城市绿地植物群落与空气负离子空间分异特征相关关系研究——以北京奥林匹克森林公园为例

潘剑彬 李佳妮 李树华 董 丽 王云才

空气负(氧)离子(Negative Air Ions，NAI)是指空气中含氧负离子与若干个水分子结合形成的原子团[因氧分子具备较高的亲电性，会优先夺得自由电子形成带负电粒子，O2-(H2O)n或OH-(H2O)n，粒径约10-8mm]。其中，自由电子e主要源于放射性物质(如宇宙射线、紫外线等)引发的空气电离作用。但与此同时，雷电、运动水体(瀑布、海浪等)，以及自然界树木的树冠、叶端的尖端放电和绿色植物叶表面在短波紫外线的作用下发生的光电效应(主要指光合作用的光反应阶段)等也能够产生较高浓度的自由电子，进而形成较高浓度的空气负离子[1]。空气负离子被称为“空气维生素和生长素”，针对其对人体生理机制的相关研究开始较早，且发表在Nature和Science杂志上[2-3]，但目前学界尚存争议。在一定环境条件下，空气负离子不断产生和消亡且存现寿命很短(一般几十秒或几分钟)。其中，空气负离子消亡的原因之一是它吸附(或凝结)空气气溶胶中同样为小粒径粒子的悬浮粒子(如具有一定生理活性的PM2.5，粒径约10-3mm)后，被绿色植物粗糙的叶表面“滞留”或凝结成更大粒径粒子沉降至地面。在上述过程中，若环境中空气负离子浓度较低，则说明处于“游离”状态的小粒径悬浮粒子浓度较大，反映出空气清洁度较低；反之，则说明空气清洁度较高[4-6]。基于上述耦合关系，空气负离子浓度已经成为评价环境空气清洁度(城市/自然地域)的重要参数。国家林业局在2016年发布《空气负(氧)离子浓度观测技术规范》(LY/T 2586—2016)，对空气负离子的监测、数据处理及评价方法等技术要求进行规定，相关研究结果之间的对比参照及互相检验也更趋于科学化。

目前，针对空气负离子的相关研究主要集中在自然森林地域与城市区域。针对森林空气负离子的研究最早可溯源至20世纪80年代的日本[7]。近年来，国内部分学者专注森林旅游区负氧离子浓度全年尺度的时空格局特征[8-12]、(含森林植被生物特征及地理因素的)相关影响因素[13-15]及评价体系、标准研究[16-19]。城市区域因为复杂的功能区划，人口稠密及高频度的工商业活动所产生的污染物浓度远高于森林地域，单位空气体积内的大、中、小粒径悬浮粒子含量极易超标，进而影响该区域的空气质量[20-23]。而城市绿地被证实能够显著改善城市人居环境质量。国内外研究者针对城市绿地区域空气负离子浓度的时空分布特征及其影响因素开展了大量研究[4，24-27]；在空气负离子与其他环境因子相关关系的阐释中，因为城市区域所处地域及物理环境、绿地自然属性差异，得出的结论也不尽相同，甚至有较大差异，所以相关数据积累及深入研究仍需进一步开展。针对上述科学问题，部分研究者尝试采用控制性试验方法阐释此相关关系[28-29]；部分研究者以上海、厦门、北京、西藏林芝、北戴河等不同地域城市绿地为研究对象，定点实测并定量化评价阐释城市绿地构成要素及其特征与空气负离子浓度的相关关系[30-36]。相关研究虽较充分，但针对典型样地的多年持续监测少见报道，获取数据的随机性仍存在，所以有必要进一步丰富数据分析，并接受更多、更深入的检验。再者，风景园林科学属于应用基础研究，具有很强的实践性，但已有研究侧重阐释，即有城市绿地区域空气负离子时空分异的相关特定机制，但如何利用这些科学规律反馈支撑增量城市绿地规划设计(或存量绿地更新优化)实践，营造具有高效微环境效应城市绿地的相关阐述仍相对缺乏。

笔者所在团队2005—2020年持续动态监测北京奥林匹克森林公园绿地植物群落的微环境效应(如消减空气菌类、降温增湿及负氧离子效应等)已达15年，在阶段性著述中，阐述了公园绿地区域空气负离子浓度的年度、季节、日变化规律。

本文延续前期研究样地、试验样点及数据获取与分析方法，旨在进行城市公园绿地空气负离子空间分异特征及其影响因素的阐释。为便于研究，将北京奥林匹克森林公园实测样方内的植物群落进行模式化区分：依据群落类型将其划分为针叶林型群落(Coniferous Plant community，CP)、针阔叶混交型群落(Coniferous and Broadleaved mixed Plant community，CBP)、阔叶林型群落(Deciduous Broadleaf Plant community，DBP)、灌丛型群落(Shrub，S)、地被/草坪型群落(Grass/Ground cover，G)5种；依据植物群落结构将其划分为乔灌草型群落(Tree-Shrub-Grass，TSG)、乔灌型群落(Tree-Shrub，TS)、乔草型群落(Tree-Grass，TG)、灌草型群落(Shrub-Grass，SG)、地被/草坪型群落(Grass/Ground cover，G)5种；TSG为复层结构群落(Multi-layer Plant Community，MPC)，TS、TG、SG为双层结构群落(Double-layer Plant Community，DPC)，G为单层结构群落(Single-Plant Community，SPC)；WS为滨水广场典型环境，WPC为滨水植物群落典型环境；CK为试验对比样点。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

北京奥林匹克森林公园绿地(以下简称“奥运森林公园”)规划设计工作始于2003年11月，于2005年6月开工建设，至2008年6月全部竣工。奥运森林公园是29届夏季奥林匹克运动会(北京奥运会)举办期间的重要基础设施之一，也是赛后馈赠给北京城市居民的“绿色遗产”。如今，奥运森林公园南起科荟路，北至清河(横跨北五环路)，东至安立路，西至林萃路。公园总占地面积680hm2，其中南园占地面积约380hm2(含西侧场馆区)，北园占地面积约300hm2。公园绿地植物种植以本土植物的乔木、花灌木和草本植物为主，整体绿化覆盖率达95.61%。

1.2 研究方法

1.2.1 样点与对比样点设置

棋盘式取样法是在奥运森林公园绿地内选定17处实测试验样点，并对其位置进行微调，原则上保证试验样点远离较大规模人群活动区域(道路、广场等)，以及(为使实测数据具有统计学意义)选取典型代表性植被类型、植物群落结构类型和数量试验样点3处以上[18]。2处试验对比样点(CK)分别位于奥运森林公园南门南1km处奥林匹克公园铺装广场(近地下商业区)、奥运森林公园北四环路北侧铺装广场(近“鸟巢”国家体育场，硬质铺装较多，绿地面积及植物群落数量较少，人群活动密集)，如表1所示。

表1 奥运森林公园绿地试验样点植物群落生物特征(2020年数据)

1.2.2 试验及评价方法

1)试验方法。

采用AIC-1000型(美国产，5台)空气负离子检测仪，操作程序及注意事项遵从仪器使用说明[试验中，仪器检测范围均调整为10～1.999×109个·cm-3，最高分辨率为10个·cm-3，迁移率为0.15cm2/(V·s)，取样空气流速为180cm/s，响应时间常数约为15s，误差离子浓度小于10%，迁移率小于10%]。采用德图Testo625温湿度测试仪(德国产，5台)测定样点空气温度和空气相对湿度(温度测定范围为-10～60℃，分辨率为0.1℃；相对湿度测定范围为0～100%，分辨率为0.1%)。空气PM10、PM2.5浓度测试仪器采用TF-9型室外空气品质测试仪(瑞典产，5台，测定范围为1～1 000ug·m-3，分辨率为0.1ug·m-3，误差±10%)。

奥运森林公园绿地样点均位于30m×30m群落样方的中心。试验时间为2020年8月初—中旬。为排除气象因素干扰，测定时间均为晴朗、静风天气。

试验中，直接测定距地面1.5m处(人行高度)的空气正负离子浓度，对同一样点的4个方向分别观测，待仪器读数稳定后每个方向取5个具代表性的波峰值，于8：00—17：00每隔1h测定1次；同时使用3部温湿度测试仪置于样点范围距地面约1.5m处(人行高度)，间距3m以上，并避免阳光直射和置于路面，待仪器读数稳定后读取数值的算术平均值作为样点的空气温度和相对湿度。空气PM10、PM2.5浓度测定同步进行。上述试验于气象条件相同的3d时间内重复试验1次作为备用数据。

2)评价方法。

研究采用国内学者石强等依据德国学者的空气离子相对空气质量指数评价法，提出了空气负离子系数及森林空气离子指数评价法[17]。

式中，p为空气负离子系数(分析中该值应大于或等于0.5，即空气负离子浓度大于正离子浓度；n+、n-为空气正负离子浓度。

式中，FCI为森林空气离子评价指数；1 000个·cm-3为空气负离子生物学效应阈值。

3)评价标准。

表2为潘剑彬等在综合研究日本学者安倍、中国学者钟林生等相关空气负离子分级及评价标准基础上提出的城市绿地空气负离子评价指数及分级标准[17-18，38]。

表2 城市绿地空气负离子评价指数及分级标准

1.2.3 数据分析

用Microcal Origin 6.0软件进行数据统计分析和作图。用SPSS 17.0统计软件对试验数据进行统计分析，采用One-Way ANOVA进行差异显著性分析，系统默认显著性水平设为0.05。用皮尔逊相关系数(P)分析本研究关注的空气负离子浓度与微气象因子(温度及相对湿度等)，以及群落结构、群落类型和郁闭度、叶面积指数等因素的相关性，系统默认显著性水平设置为0.05。

2 结果与分析

2.1 公园绿地植物群落结构与空气负离子浓度

图1、2数据分析结果分别为奥运森林公园绿地不同群落结构和组成区域空气负离子浓度，表3是以负离子浓度为评价指数的空气质量评价结果。由结果可知，在不同结构组成的植物群落中，从复层植物群落结构区域(3 100个·cm-3)至单层植物群落区域(1 700个·cm-3)的空气负离子浓度逐渐降低。在不同结构组成的双层植物群落区域，乔草结构群落区域具有最高的空气负离子浓度(4 800个·cm-3)，乔灌结构群落区域具有最低的空气负离子浓度(1 200个·cm-3)，灌草结构区域居中(1 700个·cm-3)。在不同结构组成的单层植物群落区域，草坪及地被植物区域具有最高的空气负离子浓度(3 000个·cm-3)，而乔木植物群落具有最低的空气负离子浓度，其空气负离子浓度仅为300个·cm-3，该值低于空气负离子生物学效应阈值(1 000个·cm-3)。表3、4的分析结果显示，乔灌草复层结构的植物群落区域、乔草双层结构群落区域的空气清洁度等级较高，评价结果均为“优”，而其他类型群落结构组成区域空气清洁度为“中”。

图1 奥运森林公园绿地不同群落结构区域的空气负离子浓度

图2 奥运森林公园绿地不同群落结构组成区域空气负离子浓度

表3 不同群落结构区域空气质量评价

表4 不同群落结构区域空气负离子浓度方差分析

2.2 公园绿地植物群落类型与空气负离子浓度

图3数据分析结果为奥运森林公园内不同群落类型区域的空气负离子浓度，表5是基于该区域空气负离子浓度的空气质量评价结果。数据显示，在奥运森林公园绿地样点所代表的6种群落类型中，落叶阔叶型群落区域的空气负离子浓度最高(3 900个·cm-3)，常绿针叶型群落区域的空气负离子浓度其次(3 700个·cm-3)，灌丛群落区域的空气负离子浓度最低(1 300个·cm-3)。表5、6的数据分析结果显示，奥运森林公园绿地的落叶阔叶型群落和草坪地被群落结构的空气清洁度评价结果为“优”，而其他群落结构区域，如常绿针叶林、针阔叶混交型群落结构区域的空气清洁度评价结果为“中”，且分值较低。

图3 奥运森林公园绿地不同群落类型区域空气负离子浓度

表5 不同群落类型区域空气清洁度评价

表6 群落类型间空气负离子浓度方差分析

2.3 公园绿地典型景观环境与空气负离子浓度

图4数据分析结果为奥运森林公园绿地典型景观环境区域的空气负离子浓度，表7为基于该区域空气负离子浓度的空气质量评价结果。由结果可知，滨水植物群落环境区域的空气负离子浓度最高(4 500个·cm-3)，一般植物群落环境区域的空气负离子浓度较高(3 100个·cm-3)，而滨水广场环境区域的空气负离子浓度最低(860个·cm-3)，低于空气负离子生物学效应阈值。表7、8的数据分析结果显示，滨水及一般植物群落3种典型环境区域的空气清洁度等级均为“优”，而滨水广场环境区域为“差”。

图4 奥运森林公园绿地不同典型景观环境区域空气负离子浓度

表7 不同典型景观环境区域空气清洁度评价

表8 奥运森林公园绿地典型环境间空气负离子浓度方差分析

但是，在数据结果中，滨水广场及滨水植物群落环境区域空气负离子浓度p值均低于0.5(表7)，原因尚不明。

3 结论与讨论

3.1 空气负离子浓度与公园绿地植物群落结构

由试验结果可知，在奥运森林公园绿地的复层、双层和单层植物群落结构中，乔灌草复层植物群落区域的空气负离子浓度平均值较高，但其数值低于双层植物群落结构中的乔草结构。该结果与吴志萍等在北京6处城市绿地、孙文等在上海中山公园绿地开展的空气负离子实测研究结论类似[9，20，35]。产生上述结果的原因可能是乔灌草复层植物群落结构的单位绿地面积三维绿量相对较大，而叶绿体是光合作用发生的场所，因而该结构植物群落具有较高的光合作用总量。但复层植物群落结构区域的空气负离子浓度低于双层群落结构可能与不同地域条件下某种群落结构的光合作用效率有关。吴志萍等针对北京城市绿地的研究结果与本文的研究结果较一致[20，35]，而孙文等在上海中山公园绿地的研究认为乔灌植物群落结构区域具有较高的空气负离子浓度。在城市绿地植物群落构建实践(绿地植物景观规划及设计阶段)中，了解和掌握地域及城市绿地植物群落各层次的太阳辐射占有比率及其利用效率非常重要，因为只有基于此，才能在满足植物本身的生长需求的同时最大效率地利用太阳辐射并促进空气负离子生成。控制性试验的方法可用于研究植物个体及群落在不同太阳辐射强度下的空气负离子效率，Wang、李爱博等分别在北京和杭州进行的控制性试验已经在试探性地阐释这种规律，但他们使用的是盆栽植物或人工气候室内的非典型城市绿地植物，所以研究结论仍存在一定局限，阐述相关规律尚需开展大量的控制性试验[28-29]。

在具有显著空气负离子效应的双层群落结构中，郁闭度为0.55～0.75的乔草复合型群落空气负离子浓度最高的原因是，乔草群落结构及该郁闭度条件下，阳光能够先通过树冠层后通过地被层照射到植物叶片上，而植物叶片可以在短波紫外线的作用下发生光电效应，从而增加空气中的空气负离子浓度。与此同时，如果植被郁闭度过大或过小，都可能降低(冠层或林下层)植物叶片的光电效应效率。

3.2 空气负离子浓度与公园绿地植物群落类型

奥运森林公园绿地内落叶阔叶植物群落类型区域的空气负离子浓度相对较高，是因为该试验区域保留原洼里公园树木较多(以毛白杨和旱柳为主)，规格较大(胸径30～40cm)，生长状态也较好，有益于其区域环境内保持较高的空气负离子浓度。该研究结果与李爱博等在上海中山公园绿地开展的试验得出的结论相同[29]。与此同时，也有部分研究结果与已有研究不同，例如，蒙晋佳等认为常绿针叶树木的叶呈针状，等曲率半径较小，具有尖端放电的功能，能够促使空气发生电离从而提高群落区域的空气负离子浓度；同时，常绿针叶乔木释放出的芳香挥发性物质也能使空气发生电离，所以其群落周围空气负离子浓度较高[12]。奥运森林公园绿地内的常绿针叶植物群落和针阔叶混交植物群落区域的空气负离子浓度比较低的原因可能与常绿针叶树木多为移植，规格尚小有关(株高4.5～5.5m)，但这一群落类型区域的空气负离子浓度需要长期关注。

落叶阔叶型、针阔叶混交型植物群落是北京地区的乡土植物群落类型，结合在奥运森林公园绿地内的长期试验观测，这一群落类型下的种间关系能够促进组成物种的生长，可能正是因为这一原因，致使植物群落区域具有较高的空气负离子浓度。长期的空气负离子浓度监测试验中发现，同样群落类型下近乎相同物种组成的园林植物群落，其周边的空气负离子浓度差异较大。相对来讲，具有较长林缘线或边际的群落内外较密植的群落区域具有较高的空气负离子浓度，通常在其植物群落边缘的空气负离子浓度要高于此群落内部和外部。虽然这些发现仍需要进一步定点监测和试验验证，但若确实园林植物的不同种类、不同配植及平面构成模式能够影响其微环境效应的发挥，无疑会为园林植物群落的科学构建明确研究方向。

3.3 空气负离子浓度与公园绿地典型景观环境

已有研究证明，奥运森林公园绿地内的水域分布、绿地植物群落布局与空气负离子浓度空间格局特征具有显著的相关关系[18，21，25]。本次试验结果再次证实，滨水植物群落区域空气负离子浓度较高，甚至高于乔灌草复层植物群落区域，可能的原因是滨水区域通风透光、水热条件适宜，植物群落生命活力旺盛。滨水铺装广场区域空气负离子浓度较低可能是因为本区域处于奥运森林公园内较大的人流集散区，远离植物群落，且人群活动造成空气中各种径级的空气粒子较多消减空气负离子的存现寿命。

综上所述，纵向比较奥运森林公园绿地植物群落结构、群落类型和典型景观环境空气负离子浓度与FCI值之间的相关性系数(P值)可知，植物群落结构差异条件下的相关性系数最高，而典型景观环境差异条件下的相关性系数最低，其中植物群落结构与空气负离子浓度呈现显著的正相关(P=0.786)。可能的原因是不同的植物群落层次结构直接影响绿地植物群落三维绿量，从而显著影响区域内的空气负离子浓度。

开展该研究15年来，随着奥运森林公园绿地植被的持续生长发育，单位绿地面积三维绿量将越来越大，公园绿地植物群落对区域微环境质量的影响力将愈加显著。以空气负离子为指标的单一微环境效应如何发展？空气负离子环境、热环境和空气微生物环境等具有耦合关系的复合微环境效应如何发展？耦合作用机制是什么？解决这些科学问题，开展持续监测(基于实测的大量数据)进行分析，并接受广泛而深入的检验将是十分必要的。研究结果试图服务于风景园林的“循证设计”过程，为具有高效微环境效应的功能型绿地规划设计提供基础数据和科学依据。

4 结语

本文研究属性为应用基础研究，目的是为增量城市绿地的高质量构建、存量城市绿地的更新优化提供基础科学依据，但是在研究深度和广度上尚存在以下不足。

该文所述在北京奥运森林公园绿地内进行的空气负离子数据监测过程时间跨度长达15年。在此期间，因空气负离子数据监测设备和试验人员的数次更迭、操作过程等造成的原始数据误差不可避免；因公园绿地所在城市的地理、气候特征，绿地的山水格局，地域性绿地植被种类组成及数量、动态生长等因素决定其微环境效应本身具有显著的时空分异性，研究结论的普适性特征也可能不足。鉴于城市绿地这一研究对象的开放性和复杂体系特征，该研究在一定程度上模式化绿地植物群落空间构成，可能忽略或没有关注到对结果有重要影响的异质性信息，因而结论可能具有一定的局限性，需要接受更多的评议与检验。

注：文中图片均由潘剑彬绘制。