森林和湿地释放的负离子是其重要的生态服务，也是评价其生态服务的重要指标。大尺度的研究森林和湿地负离子时空分布，可以科学评估生态服务。近年来，森林和湿地释放负离子的研究主要集中在定性、定量和相关性研究上。在空间分布上得出森林和湿地空气负离子含量水平比城市室内可高出80 ~ 1 600倍，森林覆盖率达到35%~60%时，空气负离子密度最高；在时间分布上, 森林空气中负离子密度夏秋高于冬春，且夏季最高, 冬季最低(邵海荣等，2000；吴楚材等，2001；石强等，2002)；在相关性上，空气中负离子的密度与温度呈负相关，与空气相对湿度呈显著正相关, 水体对负离子密度有较大影响, 动态水大于静态水(吴际友等，2003；宗美娟等，2004；王洪俊，2004)，水域面积大小与空气负离子密度呈正相关，空气负离子密度与雾、环境污染程度、可吸入颗粒物浓度呈负相关；在定量研究上石强(2002)、吴楚材等(2001)利用空气负离子系数的概念，建立了空气负离子系数模型(P)及森林空气负离子评价模型。但这些研究仅限于某一个小区域中的单一因子，大尺度、可视化的空间分布研究还处于空白。

本研究选择对森林和湿地负离子密度影响较大的几个生态因子，森林种类、林分结构、森林覆盖率、温度、湿度等，通过分层随机抽样，大区域确定样点，对其进行实地调查，采用ALOS遥感影像、区划图、地形图，结合少量地面GPS调查数据，借助于空间统计学的变异分析和3S技术的空间插值及叠加分析方法，对青岛市森林和湿地进行了大尺度的定性、定量和可视化研究，旨在指导青岛市负离子浴场建设和生态效益评估。

1 材料与方法 1.1 研究区域

青岛地处山东半岛西南端，位于119°30′-121°00′ E，35°35′-37°09′ N，青岛依山傍海，风光秀丽，气候宜人，是一座独具特色的海滨城市。青岛市总面积10 654 km²。青岛地处北温带季风区域，属温带季风气候，市区由于受海洋环境的直接调节及来自洋面上的东南季风、海流和水团的影响，故又具有显著的海洋性气候特点。至2005年，青岛市森林公园已达到20处，分布于7个区市，森林旅游业从无到有，从小到大，产业规模不断扩大，在拉动经济、扩大内需、优化结构、增加收入、满足人们物质文化精神需求等方面发挥着越来越重要的作用，这为青岛市森林健康保健旅游的深度开发提供了条件。

1.2 数据来源 1.2.1 外业数据采集

外业数据采集采用分层随机抽样方式, 根据地理位置划分成3个组，第1组：莱西，平度，即墨；第2组：黄岛，胶州，胶南；第3组：市区，崂山，城阳。按森林生长期在针叶林、阔叶林、混交林、经济林、湿地中进行样点选取，选取的样点以典型的、大片的林区和湿地为主，且要求进入林区60 m定点，样点的布设也要随机均匀。应用GPS测定经、纬度和海拔，通过日本ANDES ITC-201A空气负离子仪测空气负离子密度、温度、湿度、时间，目视记录采样点林种类型。由于大尺度的研究林种和湿地中释放负离子情况，且数据采集点设在林内60 m处，故忽略了天气、雾、环境污染等因子对负离子的影响。生长初期选在2008年3月，生长中期选在2008年6月。3月采集了92个样点，6月采集了79个点。

1.2.2 内业数据资料

收集到青岛市1:5万地形图，选取了日本ALOS遥感影像，其中2007年2.5 m分辨率全色数据14景，幅宽35 km×70 km；10 m分辨率多光谱数据2007年5景，2008年4景，幅宽70 km×70 km。

1.2.3 数据处理

对区划图、地形图进行了数据预处理，主要用于各地区负离子密度的分析和遥感影像的裁剪，同时为了保持ALOS影像多光谱信息，通过全色数据提高其分辨率，对全色和多光谱数据用比值法进行了融合，对针叶林、阔叶林、混交林、经济林和湿地信息在EARDS中完成提取，主要通过监督分类和专家分类2种方法(党安荣等，2003)结合并辅以人工解译完成，其分类精度达到86%。森林与湿地资源分布如图 1所示。

负离子样点空间分析以区域化变量理论为基础，借助于变异函数，可进行空间数据的结构性和随机性、空间相关性和依赖性、空间分布与变异研究，并对这些数据进行最优无偏内插估计。

空间变异分析中可得到5个重要的参数(谷加存等，2005；2006)，即基台值C₀+C (Sill)、块金值C₀(Nugget)、结构方差比C/(C₀+C) (Structural variance ratio)、变程a (Range)和决定系数R²。基台值定义了从数据中获取到的最大的半变异值，与被地物覆盖的区域范围有关，可用来衡量空间异质性程度。块金值表征了观测数据之间的随机方差或者是空间独立变量，不受位置改变地影响。结构方差比则可用来衡量空间自相关因素对变量总变异的影响程度，如果该比值较高，说明随机部分引起的空间异质性程度较高，如果比值接近于1，则观察值中某一变量在整个尺度上具有恒定地变异。变程描述了当观测变量的空间依赖性达到最大时的地面距离，是最有用的参数，它和图像中地物的大小有关，反映随机变量的影响范围。变异函数计算的步长选择以实际取样的距离和样点对之间的平衡为基础。决定系数反映回归模型配合的理论曲线的精度，其值越大，精度愈高。块金值与基台值的比例反映系统变量空间相关的程度(陈仪强等，2009)，如果比值小于25%，说明系统具有强烈的空间相关性；如果比值在25%~75%，表明系统具有中等空间相关性；大于75%说明系统空间相关性很弱。影响负离子空间变异的因素有结构性因子和随机性因子2种(陈志强等，2005)，结构因子主要是指森林类型、森林覆盖率、温度、湿度、时间等因子，随机性因子是指人为活动, 如空气污染等。

2 结果与分析 2.1 负离子空间变异分析 2.1.1 负离子统计特征

剔除由于经纬度手工方式记录和整理产生的疏失误差，得出实测的144个样点，对各植被类型和湿地中负离子密度、湿度、温度分布进行统计分析(表 1)，生长初期负离子密度在各地类变化不明显，经济林负离子密度最低为406个·cm^-3，湿度最小为23%，温度较高为17.5 ℃，湿地负离子密度最高，平均密度达到724个·cm^-3，湿度较大为32.06%，温度最低为15.4 ℃。在生长中期，负离子密度各地类变化明显，经济林的空气负离子密度最高，平均密度达到3 820个·cm^-3，湿度最大为68.1%，温度较低为26.7 ℃，针叶林平均密度最低为1 682个·cm^-3，湿度最小为64.3%，温度最高为27.2 ℃。通过相关分析也得出生长初期负离子与湿度、温度的相关系数分别为：0.603，-0.315，相伴概率分别为0.000，0.006；生长中期负离子与湿度、温度的相关系数分别为：0.565，-0.410，相伴概率分别为0.000，0.000。从相关系数和相伴概率来看，负离子密度与湿度呈中度正相关，与温度呈低度负相关。

2.1.2 异常值检测

异常值也称特异值，对变异函数的影响很重要。特别是在变程a范围内的异常值影响变异函数理论模型的精度。在变程a范围内的异常值主要是影响块金值C₀，如果异常值比较多，块金值C₀要增大，随机成分地影响加强，而空间自相关方面的影响消弱。

在进行变异分析前先对样点数据进行检测和对数转换，剔除其离群值，使数据接近于正态分布后导出，再用于半方差函数分析和插值预测，这样生成的预测表面效果最佳(谷加存等，2005)。剔除离群值后筛选的样点生长初期74个，生长中期70个。

2.1.3 变异分析

由于样点数据采用分层随机方式获取，且只记录经纬度，因此应通过非均匀间距建立半变异函数。由于样点间的间距不相等，在计算时要分成距离组或角度组，即h±Δh或α±Δα范围内的点均可以看成点x₀在α方向上相距为h的数据点，这样使用不规则网格也能按规则网格数据进行变异函数的计算和空间统计分析。组和间隔距离的选择应遵循间隔距离和类数之乘积应小于采样点区域坐标范围一半的原则。

对半方差不均匀间距下的各种模型进行比较分析，由表 2可知，生长初期球状模型决定系数R²为0.892，块金方差为0.001，基值为0.909，变程为0.01，残差平方和为6.393，结构方差比为0.999, 基本上接近于1，说明在变程范围外负离子密度在整个尺度上具有恒定的变异，从而确定负离子对周边环境的最大影响矢距为10 m，块金值与基台值的比值为0.11%，小于25%，说明负离子具有强烈的空间相关性，其变异主要是由森林覆盖率、林种类型、湿度、温度、时间等结构性因素引起的。

生长中期球状、线性基台值、高斯模型决定系数值R²都为0.897，块金方差为0.001，基值为0.986，变程为0.04，残差平方和为0.344，结构方差比为0.999, 基本上接近于1，由此可确定负离子对周边环境的最大影响矢距为40 m，块金值与基台值的比值为0.10%，小于25%，说明系统的空间相关性也很强。

2.2 森林与湿地负离子等级划分

将遥感提取的森林和湿地分类结果与负离子预测结果进行多边形叠加运算(汤国安等，2006)，可得出不同地类中负离子等级分布(见图 2, 3)。

从图 2得出：在植被生长初期森林和湿地中，1级主要分布在市区东南部和崂山西南部；2级分布在市区南部、市区西南部和崂山区西南部、胶南西南部；3级主要分布在胶南南部、市区南部和崂山东南部、崂山西南部及胶州湾东南部；4级涵盖8个域；5级主要分布在平度。从图 3得出：在植被生长中期，1级主要分布在莱西南部、即墨、城阳、市区、崂山、胶州湾东部、胶州东部和胶南的南部；2级分布在胶南中东部、胶州部分地域、胶州湾中部、平度东南部、莱西中部和即墨中部；3级主要分布在平度、莱西中部、胶州周边、胶南周边和黄岛周边区域；4级分布范围相比很小，只在平度中部、胶州中部、黄岛、莱西北部；5级范围更小，零星分布在胶州、胶南和莱西。

2.3 森林与湿地预测结果分析 2.3.1 插值结果分析

将插值结果在青岛区界内按经纬度平分成100×100的格网，对青岛市共布设5 101个系统抽样点(汤国安等，2006)。通过叠加分析运算，在负离子密度、湿度、温度插值结果中，提取出生长初期林地和湿地中抽样点2 082个，生长中期林地和湿地中抽样点2 089个。

在ARCGIS中，通过系统抽样预测值得出负离子、湿度、温度在不同林种、湿地中的平均值，如表 3。从表 3可知：生长初期预测负离子平均密度混交林最高为884个·cm^-3，其湿度最大，温度较低，经济林最低为546个·cm^-3，其湿度最小，温度最高，不同林种释放负离子其排列次序是：混交林>针叶林>阔叶林>湿地>经济林，针叶林、阔叶林、经济林、混交林与湿地释放负离子量差异不大，最高与最低值相差338个·cm^-3左右。生长中期预测负离子平均密度经济林最高为3 286个·cm^-3，其湿度最大，温度最低，针叶林最低为2 422个·cm^-3，其湿度最小，温度最高，释放负离子排列次序是：经济林>湿地>混交林>阔叶林>针叶林，针叶林、阔叶林、经济林、混交林与湿地释放负离子量差异较大，最高与最低值相差864个·cm^-3左右。在生长初期预测负离子平均密度为636个·cm^-3，生长中期预测负离子平均密度为2 682个·cm^-3，即生长中期负离子密度是生长初期的4倍。经济林释放负离子量最高，肯定了经济林的生态价值。同时也说明在生长初期针叶林和混交林有枝叶，故其释放负离子较多，阔叶林枝叶正处于生长期，释放负离子较少，在生长中期由于各树种枝叶茂盛，经济林、混交林释放负离子较多，针叶林释放负离子较少，这是因为森林中的树木，叶枝尖端放电及绿色植物光合作用形成的光电效应会产生负离子的原因，经济林释放负离子较多，除上述原因外，经济林经常浇水，湿度相对较大。

从预测分析可看出，林地中实测和预测结果基本一致，不同植被类型、湿度、温度对负离子释放量有很大影响，且植被在不同生长期释放负离子量差异也很大，主要是因为森林中负离子与湿度呈正相关、与温度呈负相关，且其是通过树冠、枝叶的尖端放电以及光合作用过程的光电效应而产生的。

2.3.2 精度分析

通过读取的空间插值数据见表 3，与实测数据(表 1)进行比较，得出生长初期预测负离子密度相对误差是2%，预测湿度相对误差是0.7%，预测温度相对误差是4.6%。在生长中期预测负离子密度相对误差是7.8%，预测湿度相对误差是1.1%，预测温度相对误差是3.5%。由此可以看出，预测相对误差都在8%以内，说明预测结果满足精度要求，生长中期预测相对误差较大，生长初期预测相对误差较小，这主要是生长初期样点多于生长中期，且生长中期受植被影响较大的原因。

3 结论与讨论 3.1 不同林种和湿地释放负离子

由于负离子密度主要受湿度、温度、森林种类等因子的影响，生长初期不同林种释放负离子其排列次序是：混交林>针叶林>阔叶林>湿地>经济林，生长中期排列次序是：经济林>湿地>混交林>阔叶林>针叶林。且湿度越大、温度越低、植被生长越茂盛，释放负离子量越高，生长中期负离子密度是生长初期的4倍。

3.2 负离子浴场规划

综合森林与湿地负离子空间分布特征，可确立大尺度负离子时空分布分析综合指标，为建立负离子浴场提供空间规划方案：

R={G, E, N, A, S, W, T, C, D, NA, FP, R},

其中：G生长期，E经度，N纬度，A 2级以上面积，S林种面积，W湿度，T温度，C负离子密度，D影响矢距，NA地域名，FP森林覆盖率，R结论。

通过插值预测、叠加分析、系统抽样定量和可视化得出：植被生长初期，针叶林、混交林和湿地中释放负离子量较高，2级以上区域分布在市区、胶州和崂山区，面积为77.01 km²，其中经济林面积为12.75 km²，混交林为12.44 km²，阔叶林为13.41 km²，针叶林为2.35 km²，林地总面积为40.85 km²，湿地面积为0.37 km²，负离子平均密度为1 651个·cm^-3，平均相对湿度为35.38%，平均温度为16.05 ℃，森林覆盖率53%, 适宜建立小范围负离子浴场，用于休闲、娱乐、强身健体。生长中期经济林、混交林和阔叶林中释放负离子量最高，二级以上区域分布在莱西南部、即墨、城阳、市区、崂山、胶州湾、胶州东北部及平度部分地域，胶州和胶南相邻地域，面积为5 687.58 km², 其中经济林面积为591.82 km², 混交林为293.3 km², 阔叶林为1 107.8 km², 针叶林为271.1 km², 林地总面积为2 380.25 km², 湿地面积为472.07 km²，负离子平均密度为3 550个·cm^-3，平均相对湿度67.43%，平均温度26.77 ℃, 森林覆盖率为42%, 负离子平均密度在3 550个·cm^-3以上的区域面积占青岛市国土面积的53%，根据世界卫生组织规定，适宜建立大范围森林医院和负离子保健区。

3.3 经济林生态价值

预测得出植被生长中期经济林中负离子平均密度为3 628个·cm^-3，平均相对湿度为64.7%，平均温度为26.3 ℃。即经济林可以释放大量的负离子，其湿度较大，温度相对较低，这肯定了经济林的生态价值，可以刺激“农家生态旅游”项目的发展，将经济林生态旅游和经济林产品销售结合在一起，为青岛生态旅游服务提供决策依据。