邹璐,丁颖,冯慧

(1.中国林业科学研究院 亚热带林业实验中心,江西 分宜 336600;2.新余学院公共卫生与健康学院,江西 新余 338004)

空气质量是影响人体健康的重要因素,对城市可持续性发展意义重大[1]。空气中细颗粒物PM2.5,可导致呼吸系统、心血管系统多种疾病发生[2],已成为全球范围内大气主要污染物,在我国有多个城市空气PM2.5污染物超标,严重威胁着人民群众生命健康[3]。空气负离子被誉为空气中的“维生素”和“生长素”,不仅可降低空气颗粒物含量,还具有杀灭致病微生物、缓解过敏、抑制肿瘤、提高免疫力、调节情绪等多种生物学功效[4-5],在评估空气质量方面亦发挥着重要作用[6]。森林环境中具有较高空气负离子和较低PM2.5浓度[7]。开展森林环境中空气负离子与PM2.5浓度时空分布特征分析对科学指导森林游憩活动具有重要指导作用。

近年来,国内外对空气负离子、PM2.5研究多集中在来源解析[8-9]、保健/损害生物学效应与机制研究[10-11]、精准监测技术[12-13]、时空分布与气象因子相关分析[14-15]以及人工调控机制机理等方面[16-17]。空气负离子与PM2.5是空气中的重要有益和有害组分,可互为消长,开展同一环境中二者动态变化规律及交互效应研究,对环境空气质量评价具有重要价值。王薇等[18]探明了合肥市城市绿地空气负离子和PM2.5浓度分布特征,段敏杰等[19]以空气负离子与PM2.5为重要指标完成了对北京紫竹院公园绿地生态保健功能综合评价,但这些研究多集中于城市绿地区域,而森林环境仍以对单一指标监测研究为主。如吴楚材等[20]研究表明森林空气负离子具有一定的日变化和年变化规律,空气负离子浓度与空气温度呈显著负相关,与相对湿度呈显著正相关,瀑布、溪流等动态水环境空气负离子高于静态水。另一方面,目前对森林环境空气负离子分布研究多集中于人体高度空气负离子分布特征监测,如张嘉昕等[21]分析了江西大岗山森林生态系统国家野外科学观测研究站气象平台距地面1.6 m处空气负离子浓度日变化规律。现有研究对森林空气负离子、PM2.5浓度随林分垂直高度和山体海拔变化的研究不够系统。

江西省新余市是我国南方矿产、钢铁产业为主导的中小型工业城市和国家级森林城市,处于我国亚热带降水径向中心和气温纬向分布中心交汇处,是我国具有代表性的亚热带生态环境地区之一。本文通过新余市森林游憩区森林环境不同季节、不同海拔及不同林分垂直高度空气负离子、PM2.5含量变化的测定,揭示其分布特征,交互效应及其与主要气象因子相关性,为科学指导亚热带生态城市建设与森林游憩活动提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江西省新余市位于江西省中部偏西(27°33′～28°05′N、114°29′～115°24′E),地处中亚热带中部罗霄山脉北段武功山支脉,属亚热带季风湿润气候,低山丘陵地形地貌,年均温16.8℃,年均降水量1 600 mm,地带性森林土壤为红壤、黄红壤。森林覆盖率达51.24%,森林植物种类有1 800余种,植被类型以天然次生林为主[22]。

1.2 研究方法

1.2.1 森林游憩区及城市绿地空气负离子与PM2.5浓度的月变化规律研究

在新余市分宜县的中国林业科学研究院亚热带林业实验中心树木园与分宜县林业局大院绿地各选择1处代表性林分,作为新余市森林游憩区和城市绿地空气负离子、PM2.5及气象因子月变化观测地点。前者海拔73.0 m,西北坡坡向,森林类型属人工针阔混交林,乔木层平均高 15.4 m,平均胸径25.6 cm,郁闭度0.9,主要植物有柏木(Cupressusfunebris)、玉兰(Yulaniadenudata)、樟(Cinnamomumcamphora)和鹅掌楸(Liriodendronchinense)。后者海拔63.2 m,人工林林分平均高6.8 m,平均胸径17.5 cm,郁闭度0.65,主要植物有桂花(Osmanthusfragrans)、乐昌含笑(Micheliachapensis)、红叶石楠(Photinia×fraseri)和红花檵木(Loropetalumchinensevar.rubrum)等。

用LJYQ-6 000空气负离子测定仪在2个选定的观测点上,进行空气负离子、空气温度、相对湿度、PM2.5、风速、风向和气压连续自动测定,数据记录频次为每分钟1次,系统每天自动计算均值。共获得2个观测点2022年3月—2023年2月,各月份空气负离子、PM2.5浓度、空气温度、相对湿度、风速、风向和气压数据日均数据362组,其中3 d因供电中断设备未能获得数据。按照气候学季节划分方式,即春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—翌年2月),开展空气负离子与PM2.5浓度的月变化规律研究。

1.2.2 不同海拔及林分垂直高度空气负离子与PM2.5浓度的分布特征研究

选择新余市分宜县中国林业科学研究院亚热带林业实验中心年珠实验林场进行空气负离子和PM2.5浓度随海拔高度变化观测,每上升200 m设置1个观测点,共设置5个观测点,海拔分别为200、400、600、800和1 000 m。于2022年10月1日,于晴朗天气10:00—12:00进行空气负离子和PM2.5含量测定。

选择中国林业科学研究院亚热带林业实验中心年珠长埠林场森林防火塔进行空气负离子和PM2.5浓度随林分垂直高度变化的观测,该塔位于天然次生林山顶,海拔410 m。人工针阔混交林,主要植被有马尾松(Pinusmassoniana)、木油桐(Verniciamontana)、木荷(Schimasuperba)、杉木(Cunninghamialanceolata)、檫木(Sassafrastzumu)、刨花润楠(Machiluspauhoi)、山乌桕(Triadicacochinchinensis)、盐麸木(Rhuschinensis)等,林分平均高13.0 m,平均胸径27.3 cm,郁闭度0.85。在防火塔距地面垂直距离1、4、7、10和13 m处各设置1个监测点,分别属于林分林下层、林间层、林冠下层、林冠中层和林冠上层。于2023年6月18日10:30—11:00时,进行观测点的空气负离子和PM2.5浓度测定。

采用ONETEST-500精密负离子记录仪和DUST MATE环境颗粒物测定仪进行空气负离子与PM2.5浓度测定,每个海拔和林分垂直高度均设置1处采样点。测定时,待仪器稳定后,在每个观测点相互垂直的4个方向上分别采集数据,每个方向采气1～2 min,取其数据进行分析,每个观测点空气负离子采集数据60～150个,PM2.5采集数据数量20～30个。

1.3 数据统计与分析

利用WPS Excel软件进行基础数据的整理、统计,利用SPSS软件进行空气负离子、PM2.5浓度和气象因子相关指标数据分析,采用单因素ANOVA检验中Duncan法进行方差分析和多重比较,利用origin软件进行数据相关分析。

2 结果与分析

2.1 新余市森林游憩区及城市绿地空气负离子与PM2.5浓度月变化规律

新余市森林游憩区空气负离子与PM2.5浓度月变化规律见图1。从图1可以看出,1年当中,城市绿地和森林环境中空气负离子与PM2.5浓度均具有明显的波动。城市绿地与森林环境空气负离子浓度月变化趋势基本保持一致,但森林环境中空气负离子月变化幅度波动更大。在1—4月,2种环境中PM2.5浓度变化趋势不尽相同,城市绿地PM2.5浓度表现出先下降后上升的较大变化幅度,而森林环境各月份间的波动幅度较小,5月份之后,城市绿地和森林环境PM2.5浓度变化规律基本保持一致。空气负离子与PM2.5浓度月变化趋势总体上是相反的,夏季6—8月空气负离子处于峰值期时,PM2.5浓度处于全年最低阶段,而冬季12月—翌年2月森林环境中空气负离子浓度最低,但此时是PM2.5浓度的最高阶段。

图1 新余市森林游憩区与城市绿地空气负离子与PM2.5浓度的月变化特征

森林环境空气负离子浓度年度平均值为3 072.71个/cm3,城市绿地仅为781.82个/cm3,二者相差了3.93倍。方差分析表明,在各月份,森林环境中的空气负离子浓度均显著高于城市绿地(P<0.05)。森林环境PM2.5浓度年度平均值为20.50 μg/m3,城市绿地为23.93 μg/m3。春季1—4月森林环境和城市绿地PM2.5浓度相差最大,该阶段城市绿地PM2.5浓度比森林环境高28.95%。方差分析表明,1、3、4月森林环境与城市绿地的PM2.5浓度差异达显著水平,而其他月份差异不显著。

2.2 森林环境不同海拔和林分垂直高度空气负离子与PM2.5浓度分布特征

森林环境中不同海拔空气负离子与PM2.5浓度的测定结果见表1。由表1可以看出,随海拔升高空气负离子浓度呈“慢快慢”增加趋势,在海拔1 000 m达到峰值,显著高于200～600 m海拔处空气负离子浓度,比海拔200 m空气负离子浓度增加了25.77%。PM2.5浓度呈先上升后下降的趋势,峰值出现在海拔400 m,PM2.5含量达到35.30 μg/m3,是海拔1 000 m处最低PM2.5浓度的63.04倍。方差分析表明,海拔1 000 m处空气负离子浓度PM2.5含量显著低于其它海拔。以上分析表明海拔1 000 m的森林环境空气质量最优(空气负离子最高,PM2.5最低)。

表1 空气负离子与PM2.5浓度随海拔的变化规律

随林分垂直高度增加空气负离子浓度呈先下降后上升的变化趋势(表2)。林分垂直高度1 m处林下层空气负离子浓度最高,达2 507 个/cm3,显著高于其他高度空气负离子浓度;林分垂直高度10 m林冠中层空气负离子浓度次之,为2 282 个/cm3,显著高于4、7、13 m处;林分高度4 m处空气负离子浓度最低,仅为1 201个/cm3。随林分垂直高度的增加,PM2.5浓度呈逐渐降低的趋势,林分高度1 m处林下层PM2.5浓度最高,为13.67 μg/m3;而林分高度10 m和13 m处PM2.5含量最低,分别为12.65 μg/m3和12.96 μg/m3。方差分析表明,林分垂直高度1 m处PM2.5浓度与其他高度的PM2.5差异达显著水平,而其他高度间PM2.5浓度差异不显著。以上分析表明林分高度10 m处林冠中层,具有较高的空气负离子浓度和较低的PM2.5浓度。

表2 空气负离子与PM2.5浓度随距地面垂直高度的变化规律

2.3 空气负离子和PM2.5浓度与气象因子的相关分析

对不同季节森林游憩区空气负离子、PM2.5及气象因子相关分析结果见图2。由图2可知,不同季节空气负离子和PM2.5浓度与各主要气象因子间关系不完全一致。各季节空气负离子与PM2.5浓度均呈显著负相关关系,与空气温度呈显著正相关关系。春季,空气负离子浓度与气压呈显著负相关关系;春、夏季,空气负离子浓度与风向呈显著正相关关系,PM2.5浓度与空气相对湿度呈显著正相关关系,与风向呈显著负相关关系;夏季、秋季、冬季PM2.5浓度与风速呈显著正相关关关系;而冬季PM2.5浓度与气压呈显著正相关关系。

图2 不同季节空气负离子、PM2.5浓度及气象因子相关分析

3 讨论与结论

3.1 讨论

大气中空气负离子与PM2.5浓度具有明显的时空差异性。通常森林环境空气负离子浓度高于城市绿地,而PM2.5的分布与之相反。崔虎亮等[23]调查表明太岳山湿地、低山森林空气负离子浓度均显著高于广场绿地;Cheng Manting等[24]研究表明,台湾高森林覆盖度地区PM2.5浓度比低覆盖率区低1.4倍。本研究发现各月份新余市森林游憩区空气负离子浓度均显著高于城市绿地,春季(3—5月)空气PM2.5浓度显著低于城市绿地,其他月份差异不明显,获得了与上述研究相似结果。夏季(6—8月)新余森林环境空气负离子和PM2.5浓度分别达到了全年峰值和谷值,期间空气负离子浓度超过3 000 个/cm3,达到了森林游憩区空气负离子Ⅰ级标准,具备了良好的康养、保健功能[25]。森林环境PM2.5浓度月均值为13.61 μg/m3,远低于我国35 μg/m3一级限值标准,6月和8月与全球限值PM2.5最低的美国标准12.0 μg/m3基本一致[9]。因此,亚热带森林游憩区夏季拥有良好的森林环境空气质量,适宜开展森林空气保健、疗养活动。

目前,国内外对亚热带森林环境空气负离子与PM2.5浓度的海拔和林分垂直高度分布特征研究相对较少。本研究选择新余市具明显垂直变化的大岗山主峰地区200～1 000 m范围内开展空气负离子和PM2.5浓度随海拔和林分垂直高度分布特征分析,弥补了此方面研究的不足。随海拔梯度研究结果表明空气PM2.5浓度随海拔升高呈先上升后下降的趋势,最高值出现在海拔400 m测点,最低值出现在山顶海拔1 000 m,这与城市环境PM2.5随垂直高度增加而降低的研究结果不一致[25],可能与综合气象因素下大气颗粒物扩散进程差异有关。Wang等[27]研究表明半湿润大陆性气候区秦岭北坡海拔每升高100 m空气负离子浓度下降108个/cm3,而本研究表明随海拔升高空气负离子浓度呈逐渐升高的趋势,原因可能是水热充沛的亚热带高海拔山区比半干旱地区拥有更丰富的森林植被类型和适宜空气负离子产生和保存的空气温湿度环境。因此,亚热带森林游憩区高海拔山区森林环境具有高空气负离子含量、低PM2.5污染的特点,加之高海拔森林环境拥有较低的空气温度,适宜作为理想的森林康养和休憩场所。

随林分垂直高度增加,森林环境中空气负离子含量在距地面1 m处最高,4 m处最低,呈先上升后下降的趋势,PM2.5浓度则呈逐渐下降。可能由于近地面1 m处空气相对湿度较大,此环境中空气负离子可保存的时间更长[28];7～13 m的林冠层是森林植物光合作用最强烈区域,植物光电效应产生能形成最多的空气负离子;而4 m高的林间层,空气湿度较地面更低,植物叶片稀少、光合作用弱,使空气负离子浓度在林分垂直分布上处于最低水平。PM2.5逐渐递减原因在于随林分垂直高度的增加,风速会相应增加,有利于污染物的扩散[29]。在10 m处林冠层具有较高空气负离子浓度和较低PM2.5浓度,因此该高度是理想的“森林休憩树屋”建设高度。

空气负离子与PM2.5共同决定着空气质量的优劣。包红光等[28]认为半干旱地区城市绿地PM2.5浓度与负离子浓度相关性表现为春季不显著,夏季负相关,而秋季、冬季则显著正相关。本研究表明,全年各个季节空气负离子与PM2.5浓度均呈显著负相关关系,说明亚热带地区森林环境空气负离子与PM2.5比半干旱地区存在更明显的交互效应。其原因在于与半干旱地区落叶森林不同,亚热带常绿阔叶林森林植物叶片各季节均可保持一定强度的光合作用,此过程形成的光电效应和植物枝叶尖端放电,均可使植物持续产生空气负离子,与植物叶片滞尘作用,二者共同作用降低了空气PM2.5颗粒物含量。

亚热带森林环境复杂多样,不同林分类型、植物种类和树种搭配产生空气负离子和降低空气中PM2.5颗粒物含量的能力差异很大。本文阐明了我国亚热带地区具有代表性的新余市森林游憩区空气负离子与PM2.5浓度时空分布特征,为森林游憩提供了指导,但没有明晰研究地点不同植物种类和群落结构对空气负离子和PM2.5消长变化贡献规律及其机制,而此方面的研究将有助于通过调控森林环境提高空气负离子浓度、降低PM2.5浓度,进一步提高旅游环境空气质量,此方面研究有待于深入开展。未来可深入探讨新余不同植物种类和群落结构对空气负离子和PM2.5浓度的影响及其机制,选择适宜造林树种,改善森林游憩区空气环境质量。

3.2 结论

新余市森林游憩区空气负离子与PM2.5浓度具有明显的时空变动性,二者间存在明显的交互效应。夏季6—8月1 000 m海拔林分的10 m高冠层为森林环境空气质量最优(空气负离子最高,PM2.5最低),是建设森林疗养场所的理想区域。