河南老君山风景区空气负离子浓度的时空特征

2016-10-26薛兴燕卫淑芸沈连峰吴明作王耀铭宁晓峰

西南林业大学学报 2016年5期

薛兴燕　卫淑芸　沈连峰　吴明作　王耀铭　宁晓峰

(1. 河南农业大学林学院，河南郑州 450002；2. 河南洛阳工业园区管委会建设管理局，河南洛阳 471000；3. 栾川县老君山林场，河南栾川 471500；4. 栾川县林业局，河南栾川 471500)

薛兴燕1,2卫淑芸1沈连峰1吴明作1王耀铭3宁晓峰4

2009—2010年选取河南栾川老君山风景区内不同地点进行空气负离子浓度测定，分析其时空特征。结果表明：不同生境条件下空气负离子浓度日进程具有不同变化规律；对比不同生境下空气负离子浓度，其排序为流动水体及其附近 > 林分 > 静止水体，且差异显著，但不同植被类型间的差异并不显著。瀑布落差大，其影响范围也大；林缘附近浓度最大。不同海拔空气负离子浓度差异显著，在海拔1 500 m处达到最大，但相近海拔相同生境类型的差异不显著。多种模型均可用于空气负离子浓度及其与生境条件的相关性拟合，但只限于某些特殊条件。

空气负离子；时空特征；风景区；老君山；河南

自从空气负离子被发现并认为有益于人体健康以来[1-2]，国内外学者给予了广泛关注并进行了诸多研究[3-5]，主要集中于不同植被结构[6-10]、植物种类[11-14]、土地利用方式[15-16]、城市功能区[17-18]以及室内环境[5]中空气负离子的分布与变化规律[7-11,14-15,19-23]，一般表现为森林与水体附近的空气负离子浓度高，城市绿地要比交通繁忙区、工业区或人口稠密区的浓度高[19-23]；空气负离子可能受空气温度、相对湿度、风速、PM10、PM2.5等环境因素以及人为活动的影响，但不同研究者得出的相关性并不一致[4-6,12,15,19-20,24]；其中空气负离子浓度与空气温度、相对湿度的相关性较显著且较为明确，而与PM10、风速的相关性不显著或较复杂[5-6,15,19,24]，受植物及水体的影响显著[15,19]；水体能促进空气负离子产生，因而影响其周边一定范围内的负离子浓度使其达到较高水平[1,19,22-24]。已有研究多集中于城市绿地、森林植被[6-14,18-23]，对风景区进行较全面研究的报道较少[13,19,21]；对于不同水体类型的影响距离报道亦较少[19,24]。

河南栾川老君山风景名胜区是伏牛山世界地质公园的核心园区、国家5A级景区、国家级自然保护区、省级文物保护单位，植被类型多样，旅游资源丰富。对其不同生境类型、不同海拔、不同类型水体距离的空气负离子进行分析，期望能为生态系统的服务功能价值进行评估、风景区的旅游资源评价及其开发利用提供依据，为水体的影响提供基础资料。

1　研究区概况

河南栾川老君山风景区位于河南省洛阳市栾川县境内，为秦岭余脉伏牛山主峰之一，相传为道教太上老君李耳的修炼地；地貌以中低山夹河谷为主，地形起伏大，属华北地层区豫西分区，海拔最高达2 200 m。土壤类型主要为棕壤。属暖温带大陆性季风气候，年平均气温12.4 ℃，年均无霜期198 d；年平均日照时数2 103 h；年平均降雨量872.6 mm，年降雨量大于蒸发量，相对湿度较大。风景区内森林覆盖率达97%，有1 661种植物；主要植被类型有栓皮栎 (Quercusvariabilis) 林、麻栎 (Quercusaccutissima) 林、油松 (Pinustabulaeformis) 林及其混交林，以及其他阔叶杂木林、针阔叶混交林等。主要测定点的基本情况见表1。

表1　主要测定点基本情况

2　研究方法

2.1测定方法

在风景区内选取当地代表性群落、水域、景点等测定空气负离子浓度。测定时选取风速较小的晴天进行。选取植物生理活动旺盛时期的2010年5月28日至2010年6月6日测定，另外于2009

年8月和2009年10月进行了部分测定。

用日本产Inti ITC-201A 型空气负离子浓度仪测定空气负离子浓度，该仪器动力范围为10～1 236 000个/cm3，最小检测量为10/cm3，反应时间约2 s。由于空气离子浓度瞬间变化很快，每次测定4个方位，每个方位至少读取10个峰值，计算时取平均值；按仪器操作说明依次测定空气负离子、正离子，同时读取相应的空气温度和相对湿度。测点高度为人体平均呼吸高度1.5 m处。

2.2数据处理

利用Excel 2003软件进行简单的数据分析与图形绘制，采用SPSS 19.0软件完成多重比较、相关与回归分析。

3　结果与分析

3.1不同生境空气负离子浓度日进程

2010-05-31于农家宾馆对面栎林、2010-06-02于老龙窝瀑布测定空气负离子浓度日进程，见图1。

图1不同生境空气负离子浓度日进程

Fig.1Daily process of negative air ion concentration in different biotope

由图1可看出，不同生境条件空气负离子浓度日进程具有明显的波动性，一般地，最大值出现在7: 00—8: 00，之后下降较快，最小值出现在13: 00—14: 00，这与已有的多数研究结果一致[12,15-16,18]。但生境不同，其他时段的波动性差异较大，林地在黄昏出现另一个峰值，在11: 00与15: 00—16: 00也出现较大浓度值；瀑布生境中，峰值只出现在早晨，其后下降，至18: 00又略有上升，并且上午的数值一直高于下午。因此，若要进行不同条件下空气负离子浓度比较，应选择相同时间段。除7: 00与9: 00外，空气负离子浓度较大时段，其数值波动也较大(方差较大)。瀑布的空气负离子浓度出现最小值的时间比林地早 (分别为13: 00与14: 00)，但下午出现最大值的时间较晚 (分别为18: 00与17: 00)；表明瀑布可以在较长时间内维持较高的空气负离子浓度。

3.2不同生境空气负离子浓度比较

选择相同时间段相同海拔条件下具代表性的不同生境空气负离子浓度的测定结果进行比较，结果见表2 (测定时间段为2010-05-31至2010-06-05，13: 00—14: 00)。

由表2可知，不同生境间空气负离子浓度具有较大差异。老龙窝瀑布、追梦谷野趣苑中任一地点的数值与其他地点均具有极显著差异，处于较高水平；松树林、栎林、追梦谷水潭3个地点之间的差异不显著，其数值处于较低水平。

各地点空气负离子浓度由大到小依次为老龙窝瀑布 > 追梦谷野趣苑 > 松树林 > 栎林 > 追梦谷水潭。瀑布附近的空气负离子浓度较其他生境条件的要高 (对比图1与表2)。追梦谷野趣苑处的负离子浓度也较高，这主要是因为该地点虽为林中小空地，但附近5 m内有山涧小溪经过。追梦谷水潭为集山涧溪流形成的静止水体，且水面很小，其对空气负离子的影响相对较小。针叶林分 (松树林) 的空气负离子浓度虽然比阔叶林分 (栎林) 的要稍高，但其差异不显著，说明植被的影响可能处于较相似水平。

表2　不同生境空气负离子浓度比较

注：LSD比较数据为显著性水平；以后各表同此。

3.3瀑布落差对空气负离子浓度的影响

测定不同落差高度瀑布不同距离处的空气负离子浓度，结果见图2。

(测定时间段8: 00—9: 00, 17: 00—18: 00)

图2不同落差瀑布不同距离处空气负离子浓度

Fig.2Effect of waterfall with different fall height on negative air ion concentration

有研究表明，不同季节空气负离子浓度的日进程较为相似，主要差异在于峰值及其出现时间段的不同，因此，不同季节相同时间段的空气负离子浓度可以进行比较[15-16,19]。由图2可看出，虽然瀑布落差不同 (老龙窝瀑布约25 m，老君瀑布约200 m)，但空气负离子浓度在下午的变化趋势基本一致，两个瀑布均在0 m处最大，2 m处下降，3 m处上升；但随后变化略有不同，老龙窝瀑布一直下降，而老君瀑布至8 m处才开始下降。表明瀑布落差大小影响了其维持较高空气负离子浓度的距离。而在上午，老君瀑布在1 m处出现最大值后一直下降，5 m是一个急剧下降点，至10 m后下降较为平缓；老龙窝瀑布在5 m内一直上升，至5～10 m处下降，这可能与秋季的气候因素有关。

由图1～2、表2综合分析可知，流动水体附近的空气负离子浓度均达到很高的水平，即使日进程出现低值时 (图2)，可见瀑布对其周围空气负离子浓度具有较大影响。瀑布落差不同，对维持其周围较高空气负离子浓度距离的影响不同，老龙窝瀑布落差较小，在上午高峰值时段影响距离可达5～8 m，下午的次高峰值时间段也可达到5 m左右；老君瀑布落差较大，在上午与下午的影响距离均可达到8 m以上，一般可影响到12～14 m (图2)。

对空气负离子浓度随距水体距离的变化运用SPSS工具进行了显著性检验 (Duncan、LSD)，其结果分别见表3～4。

表3　老龙窝瀑布不同距离空气负离子浓度显著性检验

注：第2行与第2列数值为相应距离的浓度平均值，上标表示Duncan比较结果 (0.05水平，大小写只用于区别上午与下午的结果，不代表显著性水平)；矩阵中上、下部分分别代表上午、下午的LSD比较结果。表4的表示方法同此表。

表4　老君瀑布不同距离空气负离子浓度的显著性检验

由表3～4可以看出，两个瀑布不同距离处的空气负离子浓度均有显著性差异，但在老龙窝瀑布，上午时段的0 m与1 m、2 m与3 m之间的差异不显著，下午时段的1 m与3 m、2 m与8 m的差异不显著；老君瀑布上午时段内，2 m与3 m、5 m与8 m和10 m、10 m之后各距离间差异不显著，下午时段内，2 m与10 m、3～8 m各距离间差异不显著。10 m之内差异显著的较多，10 m之外通常差异较小；而且空气负离子浓度随距离增加，基本上均表现出下降趋势。瀑布这种流动水体，下落水流击溅产生的水分子占据主要成分，因此，对远距离的影响较小。

3.4海拔对空气负离子浓度的影响

为阐明海拔高度对空气负离子浓度的影响，从山麓至最高海拔选择不同地点进行空气负离子浓度测定，结果见图3。

图3不同海拔空气负离子浓度变化

Fig.3Negative air ion concentrations at different elevation

由图3可知，空气负离子浓度随海拔上升出现先升后降的趋势，大致在海拔1 500 m时最高；在海拔低于1 500 m时，随着海拔升高，空气负离子浓度增加；在海拔高于1 500 m时，空气负离子浓度降低。这与王顺利等得出的海拔在1 260～3 370 m空气负离子浓度与其呈现一定的负相关结论基本一致[8]，而与九华山风景区空气负离子浓度在海拔790 m时出现峰值略有出入[21]。

通过Excel进行简单的分段拟合发现，在低海拔段的拟合效果较好，而在高海拔段的拟合效果较差。低海拔段的测点多数为有植被覆盖的生境类型，而高海拔段的测点多为无植被覆盖的生境类型 (表1)。因此，将不同海拔的测点数据按照有无植被分为2种类型，进行显著性检验，结果见表5～6。由表5、6可知，在相近海拔范围内，相同生境类型的空气负离子浓度差异不显著，否则均表现出显著性差异。这可能与植被发育及其覆盖程度、风速与温度等小气候改变等因素有关。

表5　不同海拔空气负离子浓度显著性检验 (有植被类型)

表6　不同海拔空气负离子浓度值显著性检验 (无植被类型)

为描述空气负离子浓度与海拔之间的相关性，将不同海拔的全部数据进行相关与回归分析 (即不区分植被有无)，结果表明，二者之间的相关性并不理想，只有二次与三次多项式模型可以通过检验，但相关系数只有0.7左右。

3.5栓皮栎纯林内外空气负离子浓度变化

2009-08-01选取栓皮栎林分近中午时段进行林分内外不同距离处的空气负离子浓度测定，其结果见图4、表7。

由图4、表7可知，在林分内部从中心至林缘内2 m处，空气负离子浓度表现为上升，林缘内2 m处达到最大，此处空气负离子浓度与其他各点均有显著差异 (P< 0.01)；随后出现下降，至林缘处降至与林分中心较一致的水平；在林分外部，空气负离子浓度又表现出上升趋势，在距离林缘外8 m处仍有较大影响；林缘外各点的空气负离子浓度与林分中心15 m处均无显著差异。出现这种现象可能与林缘附近的小气候等环境条件变化有关，因只进行了一种林分的观测，其原因仍需要进一步深入研究。

图4栓皮栎林内外不同距离空气负离子浓度

Fig.4　Negative air ion concentration at different distance from Quercus viriabilis stand center

4　结论与讨论

4.1结论

1) 不同生境条件下空气负离子浓度的日进程变化型式不完全相同，1天中峰值一般出现在早晨，最低值出现在中午，次高值出现在10: 00—11: 00；但在黄昏时段，植被类型生境出现另一个峰值，而水体生境类型则未出现。

2) 空气负离子浓度在不同生境差异较大，一般情况下，流动水体及其附近的空气负离子浓度大，其影响范围随其流动性大小而不同，落差较大的瀑布其影响范围也较大；静止水体的空气负离子浓度小，其影响范围也较小；有植被存在时，空气负离子浓度较大，但不同植被类型间的差异并不显著。

3) 随海拔升高，空气负离子浓度总体上表现出先升高后下降的趋势，到山体中部 (海拔大约为1 500 m) 达到最大；不同海拔处的空气负离子浓度均有显著性差异，但相近海拔相同生境类型的空气负离子浓度差异不显著。

4.2讨论

1) 虽然对不同海拔空气负离子浓度变化的研究较少，但不同研究者的结论并不相同，空气负离子浓度在某一海拔处可能存在一个最大值。对九华山的研究表明：山体中部较高，最高值出现在790 m处[21]，天目山在海拔300～1 556 m范围内总是山顶 > 山中 > 山麓[13]，其最大值为1 500～1 600 m，甘肃省7个林区的负离子浓度在海拔1 260～3 370 m间呈现负相关关系[8]，其最大值为1 200～1 300 m。

由于同时测定不同海拔处空气负离子浓度较为困难，本研究选取相近日期中的相同时间段进行了测定，结果表明：在海拔约为1 500 m处出现最大值，空气负离子浓度在此海拔以下随海拔升高而上升，在此海拔以上则表现为下降趋势；研究结果与天目山、甘肃省的较为接近，与九华山略有出入，这可能与植被覆盖状况、小气候变化等多种因素有关。因此，未来研究可以考虑选取较大海拔范围内，不同海拔不同生境类型的比较分析，更进一步揭示空气负离子浓度随海拔及其生境的变化规律。

2) 空气负离子浓度通常同时受多种因素协同影响，其变化很难用某一生境变量来表达，本研究分析了空气负离子浓度与距瀑布不同距离和不同海拔高度之间的相关性与回归模型。不同方法计算相关关系，能通过的检验水平不同，即使通过了相关性检验，部分模型仍不能使用，需要进行常数项检验，而且当所有检验均通过时，某些情况下仍有多个模型可以使用。因此，只以R2进行判断并不完全可靠，未经综合判别就单独使用一种模型进行拟合，可能使问题简单化了。在野外自然状况下测定时，很难真正做到控制单一变量，因此，在进行回归模型拟合时，应注意不同条件下的多种模型判别。

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984.

(责任编辑赵粉侠)

Spatial-temporal Variation of Negative Air Ion Concentration in the Laojunshan Tourist Attraction in Henan Province

Xue Xingyan1,2, Wei Shuyun1, Shen Lianfeng1, Wu Mingzuo1, Wang Yaoming3, Ning Xiaofeng4

(1. College of Forestry, Henan Agriculture University, Zhengzhou Henan 450002, China; 2. Construction Department of Luoyang Industrial District Management Bureau of Henan, Luoyang Henan 471000, China; 3. Laojunshan State Forest Farm of Luanchuan County, Luanchuan Henan 471500, China; 4. Forestry Bureau of Luanchuan County, Luanchuan Henan 471500, China)

Several sites were selected in 2009-2010 to measure the negative air ion concentration in Laojun Mountain. The results showed that the daily process of negative air ion concentration shows different curve at different biotopes, showing that moving water and its surroundings > forest stand > stationary pond, but there was no significance among forest stands. The higher of waterfall dropped the larger distance affected by waterfall, the concentration reached maximum around the stand edge. There was significant difference at different elevation, and reached maximum at about 1 500 m, but there was no significance among similar biotopes at similar elevation. Many regression models could be used to simulate the relationship between negative air ion concentration and biotope, but only restricted to certain site and time.

negative air ion, spatial-temporal variation, tourist attraction, Laojunshan Mountain, Henan