王 茜，王 成，董建文

城市森林保健功能是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成部分，主要指城市森林為維持居民健康所提供的各種服務(wù)。這些服務(wù)不單純指常見的固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙等森林生態(tài)系統(tǒng)功能，也包括城市森林在降溫增濕、緩解城市熱島效應(yīng)、降低污染凈化空氣、釋放對人體健康有益揮發(fā)物等方面產(chǎn)生的綜合效應(yīng)［1-2］。歐美等發(fā)達國家對城市森林保健功能的相關(guān)研究已經(jīng)取得豐富的成果，如德國、美國、日本等發(fā)達國家于20世紀70年代就對森林保健功能進行了深入研究，并從醫(yī)學(xué)角度探索森林對人體所具有的治療、康復(fù)、保健和療養(yǎng)功能，把森林對人體的保健功能稱作“森林醫(yī)學(xué)”［3-4］，因此保健型園林的營建涉及到園林、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的交叉［5］。我國對此研究起步較晚，目前主要是單因子保健功能研究［6-7］，而綜合空氣溫濕度、風(fēng)速、光照強度、空氣顆粒物濃度、植物釋放有機揮發(fā)物等其他保健因子，并與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的跨學(xué)科研究還不多見。

毛竹(Phyllostachys pubescens)是中國南方主要的森林資源，具有巨大的生態(tài)價值，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、保持生物多樣性等方面發(fā)揮著重要的作用［8］。目前對于毛竹的研究主要集中在光合特性、固碳釋氧、降溫增濕、林內(nèi)揮發(fā)物種類、空氣顆粒物濃度變化規(guī)律等單項保健因子的研究［9］，而對其林內(nèi)一年四季生態(tài)保健功能的綜合研究較少。為此，筆者以毛竹林為研究對象，分析其年四季生態(tài)保健因子的變化規(guī)律，并通過曠場試驗綜合評價森林保健因子對動物行為學(xué)的影響，為毛竹保健型園林的營建，以及引導(dǎo)公眾在其內(nèi)適時適地進行各項健身活動提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福州旗山森林公園位于閩侯南嶼境內(nèi)(119°6'28'E，26°4'08'N)，面積 3 587 hm2，無霜期達 326 d，年均溫度16～20℃，年均日照數(shù)1 700～1 980 h，年降水量900～2 100 mm，年相對濕度約77%，海拔500～900 m。研究樣地選在位于旗山森林公園海拔720 m高處的毛竹純林，竹高9～15 m，胸徑11～25 cm，郁閉度0.96。地被覆蓋以山杜鵑(Rhododendron sp.)、杜莖山(Maesa japonica)等為主，植物群落調(diào)查方法參照《植物群落清查的主要內(nèi)容、方法和技術(shù)規(guī)范》［10］，在毛竹林內(nèi)設(shè)置6個重復(fù)，每個重復(fù)相隔5 m，呈“品”字形排列。林內(nèi)樣地及其植物種類概況見表1。

1.2 指標測定及評價方法

2014年4月－2015年4月于春季、夏季、秋季、冬季4個季節(jié)分別選擇晴朗無風(fēng)的天氣10 d，每天7:00至次日5:00每隔2 h對毛竹林內(nèi)的空氣溫濕度、風(fēng)速、光照、顆粒物濃度等環(huán)境因子進行同步觀測，每個時刻每個監(jiān)測點重復(fù)觀測3次，同一時刻的環(huán)境因子取3次觀測的平均值，毛竹林內(nèi)各環(huán)境因子的季節(jié)變化取10 d觀測的平均值。具體的采集儀器和評價方法如下:

表1 林內(nèi)樣地概況Table 1 Situations of sample plots

1.2.1 人體舒適度指數(shù) 人體舒適度指標涉及空氣溫度、濕度和風(fēng)速3個氣象指標，測試儀器采用美國產(chǎn)的NK5920便攜式氣象測定儀(Kestrel 3500 pocket weather meter):溫度測定范圍為－30～60℃，分辨率為0.1℃;相對濕度測定范圍為0～100%，分辨率為 0.1%RH;風(fēng)速測定范圍為 0.40～40 m·s－1，分辨率為0.1 m·s－1。每個監(jiān)測點待儀器顯示的數(shù)值穩(wěn)定后連續(xù)讀取3組數(shù)據(jù)。人體舒適度指數(shù)的計算方法參照陸鼎煌［11］提出的綜合舒適度指數(shù)公式:

式中，S為綜合舒適度指數(shù);T為氣溫(℃);RH為相對濕度(%);V為風(fēng)速(m·s－1)。將舒適度等級劃分為5個等級，舒適度指數(shù)越小，人體感覺舒適程度越高，反之越低。

1.2.2 空氣顆粒物 用英國生產(chǎn)的 Dustmate粉塵監(jiān)測儀測定人體平均呼吸高度1.2～1.5 m處空氣TSP(d≤100 μm，總懸浮顆粒物)、PM10(d≤10 μm，可吸入顆粒物)、PM2.5(d≤2.5 μm，可入肺顆粒物)和 PM1.0 濃度(d≤1.0 μm，可吸入細顆粒物)。每次采樣時間為2 min，各監(jiān)測點每個時間段連續(xù)讀取3組數(shù)值，取平均值。

1.2.3 林內(nèi)揮發(fā)物的采集與分析 毛竹林內(nèi)四季揮發(fā)物的采集選擇晴朗無風(fēng)的天氣，分別于2014年4月20－21日(春季)、6月15－16日(夏季)、9月3－4日(秋季)、12月 11－12日(冬季)，從早 7:00－次日5:00每隔2 h采集1次。通過開放式氣體采集法，采用QC-1型大氣采樣儀對竹林中揮發(fā)性有機化合物進行采樣，揮發(fā)物的分析鑒定采用ATD-GC/MS(自動熱脫附-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用)來完成。揮發(fā)物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)，采用計算機內(nèi)的NIST2008標準質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫檢索和質(zhì)譜數(shù)據(jù)手冊對照，綜合保留時間信息確定組分，并將總離子流色譜圖中的各峰面積進行歸一化法計算，得到揮發(fā)物中各成分的相對含量。具體計算公式如下:

各揮發(fā)物成分的相對含量(%)=該物質(zhì)峰面積/植物總揮發(fā)物峰面積之和 (2)1.2.4 小白鼠曠場試驗(OFT) 在監(jiān)測森林環(huán)境指標的基礎(chǔ)上通過動物曠場試驗，探究其在毛竹林內(nèi)生活一段時間后自發(fā)行為、探索行為和焦慮狀況等生理指標變化規(guī)律。按照小白鼠的生活習(xí)性和生理特點選擇2014年9月13－22日晴朗無風(fēng)的天氣10 d，9:00－15:00分別在實驗室(對照組)和竹林中心(處理組)選擇庇蔭處懸掛10只小白鼠(雌雄分開)。懸掛期間(9:00－15:00)不飲水、不進食，15:00之后將2組小白鼠取回實驗分析室，放入曠場箱中觀察自發(fā)行為，每批動物觀察5 min，每天記錄每只籠子內(nèi)小白鼠的糞便粒數(shù)［12］。所需試驗材料如下:

1)試驗動物:由福州吳氏試驗動物中心提供的昆明種小白鼠，5周齡，體質(zhì)量在18～22 g，雌雄各半，共20只。在實驗室飼養(yǎng)1周，每5只同性別的小白鼠飼養(yǎng)在30 cm×18 cm×16 cm的規(guī)格籠具中，期間供應(yīng)充足的水和飼料;

2)室內(nèi)外模擬箱:為了預(yù)防老鼠糞便灑落，將規(guī)格為28 cm×15 cm×17 cm的捕鼠籠進行改造，在底部加木板固定，頂部兩端用細鐵絲連接，便于鼠籠在林中和室內(nèi)懸掛;

3)動物自發(fā)行為測試系統(tǒng):曠場試驗分析采用由攝像機、計算機、圖像采集分析軟件3部分組成的Super-Maze動物行為視頻分析系統(tǒng)［12］?？赏瑫r追蹤8只小白鼠的自發(fā)活動情況，并記錄小白鼠活動錄像及軌跡圖。本試驗將自發(fā)活動箱底分為十六宮格，其中6、7、10、11為中央格區(qū)域，其他為周邊區(qū)域(圖1)。

圖1 十六宮格示意Fig.1 Schematic of the sixteen grids

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 舒適度指數(shù)變化規(guī)律、顆粒物濃度變化規(guī)律以及主要揮發(fā)物成分的統(tǒng)計應(yīng)用Microsoft Excel 2010進行圖表制作，小白鼠自發(fā)行為影響分析采用 SPSS 21.0、Origin 9.0 和 Microsoft Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行有效性檢查、統(tǒng)計分析和圖表制作，并應(yīng)用one way ANOVA單因素方差對組間差異進行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 人體舒適度指數(shù)的四季變化

從圖2看出，4個季節(jié)光照強度的日變化均呈倒“V”形，且日均值大小順序為夏季＞春季＞秋季＞冬季，夏季日均值分別比春、秋、冬季高25%、31%和43%。四季光照強度的峰值均出現(xiàn)在13:00左右，低谷值出現(xiàn)在早晚，且冬季與春季、夏季在9:00－15:00時間段差異顯著(P＜0.05);四季風(fēng)速的日變化沒有明顯規(guī)律，但春、秋季節(jié)的日均值高于冬、夏季日均值，且白天高于夜晚，在7:00、15:00，夏季與其他3個季節(jié)差異顯著(P＜0.05);四季空氣溫度的日變化相對平穩(wěn)，全天所有時刻氣溫值均是夏季＞春季＞秋季＞冬季，冬季全天各個時刻均與夏季、春季差異顯著(P＜0.05)，夏季日均值分別比春、秋、冬季高28%、35%和47%;四季相對濕度日變化與光照強度相反呈“V”形，高峰值出現(xiàn)在早晚，低谷值出現(xiàn)在11:00－13:00，夏季相對濕度的日均值最高，秋季次之，冬季最低，冬季與夏季、秋季在11:00－19:00時間段差異顯著(P＜0.05)。

圖2 毛竹林內(nèi)四季小氣候變化規(guī)律Fig.2 The small climate variation patterns of P.pubescens forest in four seasons

表2 毛竹林內(nèi)四季人體氣候舒適度等級評價Table 2 The evaluation of human climate comfort level in four seasons of P.pubescens forest

從表2四季人體舒適度等級評價來看:春季屬于“很舒適”、“舒適”和“不舒適”等級的時間段分別占 33.3%、16.7%和50%，其中 11:00－17:00 時間段屬于“很舒適”等級;夏季全天各個時段均屬于“很舒適”等級，適合游客在竹林里休息、游憩;秋季屬于“舒適”等級的時間段占8.4%，屬于“不舒適”和“極不舒適”的時間段分別占 58.3%和33.3%;冬季屬于“舒適”等級的時間段占8.4%，屬于“不舒適”和“極不舒適”的時間段分別占41.6%和50%，因為冬季全天大部分時間氣溫較低、風(fēng)速較大，人體感覺不舒適，不適合在此休息和游憩。

2.2 空氣顆粒物濃度四季變化

4個季節(jié)空氣顆粒物濃度的日變化均呈“W”狀，其中 TSP、PM10、PM2.5 顆粒物日均濃度大小為冬季＞秋季＞夏季＞春季，PM1.0日均濃度大小為冬季＞夏季＞秋季＞春季(圖3)。大粒徑顆粒物TSP和PM10的濃度冬季分別比春、夏、秋季高53%、32%、18%和 66%、38%、21%;小粒徑顆粒物PM2.5和PM1.0的濃度冬季分別比春、夏、秋季高82%、66%、47%和88%、58%、67%。從四季4種顆粒物濃度的日變化規(guī)律可以得出，冬季全天大部分時刻(除了TSP濃度 21:00－23:00冬季＜秋季以外)顆粒物濃度均大于其他3個季節(jié)，且TSP濃度的日均值冬季極顯著＞春季(P＜0.01)，PM10濃度的日均值冬、秋季極顯著＞春季(P＜0.01)，而 PM2.5 和 PM1.0 濃度日均值冬季顯著高于夏、秋季節(jié)(P＜0.05)，且極顯著高于春季(P＜0.01)。從空氣顆粒物污染程度評價來看:春季 TSP、PM2.5 濃度和夏、秋季 PM2.5 濃度日均值屬于“清潔”等級;夏、秋、冬季的TSP和PM10濃度以及冬季的PM2.5濃度的日均值均屬于“中等”等級。

圖3 4種粒徑空氣顆粒物濃度的四季節(jié)變化Fig.3 The variations of four kinds of air particulate mattes in four seasons

2.3 不同季節(jié)林內(nèi)揮發(fā)物(VOCs)的主要成分

毛竹林內(nèi)揮發(fā)物的主要成分共37種，包括烷烴、烯烴、醇、醛、酯、酮、呋喃、芳香烴等物質(zhì)(表3)。春季揮發(fā)物種類最多為22種，夏季次之為20種，秋季19種，冬季最少為17種。從相對含量來看，以烷烴、烯烴、醇類物質(zhì)為主，總含量達74.31%，且春、夏季主要揮發(fā)物的相對含量顯著高于秋、冬季(P＜0.05)，其中對人體健康有益的揮發(fā)物如月桂烯、長葉烯烴、B-蒎烯、石竹烯等［13-14］，春、夏季含量較高分別為46.71%和52.74%?？梢娒窳謨?nèi)空氣中有益揮發(fā)物種類和含量都比較豐富，尤其是春、夏季釋放的有益揮發(fā)物對于游客緩解疲勞、身心健康、強身健體起到積極的促進作用。

2.4 毛竹林環(huán)境對小白鼠自發(fā)行為的影響

依據(jù)小白鼠本身的生理特點、生活習(xí)性，將前5 d視為其探索階段，后5 d為適應(yīng)階段。從反映其精神狀態(tài)的運動總路程來看:經(jīng)竹林環(huán)境處理的小白鼠(以下簡稱處理組)運動總路程＞對照組，10 d試驗中，第2、3、4天處理組與對照組差異極顯著(P＜0.01)，第 5、9、10 天處理組與對照組差異顯著(P＜0.05)，說明經(jīng)竹林“沐浴”后的小白鼠興奮性增強，運動量明顯增加，精神狀態(tài)得到了很好的改善。從反映其認知能力的中央格運動路程、中央格運動時間、進入次數(shù)來看:10 d試驗中均是處理組＞對照組，且大部分時間兩者差異顯著，說明小白鼠經(jīng)過竹林處理后探索、認知能力明顯增強［15-16］。

表3 毛竹林四季主要揮發(fā)物的化學(xué)成分Table 3 The major chemical components of volatiles in four seasons of P.pubescens forest

2種環(huán)境條件下生活的小白鼠在曠場試驗箱中的運動狀態(tài)直觀表示見圖5。典型軌跡圖中，小白鼠被放入曠場箱中的起始位置用藍點代表，在曠場箱中運動的終止位置用紅點代表。10 d典型軌跡圖的選取代表2種試驗條件下的平均水平。總體來看，在毛竹林中懸掛處理組比較活躍，尤其在探索階段運動軌跡比空白對照組要復(fù)雜得多，在十六宮格中的分布較平均，不僅僅集中在周邊區(qū)域。經(jīng)過毛竹林處理的小白鼠在中央格區(qū)域涉足的頻率較高，總路程相對較大，這與前述的結(jié)論一致，表明小白鼠經(jīng)過毛竹林內(nèi)環(huán)境處理后的運動量以及精神狀態(tài)明顯優(yōu)于對照組［15］。

3 結(jié)論與討論

圖4 2種試驗條件下小鼠自發(fā)行為指標的變化Fig.4 Spontaneous behavior indicators of rats under two kinds of test conditions

圖5 小白鼠在2種試驗條件下的典型軌跡Fig.5 A typical trajectory of rats in the two experiment conditions

從舒適度等級評價來看，毛竹林內(nèi)春、夏季屬于“舒適”或“很舒適”的時間段長于秋、冬季。這主要是由于春、夏季竹林枝葉生長旺盛，葉面積指數(shù)較大，竹林龐大的林冠層在地面與大氣之間不僅形成了綠色的調(diào)溫器，而且增加了林內(nèi)相對濕度，有效降低了林內(nèi)風(fēng)速，形成了獨特的森林小氣候［17］。這與邵永昌［18］等、趙仲輝［19］等的研究結(jié)果一致。反之，秋、冬季由于林冠層枝葉全部干枯或脫落，缺少枝葉的遮擋，林內(nèi)空氣對流和散熱加速，導(dǎo)致氣溫較低、風(fēng)速較大、相對濕度較小，全天大部分時間(尤其是早晚)人體感覺“不舒適”或“極不舒適”。陳亞鋒［20］對毛竹林一年四季小氣候變化的研究也證明了上述結(jié)論。

TSP、PM10、PM2.5顆粒物日均濃度大小為冬季＞秋季＞夏季＞春季，PM1.0日均濃度大小為冬季＞夏季＞秋季＞春季。冬、秋季一方面由于植物干枯、生理活性弱，吸附和降低顆粒物能力較差，另一方面冬季附近居民采暖，燃燒木材、煤球等燃料，使得空氣污染更加嚴重，此外，冬季逆溫層最厚，強度最大，出現(xiàn)頻率最高，持續(xù)時間最長，促使污染物難以擴散［21］。與上述情況相反，夏、春季林內(nèi)枝葉茂盛，葉面積較大，葉片的氣孔、絨毛、溝槽等微型結(jié)構(gòu)對細顆粒物有較強的吸附作用［22］，此外，夏、春季雨水增多，降雨對空氣顆粒物有沖刷和稀釋作用。但是對于PM1.0濃度的削減率，夏季低于秋、春季的主要原因可能是福州夏季氣溫較高，光化學(xué)反應(yīng)生成的二次氣溶膠速度隨之加快，而二次氣溶膠對可入肺顆粒物(PM1.0)濃度的增加起到積極的促進作用［23］，呂鈴鑰［24］等的研究結(jié)果也證明了這一點。

毛竹林內(nèi)一年四季主要揮發(fā)物的種類和相對含量均是夏季＞春季＞秋季＞冬季，主要原因是植物生長和酶活性的季節(jié)差異。李娟［25］等、來雨晴［26］的研究結(jié)果也證明了這一點。造成這種季節(jié)差異的主要原因是:春季植物開始萌芽、復(fù)蘇，新陳代謝活動加強，光合、呼吸作用旺盛，合成的次生物質(zhì)較多［27］，采集氣體中總揮發(fā)物相對含量為 64.49%;到了夏季是毛竹枝繁葉茂的時期，光合作用增強，酶活性增強，生成和釋放的揮發(fā)物最多，相對含量達到峰值為69.16%;進入秋季毛竹開始轉(zhuǎn)入衰弱期，植物生理活性弱，釋放的揮發(fā)物種類和含量都明顯下降，相對含量僅為25.4%;到了冬季毛竹枝葉干枯、脫落，幾乎進入休眠階段，生理活性極其緩慢，產(chǎn)生和釋放的植物揮發(fā)物種類更少［28］，相對含量也最少僅為 17.31%。

生態(tài)保健功能最終目的是服務(wù)于人，本研究借用動物模擬試驗從動物的行為學(xué)和心理學(xué)角度入手，分析了保健型園林環(huán)境對動物健康的影響。結(jié)果顯示:與對照組相比小鼠的運動量明顯增加、精神狀態(tài)得到很好的改善、認知能力增強等。引起小白鼠一系列行為指標變化的原因主要是毛竹林釋放大量的有益揮發(fā)物，例如萜烯類和醇類化合物使小鼠的精神狀態(tài)得到了放松［29］，這與王艷英［30］等的試驗結(jié)果一致;其次是毛竹林有降溫、增濕作用，反映到小白鼠的行為學(xué)上即緊張感降低、情緒穩(wěn)定，食欲大增，這與孫啟祥［31］等對杉木的研究和高巖［32］對油松、白皮松的研究結(jié)果一致，即植物的有益揮發(fā)物能降低人體的心率、血壓，使人體處于放松狀態(tài)，情緒松弛、緊張緩解，對某些疾病的預(yù)防和治療有積極的促進作用。通過對香樟林、白皮松林和側(cè)柏林等植物群落釋放的BVOCs對小白鼠進行OFT試驗，結(jié)果同樣證明月桂烯、D-檸檬烯等萜烯類和醇類化合物等林內(nèi)有益揮發(fā)物有助于提高小白鼠心理運動的穩(wěn)定性，對大腦思維活動產(chǎn)生積極影響，提高了小白鼠的探索能力［30，33-34］。