藏东南急尖长苞冷杉林空气负离子浓度特征及其与气象因子的关系1)

2021-12-03李江荣高郯陈康卢杰郑维列樊志颖

东北林业大学学报 2021年10期

李江荣高郯陈康卢杰郑维列樊志颖

(西藏农牧学院，林芝，860000)

空气负离子是带负电的单个气体分子和轻离子团的总称，具有杀菌除尘、净化大气、调节机能平衡及治疗疾病等功能，被誉为“空气维生素和生长素”，也是空气质量评价的重要指标[1-3]。随着城市化进程不断加快，生态环境不断恶化，加之现代人生活压力居高不下，森林因其具有观赏游憩、康养保健等功能，成为广大市民放松、康养的向往之地[4-6]，越来越多的人开始回归自然、亲近自然。同时，森林生态系统以其特有的微环境促进了空气负离子的产生、存活和富集[7]。空气负离子作为森林主要生态系统服务和保健功能，是林业生态建设工程的主要内容，森林空气负离子也成为广大林学、生态学、旅游学、医学等科技工作者关注的对象。目前，国外主要研究空气负离子的生物学效应、临床医学应用及时空变化规律等方面[8-12]，我国主要关注中东部旅游景区、城市不同功能区的时空规律、影响因素及空气质量评价等方面[13-16]，而西部地区研究较少[17-18]，尤其是高海拔林区。已有研究中，空气负离子浓度(NAIC)的影响因素大多考虑空气温度、空气湿度、风速等气象指标[19]，不够全面；分析方法多采用相关系数[20-21]、回归分析[22]等方法对其进行研究，只能粗略了解各指标对空气负离子的影响，实际上各指标之间是相互关联、相互影响、相互作用的；研究的时间较短、数据量较小且不连续性较强[23-24]。因此，本研究从多方面考虑，依托西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站(以下简称林芝站)，于2017年9月1日00:00—2019年11月30日23:00对色季拉山重要树种急尖长苞冷杉林(Abiesgeorgeivar.smithii)NAIC采用北京依派伟业EP300B大气负(氧)粒子自动监测系统进行全自动实时监测，采用通径分析，研究各气象指标对NAIC的直接效应和间接效应，以期为森林效益评估提供理论支撑，对开展森林游憩、旅游发展规划和天然林保护工作具有重要的现实意义。

1 研究区概况

研究区位于西藏自治区林芝市国际旅游小镇——鲁朗镇色季拉山国家森林公园内。该森林公园是工布自然保护区的主要组成部分，也是林芝市著名旅游景点“鲁朗林海”的重要载体，同时亦是藏东南亚高山暗针叶林的典型地理分布区域。该区暗针叶林面积约占西藏森林面积40%，优势树种为冷杉(Abies)、云杉(Picea)属植物[25]。该研究区属温暖湿润气候区，受印度洋暖湿季风影响，冬季寒冷干燥，夏季低温多雨。据林芝站2017年至2019年气象数据可知，年均气温3.88 ℃，年均相对湿度78.61%，年均降水量767.10 mm，6—9月为雨季，占全年降水的66.15%，全年日照时间1 418.80 h。土壤以酸性棕壤为主。植物物种多样性较高。

研究样点位于西藏林芝色季拉山鲁朗镇境内林芝站的长期监测样地(50 m×50 m)内。地理坐标为94°42′53.12″E，29°38′59.73″N，海拔3 856 m。样地内为急尖长苞冷杉天然暗针叶纯林，平均树高38 m，平均胸径76 cm，平均年龄200 a，平均密度为847株·hm-2，郁闭度0.7，林下植被主要有杂色钟报春(Primulaalpicola)、直立悬钩子(Rubusstans)、西南花楸(Sorbusrehderiana)、黄精(Polygonatumsibiricum)、柳叶忍冬(Loniceralenceolata)、冷蕨(Cystoperisfragilis)、柔毛马先蒿(Pedicularismollis)、西南草莓(Fragariamoupinensis)，并有少量急尖长苞冷杉幼苗。

2 材料与方法

空气负离子采用北京依派伟业EP300B全天候24 h自动观测，1 min采集18个数据，每分钟记录一组数据，每小时有60组数据，共计100万余组数据。气象指标(空气温湿度、水汽压、时平均风速、时平均风向、地表温度、土壤热通量、日照时间、降水量、大气压、总辐射、紫外辐射、光合有效辐射)依靠林芝站架设的北京天诺基业CR3000自动气象站系统获取，各气象指标的监测仪器(型号)及厂家情况见表1(气象数据与空气负离子以时为单位同步)。

表1 自动气象站系统监测项目及传感器情况

研究时间为2017年9月1日—2019年11月30日，以6—9月为湿季，10月至次年5月为干季。删除数据中的异常值，如长时间(连续3 min以上)为0、为同一个数值或超过1万以上，前后两个值相差10倍以上。为减小偶然因素的影响并填补个别缺失小时值，对数据进行匀滑处理。研究数据均以均值代表。

2.1 数理统计分析

数据统计及处理采用SPSS 17.0和Excel 2013软件。通过单因素方差(one-way ANOVA)和Duncan多重比较分析研究藏东南亚高山典型针叶林不同时间空气负离子浓度的差异性。昼夜差统计以西藏当地日出日落时间为准。

2.2 空气清洁度评价

用单极系数和安培空气质量评价系数[17]对鲁朗境内急尖长苞冷杉林空气质量进行分级评价，计算公式为：

q=n+/n-,Ci=n-/1 000×q。

式中：Ci为空气质量评价指数，q为单极系数，n+为空气正离子浓度，n-为空气负离子浓度。根据空气质量评价指数，空气质量分为5个等级。Ci≥1.00，最清洁水平(A等级)；0.70≤Ci<1.00，清洁水平(B等级)；0.50≤Ci<0.69，中等清洁水平(C等级)；0.30≤Ci<0.49，允许水平(D等级)；Ci<0.29，临界值水平(E等级)。

2.3 通径分析

通径系数：通径分析是标准化的多元线性回归分析，可以将相互关联的自变量对因变量的影响分解成自变量对因变量的直接作用和通过其他自变量对因变量的影响[26-28]，计算公式如下：

pyij=rij×pyj，

ryi=pyj+∑i≠jpyij。

式中：pyi为xi对y的直接通径系数(标准化的偏回归系数)，pyij为xi通过xj的间接通径系数，rij为xi与xj的相关系数，为xi与y的相关系数。

决策系数：决定系数是表示自变量对因变量的相对决定程度，某一自变量对因变量的作用大小可以用决定系数的大小表示。决策系数可以排序各自变量对因变量的综合决定能力，从而确定主要决策变量和限制性变量[29-30]，计算公式如下：

3 结果与分析

3.1 急尖长苞冷杉林NAIC昼夜24 h变化特征

急尖长苞冷杉林各季节NAIC日变化具有明显的规律(图1、表2)，总体上NAIC在每个季节的日间波动较大，均呈“单峰”型，午夜至清晨较为稳定，峰值大小及出现时间略有差异。急尖长苞冷杉林夏季NAIC日变化波动最大，昼夜差亦最大，为491个·cm-3，昼夜差异显著(P<0.05)，日间高出夜间37.94%。NAIC日间呈“单峰”型，自07:00开始增加，14:00达到峰值，浓度为2 276个·cm-3，之后逐渐降低。春季NAIC日变化同夏季相似，峰值时间亦为14:00，但日间波动程度小于夏季，昼夜差仅为269个·cm-3，但仍表现为昼夜差异显著(P<0.05)。秋冬季节NAIC日变化亦为“单峰”型，但波动幅度相较于春夏季较小，昼夜差分别为156和198个·cm-3，峰值出现时间提前，分别为12:00和11:00，浓度分别为1 832和1 666个·cm-3。冬春季节NAIC最小值出现时间为08:00，夏秋季节最小值出现时间提前至07:00。整体上，急尖长苞冷杉林不同季节NAIC大小顺序为夏季、秋季、冬季、春季。

图1 急尖长苞冷杉林不同季节空气负离子浓度日变化

表2 急尖长苞冷杉林不同季节空气负离子浓度昼夜差

3.2 急尖长苞冷杉林NAIC月动态

随着时间的变化，急尖长苞冷杉林NAIC呈现出一定的动态变化，不同月份之间表现出一定的差异(表3)。总体上，急尖长苞冷杉林NAIC的年变化呈现出“N”字型，1—5月较为平稳，5月之后开始升高，至8月达到峰值(1 701个·cm-3)，之后逐渐降低，至10月达到谷值(1 463个·cm-3)，随后又继续升高，12月为全年最高值(1 809个·cm-3)，全年各月NAIC均在1 200个·cm-3以上，平均为1 451个·cm-3，亦达到了世界卫生组织规定的空气清新的标准；8、11、12月显著高于1—5月(P<0.05)，其他月份之间差异不显著(P>0.05)。同时呈现出后半年NAIC高于前半年的趋势。

表3 急尖长苞冷杉林空气负离子浓度月动态

3.3 急尖长苞冷杉林NAIC季节变化

3.3.1 急尖长苞冷杉林NAIC春夏秋冬四季特征

急尖长苞冷杉林NAIC随着气候的变换，在不同季节有一定的变化(表4)。急尖长苞冷杉林NAIC大小顺序在各季表现为：夏季(1 577个·cm-3)、秋季(1 568个·cm-3)、冬季(1 428个·cm-3)、春季(1 217个·cm-3)，春季显著低于夏秋季节(P<0.05)，与冬季无显著差异(P>0.05)。夏季的最大值是全年的最大值(2 227个·cm-3)，冬季的最小值也是全年的最小值(522个·cm-3)。

表4 急尖长苞冷杉林空气负离子四季特征

3.3.2 急尖长苞冷杉林NAIC干湿季特征

依据林芝气候特征，将其划分为干湿季，明确不同气候下NAIC特征(表5)。急尖长苞冷杉林干湿季NAIC分别为1 407和1 562个·cm-3，湿季略高于干季，但无显著差异性(P<0.05)因夏季包含在湿季内，因此夏季的最大值亦为湿季的最大值。

表5 急尖长苞冷杉林空气负离子干湿季特征

3.4 急尖长苞冷杉林空气质量评价

鉴于NAIC作为空气质量的重要评价指标，对景区发展规划具有重要意义，本研究采用安培空气离子评价系数对急尖长苞冷杉林空气质量进行评价见表6。全年各月急尖长苞冷杉林Ci值>1，属于A等级，达到了最清洁水平。研究表明[31-32]，单极系数<1，表明其空气质量较好，一般情况下，陆地大气中的单极系数在1.20左右。因此，结合单极系数来看，后半年空气质量更佳，这与NAIC年际特征一致。

表6 急尖长苞冷杉林安培空气离子评价系数月特征

3.5 NAIC对气象指标的响应

3.5.1 相关性分析

作为大气中的成分，气象因素是影响NAIC的一个方面，急尖长苞冷杉林中NAIC与气象指标的相关性见表7。除NAIC与降水量显著相关(P<0.05)外，与其他气象指标均表现为极显著相关性(P<0.01)，其中与空气温度、地表温度、水汽压、时平均风速、日照时间、总辐射、紫外辐射、光合有效辐射呈极显著正相关(P<0.01)关系。各自变量间，除大气压与时平均风向、降水量、总辐射、紫外辐射、光合有效辐射和时平均风速与时平均风向以及土壤热通量平均值与降水量间呈不显著相关性(P>0.05)外，其他自变量间均为显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)相关性。

表7 NAIC与气象指标的相关性分析

3.5.2 通径分析

对林芝站13个气象指标进行逐步回归，排除了空气湿度、时平均风向、总辐射3个指标，剩余10个指标的通径分析见表8。不同气象指标对NAIC的直接和间接效应差异较大。x1对y的直接效应最大(0.755)，x1通过x9和x4、x10的间接效应较大，且通过x4和x10的负向综合效应>x9的正向间接作用，因此最终消弱了x1对y的直接效应，但仍是各指标中对y影响最大的指标且为正，即空气温度与NAIC是正相关的。x9对y的直接效应仅次于x1，随着紫外辐射的增强，并通过温度能够增加空气负离子的浓度。x5对y的直接效应居第4，且为负，土壤热通量对NAIC综合影响为负相关。x10对y的直接效应居第4且为负，随着光合有效辐射的增强，在空气温度及紫外辐射的作用下NAIC会增加。x4对y的直接效应为负，排列第5位，随着地表温度的升高，在空气温度、紫外辐射的辅助下NAIC升高。x3对y的直接作用最小，随着时平均风速的增大，在空气温度、紫外辐射的辅助下NAIC增加。

表8 急尖长苞冷杉林空气负离子通径系数

3.5.3 决策分析

根据决定系数计算结果(表9)可以看出，各气象指标对NAIC影响程度的大小顺序为：d1(0.570)>d19(0.463)>d14(-0.395)>d110(-0.306)>d910(-0.254)>d9(0.183)>其他，表明空气温度、紫外辐射及他们之间的协同效应，共同控制着NAIC的方向和强度，与贡献程度分析一致。

表9 急尖长苞冷杉林空气负离子决策系数

根据对R2的贡献程度、决定系数和决策系数的分析可知，NAIC主要受空气温度和紫外辐射的控制，其他指标主要通过空气温度和紫外辐射发挥作用。

4 讨论

4.1 急尖长苞冷杉林NAIC随时间变化特征

急尖长苞冷杉林NAIC在每个季节的日间波动均较大，具有明显的昼夜差，均呈“单峰”型，午夜至清晨较为稳定，日间空气负离子浓度显著高于夜间(P<0.05)，这与邵海荣等[33]对北京西山林场研究一致。但不同季节峰值出现时间略有差异，春夏季节峰值出现在午后14:00，这与午后空气温度、地表温度、紫外辐射、光合有效辐射较大值出现时间一致。有研究认为[13]，太阳辐射的增强为空气的电离提供了能量，同时，较高的温度强化了光合作用中光电效应释放NAI的能力。在本研究亦证实了这一点，即光合有效辐射对NAI的直接效应为负，但通过空气温度对其发挥了较强的正向促进作用。而秋冬季节峰值出现时间提前至上午，除了与温度、辐射有关之外，可能还与云量有关，因为云量的多少以及持续时间影响光照的时间及强度，进而影响温度对空气负离子的作用，这需要进一步探究证实。冬春、夏秋季节最小值分别出现在08:00、07:00，可能07:00、08:00处于昼夜交替的节点，温度为1 d之中最低值，生物活性、生理活动受到影响进而影响了NAI的产生或加大了NAI的消耗，需要进一步研究证实。

急尖长苞冷杉林NAIC月变化呈现为“N”字型，8月出现峰值。结合林芝站气象数据年际变化规律可知，NAIC月变化与空气温度、地表温度、紫外辐射、光合有效辐射相似。总体上，急尖长苞冷杉林NAIC在春夏秋冬各季节表现为：夏秋季节大于冬春季节，这与赵文君等[34]对马尾松林、张建国等[35]对大橘海森林公园研究结果相似，可能夏秋季节温度较高、辐射较强、雨水较多(雨水对空气具有淋洗作用以及阵雨的勒纳德效应)、植被生长旺盛，从而增加了NAIC[15]。

急尖长苞冷杉林年均NAIC为1 451个·cm-3，达到世界卫生组织规定的空气清新的标准，与李江荣等[36]对急尖长苞冷杉林研究结果相同，高于信阳鸡公山4种林分[37]、寨场山森林公园中乔木林[38]中NAIC，处于森林环境中NAIC浓度范围中[39]，高于一般针叶林NAIC水平[33]，可能与高原地区强辐射、不同地区气候特征有关。同时根据安培空气离子评价系数可知，急尖长苞冷杉林全年空气质量较好，均达到了A等级最清洁水平，明显好于林芝市区空气质量[18]。

4.2 急尖长苞冷杉林NAIC对气象因素的响应

相关性分析仅研究了两两指标间的关系，并不能明确多个指标间的具体关系，而通径分析可分解各指标对因变量的作用[40]。本研究中，光合有效辐射与NAIC呈正相关关系，但在通径分析中，光合有效辐射对NAI的直接作用为负，在空气温度等的间接作用下，光合有效辐射最终促进了NAI的产生。据通径分析可知，各气象指标对NAIC的影响主要通过空气温度或空气温度和紫外辐射，在决定系数中，空气温度和紫外辐射的相对决定程度较大，发挥正向控制作用。其中，空气温度对NAIC影响同张艳丽通径分析结果一致[38]，但与余海等[41]对九龙山的通径分析结果不同，可能是其监测点位于林缘，受林缘气候影响较大。部分研究者[33，42]通过相关性分析，也认为NAIC与空气温度、紫外线强度呈正相关，这与本研究结果一致。温度会影响植被各种生理活动中酶的活性，高山森林夜间温度较低，日间随着温度的升高，植被的生理活动会增强，并随着紫外强度的增加，植被释放空气负离子的能力增强。剩余通径分析系数较大(0.694)，表明还有其他影响因子未考虑到。