邓成，张守攻，陆元昌*

1. 中国林业科学研究院，北京 100091；2. 广西林业勘测设计院，广西 南宁 530028

森林改善空气环境质量功能监测与评价研究

邓成1,2，张守攻1，陆元昌1*

1. 中国林业科学研究院，北京 100091；2. 广西林业勘测设计院，广西 南宁 530028

为全面了解森林内部属性与森林改善空气环境功能之间的内在关系与规律，以及不同森林在改善空气环境质量方面的能力强弱，以中国林业科学研究院热带林业试验中心为研究对象，于2014年7─8月按照2 km×2 km网格间距进行系统抽样，设置51个样地对森林空气温度、湿度、负氧离子含量等空气环境状况指标及林分特征因子进行了监测，并对林分类型、发展阶段、郁闭度等林分因子与森林空气温度、湿度、负氧离子含量之间的关系进行了分析。采用温湿指数、安培空气质量评价系数、森林空气负氧离子评价模型对不同类型森林的空气环境质量进行了评价。结果表明：1）森林改善空气环境质量功能主要与其林分类型、发展阶段、林分郁闭度有关；2）在调节空气温湿度，改善空气环境舒适度方面，针叶混交林最强，然后依次为针阔混交林、阔叶混交林、针叶纯林、阔叶纯林、灌木林，以未成林最弱。在吸附污染物、净化空气方面，针阔混交林最强，然后依次为阔叶混交林、阔叶纯林、针叶混交林、针叶纯林、灌木林，以未成林最弱；3）不同发展阶段的林分在改善空气环境舒适度方面的差异不明显，但随着林分发展阶段的深入，森林的结构越来越复杂，森林净化空气的能力也逐渐增强；4）森林在调节空气温湿度，改善空气环境舒适度等方面的功能随郁闭度的增加而增强，当郁闭度大于0.4时，森林改善空气环境舒适度的功能显著增强。郁闭度在0.4～0.7之间的林分净化空气的功能较强，尤以郁闭度为0.5时最强，当林分郁闭度低于0.4或高于0.7以后，林分净化空气的功能均有所降低；5）总体来说混交林改善空气环境质量的功能要显著强于纯林。研究结果对于经营单位如何通过林分状态的调控来增强森林的空气环境改善功能具有重要指导意义。

森林空气环境；森林功能监测；森林功能评价；温湿指数；空气负氧离子

近些年来，森林作为改善生态环境的主体，其本身健康及其与环境的关系得到了重视和关注，但总的说来，世界各国对森林环境监测的重视还不够，对森林的各项服务功能考虑不足（王彦辉等，2007），如德国等欧洲发达国家虽然对森林土壤和空气质量状况等方面进行了监测，但是，这些监测主要是用于分析土壤和大气污染对森林的损害程度和趋势预测（张会儒等，2002），而不是反映不同森林在改善空气环境方面的作用大小及林分自身属性与森林改善空气环境功能之间的因果关系，对于经营单位如何通过林分状态的调整来增强森林的空气环境改善功能指导意义并不大。随着经济社会的发展及人们生活水平的提高，人类对生态环境的要求逐渐提高，这就要求我们不仅要关注外界环境对森林的影响，更要通过科学合理的经营来进一步提高森林的空气环境改善功能，因此，对森林改善空气环境质量功能进行监测与评价，研究林分属性与森林改善空气环境功能之间的关系具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域为中国林业科学研究院热带林业试验中心（简称：热林中心），位于广西壮族自治区凭祥市西南部，北纬 21°57'47''～22°19'27''，东经106°39'50''～106°59'30''之间，地势西北高，东南低，中部参差起伏，形成山地、丘陵相间而又渐向东倾斜的地貌分布，海拔多在250～800 m之间，属南亚热带半湿润-湿润气候，境内光照充足，雨量充沛，干湿季节明显，年均气温 20.5～21.7 ℃，1月份平均气温 12.5～13.5 ℃，7月份平均气温 26.0～28.8 ℃，年降水量 1200～1500 mm，年蒸发量1261～1388 mm，相对湿度80%～84%。热林中心森林面积15655.1 hm2，其中乔木林面积13310.6 hm2，以马尾松（Pinus massoniana）占绝对优势，其面积约占乔木林面积的63%，其次为杉木（Cunninghamia lanceolata）和桉树（Eucalyptus）；灌木主要是盐肤木（Rhus chinensis）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）、野牡丹（Melastoma candidum）及其他杂灌等；草本主要有黄茅草（Narenga fallax）、五节 芒 （ Miscanthus floridulus）、 曼 生 莠 竹（Microstegium nodosum）等。

1.2 研究方法

1.2.1 监测体系设置

按照2 km×2 km网格间距进行系统抽样，采用群状圆形样地（即每个样地由3个均匀分布的子样圆组成），设置监测因子，对林分因子及森林所引起的空气环境状况进行定期监测，进而分析森林状态及其改善空气环境功能的大小，整个热林中心共设置永久性观测样地 51个。监测因子设置主要考虑以下几个方面的需求：1）监测目的的需求，即要能充分反映出森林空气环境质量状况；2）监测操作性的需求，即所设置的因子在实际调查中要便于操作，具有可执行性；3）合理费用的需求，即进行这些指标的监测费用是合理的，对于经营单位来说是可接受的。根据以上原则，选择林分温度、湿度、空气负氧离子含量等作为森林空气环境质量监测因子。

1.2.2 数据调查采集

于2014年天气比较稳定的7─8月对观测样地进行调查，采集相关数据。空气温度、湿度数据采用浙江托普仪器公司生产的手持式农业气象监测仪测定；空气负氧离子含量采用日本生产的KEC-990正负离子测试仪测定。为消除风速、风向可能带来的误差，测量时在同一点观测点取相互垂直的2～4个方向，每个方向读取3～5个值，记录其平均值。由于空气负氧离子受气象及林分特征等因素的影响（陶宝先，2012；王薇，2014），为便于分析，样地调查固定在09:00—10:00、12:00—13:00、15:00—16:00 3个时间段进行，并按照林分类型顺序进行调查，使同一林分类型的数据形成一个时间序列，分析时取其平均值。

1.2.3 林分因子与空气环境质量关系分析

选择林分类型、林分发展阶段、林分郁闭度等主要林分因子，对其与空气温度、湿度、负氧离子含量等与森林空气环境质量相关的因子之间的关系进行分析，以了解森林自身状态在改善空气环境质量功能中的作用和规律。为便于分析，根据热林中心的森林资源特点，将其划分为未成林、灌木林、针叶纯林、针叶混交林、阔叶纯林、阔叶混交林、针阔混交林共7个林分类型。同时按照多功能近自然森林经营理论，将热林中心的森林发展阶段由低到高划分为无林地阶段、林分建群阶段、竞争生长阶段、质量选择阶段、近自然林阶段、恒续林阶段共6个阶段。采用SPSS 19.0软件对相关数据进行统计分析。

1.2.4 森林改善空气环境质量功能评价

采用温湿指数、安培空气质量评价系数、森林空气负氧离子评价模型对森林空气环境质量进行评价，进而评价森林改善空气环境质量的功能。温湿指数主要从生理气候角度来评价人体对气候环境的感觉舒适程度，它综合考虑了温度、湿度和日照等气象要素对空气环境的影响，是表征空气环境对人体冷、暖、凉、热感觉影响的综合指标，常在旅游气候环境研究、森林空气环境评价中采用（肖以华等，2004；丁振才和黄利斌，2006）。安培空气质量评价方法及森林空气负氧离子评价模型是国内外应用比较广泛的通过空气负氧离子含量来评价森林空气环境质量的方法（李慧，2008；熊丽君等，2012；王薇和张之秋；2014）。由于空气负氧离子能吸附、聚集和沉降空气中的污染物和悬浮颗粒，使空气得到净化（Jovani，2001；Chih和Grace，2004），其浓度与空气清洁度及人的体感舒适度密切相关（Watanabe等，1997），能充分反映空气环境的污染程度，体现空气环境质量状况。因此，常将空气负氧离子含量的高低作为评价空气环境质量的重要指标（邵海荣和贺庆棠，2000；周德平等，2015）。

2 结果分析

2.1 森林温湿指数情况及空气环境舒适度评价

常用的温湿指数公式为：ITH=t-0.55(1-f) (t-14.4)，式中，ITH为温湿指数，t为平均气温（℃），f为相对湿度（%），根据温湿指数划分的空气舒适度质量分级情况如表1所示。

表1 温湿指数分级表Table 1 The temperature-humidity index scale

通过对调查数据分析发现，温湿指数与林分类型、林分郁闭度之间均存在着显著的相关性，其相关系数分别为0.469、0.357（0.01显著性水平），而与林分发展阶段的相关性不明显。这表明林分类型、林分郁闭度均会对森林温湿指数产生影响，进而影响森林改善空气环境质量的功能。

从林分类型来看，总体上在该季节期间（7─8月），热林中心的林分温湿指数为 28.7，属于闷热不舒适的Ⅳ级。各林分类型的温湿指数由低到高依次为针叶混交林（25.6）<针阔混交林（27.5）<阔叶混交林（27.6）<针叶纯林（28.5）<阔叶纯林（28.8）<灌木林（29.3）<未成林（33.2），以针叶混交林的温湿度最为适宜，以未成林最为闷热，且混交林的温湿指数明显低于纯林，在测量期间，林分空气平均温度为 30.8 ℃，总体上为闷热不舒适的Ⅳ级情况下，针阔混交林和阔叶混交林均属于稍不舒适的Ⅲ级，而针叶混交林更是属于稍热的Ⅱ级。

从林分郁闭度来看，总体趋势上郁闭度越高的林分，其温湿指数值越低，当郁闭度达到0.4时，温湿指数降低比较明显，当郁闭度位于0.5～0.8时，温湿指数的变化较小，只是稍微有所波动，至 0.9时又显著降低。不同类型、不同郁闭度林分的温湿指数情况详见表2、表3。

表2 不同类型林分温湿指数及空气环境舒适度情况Table 2 The temperature-humidity index and air environmental comfort condition of different forest type

表3 不同郁闭度林分温湿指数及空气环境舒适度情况Table 3 The temperature-humidity index and air environmental comfort condition of different canopy density stand

2.2 森林负氧离子含量情况及空气环境质量评价

2.2.1 森林负氧离子含量情况

分析结果表明负氧离子含量与林分类型、林分发展阶段、郁闭度之间均存在显著相关性，其相关系数分别为0.661、0.315、0.481（0.01显著性水平），因此，林分类型、林分发展阶段、郁闭度均会通过影响森林负氧离子含量而影响森林改善空气环境质量的功能。

各林分类型中，负氧离子平均含量由高到低依次为针阔混交林（2871个/cm3）>阔叶混交林（2345个/cm3）>阔叶纯林（2122个/cm3）>针叶混交林（2106个/cm3）>针叶纯林（1512个/cm3）>灌木林（1496个/cm3）>未成林（1124个/cm3），以针阔混交林的负氧离子含量最高，以未成林的负氧离子含量最低（表4）。

表4 不同类型林分负氧离子含量情况Table 4 The negative air ion content condition of different type stand

不同发展阶段林分负氧离子平均含量由高到低依次为恒续林阶段（2569个/cm3）>近自然林阶段（2320个/cm3）>竞争生长阶段（1900个/cm3）>质量选择阶段（1655个/cm3）>林分建群阶段（1542个/cm3）>无林地阶段（1534个/cm3），以恒续林阶段最高，无林地阶段最低，除质量选择阶段的负氧离子平均含量低于竞争生长阶段外，总体趋势上负氧离子含量是随着林分发展阶段的深入而递增的。质量选择阶段是高于竞争生长阶段的，但实际监测中其负氧离子含量却低于竞争生长阶段，这主要是因为经营单位近些年在森林近自然化改造时对一些处于质量选择阶段的林分通过间伐进行了人为质量选择，从而导致其林分密度和郁闭度总体上都要低于竞争生长阶段的林分。林分各发展阶段的负氧离子含量情况见表5。

表5 不同发展阶段林分的负氧离子含量情况Table 5 The negative air ion content condition of different developmental stage stand

从林分郁闭度来看，郁闭度在 0.4～0.7之间的林分负氧离子含量比较高，尤以郁闭度为0.5的林分最高，当林分郁闭度低于0.4或高于0.7以后，其负氧离子含量均有所降低。因此，对于追求高浓度负氧离子含量的风景游憩林来说，并不是郁闭度越高越好，太高的郁闭度可能会因为减少了太阳光的穿透和空气的流动而导致负氧离子含量的降低。不同郁闭度林分的负氧离子情况见表6。

表6 不同郁闭度林分负氧离子含量情况Table 6 The negative air ion content condition of different canopy density stand

2.2.2 森林空气环境质量评价

安培空气质量评价系数CI=n-/1000×1/q，其中q=n+/n-，即单极系数，n+、n-分别为空气中正离子浓度和负离子浓度（曾曙才等，2008），1000为人体生物学效应最低负离子浓度，即当空气中负离子含量达到1000个/cm3以上时，其对人体健康才是有益的。采用安培空气质量评价系数进行评价时，其评价标准如表7所示。

表7 安培空气质量评价标准Table 7 The Ampere air quality evaluation standard

国内一些学者根据森林环境中空气离子的特性，在安倍空气离子评议模型的基础上提出了森林空气负氧离子评价模型。其森林空气负氧离子评价指数FCI=n-/1000×p，式中：p为空气负离子系数，p=n-/(n-+n+)；n+、n-分别为空气中正离子浓度和负离子浓度；1000为人体生物学效应最低负离子浓度（石强等，2004）。其认为0.5为清洁空气与污浊空气的负离子系数临界值，一般大于0.5为清洁空气，而小于0.5为污浊空气。该评价模型的评价标准见表8。

表8 森林空气负氧离子评价标准Table 8 The forest negative air ion evaluation standard

分别采用以上两种方法对热林中心森林负氧离子情况进行评价，其结果如表9所示。

表9 研究区森林空气环境质量评价结果Table 9 The study area forest air environment quality evaluation results

根据安培空气质量评价方法，热林中心森林总体单极系数为0.68，安培空气质量评价系数为2.89，空气质量达到了最清洁级别，说明热林中心总体森林空气环境质量非常好。各林分类型的安培空气质量评价系数由高到低依次为针阔混交林（5.89）>阔叶混交林（4.13）>针叶混交林（3.64）>阔叶纯林（3.49）>针叶纯林（2.36）>灌木林（1.93）>未成林（1.50），且整体来说混交林要明显高于纯林。

根据森林空气负氧离子评价模型，热林中心森林总体空气负离子系数为0.60，森林空气负氧离子评价系数为1.09，森林空气负氧离子评价等级为Ⅲ级，说明总体森林空气质量好，清洁度高，这与采用安培空气质量评价方法评价的结果是一致的，且从其FCI值同样可以看出，混交林的空气环境质量等级要明显高于纯林。

可见，采用两种方法评价的空气环境质量情况是一致的，都表明混交林中的空气环境质量要明显高于纯林，混交林在提供负氧离子改善空气环境质量方面的功能要显著强于纯林。

3 结论与建议

3.1 结论

1）通过对森林空气温度、湿度、负氧离子含量等因子及其与林分因子之间的关系研究，可全面了解森林内部属性与森林改善空气环境功能之间的内在规律及不同森林在改善空气环境质量能力方面的强弱。研究表明，森林改善空气环境功能大小主要与其林分类型、发展阶段、林分郁闭度有关。

2）不同类型林分在改善森林空气环境质量方面的功能不同。从温湿指数来看，针叶混交林在调节空气温湿度，改善空气环境舒适度等方面的功能最强，然后依次为针阔混交林、阔叶混交林、针叶纯林、阔叶纯林、灌木林，以未成林最弱；从负氧离子含量来看，针阔混交林的负氧离子含量最高，因此其吸附、聚集和沉降空气中的污染物和悬浮颗粒，从而使空气得到净化的功能最强，然后依次为阔叶混交林、阔叶纯林、针叶混交林、针叶纯林、灌木林，以未成林最弱，总体来说针叶林强于阔叶林，混交林强于纯林，这与吴楚材及王顺利等人对森林负氧离子的研究结论是一致的（吴楚材等，2001；王顺利等，2010）。

3）不同发展阶段的林分在改善森林空气环境质量方面的功能也存在差异。从温湿指数来看，不同发展阶段的林分在调节空气温湿度，改善空气环境舒适度等方面的功能差异不明显；但从负氧离子含量来看，随着林分发展阶段的深入，森林净化空气的能力也逐渐增强。由于随着林分发展阶段的深入，林分的群落结构也更为复杂，因此这与有关研究中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含量高的结论是一致的（阳柏苏等，2003）。

4）不同郁闭度的林分在改善森林空气环境质量方面的功能存在差异，从温湿指数来看，总体上森林在调节空气温湿度，改善空气环境舒适度等方面的功能随郁闭度的增加而增强，当郁闭度大于0.4时，森林改善空气环境舒适度的功能显著增强，当郁闭度位于0.5～0.8时，其表现相对平稳，至0.9时又显著增强；从负氧离子含量来看，郁闭度在0.4～0.7之间的林分净化空气的功能较强，尤以郁闭度为0.5时最强，当林分郁闭度低于0.4或高于0.7以后，林分净化空气的功能均有所降低，这与吴楚材等（1998）及朱春阳等（2014）的研究结论是一致的。

5）根据安培空气质量评价方法及森林空气负氧离子评价模型的结果来看，热林中心森林改善空气环境质量的功能非常强，且总体来说混交林在改善空气环境舒适度及吸附污染物、净化空气方面的功能均要显著强于纯林，采用这两种方法评价的结果是一致的。

3.2 建议

通过分析得知，混交林具有更好的改善空气环境的功能，因此森林经营单位在进行多功能森林经营时，若林分经济及其它功能相当时，建议采取混交林方式可以更加充分的发挥森林的环境改善功能。但不同类型的混交林（针叶混交林、针阔混交林及阔叶混交林）在调节空气温湿舒适度及净化空气方面又存在差异。因此，经营单位在营造风景游憩林时又要根据当地的气候特点及环境状况，合理搭配针阔叶树种比例并合理调控林分发展阶段和郁闭度。在森林改善空气环境质量的监测调查时，由于1年当中森林空气环境的温度、湿度、空气负氧离子浓度都会随季节的变化而变化（吴际友等，2003；谢雪宇等，2014），因此建议在天气比较稳定的夏秋季节进行更为合适，且以后复查时应在同样的季节进行，以提高相关指标对比分析结果的准确性。此外，作为森林综合监测的一部分，森林改善空气环境质量功能监测最好结合资源监测或其他监测一起进行，既可节省时间和费用，又能将监测结果与其他监测内容结合起来，对整个森林生态系统进行更加广泛深入的分析与研究。

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Research on the Monitoring and Evaluation of Forest Function in Air Environmental Quality Improvement

DENG Cheng1,2, ZHANG Shougong1, LU Yuanchang1
1. Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2. Guangxi Forestry Inventory and Planning Institute, Nanning 530011, China

In order to understand the inherent relationship and regularity among forest internal attributes and its improvement function to air environment, and the ability of different forest in ameliorating air environment quality, the experimental center of tropical forestry of Chinese academy of forestry was taken as the research object, we made use of the systematic sampling with 2 km×2 km grid and set 51 plots to monitor the forest temperature, humidity, negative air ions content and other factors that associated with the air environment situation in July and August, 2014. The relationship among stand type, stand development stage, stand canopy density and forest air temperature, forest air humidity, forest negative air ions content were analyzed, and the quality of air environment were evaluated according to the temperature-humidity index, Ampere air quality evaluation coefficient and the forest negative air ions evaluation model. The results showed that, 1) The ability in ameliorating air environment quality was associated with forest type, stand development stage and stand canopy density mainly. 2) In the regulation of air temperature, humidity and improve the air environment comfort, the coniferous-mixed forest was strongest, followed by coniferous-broad leaved mixed forest, broad-leaved mixed forest, coniferous pure forest, broad-leaved pure forest, shrub forest, and the immature forest was weakest. In the adsorption of pollutants and purify air, the coniferous-broad leaved mixed forest was strongest, followed by broad-leaved mixed forest, broad-leaved pure forest, coniferous-mixed forest, coniferous pure forest, shrub forest, and the immature forest was weakest. 3) The influence of different forest development stages to air environment comfort were not significant, however, the air purification capability of forest increased gradually with the stand development stage in-depth, accompanied by more and more complicated forest structure. 4) The forest functions in the regulation of air temperature and humidity, improve the air environment comfort could be enhanced with the stand canopy density increased, when the canopy density was greater than 0.4, the forest function in improving the air environment comfort was enhanced significantly. Air environment comfort was stronger when canopy density was between 0.4～0.7, which was strongest when the canopy density was 0.5. The purification function of forest to air was reduced when the canopy density was lower than 0.4 or higher than 0.7. 5) Overall, the function of mixed forest was stronger than pure forest in improving the air environment quality obviously. The results had important significance for guiding the Management units, showing how to enhance the improvement function of forest to the air environment quality through regulating the stand status.

forest air environment; forest function monitoring; forest function evaluation; the temperature-humidity index; negative air ions

X16

A

1674-5906（2015）01-0084-06

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.01.013

邓成，张守攻，陆元昌. 森林改善空气环境质量功能监测与评价研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(1): 84-89.

DENG Cheng, ZHANG Shougong, LU Yuanchang. Research on the Monitoring and Evaluation of Forest Function in Air Environmental Quality Improvement [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 84-89.

国际合作基于遥感和地面监测的森林经理数据集成技术（2014DFG32140）；多功能森林抚育经营创新技术研究（CAFYBB2012013）

邓成（1981年生），男，工程师，博士研究生，主要研究方向为森林生态系统管理。Email:dengcheng6618@126.com *通讯作者：陆元昌，男，研究员，博士，博导，主要从事多功能近自然森林经理的理论与技术研究。Email: YLu@caf.ac.cn

2014-10-22