供暖季4種林地空氣負離子濃度變化及其與主要影響因子的關系

劉宇++王曉立 +董蓉++蔣亞華 張楠++張麗華

摘要：2015年冬季，江蘇省北部城市及臨近的山東地區供暖時間為2015年11月中下旬至2016年3月中旬，從2015年11月至2016年4月連續監測4種林地和對照內空氣負離子濃度、PM2.5、PM10、溫度、濕度、風速、光照強度，并進行方差分析、多重比較和相關性分析，對比4種林地內空氣負離子濃度變化規律及其與主要環境因子的相關性。結果顯示，4種林地及對照內空氣負離子濃度均值按從高到低的排序為日本早櫻純林（305個/cm3）、旱柳-廣玉蘭混交林（295個/cm3）、水泥廣場（286個/cm3）、多樹種復層針闊葉混交林（256個/cm3）、雪松-國槐混交林（223個/cm3）；空氣負離子濃度的日變化峰值均出現在13：00左右；空氣負離子濃度與PM10和PM2.5均呈極顯著負相關（P<0.01），與空氣中的溫度和濕度都呈顯著正相關（P<0.05）。

關鍵詞：供暖季；林地；空氣負離子濃度；顆粒物；PM2.5；PM10

中圖分類號： S181；S718.5文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0248-04

收稿日期：2016-07-21

基金項目：國家星火計劃項目（編號：2013GA690424）；江蘇省宿遷市科技局項目（編號：z201204）。

作者簡介：劉宇（1981—），男，安徽安慶人，碩士，講師，主要從事城市園林生態研究。E-mail：718111060@qq.com。

2015年冬季，江蘇省北部城市及臨近的山東地區供暖時間為2015年11月中下旬至2016年3月中旬，其間宿遷市區空氣質量較差，輕度污染以上日數達101 d[1]。空氣負離子被譽為空氣維生素和生長素[2-3]，它是目前評價空氣清潔程度[4]、衡量空氣質量好壞的重要指標之一[5]。植物利用枝葉尖端放電、通過光合作用形成光電效應，使空氣電離產生負離子[6]。因此，在供暖季節探討不同林地的空氣負離子濃度變化，對城市綠地建設具有重要意義。目前，已對國外許多城市以及國內的北京、上海、廣州、重慶等地的空氣負離子展開了相關研究，研究內容主要集中在森林環境[7-8]、綠地結構[9-13]、空氣質量評價[14]等方面。但對國內供暖季不同林地內空氣負離子濃度變化及其與主要影響因子關系的研究鮮見報道。本研究定量分析了供暖季不同林地內空氣負離子變化及其與溫度、相對濕度、光照、空氣顆粒物等主要環境因子的[LL]關系，旨在為科學規劃城市綠地和指導市民合理開展休閑活動提供參考依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

城市人工林既可以滿足游人休閑游憩和一年四季的觀景需求，又可以改善局部的生態環境。本研究試驗點設在江蘇省宿遷學院教職工游園內，選擇蘇北地區典型的4種林地為研究對象，包括旱柳-廣玉蘭混交林、雪松-國槐混交林、日本早櫻純林、多樹種復層針闊葉混交林，以無綠化覆蓋的水泥廣場地為對照（CK），下文分別以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示，各樣地內植物生長狀況良好，詳情見表1。

1.2試驗方法

儀檢測空氣負離子濃度，使用OSEN-1A型粉塵檢測儀監測PM2.5濃度和PM10濃度，采用天津市福元銘儀器設備有限公司制造的DEM6型三杯風向風速表測定風速，采用浙江托普儀器有限公司制造的DJL-18溫濕光3參數記錄儀測定溫度和濕度。監測期為2015年11月至2016年4月，每月分上旬、中旬、下旬各取1 d，觀測時間為07：00—21：00 ，每隔2 h在4種林地的中心位置同步觀測，以水泥廣場為對照，采樣高度為距離地表1.5 m處。

1.3 評價方法

以空氣負離子濃度為基礎數據，采用單極系數（q）和空氣質量評價指數（CI）為空氣質量評價指標[14]。公式如下：

[JZ（]q=n+/n-；

CI=n-/（1 000×q）；

p=n-/（n-+ n+）。[JZ）]

其中：n+、n-為空氣正負離子數，q 為單極系數，CI為空氣質量評價指數，p為空氣負離子系數。按照安培提出的空氣質量分級標準，將空氣質量劃分為5個等級（表2）。

1.4統計分析

采用SPSS 21.0軟件進行單因素方差分析、相關性分析和回歸方程分析，并用最小顯著差數法（LSD）檢測數據之間的差異性，采用Excel 2007繪圖。

2結果與分析

2.14種林地空氣負離子濃度空間變化規律

將4種林地和對照內監測到的空氣負離子數據予以加權平均，分析結果見表3，從單級系數q來看，均小于1，負離子數明顯高于正離子數，各個監測樣地內空氣負離子濃度都較小，其中平均最大值為日本早櫻純林（Ⅲ）的305個/cm3，最小值的雪松-國槐混交林（Ⅱ）僅為223個/cm3，無綠化的水泥廣場（Ⅴ）高于多樹種復層針闊葉混交林（Ⅳ）和雪松-國槐混交林（Ⅱ）。從空氣離子評價系數CI來看，旱柳-廣玉蘭混交林（Ⅰ）和日本早櫻純林（Ⅲ）處于中等清潔水平，而其他2種樣地都僅在允許水平段上，說明供暖季的林地和戶外整體空氣質量較差。

2.24種林地空氣負離子濃度時間變化規律

4種林地空氣負離子日變化趨勢見圖1， 從圖中可知， 各個樣地最高峰值在13：00左右；日本早櫻純林（Ⅲ）和旱柳-廣玉蘭混交林（Ⅰ）具有相同的日變化規律，白天與晚上負離子濃度相差較大，從07：00到9：00有微弱的下降；而雪松-國槐混交林（Ⅱ）和多樹種復層針闊葉混交林（Ⅳ）則是在07：00到15：00呈M形趨勢，15：00以后負離子濃度變化幅度不大；另外水泥廣場空氣負離子濃度在17：00時降至203個/cm3，這可能是因為此時正處于大學生戶外活動時間，致使空氣負離子濃度快速降低。

[TPLY1111.tif]

不同樣地空氣負離子濃度的月變化規律基本一致（圖2），從11月至12月，4種林地和參照的空氣負離子濃度快速下降，1月至3月基本平穩，4月時除多樹種復層針闊葉混交林[CM（25]（Ⅳ）外，其他林地內的空氣負離子濃度略有回升。從不同[CM）]

[TPLY2222.tif]

月份的空氣離子評價系數CI看（表4），11月的空氣質量達到清潔水平，為0.753 6，而1月僅為0.231 2，處于輕污染程度。

2.34種林地空氣負離子濃度與主要影響因子的關系

溫度、濕度、風速、光照以及空氣中顆粒物的濃度等都是影響空氣負離子濃度的重要因素，根據2015年11月至2016年4月所監測到的數據， 并將每月所得的空氣負離子濃度均值與其他環境要素均值進行相關性分析并擬定回歸方程。

2.3.1負離子濃度與空氣顆粒物的關系

對可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）月平均值進行分析得到圖3，從圖中可知，檢測期間，空氣顆粒物濃度較高，其中細顆粒物平均濃度最高為164.3 μg/m3，可吸入顆粒物平均濃度最高達344.3 μg/m3；PM2.5濃度與PM10濃度月變化規律基本一致，從開始供暖后濃度逐漸升高，在1月時達到峰值，2月時突然下降，3月至4月逐漸下降，這可能與2月時宿遷市的一場降雪使空氣顆粒物濃度急速下降有關。

[FK（W21][TPLY3333.tif]

將4種林地內的空氣負離子濃度月均值與對應的PM10濃度和PM2.5濃度的均值進行分析得到圖4，通過空氣負離子濃度與PM10和PM2.5曲線擬合，發現都呈明顯的負相關關系，其中PM10的回歸方程為y=-0.577x+398.229（圖4-A），y為空氣負離子濃度，r2為0.087，對模型進行檢驗，F=22617，遠大于1，顯著性水平P<0.01，具有顯著的統計學意義；PM2.5的回歸方程為y=-1.191x+396.133（圖4-B），y為空氣負離子濃度，r2為0.083，對模型進行檢驗，F=21589，遠大于1，顯著性水平P<0.01。

2.3.2負離子濃度與氣象因子的關系

負離子濃度與氣象因子的關系見圖5，在大于-1 ℃時，空氣負離子濃度與溫度呈顯著正相關，回歸方程為y=4.927x+212.81（圖5-A），y為空氣負離子濃度，x為溫度，對模型進行檢驗，F=5.05，P<005，具有統計學意義；監測范圍內的平均相對濕度范圍為38.2%～87.8%，在此范圍內，空氣負離子濃度與空氣相對濕度呈顯著正相關，回歸方程y=4.109x+8.477（圖5-B），y為空氣負離子濃度，x為相對濕度，r2為0.063，對模型進行檢驗，F=15.887，P<0.01；對大于0.01 m/s 的風速與空氣負離子濃度進行分析，2者呈顯著負相關，即隨著風速增大，空氣負離子濃度下降，擬合方程為y=-74.78x+318.641（圖5-C），其中y為空氣負離子濃度，x為風速，r2為0.034，對相關

[FK（W23][TPLY4444.tif]

模型進行檢測，F=6.324，P<0.05，具有顯著的統計學意義；此次檢測的平均光照范圍為0～82 048 lx，通過分析，2者呈顯著負相關，其擬合曲線方程為y=-0.003x+322.152（圖5-D），其中y為空氣負離子濃度，x為光照強度，r2為0086，對模型進行檢測，F=16.750，P<0.01，具有顯著的統計學意義。

3結論與討論

供暖季4種林地及對照內空氣負離子濃度按從大到小排序為日本早櫻純林、旱柳-廣玉蘭混交林、水泥廣場、多樹種復層針闊葉混交林、雪松-國槐混交林，均值處于223～305個/cm3之間，空氣負離子濃度均較低，與穆單等在冬季佳木斯綠地中監測的279個/cm3基本接近[10]。供暖季前后溫度降低，且植物處于落葉和休眠狀態，而光合作用是產生負離子的重要來源之一[15]，導致空氣負離子濃度不斷減少。結合其他復合因素[16]，空氣離子評價系數CI也處于較低水平。而無綠化的水泥廣場高于多樹種復層針闊葉混交林和雪松-國槐混交林，這可能是因為供暖季時大氣污染物量增大，而大氣結構穩定。農鋼等認為環境中的煙霧會大大降低空氣負離子濃度，故具有密集結構的雪松-國槐混交林和多樹種復層針闊葉混交林內污染物不易擴散，致使該型綠地的空氣負離子濃度甚至低于無綠化的廣場[17]。[JP2]

4種林地的空氣負離子濃度在監測期段內除峰值均出現在13：00左右外，日變化無穩定的趨勢。針對空氣負離子濃度的日變化特征，不同學者結論各異，多數認為呈雙峰變化趨勢[18-21]，但研究多為夏秋高溫季節。本研究中，學校大量的人為活動和衣物產生的靜電易于與空氣負離子結合，影響空氣負離[CM（25]子的存活時間。戈鶴山等也研究得出，人為活動密集的地[CM）]

[FK（W21][TPLY5555.tif]

方空氣負離子濃度較低。另外供暖期污染物的日變化也會影響空氣負離子濃度，使得空氣負離子濃度變化出現交替[22]。

4種林地和對照月變化趨勢基本一致，空氣離子評價系數CI在11月最高為0.7536，而1月僅有0.231 2，從季節上看冬季低，春秋季次之，與多數研究結果[23-24]一致。

研究期間，PM2.5與PM10濃度的月變化規律基本一致，氣顆粒物濃度較高，細顆粒物和可吸入顆粒物最高平均濃度分別達到164.3 、344.3 μg /m3，與國家空氣Ⅱ類標準（PM10為150 μg /m3，PM2.5為75 μg /m3）相差較大；PM10和PM2.5均與空氣負離子濃度呈顯著負相關，這與章志攀等研究結果[25]一致。多數學者認為，空氣負離子能有效降低空氣中的顆粒物濃度，可以通過改善綠地結構、增加空氣負離子濃度，實現凈化空氣的作用[16，26]。

空氣負離子濃度與溫度和濕度有顯著關系，但規律不一，吳楚才等認為，空氣負離子濃度與溫度呈負相關，與濕度呈正相關[4，27]；邵海榮等認為，空氣負離子濃度與溫度呈正相關，與濕度呈負相關[28]。筆者與韋朝領等認為空氣負離子濃度與溫度和濕度都呈顯著正相關[24]。

本研究結果表明，供暖季4種林地及對照內空氣負離子濃度均較低，具有濃密結構的雪松-國槐混交林和多樹種復層針闊葉混交林內空氣負離子濃度甚至低于無綠化的廣場；空氣負離子濃度與PM10和PM2.5均呈顯著負相關關系，與空氣中的溫度和濕度都呈顯著正相關關系，所以可以通過改善綠地結構、增加空氣負離子濃度，實現凈化空氣作用。

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