植物群落对空气负离子浓度影响的研究

植物群落对空气负离子浓度影响的研究

(华东师范大学环境科学系/上海植物园科研中心)

城市化的发展促进了人们对绿化的重视，而合理的绿化树种及群落的选择离不开其功能的发挥^[1]。空气负离子浓度是指单位体积空气中的负离子数目,空气负离子被誉为空气维生素和生长素，其浓度水平已成为评价城市空气质量的一个重要指标^[2]。空气负离子浓度达到700个/cm³以上时有益于人体健康，当浓度达到10000个/cm³以上时对疾病有治疗效果，当负离子浓度大于或等于正离子时，会使人感到舒适，并对多种疾病有辅助治疗作用^[3/4]。

空气负离子对人体健康有诸多有益的功能

城市绿地产生空气负离子方式

绿地的一个重要的作用在于能够大量产生空气负离子。一方面绿色植物通过光合作用，释放氧气，氧气和水分子比氮气等更具有亲电性，优先形成空气负离子，另一方面植物叶表面在短波紫外线的作用下，发生光电效应，可以提高空气负离子水平。有关研究结果表明，不同林分类型对空气负离子浓度的影响差异显著^[5/8]。为此，研究人员对上海地区21个常见植物群落对空气负离子浓度的影响进行了研究，旨在定量评估不同植物群落所具有增加空气负离子浓度的效应，探索植物群落的合理配置，为保障适宜的人居环境提供科学依据。

1.      材料与方法

1.1   研究地区概况

为评价不同植物群落对改善微环境空气质量的能力，选择在环境条件较为一致的上海植物园内进行。上海位于30^o40^’~ 31^o53^’N，120 ^o 51^’ ~ 122 ^o 12^’E，属北亚热带季风气候，温和湿润，降水丰沛。年平均气温16.5℃，夏季7月份最热，月平均气温为27.8℃ ，日平均气温10℃ 以上共计233 d。

1.2   研究方法

以上海市绿地常见的21个群落(表1)为研究对象，群落的样方面积为100 m²，在远离绿地的空旷铺装地另设1个无绿化对照观测点。为排除气象因素干扰，测定时间均安排在晴朗高温、静风的天气进行，在2006年7~8月的9：00、12：00、15：00，测定距地面1.5 m的空气负离子浓度，每个样地测试5次，取均值。空气中负离子浓度采用美国Alphalab公司生产的AIC-2M型空气负离子测定仪及日本KEC公司生产的KEC-900型空气负离子检测仪进行对比测量，两款仪器的测量范围均为10~200万个/cm³，分辨率均为±10个/cm³，AIC-2M空气负离子检测仪的检测精度为±30% ，KEC-900空气负离子检测仪的检测精度为±25%。

专用空气负离子检测仪

（左为AIC-2M型空气负离子测定仪；右为KEC-900型空气负离子检测仪）

KEC-900型空气负离子检测仪正对植物周围负离子进行检测

A．郁闭度 Coverage;

B.优势种平均高度 Average height of dominance；

C.优势种平均胸径Average DBH of dominance；

LAL.叶面积指数Leaf area index

对空气质量评价，国际上常用空气质量评价指数值（CI），计算公式如下^[2]：

CI=(n^-/1000)×（1/q）

q=n⁺/n^-

以上公式中：

1)        CI表示：空气质量评价指数；

2)        n⁺、n^-分别表示：空气正离子浓度、负离子浓度，

3)        q表示：单极系数；

4)        1000表示：满足人体生物学效应最低需求的空气负离子浓度(个/cm³)

1.3   统计分析方法

采用SPSS统计软件对各项数据进行方差分析、多重比较及聚类分析^[9]。

2.      结果与分析

2.1   植物群落对夏季日均空气负离子浓度的影响

1)        不同群落日均空气负离子浓度的变化。植物叶表面在短波紫外线的作用下，发生光电效应，提高空气负离子浓度，不同群落的微环境空气中负离子浓度见图1。不同群落和草坪增加空气负离子浓度显著高于对照，尤以前者的能力最强。就提高空气负离子浓度的能力而言，群落数呈正态分布，能力较高与较低的群落较少。

图1 植物群落夏季日均空气负离子浓度

Fig.1  Plant community of negative air ions concentration

为了讨论方便，论文中提到的△C为各群落空气负离子浓度与水泥地对照的差值。与水泥地对照相比，只有草坪的△C增加不到100个/cm³；而△C高于300个个/cm³的群落只有2个竹林群落，占总数的9.3%，这个结果与安徽农业大学园林学院徐昭辉教授的结果一致^[10]，100个/cm³<△C <200个/cm³的群落数有5个，占总数的23.8%；其它13个群落的△C分布在200个/cm³~300个/cm³，占总数的61.9%。

对群落间和群落内进行方差分析，结果表明(表2)群落间空气负离子浓度的差异达0.01显著水平，而群落内差异不显著。为选择能较好提高微环境空气负离子浓度的群落，对各群落增加空气负离子浓度的能力进行了多重比较(表3)。结果表明：植物群落种类不同，夏季微环境中空气负离子浓度变化也不同。与水泥地对照相比，所有群落提高空气负离子浓度的显著水平达0.01。与草坪群落相比，除群落12差异不显著、群落7差异达0.05显著水平外，其它所有群落提高空气负离子浓度的水平达0.01显著差异。在除草坪外的其它20个植物群落中，群落12、群落7和群落9提高空气负离子浓度的能力最差，群落16、群落8、群落15、群落17的能力最强。

2)        不同群落空气负离子浓度的日变化。植物群落类型不同，夏季微环境中空气负离子浓度日变化也不同(图2)。一天中，水泥地(对照)的空气负离子浓度基本一致；草坪的空气负离子浓度日变化曲线为“V”字型，15：00时最高，12：00时最低；针叶群落在9：00最高，12：00、15：00变化很小，都在430个/cm³左右；竹类群落的空气负离子浓度在上午9：00最低，为486个/cm³，中午和下午最高，日变幅<38个/cm³；阔叶植物群落的空气负离子浓度，在中午12：00最高，上午和下午基本一致，日变幅<41个/cm³；针阔混交植物群落的空气负离子浓度日变化趋势与水泥地对照变化相似。

2.2   植物群落对CI的影响

1)        不同群落CI值。图3是21个植物群落CI值散点图，CI值在0.5~0.7的群落数最多，占总数的61.9%；CI值<0.3和CI值>0.9的群落极少，各有1个。21个群落CI值分布呈正态分布。

2)        不同群落优势种对微环境空气质量评价指数值的影响。群落优势种的种类和高度对微环境空气质量评价指数值CI影响，结果见图4。竹类群落的CI最高，均值为0.83，比草坪CI值高117%；针叶群落与阔叶群落的CI相近，为0.65左右，比草坪CI值高70.7%，与空气负离子浓度的变化相似。

3)        不同群落特征对微环境空气质量评价指数值的影响。不同群落特征及空气负离子浓度与CI的相关性分析(表4)结果表明，空气质量指数CI与空气负离子浓度呈极显著相关，相关系数R达0.955；与群落叶面积指数呈显著相关，相关系数R为0.474；与群落的郁闭度呈一定相关，而与群落的优势种高度和胸径无关，所得结果与吴楚材等结果一致^[11]。

NAIC表示空气负离子浓度Negative air ions concentration

2.3   基于空气负离子浓度和CI的不同群落聚类分析

鉴于群落空气负离子浓度和CI的极显著相关性，本文采用SPSS软件对所研究群落进行聚类分析(图5)。当距离系数为0.9时，依据距离的远近，21个植物群落为1类，水泥地对照为1类。当距离系数为0.95时，依据距离的远近，分为3大类，水泥地对照为1类，植物群落被分为两大类：1类含4个群落，分别为群落21、群落12、群落9、群落7，其中高羊茅群落和群落12对改善空气质量的能力较差，尤以高羊茅草坪的能力最差；其余17个群落为另1类，改善空气质量能力较强的群落8、群落6、群落16、群落17等均属于该类。

3.      研究结论

组成群落的绿色植物可通过光合作用释放氧气，同时进行的蒸腾作用还可使周围环境空气相对湿度增加，氧气和水分子比空气中其它分子亲电性更好，优先形成空气负离子，利于空气负离子浓度的提高；植物叶表面在短波紫外线的作用下，发生光电效应^[11]；大气中存在电场，晴天地面上大气电场的电势差约为100 V／m，由于某些植物的叶呈针状等曲率半径较小，具有尖端放电的功能，使空气发生电离，增加空气负离子的浓度^[12/13]；植物释放出的芳香挥发性物质都能使空气发生电离现象，并且所具有的降尘功能，使得空气负离子浓度增加，而且空气负离子的寿命得到延长。有研究表明，森林环境中的空气负离子浓度比城市室内可高出80~1600倍，平均浓度达1000~3000个/cm^3[6]。

不同的植物群落，由于优势种的组成、郁闭度、群落结构类型都不同，其对改善空气负离子浓度与CI值的作用也不同。吴楚材等的研究表明，空气负离子浓度的提高与群落的郁闭度呈一定相关，而与群落的优势种高度和胸径无关^[14]。针叶树种林分的空气负离子平均浓度为1057个/cm³。，阔叶树种林分为1161个/cm^3[7]，与本文研究结果存在一定差异，这可能是由于研究人员研究的群落结构、组成较为复杂，而吴楚材等研究的对象较为简单所造成的。吴际友等对8种园林树种周围空气负离子水平的研究结果表明，不同园林树种周围空气负离子水平差异显著^[8]。在本文研究的所有群落中，草坪的叶面积指数最小，其改善空气负离子浓度的能力最弱；竹类群落的能力最强，这可能是由于竹类的叶尖呈针状，曲率半径较小，具有较强的尖端放电的功能所致，具体的原因需要作进一步研究。

本研究中，CI与空气负离子浓度呈极显著正相关，与群落叶面积指数呈显著正相关，与群落优势种的胸径、树高无关。这是由于叶面积指数高的植物群落，其光合作用能力强，促进群落产生高浓度的氧分子，从而导致微环境的空气负离子浓度与CJ值的增加。聚类分析结果表明，虽然所研究的群落特征不同，但所有植物群落都对改善空气负离子有显著作用。

参考文献

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[2]     石强．森林环境中空气负离子浓度分级标准[J]．中国环境科学，2002，22(4)：320—323．

[3]     刘云国，吕健，张合平，等．大型人造园林中的空气负离子分布规律[J]．中南林学院学报，2003，23(1)：89—92．

[4]     王洪俊，王力，孟庆繁．城市不同功能区对空气负离子水平的影响[J]．中国城市林业，2004，2(2)：49—52．

[5]     王洪俊．城市森林结构对空气负离子水平的影响[J]．南京林业大学学报：自然科学版，2004，28(5)：96—98．

[6]     邵海荣，贺庆棠．森林与空气负离子[J]．世界林业研究，2000，13(5)：19—23．

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[8]     吴际友，程政红，龙应忠．园林树种林分中空气负离子水平的变化[J]．南京林业大学学报：自然科学版，2003，27(4)：78—80．

[9]     薛薇．SPSS统计分析方法与应用[M]．北京：电子工业出版社，2004：326—348．

[10]  徐昭辉．安徽省主要森林旅游区空气负离子资源研究[D]．合肥：安徽农业大学园林学院，2004．

[11]  吴楚材，黄绳纪．桃源洞国家森林公园的空气负离子含量及评价[J]．中南林学院学报，1995，15(1)：9-12．

[12]  STEPHEN M K．A public healthy approach to evaluating the significance of air ion[D]．Texas：University of Texas Healthy Science Center，1997．

[13]  蒙晋佳，张燕．广西部分景点地面上空气负离子浓度的分布规律[J]．环境科学研究，2004，17(3)：25—27．

[14]  吴楚材，钟林生，郑群明．马尾松纯林林分因子对空气负离子浓度影响的研究[J]．中南林学院学报，1998，18(1)：70—73．

来源：华中农业大学学报（部分内容经过增减处理）

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