寒温带北极村国家森林公园典型森林生长季空气负离子和空气颗粒物变化特征

Changes of Negative Air Ions and Air Particulate Matter During the Growing Season of Typical Forest Types in Arctic Village National Forest Park in Cold Temperate Zone

摘要

研究森林公园空气负离子和空气颗粒物变化特征，利用森林生态功能发展康养事业，为地方经济发展提供科学支持。选择北极村国家森林公园兴安落叶松林、白桦林、山杨林和樟子松林为研究对象，并以北极村生活区为对照，使用便携式空气负离子监测仪，在2021年5—10月选择晴天和雨天进行空气负离子、PM₁₀与PM_2.5及其影响因子的观测。研究表明，1)晴天，4种林型空气负离子浓度日动态由大到小表现为展叶盛期（Leaf spreading period,LSP）、展叶初期（Leaf opening period,LOP）、落叶期（Leaf falling period,LFP），均呈单峰曲线变化趋势，峰值出现在12:00—14:00，最高可达到4 207个/cm³，此时期的4种林型空气负离子由大到小表现为兴安落叶松林、白桦林、山杨林、樟子松林；雨天，4种林型的空气负离子浓度呈波动式变化，最高可达6 000个/cm³，显著高于生活区（P<0.05）。晴天，4种林型PM₁₀与PM_2.5质量浓度的日动态变化趋势是双峰曲线，在早晚出现峰值，中午达到谷值，但雨天的波动较小，远远低于晴天的PM₁₀与PM_2.5质量浓度（P<0.05）;2)5—10月4种林型（晴天）空气负离子浓度月变化表现为单峰曲线的趋势，峰值出现在7月，最高可达4 500个/cm³，显著高于生活区（P<0.05），空气颗粒物质量浓度均呈先降低再升高的趋势；3)4种林型空气负离子、PM₁₀和PM_2.5质量浓度与气温、空气湿度、平均风速有显著的相关关系。寒温带森林公园森林生态系统空气负离子质量浓度在2 000～6 000个/cm³，空气颗粒物在40μg/m³以下，空气质量优良，利于人们休养身心。

Abstract

The research aims to investigate the variations in negative air ions and air particulate matter in forest park， utilize the ecological functions of forests for the development of healthcare and wellness industries， and provide scientific perspectives for local economic development. This study selected Larix gmelinii forest， Betula platyphylla forest， Populus davidiana forest and Pinus sylvestris var. mongolica forest in Arctic Village National Forest Park as the research objects， and compared with the living area of Arctic Village. From May to October 2021， negative air ions， PM₁₀ and PM_2.5 and their influencing factors were observed on sunny and rainy days by using a portable air anion monitor. The results were as follows： 1） On sunny days， the daily dynamics of negative air ion concentrations in four forest types from large to small are manifested as leaf spreading period （LSP）， leaf opening period （LOP）， leaf falling period （LFP）. showing a unimodal curve trend， and the peak value appeared between 12：00 and 14：00， and the maximum can reach 4 207 ions/cm³. From large to small， they were Larix gmelinii forest， Betula platyphylla forest， Populus davidiana forest， Pinus sylvestris var. mongolica forest. In rainy days， the negative air ions concentration of the four forest types fluctuated， up to 6 000 ions/cm³， which was significantly higher than that of the living area （P<0.05）. On sunny days， the daily dynamic variation trend of PM₁₀ and PM_2.5 concentration of the four forest types was a bimodal curve， peaking in the morning and evening and reaching a trough at noon， but the fluctuation of the concentration on rainy days was small， which was far lower than that on sunny days （P<0.05）. 2） The monthly variation of the negative air ions concentration of the four forest types in May to October （sunny days） showed a unimodal curve trend， and the peak appeared in July， the maximum can reach 4 500 ions/cm^3， which was significantly higher than that of the living areas （P<0.05）. The air particulate matter concentration showed a trend of first decreasing and then increasing. 3） Negative air ions， PM₁₀ and PM_2.5 concentrations of the four forest types were significantly correlated with air temperature， air humidity and average wind speed. The negative air ion concentration in the forest ecosystem of the cold temperate forest park is between 2 000 and 6 000 ions/cm³， and the air particles are below 40 μg/m³， which is good air quality and conducive to people's physical and mental cultivation.

Graphical abstract

关键词

寒温带 / 空气负离子 / PM₁₀ / PM_2.5 / 气象因子 / 相关性

Key words

Cold temperate zone / negative air ions / PM₁₀ / PM_2.5 / meteorological factors / correlation

0 引言

空气负离子是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称，被誉为“空气维生素”，对空气具有清洁杀菌的作用^［1］。自然界的空气负离子主要来源于雷电、太阳紫外线、水体冲击^［2］、植物叶片尖端放电及光合作用^［3-4］等过程，空气负离子浓度变化与林分、天气条件、下垫面和周围环境等密切相关^［5-6］。较高的空气负离子浓度能抑制多种病菌的繁殖，促进人体的新陈代谢与生长发育，消除疲劳，增强机体免疫力，对人的心理和生理机能产生促进作用^［7］。空气负离子浓度已经成为衡量一个地区空气清洁度的重要指标之一^［8］。随着城市化和工业化的快速发展，空气环境质量日益下降，严重威胁人们健康^［9-10］。空气环境的评价指标包括空气颗粒物、空气负离子等。空气颗粒物根据粒径（d）大小分为总悬浮颗粒物（Total particulate matter，TSP，d≤100 μm）、PM₁₀（可吸入颗粒物，d≤10 μm）、PM_2.5（可吸入肺细颗粒物，d≤2.5 μm）和PM_1.0（超细颗粒物，d≤1.0 μm），这些空气颗粒物作为空气的首要污染物对环境空气质量有着重要的影响^［11］。目前，有关空气负离子的研究已有近百年的历史，国外主要侧重于空气负离子的临床应用及生物机体的反应^［12］，也涉及环境评价。国内的研究主要集中在森林、城市绿地及市区空气负离子的时空分布规律、影响因素及空气质量评价等方面^［13］。但森林中空气负离子浓度不是一直保持不变，对于不同的森林类型、不同的季节和不同的天气条件等都会影响空气负离子浓度。空气颗粒物的研究多集中在来源组分、时空变化、气象因素、人体健康和植被滞纳等方面^［14］。黑龙江漠河北极村国家森林公园是国家级森林康养基地，位于大兴安岭北部，处于我国唯一的寒温带森林区。本研究选择北极村国家森林公园内主要的森林类型，以叶片物候期为监测区间进行生长季空气负离子、PM₁₀与PM_2.5的监测，以揭示寒温带森林空气负离子、PM₁₀与PM_2.5质量浓度在不同物候期不同天气情况下的变化特征及影响因素，为漠河市国家森林康养基地的发展提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

黑龙江北极村国家森林公园位于黑龙江省漠河市，地理位置为122°06′~122°27′E，53°17′~53°30′N，属寒温带大陆性季风气候，年均气温-4.9 ℃，年降水量约430 mm，降水多集中在夏季。森林植被系欧亚大陆寒温带明亮针叶林，以兴安落叶松（Larix gmelinii）为优势建群种，此外还有樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、白桦（Betula platyphylla）和山杨（Populus davidiana）等森林类型，植被覆盖率80%以上。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择

通过实地勘测，选择公园内具有代表性的森林群落类型为研究对象，即兴安落叶松林、白桦林、山杨林与樟子松林，在每一林型中选择典型地段设置3块20 m×30 m的标准样地，并在北极村生活区设置对照，其中兴安落叶松林样地距生活区3 km，樟子松林距生活区7 km，山杨林距生活区13 km，白桦林样地距生活区15 km。样地基本信息见表1。

1.2.2 取样方法

2021年5—10月，每月选择晴天和雨天2种天气情况进行空气负离子浓度监测，每月监测10次，采用单对角线3点法（选择样地的一条对角线的2个顶点以及对角线中点）布设观测点，监测仪器为便携式空气负离子监测仪（ONETEST-503XP-A，深圳市万仪科技有限公司，中国），架设高度为1.6 m。监测时间间隔为180 s。同时进行空气温度、空气湿度（仪器同上）、PM_2.5、PM₁₀（Dustmate手持式颗粒物检测仪，Turnkey Instruments Ltd，美国）、风速（FT-SQ2，山东风途科技有限公司，中国）、降雨量（翻斗式雨量计HOBO RG3-M，Onset，美国）的同步监测。由于观测林分是有3种林分的落叶林（兴安落叶松林、白桦林与山杨林），依据其叶片生长状况将其划分为展叶初期（5月中旬至6月中旬），展叶盛期 （6月下旬至8月中旬）和落叶期（8月下旬至10月中旬），而樟子松林为常绿针叶林，不能划分物候期，但为了便于分析，取上述对应时间的数据进行对比。

1.2.3 数据处理

使用excel2018进行数据的处理，将叶片在生长季的物候期分为展叶初期、展叶盛期与落叶期，做出空气负离子浓度、空气颗粒物质量浓度的日动态变化图，并且做出生长季月动态变化图。利用SPSS19软件进行差异显著性检验及影响因子的分析。

2 结果与分析

2.1 不同林型不同物候期空气负离子日动态变化特征

由图1可知，晴天4种林型空气负离子浓度由大到小表现为展叶盛期、展叶初期、落叶期，极显著高于生活区（P<0.01）。展叶初期和盛期空气负离子浓度均值由大到小表现为兴安落叶松林、山杨林、白桦林、樟子松林；落叶期的空气负离子浓度均值由大到小表现为樟子松林、兴安落叶松林、白桦林、山杨林。白桦林和山杨林日动态峰值均出现在12：00左右，分别为3 389个/cm³和3 602个/cm³；樟子松林峰值在13：00，为3 014个/cm³；兴安落叶松林峰值出现最晚，在14：00，为4 207个/cm³；生活区峰值则出现在13：00—14：00，仅有1 542个/cm³，且波动较小。展叶初期白桦林空气负离子浓度从1：00至峰值增幅最大，为265%，展叶盛期增幅最大的也是白桦林，达156%，落叶期增幅最大的是兴安落叶松林，为295%，展叶盛期和落叶期增幅最小的均是樟子松林。

雨天4种林型的空气负离子浓度由大到小表现为展叶盛期、展叶初期、落叶期，且日动态变幅较小。展叶初期4种林型在2 000~4 000个/cm³波动，展叶盛期波动在2 000~6000个/cm³，而落叶期在 1 000~3 500个/cm³。4种林型的空气负离子浓度显著高于生活区（P<0.05），雨天的空气负离子浓度显著高于晴天（P<0.05）。

2.2 不同林型不同物候期空气PM₁₀日动态变化特征

由图2可知，晴天4种林型PM₁₀质量浓度表现为展叶盛期最低，展叶初期与落叶期差异较小。PM₁₀质量浓度由大到小表现为北极村生活区、白桦林、山杨林、兴安落叶松林、樟子松林，且4种林型的质量浓度极显著低于北极村生活区（P<0.01）。4种林型PM₁₀质量浓度的日动态变化趋势是双峰曲线，峰值出现在早、晚，且早上的峰值高于晚上，中午达到谷值。不同物候期4种林型PM₁₀质量浓度的最高值均出现在落叶期的7：00—9：00，PM₁₀质量浓度最高，为30 μg/m³，樟子松林PM₁₀质量浓度最低，为23 μg/m³；PM₁₀质量浓度的最低值出现在展叶盛期的12：00—13：00，其中，白桦林PM₁₀质量浓度最高，为14 μg/m³，樟子松林最低，为7 μg/m³。针叶林PM₁₀质量浓度在多数时间低于阔叶林，樟子松林PM₁₀质量浓度在全部时间内低于其余3种林型，但差异不显著（P>0.05）。

雨天4种林型的PM₁₀质量浓度表现为展叶盛期最低，展叶初期与落叶期的质量浓度相似，与晴天规律相同。在展叶初期和落叶期4种林型的PM₁₀质量浓度普遍处于10 μg/m³以下，展叶盛期4种林型的PM₁₀质量浓度普遍处于6 μg/m³以下，且无显著的变化规律。作为对照的北极村生活区的PM₁₀质量浓度在10~16 μg/m³波动变化，显著高于林内的质量浓度（P<0.05）。与晴天相比，雨天的PM₁₀质量浓度显著低于晴天（P<0.01）。

2.3 不同林型不同物候期空气PM_2.5日动态变化特征

由图3可知，4种林型PM_2.5质量浓度晴天表现为展叶盛期最低，展叶初期与落叶期的质量浓度差异小。PM_2.5质量浓度由大到小表现为北极村生活区、阔叶林、针叶林，且林内质量浓度极显著低于生活区（P<0.01）。4种林型和生活区的PM_2.5和PM₁₀质量浓度的日动态呈双峰曲线。4种林型的PM_2.5质量浓度的最高值出现在7：00—9：00，山杨林落叶期PM_2.5质量浓度最高，为20 μg/m³，樟子松林展叶初期最低，为13 μg/m³；PM_2.5质量浓度日动态最低值出现在展叶盛期的13：00—14：00，樟子松林的PM_2.5质量浓度最低，为5 μg/m³。樟子松林的PM_2.5质量浓度在全时段都低于其他3种林型，但差异不显著（P>0.05），并且从峰值到谷值的降幅也是最大的，降幅最小的是生活区。

雨天情况下，4种林型的PM_2.5质量浓度由大到小表现为展叶盛期、展叶初期、落叶期。4种林型的PM_2.5质量浓度显著低于北极村生活区（P<0.05）。展叶初期4种林型PM_2.5质量浓度在1~6 μg/m³波动，变幅较小；展叶盛期4种林型PM_2.5质量浓度在0~ 4 μg/m³波动；落叶期4种林型PM_2.5质量浓度在1~ 7 μg/m³波动。雨天的PM_2.5质量浓度远远低于晴天的质量浓度（P<0.01）。

2.4 不同林型空气负离子和空气颗粒物月动态变化

由图4可知，4种林型和生活区在5—10月空气负离子浓度的月变化均表现为先升高后降低的趋势，均在7月到达峰值，4种林型空气负离子浓度波动在1 800~4 700个/cm³，生活区在1 200~2 200个/cm³波动。空气负离子浓度5—8月平均值表现为兴安落叶松林最高，生活区最低，兴安落叶松林显著高于其他3种林型，林内显著高于生活区（P<0.05）。9—10月，空气负离子浓度的月平均值表现为樟子松林最高，生活区最低，樟子松林显著高于其他林型和生活区（P<0.05）。

4种林型和生活区空气颗粒物质量浓度在5—10月呈先降后升的变化趋势，7—8月颗粒物质量浓度较低。4种林型的PM₁₀质量浓度在15~40 μg/m³波动，PM_2.5质量浓度在5~30 μg/m³波动。生活区的空气颗粒物质量浓度极显著高于4种林型（P<0.01）。针叶林内空气颗粒物质量浓度低于阔叶林，并且樟子松林最低。

2.5 不同林型空气负离子和空气颗粒物影响因子分析

由表2可知，4种林型空气负离子浓度均与空气温度呈极显著正相关 （P<0.01），与空气湿度呈极显著负相关（P<0.01），与降雨量呈极显著正相关（P<0.01），说明降雨量越大，空气负离子浓度越高。 4种林型的空气负离子浓度与平均风速呈极显著正相关（P<0.01），与空气颗粒物呈极显著负相关。空气颗粒物质量浓度与降雨量呈极显著负相关，即降雨量越大，空气颗粒物质量浓度越小。4种林型PM₁₀和PM_2.5质量浓度均与空气温度呈极显著负相关，与空气湿度呈极显著正相关（P<0.01）；PM₁₀与PM_2.5质量浓度与平均风速呈极显著负相关关系，即平均风速越大，空气颗粒物质量浓度越小。生活区空气负离子浓度与空气温度、平均风速、降雨量呈显著正相关（P<0.05），与空气湿度、空气颗粒物呈显著负相关（P<0.05）。PM₁₀和PM_2.5质量浓度与空气湿度显著正相关（P<0.05），与平均风速和降雨量显著负相关（P<0.05）。

3 讨论

3.1 空气负离子变化特征及影响因子

北极村森林公园4种林型空气负离子浓度由大到小表现为展叶盛期、展叶初期、落叶期，且呈现白天高，夜晚低的趋势，这是由于白天光线强，紫外线丰富，植物光合作用较强，叶片在展叶盛期的数量更多，有利于空气负离子产生^［15］。天气条件对空气负离子浓度影响较大，即雨天大于晴天，差异达到极显著水平（P<0.01），这是因为雨天会伴随雷电，而雷电有利于空气电离，从而产生大量的空气负离子，空气会变得更加清洁^［16］。5—8月空气负离子浓度由大到小均表现为兴安落叶松林、白桦林、山杨林、樟子松林，9—10月由大到小则表现为樟子松林、兴安落叶松林、白桦林、山杨林，且差异达到极显著水平（P<0.05），这可能是因为不同树种的光合作用的效率不一致，而森林植被光合作用过程中的光电效应是空气负离子的重要来源和影响因素，一方面影响植物体内电子的转移和传递，另一方面促进森林植被的树冠、枝叶产生尖端放电效应，引发空气电离，促进空气负离子的产生^［17-18］。

5—10月晴天4种林型和生活区空气负离子浓度的月变化趋势表现为单峰曲线，波动在1 890~

4 700个/cm³，远高于对照区（1 200~2 200个/cm³），且均在7月到达峰值，这是由于7月是生长最旺盛阶段，森林的光合作用最强，这也导致了空气负离子浓度较高。5—8月兴安落叶松林空气负离子浓度最高，樟子松林最低，而9—10月则樟子松林最高，阔叶林则相对较低，可能由于樟子松林是常绿林，仍可以有光合作用产生，产生更多的空气负离子。相关分析表明，4种林型空气负离子浓度与气温呈正相关关系，与空气湿度呈负相关关系，气温越高，光合作用越强，空气负离子浓度越高，与侯秀娟等^［19］的研究结果不一致，原因应该是研究区属于寒温带，气温达不到光合作用的最高温度，不会出现高温影响植物光合作用效率的情况。空气负离子浓度与降雨量呈正相关关系，降雨量越大，空气中的污染物被冲刷得越干净，有利于延长空气负离子的寿命，与李少宁等^［20］的研究结果一致。

空气负离子在促进人体心理和生理功能方面起着至关重要的作用，是衡量特定区域空气清洁度的重要指标^［20］。空气负离子已经被证实对人的情绪和一些疾病是有利的^［21-22］。空气负离子超过 1 000个/cm³被视为新鲜空气的阈值，研究区4种森林类型空气负离子浓度在多数时间远高于1 000个/cm³，在增强人体免疫系统、心理疾病的治疗上等方面起着重要作用，因此可以在各个林型内建设游览步道等旅游设施，让人们近距离地体验到空气负离子的作用。

3.2 空气颗粒物动态变化及影响因子

北极村森林公园4种林型PM₁₀和PM_2.5质量浓度表现为展叶盛期低于其他2个物候期，这是由于展叶盛期叶片面积要远大于其他2个物候期。PM₁₀和PM_2.5质量浓度主要呈现早晚高，中午低的趋势；且在不同的天气情况下，空气颗粒物的质量浓度差异较大，即晴天大于雨天，且差异极显著（P<0.01），因为降雨的湿清除作用对大气污染物质量浓度的影响最为直接，可以有效降低大气污染物的质量浓度^［23］；大气中的一些气溶胶颗粒污染物可以作为降雨粒子的凝结核随降雨粒子下落至地面，降雨粒子在下落过程中对气溶胶颗粒污染物的碰并、冲刷作用也会降低大气中颗粒污染物的质量浓度^［24］。不同林型的空气颗粒物质量浓度也有较大差异，整体趋势由大到小为山杨林、白桦林、兴安落叶松林、樟子松林，差异达到极显著水平（P<0.01），这与针叶林的滞尘能力比阔叶树的强有关。房瑶瑶等^［25］研究指出针叶树具有簇状针叶结构，针叶树对气流的干扰比阔叶树更强，更易形成湍流，从而加速空气颗粒物的干沉降，使更多的空气颗粒物沉降到针叶表面。同时，针叶树叶片表面粗糙度比阔叶树更高，更容易捕获空气中的颗粒物，叶表分泌的黏性物质更容易粘住空气颗粒物，使其不易脱落，而大部分阔叶树均无特殊分泌物^［26］。

PM₁₀和PM_2.5质量浓度表现为4种林型的质量浓度远远低于生活区（P<0.01），但是刘双芳等^［27］的研究表明，城市绿地的空气颗粒物高于生活区的情况，这可能是因为城市森林对植被净化空气颗粒物有一定的阈值，超过这个净化的阈值，空气颗粒物会形成林内再沉降，导致空气颗粒物质量浓度高于生活区；但是本研究选择的研究区域本身的空气污染就比较少，附近既没有重工业，离城市也较远，并不能达到森林的最大颗粒物吸附量，因此很难形成林内再沉降，就不会出现林内空气颗粒物高于林外的情况。4种林型的PM₁₀和PM_2.5质量浓度的日动态变化趋势是双峰曲线，在早上和晚上出现峰值，中午达到谷值，这与骆媛媛等^［28］在五大连池风景区做的大气颗粒物质量浓度日动态变化规律相似，与侯秀娟等^［19］在呼和浩特城市森林公园所得出的“双峰双谷”变化规律不同，说明城市森林受城市的影响较大，城市会有更多的污染源如汽车尾气、重工业等，而远离城市的森林、景区受这些因素影响较小，所以得出了不同的变化规律。

4 结论

黑龙江北极村国家森林公园4种主要林型的空气负离子浓度由大到小表现为展叶盛期、展叶初期、落叶期，与月动态变化规律吻合。4种主要林型晴天空气负离子浓度日动态变化呈单峰曲线趋势，峰值多出现在13：00—15：00，兴安落叶松林可达 4 500个/cm³，落叶期樟子松林高于其他3种林型。雨天的空气负离子浓度波动幅度较大，显著高于晴天（P<0.01）。4种林型空气负离子浓度月变化呈单峰曲线，峰值出现在7月。空气负离子浓度与天气条件显著相关。4种主要林型的空气颗粒物质量浓度表现为展叶盛期低于展叶初期和落叶期，与月动态变化规律吻合。4种林型的PM₁₀和PM_2.5质量浓度在晴天的日动态变化趋势是双峰曲线，PM₁₀与PM_2.5质量浓度在雨天的波动较小，远远低于晴天的质量浓度（P<0.01）。针叶林的空气颗粒物质量浓度低于阔叶林。空气负离子与空气颗粒物质量浓度气象因子有显著的相关关系。

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基金资助

国家重点研发项目(2021YFD2200405)