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空气负离子(Negative air ion,NAI)是指由于空气中氧分子因其化学性质优先获得自由电子而带负电荷的离子或离子团[1-2]。NAI具有降尘杀菌[3]、有效清除空气中有机污染物[4]、增强人体免疫系统和协助治疗各种疾病的功能[1,5-8],因而,被称为“空气中的维生素”[3,9],已经成为衡量空气质量优劣的重要指标之一[10-11]。根据来源不同,NAI可以分为物理和生物来源2大类,物理来源以宇宙辐射、雷电活动、降雨、土壤放射性成分、水分子分解等为主[4,12];生物来源以植物光合作用、光电效应、针叶植物尖端放电等为主[13-14]。NAI大小因受多种环境因素如气候条件[4,15]、颗粒物[16-18]等限制导致其影响因素多变复杂[19-20]。
目前,对NAI的研究集中于不同林分配比[21-23]下NAI浓度的时空变化[2,11,13,24-25]及其影响因素[1,4,26]、开发利用[7,27]等。森林作为陆地生态系统中产生NAI的重要场所之一[4,19,23],通过植物的光合作用和尖端放电产生大量的空气负离子,并且在森林生态系统复杂的结构和环境因子的影响下延长了NAI的存留时间[11,23]。现有研究表明,不同时期环境因子对植物的NAI浓度影响不同,如Wang等[11]发现,空气温度、相对湿度、风速、颗粒物与NAI的相关性四季均有差异;余娟[28]则发现,夏季空气温度、相对湿度与NAI相关性与春秋冬季节相反;李少宁等[29]则认为,夏季空气温度、相对湿度、太阳辐射与NAI的相关性与冬季时期相反。因研究对象和研究区域的不同,导致当前NAI与环境因子的关系尚未形成统一的结论[4,30-31]。当前,关于华北山区的NAI虽然已有不少研究[29,32-36],但研究区域多位于华北土石山区北端,且研究对象以混交林为主,研究时段多仅限于林分生长季NAI浓度变化及影响因素进行比较,鲜有将不同生长季针叶、阔叶林的NAI浓度变化及影响因素[29,33,34]进行比较。因此,本研究以河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站的典型人工林侧柏(Platycladus orientalis L. Franco)和栓皮栎(Quercus variabilis Blume)为试验对象,利用随机森林模型(Random Forest, RF)探究该地区生长季与非生长季栓皮栎和侧柏人工林NAI的变化特征以及其影响因子,旨在揭示栓皮栎和侧柏人工林NAI的差异性及不同季节影响NAI的主导因子。
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图1表明:不同生长季栓皮栎、侧柏人工林NAI浓度日内变化特征差异明显。生长季,栓皮栎、侧柏人工林的NAI浓度日内变化均呈单峰变化趋势,二者峰值均出现在9:00(分别为966.13 ± 153.82、821.03 ± 122.544 ion·cm−3),栓皮栎波谷出现在17:00(767.08 ± 156.40 ion·cm−3),侧柏波谷出现在21:00(630.55 ± 173.04 ion·cm−3)。非生长季,栓皮栎人工林因处于落叶休眠期,NAI浓度日内变化不明显,整体上较平缓且数值较低,日均NAI浓度为621.70 ± 76.90 ion·cm−3,而侧柏人工林呈单峰变化趋势,与生长季相比,峰值略有提前,出现在8:00(769.09 ± 111.21 ion·cm−3),最低值出现在18:00(636.47 ± 55.05 ion·cm−3)。生长季,人工林日均NAI浓度栓皮栎(858.94 ± 97.52 ion·cm−3)>侧柏(724.33 ± 93.78 ion·cm−3)(p<0.01);非生长季,人工林日均NAI浓度侧柏(683.16 ± 60.83 ion·cm−3)>栓皮栎(621.70 ± 76.90 ion·cm−3)(p<0.01)。整个观测期间,人工林日内平均NAI浓度栓皮栎(740.32 ± 87.21 ion·cm−3)>侧柏(703.74 ± 77.74 ion·cm−3)(p<0.01)
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不同生长季华北土石山区主要环境因子日内变化(图2)表明:生长季和非生长季空气温度(Ta)均呈单峰变化趋势,峰值均出现在15:00左右,生长季日均Ta(23.91 ± 3.69 ℃)大于非生长季(11.48 ± 3.46 ℃)(p<0.01)。与Ta相反,相对湿度(RH)在生长季和非生长季均呈单谷变化趋势,谷值出现在13:00—14:00,生长季日均RH(62.30% ± 12.84%)大于非生长季(48.00% ± 13.52%)(p<0.01)。饱和水汽压亏缺(VPD)也呈单峰变化趋势,生长季与非生长季峰值出现在14:00—15:00,生长季日均VPD(138.63 ± 58.63 kPa)远大于非生长季(72.37 ± 27.12 kPa)(p<0.01)。生长季与非生长季风速(WS)整体均呈单峰变化趋势,生长季的峰值出现在21:00,非生长季峰值出现在14:00,生长季的日均WS(2.31 ± 0.29 m·s−1)略高于非生长季的WS(2.29 ± 0.51 m·s−1)(p<0.01),差别不大。生长季和非生长季的光和有效辐射(PAR)变化趋势一致,峰值均出现在12:00,但大小相差727.92 μmol·m−2·s−1,生长季PAR日均值(938.24 ± 68.60 μmol·m−2·s−1)高于非生长季(398.80 ± 65.22 μmol·m−2·s−1)(p<0.01)。生长季PM2.5与PM10日内变化均呈单谷变化趋势,其最低值均出现在15:00。非生长季PM2.5与PM10日内变化均呈双峰变化趋势,PM2.5与PM10首个峰值均出现在9:00,第2个峰值均出现在21:00。非生长季颗粒物浓度远大于生长季,PM2.5与PM10均值分别为103.17 ± 48.24、162.05 ± 75.32 μg·cm−3和35.92 ± 11.67、76.53 ± 31.25 μg·cm−3(p<0.01)。生长季与非生长季PM10均高于同期的PM2.5。
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根据随机森林算法对栓皮栎和侧柏人工林在生长季和非生长季的4个样本数据进行分析,模拟得到4个样本的重要性得分
$ {VI}_{n}\left({X}_{j}\right) $ ,同时根据对不同树种不同时期的重要性得分的高低进行排序(图3)。生长季环境因子对栓皮栎人工林NAI浓度影响排序为:VPD(20.22)>PAR(15.08)>WS(14.71)>Ta(13.75)>RH(12.41)>PM2.5(12.24)>PM10(11.58);环境因子对侧柏人工林NAI浓度影响排序为:VPD(25.08)>WS(16.76)>PAR(16.49)>Ta(13.93)>PM2.5(9.69)>RH(9.35)>PM10(8.29)。生长季决定栓皮栎和侧柏NAI浓度大小的决定性因子为VPD,其次为PAR和WS,颗粒物如PM2.5和PM10影响很小。非生长季环境因子对栓皮栎人工林的NAI浓度影响排序为:PM2.5(33.36)>WS(17.58)>PM10(14.28)>Ta(12.55)>RH(8.915)>PAR(6.83)>VPD(6.49);环境因子对侧柏人工林的NAI浓度影响排序为:WS(17.51)>PM2.5(15.89)>PM10(14.62)>RH(14.26)>Ta(13.96)>VPD(11.97)>PAR(11.77)。非生长季影响栓皮栎和侧柏NAI浓度大小的关键因子为PM2.5、PM10和WS,气象因子的影响很小。利用对应4组数据集对结果进一步分析(表1)表明:使用随机森林模型得到栓皮栎和侧柏人工林在生长季与非生长季的方差解释率分别为87.6%、88.7%和87.4%、87.5%,同时NAI预测值与观测值的决定系数R值均在0.92以上,说明该模型的预测精度较好。Figure 3. The random forest model outputs the ranking of the importance of environmental factors of Quercus variabilis and Platycladus orientalis plantations in the growing and non-growing season
样本
Sample方差解释率
Variance
explained/%决定
系数
R栓皮栎生长季
Quercus variabilis growing season87.6 0.924 侧柏生长季
Platycladus orientalis growing season88.7 0.942 栓皮栎非生长季
Quercus variabilis non-growing season87.4 0.921 侧柏非生长季
Platycladus orientalis non-growing season87.5 0.942 Table 1. The coefficient of determination for the random forest model
Variation of Negative Air Ions and Its Influencing Factors in Typical Plantations in Rocky Mountain Area of North China
- Received Date: 2022-11-24
- Accepted Date: 2023-01-11
- Available Online: 2023-04-20
Abstract: