Negative Air Ion Effect of Six Typical Subtropical Tree Species Based on Control Experiment

试验在浙江钱江源森林生态系统国家定位观测站虎山试验基地(119°95′ E，30°05′ N)进行。该地属亚热带季风湿润气候，四季分明。地貌类型较为复杂，低山、丘陵面积广大，平均海拔高度300.5 m。全年平均气温18.1 ℃，平均相对湿度77%，年降水量1 415.7 mm，年日照时数1 816 h。夏季气候炎热、湿润，平均气温为28.2 ℃，平均相对湿度79.3%，降水量723.8 mm，日照时数663.2 h。

以青冈(Cyclobalanopsis glauca (Thunb.) Oerst.)、枫香(Liquidambar formosana Hance)、闽楠(Phoebe bournei (Hemsl.) Yang)、榉树(Zelkova schneideriana Hand.-Mazz.)、红豆杉(Taxus chinensis (Pilger) Rehd.)和杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)6个不同科的亚热带典型树种为试验材料(表 1)。所用2年生苗木均购自浙江开化县林场，同一树种各植株的生理状态和形态特征基本相同，苗木栽植于高17 cm、口径25 cm的花盆中，每盆栽植1株，盆内为3 kg黄土和2 kg泥炭土。于试验基地内培育适应后开始试验。

采用北京雨根科技有限公司研发的RR-9411A空气负离子自动监测系统进行24 h空气负离子浓度、温湿度、光照总辐射等参数的测量。系统含有DTU900C型GPRS远程传输模块，方便数据传输获取，减小了人为因素的干扰，数据量大且波动幅度小。该仪器主要测量离子迁移率≥0.4 cm²·v^-1·s^-1的小粒径大气负离子浓度，测量范围为0~1.2×10⁷ ion·cm^-3，测量离子浓度误差≤±10%。使用6盏额定功率为100 W的FL2C-2型LED投光灯为室内植物提供光照；使用752N紫外可见分光度计(上海精密科学仪器有限公司)测定叶片浸提液吸光度并计算叶绿素含量；植物叶片叶绿素荧光参数使用LI-6400便携式光合作用测定仪(LICOR，Lincoln，Nebraska，USA)测定。

试验于2018年6— 9月在虎山试验基地的人工气候室内进行，室内面积10 m²，高度3 m。为了满足植物正常生命活动进行，气候室内模拟室外日平均温湿度，控制恒温(30±0.5)℃、恒湿(70±10)%。每日6：00— 19：00开灯照明，夜晚关闭。通过人工气候室控制环境因子，尽量排除了温湿度、风速和太阳辐射等环境因子的干扰。为消除人为因素的干扰，负氧离子监测完成后，隔日上午9：00— 11：00进行叶绿素荧光等生理特性测定及植株收获，立即带回实验室测量叶片生物量、面积、长宽比、厚度、含水量和叶绿素含量等其它相关性状特征。

将负离子传感器置于气候室内中央位置，测定人体呼吸高度1.5 m处的NAI浓度。1 s读数1次计算3 min均值并自动上传到PC端，最终计算NAI浓度日平均值进行对比分析。每种植物监测完成后空室1 d，避免对下一树种试验结果造成影响。研究表明室内单株植物释放的NAI很难被检测^[10]，为获取本试验测量数据，每次试验时室内均匀放入40株长势一致的同种植物，经一段时间适应后统计数据。研究表明土壤对空气负氧离子也具有一定影响^[25-26]，故本试验将无植株的同等规格、相同土壤的花盆放入气候室内，作为空白对照。

由于样本数量较多，试验选取6株长势中等的植株为代表进行叶片性状测定。叶面积采用剪纸称质量法进行测定^[27]，随机选取10片鲜叶用分析天平称质量后，将叶片平铺在A4纸上，沿边缘画线并剪下，称纸质量后换算求得叶面积；将全部叶片摘下放入烘箱内，105 ℃杀青后，80 ℃烘干至恒质量称得叶片干物质量；叶片含水量通过公式(鲜质量-干质量)/鲜质量×100%计算得出；叶片的长度、宽度、厚度使用游标卡尺进行测量；阔叶树种的叶尖数统计方式为叶片全部采下逐片计数，针叶树种则采用计数方式，每株取300片叶片称质量，并称取全部鲜叶质量后换算求得；在每株植物上选取3~5片叶子，参考李得孝等^[28]的方法进行叶绿素含量测定；选取植株上部受光良好的成熟叶片(从顶部数第3~4片叶)，于上午9：00—11：00使用LI-6400便携式光合作用测定仪进行叶绿素荧光参数测定^[29]。

采用Microsoft Excel 2007软件对测量数据加以运算整理和图表绘制，将各树种的NAI浓度日均值加权平均作为比较不同树种类型的NAI浓度依据，利用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析及相关性分析。

由图 1可知，人工气候室条件下测得的6个树种空气负离子(NAI)浓度日平均值依次为：红豆杉(876±78 ion·cm^-3)＞枫香(828±49 ion·cm^-3)＞杉木(733±42 ion·cm^-3)＞榉树(685±58 ion·cm^-3)＞青冈(677±18 ion·cm^-3)＞闽楠(665±17 ion·cm^-3)＞对照(345±32 ion·cm^-3)。方差分析表明，气候室内6个树种的NAI浓度日平均值与对照组具有极显著差异(P＜0.01)，分别为对照试验浓度的2.53、2.4、2.12、1.98、1.96和1.92倍。红豆杉与枫香的NAI效应均极显著高于其它4个树种(P＜0.01)，且两者间差异不显著(P＝0.228)。红豆杉和枫香的NAI浓度日平均值分别比最低的闽楠高31.73%和24.51%；经LSD多重比较分析，得出杉木、闽楠、榉树和青冈间NAI浓度差异均不显著。

Figure 1.  NAI concentration of different tree species

结果表明，所测2个针叶树种的NAI浓度日平均值显著高于4个阔叶树种的日平均值(P＝0.046)，为阔叶树种的1.12倍。2个针叶树种NAI浓度日平均值为805 ion·cm^-3，4个阔叶树种的NAI浓度日平均值为714 ion·cm^-3。将4个阔叶树种进行比较分析，得出常绿阔叶树种NAI浓度显著低于落叶阔叶树种(P＝0.05)。枫香与榉树NAI浓度日平均值为757 ion·cm^-3，青冈和闽楠NAI浓度日平均值为672 ion·cm^-3。单位叶面积NAI浓度从高到低为：青冈(1.69×10^-2 ion)＞杉木(1.63×10^-2 ion)＞榉树(0.92×10^-2 ion)＞闽楠(0.81×10^-2 ion)＞红豆杉(0.78×10^-2 ion)＞枫香(0.67×10^-2 ion)；单位生物量NAI浓度从高到低为：榉树(2.62±0.22 ion)＞杉木(2.27±0.13 ion)＞青冈(1.65±0.04 ion)＞枫香(1.57±0.09 ion)＞红豆杉(1.10±0.10 ion)＞闽楠(1.01±0.03 ion)。

植物光合作用释放氧气是空气负离子的重要来源之一^[3]，叶片生物量、叶片含水量、叶片面积和叶片厚度质地等对植物光合、呼吸、蒸腾和挥发性有机物释放等生态功能和植物生长代谢活动都具有重要意义^[30]；叶片尖端放电产生等离子体也是负氧离子的生成途径^[31]。对6个树种的NAI浓度与植物叶片性状进行Pearson相关性比较分析，可知NAI浓度与叶尖数、叶片含水量、叶面积均在P＜0.01水平上呈极显著正相关，相关系数分别为0.691、0.830、0.666。NAI浓度与叶生物量呈显著正相关(P＜0.05，R＝0.504)(表 2)。进一步分析阔叶树种的相关性得知，NAI浓度与叶尖数、叶面积、叶片含水量呈极显著正相关关系(P＜0.01)，相关系数分别为0.754、0.742、0.822。NAI浓度同叶片长宽比和叶厚度在0.05水平上呈显著负相关，相关系数分别为-0.701、-0.684(表 3)。试验数据显示，红豆杉的叶生物量最高，为19.84 g，极显著大于除闽楠外的4个测试树种(P＜0.01)，叶生物量最小的榉树仅为红豆杉的32.96%。枫香的叶面积略大于红豆杉，但差异不显著(P＝0.316)，两者均显著大于其它树种(P＜0.05)。叶面积最大的枫香约为青冈的3.11倍。红豆杉的叶尖数最多，与其它试验树种均具有极显著差异(P＜0.01)，叶尖数平均值约为青冈的61.5倍。叶片含水量从高到低依次为：红豆杉＞枫香＞杉木＞榉树＞闽楠＞青冈，红豆杉和枫香差异不显著(P＝0.597)，杉木和榉树差异不显著(P＝0.188)，闽楠和青冈无显著差异(P＝0.143)。闽楠和红豆杉叶片相对较厚，叶厚度分别为0.44 mm和0.41 mm，枫香叶片相对最薄，平均厚度仅为0.19 mm，显著低于其它试验树种(P＜0.05)(表 4)。

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，是反映植物光合能力的重要指标之一^[32]。叶绿素a/叶绿素b能够反映植物在弱光条件下的光合活性，数值越低表明植物在弱光条件下活性越高^[33-34]。相关性分析得出NAI浓度与树种叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+叶绿素b的含量均无显著相关关系，相关系数分别为-0.120、-0.024、-0.098，NAI浓度与叶绿素a/叶绿素b显著负相关(P＜0.05，R＝-0.535)(表 2)。对阔叶树种分析后得出同样的结论(表 3)。单因素方差分析可知，榉树的叶绿素a、叶绿素b含量均显著高于其它树种(P＜0.05)，总叶绿素含量为杉木的2.96倍。红豆杉和杉木2个针叶树种的叶绿素含量相对较低，分别为(2.38±0.22)mg·g^-1和(1.66±0.21)mg·g^-1，说明所测针叶树的光合能力可能弱于阔叶树种。阔叶树种中枫香的叶绿素a/叶绿素b值最低，平均值为3.16。青冈的叶绿素a/叶绿素b值最高，平均值为3.73，且与其它树种差异显著(P＜0.05)(表 5)。

叶绿素荧光特性主要反映了光合机构光系统Ⅱ(PSⅡ)的生理生化变化，是光合作用的探针^[35]，通过对各种荧光参数的分析，可以得到有关光能利用途径的信息。F_v/F_m反映了PSⅡ反应中心最大光能转化效率，比值小说明发生光抑制可能性大；ETR反映了PSⅡ反应中心内电子传递情况；ΦPSII可以评价PSⅡ反应中心实际初光能捕获效率；F_o、F_m、F_v通常被用作评估植物PSⅡ反应中心活性^[36]。整体比较6个树种NAI浓度与叶片叶绿素荧光特性的相关性后得出，两者并无显著相关关系(表 2)，对阔叶树种分析显示NAI浓度与非光化学猝灭系数(qN)在0.01水平上呈极显著负相关，与光化学猝灭系数(qP)和固定荧光(F_o)相关性不显著，与其余测量的荧光指标均在0.01水平上呈极显著正相关(表 3)。结果显示，枫香的光能实际捕获效率、转化效率和PSⅡ反应中心电子传递活性均显著优于其它树种(P＜0.05)。针叶树种各项数据低于阔叶树种，且阔叶常绿树种低于落叶常绿树种(表 6)。

人工气候室条件下6个亚热带典型树种对空气负离子浓度具有显著影响，测得浓度值均极显著高于对照组，这与大多数学者的研究结果一致^{[10, 19]}，主要原因是植物枝叶尖端放电，叶片光合作用形成的光电效应等均会使空气中产生大量负氧离子。结果显示，NAI浓度与叶面积、叶生物量、叶尖数呈正相关关系，与大多数学者的研究结果一致^{[11, 37-38]}；胡国长^[39]研究显示，叶绿素含量、叶片长宽比均与NAI浓度呈正相关关系，李萌萌^[40]认为NAI浓度与除叶绿素a以外的其它叶片色素含量均呈显著负相关关系。本研究对6个树种比较分析后并未得出相同结论，进一步分析阔叶树种得出长宽比与NAI浓度呈负相关，这可能是由于试验树种间其它与负离子相关指标差异过大，显著降低了上述指标的影响。

本试验所测6个树种间NAI浓度日平均值存在一定差异，与前人的研究得出相似结论^{[18, 26, 41]}。方差分析表明，红豆杉和枫香的NAI效应显著高于其它4个树种，主要是由于2个树种的总叶面积和叶片含水量均显著大于其它树种。赵怡宁等^[24]研究表明，植物光合作用与空气负离子呈显著正相关关系。叶面积越大植物光合效率可能越明显，释放的氧气越多。叶片含水量越大植物的生长代谢活动越明显。分析枫香的荧光特性得知，其对光能的捕获效率、电子传递效率以及光能转化效率均为最佳，且有研究表明叶片中芳香类化合物含量同样对NAI浓度存在影响^{[11, 39]}。红豆杉的内在电子传递较弱，但叶尖数极显著大于其它树种，尖端放电是导致其NAI浓度高的主要原因。虽然闽楠的叶生物量与枫香等无显著差异，但NAI效应却最低，可能是由于闽楠叶片相对最厚，叶片含水量相对较低，叶绿素a/叶绿素b值高，叶片在气候室内弱光条件下的光合活性较低造成的。闽楠、青冈、杉木、榉树的NAI效应差异并不明显，杉木未表现出较高的NAI效应可能是由于杉木叶生物量小且植株较矮，负离子采集器高度为1.5 m，负离子传递过程中存在扩散消亡，张帅^[11]的试验得到相似结论。虽然青冈的叶面积和叶片含水量均为最低，但与闽楠等树种的NAI效应无显著差异可能是由于青冈叶片前端呈锯齿状，增强了电子释放能力。

本研究中，针叶树种NAI效应显著高于阔叶树种，与大部分学者研究结果一致^{[1, 20]}，也有部分学者持相反观点^[42-43]，可能是由于植物的生长状态不同，研究条件存在差异造成的。分析叶绿素荧光特性得知，针叶树种的光合及内在电子传递能力均低于阔叶树种，而其NAI效应较高可能是因为针叶树种的叶尖数极显著高于阔叶树种，叶尖可能为电子释放提供了更多的通道，植株生理活动过程中电子可以更好地通过叶尖释放到空气中，且针叶叶片的曲率半径小，尖端放电产生等离子体使空气发生电离的作用更加明显^[44]。本研究结果显示落叶阔叶树种NAI效应显著高于常绿阔叶树种，王轶浩等^[45]的研究得出类似结论。经分析认为，可能是本试验所用2种落叶树种的叶片相对较薄，保水能力较差，植株蒸腾过程中散失到空气中的水分子增加，叶绿素含量相对较高，植物光合能力较强，氧气和水分子比氮气更具有亲电性，更易形成空气负离子^[46]。数据显示落叶阔叶树种的光合能力、对弱光的利用能力、体内电子传递及光能转换效率均优于常绿树种，且叶绿素荧光特性指标与NAI浓度呈极显著正相关，表明光合能力及叶绿素荧光特性是影响阔叶树种NAI浓度的关键指标，对阔叶树种的NAI效应贡献作用更大。

本试验仅对6个亚热带常见树种NAI效应进行了初步的测定分析，研究结果存在一定程度的不确定性，且植物的高NAI效应是由于本身释放出NAI较多还是保持空气中负氧离子浓度能力较强，暂无法作出具体的分析，日后需深入研究。

(1) 试验树种显著提高空气负离子(NAI)浓度。所测6个树种的NAI效应存在差异，不同树种NAI浓度由高到低依次为：红豆杉(876 ion·cm^-3)＞枫香(828 ion·cm^-3)＞杉木(733 ion·cm^-3)＞榉树(685 ion·cm^-3)＞青冈(677 ion·cm^-3)＞闽楠(665 ion·cm^-3)＞对照(345 ion·cm^-3)。红豆杉和枫香的NAI效应显著高于其它4个树种。

(2) NAI效应与树种叶面积、叶生物量、叶片含水量及叶尖数呈正相关；NAI效应与叶绿素a/叶绿素b呈负相关；NAI效应同叶绿素含量、叶片长宽比相关性不显著；阔叶树种的NAI效应与叶绿素荧光特性呈正相关，与叶厚度、叶片长宽比呈负相关。

(3) 总体而言，针叶树种NAI效应高于阔叶树种，落叶阔叶树种NAI效应高于常绿阔叶树种。叶生物量、叶面积、叶尖数及叶片含水量可作为评价植物NAI效应的重要指标；叶片形态、叶尖数以及叶片光合能力、叶绿素荧光特性是造成树种间NAI效应差异的重要原因。