2014），雨季总体负离子浓度较高，但变化较平稳。此外，前人对负离子日变化的研究多集中于白天（阳柏苏等，2003；曾曙才等，2006；司婷婷等，2014；王薇，2014），而鲜少有人在夜间进行观测，本研究发现热带森林（次生林）负离子浓度在旱季夜间变化平缓，雨季夜间呈波动变化趋势。

研究表明，空气负离子浓度与环境要素有一定的相关关系。尖峰岭热带山地雨林区监测数据皮尔森相关性分析显示，空气负离子浓度与湿度呈显著的正相关关系，而与温度、PM2.5质量浓度呈显著的负相关关系。这与曹建新等（2017）、赵怡宁等（2018）、杨春艳等（2019）的研究结果相同；与Reiter（1985）、黄彦柳等（2004）、任晓旭等（2016）结果相反。可能是研究区域的气候、植被种类、干扰等因素造成的。尖峰岭地区属低纬度热带岛屿季风气候区，干湿两季明显，与其他学者研究地区气候、主要植被类型有较大差异，并且尖峰岭林区受台风影响较大。另外，进行偏相关分析时发现负离子浓度主要受湿度主导，而与温度相关性不显著，这是由于热带山地雨林区环境洁净、温度变差相对较小（周璋等，2015），负离子浓度受温度影响较湿度小。空气负离子还和PM2.5质量浓度呈显著的负相关关系，这与贺江华等（2014）、刘双芳等（2020）的研究结果相同。负离子空气可以使一些空气颗粒物吸附、沉降减少（郭二果等，2013），具有降尘作用，尤其是对小至0.01 μm的微粒和难以去除的飘尘（Daniell et al.，1991）。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）尖峰岭热带山地雨林区空气负离子浓度平均为 (3882±1234) ion·cm−3，为世界卫生组织规定的清新空气的2—5倍，空气质量达到了A级，清洁程度为最清洁级别。旱季负离子浓度显著低于雨季，负离子浓度在一天中的最高值出现在 10:00—12:00。

（2）不同类型的林分在改善空气环境质量方面有不同的功效，空旷地<有林地，人工林<天然林，次生林<原始林，加勒比松人工林<鸡毛松人工林。

（3）林内空气负离子浓度与林分因子中的物种多样性指数、结构多样性指数呈显著正相关关系；与环境因子中的相对湿度呈显著的正相关关系，而与空气温度和PM2.5质量浓度呈显著的负相关关系。

4.2 建议

热带天然林尤其是原始林空气环境质量最优，当地森林经营部门应充分发挥尖峰岭林区天然林的森林康养功能，合理开发和充分利用热带雨林环境中形成的空气负离子，开展“森林浴”、“空气离子疗法”等应用项目，指导人们更好地利用空气负离子资源强身健体、疗养疾病。而在人工林中，乡土树种鸡毛松无论从负离子含量来说还是空气质量评价指数来说，空气环境质量更佳，当地在造林或林分改造等生态修复工程中，应更可多选择乡土树种，充分发挥人工林改善空气环境质量的功能。