福州国家森林公园空气负氧离子浓度变化特征与影响因素*

关昶翔 许新宇 林双毅 董建文 阙晨曦 兰思仁

1 福建农林大学园林学院 福州 350002

2 福建省厦门市绿化中心 福建厦门 361000

森林公园作为森林生态旅游的主要目的地,游客在出行时除了考虑游憩需求,也同样关注目的地的生态服务效果以及从中获取的健康收益[1-2]。负氧离子有改善空气质量、促进身体保健等积极作用,被誉为“空气维生素”,因此,负氧离子浓度的变化是影响森林游览者获取健康收益的重要因素,与森林生态服务效果息息相关[3]。研究显示,当负氧离子浓度达到400个/cm3以上时,可以增强人体免疫力及抗菌力；达到5 000个/cm3以上时,可以起到杀菌和减少疾病传播的作用[4]。负氧离子浓度作为评价森林环境质量的重要指标,一定条件下可以反应监测地的生态质量[5]。

森林环境温湿度、光辐射、风速等气象因子与负氧离子浓度变化显著相关[6],且不同研究区域的地理差异会导致研究结果之间的差异。研究表明,森林环境下负氧离子浓度日变化总体呈现早晚高中午低的“U型”规律及上午下午高午间低的双峰型规律,季节变化呈现夏季浓度最高,春季和秋季次之,冬季最低[7-8]的规律。叶彩华等[10-11]研究发现负氧离子浓度变化与湿度呈正相关关系,与温度呈负相关关系；而冯鹏飞等[12-13]则发现负氧离子浓度与湿度呈负相关关系。可见,负氧离子浓度变化与气象要素之间的关系较为复杂,需要不同区域研究者的共同努力。目前,研究多集中于城区以及远离城市的森林公园,对城郊森林公园关注略少,并且对负氧离子浓度监测单位时间间隔较长,对气象影响的关系研究较少。本文以分钟为最小监测单位时间,分析福州国家森林公园负氧离子浓度的变化规律,探究气象影响因子与负氧离子浓度的关系,研究结果可为森林公园活动策划提供更准确数据指引,为提升游憩质量提供科学依据。

1 研究区概况

福州国家森林公园位于福州北郊新店镇赤桥村,距福州市区仅6 km,是福建地区重要的森林生态旅游地。园内亚热带海洋性季风气候特征明显,年均降水量1 712 mm,年均日照时数1 630 h,年均气温19.9℃,7月月均气温31℃,为全年最高,2月月均气温12℃,为全年最低,全年无霜期326天,年均空气相对湿度79%。园内植被以人工林和天然次生林两种类型为主并覆盖有部分天然灌木林[14]。

2 研究方法

2.1 数据采集

于2017年12月1日至2020年2月29日(共820天)对福州国家森林公园内的气温、相对湿度和负氧离子浓度进行测定,测点(119°01′08″E,29°36′50″N)位于福州国家森林公园中心的荔枝园入口处(毗邻贯穿公园的河流),靠近森林公园主干道,周边10 m范围内无建筑物。采用IM800型固定式负氧离子自动测试仪(中国东创旭新测控技术有限公司)测定负氧离子浓度,进气口离地1.5 m(与成人呼吸高度一致),检测范围为(0～3)×106个/cm3,每日观测时间为0∶00-24∶00,观测间隔为1 min(迁移率为K≥0.4 cm2)。同时,测量测点的实时温度(±0.1℃)和相对湿度(±2%)。参照中国林科院福州国家森林公园气象监测站每6 h监测数据判定当日天气状况,明确降水雷电等天气状况的出现时间。在参考当天状况的情况下,结合欧洲中期天气预报中心20 km×20 km降水量监测数据开展进一步研究。

2.2 数据分析

用R语言软件(V3.6.0版)剔除负氧离子浓度数据的缺失和异常值,通过Excel、SPSS和R studio软件进行以下分析:1)统计分析负氧离子浓度的年内季节及日变化规律,并依照标准对负氧离子浓度进行评级；2)分析不同季节中不同天气状况的负氧离子浓度日变化规律；3)分析中雨及以上规模降水天气对负氧离子浓度变化的影响；4)分析雷雨天气对负氧离子浓度变化的影响。

3 结果与分析

3.1 负氧离子浓度和温湿度总体变化特征

根据分析结果,福州国家森林公园年均负氧离子浓度为4 179个/cm3,年均变化幅度为346个/cm3,年均温度20.0℃,年均相对湿度81.5%,福州国家森林公园在监测时间范围内空气清新度都在I级以上[15]。相较于福州城区监测站的数据,福州国家森林公园每单位体积内负氧离子浓度更高,年均温度更接近人体热舒适的最优温度25℃,年均湿度更高,表明福州国家森林公园的森林小气候环境条件优于城市区域。

分别对研究时间范围内负氧离子浓度及温湿度取日平均值进行分析,结果(图1)表明:负氧离子浓度呈现夏季、冬季高,秋季次之,春季最低的变化特征；温度呈现春季、夏季高,秋季、冬季低的变化特征；湿度的变化趋势呈现春季和冬季高,夏季和秋季低的变化特征。

图1 福州国家森林公园负氧离子浓度及温湿度年变化规律

3.2 不同季节负氧离子浓度和温湿度的日变化特征

福州国家森林公园负氧离子年平均日变化幅度为3 659～4 684个/cm3。负氧离子浓度日均变化呈现白天低、晚上高的单峰单谷特征,,峰值出现在4∶48,谷值出现在12∶36。同时负氧离子浓度与温度呈现明显的负相关,与湿度呈现明显的正相关(图2)。在负氧离子浓度四季平均日变化中,白天的负氧离子浓度明显低于夜晚,夏季特征更为明显(图3)。

图2 福州国家森林公园负氧离子浓度日变化

图3 福州国家森林公园四季负氧离子浓度及温湿度日变化

3.3 不同天气状况负氧离子浓度的日变化特征

通过对不同天气状况的负氧离子浓度平均日变化规律研究,结果(图4)发现,雨天、雷电、晴天和多云4种天气的负氧离子浓度排序为雨天＞雷电＞晴天＞多云,其中雨天与雷电天气的负氧离子浓度波动较另外2种天气幅度更大。

图4 全年不同天气状况负氧离子浓度平均日变化

如图5所示:春季(2018年3—5月,2019年3—5月)雨天的负氧离子浓度变化明显较高,尤其在凌晨1∶00-5∶00较为显著；夏季(2018年6—8月,2019年6—8月)4种天气状况皆表现出单谷的变化特征,雨天峰值出现在凌晨3点,较其他天气更早；秋季(2018年9—11月,2019年9—11月)晴天相较其他3种天气在午后13∶00-14∶00时 段存在明显的低谷；冬 季(2017年12月至2018年2月,2018年12月至2019年2月,2019年12月至2020年2月)没有雷雨天气,且雨天负氧离子浓度峰值出现在6∶00之前,与全年日变化规律相比,冬季晴天负氧离子浓度变化在13∶00多一个峰值。

图5 四季不同天气状况负氧离子浓度日变化

3.4 降水量对负氧离子浓度的影响

选取研究地中雨(2018年4月14—15日,5月23—24日,6月21—22日)和大雨(2018年1月7—8日,3月19—20日,8月25—26日)天气各3天,将降水当日0∶00至次日24∶00共48 h的降水量与负氧离子浓度进行逐小时比较,结果发现,降水量与负氧离子浓度表现出显著正相关关系(表1)。总体相关系数达到0.68以上。同时上述案例的时间跨度包含春夏冬三季,说明较强降水因素对负氧离子浓度的影响与季节无关。

表1 2018年3次中雨与3次大雨降水量与负氧离子浓度相关系数

3.5 雷雨天气负氧离子浓度的日变化特征

由图6可知,雷雨天气与负氧离子浓度值之间存在正相关关系。在闪电活动出现当日及次日,福州国家森林公园的负氧离子浓度值会明显上升,且使该区域负氧离子浓度在闪电活动之后的24 h内保持较高水平。

图6 雷雨天气负氧离子浓度48 h逐小时对比

4 讨论

根据2017年国家气象行业标准规定的负氧离子浓度等级,福州国家森林公园负氧离子浓度全年均在I级以上,空气质量达到清新水平。但是负氧离子浓度会随着太阳辐射及温湿度等因素在一天之中呈现一定的变化规律,并且会因为人为活动、研究地的气候特征等原因存在差异。在以往对森林环境负氧离子浓度日变化的研究中,李萌萌等[16]发现河北太行山区负氧离子浓度日变化呈现早上较高、中午较低、晚上再次升高的趋势,胡猛等[17]发现森林环境下负氧离子浓度变化呈现白天高晚上低的规律。本次福州国家森林公园负氧离子浓度变化规律与部分学者结果不同,总体呈现白天低晚上高的规律,这可能与研究地的特殊性有关,福州森林公园作为福建森林旅游的重要出行目的地,年接待游客超过400万人次[14],大量游客活动使研究区域内空气中气溶胶含量升高,而负氧离子具有易被气溶胶吸附的特性,导致白天浓度较晚上低的观测结果。

负氧离子浓度变化规律受温湿度和气候变化等因素影响,因此也会表现出季节差异。有研究显示,森林环境下负氧离子浓度全年呈现夏季＞秋季＞春季＞冬季的变化规律,夏季充足的水热条件促进了植物的代谢活动和光合作用,加上强烈的紫外线、频繁的雷雨天气、洁净的空气状况以及高湿度环境等因素,进而对负氧离子的产生起到积极作用[6,18-19]。本研究发现冬季总体负氧离子浓度高于春秋两季,这与冬季枯落物层的作用有关,也与福州当地的气候特征有关。何宁等[20]发现在森林环境下枯落物层延缓了长波辐射热失散,保持了热量与水分。而研究地亚热带季风气候特征明显,冬季风力强、降水及霜冻天气少且时有暖冬天气,大风天气及暖冬现象为福州国家森林公园带来清洁空气环境、局部对流和充足的光热条件,园内植物凭借充沛的水资源保持了在冬季依旧高效的光合作用,为高负氧离子浓度创造条件。

负氧离子浓度的变化也会受到天气状况的影响。薛爱爱等[21]研究发现雨天的负氧离子浓度显著高于晴天。卢振礼等[22]研究发现,雷雨天气与负氧离子浓度存在显著正相关,且降水与负氧离子浓度变化率存在正相关。谭静等[13]发现负氧离子浓度与闪电、中雨及以上降水活动存在显著相关。本研究发现,福州国家森林公园的负氧离子浓度变化与降水量呈现显著正相关,雷雨天气与负氧离子浓度变化呈现显著正相关,与薛爱爱等研究结果一致。因此,在闪电活动、中雨和大雨过后的24 h内负氧离子浓度达到较高水平,适合进行森林旅游、康养等相关活动。

5 结论

在2017年12月至2020年2月,福州国家森林公园的负氧离子浓度日平均值高于国家气象行业标准中的I级水平,即福州国家森林公园的负氧离子浓度总体水平较高,且空气质量总体上呈现清新水平。福州国家森林公园负氧离子浓度日变化特征总体呈现白天低、晚上高的单峰单谷特征,清晨和傍晚的负氧离子浓度大于中午和下午。福州国家森林公园负氧离子浓度变化呈现明显的季节特征,夏季最高,春季最低,冬季略大于秋季。福州国家森林公园的负氧离子浓度与气象影响因子存在相关关系,但关系较复杂。总体来说,雨天负氧离子浓度最高,雷雨天气小于雨天,晴天次之,多云最低；中雨及以上的较强降水对负氧离子浓度变化存在显著正相关关系；闪电活动与负氧离子浓度存在显著的正相关关系,闪电活动后24 h的负氧离子浓度显著提升。