北京城市森林空氣負離子與臭氧特征及相互作用

李 嬡 魯紹偉 李少寧 趙 娜 徐曉天

（1. 沈陽農業大學，遼寧 沈陽 110866；2. 北京市林業果樹科學研究院，北京燕山森林生態系統定位觀測研究站，北京 100093）

空氣負離子（NAI）是帶負電荷的單個氣體分子和輕離子團的總稱[1]。Luts[2]指出負離子在穩定的狀態下，以O2·-占據主導地位，因此NAI又稱負氧離子。NAI作為衡量和評價空氣質量高低的重要指標之一，對人們的情緒、記憶以及行為有影響，有助于使人在運動后恢復生理反應[3]，還能減少霧氣、煙霧、車輛尾氣對人體的傷害等[4]，具有殺菌、降塵、清潔空氣的作用[5]。我國已于2008年將NAI濃度列入森林生態系統服務功能的一項評價指標。這些研究表明，NAI對人類的健康問題以及生存環境有著重要的作用。

臭氧（O3）是地球大氣中一種微量氣體，它是由于大氣中氧分子受太陽輻射分解成氧原子后，氧原子又與周圍的氧分子結合而形成的，含有3個氧原子。O3污染對大氣能見度、人類健康和氣候變化造成了負面影響，尤其是在人類健康方面，許多的流行病學研究發現O3與早死有關聯[6-7]，最近一項研究報告指出，在中國經濟發達地區（如京津冀地區），O3已取代PM2.5成為主要污染物[8]。近年來對于NAI濃度的研究大多數都密切關注其自身的時空變化特征[9-11]，也有研究發現NAI濃度與溫度、濕度、環境污染、風效應指數密切相關[12-15]，與大氣污染物（如顆粒物、二氧化氮、二氧化硫等）有一定的相關性[16-17]，而NAI與O3都來自于空氣中的氧分子，卻很少有人關注于二者的相關關系。

城市森林是城市中有生命的基礎設施，與城市居民的聯系最為密切，具有一系列的生態保健功能，在保護人類生存和健康方面發揮著越來越重要的作用，其生態功能和生態效益日益受到環保、園林部門的重視以及城市居民的關注[18]。城市森林環境中的空氣負氧離子能促進和維護城市居民健康[19]，而且森林環境中樹木葉片的存在更有利于植物清除包含O3等在內空氣污染物[20]。因此，本研究致力于探討城市森林公園中NAI濃度和O3濃度的時間和空間變化特征以及二者的相互作用，為城市公園綠地規劃和管理提供參考依據，對建設高質量的城市公園綠地具有實際應用價值，對指導居民進行合理的綠地游憩活動具有借鑒意義。

1 研究方法

1.1 研究地概況

研究地位于北京市（東經115.7°～117.4°，北緯39.4°～41.6°），屬于北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。全年無霜期180～200 d，西部山區較短。降水季節分配很不均勻，全年降水的80%集中在夏季6—8月，7—8月有大雨。

研究選取北京市的4個城市森林公園：北京朝陽公園（東經116.45°，北緯39.92°）、南海子郊野公園（東經116.47°，北緯39.77°）、北京西山森林公園（東經116.19°，北緯39.97°）和北京松山國家級自然保護區（東經115.82°，北緯40.50°），園內均設有城市森林生態環境監測站，4個城市森林公園的環境特征見表1。監測點主要綠地類型為針闊、喬灌草混交林，森林樹種主要有側柏（Platycladus orientalis）、油松（Pinus tabulaeformis）、刺 槐（Robinia pseudoacacia）、蒙古櫟（Quercus mongolica）等基本代表了北京城市森林公園的植被特征。

表 1 城市森林公園的具體環境特征Table 1 Environmental characteristics of urban forest parks

1.2 數據采集

4個城市森林生態環境監測站分別設置49i型雙光室紫外光度法O3分析儀（Thermo Fisher Scientific，美國）和Yconetest-500負離子自動監測系統（廣東佛山云創氣象服務技術有限公司，中國），對O3濃度及NAI濃度實行野外自動在線監測，頻次為1 h測定1次，全天24 h不間斷采樣。根據氣候統計法，選取2018年夏季（2018年6—8月）和2018年冬季（2018年12月至2019年2月）的數據進行分析。

1.3 數據處理與分析

通過計算NAI濃度和O3濃度的日平均濃度來研究其季節變化；同時為降低誤差，選取了2個季節晴朗無風連續3 d的數據，平均了所有時間點的濃度來研究NAI濃度和O3濃度的日變化。世界衛生組織規定的清新空氣負氧離子標準濃度為1 000～1 500 ion/cm3，一級空氣質量標準濃度為2 000 ion/cm3以上[21]。每日最大1 h平均濃度是指任何1 h污染物濃度的算術平均值，每日最大8 h平均濃度指連續8 h污染物的算術平均值，也稱8 h滑動平均。 GB 3095—2012[22]規定O3每日最大1 h濃度（O31 h max）和每日最大8 h平均濃度（O38 h max）一級標準限值分別為160 μg/m3和100 μg/m3。通過研究污染比較嚴重的公園來確定北京市森林公園的NAI濃度是否達到標準，由于南海子公園是北京市的近郊開發區，污染相對比較嚴重，且植被覆蓋率在4個公園中最低，生成負離子濃度條件不高，所以本文只研究了南海子公園的季節變化。

根據各站點的地理位置劃分北京市各區域，統計不同區域NAI濃度和O3濃度，比較空間變化。為了分析NAI濃度與O3的相關性，采用雙尾檢驗進行了統計分析，結果表明這些數據不服從正態分布。然后，計算Pearson相關系數量化NAI濃度和O3之間的相關性。所有P值均為雙尾，P＜0.05具有統計學意義。所有的分析均使用Origin 2018軟件。

2 結果與分析

2.1 NAI濃度與O3濃度的時間變化特征

2.1.1 NAI濃度與O3濃度的季節變化特征

北京近郊開發區南海子公園夏季NAI濃度和O3日均濃度明顯高于冬季，見圖1。由圖1可知，夏冬季NAI日均濃度分別為（1 761±57）ion/cm3和（1 481±78）ion/cm3，夏季NAI日均濃度比冬季高出300 ion/cm3左右；O3日均濃度分別為（36±10）μg/m3和（21±10）μg/m3，夏季O3平均濃度約為冬季的1.7倍。夏季剛開始NAI濃度變化趨勢比較穩定，7月第2周開始NAI濃度變化幅度較大，最大值與最小值相差353 ion/cm3；冬季NAI濃度在1 500 ion/cm3上下浮動，在2月的時候突然下降到1 500 ion/cm3以下。夏季O3濃度在7月中旬之前O3日均濃度變化浮動較大，最大值與最小值相差45 μg/m3，中旬之后O3濃度降低，變化趨于穩定；冬季O3濃度的變化趨勢呈逐漸遞增的趨勢，12月出現濃度的最低值6 μg/m3，次年2月濃度達到了最大值為46 μg/m3。因此，夏季NAI濃度和O3濃度的變化趨勢相反，冬季二者變化趨勢不明顯。

圖 1 南海子公園NAI和O3日均濃度Fig. 1 Diurnal concentration of NAI and O3 in Nanhaizi Park

2.1.2 NAI濃度與O3濃度的日變化特征

北京城市森林夏季和冬季NAI濃度呈現出不同的變化趨勢，見圖2。由圖2可知，夏季為“單峰單谷”曲線，冬季NAI濃度呈現“單峰”曲線；2個季節的O3濃度日變化趨勢相似，均呈現“單峰單谷”曲線。夏季NAI濃度日變化的總體規律為清晨（5：00—9：00）NAI濃度為高值區，出現當日的最高峰值；中午（11：00—15：00）為低值區，出現當日的最低峰值，傍晚之后NAI濃度開始回升。如圖2a所示，3個區域的NAI濃度日變化均表現出相似的特征，分別在7：00—9：00出現峰值，在15：00左右出現谷值。市中心、近郊淺山林區和遠郊山地林區NAI濃度最高分別為2 348、1 883 ion/cm3和2 465 ion/cm3，最低分 別 為2 016、1 590 ion/cm3和2 037 ion/cm3。冬季NAI濃度則呈現出與夏季不同的模式，3個區域NAI濃度變化趨勢相似（如圖2b所示），呈現“單峰”曲線，NAI濃度在0：00—7：00為低值區，7：00—8：00開始逐漸上升，在10：00—11：00左右出現一天當中的最高峰值，在2 000～2 300 ion/cm3之間，12：00—13：00開始下降，19：00—23：00回到低值區，隨后趨于穩定。

夏季和冬季不同區域的O3濃度差異比較明顯，且遠郊山地林區O3濃度始終低于其他2個區域。夏季O3濃度最低出現在早上7：00—8：00，遠郊區濃度最低，不超過20 μg/m3，而其他2個區域最低濃度為20～50 μg/m3；3個區域的O3濃度從8：00開始增加，直到15：00—17：00左右到達峰值，市中心O3濃度最高，達到200 μg/m3以上，近郊區次之，125 μg/m3，而遠郊區未到50 μg/m3；隨后呈現下降的趨勢，直到第2天清晨。冬季O3日變化規律與夏季相似，但波動幅度較小。O3濃度最低出現在8：00（遠郊區除外），15：00時上升到最高值，然后逐漸下降，直到次日早上。

圖 2 夏季和冬季NAI和O3平均日變化Fig. 2 Diurnal variation of NAI and O3 in summer and winter

2.2 NAI濃度與O3濃度的空間變化特征

由圖3a可知，夏季市中心公園O3濃度最大為（84±64）μg/m3，近郊淺山林區濃度次之（58±45）μg/m3，然后是近郊開發區（36±10）μg/m3，遠 郊 區O3濃 度 最 小（22±13）μg/m3，北 京 市中心污染程度比較嚴重，是近郊區O3濃度的1.5～2.5倍，是遠郊區的4倍左右。北京冬季O3濃度空間變化與夏季相似，從市中心到郊區呈遞減的趨勢，但整體變化趨勢不明顯，濃度變化范圍在15～30 μg/m3之間。

圖 3 夏冬季北京各區域NAI和O3的平均濃度Fig. 3 Average concentration of NAI and O3 in various regions of Beijing in summer and winter

由圖3b可知，NAI濃度空間變化特征夏季表現為市中心公園＞遠郊區公園＞近郊淺山林區＞近郊開發區，市中心公園NAI濃度最大，比遠郊區、近郊區淺山林區、近郊開發區濃度分別上升了7%、14%、19%；冬季NAI濃度變化趨勢與之類似，NAI濃度為1 500～2 000 ion/cm3，市中心NAI濃 度 最 大（2 002±90）ion/cm3，比 遠 郊 區、近郊淺山林區、近郊開發區分別升高7%、9%、26%。夏冬季遠郊區公園的NAI濃度次于市中心公園，說明NAI濃度變化與北京地區污染程度總趨勢不一致。

2.3 NAI濃度與O3濃度的相互作用

由圖4可知，夏季NAI濃度與O3濃度呈負相關關系（P＜0.01，r=-0.303），冬季NAI濃度與O3濃度呈正相關關系（P＜0.01，r= 0.388）。

圖 4 南海子公園夏季和冬季NAI濃度和O3濃度的散點圖Fig. 4 Scattered points of NAI and O3 concentrations in Nanhaizi Park in summer and winter

由圖5a可知，研究了夏季O3濃度對NAI濃度的影響，在4個O3max（日最大O3濃度）水平下，NAI濃度的日變化規律，發現越高的O3max濃度水平下，NAI濃度越低。當O3max＞50 μg/m3時，NAI濃度最低，且日變化顯著，最低值出現在14：00；當20 μg/m3＜O3max＜50 μg/m3時，NAI濃度較低，最低值出現在18：00；當O3max＜20 μg/m3時，NAI濃 度 最 高，日 變 化 不 顯 著。可 知，當O3max＞50 μg/m3時，會 影 響NAI濃 度變化。

圖 5 南海子公園不同濃度水平下NAI濃度與O3濃度的日變化Fig. 5 Diurnal changes of NAI and O3 concentrations in Nanhaizi Park

由圖5b可知，在冬季3個NAI濃度水平下，O3濃度呈現出相似的變化曲線。當NAI濃度＞1 500 ion/cm3時，O3濃度最高，每小時變化較大；當1 200 ion/cm3＜NAI濃度＜1 500 ion/cm3時，O3濃度與上一個NAI濃度水平相比，進一步降低；當NAI濃度＜1 200 ion/cm3時，O3濃度最低，每小時變化較小。總體而言，冬季NAI濃度水平越高，O3濃度越高。

3 結論與討論

北京近郊南海子公園夏季和冬季NAI日均濃度分別為（1 761±57）ion/cm3和（1 481±78）ion/cm3，達到了世界衛生組織規定的清新空氣負氧離子標準濃度。夏季和冬季O3日均濃度分別為（36±10）μg/m3和（21±10）μg/m3，且O31 h max和O38 h max均小于100 μg/m3，達到了GB 3095—2012[22]規定標準限值，說明北京城市森林公園符合我國風景區等空氣清潔地區的水平。

研究發現北京森林公園夏季NAI濃度和O3濃度均比冬季高。夏季植物受太陽日照時間長、紫外線強等因素，光合作用旺盛，其生長茂盛，降水量豐富，空氣濕度較大，為NAI的生產提供了極為有利的條件[23-24]，因此，夏季NAI濃度較高，這與國內其他森林公園的觀測結果一致[25]。O3的形成與其前體物和氣象因素有關[26]，夏季高溫和強的太陽輻射會導致光化學反應速率的提高，從而促進O3的生成[27]，所以夏季O3濃度高于冬季。

已有研究表明，NAI濃度的日變化峰值出現在日出前后，隨后開始下降，最低值出現在下午，然后又逐步升高[24-25,28]，但這些研究偏向于夏季和秋季，對于冬季NAI濃度的日變化幾乎沒有。本研究中夏季NAI濃度日變化趨勢和前人的研究一致，呈“單峰單谷”型，冬季則出現不同的變化趨勢，呈“單峰”型，且在正午11：00—12：00出現峰值，這是因為冬季正午的太陽輻射是一天當中最強的時候，空氣會電離產生更多的NAI。O3濃度在2個季節的日變化基本相同，夏季17：00和冬季15：00出現單峰。在這兩個季節，O3濃度峰值存在差別是由于夏季一直持續更高的太陽輻射和溫度而促進光化學反應形成O3[29]。

根據離城市中心距離可知，4個城市森林污染程度分別為朝陽公園＞南海子公園＞西山公園＞松山自然保護區，可以看出NAI濃度變化與這4個地區污染程度總趨勢不一致，說明與其他影響因素相比，城市污染梯度對城市森林中NAI濃度影響較小。邵海榮等研究表明北京地區NAI濃度從市中心向近郊、遠郊逐漸增大[11]。Liang等[30]研究發現城市化可以引起NAI濃度沿城鄉梯度的變化，但不會改變其時間變化規律；城市化對可以誘發NAI濃度沿城鄉梯度變化，但僅限于非植被或植被較少的地區（如開放空間），而在植被豐富的地區（如城市森林）則不明顯，是因為森林有更多的能夠促進電解的葉片生物量，其次森林釋放的芳香物質也可以促進空氣電離，增加森林中的NAI濃度[31]，這也是本研究中NAI濃度沒有隨著污染程度嚴重而呈現下降的趨勢的原因。

O3濃度在2個季節中由市中心公園向郊區公園呈下降趨勢，這種模式在夏季更為明顯，這與四個城市森林公園的污染程度有極大的關系。張紅星等[32]采用移動監測車對北京城市道路進行多點位連續測定地表O3濃度，其采樣管距離地面約3.3 m，研究發現北京O3濃度從市中心城區向郊區公園呈現上升趨勢。王占山等[33]通過對北京市35個自動空氣監測子站的O3濃度進行分析，得出北京市城區O3濃度相對較低，周邊區縣相對較高，生態植被優良的東北地區最高。本研究與前人的研究內容同為北京市O3的空間變化，不同的是，本研究對象是不同城市森林公園O3濃度的變化。由此可以看出，在大尺度上O3濃度從城區到遠郊逐漸增加，而城市公園的存在改變了這一規律，使得城區公園內的O3濃度比郊區公園高，原因是城區公園四周為高樓大廈，風速較低，不利于O3的擴散，且城區內溫度較高，光化學反應劇烈，有利于O3產生。

研究從不同季節的角度分析NAI濃度和O3濃度的相關性，發現NAI濃度和O3濃度在夏季呈顯著負相關關系，相關系數為-0.303，在冬季呈顯著正相關關系相關系數為0.388。趙艷佩[14]研究發現NAI濃度和O3濃度在1—5月呈顯著正相關，相關系數為0.265，同時也驗證了O3與其他污染物均呈顯著負相關，和NAI與其他污染物的相關關系一致，從側面驗證了O3與NAI之間的正相關性；曹建新等[9]研究發現NAI濃度和O3濃度全年呈顯著正相關，相關系數為0.217，NAI濃度和O3濃度呈正相關，這是因為空氣電離產生NAI過程中釋放的氧原子，會與空氣中的氧氣結合生成O3。

夏季NAI濃度和O3濃度呈負相關關系，可能與夏季植物生長茂盛有關。前人的研究不是在城市森林或公園中或者沒有單獨討論夏季二者的相關性，因此沒有植物的作用。有研究表明日間植物通過氣孔途徑吸收生態系統中80%的O3[34]；也有研究發現有些植物可以吸收空氣中的O3，并利用其體內的一系列酶如超氧化物歧化酶等進行轉化清除[35]；且植物自身釋放的一氧化氮和萜類等氣體能中和大氣中的O3等一系列研究表明植物降低空氣中的O3濃度[36]。相反，某些植物的葉片呈針狀等曲率半徑較小，具有尖端放電的功能，使空氣發生電離，NAI濃度增加；植物的葉表面在短波紫外線的作用下，也能夠發生光電效應，使NAI濃度升高[37]，李少寧等研究發現樹木生長季能提供更多的NAI[38]，所以說植物會影響NAI濃度和O3濃度相關性。

研究選取夏季和冬季北京市中心到遠郊區四個不同區域NAI濃度和O3濃度的數據進行分析，探討NAI濃度和O3濃度的時空變化特征及其相互作用，得到如下結論。時間變化上，北京城市森林夏季NAI濃度和O3平均濃度均高于冬季；夏季和冬季NAI濃度日變化分別呈現“單峰單谷”和“單峰”曲線；兩季節O3日變化趨勢相似，均呈“單峰單谷”曲線。夏季NAI濃度分別在7：00—9：00出現峰值和15：00左右出現谷值；冬季NAI濃度峰值在12：00左右；夏季和冬季O3濃度谷值在7：00—9：00，冬季峰值在15：00，比夏季早兩個小時左右。二者在夏季和冬季均具有明顯的日變化特征。空間變化上，NAI濃度變化表現為：市中心公園＞遠郊區公園＞近郊淺山林區＞近郊開發區；O3濃度變化表現為：市中心公園＞近郊淺山林區＞近郊開發區＞遠郊區。可見城市污染梯度對城市森林公園NAI濃度影響小，而O3濃度空間變化符合城市污染梯度。夏季NAI濃度與O3濃度呈負相關關系（P＜0.01，r=-0.303），冬季NAI濃度與O3濃度呈正相關關系（P＜0.01，r=0.388），說明植物的生長季與NAI濃度和O3濃度的相關性有關。