準格爾盆地南緣不同生態功能區夏季空氣負離子濃度特征

李 翔, 何 平, 張毓濤, 常順利

(1.新疆林業科學研究院 森林生態研究所， 新疆 烏魯木齊市 830063；

2.新疆大學 資源與環境科學學院綠洲生態教育部重點實驗室， 新疆 烏魯木齊市 830046)

準格爾盆地南緣不同生態功能區夏季空氣負離子濃度特征

李 翔1, 何 平2, 張毓濤1, 常順利2

(1.新疆林業科學研究院 森林生態研究所， 新疆 烏魯木齊市 830063；

2.新疆大學 資源與環境科學學院綠洲生態教育部重點實驗室， 新疆 烏魯木齊市 830046)

摘要：[目的] 對準格爾盆地南緣不同生態功能區夏季空氣負離子濃度進行監測和分析，為不同地區空氣質量評價提供參考依據。 [方法] 分別就不同生態功能區(水體、林區、停車場、聚集區)進行空氣負離子濃度監測及評價，通過AIC-1000型空氣離子測量儀進行數據采集并運用SPSS 17.0軟件進行統計分析。 [結果] (1) 不同區域生態功能區空氣負離子濃度變化由高到低依次為：精河>天池>哈密>巴爾魯克，且精河、天池與哈密、巴爾魯克之間差異顯著(p<0.05)； (2) 不同生態功能區中水體和林區空氣負離子濃度含量較高，且空氣負離子濃度隨時間的變化出現早、晚較高，中午較低的動態變化趨勢； (3) 空氣質量等級指標：天池(A級，1.28±0.42 ind/cm3)>精河(A級，1.16±0.08 ind/cm3)>哈密(D級，0.33±0.14 ind/cm3)>巴爾魯克(D級，0.32±0.03 ind/cm3)； (4) 不同天氣狀況對空氣負離子濃度影響較大，主要表現為：雨天(699 ind/cm3)>沙塵(507 ind/cm3)>晴天(428 ind/cm3)>陰天(395 ind/cm3)。 [結論] 不同生態功能區空氣質量變化與空氣負離子濃度變化基本一致，空氣質量沿準格爾盆地南緣由東到西呈現劣—優—劣的分布規律。

關鍵詞：準格爾盆地； 生態功能區； 空氣負離子； 空氣質量

隨著生態環境的日益惡化及給人們健康帶來的諸多問題，環境質量受到越來越多的關注和研究，由于空氣負離子對人體具有保健和鎮靜等功效及一些除塵、殺菌、凈化空氣等作用，是研究空氣質量等級中重要的因素[1-4]。而衡量空氣負離子濃度的標準，世界衛生組織(WHO)將空氣負離子濃度1 000~1 500 ind/cm3定為清潔標準，國內學者大量的研究發現空氣負離子濃度達到1 000 ind/cm3為清潔，城鎮居民區應達到250 ind/cm3才符合最低健康標準[5]。關于空氣負離子濃度的研究國內外也有很多工作，國內主要運用空氣負離子去監測環境質量及空氣負離子影響因子的相關研究。如對山區不同庭院林空氣負離子監測及其與小氣候因子之間的相互關系的研究[6]，及對不同生態功能區空氣負離子濃度研究進而評價不同類型城市的空氣質量[7-10]。國外研究空氣負離子主要用于生物機體的一些生物學效應的研究和臨床醫學等方面[11-15]。新疆自治區位于我國的西北地區，而準格爾盆地南緣則是新疆主要的經濟和文化中心，具有獨特的地緣優勢，其空氣質量的合格與否將直接影響到人們的身體健康及城市生態的穩定和可持續發展。本研究主要對準格爾盆地南緣的巴爾魯克山、精河、天池和哈密4個區域進行空氣負離子濃度監測，比較和評價各區域生態功能區空氣離子濃度和空氣質量等級，為干旱區盆地邊緣綠洲空氣質量評價、生態環境改善和城市經濟旅游建設提供依據。

1研究地區與研究方法

1.1　研究區概況

主要沿準格爾盆地南緣天山山脈條帶由西向東分別就精河(82°54′11″E，44°41′06″N)、巴爾魯克(82°31′01″E，45°53′09″N)；天池(88°07′01″E，43°53′10″N)；哈密(93°40′13″E，43°20′22″N)等地區進行調查。天池為國家級旅游景區，而巴爾魯克為天然的林場人為活動較少，精河和哈密分別位于天山的東西部的人類居住區。以上4個研究區有天然林場、旅游景區及人類居住區基本屬于新疆地區主要的綠洲類型，對分析準格爾盆地南緣空氣質量具有一定的代表性。

1.2　研究方法

從2013年8月10日至9月10日，每天分別在10:00，14:00，20:00這3時段對精河、巴爾魯克、天池、哈密監測地區的水體、停車場、聚集區、林區(巴爾魯克山觀測點屬于山地森林無停車場)不同的下墊面類型(表1)分別進行空氣正、負離子濃度1個月的連續監測，使用測量精度為±10%的AIC-1000型空氣離子測量儀進行測定，每監測點重復讀值3次的均值為該點的最終測量值并統計記錄。

表1　不同研究區下墊面類型

在空氣離子濃度評價方法上主要運用空氣正、負離子之比計算空氣離子評價系數，從而對空氣質量等級進行評價，主要計算公式為：

q=n+/n-

(1)

(2)

式中：q——單極系數；n+，n-——正、負離子濃度(ind/cm3)； CI——空氣離子評價系數；空氣質量等級標準主要采用國際廣泛認可的空氣質量標準(表2)。

監測到的數據主要采用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析，并進行最小顯著性檢驗，從而比較分析不同生態區的差異及規律。

表2　空氣質量等級標準

2結果與分析

2.1　準格爾盆地南緣不同生態功能區空氣離子濃度差異及日動態變化

由圖1中4個區域生態功能區空氣離子濃度平均值分析，空氣負離子濃度變化范圍為：413~1 085 ind/cm3，變化規律為：精河>天池>哈密>巴爾魯克。精河、天池與哈密、巴爾魯克之間差異顯著(p=0.000<0.05)，哈密和巴爾魯克之間差異不顯著(p>0.05)，且對4區域空氣負離子濃度進行多項式線性分析發現空氣負離子濃度峰值出現在天山山脈中段；而4個區域的正離子濃度變化范圍為：455~1 025 ind/cm3，變化規律為：精河>哈密>天池>巴爾魯克，與負離子濃度變化規律基本一致。整體分析來看，精河、天池空氣離子濃度含量較高，而哈密、巴爾魯克則較低。

圖1　不同生態功能區空氣離子濃度差異

從表3分析了各區域空氣離子濃度分別在水體、停車場、聚集區、林區等生態功能區的分布和差異情況。精河空氣負離子濃度變化為：水體(1 123 ind/cm3)>林區(1 113 ind/cm3)>停車場(1 103 ind/cm3)>聚集區(997 ind/cm3)。從方差分析結果來看，同一功能區不同時間水體10:00的空氣負離子濃度與14:00和20:00差異顯著(p<0.05),而14:00和20:00的空氣負離子濃度差異不顯著(p>0.05)。同樣的規律也存在于停車場和聚集區。而林區的20:00的空氣負離子濃度低于10:00和14:00，且差異顯著(p<0.05)；同一時間不同功能區10:00時4個功能區空氣負離子濃度差異不顯著(p>0.05)，14:00時林區的空氣負離子濃度顯著高于水體、停車場和聚集區(p<0.05)，其他3個功能區之間差異不顯著。20:00時水體和聚集區空氣負離子濃度差異顯著(p<0.05)。空氣正離子濃度規律和負離子濃度規律基本一致，只是正離子濃度在聚集區的10:00和14:00，20:00差異顯著(p<0.05)。巴爾魯克空氣負離子濃度變化為：水體(452 ind/cm3)>林區(423 ind/cm3)>聚集區(364 ind/cm3)。同一功能區不同時間：水體在10:00，14:00和20:00間空氣負離子濃度差異顯著(p<0.05)，林區在10:00時空氣負離子濃度顯著高于14:00和20:00時空氣負離子濃度差異顯著(p<0.05)，14:00和20:00之間空氣負離子濃度差異不顯著(p=0.287>0.05)，聚集區在10:00時空氣負離子顯著高于14:00和20:00時空氣負離子濃度(p<0.05)，14:00和20:00之間空氣負離子濃度差異不顯著(p>0.05)。天池空氣負離子濃度變化依次為：水體(947 ind/cm3)>林區(771 ind/cm3)>停車場(719 ind/cm3)>聚集區(584 ind/cm3)。同一功能區不同時間，水體在3個時段的空氣負離子濃度存在顯著差異(p<0.05)，停車場20:00時的濃度顯著低于10:00和14:00且差異顯著(p<0.05)。聚集區和林區在10:00的空氣負離子濃度顯著高于14:00和20:00時的濃度且差異顯著(p<0.05)；同一時間不同功能區10:00時停車場和聚集區之間空氣負離子濃度差異不顯著，其他功能區之間差異顯著(p<0.05)，14:00時停車場的空氣負離子濃度顯著高于水體、林區和聚集區(p<0.05)。20:00時水體和聚集區空氣負離子濃度差異顯著(p<0.05)。哈密空氣負離子濃度變化為：林區(650 ind/cm3)>水體(403 ind/cm3)>聚集區(393 ind/cm3)>停車場(387 ind/cm3)。同一功能區不同時間，林區在14:00的空氣負離子濃度顯著低于10:00和20:00時的濃度(p<0.05)。水體在14:00的空氣負離子濃度顯著高于10:00和20:00的空氣負離子濃度(p<0.05),停車場和聚集區也存在相同的規律。同一時間不同功能區：10:00和20:00時林區的空氣負離子濃度高于其他3個功能區且差異顯著(p<0.05)，其他功能區之間差異不顯著(p>0.05)，14:00時停車場的空氣負離子濃度分別與水體和林區存在顯著差異(p<0.05)，聚集區也分別與水體和林區存在顯著差異(p<0.05)。總體分析得出不同生態功能區中水體和林區空氣負離子濃度含量較高，其他次之。空氣負離子濃度隨時間的變化出現早、晚較高中午較低的動態變化趨勢。

2.2　不同生態功能區空氣質量等級評議系數

從表4可以得出，與空氣負離子濃度變化規律基本一致，在區域生態功能區CI值較高的是精河和天池，較低的是哈密和巴爾魯克，對其CI值均值化排序為：天池(1.28±0.42)>精河(1.16±0.08)>哈密(0.33±0.14)>巴爾魯克(0.32±0.03)。天池的水體、林區、停車場CI值處于最清潔范疇，屬于A級，聚集區CI值處于清潔范疇，屬于B級；精河的水體、停車場、聚集區、林區CI值都處于最清潔范疇，屬于A級；哈密的林區CI值處于允許范疇，屬于D級，而水體、停車場、聚集區CI值都處于臨界值以下，屬于E級；巴爾魯克的林區和聚集區CI值處于允許范疇，屬于D級，而水體CI值在臨界值以下，屬于E級。

表3　不同生態功能區相互之間差異分析p值

表4　不同生態功能區空氣質量評價

由表5可以得出，哈密空氣質量達到B級的天數占總天數的6%，達到D級和E級天數分別占總天數的31%和63%，空氣質量沒有達到A級和C級的天數；天池空氣質量達到A級的天數占總天數的63%，達到B級和C級天數分別占總天數的31%和6%，空氣質量沒有達到D級和E級的天數；精河空氣質量達到A級的天數占總天數的69%，達到B級和C級天數分別占總天數的25%和6%，空氣質量沒有達到D級和E級的天數；巴爾魯克空氣質量達到D級和E級的天數分別占總天數的81%和19%，空氣質量沒有達到A級、B級和C級的天數。總的體現出沿準格爾盆地南緣天山山脈由東到西A級空氣質量先增加后減少的趨勢。

2.3　空氣負離子濃度在不同天氣狀況下的響應

通過整理2013年8月10日至9月10日哈密地區同步監測的天氣狀況(雨天、沙塵、晴天、陰天)數據，對哈密地區不同天氣狀況下空氣離子濃度在不同生態功能區進行比較(圖2)。

由圖2可以看出，雨天共4 d占總天數的13%，沙塵天氣共4 d占總天數的13%，晴天共17 d占總天數的53%，陰天共7天占總天數的22%。對表3中出現相應天氣狀況的天數的CI值進行均值化得出：雨天(0.87)>沙塵(0.86)>晴天(0.79)>陰天(0.76)，同時不同生態功能區空氣負離子濃度也基本服從這樣的規律，尤其水體的空氣負離子濃度在不同天氣狀況下出現較為明顯的遞減變化。

表5　2013年研究區各區域CI值及評價等級

圖2　不同天氣狀況下空氣負離子濃度變化

3討 論

本研究空氣負離子濃度日動態變化在早10:00和晚20:00出現峰值，且與中午14:00的空氣負離子濃度差異顯著，而國內相關研究分別得出在3:00—4:00，15:00—16:00和9:00—10:00，13:00—14:00處空氣負離子濃度最大[16-17]。但本研究結論與吳楚材等[18]的研究結果相符。由于空氣負離子濃度在時間上的變化規律及其峰值出現的具體時間直至今日尚無定論[19]，所以出現以上結論差異的主要原因可能與研究區域不同和不同的立地類型有關。在空氣負離子濃度的空間變化方面，基本上沿準格爾盆地南緣天山山脈一帶由東到西呈現先增后減的一個正態分布特征，由于所選的研究區空氣離子濃度空間變化的相關研究及結論較為少見，所以此結論可為后續新疆天山地區空氣離子濃度研究提供參考。

不同區域空氣負離子濃度變化由高到低依次為：精河>天池>哈密>巴爾魯克，且精河、天池與哈密、巴爾魯克兩兩之間差異顯著(p<0.05)，造成這一規律的主要原因可能是與地理位置有關，精河位于新疆西部較位于東部的哈密風沙較少；而巴爾魯克位于天山和阿爾泰山交匯處，地形復雜，植被郁閉度較低，這可能是造成其空氣負離子濃度較低的原因。

天氣狀況對空氣負離子濃度具有重要的影響作用，本研究結果表明不同生態功能區空氣負離子濃度變化依次為：雨天>沙塵>晴天>陰天，且雨天空氣負離子濃度比陰天高近77%，這一結論與張毓濤等[12]在新疆地區的研究結論(雨天>晴天>陰天>沙塵、浮塵)基本一致，而在沙塵天氣出現差異可能與研究區及下墊面類型的不同有關。

在空氣負離子濃度的相關影響因子方面，如雨量、風速、溫度、相對濕度、植被類型等都會對空氣負離子濃度產生影響，在熱帶雨林空氣負離子濃度變化量與降雨強度發生變化時的雨量變化量呈顯著正相關[20]。但由于研究區環境的復雜性及一些監測儀器的不規范，目前空氣負離子與氣象因子的相關性很難得出統一定論[18]。空氣負離子與影響因子之間的相關關系及作用機理有待今后進一步深入研究。

4結 論

(1) 不同區域生態功能區空氣負離子濃度變化依次為：精河>天池>哈密>巴爾魯克，且精河、天池與哈密、巴爾魯克兩兩之間差異顯著(p<0.05)。

(2) 不同生態功能區中水體和林區空氣負離子濃度含量較高，而停車場和聚集區含量較低，且空氣負離子濃度隨時間的變化出現早、晚較高中午較低的動態變化趨勢。

(3) 空氣質量等級：天池(A級，1.28±0.42 ind/cm3)>精河(A級，1.16±0.08 ind/cm3)>哈密(D級，0.33±0.14 ind/cm3)>巴爾魯克(D級，0.32±0.03 ind/cm3)；

(4) 不同生態功能區空氣質量變化與空氣負離子濃度變化基本一致，空氣質量沿準格爾盆地南緣由東到西呈現劣—優—劣的分布規律；

(5) 不同天氣狀況對空氣負離子濃度影響較大，依次表現為：雨天(699 ind/cm3)>沙塵(507 ind/cm3)>晴天(428 ind/cm3)>陰天(395 ind/cm3)。

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Charactoristics of Summer Air Anion Concentration in Different Ecological Functional Areas of Southern Edge of Junggar Basin

LI Xiang1, HE Ping2, ZHANG Yutao1, CHANG Shunli2

(1.InstituteofForestEcology,XinjiangAcademyofForestry,Urumqi,Xingjiang830063,China; 2.KeyLaboratoryofOasisEcology,CollegeofResourceandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi,Xingjiang830046,China)

Abstract：[Objective] Air anion concentration in different ecological functional zones in southern margin of Junggar Basin was monitored in summer in order to provide a reference for rating regional air quality. [Methods] The concentrations of negative air ion in different ecological function areas (water body, forest area, parking lot, populated districts)by AIC-1000 type instrument. SPSS 17.0 was used for statistical analysis. [Results] (1) The concentrations in different regional areas ranked as: Jinghe>Hami>Tianchi>Baerluke. And the difference between the concentrations of Jinghe and Tianchi and values of Hami and Baerluke was significant (p<0.05)； (2) In local ecological function areas, water body and forest area had higher concentration of negative air ions; and the daily concentration showed that it was higher in the morning and evening, and lower in the noon； (3) The rank of air quality levels(CI): Tianchi (level A, 1.28±0.42 ind/cm3)>Jinghe (level A, 1.16±0.08 ind/cm3)>Hami (level D, 0.33±0.14 ind/cm3) > Baerluke (level D, 0.32±0.03 ind/cm3)； (4) Weather conditions could also influence the concentration of negative air ions, a rank was measured as : rainy(699 ind/cm3)>dust(507 ind/cm3)>sunny(428 ind/cm3)> cloudy(395 ind/cm3). [Conclusion] Changes in air quality and the concentration of negative air ions were basically synchronized in different ecological function areas. Air quality along the southern Junggar Basin showed an inferior-superior-inferior trend graphically form east to west.

Keywords:Junggar Basin; ecological function areas; negative air ion; air quality

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0229-06

中圖分類號：S716.13

收稿日期：2014-05-28修回日期：2014-06-29

第一作者：李翔(1983—)，男(壯族)，新疆自治區烏魯木齊市人，學士，助理研究員，主要從事新疆城市及山地森林生態研究。E-mail：95447006@qq.com；786648396@qq.com。