濕地環境中負（氧）離子研究概述

朱怡諾 ，崔麗娟 *，李 偉

（1.中國林業科學研究院濕地研究所，北京 100091；2.濕地生態功能與恢復北京市重點實驗室，北京 100091；3.北京漢石橋濕地生態系統國家定位觀測研究站，北京 101399）

近年來，人們愈加注重空氣質量的健康防護，被譽為“空氣維生素”的負氧離子在空氣質量評價中被經常提及，逐漸被大家所關注。同時，生態旅游行業的發達也使得健康的濕地環境越來越受到公眾的歡迎。空氣負（氧）離子作為濕地生態系統的重要生態服務產品之一，也成為各級政府和公眾關注的熱點，開展濕地環境中負（氧）離子的監測研究，對增強人們對濕地生態質量的認識，完善我國當前環境監測的相關指標及體系等具有十分重大的意義。

1 基本概念

大氣分子或原子通過化學反應和物理變化的綜合作用產生空氣負離子。在正常情況下，氣體分子及原子內的正負電荷相等，但在宇宙射線、電磁波、巖石和土壤的射線等外界電離源以及各類氣象活動等外力作用下，大氣中的某些氣體分子和原子失去外層電子，成為自由電子，游離的自由電子又會與其他中性分子相結合，使這些氣體分子帶負電荷，被稱為“空氣負離子”（王薇和余莊，2013）。這些中性分子對于自由電子的吸附能力不同，氧氣分子更具親電性，空氣電離產生的自由電子大部分被氧氣分子獲得，形成小的負氧離子團，這就是通常所說的“負氧離子”（邵海榮等，2000）。負氧離子屬于負離子的一種，但在目前負氧離子相關研究中，并沒有區分出負離子與負氧離子，相關行業標準（LYT 2586-2016）將帶有負電荷的單個的氣體分子及輕離子團進行定義，統稱為負（氧）離子。

2 濕地環境中負（氧）離子產生機理

關于自然界中負（氧）離子的產生有眾多研究，但在濕地環境中空氣負（氧）離子的產生主要有以下機理：

（1）植物效應：濕地植物可進行光合作用，形成光電效應，從而使空氣電離而產生負離子；許多植物的莖、皮、葉等器官或組織分化成針狀結構，發生“尖端放電”作用為誘導產生負（氧）離子（彭輝武等，2013）。此外，一些植物所分泌出的萜烯類和芳香類物質能促使空氣電離產生豐富的負（氧）離子（王薇和余莊，2013）。

（2）Lenard效應：濕地環境中暴雨、瀑布的沖擊等使水分子發生碰撞破裂失去電子，而周圍空氣中的氧分子捕獲這些電子而成為負（氧）離子（邵海榮等，2005）。一般來說，水流速越大，Lenard效應越強（厲曙光等，2000；王薇，2014）。

（3）放射性物質誘導：大氣中的氧分子受太陽紫外線、宇宙射線和土壤中放射性元素物質等因素誘導發生電離，生成負 （氧）離子 （王薇和余莊，2013）。一般來說，湖泊、沼澤等濕地類型受太陽輻射直接影響程度較大（單晟燁，2016）。

（4）其他：閃電、雷暴、雪暴、風暴以及其他形式的放電現象以及雨水的分解等都能在空氣中誘發負離子，從而增加空氣負（氧）離子的濃度（胡國長，2008）。

3 負（氧）離子觀測技術

目前，國家林業局針對負（氧）離子的濃度監測發布了《空氣負（氧）離子濃度觀測技術規范》、《空氣負（氧）離子濃度監測站點技術規范》等林業行業標準；作為國家標準，《空氣離子測量儀通用規范》也對濕地環境中空氣負（氧）離子濃度監測設備、方法等有了指導作用。

3.1 觀測設備

空氣負（氧）離子設備需執行《大氣負離子自動觀測儀功能規格需求書（第2版）》（氣測函[2016]19號）標準。濕地環境中負（氧）離子觀測設備可分為固定式和移動式。固定式監測設備可常年固定安裝在需要進行監測的場地，全天24h持續地自動采集空氣負（氧）離子濃度數據；移動式監測設備在監測場內由人工操作，監測完畢帶回室內保管。國家林業局在2016年發布了以固定監測為主要監測設備的《空氣負（氧）離子濃度監測技術規范》行業標準。

空氣負離子的濃度表示為：1cm3空氣中所含有的負離子的數量，單位為“cm-3”。國內景區內空氣負氧離子監測使用的儀器種類繁多，主要包括日本生產的KEC系列負（氧）離子測試儀，美國的AIC系列負離子檢測儀，目前國產負氧離子監測儀器應用逐漸增多，主要有DLY系列、EP系列大氣離子測量儀等（王薇等，2013）。測定原理是空氣通過吸氣機，均勻穿過離子收集器，此時對離子收集器的極化板施加一定的電壓，從而形成電場，使得空氣負離子在電場力的作用下偏向收集板并撞擊，從而產生放電效應形成電流，再通過電流檢測電路檢測該電流，再換算出負（氧）離子濃度（周慧萍，2016）。

3.2 觀測方法

一般來說，負（氧）離子的監測儀器應該置于距離地面的垂直高度為1.4m的位置，大體與成年人在標準姿態下的呼吸高度相同。固定式負（氧）離子濃度監測設備觀測采集頻率以1條數據組/min計，全天24h連續自動采集。對于便攜式設備，目前大多數研究學者常規采用統一觀測點的不同方位，即每個測量點選取2-4的方向，每個方向讀取3-5個峰值并記錄，分析其平均值（邵海榮等，2005；關蓓蓓，2015；單晟燁，2016）。

4 濕地環境中負（氧）離子濃度影響因素

濕地的類型較多，植被與水體的面積十分廣泛。通過歸納濕地環境中負（氧）離子的產生機理，分析濕地環境中負（氧）離子的濃度受植被、水體特征、氣象要素、環境因子等因素影響。

4.1 植被

有研究表明，生物多樣性與空氣負離子濃度呈正相關。組成結構較為復雜的植物群落比單層結構植物群落能產生更多的負（氧）離子（吳志萍等，2007）。此外，光照強度的不同，植物光合作用強度也會發生改變，從而對周邊空氣負離子濃度產生影響（Wang et al，2009）。在濕地環境中，植物是產生負（氧）離子的重要因素之一。但若濕地植物生長密度過高，導致區域環境內與周邊區域間的空氣流通性較差，空氣負離子遷移率較低，也造成濕地環境產生和積累空氣負離子的作用較弱（單晟燁等，2015）。

4.2 水體特征

環境中有無水體對空氣負（氧）離子濃度影響顯著（季玉凱，2007）。由于水體的蒸發效應，容易形成相對濕度比較高的微環境，于是水分子容易將懸浮的顆粒物進行包裹，并使其下墜，因此，空氣中的負離子得以存活更長的時間，并積累更多的數量。在濕地環境中，水體狀態、水域面積、水域距離等因素對負（氧）離子濃度有一定影響。

不同水體形態的空氣負（氧）離子濃度不同，單晟燁等（2016）的實驗結果表明，在河流、湖泊濕地等水域環境中，Lenard效應比較強的水岸地帶是空氣負氧離子分布的主要區域；對于湖泊、沼澤等靜態水體區域中的空氣負離子，其分布差異不甚顯著，而瀑布、河流等動態水體區域中，空氣負離子的分布呈現著十分顯著的差異性。瀑布、跌水等動態水體環境的產生的負離子明顯多于湖泊等靜態環境，流水速度對江河、溪流產生負離子的效率也有一定的影響（張兵等，2016；季玉凱，2007）。

距離水體的遠近也會對濕地負離子濃度產生較大的影響，濕地對城市局部環境具有明顯的增加負（氧）離子濃度的作用，且距離濕地越近，負（氧）離子濃度增加越明顯（崔麗娟等，2015）。也有研究表明，水域面積的大小與空氣負離子濃度呈正相關（吳楚材等，2001；季玉凱，2007；關蓓蓓，2015）。

4.3 氣象因子

氣象要素表示為某空間位置在特定的時間氣候情況下的大氣變量或現象，如溫、壓、濕、風、降水、雷電，目前對于氣象因子與空氣負（氧）離子濃度相關性的研究比較多，但結論并不統一。

4.3.1 溫濕度

多數學者認為空氣負（氧）離子濃度與空氣溫度呈顯著負相關，與空氣濕度呈顯著正相關（吳楚材等，2001；張雙全等，2011；吳作明等，2011）。 也有人截然不同的意見，認為空氣負離子濃度與土壤、空氣溫度呈正相關，與相對濕度呈負相關（邵海榮等，2000；葉彩華等，2000）。季玉凱（2007）的實驗結果表明，在一定的范圍內，空氣的溫濕度越大，空氣負（氧）離子的濃度也會隨之越來越大，在溫濕兩方面同時產生變化的情況下，空氣中負（氧）離子的變化率也會增加。也有實驗結果表明不同季節負（氧）離子濃度與溫濕度相關性也會發生改變（Laakso L，2003），但變化并不明確（韋朝領等，2006；王薇等，2013；單晟燁，2016）。 這可能是受到研究樣地的差異，樣地所在地的氣象條件不同等原因所導致的，也有待于進一步的研究。

4.3.2 風速

對于風的流速與空氣負（氧）離子濃度的關聯性同樣存在不同觀點。相關研究表明，不同濕地類型中，風速和空氣負（氧）離子的濃度的相關性也存在不同。單晟燁（2016）對湖泊、沼澤、河流、瀑布等環境中的負（氧）離子進行相關性研究分析，沼澤和河流環境中，風的流速與負（氧）離子的濃度變化呈現為極其明顯的正向相關性，而湖泊環境中，負（氧）離子濃度則與風的流速形成負向關聯，瀑布中風速與空氣負（氧）離子沒有明顯的關聯性。厲曙光等（2000）對噴泉附近的負（氧）離子同局部氣象之間進行分析結果表明，風速同負離子濃度有弱相關性。也有學者認為負（氧）離子濃度和風速沒有相關性（夏玲搖等，2017；黃世成等，2012）。 大部分學者認為風速對空氣離子的影響機制比較復雜（張志永等，2014；金琪等，2015）。

4.3.3 降水

之前學者的研究大多表示，降水情況與空氣負離子的濃度變化有著明顯的關聯。不同天氣情況下空氣負離子濃度水平依次為雨天高于晴天高于陰天 （徐猛等，2008；張寶貴等，2009；李吉玫等，2013）。駱世娟等（2011）對艾溪湖濕地公園進行負（氧）離子濃度檢測，結果顯示降水量跟負離子含量成正比態勢。趙艷佩（2014）認為在剛剛降雨結束之后的一段時間里，空氣負離子濃度比晴空萬里和陰云密布的天氣都明顯要高。

4.3.4 雷電

有研究學者監測到雷雨過后空氣負離子濃度的增幅明顯，負（氧）離子濃度與雷電活動正相關（黃文鑫，2009；曹建新等，2017）。 這是因為雷電有著電離作用，而空氣負離子可以由電離作用進行大量的產生，在相對較短的時間里，其產生的空氣負（氧）離子量要遠大于降雨過程中所產生的量。

4.4 空氣污染物

空氣負離子濃度與環境污染程度相關性研究較多。空氣中懸浮物顆粒、溫室氣體濃度以及其他大氣污染物濃度均與負離子濃度呈顯著的負相關（V.S.Sawant et al，2010； 金琪，2015）。 張寶貴等（2009）對北戴河濕地負（氧）離子分布規律進行研究，認為負（氧）離子的濃度與該區域里PM10的濃度有著負相的關聯性，同一空間內，PM10的濃度若比較高，則負（氧）離子的濃度就會比較低；施巍峰（2014）對崇明島濕地公園進行負（氧）離子的檢測，其結果表明負（氧）離子的濃度和大氣的污染程度呈反比，超量的人類生活生產活動及汽車尾氣使得大氣環境中顆粒懸浮物及CO2的增加，這些污染物的吸附負作用會導致負氧離子濃度的下降。

5 問題與展望

5.1 存在問題

空氣負（氧）離子所具有的醫療保健作用被廣泛關注，不同環境中空氣負（氧）離子的相關研究逐漸增多，大部分研究主要側重于不同地點 （水體、森林、城市等）的時空分布規律及其影響因素。人們認識到空氣負（氧）離子影響著森林環境，并且對城市化過程導致的城市氣體條件及生態環境等的消極影響進行著有效改善，但是針對于濕地環境中的空氣負（氧）離子的相關研究還處于比較不足的狀態。

目前，濕地環境中空氣負（氧）離子測試方法沒有統一的規范，濕地環境較為復雜，影響空氣中負（氧）離子濃度的因素眾多，目前的檢測技術和設備尚無法定量區分不同來源或途徑的空氣負（氧）離子比例。植物作為產生空氣負（氧）離子的重要要素，目前并沒有相關研究從機理上定量揭示濕地植被對濕地環境中空氣負（氧）離子的貢獻。

5.2 展望

空氣負（氧）離子測量儀器較靈敏，數值變化較大不穩定，要進一步改進現有空氣負（氧）離子測量儀器，使其可以在各類的旅游條件之下進行監測。隨著生態旅游業的發展，濕地環境愈加受到人們的喜愛和歡迎。在濕地環境中利用空氣負（氧）離子的分布特點和影響因素等方面開展觀測研究，重點在于從光合生理過程方面，定量研究濕地中植物的光合作用的強度對空氣負（氧）離子濃度所產生的貢獻；研究濕地環境中空氣（負）氧離子的運動特征、發生機制以及與空氣質量的關系，從而為綜合評價濕地生態環境狀況提供客觀依據，并為今后的濕地規劃和環境的治理與保護提供科學理性的依據和規劃思路。

[1] 曹建新,張寶貴,張友杰.海濱、森林環境中空氣負離子分布特征及其與環境因子的關系 [J].生態環境學報,2017,26(8):1375-1383.

[2] 崔麗娟,康曉明,趙欣勝,等.北京典型城市濕地小氣候效應時空變化特征 [J].生態學雜志,2015,34(1):212-218.

[3] 單晟燁.水體空氣負離子分布及其生態價值估算[D].2006,哈爾濱師范大學.

[4] 關蓓蓓.上海市崇明島生態用地空氣負離子特征及其主要影響因子研究[D].2015.,華東理工大學.

[5] 季玉凱.棋盤山風景區空氣負離子分布與變化規律的研究[D].2007,沈陽農業大學.

[6] 金琪,嚴婧,楊志彪,等.湖北春季大氣負氧離子濃度分布特征及與環境因子的關系[J].氣象科技,2015,43(4):728-733.

[7] 胡國長.不同林分類型空氣離子的時空分布及其影響因素研究[D].2008,南京林業大學.

[8] 李慧.貴州省部分森林公園空氣負氧離子資源初步研究[D].2008,貴州大學.

[9] 厲曙光,劉琦.噴泉產生的空氣負離子及其影響因素的研究[J].環境與健康雜志,2000.17(4):205-207.

[10] 駱世娟,章維東,苗潔,等.艾溪湖濕地公園空氣負離子濃度及其與氣象因子的關系[C].2011,氣象綜合探測技術研討會.

[11] 彭輝武,鄭松發,劉玉玲,等.珠海淇澳島紅樹林群落空氣負離子濃度特征研究 [J].北京林業大學學報,2013,35(5):64-67.

[12] 邵海榮,賀慶棠.森林與空氣負離子[J].世界林業研究,2000,13(5):24-30.

[13] 邵海榮,賀慶棠,閻海平,等.北京地區空氣負離子濃度時空變化特征的研究 [J].北京林業大學學報,2005,27(3):35-39.

[14] 王薇,余莊.中國城市環境中空氣負離子研究進展[J].生態環境學報,2013,22(4):705-711.

[15] 王薇.空氣負離子濃度分布特征及其與環境因子的關系[J].生態環境學報,2014,23(06):979-984.

[16] 韋朝領,王敬濤,蔣躍林,等.合肥市不同生態功能區空氣負離子濃度分布特征及其與氣象因子的關系[J].應用生態學報,2006,17(11):2158-2162.

[17] 吳楚材,鄭群明,鐘林生.森林游憩 空氣負離子水平的研究 [J].林業科學,2001,37(5):75-81.

[18] 吳志萍,王成,許積年,等.六種城市綠地內夏季空氣負離子與顆粒物 [J].清華大學學報:自然科學版,2007,47(12):2153-2157.

[19] 徐猛,陳步峰,粟娟,等.廣州帽峰山林區空氣負離子動態及與環境因子的關系[J].生態環境學報,2008,17(5):179-185.

[20] 張寶貴,孫麗華.秦皇島市空氣污染與氣象要素的關系[J].氣象與環境學報,2009,25(4):43-47.

[21] 張兵,儲雙雙,張立超,等.廣東車八嶺國家級自然保護區空氣負離子水平及其主要影響因子 [J].廣西植物,2016,36(5):523-528.

[22] 張雙全,譚益民,吳章文.空氣負離子濃度與空氣溫濕度的關系研究 [J].中南林業科技大學學報,2011,31(4):114-118.

[23] 趙艷佩.上海市環境空氣負離子分布規律及其與影響因子的關聯性研究[D].2014,上海師范大學.

[24] Laakso L,Hussein T,Aarnio P,et al.Diurnal and annual characteristics of particle mass and number concentrations in urban,rural and Arctic environments in Finland[J].Atmospheric Environment,2003,37(19):2629-2641.

[25] Wang J.,Li S.H..Changes in Negative Air Ions Concentration under Different Light Intensities and Development of a Model to Relate Light Intensity to Directional Change[J].Journal of Environmental Management,2009,90(8):2746-2754.

[26] Sawant V.S.,Meena G.S.,Jadhav D.B..Effect of Negative Air Ions on Fog and Smoke[J].Aerosol and Air Quality Research,2010,12:1007-1015.