河北木蘭圍場(chǎng)空氣負(fù)離子與氣象因子相關(guān)性分析及空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)

趙 渺

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃監(jiān)測(cè)院，遼寧 沈陽(yáng) 110122)

1 引言

當(dāng)今中國(guó)發(fā)展速度日新月異，人們?cè)谖镔|(zhì)水平不斷提高的前提下，對(duì)生態(tài)環(huán)境以及健康生活的要求也越來(lái)越高。空氣負(fù)離子作為一個(gè)空氣質(zhì)量和生態(tài)養(yǎng)生的重要指標(biāo)，就有了極高的研究?jī)r(jià)值。木蘭圍場(chǎng)現(xiàn)在主要由塞罕壩國(guó)家森林公園、御道口草原森林風(fēng)景區(qū)和紅松洼自然保護(hù)區(qū)等三大景區(qū)組成，有著良好的生態(tài)環(huán)境，負(fù)氧離子的研究對(duì)其森林生態(tài)旅游有著重要的指導(dǎo)意義。

木蘭圍場(chǎng)地處內(nèi)蒙古高原和華北平原的中間地帶，氣候上屬于中溫帶，故此研究對(duì)于其他中溫帶地區(qū)也有著借鑒意義。

2 研究區(qū)域概況

2.1 地理位置

承德市圍場(chǎng)是一座縣級(jí)城鎮(zhèn)，位于東經(jīng)116°32′～118°14′，北緯40°35′～42°40′，內(nèi)蒙古高原與華北平原的中間地帶，海拔1000～1500 m，總面積為9131 km2。

2.2 森林資源概況

圍場(chǎng)處于河北特有植物三大集中分布區(qū)之一，即以霧靈山為核心的冀東北山地。

木蘭圍場(chǎng)自然保護(hù)區(qū)共有種子植物793中，隸屬90科371屬，分別約占河北植物區(qū)系總數(shù)的36.9%，70.3%，52.0%。其中，裸子植物3科7屬共11種，即松科(Pinaceae)、柏科(Cupressaceae)和黃麻科(Phedraceae)；被子植物87科364屬共782種，雙子葉植物76科293屬653種，單子葉植物11科71屬129種，其中含種較多的科為禾本科(Gramineae)、薔薇科(Rosaceae)、菊科(Compositae)、豆科(Leguminoceae)等。該區(qū)植物大科較多而小科較多，單屬科僅有4科。在屬的組成上，小型屬及區(qū)域單種屬占核心地位，約占總屬數(shù)的88．1%，占總種數(shù)的66．4%。在生活型方面，草本植物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，藤本植物最少。該區(qū)種子植物區(qū)系成分較為復(fù)雜和豐富，體現(xiàn)了典型的溫帶性質(zhì)。

2.3 氣象條件

圍場(chǎng)全年降水量為402.3～515.4 mm，最多885.6 mm，最少249.0 mm。全年降水集中于夏季，6～8月降水占總降水的65%～75%，且多暴雨。冬季降水只占全年降水的2%。春季降水占全年降水的10%，蒸發(fā)量大，多風(fēng)，春旱嚴(yán)重。

1月份氣溫最低，-13 ℃，7月份氣溫最高，20.7 ℃。全年平均氣溫4.8 ℃，較為涼爽。

風(fēng)向的變化具有明顯的季節(jié)特征。冬季以偏北風(fēng)為主，夏季以偏南風(fēng)為主，春秋兩季是這兩種氣流的轉(zhuǎn)換季節(jié)，春季接近夏季情況，秋季接近冬季情況。除靜風(fēng)外，年最多風(fēng)向?yàn)槲髂虾臀鞅薄Ｄ昶骄L(fēng)速1.4～4.3 m/s。全年大風(fēng)日數(shù)較多，最多年份可達(dá)63～93 d。

3 觀測(cè)和評(píng)價(jià)方法

3.1 觀測(cè)方法

在木蘭圍場(chǎng)選擇面積較大的落葉闊葉混交林作為樣地，在樣地內(nèi)部布設(shè)測(cè)點(diǎn)。在陰天和晴天分別對(duì)空氣負(fù)離子濃度、氣溫、相對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)定。從早上6點(diǎn)到夜間10點(diǎn)，每間隔2 h測(cè)定一組數(shù)據(jù)。

在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)取東南西北4個(gè)方向，距離地面1.5m處分別讀數(shù)，取4個(gè)觀測(cè)值的平均值作為此觀測(cè)點(diǎn)的負(fù)離子濃度值。同時(shí)為了對(duì)照，在樣地附近選擇一塊空曠地同時(shí)測(cè)量。

依據(jù)數(shù)據(jù)得出負(fù)離子濃度日變化如圖1和圖2所示。

圖1 落葉闊葉混交林負(fù)離子濃度日變化趨勢(shì)

圖2 空曠地負(fù)離子濃度日變化趨勢(shì)

3.2 評(píng)價(jià)方法

目前，我國(guó)還沒(méi)有對(duì)負(fù)離子濃度制定統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展和文獻(xiàn)，本文采用了應(yīng)用最廣的是單極系數(shù)和安培空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)系數(shù)。

(1)單極系數(shù)。單極系數(shù)q=n+/n-，其中n+為空氣正離子濃度，n-為空氣負(fù)離子濃度。當(dāng)q≤1時(shí)，才能夠給人以舒適感[1]。

(2)安培空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)系數(shù)CI。CI=n-/1000q，其中q=n+/n-，n+為空氣正離子濃度，n-為空氣負(fù)離子濃度[2](表1)。

表1 安培空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)系數(shù)CI(個(gè)/cm3)

4 結(jié)果與分析

4.1 負(fù)離子與氣象因子的相關(guān)性研究

空氣中負(fù)離子的濃度既變化不定，又具有一定規(guī)律。負(fù)離子濃度的變化受很多因素的影響，通過(guò)文獻(xiàn)查閱發(fā)現(xiàn)，負(fù)離子濃度的大小受氣象因素，尤其是相對(duì)濕度和溫度影響較大。為了分析負(fù)離子濃度與相對(duì)濕度和溫度的相對(duì)關(guān)系，在進(jìn)行負(fù)離子測(cè)量的同時(shí)，測(cè)量了林內(nèi)溫度與相對(duì)濕度。在Excel中進(jìn)行方差分析和相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，分別分析了晴天、陰雨天不同天氣狀況下溫度與相對(duì)濕度與負(fù)離子濃度的關(guān)系。

4.1.1 相對(duì)濕度

通過(guò)表2、3的相關(guān)系數(shù)可以看出，在不同天氣狀況下(晴天和陰雨天)，負(fù)離子的濃度與相對(duì)濕度均呈正相關(guān)關(guān)系，即空氣的負(fù)離子的濃度隨著相對(duì)濕度的升高而升高，隨著相對(duì)濕度的下降而下降。根據(jù)負(fù)離子的生成與存在大的情況分析，其主要原因在于空氣負(fù)離子的存在形式主要為O2-(H2O)n、OH-(H2O)n等，可以看出空氣負(fù)離子的存在必須依賴(lài)于水分條件，因此空氣相對(duì)濕度必然會(huì)對(duì)負(fù)離子的濃度的高低產(chǎn)生影響。當(dāng)相對(duì)濕度降低時(shí)，負(fù)離子存在依賴(lài)的水分條件不足，必然導(dǎo)致部分負(fù)離子的消失，因此負(fù)離子濃度整體降低。通過(guò)F分布檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，晴天時(shí)，相對(duì)濕度和空氣負(fù)離子濃度的相關(guān)性在α=0.1上并不顯著，而陰雨天時(shí)，空氣負(fù)離子濃度與空氣相對(duì)濕度在α=0.05上顯著[3]。

表2 方差分析表(晴天)

表3 方差分析表(陰雨天)

4.1.2 溫度

通過(guò)表4、5可以看出，空氣負(fù)離子濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即負(fù)離子濃度隨著空氣溫度的升高而降低，隨著空氣溫度的降低而升高。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，其主要原因在于隨著空氣溫度的升高，空氣相對(duì)濕度下降，而負(fù)離子存在的形式主要為O2-(H2O)n、OH-(H2O)n，使得負(fù)離子形成的環(huán)境條件變差，因此導(dǎo)致了負(fù)離子濃度的下降。通過(guò)Excel表進(jìn)行方差分析看出，晴天時(shí)，溫度與負(fù)離子濃度的相關(guān)性在α=0.05上顯著，而陰雨天時(shí)，空氣負(fù)離子濃度與溫度在α=0.1上不顯著[4]。

表4 方差分析表(晴天)

表5 方差分析表(陰雨天)

通過(guò)對(duì)不同天氣狀況下負(fù)離子濃度與空氣相對(duì)濕度、溫度的相關(guān)性的分析發(fā)現(xiàn)：空氣負(fù)離子濃度與空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)關(guān)系，與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，此規(guī)律不受天氣狀況的影響。另外，在陰雨天的狀況下，相對(duì)濕度對(duì)空氣負(fù)離子濃度大小產(chǎn)生的影響是顯著的，而溫度所起的作用很小；而在天氣晴朗時(shí)所得的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)空氣負(fù)離子濃度大小產(chǎn)生的影響是顯著的，而相對(duì)濕度所起的作用很小。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)定天氣晴朗時(shí)，空氣溫度偏高且變化顯著，而相對(duì)濕度偏低，因此溫度對(duì)空氣負(fù)離子的濃度產(chǎn)生的影響顯著；陰雨天時(shí)，空氣相對(duì)濕度較高，而溫度偏低，因此空氣相對(duì)濕度對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響顯著，而溫度的影響不顯著[5]。

4.2 空氣負(fù)離子質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，使用本文空氣負(fù)離子的評(píng)價(jià)方法，得出表6。

表6 空氣負(fù)離子質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)

木蘭圍場(chǎng)空氣離子總體狀況見(jiàn)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)表。闊葉林的正離子平均濃度為973個(gè)/cm3，負(fù)離子平均濃度為996個(gè)/cm3，單極系數(shù)為0.977<1，CI為1.02，可見(jiàn)闊葉林中空氣很潔凈，并能夠給人以舒適的感覺(jué)。因此可以評(píng)價(jià)木蘭圍場(chǎng)的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良，潔凈，且讓人感覺(jué)舒暢。

4.3 與空白對(duì)照的比對(duì)結(jié)果分析

為了更加清楚森林植被對(duì)空氣中負(fù)離子濃度的影響，選擇了一塊空曠地作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)樣地，空曠地位于實(shí)驗(yàn)基地林場(chǎng)辦公室的小院內(nèi)，周?chē)行┲参铮苋藶橐蛩赜绊戄^大。由圖2可以看出，空曠地負(fù)離子濃度日變化與林內(nèi)負(fù)離子濃度日變化存在相同與不同處。第一，空曠地的負(fù)離子濃度日變化曲線與林內(nèi)負(fù)離子濃度日變化曲線的走勢(shì)完全相同，這在一定程度上反映了林外負(fù)離子與林內(nèi)負(fù)離子的內(nèi)在聯(lián)系。空曠地的負(fù)離子主要是通過(guò)林內(nèi)與林外空氣的交流轉(zhuǎn)移而來(lái)，即林內(nèi)負(fù)離子是空曠地的負(fù)離子的主要來(lái)源，因此林內(nèi)負(fù)離子的濃度升高，轉(zhuǎn)移到空曠地的負(fù)離子數(shù)量增加，反之減少，因此林內(nèi)與空曠地的負(fù)離子濃度日變化曲線走勢(shì)一致。第二，空曠地的負(fù)離子濃度變化劇烈，幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于林內(nèi)。其主要原因在于，林內(nèi)植被能夠保持林內(nèi)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定，各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)穩(wěn)定。而空曠地受人為因素干擾嚴(yán)重，而且缺乏植被的維護(hù)，受陽(yáng)光、風(fēng)、水分的影響劇烈，各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)能夠迅速變化，故而負(fù)離子濃度不穩(wěn)定[6]。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

空氣負(fù)離子濃度變化與氣象因子存在著一定規(guī)律的相互關(guān)系。通過(guò)相關(guān)系數(shù)和回歸分析，可以看出空氣負(fù)離子與氣象因子存在的一般規(guī)律為空氣負(fù)離子濃度與空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)關(guān)系、與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與學(xué)術(shù)界目前達(dá)成的共識(shí)相符[7]。另外，陰雨天時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響顯著，溫度的影響不顯著；而晴天時(shí)的情況恰恰相反。

木蘭圍場(chǎng)的空氣質(zhì)量比較好。一方面空氣中的負(fù)離子濃度達(dá)到了1000個(gè)/cm3左右，能夠使人獲到心平氣和的感覺(jué)，滿足了人體生物學(xué)效能的最低需求；另一方面通過(guò)安培質(zhì)量評(píng)價(jià)系數(shù)的分析可以看出，木蘭圍場(chǎng)內(nèi)的空氣比較清潔，達(dá)到了A、B級(jí)的要求[8]。因此，木蘭圍場(chǎng)很適合人類(lèi)居住，且有開(kāi)發(fā)旅游資源的潛力。

5.2 討論

由于負(fù)離子的保健作用，以及生態(tài)旅游等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，負(fù)離子的監(jiān)測(cè)手段和技術(shù)得到了發(fā)展和革新。空氣負(fù)離子濃度的變化與分布，以及其影響因子等方面的研究也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本論文通過(guò)木蘭圍場(chǎng)的監(jiān)測(cè)分析，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他研究地的結(jié)果既有相似之處，也有不同的地方。本文發(fā)現(xiàn)，負(fù)離子的濃度變化與空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)，與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)，這一點(diǎn)與目前學(xué)術(shù)界達(dá)成的共識(shí)相符，但相關(guān)性不顯著。在其他的文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，有些研究地區(qū)的結(jié)果與此不同，甚至截然相反。例如在譚東的《茶山竹海負(fù)氧離子濃度分布狀況及變化規(guī)律初探》中發(fā)現(xiàn)，負(fù)離子濃度與溫度和相對(duì)濕度呈正相關(guān)，相關(guān)性顯著[9]。在張翔的《淺析相關(guān)因子對(duì)空氣負(fù)離子水平的影響》中，負(fù)離子濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度呈正相關(guān)，相關(guān)性顯著[10]。