朱舒欣，胡菲菲，何雙玉，崔 杰，邱 權(quán)，陳倩倩，何 茜，蘇 艷，莫志安，李吉躍*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣州市石門國家森林公園管理處，廣東 廣州 510976；3.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510520)

隨著對森林環(huán)境科學(xué)研究的發(fā)展，森林作為一種重要的康養(yǎng)資源，在養(yǎng)生保健中起著重要作用。國內(nèi)外眾多研究都證實了森林環(huán)境對人體具有保健及治療疾病的功效，對人類的健康十分有益[1-3]。森林群落保健功能的差異研究和保健功能的評價也成為研究熱點。目前國內(nèi)外對于森林保健功能的研究，既有單一因子的(如負(fù)氧離子[4]、聲音景觀[5]、植物精氣[6]等)，又有多個因子的綜合研究，如趙慶等[7]依據(jù)舒適度指數(shù)、空氣離子指數(shù)、空氣顆粒物濃度和植物精氣4個指標(biāo)開展森林保健功能的綜合研究；王茜等[8]監(jiān)測林內(nèi)小氣候、光照、空氣顆粒物濃度、植物揮發(fā)物等環(huán)境因子，并借助小白鼠曠場試驗綜合評價森林保健功能等。單一因子評價森林的保健功能具有很大的局限性，研究結(jié)果具有片面性。為了較準(zhǔn)確、全面地反映森林的綜合保健功能，需要運用主成分分析法、聚類分析法、模糊綜合評價法等綜合評價模型[9-11]來客觀分析各項保健因子。國內(nèi)學(xué)者已有這方面的少量研究，如王艷英等[12]運用主成分分析和聚類分析，對福州旗山森林的保健功能進行綜合評價；韓明臣等[13]應(yīng)用兩級指數(shù)評價法評價城市森林保健單項保健功能和綜合保健功能等，但還需進一步深入研究探討。本研究所選取的石門國家森林公園是廣東省第1批森林康養(yǎng)基地試點單位，對公園內(nèi)5種典型林分并設(shè)置無林地對照組，綜合多個動態(tài)保健因子，采用隸屬函數(shù)值定量分析評價不同林分的綜合保健功能。不僅對石門國家森林公園的森林旅游和開發(fā)利用具有重要意義，而且還能為今后森林康養(yǎng)林構(gòu)建中如何篩選森林保健樹種、科學(xué)配置以及提高森林保健功能等問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石門國家森林公園(以下簡稱石門)位于廣東省廣州市從化區(qū)，森林總面積約2 636 hm2，森林覆蓋率達98.91%，海拔270～1 210 m，是我國第一家國際森林浴場，也是廣東省首批森林康養(yǎng)基地[14]。氣候溫和，年平均氣溫 19.5～21.4℃，多年平均降雨量約2 000 mm，太陽輻射能力強，年總輻射量440 870 J/cm2。這里有華南地區(qū)僅存的原始次生林1.6萬畝，是亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林保存較為完整的林區(qū)之一，也是珍稀野生動植物基因庫[15]。石門的植被主要有山地常綠闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶針葉林、亞熱帶針闊混交林、竹林等森林群落[16]。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇

在石門選取毛竹林、亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林、楓香林、杉木林、楓香杉木混交林這5種林分類型和無林地對照組作為研究樣本。在毛竹林和亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林設(shè)置4個樣地，其他林分和無林地對照設(shè)置3個樣地，共計20個樣地，樣地概況見表1。

表1 樣地概況Table 1 Overview of the sample land

2.2 方法

2019年9-11月，選擇每月下旬連續(xù)3 d進行野外數(shù)據(jù)測定。采樣天氣狀況均為晴天或多云，在試驗日的上午(9:00-11:00)、中午(12:00-14:00)和下午(15:00-17:00)分別對5種林分和無林地對照組進行森林小氣候、空氣含氧量和空氣負(fù)離子3種指標(biāo)采樣?？諝庳?fù)離子濃度使用日本原產(chǎn)的COM-3200PROⅡ負(fù)氧離子測定儀進行測量，采樣高度為距離地面1.5 m處，與成人呼吸高度基本一致。每個觀測點待儀器穩(wěn)定時按東南西北4個方向讀取數(shù)據(jù)并在歸零后重復(fù)3次，共12個數(shù)據(jù)，取均值得到負(fù)離子濃度。森林小氣候使用美國原產(chǎn)的Kestrel 5500手持氣象儀進行測量并記錄相應(yīng)的風(fēng)速、溫度和相對濕度值，重復(fù)3次，風(fēng)速采樣高度為2.0 m?？諝夂趿渴褂帽本┨斓厥缀涂萍及l(fā)展有限公司生產(chǎn)的TD6000-SH-O2氧氣含量測定儀進行測量，重復(fù)3次，每個儀器在測量前都經(jīng)過校正[17]。植物精氣的測定采用開放式動態(tài)頂空吸附采集法，將儀器懸掛在林內(nèi)1.5 m處，連續(xù)對林內(nèi)空氣采樣8 h。

2.3 指標(biāo)計算方法

2.3.1 人體舒適度指標(biāo) 人體舒適度采用劉梅等[18]提出的綜合舒適指數(shù)進行評價，綜合舒適指數(shù)S計算公式如下：

S=0.6×|T-24|+0.07×|RH-70|+0.5×|V-2|

(1)

式中，S為綜合舒適度指數(shù)，T為氣溫℃，RH為空氣相對濕度%，V為風(fēng)速m·s-1。依據(jù)S劃分人體舒適度等級(表2)。

2.3.2 空氣富氧度指標(biāo) 空氣富氧度采用韓明臣等[13]提出的空氣富氧度指數(shù)進行評價(表3)。為了消除海拔對氧氣濃度的影響，依據(jù)海拔每升高100 m，空氣含氧量下降0.16%對實測值進行校正[19]，公式為：

校正值=測定值+海拔/100×0.16

(2)

表2 人體舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation criteria for human comfort

表3 空氣富氧度評價標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Evaluation criteria for air oxygen content

2.3.3 負(fù)離子保健濃度指標(biāo) 負(fù)離子保健濃度采用張清杉[20]提出的空氣負(fù)離子保健濃度分級標(biāo)準(zhǔn)進行評價(表4)。

表4 負(fù)離子保健濃度評價標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Evaluation criteria for anion health care concentration

2.3.4 植物精氣相對含量指標(biāo) 完成植物精氣采樣后，將吸附管妥善密封保存并及時用二氯甲烷溶液洗脫，再用氣相質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)進行分析。通過查閱相關(guān)化工辭典或參考相關(guān)資料確定揮有機揮發(fā)物成分，同時結(jié)合峰面積歸一化法計算各植物精氣成分的相對含量。

2.3.5 綜合保健功能評價 根據(jù)上面4項保健因子評價指標(biāo)Xi求出其隸屬函數(shù)值，對負(fù)向指標(biāo)采用反隸屬函數(shù)式轉(zhuǎn)換。

隸屬函數(shù)：U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

反隸屬函數(shù)：U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(4)

式中，U(Xi)為隸屬函數(shù)值，Xi為綜合保健功能某項指標(biāo)測定值，Xmax和Xmin為所有綜合保健功能評價中某一指標(biāo)內(nèi)的最大值和最小值[21]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS20.0進行ANONA方差分析和多重比較，采用Excel繪制圖表。

3 結(jié)果與分析

3.1 人體舒適度分析與評價

在秋季(9-11月)，毛竹林的綜合舒適指數(shù)在2.25～3.59；亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林在1.90～4.04；楓香林在2.31～3.20；杉木林2.06～3.50；楓香杉木混交林在2.18～3.71；無林地對照組的綜合舒適指數(shù)分別為4.08～5.49。此外，毛竹林和亞熱帶常綠闊葉林的綜合舒適指數(shù)隨著月份的增加呈上升趨勢，即9月最小，人體感覺最舒適；而其他林分和無林地對照組均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，即10月人體舒適度最優(yōu)(圖1)。

圖1 不同林分綜合舒適指數(shù)的月變化趨勢(9-11月)Fig.1 Monthly variation trend of composite comfort index in different stands (Sep.-Nov.)

通過方差分析可知，5種林分和無林地對照組的人體舒適度均值表現(xiàn)出顯著差異(P=0.044<0.05)，按人體舒適度等級依次為：杉木林(2.70)>楓香林(2.73)>楓香杉木混交林(2.82)>毛竹林(2.99)>亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林(3.07)>無林地對照組(4.78)，5種林分均處于Ⅰ級非常舒適水平，無林地對照組處于Ⅱ級舒適水平(圖2)。

注：字母表示差異顯著性(P<0.05)。下同。

3.2 空氣富氧度分析與評價

在秋季(9-11月)，毛竹林的氧氣濃度在20.90%～21.09%；亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林在20.83%～21.06%；楓香林在20.93%～21.07%；杉木林在21.03%～21.14%；楓香杉木混交林在21.12%～21.24%；無林地對照組在20.80%～20.98%。此外，氧氣濃度均隨著月份的增加呈下降趨勢，即氧氣濃度最高為9月，最低為11月(圖3)。

圖3 不同林分氧氣濃度的月變化趨勢(9-11月)Fig.3 Monthly variation trend of oxygen concentration in different stands (Sep.- Nov.)

通過方差分析可知，秋季不同林分的空氣富氧度均值表現(xiàn)出顯著差異(P=0.024<0.05)，按大小依次為：楓香杉木混交林(21.17%)>杉木林(21.08%)>楓香林(21.00%)>毛竹林(20.99%)>亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林(20.95%)>無林地對照組(20.90%)。根據(jù)空氣富氧度等級的劃分，5種林分和無林地對照組的空氣富氧度均處于Ⅱ級較高水平(圖4)。

圖4 不同林分空氣富氧度差異比較Fig.4 Comparison of air oxygen content in different stands

3.3 負(fù)離子保健濃度分析與評價

在秋季(9-11月)，毛竹林的負(fù)離子濃度分別為2 284～3 081個·cm-3；亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林的負(fù)離子濃度分別為4 676～10 032個·cm-3；楓香林的負(fù)離子濃度分別為794～1 510個·cm-3；杉木林的負(fù)離子濃度分別為1 240～1 907個·cm-3；楓香杉木混交林的負(fù)離子濃度分別為1 085～1 906個·cm-3；無林地對照組的負(fù)離子濃度分別為849～1 096個·cm-3。同時，不同林分負(fù)離子保健濃度月變化差異較大，除了亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林，其他林分月變化幅度不明顯(圖5)。

圖5 不同林分負(fù)離子濃度的月變化趨勢(9-11月)

通過方差分析可知，秋季不同林分的負(fù)離子保健濃度均值表現(xiàn)出極顯著差異(P=0.000<0.01)，按大小依次為：亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林(7 234個·cm-3)>毛竹林(2 589個·cm-3)>杉木林(1 670個·cm-3)>楓香杉木混交林(1 623個·cm-3)>楓香林(1 247個·cm-3)>無林地對照組(941個·cm-3)。其中，亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林處于Ⅰ級很適宜水平；毛竹林處于Ⅱ級適宜水平；楓香林、杉木林和楓香杉木混交林均處于Ⅲ級較適宜水平；無林地對照組處于Ⅳ級不適宜水平(圖6)。

圖6 不同林分負(fù)離子保健濃度的差異比較Fig.6 Comparison of anion health care concentration in different stands

3.4 植物精氣GC-MS分析

9月植物精氣分析顯示，5種林分共揮發(fā)出5類37種植物精氣類物質(zhì)(表5)。其中，毛竹林釋放11種(2.99%)，主要為萜烯類(2.54%)；亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林釋放25種(7.77%)，主要為醛類(3.40%)和萜烯類(3.28%)；楓香林釋放10種(4.40%)，主要為萜烯類(3.22%)；杉木林釋放11種(4.72%)，主要為萜烯類(3.52%)；楓香杉木混交林釋放10種(1.50%)，主要為醇類(0.94%)。

表5 植物精氣相對含量(9月)Table 5 Relative content of the atmospheric volatiles(Sep.)

10月植物精氣分析顯示，5種林分共有6類23種植物精氣類物質(zhì)(表6)。其中，毛竹林釋放7種(3.23%)，主要為酮類(1.83%)；亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林釋放20種(13.11%)，主要為萜烯類(5.35%)和酯類(4.55%)；楓香林釋放9種(5.16%)，主要為酯類(2.36%)和酸類(1.53%)；杉木林釋放6種(5.20%)，主要為萜烯類(2.96%)和酯類(2.24%)；楓香杉木混交林釋放4種(7.61%)，均為萜烯類。

表6 植物精氣相對含量(10月)Table 6 Relative content of the atmospheric volatiles(Oct.)

11月植物精氣分析顯示，5種林分共有4類11種植物精氣類物質(zhì)(表7)。其中，毛竹林釋放4種(1.55%)，主要為萜烯類(0.84%)；亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林釋放10種(5.86%)，主要為萜烯類(3.97%)；楓香林釋放3種(1.46%)，主要為醛類(1.23%)；杉木林釋放4種(3.14%)，均為萜烯類；楓香杉木混交林釋放4種(1.34%)，主要為萜烯類(1.28%)。

表7 植物精氣相對含量(11月)Table 7 Relative content of phytoncide(Nov.)

總體來看，秋季不同林分植物精氣相對含量均較低，除了10月亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林(13.11%)之外，其他均在10%以下。此外，不同林分的植物精氣相對含量均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，最高值出現(xiàn)在10月(圖7)。

圖7 不同林分植物精氣相對含量的月變化趨勢(9-11月)Fig.7 The monthly variation trend of relative content of phytoncide in different stands (Sep.- Nov.)

通過方差分析可知，不同林分的植物精氣相對含量均值存在顯著差異(P=0.013<0.05)，按大小依次為：亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林(8.91%)>杉木林(4.35%)>楓香林(3.67%)>楓香杉木混交林(3.48%)>毛竹林(2.59%)>無林地對照組(0.00%)。即亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林的植物精氣相對含量最高，無林地對照組最低(圖8)。

圖8 不同林分植物精氣相對含量的差異比較Fig.8 Comparison of relative content of phytoncide in different stands

3.5 不同林分綜合保健功能評價分析

根據(jù)隸屬函數(shù)值對各林分綜合保健功能進行排序(表8)，不同林分的綜合保健功能大小依次為亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林(0.75)>楓香杉木混交林(0.61)>杉木林(0.57)>楓香林(0.46)>毛竹林(0.44)>無林地對照組(0.00)。即亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林的綜合保健功能最強，無林地保健功能最差。

表8 各項指標(biāo)平均隸屬函數(shù)值及綜合保健功能排序Table 8 Average membership function value of each index and comprehensive health function ranking

4 結(jié)論與討論

4.1 不同林分人體舒適度的差異比較

與無林地(舒適水平)比較，5種林分的人體舒適度均處于非常舒適水平，這表明森林環(huán)境發(fā)揮的調(diào)節(jié)小氣候功能顯著優(yōu)于無林地，這與古琳等[22]學(xué)術(shù)觀點一致。此外，竹林和亞熱帶常綠闊葉林最舒適月份為9月，最差為11月。這可能與林分郁閉度高有關(guān)，在9月高溫的情況下，有明顯的降溫增濕作用，11月溫度下降時，林內(nèi)溫度也低于舒適水平。其他3種林分和無林地對照組10月人體舒適度最佳，這可能是郁閉度較低，9月溫度較高時，降溫增濕作用不明顯，11月溫度較低，而10月早中晚的氣溫均較舒適，相對濕度較高，人體感覺更佳。

4.2 不同林分空氣富氧度的差異比較

空氣中氧氣的含量一般占空氣體積的20.95%[19]。5種林分的氧氣濃度平均含量為21.04%，與正常氧氣濃度相比，石門森林環(huán)境的平均氧氣濃度超出正常水平0.09%，且均在Ⅱ級較高水平，而無林地對照組氧氣平均濃度為20.90%，低于正常濃度，這表明森林能有效地增加空氣中的氧氣濃度，石門國家森林公園的森林環(huán)境恰似一個天然大氧吧。此外，不同林分對氧氣濃度增加的作用有所不同。楓香杉木混交林的氧氣濃度最高(21.17%)，其次是杉木林，楓香林和毛竹林，亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林最低(20.95%)。這可能與林齡有關(guān)，在中、幼林時期氧氣濃度與林齡成正相關(guān)的關(guān)系，而在林木成熟以后成負(fù)相關(guān)關(guān)系[19]。石門楓香杉木混交林、杉木林、楓香林、毛竹林處于中、幼齡林時期，生長旺盛，其釋放氧氣的功能較強，而亞熱帶常綠闊葉林處于成熟林時期，生長緩慢，釋放氧氣的能力減弱。同時，氧氣濃度隨著月份的增加而降低，原因可能是9-11月氣溫逐漸下降、光照時間逐漸縮短、光照強度逐漸減弱，樹木進入緩慢生長階段，光合作用降低，其釋放氧氣的能力減弱，故不同林分的氧氣濃度均呈現(xiàn)下降趨勢。

4.3 不同林分負(fù)離子保健濃度的差異比較

5種林分的負(fù)離子保健濃度均處于較適宜水平以上，而無林地對照組處于不適宜水平。同時，不同林分釋放的負(fù)離子濃度差異顯著，按大小依次為亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉>毛竹林>杉木林>楓香杉木混交林>楓香林，這可能與森林群落的起源、類型、郁閉度、林齡、生長勢等有關(guān)[23-25]。亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林負(fù)離子濃度是其他4種林分3～5倍，這可能是因為天然森林群落組成樹種年齡較大，喬木層的郁閉度和群落下層植被的蓋度較高，因此其負(fù)離子濃度較高。這與劉欣欣等[24]、譚遠軍等[26]觀點一致：天然林中的空氣負(fù)氧離子濃度要高于人工林，林齡越大，促進負(fù)離子生成的能力越明顯。此外，10月亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林的負(fù)離子濃度明顯低于9月和11月，這可能與該林分10月的風(fēng)速(0.2 m·s-1)低于9月和11月、且相對濕度(87.49%)高于9月和11月有關(guān)。葉彩華等[27]、王薇等[28]研究表明負(fù)離子濃度與風(fēng)速呈正相關(guān)，隨著風(fēng)速的降低，空氣中負(fù)離子濃度也逐漸減少。王玉龍[29]、朱舒欣等[17]研究表明負(fù)離子濃度與相對濕度呈負(fù)相關(guān)，負(fù)離子濃度隨相對濕度的增高而降低。

4.4 不同林分植物精氣相對含量的差異比較

不同林分植物精氣相對含量均較低，這與開放式采樣、缺乏密閉環(huán)境監(jiān)測有關(guān)。10月測試的植物精氣相對含量顯著高于9月和11月，這與環(huán)境因子密切相關(guān)，11月的平均氣溫為21.30℃，均低于9月(26.81℃)和10月(22.26℃)，且11月和9月的風(fēng)速分別為0.84 m·s-1， 0.81 m·s-1，均高于 10月(0.50 m·s-1)。隨著氣溫的升高，合成植物精氣的相關(guān)生物酶活性越強，提高了催化揮發(fā)物反應(yīng)合成速率的能力，因此9月和10月植物精氣相對含量比11月較高。這與徐潔華等[30]、王國輝等[31]的研究結(jié)果一致：氣溫是影響植物精氣揮發(fā)的一個重要作用因子，氣溫越高植物精氣釋放速率越快。同時可能因為9月的風(fēng)速大于10月，分散了植物精氣，導(dǎo)致即使9月植物精氣種類(37種)比10月(23種)多，但相對含量低于10月。此外，不同月份森林釋放的植物精氣物質(zhì)有較大差異，9月主要為萜烯類、醛類和醇類；10月主要為萜烯類、酮類、酯類和酸類，11月主要為萜烯類，這印證了徐潔華等[32]的觀點：不同溫度條件下林分揮發(fā)的植物精氣成分組成不盡相同。