空氣負離子時空分布及其影響因素研究進展

李歡歡 胡文杰 崔鴻俠 唐萬鵬

(1.湖北省林業科學研究院 武漢 430075；2.湖北神農架森林生態系統國家定位觀測研究站 神農架 442421)

空氣負離子(Negative air ion，以下簡稱NAI)，是指帶有負電荷的單個氣體分子和輕離子團的總稱，是評價空氣質量的一項重要指標[1,2]。NAI不僅可與顆粒物、有害氣體等相結合，還可以殺滅空氣中的病菌，起到除塵凈化的作用，被譽為“空氣維生素”。此外，NAI還能促進人體的新陳代謝，增強機體免疫力，增加人體舒適度、恢復疲勞、維持健康等[3-5]。隨著人們對環境問題和自身健康的愈發重視，NAI相關研究逐漸成為熱點課題。

關于NAI的研究最早可以追溯到19世紀末，德國的科學家第一次發現了空氣帶電現象，接著法國和英國科學家證實了NAI的存在，隨后一位德國醫生發現了NAI對人體健康的影響。1932年，美國CRA公司發明了第一臺醫用NAI發生器，20世紀歐美、日本等發達國家對NAI開展了許多研究，集中在醫療保健等方面[6-8]。自1978年國內學者開始對NAI的研究，20世紀80～90年代NAI成為研究熱點[6]。國內研究主要側重于森林綠地、休閑公園、人類生活區等不同環境中NAI的濃度水平、時空變化特征，以及不同的氣候、海拔、植被類型等因素對NAI濃度的影響等[9,10]。

NAI能提高空氣環境質量，有利于人體健康，因此了解掌握NAI濃度變化規律及其影響因素對生態環境保護、康養產業及綠色城市建設等相關行業都有著重要的科學意義。目前眾多學者對NAI的相關研究不斷深入，但因儀器設備、區域氣候特征、下墊面、植被類型甚至樹種差異等因素的不同，得出的研究結果有所異同。因此，本研究將這些最新研究成果進行總結歸納，并分析產生差異的原因，提出未來研究可注意的方面，為后續研究提供參考。

1 NAI的生成與觀測

1.1 NAI種類

1.2 NAI生成

自然界中，NAI產生形式主要包括：在太陽輻射或雷電等環境下電離出的電子和空氣中的氧分子等結合而成；在瀑布、降雨等沖擊下水分子裂解而成；在植被光合作用時釋放的負離子等[3,11]。人為生成負離子的方法包括紫外線或放射性物質輻射、高壓水排出、電暈放電等[6,12]。

1.3 NAI觀測

對NAI一般采用空氣負離子測量儀進行測量，參考大多數人身高，儀器一般設置于離地1.5 m左右，對同一樣點垂直的4個方向各讀取一次數據。測量儀分為便攜式和固定式二類，各有優缺點。便攜式攜帶方便但不便長期觀測，固定式便于長期監測但攜帶不便。不同儀器的離子遷移率不同，比如常用的DLY-3G型空氣離子測量儀的離子遷移率分3檔：1.0、0.4、0.15 cm2/(V·s)；而DLY-7G型空氣離子測量儀僅監測離子遷移率大于0.15 cm2/(V·s)的離子[13]。空氣負離子測量儀器在不斷優化更新，目前精度更高、穩定性更好的雙重圓筒軸式離子測定儀已經能夠開展較長時間地定位觀測，并自動收集數據，對更長周期、更系統性地研究NAI起著至關重要的推動作用[14]。

目前眾多研究表明，對NAI的觀測方法存在較大差別。有的學者選擇合適的監測點直接進行測量[15]，有的采用樣圓的方法進行測量[16]，而大多研究者則采用在20 m×20 m的樣地中選擇5 m×5 m或1 m×1 m的樣方進行測量[9,17,18]。在監測時間上，一般選擇天氣情況為3天以上晴朗靜風天氣(風速<2 m/s)，大多數選擇8∶00～18∶00時間段觀測，每間隔1 h或2 h整點采集1次數據，讀數3次并取其平均值作為測定值[17,18]。也有學者進行全天候24 h觀測[2]。

2 NAI時空分布特征

大量研究表明，NAI變化存在較大的時空異質性[19]。

2.1 NAI時間分布特征

(1)NAI濃度日變化:大量研究表明，雖然一天中的NAI濃度變化存在明顯的規律，但NAI濃度日變化的峰與谷極值出現的時間隨著不同地域、不同植物群落等各種影響因素的不同而不同[20,21]。有較多研究顯示NAI濃度日變化大致呈“中午低、早晚高”的雙峰型分布特征：清晨NAI濃度一般較高，中午NAI濃度為低谷區，而下午NAI濃度有所回升[22-26]。這種雙峰型分布特征的原因可能是，上午植被的光合作用隨著光照增加而逐漸加強，釋放氧氣速率增加，導致負離子濃度提升，中午因植物光合作用的“午睡”現象導致負離子濃度下降，植物光合作用的“午睡”過后植被的光合作用又慢慢增強，大氣中的負離子濃度也慢慢增大，到傍晚時出現極值，隨后慢慢下降[22-26]。也有一些研究結果表明，有些地區的NAI濃度的日變化呈“單峰型”，峰值和谷值因研究區域的不同差異較大[17,27,28]。單峰型變化的原因可能是部分研究的監測時長為8∶00～16∶00，相比24 h連續監測，監測時長較短，因此只觀測到一個峰值。

研究還表明，在不同天氣與不同季節大氣中NAI濃度的日變化規律也會有所區別。在晴天、陰天、雨天和雪天等不同天氣條件下，其變化規律大致呈現為：雪天>雨天>晴天>陰天[20]。方硯秋等研究發現，當降水量較小時，降雨對NAI濃度沒有明顯影響；隨著降水量逐漸增加，大氣中負離子濃度不斷上升；但當出現暴雨天氣的時候，負離子濃度反而呈現下降趨勢[29]。余海等研究發現，春夏季時，NAI濃度的日間變化曲線為單峰型，峰值出現在午后，而在秋冬季，其變化曲線卻為雙峰型[15]。其原因可能是在不同的氣候條件下，溫度和濕度影響了NAI生成的速度。

(2)NAI濃度季節變化:同一地區大氣中的NAI濃度在不同季節時也呈現一定的變化特征。較多研究結果表明，大氣中的NAI濃度在夏季最高，冬季最低，春秋季節介于中間[18,30]；也有一些研究發現大氣中的NAI濃度在夏季最高、春季最低，秋冬居中[31,32]。但總地來說，夏季大氣中的NAI濃度普遍要高于春季和冬季。也有少量研究發現NAI濃度在秋季最高[33]。胡夢玲等研究還發現，城郊森林區季節大氣中的平均負氧離子濃度為秋季>冬季>夏季>春季，城市綠地區為夏季>春季>冬季>秋季[20]。分析出現這些差異的原因可能是，南北方不同地域環境、不同氣候條件導致NAI濃度的季節變化存在一定的差異性。

2.2 NAI空間分布特征

研究表明，NAI濃度在郊區及鄉村比城市高，NAI濃度從市中心向鄉村逐漸增大，呈現城鄉梯度。市區平均濃度為200～300個/cm3，郊區及鄉村達到500個/cm3以上[6,34]。水域地區的NAI濃度要比無水域地區更高。不同水體周圍的NAI濃度相差較大，總的來說呈現為：瀑布>人工噴泉>流動水體>靜態水體，同時相距水體越遠的地方，其NAI濃度越低[6,35]。

余海等研究表明，同一山體，隨著海拔的升高，大氣中NAI濃度呈現先升高后降低的特征，峰值出現在海拔400～600 m的高度[15]。馬榮等研究發現大氣中NAI濃度總體來說隨海拔的升高而降低[28]。NAI在坡向分布上也具有一定的特征，在夏季陽坡的NAI濃度明顯高于陰坡，其他季節則差別不大[15]。NAI濃度分布的垂直差異可能是由于土壤輻射的垂直差異所致，人為活動使得自然地形、地表植被遭到改變和破壞，最終影響地表輻射特性和大氣環境[36]。

3 影響NAI生成的因素

NAI的理化過程受到環境中許多因素影響，環境中的不同的氣象因子、空氣中含有的顆粒物(總懸浮顆粒物、PM2.5、PM10)等物質含量的不同、不同的地理條件和林分類型等，都會對NAI濃度水平和分布產生影響[18,37]。

3.1 空氣溫濕度

研究發現，大氣中NAI濃度水平與溫濕度緊密相關。多數研究通過相關性分析發現，NAI濃度與溫度呈現正相關性[10,34]。這可能是因為隨著溫度的升高，植物光合作用增強，從而導致NAI濃度增加。也有一些研究發現，NAI濃度與溫度呈負相關性[19,38]。還有學者研究發現，當溫度在15 ℃以上時，NAI濃度與溫度呈負相關；當溫度在15 ℃以下時，NAI濃度與溫度呈正相關[39]。這可能是因夏季溫度過高，污染物擴散過程中吸附了大量NAI，導致NAI濃度降低。可見溫度對NAI濃度影響較為復雜。

一些研究表明，NAI濃度與相對濕度呈正相關[19,22,40]。這可能是因空氣濕度增加，水汽使得氣溶膠更容易沉降，有利于NAI的生成與積累[22]。因此，水體附近尤其是瀑布等流動的水體附近負離子濃度水平一般比較高。另外也有一些研究發現，大氣中NAI濃度與相對濕度呈負相關[18,41]。這可能是空氣濕度較高時，使太陽輻射減弱，影響輻射電離反應產生NAI的過程[39]。

3.2 空氣物質含量

空氣中一些物質含量也會影響負離子濃度。研究表明，NAI濃度與大氣中的PM2.5和PM10濃度呈顯著的負相關[19,34]。這可能是因空氣中氣溶膠的增加會增加離子中和沉降，從而導致NAI濃度顯著減少。一些學者的研究結果還表明負離子濃度與正離子濃度呈顯著正相關[42]，與大氣中的SO2、NOX等呈負相關[30,38]，與大氣中的CO2呈顯著正相關[42,43]。

3.3 太陽輻射

一些研究發現，太陽輻射的變化極可能是影響NAI濃度變化的重要成因。陳梓茹等研究表明，NAI濃度與太陽輻射和光照強度相關[44]。胡夢玲等研究發現NAI濃度與日照時數和日凈全輻射呈顯著的正相關，NAI濃度隨著光照的加強而增多[20]。Wang和Li研究發現，封閉環境內的植物在不同光強條件下，產生的NAI濃度與光強呈指數函數相關[45]。

3.4 植被群落

眾多研究表明，有植被覆蓋的地區比沒有植被覆蓋的地區NAI濃度要高得多。植被覆蓋度越高，樹種種類越多，還有研究認為NAI濃度越高，其中密林提升NAI濃度效果最為顯著[37]。NAI濃度與植被葉面積指數、郁閉度均呈正相關[46,47]。這是因為高郁閉度的森林群落，能有效吸收并降低太陽輻射，起到降溫增濕的效果，使得空氣中負氧離子濃度提升[47]。

植被群落結構不同，負離子濃度也有所不同。研究發現，NAI濃度在多層結構植被覆蓋區最高，植被層次結構越簡單的覆蓋區其大氣NAI濃度越低，最低的是單一結構植被覆蓋區，即復層>雙層>單層，喬—灌—草>喬—草>灌—草[9,18,48]。潘劍彬等研究認為，喬木林提升NAI濃度的效果最為顯著[46]。不同區域植被群落類型的NAI濃度也有所差異，從不同林分類型看，闊葉林>混交林>針葉林>灌草地[49]。

總的來說，植被通過光合作用以及葉片尖端放電，能有效增加環境中的NAI濃度水平，但因植物群落本身的差異(如群落物種組成結構、樹齡、郁閉度、群落類型等因素的不同)和植物群落所處的外部環境的不同所產生大氣的NAI濃度差異明顯。

4 展望

眾多學者對NAI的研究取得了豐碩成果，揭示了大氣中的NAI在日變化、季節變化和空間分布上都具有明顯的特征和規律，但因影響NAI生成的因素較多，目前普遍認可是環境因素影響大氣NAI濃度，氣象因素包括溫度、濕度、空氣顆粒物、太陽輻射等，地理因素包括海拔高度、坡向、下墊面等，植被因素包括樹齡、郁閉度、群落結構及類型等。但因為觀測儀器、研究方法的不同，得出的結論有所異同。因此，建議在今后的研究中盡量選擇統一且精度高、穩定性好的監測設備，或建立統一的監測設備技術參數，并確定統一的研究方法，以排除不同監測儀器和方法的影響，使得不同地域的研究成果更具有比較性。隨著人們對健康的重視，NAI研究在人體健康、環境保護和醫學應用等方面將有著廣闊的應用前景。