北京九龍山側柏林空氣負離子時空分布特征

余 海，郭 嘉，李恩杰，裴順祥，吳 迪，辛學兵＊

(1. 中國林業(yè)科學研究院華北林業(yè)實驗中心 北京 102300；2. 北京九龍山自然保護區(qū) 北京 102300)

空氣負離子（Negative air ion, NAI）不僅能夠降塵和清潔空氣，還能殺菌、提高人體免疫力和調節(jié)身體機能平衡，因而被稱為“空氣維生素和生長素”[1-3]。氣象和林業(yè)部門將空氣負離子作為氣象觀測數(shù)據(jù)的重要參數(shù)，其觀測結果被列為空氣質量評價的重要指標。伴隨空氣負離子受關注度的不斷提高，許多研究人員陸續(xù)在空氣負離子的生物學效應和臨床醫(yī)學功效[4-6]、空氣質量的定量評價[7-8]、空氣負離子的產(chǎn)生環(huán)境和機制[9-10]、空氣負離子濃度變化規(guī)律和影響因素[11-13]以及空氣負離子資源的開發(fā)利用[14]等方面進行了大量的研究。已有研究表明，森林的空氣負離子濃度遠遠高于城市室內，有的甚至可達到1 600倍[15]。

現(xiàn)如今，國內的專家學者更加側重對森林空氣負離子濃度進行監(jiān)測和分析不同環(huán)境因子對空氣負離子濃度動態(tài)變化的影響。在對森林公園內空氣負離子濃度日變化分布特征研究過程中，發(fā)現(xiàn)其日變化規(guī)律在不同的環(huán)境條件下會有所不同[16-18]。鵝凰嶂林區(qū)空氣負離子濃度觀測結果發(fā)現(xiàn)，林內、林緣相對位置會對空氣負離子濃度造成顯著的差異，林內顯著高于林緣[19]。湖南借母溪自然保護區(qū)的空氣負離子濃度分布具有很典型的垂直變化特征，先隨地勢升高而逐漸上升，在550 m附近濃度最高，之后又逐漸降低[20]，九華山景區(qū)的研究結果[21]也類似。河南省欒川老君山景區(qū)內各個典型地點空氣負離子濃度空間分布特征觀測也表明，空氣負離子濃度在不同海拔的差異比較大，在海拔1 500 m附近達到最大，但海拔相近生境相同類型的負離子濃度幾無差異[22]。

雖然國內對森林空氣負離子的研究已有不少，但現(xiàn)階段的研究區(qū)域主要集中在南方地區(qū)，北方地區(qū)尤其是華北一帶的相關研究尚少，并且由于南北地域、生態(tài)以及環(huán)境因素等差異對空氣負離子濃度的交叉影響，得出的研究結論也常出現(xiàn)較大的差異[23]。北京作為中國的首都，一座國際大都市、“美麗中國”窗口，人口密集，市民對高質量森林旅游資源的需求日益強烈。北京九龍山林區(qū)環(huán)繞人口聚居的門頭溝城區(qū)，是京西近郊森林旅游資源集中分布區(qū)，其地理位置十分優(yōu)越。本研究通過2016—2018年3年時間對北京九龍山森林內不同時間尺度（日、月）、不同空間結構（海拔高度、陰陽坡）的空氣負離子濃度變化特征進行分析，探索北京九龍山森林空氣負離子濃度變化規(guī)律，為建設宜居城市和開發(fā)森林旅游資源提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

北京九龍山位于北京門頭溝區(qū)東部，是京西生態(tài)公益林的重要組成部分，地處太行山北端東延余脈，屬太行山向華北平原過渡的低山山地，地理坐標位于115°59'～116°06' E，39°54′～39°57′ N。南北寬約6 km，東西長約10 km，地勢西高東低，境內最高峰——刺梅花坨位于北京九龍山西部，海拔990.31 m，山頂發(fā)育平坦；最低海拔100 m，位于北京九龍山最東端的草帽山東麓，谷地較開闊。土壤類型為山地褐土，土層普遍較薄，石礫含量高，是典型的華北石質山地。北京九龍山森林保護站周邊分布植被以栓皮櫟(Quercus variabilisBlume)、元寶楓(Acer truncatumBunge)和側柏(Platycladus orientalisL.)為主，樹種組成為6∶2∶2，平均胸徑13.1 cm，平均樹高7.3 m，郁閉度0.6，團狀分布荊條灌叢，灌草植被總覆蓋度75.0%，2016年至2018年夏季北京九龍山森林保護站有辦公區(qū)域改造項目施工作業(yè)；不同海拔觀測點所在側柏林林緣總體呈帶狀，林木平均胸徑10.5 cm，平均樹高7.5 m，郁閉度0.55，團狀分布荊條灌叢，灌草植被總覆蓋度45.0%；泗澗溝畫家村北山側柏林平均胸徑10.9 cm，平均樹高7.7 m，郁閉度0.8，均勻分布荊條灌叢，灌草植被總覆蓋度50.0%。門頭溝區(qū)屬中緯度大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥。年平均氣溫12.1℃，極端最高氣溫41.8℃（1999年9月24日），極端最低氣溫-22.9℃（1966年2月22日），夏季平均氣溫 25.03℃，冬季平均氣溫-2℃，年平均日照時數(shù)2 470 h，年平均降雨日數(shù)79 d，年平均降水量528.70 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗儀器 采用KEC-900空氣離子檢測儀（日本ONETEST公司）對空氣負離子濃度進行測量，檢測方式為平行電極，檢測范圍10～2 × 106個·cm-3，檢測時靈敏度設置在H段(10個·cm-3～19 990個·cm-3)，該儀器精度 ± 30%，分辨率為10個·cm-3，可在濕度小于95%的環(huán)境下連續(xù)測量。

1.2.2 試驗方法 本研究按不同日間時間、月份、海拔和坡向對空氣負離子濃度進行觀測。2016年到2018年每月選取3天，從8:00到18:00每隔2 h對北京九龍山森林保護站附近林緣進行負離子數(shù)據(jù)的采集；分別在海拔350，400，450，500，600，650，700，840 m距林緣線5 m的側柏林內、外各設置一處采樣點進行空氣負離子濃度的觀測；在泗澗溝畫家村北山選擇中坡位140 m的相同海拔，測量陰、陽坡空氣負離子濃度的大小，采集時間集中在2017年4月、8月和12月。上述空氣負離子濃度的觀測均在連續(xù)3個晴天后的第一個晴天開始觀測，保證觀測時氣象條件的穩(wěn)定，每次負離子的采樣觀測高度均為離地面1.5 m，每個觀測點按東、南、西、北4個方向讀取數(shù)據(jù)，求取平均值作為該次最終的負離子濃度觀測結果。每日觀測前，均通過FLZ1-ZW3型大氣負離子自動觀測系統(tǒng)（測量允許誤差：± 10%）對手持空氣離子檢測儀進行校正，具體校正方法如下，將兩臺儀器置于相同環(huán)境中，每隔20 s記錄兩個儀器負離子讀數(shù)，連續(xù)記錄20 min，建立手持儀器讀數(shù)為x軸，固定儀器讀數(shù)為y軸，建立散點圖及擬合曲線，該次手持儀器觀測數(shù)據(jù)均用以上擬合曲線校正。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 利用Microsoft Excel 2007軟件對采集得到的空氣負離子濃度數(shù)據(jù)進行記錄，并根據(jù)不同時間、海拔、林內和林緣、坡向進行歸類，采用SPSS Statistics 19.0軟件對測量出來的各組負離子濃度數(shù)據(jù)進行方差分析，最小顯著差數(shù)法(LSD)進行處理間顯著性檢驗，并分別繪制圖來進行對比與分析，圖中數(shù)據(jù)均采用平均值 ± 標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 北京九龍山空氣負離子的時間分布特征

2.1.1 空氣負離子濃度日變化特征 北京九龍山春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12—2月）4個季節(jié)空氣負離子濃度的日變化見圖1，夏季的空氣負離子濃度普遍高于其它季節(jié)（P＜ 0.05），不同季節(jié)的空氣負離子濃度日變化趨勢不盡相同。其中春季和夏季的空氣負離子濃度隨時間的變化趨勢相反；春季日變化趨勢是總體上呈先上升后下降，于12：00時左右會出現(xiàn)峰值；而夏季此時的空氣負離子濃度則處于谷值，但二者的空氣負離子濃度數(shù)值大小比較相近，約為700個·cm-3；春季和夏季的空氣負離子濃度在8：00—10：00時與16：00—18：00時均是略微平穩(wěn)上升。秋季與冬季的空氣負離子濃度日變化趨勢相同，都是先下降后上升，8：00—10：00時之間的空氣負離子濃度下降較快，10：00—16：00時處于平穩(wěn)下降，16：00—18：00時則快速上升。

2.1.2 空氣負離子濃度月變化特征 自2016年至2018年連續(xù)3年每月對北京九龍山空氣負離子濃度進行觀測記錄并處理，得到的結果如圖2所示；空氣負離子濃度隨月份時間變化呈波動起伏狀態(tài)，分別在5月和10月出現(xiàn)峰值（691個·cm-3，920個·cm-3），空氣負離子濃度處于谷值分別是3月份(225個·cm-3)、7月份（108個·cm-3)，其中7月份空氣負離子濃度約是10月份峰值的1/9，夏季附近的施工作業(yè)可能會對觀測結果有所影響。

2.2 北京九龍山空氣負離子的空間分布特征

2.2.1 空氣負離子濃度垂直梯度變化特征 北京九龍山側柏林內與林緣的空氣負離子濃度隨海拔高度增加的變化趨勢見圖3。隨著海拔高度的增加，側柏林內的空氣負離子濃度先升高后降低，在海拔高度為500 m時，處于峰值(533個·cm-3)；側柏林緣的空氣負離子濃度則呈現(xiàn)波動起伏變化，分別在海拔高度為400 m和600 m時出現(xiàn)峰值。海拔高度由450 m增加后，側柏林內的空氣負離子濃度大小都高于林緣的；海拔高度到達600～840 m范圍時，側柏林內和林緣的空氣負離子濃度大小比較接近（P＞ 0.05）；而且變化趨勢也幾乎一致。

圖3 側柏林內和林緣空氣負離子濃度垂直變化特征Fig.3 The vertical gradient changes of negative air ion concentration inside and at forest edge of P. orientalis

2.2.2 空氣負離子濃度的坡向分布特征 在4月、8月、12月分別于中午12：00時對北京九龍山泗澗溝地區(qū)對側柏林陽坡與陰坡觀測空氣負離子濃度，經(jīng)過整理分析得到的結果如圖4所示，在側柏林陽坡，8月的空氣負離子濃度約是4月的3倍，而在陰坡，8月的空氣負離子濃度僅是4月的一半多；4月份，陽坡的空氣負離子濃度略低于陰坡（P＞ 0.05），而8月份、陽坡的空氣負離子濃度則明顯高于陰坡的（P＜ 0.05）；12月份，陽坡與陰坡的空氣負離子濃度大小幾乎無差異（P＞0.05）。

圖4 不同時間泗澗溝側柏林陽坡、陰坡空氣負離子濃度分布Fig.4 Negativeair ion concentration distribution on sunny-slope and shady-slope in Sijiangou forest of P. orientalis at different time

3 討論

3.1 北京九龍山空氣負離子濃度日間動態(tài)變化

本研究發(fā)現(xiàn)北京九龍山空氣負離子濃度日間變化在春季12:00時為最高值，而夏季則在12:00時達到最低值；導致這種現(xiàn)象的原因可能是春季氣候比較干燥，溫度在空氣負離子濃度變化中起主要作用，在春季，隨著日時間的推移，溫度也隨之變化，進而導致空氣負離子濃度的變化，中午12:00時，溫度最高，空氣負離子產(chǎn)生明顯增加，空氣質量也顯著提高；而在夏季，空氣比較濕潤，濕度、溫度和光照強度都會是影響空氣負離子產(chǎn)生的重要因素，中午12:00時，光照強度與溫度的變大，會降低空氣濕度，也會抑制植物光合作用，同時降低空氣負離子的產(chǎn)生，由此導致中午12:00時的空氣負離子濃度減少[24-25]。秋季與冬季的空氣負離子濃度日間變化趨勢相同，早晚比較高，在14:00時—16:00時范圍間，空氣負離子濃度會降到最低，可能由此段時間光照逐漸減弱，溫度下降，濕度也下降所導致的。夏季的日空氣負離子濃度高于其他季節(jié)的，主要取決于溫度和濕度，夏季溫度高、雨水多，空氣中水分子噴筒電效應和綠色植物的光電效應都較多，空氣負離子產(chǎn)生量也大[26]。此外，空氣負離子濃度同氣溶膠含量的變化密切相關。而空氣負離子濃度又受溫度、濕度和光照等因素的影響，所以一年四季北京九龍山森林保護站空氣負離子濃度以及空氣質量的日間變化既有溫度、濕度和光照強度日間變化所直接導致的，也有通過大氣氣溶膠含量變化間接導致的[27]。

3.2 北京九龍山空氣負離子濃度月份動態(tài)變化

北京九龍山空氣負離子濃度分別在5月和10月出現(xiàn)峰值，這個結果與奧林匹克森林公園[28]和北京地區(qū)[27]觀測的結果有所不同，主要區(qū)別是在6—9月植物季節(jié)性發(fā)育期間，北京地區(qū)和奧林匹克森林公園的空氣負離子濃度均高于5月的，且?guī)讉€月的空氣負離子濃度與空氣質量也比較平穩(wěn)，這也符合綠色植被的季節(jié)性發(fā)育影響空氣負離子濃度的論證[27]。而造成北京九龍山6—9月空氣離子濃度下降的原因可能是試驗誤差抑或該段時間周圍施工致使空氣中大量的粉塵。另外，側柏林內的空氣負離子濃度普遍高于無森林覆蓋的空地，也與劉洋和段文標等在蓮花湖庫區(qū)水源涵養(yǎng)林觀測的結果一致[29]，之所以側柏林內空氣負離子濃度會大大提高，是因為太陽光照射到側柏的尖端葉片會更容易發(fā)生光電效應[15]。總之5月和10月北京九龍山的空氣負離子濃度比較高。

學者普遍認為中國北方地區(qū)的空氣負離子濃度和空氣質量季變化規(guī)律是夏季最高[12,27,30]，這一點在本研究的空氣負離子濃度和空氣質量季變化也得到了印證。邵海榮等[27]人認為北京地區(qū)的空氣負離子濃度和空氣質量的變化特征順序是：夏季 ＞ 春季 ＞ 秋季 ＞ 冬季，潘劍彬等[28]和曹建新等[12]的研究結果表明的空氣負離子濃度和空氣質量變化特征順序為：夏季 ＞ 秋季 ＞ 冬季 ＞ 春季；本研究與潘劍彬和曹建新等人的結果相類似，這可能是北京地區(qū)夏秋兩季氣候高溫濕潤，保護區(qū)的植物在這兩個季節(jié)具有最佳的生長環(huán)境和狀態(tài)，進而起到了提高和改善空氣負離子濃度與空氣質量的作用。冬季空氣負離子濃度和空氣質量雖好于春季，但差異并不顯著，這可能與北京地區(qū)春季多風干燥，致使空氣中存在大量的懸浮顆粒物而影響了空氣負離子的形成機會和存活時間有關[31]。

3.3 海拔對北京九龍山空氣負離子分布的影響

北京九龍山側柏林內空氣負離子濃度先隨海拔高度的增加而升高，到達海拔500 m達到最高，之后逐漸降低，有著明顯的垂直變化規(guī)律。這與借母溪國家自然保護區(qū)和九華山風景區(qū)對空氣離子含量與海拔關系的研究結果一致[20-21]，與Reitier的研究結果有所偏差[9]；究其原因，可能是北京九龍山林區(qū)山麓一帶靠近居民居住區(qū)，汽車尾氣和生活爐灶排出的大量煙霧灰塵與空氣中的正負電荷發(fā)生中和形成中性分子，加上環(huán)境懸浮顆粒物增多，更容易吸附空氣中的負離子，導致空氣負離子變成重離子而沉降消失，另外也有可能是山麓的土壤層較厚，巖石裸露較少，山地巖石的放射性物質較少，空氣分子的電離現(xiàn)象少[11]。在山頂，由于山風較大，側柏林又不易抑制氣體流動，致使空氣負離子擴散；而在山體中部，與袁堯清等人的研究結果類似，可能也是由于地形原因，風力極小，再加上人類活動較少，故空氣負離子濃度較高[20]。至于林緣在海拔450 m出現(xiàn)空氣負離子濃度降低，可能與該地區(qū)地勢平坦，爬山愛好者活動頻繁、護林員生活和森林防火道工程建設有關。

3.4 坡向對北京九龍山空氣負離子分布的影響

對北京九龍山泗澗溝側柏林陰、陽坡的空氣負離子含量對比分析的結果說明，4月份側柏陰坡的空氣負離子濃度略高于陽坡，可能由于春季氣候干燥，植物光合作用和蒸騰作用較弱，陰坡空氣濕度略高于陽坡，與棋盤山的研究結果一致[32]，而8月份陽坡的空氣負離子濃度遠遠高于陰坡；造成這種差異的原因可能是8月份陽坡的溫度相對較高，相對濕度偏低，植物光合作用較強，因而有利空氣負離子的生成；陰坡溫度較低，植物光合作用弱與陽坡，風力較大，容易造成空氣離子擴散，再加上空氣濕度較高，雖會對空氣正離子和懸浮顆粒物有一定的吸附作用，但相應也會造成空氣負離子的損失。

空氣負離子濃度同氣溶膠含量的變化密切相關。而空氣負離子濃度又受溫度、濕度和光照等因素的影響，所以一年四季九龍山森林保護站空氣負離子濃度以空氣質量的日變化既有溫度、濕度和光照強度日變化所直接導致的，也有通過改變大氣氣溶膠含量間接導致的。由于缺乏相應的溫度、濕度和光照強度日變化數(shù)據(jù)，所以本研究無法直接闡述不同季節(jié)的空氣負離子濃度、空氣質量和溫度、濕度、光照強度的相關關系。這需要通過獲取溫濕度等數(shù)據(jù)進一步對它們之間的相關關系進行綜合分析。至于空氣負離子含量和坡向之間的相互關系，還需要增加一系列的時間和不同氣象條件進行觀測以取得更多的數(shù)據(jù)，才能更加合理、準確地闡述陰、陽坡之間空氣負離子濃度大小的差異。

4 結論

通過對北京九龍山側柏林空氣負離子時空分布特征分析得出：北京九龍山不同季節(jié)的空氣負離子濃度日變化趨勢不同，春、夏季日間濃度變化曲線為單峰型，春季峰值出現(xiàn)在12：00，夏季峰值出現(xiàn)在14：00，秋、冬季日間濃度變化曲線為雙峰型，峰值均分別出現(xiàn)在8：00和18：00；在月變化過程中，分別于5月和10月出現(xiàn)兩個峰值（691個·cm-3和920個·cm-3）；空氣負離子濃度隨海拔高度升高先升后降，海拔高于450 m后側柏林內空氣負離子濃度均大于林緣；海拔140 m處的泗澗溝側柏林4月份陽坡的空氣負離子濃度略低于陰坡（P＞ 0.05），8月份陽坡的空氣負離子濃度則顯著高于陰坡（P＜ 0.05）。北京九龍山側柏林空氣負離子存在明顯的時空分布特征，即空氣負離子濃度隨時間表現(xiàn)為“單峰型”或“雙峰型”，隨海拔表現(xiàn)為“單峰型”，且受坡向和時間共同影響。