吉林地區空氣負離子及氣象因子的相關性研究

王智慧，韓 驍，王洪俊

(北華大學 林學院，吉林 吉林 132013)

1 引言

隨著我國城市化與工業化進程加快，使得城市生態環境遭到破壞，空氣污染問題日益突出，人們的生態保護意識逐漸增強，對于具備良好生態質量的度假環境的訴求愈加強烈，在閑暇之余更渴望回歸自然，黨的“十九大”報告提出“鄉村振興”戰略，鄉村作為城市人們親近自然、擁抱自然的主要場所，憑借其與城市距離的優勢、鄉土文化的傳承、政府政策的扶持。使其旅游業日益發達。

因為東北地區秋季秸稈處理不規范、莊稼收割高峰期、植物葉片凋落、霧霾嚴重等，旨在通過研究吉林周邊鄉村秋季空氣負離子、空氣溫濕度之間的關系，揭示鄉村綠地對空氣負離子濃度的影響機制，剖析不同垂直高度、不同功能綠地空氣負離子濃度的差異性原理，深入挖掘鄉村綠地的生態效益。對吉林地區鄉村的生態評估及生態環境優化有重要意義，可以為改善鄉村人居環境和東北地區鄉村旅游資源開發利用提供參考[1,2]。

2 研究區域概況

吉林市位于長白山區向松遼平原過渡地帶，自然環境優越，地貌類型復雜。為了深度分析鄉村空氣負離子濃度，探究空氣負離子與氣象因子的相關關系。根據松花江在吉林市的流向，分為上、中、下游，在三個地段選取35個村莊。上游臨近松花湖，中游位于吉林市城區附近，下游為穿過城區后的村莊。在每個村莊選取7種功能綠地(村委會、庭院、農田、鄉村道路、水邊綠地、垃圾站、公共活動區)各一塊，這些綠地均為村民活動最多的場所，具有代表性和研究價值。

3 測量方法

于2020年9～11月期間，選擇大氣狀態相對穩定、天氣晴朗的日間進行相關指標的監測。在35個村莊內的不同功能分區，分別進行空氣正負離子濃度、溫濕度、風速的監測。測定時間為8：00～17：00，由于空氣負離子濃度水平易受環境影響，為了盡量減少誤差，選擇測量垂直高度40 cm、80 cm、120 cm、160 cm處的空氣正、負離子濃度。并且每個高度讀取10個數值，經過篩選，去掉不合理的數值，最終以平均值代表該測量點的空氣正、負離子濃度[3]。

4 空氣負離子與溫度的相關關系

根據10月6日至11月10日的空氣負離子濃度與溫度的變化可知(圖1)，吉林周邊鄉村溫度在10月20日達到測量期間最大值；在10月22日達到最小值。空氣負離子濃度在10月20日達到最大值；在11月7日達到最小值。空氣負離子濃度在測量期間的變化趨勢，在一定程度上與溫度的變化趨勢出現相似。在個別的時間點也存在一定的波動，這說明，秋季溫度會影響空氣負離子濃度的變化，在一定的時間內，隨著溫度的增加，負離子濃度也增加，溫度的影響占主導位置。但有時其他影響因素會更容易影響空氣負離子的變化[4]。

運用SPSS軟件對吉林周邊鄉村上午、中午、下午、全天空氣負離子濃度及溫度進行相關性分析，結果如表1。按時間分為上午(8：00～11：00)、中午(11：00～14：00)、下午(14：00～17：00)和全天。空氣負離子濃度和溫度在上午和中午呈顯著正相關。在下午空氣負離子濃度與溫度的person相關性為-0.115，顯著性為0.061，不具備顯著性，但呈負相關。從全天的數據相關性來看，空氣負離子與溫度呈極顯著正相關。

圖1 空氣負離子濃度與溫度的變化曲線

表1 空氣負離子與溫度相關性

以測量期間一個月為基礎，對空氣負離子與溫度進行線性擬合，其中擬合結果的相關系數如表2與圖2。可見判定系數r的平方為0.011，因此擬合度較小，說明吉林地區秋季溫度不是空氣負離子濃度的主要影響因子。顯著性為0.005，由此可以看出溫度影響空氣負離子濃度變化是較為顯著的。且溫度對空氣負離子濃度的影響系數B為10.28>0，因此溫度為正向影響，溫度越高空氣負離子濃度越高。這主要是因為溫度與分子熱運動有關，由熱力學知識可知，溫度升高分子原子的動能提升，運動速度加快，氧氣被電離速度加快，空氣負離子增多，濃度升高[5,6]。

圖2 空氣負離子濃度與溫度的擬合方程

表2 空氣負離子濃度與溫度的模型參數估計值

5 空氣負離子與相對濕度的相關關系

根據測量期間10月6日至11月20日的空氣負離子濃度與空氣相對濕度的變化趨勢，如圖3可知，測量期間吉林周邊鄉村的相對濕度在11月5日達到最大值，在10月21日達到最小值。在測量期間相對濕度、空氣負離子濃度波動較大，每一天有明顯差異。空氣負離子濃度變化與空氣相對濕度的變化趨勢相反，存在一定的相關關系，但在個別時間點存在一定的波動。這說明，秋季空氣相對濕度會影響空氣負離子濃度的變化，在一定時間內空氣負離子濃度會隨著空氣相對濕度的增加而降低。這表明空氣負離子的產生與空氣相對濕度有關。

圖3 空氣負離子濃度與相對濕度的變化曲線

運用SPSS軟件對吉林周邊鄉村上午、中午、下午、全天空氣負離子濃度及相對濕度進行相關性分析，結果如表3。空氣負離子濃度和空氣相對濕度在上午呈極顯著負相關；在中午空氣負離子濃度與空氣相對濕度的pearson相關性為-0.130，呈負相關，但不具有顯著性；在下午空氣負離子濃度與空氣相對濕度相關性不明顯，且不具有顯著性。從全天的數據相關性來看，空氣負離子與空氣相對濕度呈極顯著負相關。由此看來，空氣負離子在上午與相對濕度的相關性較強，其余時間不太穩定。

以測量期間一個月為基礎，對空氣負離子與相對濕度進行線性擬合，其中擬合結果的相關系數如表4與圖4。可見判定系數r的平方為0.019，因此擬合度較小，說明吉林地區秋季相對濕度不是空氣負離子濃度的主要影響因子。顯著性為0.000，由此可以看出相對濕度影響空氣負離子濃度變化是極其顯著的。且相對濕度對空氣負離子濃度的影響系數B為-8.68<0，因此相對濕度對空氣負離子濃度為負向影響，相對濕度越高越高空氣負離子濃度越低。這主要是因為秋季植物處于衰落期，隨著植物生命力的減弱，因此對環境影響的作用有所衰退，對各環境因子的穩定性較小，同時植物對于空氣負離子濃度的作用減少，導致空氣濕度對空氣負離子濃度的影響不穩定。眾多學者的研究結果也有所分歧[5,7,8]。

表4 空氣負離子濃度與相對濕度的模型參數估計值

6 空氣負離子與風速的相關關系

根據測量期間10月6日至11月20日的空氣負離子濃度與風速的變化趨勢，如圖5可知，測量期間吉林周邊鄉村的風速在11月4日達到最大值，在10月20日達到最小值。在測量期間風速、空氣負離子濃度波動較大，每一天有明顯差異。空氣負離子濃度變化與風速的變化趨勢沒有明顯的關系，但在個別時間點存在一定的相關關系，空氣負離子會隨著風速的增加而降低[9]。這說明，秋季風速會對空氣負離子濃度有一定的影響，在一定時間內空氣負離子濃度會隨著風速的增加而降低，但作用不明顯。

運用SPSS軟件對吉林周邊鄉村上午、中午、下午、全天空氣負離子濃度及風速進行相關性分析，結果如表5。從全天的數據相關性來看，空氣負離子與風速的相關性不大，可能由于吉林鄉村秋季風速較大，測量期間變化較大，測量僅為一分鐘內的風速平均值，不具備代表性。且風速對于空氣負離子的影響比較持久，其他學者研究表明夏秋冬并未出現負離子與風速負相關的變化規律，相反，偶爾還會出現風速與空氣負離子正相關的情況[阿爾山地區負氧離子濃度]。因此認為在秋季風速不是影響空氣負離子濃度變化的主要因素。

圖5 空氣負離子濃度與風速的變化曲線

以測量期間一個月為基礎，對空氣負離子濃度與風速進行線性擬合，其中擬合結果的相關系數如表6與圖6。可見判定系數r的平方為0.004，因此幾乎沒有擬合度，F值為0.271表示兩組數據沒有顯著差異，說明吉林地區秋季風速對空氣負離子濃度的影響很小；且顯著性為0.603，由此可以看出風速影響空氣負離子濃度變化是不顯著的；統計學意義較小。且風速對空氣負離子濃度的影響系數B為-9.69<0，因此風速對空氣負離子濃度為負向影響，風速越大空氣負離子濃度越低。這主要是因為吉林秋季莊稼收割、霧霾嚴重、風速變化明顯，導致空氣負離子濃度與風速無顯著相關性，可能因為秋季植物葉片凋落。對環境的穩定性減弱，氣象不穩定、風速較大、使得空氣負離子濃度與風速無顯著相關性。

表5 空氣負離子與風速相關性

圖6 空氣負離子濃度與風速的擬合方程

表6 空氣負離子濃度與風速的模型參數估計值

7 結論討論

從整體來看，秋季空氣負離子濃度與溫度呈極顯著正相關的關系，與相對濕度和空氣顆粒物濃度呈顯著負相關，與風速的相關性并不顯著。隨著溫度的逐漸升高，植物光合作用能力增強，促使了空氣負離子濃度的升高，并且隨著溫度的升高，分子之間運動速率也會加大，從而增加了分子之間碰撞的幾率，也對提升空氣負離子濃度有一定的影響。相對濕度與空氣負離子濃度呈極顯著負相關關系，與一些學者研究結果一致，但是同時也有一部分學者認為空氣中相對濕度與空氣負離子濃度呈顯著正相關關系。本次實驗認為相對濕度在整個秋季與空氣負離子濃度呈極顯著負相關關系，在一天中，只有上午表現為極顯著負相關，中午時段表現為負相關，下午為正相關，但是中午和下午的顯著性均不明顯。這可能因受到其他環境因子的影響較大，導致了相對濕度影響空氣負離子濃度在一天之中的差異。根據實驗結果來看，風速與空氣負離子濃度的相關性并不明顯，當有陣風襲來時，風可以吹散或者吹來空氣中的粒子，同時風速的大小也可以影響空氣中粒子的運動速率的快慢，促使粒子之間相互碰撞，從而可以產生空氣負離子，同時風也可以促進空氣中的正負離子相互結合，發生電荷中和反應，因此風速與空氣負離子濃度的相關性并不明顯。但是風速這一因素仍然是影響空氣負離子濃度的一項重要因子，具體的顯著性還需要進一步的研究探討。根據實驗結果顯示空氣顆粒物與空氣負離子為極顯著負相關關系，這一結論與大部分學者研究結果一致。因空氣顆粒物自身本就帶有正電荷，空氣顆粒物可以與空氣負離子相互結合發生電荷中和反應，使之沉降。因此空氣顆粒物也是影響空氣負離子濃度的重要因素之一。