太岳山区不同森林康养村落空气负离子浓度及气象因素的关系*

崔虎亮,李仲昊,曹如姬

(太原理工大学 建筑学院，山西 太原 030024)

森林康养是以促进大众健康、预防疾病为目的，充分发挥森林生态系统的康体保健功能，开展有利于人们调节身体机能、促进身心健康的活动，最早兴起于国外，近年来国内引起广泛重视[1-2]。空气负离子(negative air ions,NAI)具有杀菌、降尘、提高免疫力等功能[3-4]，是森林环境空气质量和生态健康性能的重要指标，因而也是评价森林康养效果的重要依据。

森林植被类型对空气负离子浓度的影响比较显著，Wang等[5]对黑龙江五大连池不同景观类型进行监测，发现森林类型NAI浓度最高，达到2 871 ions/cm3，而空地类型最低，仅为843 ions/cm3；马荣等[6]发现林分类型、海拔梯度和季节变化会改变森林温湿度条件，进而影响NAI浓度水平；而李少宁等[7]认为不同季节条件下，NAI浓度与气象因素相关关系并不一致，其中典型天气下温度和降雨量的影响较大，而太阳辐射在冬季和雾霾天对NAI也有一定的影响。当然，森林康养还包括植物芬多精、空气含氧量、人体舒适度等多种指标，对森林康养基地的评价应当从这几方面综合考虑。如朱舒欣等[8]对广州石门国家森林公园不同林分的综合保健功能进行评价，发现常绿阔叶林保健功能最佳，其次为毛竹(Phyllostachysedulis)林。而潘洋刘等[9]对森林康养基地建设适应性进行评价，利用层次分析法构建评价指标体系，包含30项具体指标；再如晏琪等[10]通过因子分析法构建森林康养评价指标体系，包含3个一级指标、6个二级指标和22个三级指标。由此可见，森林康养依托森林资源提供的生态功能，实现康体保健的综合效果。

山西省于2018年提出“康养山西、夏养山西”的战略发展措施，立足山西省独特的资源条件，如何有效发掘森林资源、人文资源、地理区位等优势，是拓宽山西森林康养产业发展的重点[11-12]。太岳山国家森林公园位于山西省腹地，森林覆盖率位居全省第一，也是沁河的发源地，目前拥有1个国家级自然保护区、1个国家级湿地公园、8个林场等13个基地单位可发展森林康养旅游，其市场潜力巨大，但有关该地区森林康养生态效益的研究鲜有报道。因此，本研究在该地区选取亚高山草甸(花坡村)、沁河湿地(王家湾村)、低山森林林区(黑峪村)、低山草甸(五龙川村)等不同类型的森林康养村落作为研究对象，比较分析不同类型的村落NAI浓度分布差异，并揭示NAI分布特征与气象因素的关系，为沁源太岳山地区森林康养产业发展提供科学依据，同时为深入研究NAI浓度影响机制以及森林康养产业科学发展提供理论参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

沁源太岳山地区位于山西省中南部(111°58′30″～112°32′30″E、36°20′20″～37°00′42″N)，属于暖温带大陆性季风气候区，年均温8.6 ℃，年均相对湿度65%，年均降水量656.7 mm，无霜期90～150 d，年均日照时数2 519 h。本研究在太岳山地区选取花坡村(亚高山草甸类型)、王家湾村(沁河湿地森林类型)、黑峪村(低山森林类型)和五龙川村(低山草甸类型)4个森林康养村落为研究对象，并在沁源县城设定对照点，样点空间分布如图1所示。

在每个村落的村口开阔地和村外林地设定采样点。其中，花坡村口广场(H1)(36°49′16″N、112°4′50″E，海拔1 983 m)，花坡景区亚高山草甸(H2)(36°49′40″N、112°4′60″E，海拔2 057 m)，植被类型为高山草甸；王家湾村口广场(W1)(36°44′15″N、112°5′46″E，海拔1 695 m)，王家湾林下(W2)(36°44′14″N、36°44′14″E，海拔1 698 m)，植被类型为油松(Pinustabuliformis)+辽东栎(Quercusliaotungensis)；黑峪村口广场(Y1)(36°38′39″N、112°4′7″E，海拔1 681 m)，黑峪村落叶松林缘带(Y2)(36°38′22″N、112°4′27″E，海拔1 714 m)，植被类型为落叶松(Larixgmelinii)；五龙川村褐马鸡广场(L1)(36°37′25″N、112°5′15″E，海拔1 579 m)，五龙川村低山草甸(L2)(36°37′27″N、112°5′5″E，海拔1 605 m)，植被类型为低山草甸；沁源县城选取2个对照点，其中沁河河岸(C1)(36°30′5″N、112°20′42″E，海拔980 m)，日晷广场绿地(C2)(36°29′59″N、112°20′35″E，海拔996 m)，植被类型为国槐(Sophorajaponica)+圆柏(Sabinachinensis)混交林绿地。

1.2 数据测定方法

在2021年7月，选择晴朗无风的天气，利用便携式空气负离子仪(ONETEST-502-XP-A，深圳，中国)测定不同样点NAI浓度，测量范围0～1.2×107ions/cm3，从7:00—18:00每隔10 min测量1次，将每小时的测定数据取均值作为该时段的NAI值，仪器架测高度距地面约1.5 m；同步测量空气温度(T)、相对湿度(W)、PM2.5和PM10等气象参数，其中温度测量范围-60～65℃，湿度测量范围0～100%，同样从7:00—18:00每隔10 min测量1次，将每小时的测定数据取均值。相关数据统计的分析如Pearson相关分析、多元线性回归分析利用R(x64 4.1.0)语言进行。

2 结果与分析

2.1 不同类型森林康养村落空气负离子(NAI)浓度差异分析

2.1.1 空气负离子(NAI)的分布特征

NAI浓度在不同类型的森林康养村落之间的分布差异比较大(图2)。王家湾村(W1和W2)的NAI浓度最高，其油松+辽东栎混交林下样点(W2)浓度值区间为250.0～1 262 ions/cm3，均值达到829.1 ions/cm3；其次是黒峪村，其落叶松林缘带样点(Y2)NAI浓度区间为189～1 100 ions/cm3，均值为601.3 ions/cm3；再次是五龙川村，其中褐马鸡广场样点(L1)NAI浓度区间为300～865.4 ions/cm3，均值446.2 ions/cm3，低山草甸样点(L2)NAI浓度区间为210～799 ions/cm3，均值490.2 ions/cm3。沁源县城的对照样点(C1和 C2)最低，其中日晷广场绿地样点(C2)NAI浓度值区间181.5～570.2 ions/cm3，均值为438.6 ions/cm3。本研究中，王家湾村位于沁河源头，采样点位于山泉附近，这可能是提升NAI浓度的原因之一，但是，在县城沁河河岸(C1)设定的采样点NAI浓度并不明显，NAI浓度值区间为307.8～664.6 ions/cm3，均值422.6 ions/cm3，仅略高于日晷广场绿地。可见，NAI浓度受森林植被密度、空气相对湿度等多种因素的影响。

2.1.2 不同森林康养村落空气负离子浓度的日变化

本研究监测7:00—18:00时段的NAI浓度变化，发现日间变化规律有一定的差异，且不同村落的NAI变化趋势并不一致，如图3所示。其中，王家湾(W1和W2)和黑峪村(Y1和Y2)的NAI浓度日间变化趋势较为相似，即早晨7:00—8:00时段内浓度最高，然后逐渐下降，在12:00—15:00时段达到最低，但是在17:00—18:00时段又开始上升，日间变化趋势大致呈“U”型。花坡村(H1和H2)和县城(C1和C2)的NAI浓度峰值出现在10:00—11:00时段，同样在12:00—15:00时段达到最低，但是17:00—18:00时段并未出现上升趋势，日间变化趋势总体上呈单峰型。五龙川村(L1和L2)则存在两个峰值，分别是9:00—10:00时段和15:00—16:00时段。

2.1.3 不同森林康养村落气象因素的差异

本研究同步监测不同村落的空气温度(T)、相对湿度(W)、PM2.5和PM10的日变化，见表1。可以看出，县城空气温度最高，沁河岸(C1)和日晷广场(C2)空气温度均值分别达到26.74 ℃和25.4 ℃；花坡村空气温度略低于县城，其中，花坡村口(H1)空气温度均值为25.46 ℃，花坡景区亚高山草甸(H2)空气温度均值为24.03 ℃；黑峪村空气温度最低，两个样点Y1和Y2的空气温度均值分别为22.97 ℃和22.34 ℃；王家湾村空气温度略高于黑峪村，两个样点W1和W2空气温度均值分别为25.21 ℃和24.5 ℃。本研究选取的不同村落虽然海拔差异在980～2 057 m之间，但空气温度并未随着海拔升高而降低，相反，海拔1 681～1 714 m的黑峪村气温均值最低，低于海拔2 057 m的花坡村，这可能是由于黒峪村山地森林覆盖度较高，导致局部气温相对较低，而花坡村虽然海拔高于其他村落，但本研究采样点为开阔草甸，并无林荫形成局部降温效应，可见，太岳山地区存在显著的小气候差异。

相对湿度方面，黑峪村空气相对湿度最高，样点Y1和Y2相对湿度均值分别达到61.77%和83.08%，这也可能与该村落森林覆盖度较高有关；其次为王家湾村，样点W1和W2相对湿度均值分别为68.14%和69.78%；五龙川村空气相对湿度最低，样点L1和L2的相对湿度均值分别为60.69%和66.92%，可能是由于该村落森林覆盖度低于其他村落，因此蒸发量亦高于其他村落所致；同样的，花坡村空气相对湿度也较低，样点H1和H2的相对湿度分别为61.57%和64.83%，该数值略高于县城。

空气颗粒物方面，沁源县城PM2.5浓度最高，样点C1和C2的PM2.5均值分别为51.31 μg/m3和52.41 μg/m3；PM2.5浓度最低的是王家湾村，样点W1和W2均值分别为19.79 μg/m3和17.64 μg/m3，且测定的浓度值区间为1.6～42.5 μg/m3，表明PM2.5绝对含量较低；其他村落的PM2.5浓度同样均低于95；不同村落PM10的浓度同样较低(表1)。参照我国《环境空气质量标准(GB3095—2012)》规定的PM2.5<15和PM10<40的一级标准，本研究调查的4个村落空气质量都达到一级，可见，沁源太岳山地区总体上空气质量较优。

表1 不同村落空气温度、相对湿度、PM2.5和PM10值

2.2 气象因素对空气负离子浓度(NAI)的影响

2.2.1 气象因素与空气负离子浓度的相关性分析

不同森林康养村落NAI浓度值与空气温度(T)、相对湿度(W)、PM2.5和PM10等气象因素的Pearson相关分析结果如表2所示。可以看出，不同村落NAI浓度与气象因素的相关性规律并不一致。

表2 不同村落空气负离子浓度与气象因子的相关性分析

沁源县城样点的温度与NAI存在正相关，相关系数分别达到0.66(C1)和0.42(C2)，且C1样点存在显著性(P<0.05)；黑峪村的温度与NAI存在显著的负相关，其中Y1相关系数-0.78(P<0.01)，Y2相关系数-0.65(P<0.05)；其他村落的温度与NAI也存在负相关，但并不显著。

PM2.5和PM10与NAI的相关性规律较为一致，即存在明显的负相关，其中县城日晷广场绿地样点(C2)PM2.5和PM10与NAI的相关系数分别达到了-0.88(P<0.01)和-0.86(P<0.01)；花坡村口样点H1的PM2.5与NAI的相关系数高达-0.90(P<0.01)，PM10与NAI的相关系数也达到-0.73(P<0.05)，样点H2的PM2.5和PM10同样与NAI浓度存在显著的负相关关系(P<0.05)；黑峪村样点Y1和Y2的PM2.5与NAI浓度相关系数分别为-0.81和-0.79，且均达到极显著水平(P<0.01)。因此，当PM2.5和PM10含量较高时，NAI浓度会下降。

2.2.2 空气负离子浓度影响因素的多元线性回归分析

以NAI浓度为因变量，其他气象因素为自变量进行多元线性回归，结果如表3所示。本研究建立的回归方程中，R2值大于0.7 且达到显著性水平(P<0.05)的仅有5个样点，表明本研究不同样点NAI浓度与各个气象因素的相互影响规律并不一致。县城两个样点C1和C2的回归方程准确性较高，R2值分别为0.846和0.954，且均达到显著性差异水平(P<0.05)，但是，C1回归结果中，NAI浓度的主要影响因素是空气温度，回归系数达到24.69，而C2的主要影响因素是PM2.5，回归系数达到-22.26；王家湾两个样点W1和W2的NAI浓度主要受到温度和湿度影响，其中，W1和W2的温度的回归系数分别为44.33和29.43，W1和W2的湿度回归系数分别达到22.93和24.94；花坡村的回归结果与之类似，即空气温度和相对湿度是主要影响因素。但是，五龙川村的回归结果存在差异，其中褐马鸡广场样点(L1)的主要影响因素是空气温度和相对湿度，回归系数分别为-25.10和-9.40，两者均与空气负离子浓度存在负向关系，而低山草甸样点(L2)的主要影响因素是相对湿度和PM10，回归系数分别为9.51和-7.18。

3 讨论与结论

3.1 讨论

(1)空气负离子浓度的主要影响因素 研究表明，空气负离子浓度受绿地空间类型影响较为显著。Yan等[13]认为天然林空气负离子浓度普遍高于人工林，城市绿地和农田空气负离子浓度相对较低；朱春阳等[14]发现空气负离子浓度与植物群落生物特征如平均树高、冠层高度等因素呈显著的正相关；马荣等[6]揭示常绿阔叶林和落叶阔叶林秋季空气负离子浓度较高，且不同林分秋季空气负离子浓度日间变化呈现单峰型；王薇等[15]认为丰富的植物层次结构有利于提高微环境的空气质量；刘双芳等[16]同样发现，油松+桃叶卫矛(Euonymusbungeanus)+玉簪(Hostaplantaginea)的乔灌草植物群落的空气负离子浓度显著高于稠李(Padusavium)+萱草(Hemerocallisfulva)的乔木地被植物群落；王一荃等[17]发现热带山地雨林原始林>次生林>鸡毛松(Podocarpusimbricatus)人工林>加勒比松(Pinuscaribaea)人工林>空阔地。

本研究选取的4种森林康养村落基本能够代表太岳山地区不同的森林康养类型。王家湾村属于湿地森林类型，且采样点附近有山泉流过，NAI浓度明显高于其他村落，黑峪村属于低山森林类型，NAI浓度次之。而花坡村、五龙川村等并无森林或湿地分布，因而空气负离子浓度相对较低。本研究在县城沁河河岸设定采样点，该样点属于开阔水体空间，NAI浓度亦无明显增加。这一结论与Wang等[5]的研究结论较为相似，即NAI浓度分布大致为森林空间>水体空间>开阔空间。

(2)空气负离子浓度与气象因素的关系 空气负离子浓度是森林康养效果评价的重要指标[18]，其与气象因素的关系受到广泛关注。Yan等[13]认为城市绿地植被区域空气负离子浓度与温度呈负相关关系，Luo等[19]针对上海森林公园进行研究，认为影响NAI浓度的主要是空气湿度、空气温度和PM2.5等3个因素；Li等[20]测定福建武夷山森林公园NAI浓度，发现不同季节的NAI浓度均与空气相对湿度存在一定的相关关系；Miao等[21]针对上海中山公园的研究却发现，城市绿地NAI浓度主要受到空气湿度、太阳辐射和空气温度的影响。可见，空气湿度对NAI浓度的影响较为明显。

但是，也有研究者提出了不同的看法。如Wang等[5]认为森林内部空气含氧量、PM10对NAI浓度的影响较大，而森林林缘带空气湿度对NAI浓度的影响最大；王薇等[15]认为住宅区晴天无尘时NAI浓度明显增大，室外绿地NAI浓度与温度呈正相关，与空气湿度相关关系不明确；胡梦玲等[22]发现不同季节与NAI浓度的相关关系不一致，且不同天气条件下NAI浓度变化较为显著；余海等[23]发现空气湿度最低值是影响NAI浓度的最大间接因素，NAI浓度随时间表现为“单峰型”或“双峰型”，随海拔表现为“单峰型”，且受海拔和时间的共同影响[24]。

本研究中，王家湾(W1和W2)和黑峪村(Y1和Y2)的NAI浓度日间变化趋势大致呈“U”型。花坡村(H1和H2)和县城(C1和C2)的NAI浓度日间变化趋势总体上呈单峰型。五龙川村(L1和L2)则存在两个峰值。本研究发现在人员活动密集区域设定的采样点，如县城广场(C1)、花坡村口(H1)、王家湾村口(W1)、黑峪村口(Y1)和五龙川褐马鸡广场(L1)，因周边来往人员、车辆的干扰，不利于空气负离子的形成。从监测结果来看，温度对NAI浓度的正相关关系较为明确，这与王薇等[15]提出的晴天无尘时NAI浓度明显增大的结论相似。而空气相对湿度影响较大的两个样点，王家湾油松-辽东栎林下(W2)和五龙川村低山草甸(L2)的空气相对湿度对NAI的正向影响较大，是主要影响因素。多元线性回归分析表明，PM2.5和PM10与NAI浓度存在负相关，即较高的PM2.5和PM10不利于NAI的形成。

3.2 结论

(1)不同森林康养村落的空气负离子浓度存在显著差异，湿地森林类型的空气负离子浓度普遍高于其他类型的森林康养村落。其中，王家湾村油松-辽东栎混交林下样点(W2)空气负离子浓度值最高，其次是黑峪村落叶松林缘带样点(Y2)，再次是五龙川村低山草甸样点(L2)，沁源县城的对照样点(C1和 C2)NAI浓度最低。空气负离子浓度分布特征大致为森林空间>水体空间>开阔空间。

(2)不同森林康养村落的空气负离子浓度日间变化并不一致，其中王家湾和黒峪村的空气负离子浓度日间变化趋势大致呈“U”型，早晨7:00—8:00浓度最高，然后逐渐下降，在12:00—15:00达到最低，但是在17:00—18:00又开始上升；花坡村和县城的NAI浓度日间变化趋势总体上呈单峰型，峰值出现在10:00—11:00时段；五龙川村则存在两个峰值，分别是9:00—10:00时段和15:00—16:00时段。因此，森林类型的村落NAI浓度早晨和傍晚较高，草甸类型的村落NAI浓度在上午10:00点左右较高。

(3)空气温度、相对湿度、空气颗粒物等气象因素均会影响到空气负离子浓度。其中，空气温度和相对湿度是影响空气负离子浓度的主要因素，且存在一定的正相关关系；PM2.5和PM10与空气负离子浓度存在明显的负相关，即空气颗粒物含量不利于空气负离子浓度的提升。