树种配置和叶元素含量的空气负离子浓度效应*

李爱博 周本智 李春友 羊美娟 汤丽萍 王利仙

(1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所 钱江源森林生态系统国家定位观测研究站 杭州 311400； 2.南京林业大学 南京 210037； 3.河北农业大学 保定 071000； 4.浙江省建德市新安江林场 建德 311600)

空气负离子(negative air ion，NAI)被誉为“空气维生素和生长素”(王薇等， 2013)。近年来，国外在NAI医疗健康应用等方面做了大量研究(Reiter， 1985； Nova， 1994)，俄、德、日等国研究得出NAI可使SOD活性明显增强的结论(Goldsteinetal.， 1992； Kosenkoetal.， 1997； Iwamaetal.， 2002)； 美、英等国研究表明，NAI能加速人体气管和支气管纤毛的运动节律，从而预防治疗多种呼吸道疾病(Karen， 1975)； Yamada(2006)的试验证实NAI对肿瘤细胞有抑制作用。我国关于NAI的研究曾历经20世纪80、90年代初2次高潮。当前，随着生态环境建设力度进一步加大，作为大气质量评价重要指标的NAI浓度受到高度重视(Alexanderetal.， 2013； 熊丽君等， 2014)，目前其理论和技术已广泛应用于医疗和旅游等多个行业(李爱博等， 2019a)。

植物叶片是植物进行光合和蒸腾作用的重要器官，叶片中碳、氮、磷、钾、镁、铜、锰、铁等元素对植物光合作用、呼吸作用等生理生化过程中的电子传递具有一定促进或抑制作用，直接影响植物生理生化反应的各方面，也同样影响植物叶片周边的潜在电场(胡国长， 2008； 李萌萌， 2014)。通常森林树木生长越旺盛，代谢活动越剧烈，环境中的NAI浓度越高。研究表明影响森林NAI浓度的因素主要分为林分因子与环境因子(吴甫成等， 2006； 王薇等， 2013)。在相同森林环境中，植被类型、林分和群落结构等条件均极大程度的影响环境中NAI浓度； 即便在同种林分类型中，NAI浓度也随林冠层密度和树龄不同而有显著差异。

在亚热带地区，森林类型多样，有关林分因子对NAI浓度的影响已有大量研究，但多在野外环境下开展，结果不尽相同。邓成等(2015)对广西7种林分的研究表明，NAI浓度为针阔混交林>阔叶混交林>阔叶纯林>针叶混交林>针叶纯林>灌木林>未成林，即混交林的NAI浓度一般高于纯林，吴楚材等(2001)得到类似结果； 周德平等(2015)在闾山森林公园的NAI浓度测定结果为阔叶林>混交林>针叶林>草地>山石，郑文俊等(2009)和刘凯昌等(2002)也有类似结论，可能是由于森林密度和气体流通对NAI浓度造成了影响。

不同研究结果不确定的原因复杂，如学科交叉知识的缺乏、野外观测不确定因素多、已有监测手段常使用较简便仪器等(张帅， 2010； 李冰， 2016； 冯建涛， 2017)。因此，在控制环境下开展NAI定位连续监测十分必要。本研究依托人工气候室的控制条件，从而减小人为因素及环境因子的干扰。选择属于常绿阔叶树、落叶阔叶树、常绿针叶树的并在亚热带地区广泛栽植、具有良好的经济和药用及观赏价值的不同科属的6个典型树种，定位监测其NAI效应，并探讨树种配置与NAI的关系。同时，测定植物叶片元素含量，从植物生理角度分析树种配置的NAI效应，旨在探究森林对NAI的作用机理，为未来康养森林的树种配置提供理论依据。

1 研究区概况

试验在浙江钱江源森林生态系统国家定位观测站虎山实验基地(30°05′N，119°95′E)进行。富阳区地貌类型复杂，低山、丘陵面积广大。地势由东南、西北向中部倾斜，平均海拔300.5 m。属于亚热带季风湿润气候，全年平均气温18.1 ℃，平均相对湿度77 %，年均降水量1 415.7 mm，年均日照时数1 816 h。四季分明，夏热冬冷。夏季平均气温28.2 ℃，平均相对湿度79.3 %，降水量723.8 mm，日照时数663.2 h。

2 研究方法

2.1 试验材料

选择亚热带典型树种6个，即常绿阔叶树青冈(Cyclobalanopsisglauca)和闽楠(Phoebebournei)、落叶阔叶树枫香(Liquidambarformosana)和榉树(Zelkovaschneideriana)、常绿针叶树红豆杉(Taxuschinensis)和杉木(Cunninghamialanceolata)。因人工气候室高度限制，且3年生以上的榉树个体较高，为保证供试树种年龄一致，各树种均选择2年生容器苗为试验材料。所用苗木选购于浙江省开化县林场，在实验基地内培育适应后进行试验，供试苗木基本情况见表1(李爱博等， 2019b)。为尽量避免各植株差异对测定结果可能造成影响，保证供试苗木的生理状态和形态特征基本一致。同时，因不同理化性质的土壤对NAI具有不同程度的电离影响，本试验统一配置土壤和苗盆，栽培基质为黄土∶ 泥炭土=3∶2。

表1 供试树种基础指标Tab.1 Basic index of experimental tree species (n=300)

试验所用人工气候室占地10 m2、高3 m，通过WS-SL1600环境控制系统实时调控室内温湿度变化。使用6盏额定功率为100 W的FL2C-2型号LED投光灯为植物提供光照。使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对NAI浓度、温湿度、总辐射等参数进行24 h同步监测，通过GPRS模块远程传输获取数据。主要测定离子迁移率≥0.4 cm2·V-1s-1的小粒径NAI浓度，测量范围为0～1.2×107ion·cm-3，测量精度≤±10 %。为了避免监测仪器之间存在的误差，试验过程中所有数据均由同套仪器采集，采集频率为1 s，存储周期为5 min。为排除NAI浓度背景值的影响，各处理均在同一气候室内进行，室内环境条件完全一致，以保证初始NAI浓度相同。

2.2 试验方法

2.2.1 单一树种NAI浓度及植物叶片元素含量测定 试验于2018年6—9月在虎山实验基地进行，控制气候室恒温(30±0.5)℃、恒湿(70±5)%，每日6: 00—19: 00进行光照。将NAI传感器置于室内中央，测定探头高度设定为1.5 m。每次试验时，室内均匀放入40株长势一致的同种植物，经一天适应后统计数据(李爱博等， 2019b)。

使用高通量组织研磨仪粉碎烘干后的植物叶片。其中，植物叶片有机碳含量采用重铬酸钾-硫酸氧化法进行测定，具体操作参照中国科学研究院南京土壤研究所(1978)编写的《土壤理化分析》。氮、磷、钾、镁等含量测定采用硫酸-高氯酸消煮法置备待测液，具体操作参照行业标准《森林植物与森林枯枝落叶层全氮、磷、钾、钠、钙、镁的测定》(国家林业局，1999a)。铜、锰、铁等含量测定采用硝酸-高氯酸消煮法置备待测液，具体操作参照行业标准《森林植物与森林枯枝落叶层全硅、铁、铝、钙、镁、钾、钠、磷、硫、锰、铜、锌的测定》(国家林业局，1999b)。

2.2.2 树种配置与NAI浓度的关系 本试验参考前期对单种植物NAI浓度的监测结果，选择NAI效应差异较小的树种进行组合，并考虑亚热带地区野外实际存在的限制，设置6组处理(表2、3)。为了减少树种数量、大小对NAI效应的影响，在进行树种配置试验时，尽量选择大小一致、数量相同的植株开展监测。各处理均放入40株苗木，不同树种数量均匀分配、间行摆放，行间距50 cm。移入气候室适应1天后，开始监测并统计数据，最终计算NAI浓度日均值进行对比。各处理监测完成后，空室1天，以减小对下一次测定结果的影响。试验条件、树木大小和背景NAI浓度均与单一树种的NAI浓度试验保持一致。

表2 不同处理的树种配置内容Tab.2 Tree species collocation contents of different treatments

表3 6个树种叶片元素含量及NAI浓度①Tab.3 Comparison of element content in leaves of six tree species (n=240)

2.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和Origin 2018软件对测量数据加以运算整理和图表绘制，将各树种的NAI浓度日均值算术平均值作为比较不同树种NAI浓度的依据，运用SPSS 17.0数据处理软件对不同处理之间的NAI浓度进行单因素方差分析及相关性分析，显著性水平为α=0.05。

3 结果与分析

3.1 植物叶片元素含量与NAI浓度的相关性分析

数据(表3)显示，人工气候室内测得的6个树种NAI浓度日均值(ion·cm-3)依次为： 红豆杉(876±78)>枫香(828±49)>杉木(733±42)>榉树(685±58)>青冈(677±18)>闽楠(665±17)(李爱博等， 2019b)。

分析显示，红豆杉与枫香的NAI浓度均极显著高于其他树种(P<0.01)，且两者间无显著差异。其中，红豆杉NAI浓度最高，叶片的有机碳、氮、钾和锰离子含量也最高； 枫香的NAI浓度其次，叶片中的氮、钾、铁和锰离子含量相对较高，所以可初步得出氮、锰、铁和钾离子含量可能与NAI浓度有关。

为进一步验证上述结果，对6个树种的NAI浓度与叶片元素含量进行Pearson相关分析(表4)，表明叶片锰离子、钾离子含量分别与NAI浓度呈极显著(P<0.01，R=0.647)和显著正相关(P<0.05，R=0.536)； 而叶片中除铜离子以外的其他离子含量均与NAI浓度呈正相关关系，但相关不显著。

表4 不同树种组的NAI浓度与叶片元素含量相关系数①Tab.4 Correlation coefficients between NAI concentration and leaf elemental content for different tree species groups (n=240)

对阔叶树种，仅叶片锰、铁离子含量与NAI浓度呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.718和0.728。对针叶树种，叶片钾、锰离子和氮含量与NAI浓度呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.991、0.974和0.981； 铜离子与NAI浓度呈显著正相关(P<0.05)，相关系数为0.855。

3.2 树种配置对NAI浓度的影响

表5显示，人工气候室内不同树种配置的NAI浓度(ion·cm-3)由高至低依次为： 枫香+红豆杉(1 264±75)>红豆杉+杉木(1 168±37)>青冈+闽楠+红豆杉+杉木(1 008±27)>闽楠+青冈(782±52)>青冈+闽楠+红豆杉+杉木+枫香(625±22)>青冈+闽楠+红豆杉+杉木+枫香+榉树(461±26)。

表5 不同处理的NAI浓度①Tab.5 NAI concentration of different treatments (n=106)

在室内植株总数量相同而种数不同时，NAI浓度差异显著。对试验数据整体统计，结果显示不同植物种数配置的NAI浓度(ion·cm-3)排列为： 2个树种(1 071±227)>4个树种(1 007±27)>单个树种(744±92)>5个树种(625±22)>6个树种(461±26)。当气候室内等量放入2种和4种植物时NAI浓度无显著差异(P>0.05)，且两者均极显著高于其他种类数的配置(P<0.01)，而单种植物配置极显著高于6种植物配置(P<0.01)，5种和6种配置间的NAI浓度差异不显著(P>0.05)(图1A)。

在不同配置模式内，NAI浓度同样具有差异。当同时放入2种植物时，混合针叶树种与混合针阔树种的NAI浓度均极显著高于混合阔叶树种配置(P<0.01)，以红豆杉和枫香针阔配置的NAI浓度最高，为青冈和闽楠配置的1.62倍。对试验数据整体统计，结果显示不同植物类型配置的NAI浓度(ion·cm-3)排列为： 混合针叶树种(1168±37)>混合针阔树种(840±331)>单一针叶树种(805±97)>混合阔叶树种(781±52)>单一阔叶树种(714±77)。当混合配置针叶树种时室内NAI浓度显著高于其他配置(P<0.05)，而其他4种处理之间的NAI浓度并无显著差异(P>0.05)(图1B)。

图1 不同树种配置的NAI浓度Fig. 1 NAI concentration of different tree species collocations图A中的2个树种NAI浓度为处理1～3的平均值，单个树种的NAI浓度为表2中6个树种单独监测的平均值。图B中混合针阔的NAI浓度为处理3～6的平均值，单一针叶的NAI浓度为表2中杉木和红豆杉的平均值，单一阔叶的NAI浓度为枫香、闽楠、榉树和青冈的平均值。不同小写字母表示不同树种配置的NAI浓度在0.05水平上差异显著。The NAI concentration of two tree species in figure A is the mean value of treatment 1-3, and the NAI concentration of single tree species is the mean value of six tree species separately monitored in table 2. In figure B, the NAI concentration of mixed coniferous and broadleaf is the mean value of treatment 3-6. The NAI concentration of single needle leaf is the mean value of T. chinensis and C. lanceolata in table 2, and the NAI concentration of single broad leaf is the mean value of C. glauca, P. Bournei, C. lanceolata and Z. schneideriana. The different lowercase letters indicated that NAI concentration of different tree species were significant difference at 0.05 level.

表5显示，当混合树种为2种和4种时，无论是阔叶间、针叶间或针叶与阔叶间混合，NAI的交互作用均为正效应。交互效应随NAI加权平均浓度和叶面积增加而增大，最优拟合方程分别为y= -0.005 8x2+ 10.451x- 4 296.8和y= -2E-07x2+ 0.047 8x- 1 920.9(图2A、B)。当混合树种为5种和6种时，NAI的交互作用为负效应。当混合树种为2～6种时，交互作用效应与各树种混合处理的叶量呈紧密的非线性递增关系，拟合方程y= -0.063 1x2+ 78.322x- 23 783，R2= 0.767 3(图2C)。

图2 NAI实测浓度、交互作用效应与叶面积、加权平均浓度和叶量的关系Fig. 2 Relationship between measured NAI concentration, interaction effect and leaf area, weighted average concentration, and leaf biomass图中红色标记表示交互作用效应数据，蓝色标记表示NAI实测浓度数据。The red markers in the figure indicate the interaction effect data and the blue markers indicate the measured NAI concentration data.

4 讨论

4.1 植物叶片元素含量对NAI浓度的影响

植物从土壤中吸收的矿质元素，作为植物体的组成成分，参与调节生命活动，影响着植物光合、蒸腾与呼吸等生理特征(王忠， 2008)。本研究发现，NAI浓度与植物叶片的钾离子和锰离子含量呈显著正相关。在植物光合作用过程中，锰离子作为氧化剂直接参与氧气释放过程，水在光解反应中被分解释放出氧气和电子，并将产生的电子传递给光系统II(PSII)，增强PSII反应中心活性，从而促进植物的光合作用(张其德， 1989)。钾离子既是叶绿体结构的重要组成元素，也是促进光化学活力的重要因子。叶绿体中的类囊体垛叠成基粒，成为捕获光能的高密度机构，更加有效地收集光能。钾离子能够提高光合电子传递链活性及光合磷酸化活力，使量子需要量降低，直接提高植物净光合速率(郑炳松等， 2002)。此外，钾离子还拥有其他离子所不可替代的功能，其能提高叶肉细胞渗透势，控制细胞吸水和气孔运动等过程(Kaiser， 1982)。在光环境下，钾离子的进出直接影响植物叶片中保卫细胞的膨胀收缩，调节气孔的开闭，钾离子含量过低导致气孔关闭，增加了CO2进入叶肉细胞间隙的气孔阻力，间接影响着植物的光合作用速率(张其德， 1989； 徐济春等， 2007)。对4个阔叶树种进一步分析后发现，铁离子对提升NAI浓度具有积极作用，可能原因是铁离子参与光合作用光反应阶段及呼吸作用，其作为光合电子传递链的重要组成部分之一，通过变价作用(Fe3++e-=Fe2+)来实现电子的传递，从而使光合作用过程中电子传递得以正常进行(张其德， 1989)。对针叶树种的分析发现，氮和铜离子对提高NAI浓度同样具有积极作用，因为氮是构成叶绿素不可缺少的成分，与光合作用密切相关，并在多方面影响着植物的代谢过程和生长发育，在肥料三要素中以氮对光合影响最为显著，在一定范围内叶片含氮量与光合速率呈正相关(王忠， 2008)。铜是质蓝素的成分，通过化合价变化参与光合电子传递和光合磷酸化(祝沛平， 2000)。植物叶中的铜几乎全部存在于叶绿体内，铜供给充足能提高植物光合作用强度，减轻晴天中午期间光合作用受到的抑制。

聂磊等(1999)对叶片中矿质元素含量与叶绿素荧光特性关系的研究指出，叶片中的氮、钾、锰、镁、铜离子含量与PSII反应中心最大光能转化效率(Fv/Fm)均呈正相关。李爱博等(2019b)的试验结果显示，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阔叶树种，且叶绿素荧光特性与NAI浓度呈正相关，得出植物叶片光合能力、叶绿素荧光特性是造成树种间NAI效应差异的重要原因。大量研究表明绿色植物光合作用中的光电效应是NAI生成的重要途径(Bai， 2008； Liangetal.， 2014； 施光耀等， 2021)。

此外，钾离子含量升高致使叶片气孔张开，为植物叶片光合和蒸腾作用释放O2和H2O分子提供更多的通道。同时，李爱博等(2019b)认为枫香和榉树的叶片质地较薄，保水能力较差，植株蒸腾过程中散失到空气中的H2O分子增加。Smirnov(1992)的研究指出水合离子增多是造成NAI浓度升高的重要原因，空气中水分子增加，NAI更加稳定。

由此，本研究认为植物叶片中氮、锰、钾、铁和铜离子对提升植物周围的NAI浓度具有积极作用。但现有研究对此方面探讨极少，且试验结果存在一定差异。胡国长(2008)的研究表明叶中的磷、铜离子对提升植物周围NAI浓度有积极作用； 而李萌萌(2014)的研究表明叶中的镁、铁、铜离子均可以促进NAI浓度升高，钾离子则对NAI浓度具有显著抑制作用。究其原因，可能与研究区域位置、试验环境条件以及植物生长状态差异有关。

4.2 树种配置对NAI浓度的影响

许多学者从林分组成角度对NAI浓度差异进行了探究，王顺利等(2010)在甘肃省7个代表性林区测定得出，NAI浓度为针叶混交林>针阔混交林>针叶树种>阔叶混交林>阔叶树种； 王轶浩等(2014)同样认为针叶混交林的NAI浓度最高。而周德平等(2015)的研究结果明显不同，认为是阔叶林>混交林>针叶林。本研究得出，混合针叶树种>混合针阔树种>单一针叶树种>混合阔叶树种>单一阔叶树种。在植株数量相同而种类组成不同时，人工气候室内的NAI浓度具有差异，一般来说，针叶树的NAI效应高于阔叶树，但并非绝对，有针叶树种时更有利于提升NAI浓度。有学者模拟研究了室内条件下不同植物种类数与NAI浓度的关系，张帅(2010)对香樟(Cinnamonumcamphora)、红叶石楠(Photinia×fraseri)、桃叶珊瑚(Aucubachinensis)、吊兰(Chlorophytumcomosum) 和蜀桧(Juniperuskomarovii)的研究表明不同植物种类数的NAI浓度由高到低依次为，2种>单种>3种>5种>空白。本研究表明不同植物种类数的NAI浓度总体表现为2种>4种>单种>5种>6种，2～4种植物混合配置的效果最好，单种以及多于4种配置时的效果较差。总体来说，适当数量的树种组合下的NAI浓度高于单一树种。原因之一可能是不同种类植物间的化感作用可能对环境中NAI浓度产生了一定影响。研究表明，植物本身会通过根、茎、叶向空气中分泌代谢过程中的化学物质，这些物质会对其周边植物的生理活动产生一定的促进或抑制作用(黄依南等， 2015)。

本研究结果显示当混合树种为2种和4种时，无论是阔叶间、针叶间、针叶与阔叶间混合配置，NAI的交互作用均为正效应，且随单种平均NAI浓度和叶面积增加而增大。李爱博等(2019b)的研究表明NAI浓度与叶片面积呈极显著正相关。植物叶片是NAI生成的重要场所，通过尖端放电、光合作用形成的光电效应等途径生成大量NAI。叶面积越大植物光合效率可能越明显，释放的氧气越多(赵怡宁等， 2018)。在本研究中，气候室内同时放入红豆杉和枫香各20株处理组的NAI浓度和交互作用效应均最高，可能是枫香叶片释放的芳香类化合物对红豆杉的NAI效应起到了一定促进作用，且2种树木自身的NAI效应和总叶面积相对较大，从而使得它们混合配置的NAI浓度最高。回归分析显示当叶面积上升到临界水平后树种间的NAI实测浓度和交互作用效应出现降低趋势，可能是叶面积过大降低了光线的穿透、减弱了空气流通，而植物进行生命活动需要消耗氧气，从而降低了NAI浓度。这与李爱博等(2019a)对不同植株数量与NAI浓度关系的试验结果相吻合。当气候室内同时放入红豆杉和杉木各20株时NAI实测浓度亦较高，可能是室内放入单种植物时群落的空间结构较为单一，小空间内某一垂直高度的NAI浓度达到饱和水平，从而不再继续升高。本研究中的红豆杉和杉木植株个体高度差异明显，它们的混合配置增加了垂直空间丰富度，在不同空间高度均可以生成大量的负氧离子，进而增大了NAI浓度。

当混合树种为5种和6种时，NAI的交互作用为负效应。虽然树种混合极大增加了垂直空间层次，但高NAI效应的树种在下层空间处于被压状态，可能是交互作用为负效应的原因。特别是比较几组交互作用为正效应的处理后发现，具有高NAI效应的树种均处于配置的最上层空间。因此，树种混合配置增大了空间层次、高NAI效应的树种处于配置的上层空间，可能也是交互作用为正效应的重要原因。基于上述分析，可以认为NAI效应存在树种混合的交互作用，即树种混合配置后的NAI浓度不等于单种NAI浓度的加权平均值。高NAI效应的树种在配置中的空间位置可能是影响交互作用效应为正或负的重要原因，但还需要严格试验来验证。

关于植物自身特性和相互作用的NAI浓度效应，需要将来进一步开展专题研究，如选择更多树木种类，并设置交叉试验，深入分析诸如植物化感作用、BVOCs释放特性、光合放电效果等对种间NAI效应的影响。由于本次试验中供试植物种类有限，关于树木种类数量结论的普适性有待进一步探究。同时，因室内与野外环境差异较大，同步开展野外监测研究极为必要，可用于验证室内控制试验结果。本研究在室内控制环境下探究了不同树种组合的NAI浓度效应，并猜测了可能的影响因子和作用机制，但还需进行更加严格的控制试验和多学科研究，确定有关影响机制和数量关系，并与野外研究进行配合和验证，从而能为高效康养森林的树种选择和结构配置提供科学依据。

5 结论

在室内控制环境下开展的6种树木幼苗试验表明，对提升植物周围的NAI浓度而言，树木叶中锰离子和钾离子含量具有积极作用，阔叶树叶中铁离子含量和针叶树叶中氮和铜离子含量的作用更显著。不同树种的数量组成会导致NAI浓度的很大差异，交互作用效应受到叶生物量、叶面积、树高配置和单个树种NAI效应的影响。总体来说，树种配置的NAI浓度效应取决于他们之间的交互作用，有针叶树种的配置模式利于提升NAI浓度，具有高NAI效应的树种处于配置最上层空间时更利于NAI浓度提升。