2. 中国林业科学研究院林业研究所/国家林业局林木培育重点实验室, 北京 100091;
3. 国家林业局城市森林研究中心, 北京 100091;
4. 河北省邢台市内丘县林业局, 河北 邢台 054200
2. Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry/Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry Administration, Beijing 100091, China;
3. Urban Forest Research Center, State Forestry Administration, Beijing 100091, China;
4. Forestry Bureau of Neiqiu County, Xingtai 054200, China
随着工业化的飞速发展和城市化进程的加快, 空气污染、噪音污染、光辐射污染等环境污染问题严重威胁人类的生理和心理健康, 也是诱发抑郁症、焦虑症等各种现代心理疾病的主要原因[1]。森林生态系统通过净化空气、固碳释氧、释放有益挥发物、调节小气候等多种方式改善城市生态环境[2-3], 对人体具有调养、康复、保健等多种功能, 这些保健功能被称为“森林康养”[4]。森林康养起源于德国, 上个世纪40年代德国创立了世界上第一个森林浴基地, 开启了森林康养对人体保健功效研究的先河[5-6], 随后美国、日本、韩国等发达国家相继开展了更深入的研究, 并取得了一定成果。作为一门新兴学科, 森林康养研究在我国尚处萌芽阶段, 目前有关学者展开了相关研究和有益探索, 但主要集中在单因子影响的测定和评价方面, 如戴忠炜等[7]、杨佳等[8]、王国昌等[9]分别研究了森林环境对人体舒适度、滞尘效益和释放有机挥发物的影响, 而综合主要生态因子的保健功效, 并结合医学上广泛应用的小白鼠旷场试验, 模拟经森林环境“处理”后的一系列行为变化的跨学科研究尚鲜见报道。
福建柏(Fokienia hodginsii)属柏科福建柏属, 是中国特有的单种属常绿树, 具有树形优美、树干通直、纹理清晰、适应性强、生长较快等特点[10], 是国家二级重点保护濒危树种, 又是南方主要的庭院绿化优良树种, 主要分布在海拔580~1 500 m的山地[11]。笔者以福建柏林为研究对象, 分析夏季林内和林缘保健因子的日变化规律及差异, 并采用旷场试验评价其森林保健功能对小白鼠行为学的影响, 为福建柏林保健功能的开发和生态旅游的建设提供理论参考。
1 材料与方法 1.1 研究地点及样地选择研究地点位于闽侯南屿境内的福州旗山森林公园(26°04'08' N，119°06'28' E), 面积大约3 600 hm2, 年均气温16~20 ℃, 年均日照时数1 700~1 980 h, 年均降水量900~2 100 mm, 年相对湿度75%~80%, 年无霜期长达326 d[12], 海拔在500~800 m之间, 夏季(6—8月)以晴热高温天气为主, 日均气温25~34 ℃, 日均相对湿度约75%, 年日照时数1 755~1 867 h。
乔木样地面积8.4 hm2, 为位于旗山森林公园海拔750 m的福建柏林, 树高10~15 m, 胸径15~30 cm, 郁闭度0.86。林下灌木主要以白楠木(Phoebe neurantha)、山茶(Camellia oleifera)等为主。
林下群落调查方法参照《生态学实验与实习》[13], 采用随机取样的方法在福建柏林内设置6个样方, 每个样方内草本层的面积为1 m×1 m, 灌木层的面积为5 m×5 m, 乔木层的面积为10 m×10 m, 样方间距为5 m, 呈“品”字形排列; 距福建柏1、3和5 m远处的水泥步道作为林缘观测点。样方概况见表 1。
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表 1 样方概况 Table 1 The survey of forest plots |
2016年7月选择晴朗无风的天气10 d(3—5日、14—17日、22—24日), 每天07:00至次日05:00每隔2 h对林内和林缘的空气温湿度、风速、光照、空气颗粒物浓度等进行同步自动观测, 并采集林内挥发物。每个监测点各时刻的环境因子重复观测3次, 取3次观测的平均值, 夏季福建柏林内和林缘的日变化中各时刻的数据为10 d观测的各时刻的平均值。
1.2.1 人体舒适度指数人体舒适度指数的计算方法参照陆鼎煌等[14]提出的综合舒适度指数公式:
| $ \begin{aligned} S=& 0.6(|T-24|)+0.07\left(\left|R_{\mathrm{H}}-70\right|\right)+\\ & 0.5(|V-2|) 。\end{aligned} $ | (1) |
式(1)中, S为综合舒适度指数; T为气温, ℃; RH为相对湿度, %; V为风速, m·s-1。将舒适度等级划分为4个等级, 舒适度指数越小, 人体感觉舒适程度越高, 反之越低(表 2)。
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表 2 人体舒适度评价标准 Table 2 Evaluation criteria of climate comfort for human body |
用英国公司生产的Dustmate粉尘监测仪测定人体平均呼吸高度1.2~1.5 m处空气总悬浮颗粒物(TSP, 直径d≤100 μm), 可吸入颗粒物(PM10, 直径d≤10 μm)、可入肺颗粒物(PM2.5, 直径d≤2.5 μm)和可吸入细颗粒物(PM1.0, 直径d≤1.0 μm)浓度。每次采样时间为2 min, 各个监测点在每个时间段连续读取3组数值, 取平均值。
1.2.3 有机挥发物(VOCs)2016年7月15—16日选择晴朗无风的天气, 采用国产QC-I型大气采样仪, 通过开放式气体采集法对福建柏林内空气中有机挥发物进行采样。从当日07:00—次日05:00每隔2 h采集1次, 共采集12次(对照选在林缘, 采集方法同上)。
仪器型号:由美国PE公司生产的自动热脱附仪650ATD、气相色谱仪600T、质谱仪600T组成。
自动热脱附仪工作条件:样品管脱附温度260 ℃, 阀温230 ℃, 传输线250 ℃, 捕集阱-25~300 ℃, 升温速率40 ℃·s-1。流速-脱附25 mL·min-1, 色谱柱流量1.5 mL·min-1, 出口分流15 mL·min-1, 入口分流0 mL·min-1, 注入9.3%。干吹时间31 min, 脱附时间10 min。
气相色谱仪工作条件:色谱柱为Elite-5/MS柱(30 mm×0.36 mm×0.25 μm), 通过液氮脱附进样, He载气; 程序升温为40 ℃·(2 min)-1、5 ℃·min-1、160 ℃·(2 min)-1、-20 ℃·min-1、270 ℃·(3 min)-1。
质谱仪工作条件:EI源, 电子能量70 eV, 质量范围29~350 amu; GC/MS接口温度250 ℃, 离子源温度220 ℃, 检出电压400 V, 发射电流100 μA, 全扫描和选择离子扫描, 质谱扫描范围m/z 29~500。各成分在样品气体中的浓度采用面积归一化法, 计算公式:某种气体的相对浓度=该物质的峰面积/植物总挥发物峰面积之和。
1.2.4 动物旷场试验(OFT)在监测森林环境指标的基础上通过动物旷场试验, 测定小白鼠经福建柏林内生活一段时间后的自发行为、探索行为和焦虑状况等生理指标变化规律。所需材料和方法如下:
试验用昆明种小白鼠由福州吴氏试验动物中心提供, 4周龄, 体重15~20 g, 雌雄各10只, 共20只。购买后先在实验室饲养1周以适应周围环境, 在4个规格为30 cm×16 cm×19 cm的笼具中分别饲养5只同性别的小白鼠, 期间提供充足的水和饲料。
将规格为30 cm×16 cm×19 cm的4个捕鼠笼底部加木板固定, 以预防老鼠粪便洒落, 顶部左右两端分别用细铁丝连接, 方便鼠笼在林中和实验室内悬挂[12]。
Super-Maze动物行为视频分析系统(也称旷场试验分析仪)由摄像机、计算机、图像采集3部分组成[4]。可同时记录并追踪8只小白鼠的自发活动情况以及小白鼠运动轨迹图[12]。
每日09:00前称取小白鼠的体重, 用黑色记号笔在其尾部标号, 雌雄各半且分装在福建柏林和实验室模拟箱中, 在实验室和福建柏林中心分别选择庇荫处悬挂10只小白鼠。悬挂期间09:00—15:00不饮水不进食(即小白鼠在森林内每天生活6 h), 共生活6 d, 15:00之后将2组小白鼠送回实验室分析, 即放入旷场箱中观察自发行为, 每批动物观察5 min, 另外每天记录每只笼子内小白鼠的粪便粒数[12]。
1.2.5 数据统计分析采用Microsoft Excel 2010软件进行小气候、舒适度指数、空气颗粒物浓度日变化的图表制作和分析, 分别采用SPSS 21.0、Origin 9.0和Microsoft Excel 2010软件对小白鼠自发行为分析试验的数据进行有效性检查、统计分析和图表制作, 并应用ANOVA单因素方差分析比较组间差异[12]。
2 结果与分析 2.1 环境因子及人体舒适度指数的日变化如图 1所示, 林内和林缘光照强度呈单峰曲线变化, 07:00—09:00光照强度逐渐增加, 11:00(林缘)—13:00(林内)达最大值, 17:00—05:00逐渐减弱至0, 林缘的光照强度在07:00—17:00均高于林内, 其中在11:00极显著高于林内(P < 0.01), 林缘的日均光照强度比林内高21.35%(P < 0.05)。
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图 1 夏季福建柏林内、林缘小气候因子日变化 Fig. 1 The diurnal variation of microclimate factors inside and around Fokienia hodginsii forest in summer |
林内和林缘风速日变化呈“W”型, 夜间风速均值高于白天均值, 在01:00—03:00达到峰值, 全天林缘风速除了09:00和19:00低于林内外, 其余各时刻均高于林内, 尤其在13:00—17:00极显著高于林内(P < 0.01), 林缘的日均风速比林内显著高29.46%(P < 0.05)。
林内、林缘相对湿度与光照强度的日变化规律相反, 白天呈早晚高中午低的“U”型变化, 夜间变化不大, 林内和林缘光照强度的日变化最低值均出现在13:00, 最高值均出现在21:00, 全天各时刻林内值均高于林缘值, 且林内日均值比林缘高6.52%。林内和林缘夜间均值分别比白天高2.25%和4.12%, 差异不显著。
林内和林缘空气温度呈“M”型变化, 白天波动较大, 夜间变化较平缓, 白天均值高于夜间(林内18.94%、林缘16.23%), 林内除了在07:00—09:00高于林缘外(3.65%), 其余时刻均低于林缘, 且在全天各个时刻差异不显著。
从夏季林内和林缘舒适度指数日变化(表 3)来看, 全天林内值除了17:00和23:00高于林缘值以外, 其余时刻均低于林缘, 尤其在11:00—15:00以及01:00—05:00林内和林缘差距较大。2种样地舒适度指数均在7:00最低, 13:00最高, 且夜间均值高于白天。夏季林内和林缘全天各时刻舒适度指数值均小于4.55, 属于Ⅰ级水平。
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表 3 夏季福建柏林内、林缘人体舒适度指数日变化 Table 3 The daily changes in human body comfort index inside and outside Fokienia hodginsii forest in summer |
夏季夜间4种粒径颗粒物浓度均高于白天, 林缘日均值高于林内(图 2)。
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图 2 夏季福建柏林内、林缘4种粒径空气颗粒物浓度日变化 Fig. 2 The diurnal variation of air particle concentrations of four kinds of particle sizes inside and outside Fokienia hodginsii in summer |
林内TSP和PM10颗粒物浓度的峰值出现在01:00, 林缘TSP和PM10颗粒物浓度峰值出现在19:00, 而林内与林缘的低谷值均出现在07:00—09:00, 且峰值和低谷值相比差异均极显著(P < 0.01);林内和林缘PM2.5和PM1.0颗粒物浓度的峰值均出现在01:00, 低谷值均出现在07:00, 且差异极显著(P < 0.01);林内夜间TSP、PM10、PM2.5和PM1.0浓度分别比白天高34.21%、21.34%、29.46%和62.12%, 林缘夜间分别比白天高42.56%、25.15%、51.47%和68.13%。林缘TSP和PM10浓度分别比林内高27.67%和31.68%, PM2.5和PM1.0浓度分别比林内高60.46%和58.82%。从林内和林缘4种颗粒物浓度的日变化差异来看, 林缘在各个时刻均高于林内, 其中2处TSP浓度在07:00和17:00—19:00差异极显著(P < 0.01), PM10浓度在07:00、11:00—13:00和17:00—19:00差异极显著(P < 0.01), PM2.5浓度在全天各个时刻差异极显著(P < 0.01), 而PM1.0浓度在17:00—19:00、23:00和03:00—05:00差异极显著(P < 0.01)。夏季福建柏林内外TSP和PM10日均值均属于中等级别; 而PM2.5浓度的日均值属于清洁级别。从林内与林缘4种粒径颗粒物浓度日变化综合分析来看, 07:00—09:00各粒径颗粒物浓度较低。
2.3 福建柏林挥发物的组成及含量如表 4所示, 研究样地内空气中的挥发物主要由44种物种组成, 包括烷烃类、烯烃类、醇类、醛类、酯类、酮类等。
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表 4 夏季福建柏林内主要挥发物的化学组成及含量 Table 4 The composition of chemicals and content of main VOCs in Fokienia hodginsii forest in summer |
烷烃类由5种物质组成, 主要是分子式为C3~C12的化学物质, 各物质的w范围为1.25%~8.68%, 均值为3.88%;烯烃类由10种物质组成, 主要是分子式为C10和C15的化学物质, 各物质的w范围为0.37%~4.86%, 均值为1.89%;醇类由8种物质组成, 主要是分子式为C5~C15的化学物质, 各物质的w范围为0.08%~4.35%, 均值为2.29%;醛类由5种物质组成, 主要是分子式为C5~C10的化学物质, 各物质的w范围为0.31%~5.36%, 均值为2.15%;酯类由4种物质组成, 主要是分子式为C4~C16的化学物质, 各物质的w范围为0.56%~5.12%, 均值为2.46%;酮类由6种物质组成, 主要是分子式为C4~C10的化学物质, 各物质的w范围为0.84%~3.54%, 均值为1.72%;其他类由9种物质组成, 主要是分子式为C4~C9的化学物质, 各物质的w范围为0.56%~3.24%, 均值为1.34%。从各类物质w占比来看, 以烷烃、烯烃、醇、醛为主, 总w达55.54%, 其中α-蒎烯、D-柠檬烯、月桂烯、长叶烯、石竹烯等有益挥发物w为18.92%。
2.4 福建柏林环境对小白鼠自发行为的影响 2.4.1 运动总路程和中央格运动路程探索阶段(前3天)和适应阶段(后3天)2组小鼠的运动总路程均随着天数的增加差距增大, 且在第6天达到峰值。2组小鼠运动总路程均随着天数的增加逐渐减少, 说明随着试验的反复进行, 小鼠逐渐适应了环境, 运动量有所减少。试验期间处理组小鼠的运动总路程除了第1天之外均高于对照组, 且在第3天与对照组差异显著(P < 0.05)。从表 5可以看出, 试验期间大部分时间处理组小鼠的运动总路程大于对照组(第1、3天除外), 且在第2、4、5天与对照组差异极显著(P < 0.01)。
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表 5 试验期间2组小鼠运动总路程和中央格运动路程变化规律 Table 5 The changes of the total distance and the central grid movement distance in two groups of mice during the experiment |
处理组与对照组小白鼠中央格停留时间见表 6。处理组小白鼠的中央格运动时间总体呈上升趋势, 对照组没有明显的变化规律。整个试验期间处理组运动时间均高于对照组, 尤其是后5天差异显著(P < 0.05), 在第4天差异极显著(P < 0.01)。除了第1和6天外, 其余时间段处理组均大于对照组, 且在第4天差异极显著(P < 0.01)。
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表 6 试验期间2组小鼠中央格运动时间和穿越次数变化规律 Table 6 The changes of central grid movement time and crossing number in two groups of mice during the experiment |
小白鼠体重的变化可以直观反映其食欲状况。如表 7所示, 随着试验天数的增加, 处理组小鼠的体重增大, 而对照组在第3天有所下降, 探索阶段2组小鼠体重差异逐渐增大, 适应阶段差异逐渐减小, 且均是处理组高于对照组。2种处理小鼠的粪便粒数均随着天数的增加逐渐减少, 但处理组减少量一直高于对照组。单因素方差分析可知, 2组小鼠在第4、5天差异显著(P < 0.05)。
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表 7 试验期间2组小鼠的体重和粪便粒数变化规律 Table 7 The changes of the body weight and fecal particle number of two groups of mice during the experiment |
人体舒适度指数是反映森林降温保湿功能能否改善人体健康的重要指标, 森林降温保湿作用与其生物学特性如高度、叶面积指数、绿量以及冠幅大小等有关[20]。夏季是植物能发挥其降温保湿功能的最好季节。从该研究的结果来看，福建柏林内较林缘有较好的降温、保湿、降低风速以及光照强度等作用, 明显提高了人体舒适度, 尤其在清晨以及中午前后效果更显著。试验期间福建柏林枝繁叶茂, 郁闭度较大, 林木较高, 一方面可通过叶片遮阴降低蒸腾作用从而增加林内相对湿度, 降温保湿, 另一方面植物通过高大的冠层结构可以降低林内风速, 而且叶的吸收、反射和过滤等特性可以吸收或减弱太阳辐射[21]。该季节正值福建柏生长的最旺盛季节, 不仅叶片数量达到峰值, 其高度的增长也达到了峰值, 故此时缓解热岛效应效果最明显。
3.2 颗粒物浓度研究样地位于海拔720 m的旗山森林公园西南角, 森林公园内植物群落种类丰富, 森林覆盖率达92%以上, 距离样地1 km左右有个天然水库, 周围无工厂、建筑用地、大饭店等明显的污染源, 受城市污染程度较小。据调查, 其颗粒物主要来源于附近居民的生活排放、机动车尾气排放以及游客游览过程带起的扬尘, 但是在公园大环境背景影响下林内和林缘空气质量良好, 尤其是林内夏季植物生理活性较强, 叶片面积较大, 其表面微结构和绒毛为空气颗粒物的吸纳和滞留提供了有利条件和巨大空间[22-23], 而且随着雨水的反复冲洗又可重新恢复滞尘能力, 故4种粒径颗粒物浓度的林内值均小于林缘值。古琳等[24]、王晓磊等[25]和段文军等[26]对其他种类植物群落的研究结果也证明了这一点。该研究只针对福建柏林内外颗粒物浓度做了对比研究, 今后还应扩大研究树种的范围, 研究不同树种的特异性吸附偏好及加强各种尺度研究的结合等。
3.3 挥发性有机物LI等[27]和张艳平等[28]对福建柏的研究发现, 其挥发油有一定的抗细菌作用和较弱的抗肿瘤活性。HEUBERGER[29]研究也发现, 柏油提取物能有效缓解动物紧张情绪。卢钰铎等[30]就福建柏精油对蚊虫的生物活性研究证明其具有显著的杀虫活性, 说明福建柏是较为理想的城市生态保健型树种。DONATI[31]和NOVORODOVSKAYA等[32]对其他树种的研究发现, 植物挥发物大多具有良好的生理活性, 对人体和动物的心理以及生理均有促进作用, 例如缓解疲劳、降低焦虑、提升动物的认知能力等。但是该研究只针对夏季植物挥发物的成分和含量进行了分析, 今后还要加强对福建柏林内其他3个季节的动态变化研究, 并与不同种类植物散发的VOCs进行对比, 筛选出对人体健康有益的挥发物。
3.4 小白鼠旷场试验笔者采用小白鼠旷场试验, 从动物心理学和行为学角度分析了保健型园林环境对动物自发行为的影响，结果表明经福建柏林环境处理后小白鼠食欲大增, 紧张情绪得到了缓解。一是福建柏林释放大量的有益挥发物, 例如萜烯类和醇类化合物, 是引起小白鼠行为指标变化的主要原因, 可使小白鼠的紧张状态得到有效缓解[33]; 二是福建柏林内有降温增湿作用, 处理组小白鼠与对照组相比情绪稳定、食欲大增; 三是福建柏林可以吸附颗粒物, 净化空气, 有助于提高小鼠心理运动的稳定性和敏捷度, 对大脑思维活动产生积极影响, 对提高其探索能力有很大帮助[34]。通过动物模拟试验可以预判, 福建柏林有良好的保健疗效, 对辅助治疗人体亚健康有积极的促进作用。
森林康养的监测方法和评价体系构建的研究目前仍处于起步阶段, 多数相关研究只进行几天或某一个时间段的短期观测、分析和评价, 对此问题的深入研究尚需长期、持续的动态监测。
4 结论(1) 夏季是植物发挥其降温增湿功能的最好季节, 从林内和林缘环境因子以及人体舒适度指数日变化的分析结果来看, 福建柏林内较林缘有较好的降温、保湿、降低风速以及减弱光照强度等作用, 尤其在清晨以及中午前后效果更显著。
(2) 从夏季福建柏林内和林缘空气颗粒物浓度的日变化可以看出, 夜间4种粒径颗粒物浓度均高于白天, 全天各个时刻的值均是林缘高于林内, 同时日均值也是林缘高于林内, 且福建柏林内外大粒径颗粒物浓度(TSP和PM10)日均值均属于中等级别; 而PM2.5浓度的日均值属于清洁级别。
(3) 夏季福建柏林挥发物的种类较丰富, 主要由包括烷烃类、烯烃类、醇类、醛类、酯类、酮类等44种物种组成。从各类物质相对含量占比来看, 烷烃、烯烃、醇、醛总含量达55.54%, 其中α-蒎烯、D-柠檬烯、月桂烯、长叶烯、石竹烯等有益挥发物w为18.92%。
(4) 4从小白鼠的旷场试验分析结果来看, 试验期间处理组小鼠的运动总路程除了第1天之外均高于对照组, 中央格运动路程处理组小白鼠除了在第1、3天略低于对照组以外, 其余时间均高于对照组; 整个试验期间处理组运动时间均高于对照组, 进入次数除了第1、6天处理组略小于对照组外, 其余时间段处理组均大于对照组; 从体重和粪便粒数来看2种处理小鼠的体重均是处理组高于对照组, 但处理组小鼠的粪便粒数减少量一直高于对照组。
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