石门国家森林公园不同林分秋季保健功能差异比较和综合评价

朱舒欣，胡菲菲，何双玉，崔 杰，邱 权，陈倩倩，何 茜，苏 艳，莫志安，李吉跃*

(1.华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2.广州市石门国家森林公园管理处，广东 广州 510976；3.广东省林业调查规划院，广东 广州 510520)

随着对森林环境科学研究的发展，森林作为一种重要的康养资源，在养生保健中起着重要作用。国内外众多研究都证实了森林环境对人体具有保健及治疗疾病的功效，对人类的健康十分有益[1-3]。森林群落保健功能的差异研究和保健功能的评价也成为研究热点。目前国内外对于森林保健功能的研究，既有单一因子的(如负氧离子[4]、声音景观[5]、植物精气[6]等)，又有多个因子的综合研究，如赵庆等[7]依据舒适度指数、空气离子指数、空气颗粒物浓度和植物精气4个指标开展森林保健功能的综合研究；王茜等[8]监测林内小气候、光照、空气颗粒物浓度、植物挥发物等环境因子，并借助小白鼠旷场试验综合评价森林保健功能等。单一因子评价森林的保健功能具有很大的局限性，研究结果具有片面性。为了较准确、全面地反映森林的综合保健功能，需要运用主成分分析法、聚类分析法、模糊综合评价法等综合评价模型[9-11]来客观分析各项保健因子。国内学者已有这方面的少量研究，如王艳英等[12]运用主成分分析和聚类分析，对福州旗山森林的保健功能进行综合评价；韩明臣等[13]应用两级指数评价法评价城市森林保健单项保健功能和综合保健功能等，但还需进一步深入研究探讨。本研究所选取的石门国家森林公园是广东省第1批森林康养基地试点单位，对公园内5种典型林分并设置无林地对照组，综合多个动态保健因子，采用隶属函数值定量分析评价不同林分的综合保健功能。不仅对石门国家森林公园的森林旅游和开发利用具有重要意义，而且还能为今后森林康养林构建中如何筛选森林保健树种、科学配置以及提高森林保健功能等问题提供科学依据。

1 研究区概况

石门国家森林公园(以下简称石门)位于广东省广州市从化区，森林总面积约2 636 hm2，森林覆盖率达98.91%，海拔270～1 210 m，是我国第一家国际森林浴场，也是广东省首批森林康养基地[14]。气候温和，年平均气温 19.5～21.4℃，多年平均降雨量约2 000 mm，太阳辐射能力强，年总辐射量440 870 J/cm2。这里有华南地区仅存的原始次生林1.6万亩，是亚热带季风常绿阔叶林保存较为完整的林区之一，也是珍稀野生动植物基因库[15]。石门的植被主要有山地常绿阔叶林、亚热带常绿阔叶林、亚热带针叶林、亚热带针阔混交林、竹林等森林群落[16]。

2 材料与方法

2.1 样地选择

在石门选取毛竹林、亚热带季风常绿阔叶林、枫香林、杉木林、枫香杉木混交林这5种林分类型和无林地对照组作为研究样本。在毛竹林和亚热带季风常绿阔叶林设置4个样地，其他林分和无林地对照设置3个样地，共计20个样地，样地概况见表1。

表1 样地概况Table 1 Overview of the sample land

2.2 方法

2019年9-11月，选择每月下旬连续3 d进行野外数据测定。采样天气状况均为晴天或多云，在试验日的上午(9:00-11:00)、中午(12:00-14:00)和下午(15:00-17:00)分别对5种林分和无林地对照组进行森林小气候、空气含氧量和空气负离子3种指标采样。空气负离子浓度使用日本原产的COM-3200PROⅡ负氧离子测定仪进行测量，采样高度为距离地面1.5 m处，与成人呼吸高度基本一致。每个观测点待仪器稳定时按东南西北4个方向读取数据并在归零后重复3次，共12个数据，取均值得到负离子浓度。森林小气候使用美国原产的Kestrel 5500手持气象仪进行测量并记录相应的风速、温度和相对湿度值，重复3次，风速采样高度为2.0 m。空气含氧量使用北京天地首和科技发展有限公司生产的TD6000-SH-O2氧气含量测定仪进行测量，重复3次，每个仪器在测量前都经过校正[17]。植物精气的测定采用开放式动态顶空吸附采集法，将仪器悬挂在林内1.5 m处，连续对林内空气采样8 h。

2.3 指标计算方法

2.3.1 人体舒适度指标 人体舒适度采用刘梅等[18]提出的综合舒适指数进行评价，综合舒适指数S计算公式如下：

S=0.6×|T-24|+0.07×|RH-70|+0.5×|V-2|

(1)

式中，S为综合舒适度指数，T为气温℃，RH为空气相对湿度%，V为风速m·s-1。依据S划分人体舒适度等级(表2)。

2.3.2 空气富氧度指标 空气富氧度采用韩明臣等[13]提出的空气富氧度指数进行评价(表3)。为了消除海拔对氧气浓度的影响，依据海拔每升高100 m，空气含氧量下降0.16%对实测值进行校正[19]，公式为：

校正值=测定值+海拔/100×0.16

(2)

表2 人体舒适度评价标准Table 2 Evaluation criteria for human comfort

表3 空气富氧度评价标准Table 3 Evaluation criteria for air oxygen content

2.3.3 负离子保健浓度指标 负离子保健浓度采用张清杉[20]提出的空气负离子保健浓度分级标准进行评价(表4)。

表4 负离子保健浓度评价标准Table 4 Evaluation criteria for anion health care concentration

2.3.4 植物精气相对含量指标 完成植物精气采样后，将吸附管妥善密封保存并及时用二氯甲烷溶液洗脱，再用气相质谱联用技术(GC-MS)进行分析。通过查阅相关化工辞典或参考相关资料确定挥有机挥发物成分，同时结合峰面积归一化法计算各植物精气成分的相对含量。

2.3.5 综合保健功能评价 根据上面4项保健因子评价指标Xi求出其隶属函数值，对负向指标采用反隶属函数式转换。

隶属函数：U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

反隶属函数：U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(4)

式中，U(Xi)为隶属函数值，Xi为综合保健功能某项指标测定值，Xmax和Xmin为所有综合保健功能评价中某一指标内的最大值和最小值[21]。

2.4 数据处理

运用SPSS20.0进行ANONA方差分析和多重比较，采用Excel绘制图表。

3 结果与分析

3.1 人体舒适度分析与评价

在秋季(9-11月)，毛竹林的综合舒适指数在2.25～3.59；亚热带季风常绿阔叶林在1.90～4.04；枫香林在2.31～3.20；杉木林2.06～3.50；枫香杉木混交林在2.18～3.71；无林地对照组的综合舒适指数分别为4.08～5.49。此外，毛竹林和亚热带常绿阔叶林的综合舒适指数随着月份的增加呈上升趋势，即9月最小，人体感觉最舒适；而其他林分和无林地对照组均呈现先下降后上升的趋势，即10月人体舒适度最优(图1)。

图1 不同林分综合舒适指数的月变化趋势(9-11月)Fig.1 Monthly variation trend of composite comfort index in different stands (Sep.-Nov.)

通过方差分析可知，5种林分和无林地对照组的人体舒适度均值表现出显著差异(P=0.044<0.05)，按人体舒适度等级依次为：杉木林(2.70)>枫香林(2.73)>枫香杉木混交林(2.82)>毛竹林(2.99)>亚热带季风常绿阔叶林(3.07)>无林地对照组(4.78)，5种林分均处于Ⅰ级非常舒适水平，无林地对照组处于Ⅱ级舒适水平(图2)。

注：字母表示差异显著性(P<0.05)。下同。

3.2 空气富氧度分析与评价

在秋季(9-11月)，毛竹林的氧气浓度在20.90%～21.09%；亚热带季风常绿阔叶林在20.83%～21.06%；枫香林在20.93%～21.07%；杉木林在21.03%～21.14%；枫香杉木混交林在21.12%～21.24%；无林地对照组在20.80%～20.98%。此外，氧气浓度均随着月份的增加呈下降趋势，即氧气浓度最高为9月，最低为11月(图3)。

图3 不同林分氧气浓度的月变化趋势(9-11月)Fig.3 Monthly variation trend of oxygen concentration in different stands (Sep.- Nov.)

通过方差分析可知，秋季不同林分的空气富氧度均值表现出显著差异(P=0.024<0.05)，按大小依次为：枫香杉木混交林(21.17%)>杉木林(21.08%)>枫香林(21.00%)>毛竹林(20.99%)>亚热带季风常绿阔叶林(20.95%)>无林地对照组(20.90%)。根据空气富氧度等级的划分，5种林分和无林地对照组的空气富氧度均处于Ⅱ级较高水平(图4)。

图4 不同林分空气富氧度差异比较Fig.4 Comparison of air oxygen content in different stands

3.3 负离子保健浓度分析与评价

在秋季(9-11月)，毛竹林的负离子浓度分别为2 284～3 081个·cm-3；亚热带季风常绿阔叶林的负离子浓度分别为4 676～10 032个·cm-3；枫香林的负离子浓度分别为794～1 510个·cm-3；杉木林的负离子浓度分别为1 240～1 907个·cm-3；枫香杉木混交林的负离子浓度分别为1 085～1 906个·cm-3；无林地对照组的负离子浓度分别为849～1 096个·cm-3。同时，不同林分负离子保健浓度月变化差异较大，除了亚热带季风常绿阔叶林，其他林分月变化幅度不明显(图5)。

图5 不同林分负离子浓度的月变化趋势(9-11月)

通过方差分析可知，秋季不同林分的负离子保健浓度均值表现出极显著差异(P=0.000<0.01)，按大小依次为：亚热带季风常绿阔叶林(7 234个·cm-3)>毛竹林(2 589个·cm-3)>杉木林(1 670个·cm-3)>枫香杉木混交林(1 623个·cm-3)>枫香林(1 247个·cm-3)>无林地对照组(941个·cm-3)。其中，亚热带季风常绿阔叶林处于Ⅰ级很适宜水平；毛竹林处于Ⅱ级适宜水平；枫香林、杉木林和枫香杉木混交林均处于Ⅲ级较适宜水平；无林地对照组处于Ⅳ级不适宜水平(图6)。

图6 不同林分负离子保健浓度的差异比较Fig.6 Comparison of anion health care concentration in different stands

3.4 植物精气GC-MS分析

9月植物精气分析显示，5种林分共挥发出5类37种植物精气类物质(表5)。其中，毛竹林释放11种(2.99%)，主要为萜烯类(2.54%)；亚热带季风常绿阔叶林释放25种(7.77%)，主要为醛类(3.40%)和萜烯类(3.28%)；枫香林释放10种(4.40%)，主要为萜烯类(3.22%)；杉木林释放11种(4.72%)，主要为萜烯类(3.52%)；枫香杉木混交林释放10种(1.50%)，主要为醇类(0.94%)。

表5 植物精气相对含量(9月)Table 5 Relative content of the atmospheric volatiles(Sep.)

10月植物精气分析显示，5种林分共有6类23种植物精气类物质(表6)。其中，毛竹林释放7种(3.23%)，主要为酮类(1.83%)；亚热带季风常绿阔叶林释放20种(13.11%)，主要为萜烯类(5.35%)和酯类(4.55%)；枫香林释放9种(5.16%)，主要为酯类(2.36%)和酸类(1.53%)；杉木林释放6种(5.20%)，主要为萜烯类(2.96%)和酯类(2.24%)；枫香杉木混交林释放4种(7.61%)，均为萜烯类。

表6 植物精气相对含量(10月)Table 6 Relative content of the atmospheric volatiles(Oct.)

11月植物精气分析显示，5种林分共有4类11种植物精气类物质(表7)。其中，毛竹林释放4种(1.55%)，主要为萜烯类(0.84%)；亚热带季风常绿阔叶林释放10种(5.86%)，主要为萜烯类(3.97%)；枫香林释放3种(1.46%)，主要为醛类(1.23%)；杉木林释放4种(3.14%)，均为萜烯类；枫香杉木混交林释放4种(1.34%)，主要为萜烯类(1.28%)。

表7 植物精气相对含量(11月)Table 7 Relative content of phytoncide(Nov.)

总体来看，秋季不同林分植物精气相对含量均较低，除了10月亚热带季风常绿阔叶林(13.11%)之外，其他均在10%以下。此外，不同林分的植物精气相对含量均呈现出先上升后下降的趋势，最高值出现在10月(图7)。

图7 不同林分植物精气相对含量的月变化趋势(9-11月)Fig.7 The monthly variation trend of relative content of phytoncide in different stands (Sep.- Nov.)

通过方差分析可知，不同林分的植物精气相对含量均值存在显著差异(P=0.013<0.05)，按大小依次为：亚热带季风常绿阔叶林(8.91%)>杉木林(4.35%)>枫香林(3.67%)>枫香杉木混交林(3.48%)>毛竹林(2.59%)>无林地对照组(0.00%)。即亚热带季风常绿阔叶林的植物精气相对含量最高，无林地对照组最低(图8)。

图8 不同林分植物精气相对含量的差异比较Fig.8 Comparison of relative content of phytoncide in different stands

3.5 不同林分综合保健功能评价分析

根据隶属函数值对各林分综合保健功能进行排序(表8)，不同林分的综合保健功能大小依次为亚热带季风常绿阔叶林(0.75)>枫香杉木混交林(0.61)>杉木林(0.57)>枫香林(0.46)>毛竹林(0.44)>无林地对照组(0.00)。即亚热带季风常绿阔叶林的综合保健功能最强，无林地保健功能最差。

表8 各项指标平均隶属函数值及综合保健功能排序Table 8 Average membership function value of each index and comprehensive health function ranking

4 结论与讨论

4.1 不同林分人体舒适度的差异比较

与无林地(舒适水平)比较，5种林分的人体舒适度均处于非常舒适水平，这表明森林环境发挥的调节小气候功能显著优于无林地，这与古琳等[22]学术观点一致。此外，竹林和亚热带常绿阔叶林最舒适月份为9月，最差为11月。这可能与林分郁闭度高有关，在9月高温的情况下，有明显的降温增湿作用，11月温度下降时，林内温度也低于舒适水平。其他3种林分和无林地对照组10月人体舒适度最佳，这可能是郁闭度较低，9月温度较高时，降温增湿作用不明显，11月温度较低，而10月早中晚的气温均较舒适，相对湿度较高，人体感觉更佳。

4.2 不同林分空气富氧度的差异比较

空气中氧气的含量一般占空气体积的20.95%[19]。5种林分的氧气浓度平均含量为21.04%，与正常氧气浓度相比，石门森林环境的平均氧气浓度超出正常水平0.09%，且均在Ⅱ级较高水平，而无林地对照组氧气平均浓度为20.90%，低于正常浓度，这表明森林能有效地增加空气中的氧气浓度，石门国家森林公园的森林环境恰似一个天然大氧吧。此外，不同林分对氧气浓度增加的作用有所不同。枫香杉木混交林的氧气浓度最高(21.17%)，其次是杉木林，枫香林和毛竹林，亚热带季风常绿阔叶林最低(20.95%)。这可能与林龄有关，在中、幼林时期氧气浓度与林龄成正相关的关系，而在林木成熟以后成负相关关系[19]。石门枫香杉木混交林、杉木林、枫香林、毛竹林处于中、幼龄林时期，生长旺盛，其释放氧气的功能较强，而亚热带常绿阔叶林处于成熟林时期，生长缓慢，释放氧气的能力减弱。同时，氧气浓度随着月份的增加而降低，原因可能是9-11月气温逐渐下降、光照时间逐渐缩短、光照强度逐渐减弱，树木进入缓慢生长阶段，光合作用降低，其释放氧气的能力减弱，故不同林分的氧气浓度均呈现下降趋势。

4.3 不同林分负离子保健浓度的差异比较

5种林分的负离子保健浓度均处于较适宜水平以上，而无林地对照组处于不适宜水平。同时，不同林分释放的负离子浓度差异显著，按大小依次为亚热带季风常绿阔叶>毛竹林>杉木林>枫香杉木混交林>枫香林，这可能与森林群落的起源、类型、郁闭度、林龄、生长势等有关[23-25]。亚热带季风常绿阔叶林负离子浓度是其他4种林分3～5倍，这可能是因为天然森林群落组成树种年龄较大，乔木层的郁闭度和群落下层植被的盖度较高，因此其负离子浓度较高。这与刘欣欣等[24]、谭远军等[26]观点一致：天然林中的空气负氧离子浓度要高于人工林，林龄越大，促进负离子生成的能力越明显。此外，10月亚热带季风常绿阔叶林的负离子浓度明显低于9月和11月，这可能与该林分10月的风速(0.2 m·s-1)低于9月和11月、且相对湿度(87.49%)高于9月和11月有关。叶彩华等[27]、王薇等[28]研究表明负离子浓度与风速呈正相关，随着风速的降低，空气中负离子浓度也逐渐减少。王玉龙[29]、朱舒欣等[17]研究表明负离子浓度与相对湿度呈负相关，负离子浓度随相对湿度的增高而降低。

4.4 不同林分植物精气相对含量的差异比较

不同林分植物精气相对含量均较低，这与开放式采样、缺乏密闭环境监测有关。10月测试的植物精气相对含量显著高于9月和11月，这与环境因子密切相关，11月的平均气温为21.30℃，均低于9月(26.81℃)和10月(22.26℃)，且11月和9月的风速分别为0.84 m·s-1， 0.81 m·s-1，均高于 10月(0.50 m·s-1)。随着气温的升高，合成植物精气的相关生物酶活性越强，提高了催化挥发物反应合成速率的能力，因此9月和10月植物精气相对含量比11月较高。这与徐洁华等[30]、王国辉等[31]的研究结果一致：气温是影响植物精气挥发的一个重要作用因子，气温越高植物精气释放速率越快。同时可能因为9月的风速大于10月，分散了植物精气，导致即使9月植物精气种类(37种)比10月(23种)多，但相对含量低于10月。此外，不同月份森林释放的植物精气物质有较大差异，9月主要为萜烯类、醛类和醇类；10月主要为萜烯类、酮类、酯类和酸类，11月主要为萜烯类，这印证了徐洁华等[32]的观点：不同温度条件下林分挥发的植物精气成分组成不尽相同。