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森林保健是指依托城市森林生态系统，开展调节人类生理和心理状况的健康活动[1]。众多研究已经表明，森林环境对部分生理和心理疾病有着良好的疗效[2-3]。不同森林在滞尘、释放负氧离子和挥发植物精气等功能上存在差异，因此，分析评价不同森林保健功能水平，既是保健森林建设的核心，也是基于保健功能的森林结构调整和功能提升的前提条件。以往关于森林保健的研究多重点围绕森林保健的概念、特征进行探讨[4-5]，研究案例多选择单一指标来评价森林的保健功能水平[6-11]。这些研究虽对森林保健功能评价、机制分析以及变化规律作了深入研究，但该类方法未能从多个维度，即对多种林分类型、多个保健因子以及多个时间段进行综合评价，这恰是开展森林保健建设中筛选森林保健树种、优化森林结构所急需的。本研究以广东省佛山市云勇森林公园为例，利用体感舒适度等级、空气离子、空气颗粒物质量浓度和植物精气相对含量等4个指标构建森林保健功能评价方法，分析森林保健功能在不同时间段的差异，为珠三角国家森林城市群建设筛选森林保健树种、优化森林的保健功能提供理论依据。
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云勇森林公园位于广东省佛山市高明区(22°45′21″~22°46′43″N，112°37′46″~112°39′34″E)，总面积为2 007.8 hm2，是全国首批17家“中国森林体验基地”之一。该区南亚热带季风气候明显，雨热同季，干湿分明，日照偏少，年均气温为22.6 ℃，年均降水量为1 800 mm。该区地势属丘陵地带，沟谷幽深，溪涧众多，地形复杂多变，土壤中大部分为花岗岩风化的赤红壤，有机质含量较丰富。区内植被种类多，以乡土阔叶树种为主，主要包括湿地松Pinus elliottii，木荷Schima superba，樟树Cinnamomum camphora，灰木莲Magnolia blumei，尾叶桉Eucalyptus urophylla，杉木Cunninghamia lanceolata，阴香Cinnamomum burmannii，黧蒴锥Castanopsis fissa等。
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选择云勇森林公园阴香林、灰木莲林、湿地松林、黧蒴锥林、尾叶桉林和阔叶混交林这6种在珠三角城市近郊森林景观建设中常用的林分类型作为研究样本。每种林分设置1个样地，共计6个样地。具体如下：①阴香林。面积为1.5 hm2，乔木层95%以上为阴香，林内伴有少量的木荷、火力楠Michelia macclurei，郁闭度为0.9。②灰木莲林。面积为1.7 hm2，乔木层95%以上为灰木莲，林内伴有少量的杉木Cunninghamia lanceolata，火力楠，郁闭度为0.9。③湿地松林。面积为2.0 hm2，乔木层100%为湿地松，郁闭度为0.8。④黧蒴锥林。面积为1.8 hm2，乔木层95%以上为黧蒴锥，林内伴有少量的木荷，郁闭度为0.9。⑤尾叶桉林。面积为1.9 hm2，乔木层100%为尾叶桉，郁闭度为0.7。⑥阔叶混交林。面积为1.9 hm2，乔木层主要为细叶榕Ficus microcarpa，米老排Mytilaria laosensis，大叶紫薇Lagerstroemia speciosa，火焰木Spathodea campanulata，凤凰木Delonix regia等，郁闭度为0.9。
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选择在2017年5月上旬进行野外数据测定。本研究旨在分析不同林分的保健功能，因此，将取样时间确定在人群活动密集的时段，即10:00-16:00。采样时间段的天气状况相似，都为多云天气。试验期间气温为23.9~29.7 ℃，空气湿度为71.0%~96.7%，风力＜1级。在试验日的10:00，12:00，14:00，15:00，16:00分别对6种林分进行小气象数据、空气离子、空气颗粒物等3种指标采样，对所选林分所在山地的上中下坡位各选取3个采样点，间距≥100 m，采样高度为距离地面1.5 m处(风速采样高度为2.0 m)。植物精气的测定采用动态顶空采集法，将仪器悬挂在林内1.5 m处，连续对林内空气采样6 h。
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以气温、相对湿度和风速等3种气象数据综合评价体感舒适度[12]，气象数据的测定使用小型气象站Kestrel 4500。S=0.6×|T-24|+0.07×|HR-70|+0.5×|V-2|。其中：S为综合舒适度指数，T为气温(℃)，HR为相对湿度(%)，V为2 m高处风速(m·s-1)。体感舒适程度等级划分：S≤4.55为“很舒适”(very comfortable)，4.55＜S≤6.95为“舒适”(comfortable)，6.95＜S≤9.00为“不舒适”(uncomfortable)，S＞9.00为“极不舒适”(very uncomfortable)。
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采用KEC-900+空气离子测试器监测，针对同一采样点的东南西北4个方向进行测量，待仪器读数稳定后每个方向取5个具代表性的波峰值，求得算术平均值，并用森林空气离子评价指数公式评价森林空气离子等级[13]。P=n-/(n-+n+)，IFC=(n-/1 000)×P。其中：IFC为森林空气离子评价指数；P为空气负离子系数；n+为正离子质量浓度；n-为负离子质量浓度。森林空气离子评价指数标准：Ⅰ级(IFC≥2.4)，Ⅱ级(1.4≤IFC＜2.4)，Ⅲ级(0.9≤IFC＜1.4)，Ⅳ级(0.5≤IFC＜0.9)，Ⅴ级(0.16≤IFC＜0.5)，Ⅵ级(IFC＜0.16)。当森林空气离子等级为Ⅵ级时，表明空气已受到一定程度的污染，对健康不利；当森林空气离子等级为Ⅴ级时，表明此时的空气对人体既无多大危害，亦无多大益处，属于允许质量浓度范围；当森林空气离子等级为Ⅳ级及以上时，空气对人体健康是有益的，属于保健质量浓度范围。
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指标根据GB3095-2012《环境空气质量标准》对空气颗粒物一级质量浓度限值的规定以及HJ/T194-2005《环境空气质量手工监测技术规范》对间断采样的技术标准，选取了3种空气颗粒物指标：细颗粒物(PM2.5)，可吸入颗粒物(PM10)，总悬浮颗粒物(TSP)，进行间断采样测定。空气颗粒物指标采用美国Met One Instruments-Aerocet 531进行检测。该仪器为粒子计数和重量检测二合一仪器。选择重量模式测试森林中PM2.5，PM10，TSP质量浓度，每次采样3次重复取平均值，重复间的间距≥5 m。
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选用中国科学院华南植物园提供的有机挥发物吸附装置，林内空气经过取样器，取样器每分钟通过的空气体积一致，有机挥发物将吸附在玻璃管吸附层，采样完毕后，将吸附管妥善密封保存并及时用气象质谱联用技术(GC-MS)分析，对照标准谱库，兼顾保留时间并参考已有的文献资料进行筛选及确认，结合峰面积归一化法计算不同林分中各类植物精气的相对含量。
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根据体感舒适度评价差异特征可知(图 1)：阴香林的综合舒适指数为1.64~2.67，体感舒适等级均为“很舒适”；灰木莲林的综合舒适指数为1.25~3.12，体感舒适等级均为“很舒适”；湿地松林的综合舒适指数为3.71~4.73，10:00时的体感舒适等级处于“舒适”，其余4个时间点的体感舒适等级均为“很舒适”；黧蒴锥林的综合舒适指数为3.47~4.30，体感舒适等级均为“很舒适”；尾叶桉林的综合舒适指数为2.92~4.66，16:00时的体感舒适等级为“舒适”，其余4个时间点的体感舒适等级均为“很舒适”；阔叶混交林的综合舒适指数为3.38~5.07，15:00时的体感舒适等级处于“舒适”，其余4个时间点的体感舒适等级均为“很舒适”。6种林分的体感舒适度等级总体上均处在“舒适”及以上水平。随着时间推移，阴香林、灰木莲林、尾叶桉林以及黧蒴锥林的综合舒适指数呈现先上升后下降再上升的趋势，而湿地松林和阔叶混交林的综合舒适指数呈现出先下降后上升再下降的趋势。
图 1 体感舒适度评价
Figure 1. Evaluation of human comfort index
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根据空气离子指数差异特征可知(图 2)，阴香林的空气离子评价指数IFC为0.63~1.26，10:00时的IFC等级为Ⅲ级，其余4个时间点的IFC等级均为Ⅳ级；灰木莲林的IFC为0.16~0.95，12:00时的IFC等级为Ⅴ级，15:00时的IFC等级为Ⅲ级，其余3个时间点的IFC等级均为Ⅳ级；湿地松林的IFC为0.96~1.27，IFC等级均为Ⅲ级；黧蒴锥林的IFC为0.68~0.99，14:00时的IFC等级为Ⅲ级，其余4个时间点的IFC等级均为Ⅳ级；尾叶桉林的IFC为0.49~0.76，16:00时的IFC等级为Ⅴ级，其余4个时间点的IFC等级均为Ⅳ级；阔叶混交林的IFC为0.40~1.49，14:00时的IFC等级为Ⅴ级，10:00和15:00时的IFC等级为Ⅱ级，而12:00和16:00时的IFC等级为Ⅳ级。6种林分的空气离子指数等级总体上处在Ⅲ级和Ⅳ级水平，具有一定的保健作用。阴香林、阔叶混交林的IFC峰值出现在10:00和15:00，尾叶桉林、黧蒴锥林、灰木莲林以及湿地松林的IFC峰值出现在14:00-15:00。
图 2 空气离子指数评价
Figure 2. Evaluation of air ion index
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由图 3可知：阴香林的PM2.5质量浓度为10.25~17.75 μg·m-3，PM10质量浓度为27.15~48.40 μg·m-3，TSP质量浓度为32.45~82.35 μg·m-3，均在一级质量浓度限值范围内；灰木莲林的PM2.5质量浓度为11.75~14.60 μg·m-3，PM10质量浓度为31.45~43.00 μg·m-3，TSP质量浓度为37.25~62.45 μg·m-3，均在一级质量浓度限值范围内；湿地松林的PM2.5质量浓度为20.10~56.45 μg·m-3，PM10质量浓度为49.40~103.40 μg·m-3，TSP质量浓度为57.20~112.10 μg·m-3，PM2.5在15:00和16:00超出一级质量浓度限值范围，PM10除了10:00外均超出一级质量浓度限值范围；黧蒴锥林的PM2.5质量浓度为21.50~43.05 μg·m-3，PM10质量浓度为47.55~76.45 μg·m-3，TSP质量浓度为52.20~85.00 μg·m-3，PM2.5在15:00和16:00超出一级质量浓度限值范围，PM10除了10:00外均超出一级质量浓度限值范围；尾叶桉林的PM2.5质量浓度为18.80~34.15 μg·m-3，PM10质量浓度为53.85~75.35 μg·m-3，TSP质量浓度为66.25~83.40 μg·m-3，PM10超出一级质量浓度限值范围；阔叶混交林的PM2.5质量浓度为18.10~29.75 μg·m-3，PM10质量浓度为51.90~71.15 μg·m-3，TSP质量浓度为59.45~78.60 μg·m-3，PM10超出一级质量浓度限值范围。6种林分的PM2.5和TSP总体上处在一级质量浓度限值范围内，湿地松林、黧蒴锥林、尾叶桉林和阔叶混交林的PM10均超过了一级质量浓度限值。随着时间推移，阴香林、灰木莲林、尾叶桉林以及阔叶混交林的空气颗粒物质量浓度变化较为平稳，而湿地松林和黧蒴锥林的空气颗粒物质量浓度呈逐渐上升的趋势。
图 3 空气颗粒物评价
Figure 3. Evaluation of atmospheric particulate matter
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通过分离鉴定林分内部的空气，6种林分的植物挥发物样品中共检测植物精气类物质11种(表 1)。6种林分所释放植物精气相对含量均较低，其中阴香林释放5种(相对含量为8.15%)，主要为醛类物质(6.74%)；灰木莲释放3种(3.01%)，主要为醛类物质(2.03%)；湿地松释放4种(3.92%)，主要为醛类(3.64%)物质；尾叶桉释放3种(2.91%)，主要为醛类物质(2.14%)；黧蒴锥释放4种物质(7.99%)，主要为醇类物质(7.45%)；阔叶林释放3种(1.91%)，主要为醛类物质(1.25%)。
表 1 植物精气相对含量
Table 1. Relative content of phytoncide
有机物 分子式 相对含量/% 阴香林 灰木莲林 湿地松林 尾叶桉林 黧蒴锥林 阔叶混交林 花生四烯酸甲酯 C21H34O2 0.05 辛醛 C8H16O 0.95 0.48 1.12 0.46 壬醛 C9H18O 2.82 1.55 1.33 1.22 0.54 0.79 癸醛 C10H20O 2.92 1.19 0.92 长叶烯 C15H24 1.41 0.98 0.66 α-蒎烯 C10H16 0.28 芳樟醇 C10H18O 0.29 香茅醇 C10H20O 6.14 异长叶烯酮 C15H22O 1.02 庚炔羧酸甲酯 C9H14O2 0.77 合计 8.15 3.01 3.92 2.91 7.99 1.91 -
将每个时间点同时满足人体舒适度达到“很舒适”、空气负离子指数达到Ⅳ级以上、PM2.5在一级质量浓度限制范围内这3个条件的林分初步筛选为具有一定保健功能的林分。结果表明：5个不同时间点，保健功能表现较好的林分各有不同(表 2)，具体表现为10:00时，阴香林、灰木莲林、尾叶桉林、黧蒴锥林和阔叶混交林的保健功能表现较好；12:00时，阴香林、湿地松林、尾叶桉林、黧蒴锥林和阔叶混交林的保健功能表现较好；14:00时，阴香林、灰木莲林、湿地松林、尾叶桉林和黧蒴锥林的保健功能表现较好；15:00时，阴香林、灰木莲林和黧蒴锥林的保健功能表现较好；16:00时，阴香林、灰木莲林和阔叶混交林的保健功能表现较好。其中，阴香林5个时间点的保健功能均表现良好，灰木莲林和黧蒴锥林有4个时间点的保健功能表现良好，尾叶桉林和阔叶混交林有3个时间点的保健功能表现良好，湿地松林仅有2个时间点的保健功能表现良好。因此，通过体感舒适度等级、空气负离子指数、PM2.5质量浓度和植物精气相对含量等4个指标进行评判，发现阴香林和黧蒴锥林的综合保健功能在6种林分中表现最为突出。
表 2 不同林分保健功能综合评价
Table 2. Comprehensive evaluation of forest health
时刻 在各项指标下表现较好的林分类型 体感舒适度 空气负离子指数 PM2.5 综合 10:00 ABDEF ABCDEF ABCDEF ABDEF 12:00 ABCDEF ACDEF ABCDEF ACDEF 14:00 ABCDEF ABCDE ABCDEF ABCDE 15:00 ABCDE ABCDEF ABEF ABE 16:00 ABCDF ABCDEF ABEF ABF 说明：A.阴香林；B.灰木莲林；C.湿地松林；D.尾叶桉林；E.黧蒴锥林；F.阔叶混交林 -
森林保健功能的发挥是一个复杂多因子综合作用的过程，加上各种研究采用的采样和分析方法不同，研究结果存在一定的差异。晏海等[14]用THOM提出的不舒适指数(DI)对8个植物群落的体感舒适度进行评价，综合舒适指数均呈先上升后下降的趋势，并表现为差异不显著。这与本研究所得出的不同树种林分体感舒适度较为复杂的结果并不一致。2个研究同样包含了针叶树种和阔叶树种，但本研究所选用指标为陆鼎煌等[12]建立的综合舒适度指标，除了温度、湿度这2个影响人体舒适程度的因子外，还包含了风速的因子，能够较真实地反映人的体感。因此，2个研究结果的差异可能是选择了不同指标引起的。
空气离子指数的研究表明：6种林分的空气离子指数出现的峰值时间不同，不同林分的空气离子指数具有一定差异，这与周斌等[15]的研究结果一致。但本次试验尚未开展不同林分的不同密度、树高和胸径以及森林郁闭度等因子对空气离子指数的影响研究，因此本试验只能说明样地所在林分的空气离子指数差异。
湿地松林和黧蒴锥林的空气颗粒物指标变化趋势与其他4种林分类型不同，这与傅伟聪等[11]、吴志萍等[16]研究结果不一致。本研究在试验过程中发现湿地松林和黧蒴锥林的林内相对湿度较高，其中湿地松林在5个时间点的相对湿度为89.0%~96.7%，平均相对湿度为93.1%，黧蒴锥林在5个时间点的相对湿度为85.6%~95.7%，平均相对湿度为89.8%。这与李灿等[17]的研究结果相吻合。相对湿度增加导致空气颗粒物吸湿变大，且可以促进直径≤1.0 μm细颗粒物聚成较大颗粒物，导致颗粒物粒径分布向大的方向偏移。这表明湿地松林和黧蒴锥林空气颗粒物指标与其他4种森林类型的趋势不同可能是林内相对湿度差异较大造成的。
6种林分的植物挥发物样品中共检测出11种植物精气成分，每种林分植物精气总相对含量均小于10%，其中阴香林的相对含量最高为8.15%，阔叶混交林的相对含量最低为1.91%，湿地松林为针叶树林，其植物精气相对含量仅为阴香林的二分之一，这与马楠[18]、邓小勇[19]研究结果差异较大，这可能与植物精气的收集方法有关。谢小洋等[18]和马楠[19]对植物精气的收集是采用活体植物动态顶空套袋法，而邓小勇[20]则选用固相微萃取收集法，这2种方法直接完整地收集植物体内或者释放出的挥发性有机物，但均借助一定的外力，无法模拟自然状态下植物体内有机物挥发并被人体所吸收的过程。本研究所测定的是模拟植物自然状态下释放到林分空气中的植物精气，对于森林保健功能的研究具有更好的直接指导意义。
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研究表明，林分内的相对湿度对体感舒适度和空气颗粒物浓度均有影响。相对湿度增长至70%时，最有利于人体获得最佳的体感舒适度；随着相对湿度进一步增长，综合舒适指数将逐步升高，从而将会降低体感舒适度等级，但此时直径≤1.0 μm细颗粒物逐渐聚成直径＞2.5 μm的较大颗粒物，致使PM2.5质量浓度下降。因此，发挥森林保健功能需充分关注林分内相对湿度的最优阈值。
通过对不同林分保健功能的综合分析来看，建群树种以及监测时间的不同，导致森林所表现的保健功能具有一定差异。云勇森林公园内，10:00-14:00分别有5种林分的保健功能表现良好，建议游客在此时间段选择在保健功能较强的林分内开展游憩活动。
从植物精气的相对含量来看，通过模拟植物自然状态下释放到林分空气中的植物精气相对含量是较低的，因此，还需进一步研究有利于植物精气积累的森林小环境营建与林分结构配置。
Differences of health care functions of six forest stands in Yunyong Forest Park, Guangdong
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摘要: 针对不同林分保健功能的差异，提出林分保健功能分析方法，为今后森林保健和森林康养的建设规划与管理提供科学依据。选取广东省佛山市云勇森林公园中阴香Cinnamomum burmannii林，灰木莲Magnolia blumei林，湿地松Pinus elliottii林，黧蒴锥Castanopsis fissa林，尾叶桉Eucalyptus urophylla林和阔叶混交林等6种林分，在10：00-16：00森林保健旅游高峰期，分析体感舒适程度等级、空气离子指数、空气颗粒物质量浓度和植物精气相对含量等4个指标，开展林分保健功能的综合评价研究。结果显示：6种林分的体感舒适程度等级总体上均处在“舒适”及以上水平；6种林分的空气离子指数等级总体上处在Ⅲ级和Ⅳ级水平，具有一定的保健作用；6种林分的细颗粒物（PM2.5）和总悬浮颗粒物（TSP）总体上处在一级质量浓度限值范围内，湿地松林、黧蒴锥林、尾叶桉林和阔叶混交林的可吸入颗粒物（PM10）均超过了一级质量浓度限值；6种林分所释放的植物精气物质相对含量均较低，其中阴香林释放5种（相对含量为8.15%），灰木莲林释放3种（3.01%），湿地松林释放4种（3.92%），尾叶桉林释放3种（2.91%），黧蒴锥林释放4种物质（7.99%），阔叶混交林释放3种（1.91%）；综合评判，阴香林和黧蒴锥林的综合保健功能在6种林分中表现最佳。林分内的相对湿度对体感舒适度和空气颗粒物质量浓度均有影响，发挥森林保健功能需充分关注林分内相对湿度的最优阈值。云勇森林公园旅游更适宜出行的时间为10：00-14：00。通过模拟植物自然状态下释放到林分空气中的植物精气相对含量较低，需考虑有利于植物精气类物质积累的森林小环境营建与林分结构配置。Abstract: In order to evaluate the differences of health care functions among different forest stands, a method for analyzing forest health function was put forward, which provides a scientific basis for the planning and management of forest health care and forest conservation in the future. The 6 forest stands were selected in Yunyong Forest Park, Foshan City, Guangdong Province, including Cinnamomum burmannii, Magnolia blumei, Pinus elliottii, Eucalyptus urophylla, Castanopsis fissa and broadleaf stands, to analyse human comfort index, air ion index, atmospheric particulate matter and the phytoncidere between 10:00 and 16:00 for the forest health care function evaluation. The results showed the human comfort grade in the 6 forest stands were generally at the grade of Comfortable and Very Comfortable; the air ion index grade of the 6 forest stands were all at the level of grade Ⅲ and Ⅳ, and had certain health effects; The PM2.5 and TSP of the 6 forest stands were in the range of the first concentration limit, and PM10 of P. elliottii, C. fissa, E.robusta and broadleaf stands exceeded the first-order concentration limit. Phytoncidere released from the 6 forest stands was low:the C. burmannii released of 5 kinds (8.15%), M. blumei released of 3 kinds (3.01%), P. elliottii released of 4 kinds (3.92%), E. robusta released of 3 kinds (2.91%), C. fissa released of 4 kinds (7.99%), and broadleaf stands released of 3 kinds (1.91%); Integrated with the human comfort grade, air ion index, PM2.5, and the phytoncidere, C. burmannii and C. fissa stands were evaluated as the best health care function of all the 6 forest stands in Yunyong Forest Park. The relative humidity in the forest stand has an effect on both the human comfort index and the atmospheric particulate matter, which indicated that to play the function of forest health, close attention should be paid to the relative humidity of the forest stand. The suitable time to visit Yunyong Forest Park is between 10:00-14:00. Because of the low content of phytoncidere released into the air, more attention should be paid to small environmental construction and stand structure disposition that favor accumulating phytoncidere.
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表 1 植物精气相对含量
Table 1. Relative content of phytoncide
有机物 分子式 相对含量/% 阴香林 灰木莲林 湿地松林 尾叶桉林 黧蒴锥林 阔叶混交林 花生四烯酸甲酯 C21H34O2 0.05 辛醛 C8H16O 0.95 0.48 1.12 0.46 壬醛 C9H18O 2.82 1.55 1.33 1.22 0.54 0.79 癸醛 C10H20O 2.92 1.19 0.92 长叶烯 C15H24 1.41 0.98 0.66 α-蒎烯 C10H16 0.28 芳樟醇 C10H18O 0.29 香茅醇 C10H20O 6.14 异长叶烯酮 C15H22O 1.02 庚炔羧酸甲酯 C9H14O2 0.77 合计 8.15 3.01 3.92 2.91 7.99 1.91 
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表 2 不同林分保健功能综合评价
Table 2. Comprehensive evaluation of forest health
时刻 在各项指标下表现较好的林分类型 体感舒适度 空气负离子指数 PM2.5 综合 10:00 ABDEF ABCDEF ABCDEF ABDEF 12:00 ABCDEF ACDEF ABCDEF ACDEF 14:00 ABCDEF ABCDE ABCDEF ABCDE 15:00 ABCDE ABCDEF ABEF ABE 16:00 ABCDF ABCDEF ABEF ABF 说明：A.阴香林；B.灰木莲林；C.湿地松林；D.尾叶桉林；E.黧蒴锥林；F.阔叶混交林
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