森林康養區空氣負氧離子與環境因素相關性研究—以北京松山自然保護區為例

張月娟 袁慶葉 劉藝芳 盧雪 張云苓 安菁

（1 北京農業職業學院, 北京 100012; 2 北京松山國家級自然保護區管理處，北京 102115）

森林康養是在森林環境中進行的一種康養活動，肺部通過吸收森林中的植物精氣以及空氣負氧離子[1]，達到改善身體狀態的養生保健活動。森林康養活動主要通過空氣負氧離子以及森林自身的小氣候實現[2]，因此森林中的負氧離子濃度是影響森林活動以及森林療養的重要環境參數。空氣負氧離子是由于大氣中的中性分子或原子，在自然界輻射作用下，外層電子脫離原子核的束縛成為自由電子，自由電子附著在空氣中的氣體分子上，經過離子化、附著以及聚集三個階段從而產生負氧離子[3]。在這三個階段中森林中的環境參數以及污染物濃度都會對其濃度產生一定的影響關系。

本文重點研究了2020年度北京松山自然保護區森林療養區域內空氣負氧離子與環境因素（包括氣象因素以及污染物濃度）之間的關系，分析森林中的負氧離子與溫度、濕度、風速、植被情況以及輻射總量等氣象因素之間的相關關系，同時也分析了空氣中的污染物濃度與空氣負氧離子濃度之間的相關關系，以期為北京松山保護區內森林環境參數奠定一定的研究基礎，同時為在森林內進行的休閑康養活動提供一定的數據支持。

1 研究地概況

北京松山森林保護區位于北京市延慶區（40°29′9〞-40°33′35〞N，115°43′44〞-115°50′22〞E），海拔627.6～2198.4m，屬暖溫帶大陸性季風氣候區，保護區內園區總面積4667hm2，有林地面積3654.9hm2，保護區內森林覆蓋率87.6%，主要保護對象為天然油松林為主的溫帶森林生態系統。

2 數據來源與處理

本文中北京松山自然保護區溫度、濕度、風速等數據來源于松山通量觀測站點，負氧離子、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)質量濃度數據來源于松山大氣環境自動監測站。歸一化植被指數（NDVI）數據由近地表相機記錄，經過計算模塊計算輸出。上述監測站的地理位置為115°43′44〞E，40°30′48〞N，海拔1165m，監測站位置是林區內臺地區域，數據記錄時間為2020年。所有數據采用監測站提供的日平均數值，數據相關性采用Origin進行線性擬合，根據參數相關數據，利用Origin軟件繪制參數對比圖。

3 結果與分析

3.1 空氣中負氧離子濃度與氣象因素相關性分析

空氣中的負氧離子產生于森林環境中，因此森林中溫濕度情況、輻射情況以及植被情況對于空氣中的負氧離子濃度有一定的影響關系[4-8]（表1）。

表1 松山保護區氣象參數與空氣負氧離子濃度相關性

從表1可以看出，在松山保護區內，空氣中的負氧離子濃度與氣象參數有一定的相關性，其中呈現正相關的氣象參數包括：溫度、相對濕度、太陽輻射（包括凈輻射、總輻射、光合有效輻射以及散射輻射）、總固碳量、以及NDVI（歸一化植被指數），呈負相關的氣象參數包括大氣壓與風速。松山保護區內大氣壓（范圍值在86～91kPa）與風速（范圍值在0.4～2.8m/s，風速都在2級風以下）參數值常年變化范圍較小，對于空氣負氧離子濃度影響較小，溫度以及濕度已經有很多學者研究過，本文不再進行系統研究。兩個參數之間的相關關系不僅需要參考兩者的線性擬合關系，也應該看同時期兩參數之間的變化趨勢，本文重點研究了輻射情況、總固碳量以及NDVI與空氣中負氧離子的濃度情況，從而解析兩者之間的影響關系。

3.1.1 凈輻射與負氧離子濃度的相關性研究

從圖1可以看出，林區內凈輻射與空氣負氧離子全年呈正相關關系，林區內凈輻射整年大致呈現正態分布情況，1～2月份凈輻射呈上升趨勢，但是空氣負氧離子濃度出現小幅波動，整體是下降的趨勢，因此兩者呈現一定的負相關性。3～7月份，凈輻射數值逐漸升高，空氣負氧離子濃度在這段期間雖然有一定的波動性，但是趨勢還是逐漸上升，因此兩個參數之間呈現一定程度的正相關。8月份后凈輻射數值波動較大，整體呈下降趨勢，同時空氣負氧離子濃度也具有一定的波動性，整體趨勢呈現一定的下降趨勢，因此兩者存在正相關，但是相關性并不是很明顯。

圖1 凈輻射與空氣負氧離子濃度情況圖

3.1.2 總固碳量與負氧離子濃度的相關性研究

從圖2可以看出，林區內總固碳量與空氣負氧離子呈正相關關系，總固碳量1～5月份整體呈上升趨勢，空氣負氧離子濃度在這個過程中雖然有波動，但也呈上升趨勢，因此在這段期間，兩者呈現一定的正相關關系，5月份以后總固碳量有一定的波動，但是沒有體現出明顯上升或者下降趨勢，而空氣負氧離子濃度隨著固碳量也呈現一定的波動性，但是兩者并未呈現明顯的相關性。

圖2 總固碳量與空氣負氧離子濃度情況圖

3.1.3 NDVI與負氧離子濃度的相關性研究

從表1可以看出林區內NDVI與空氣負氧離子濃度呈正相關，從圖3可以看出，林區內NDVI與負氧離子濃度呈正相關關系，林區內1～4月份，NDVI呈現緩慢上升趨勢，空氣負氧離子濃度存在波動性，但整體是上升趨勢，兩者有一定的正相關關系。4月底至5月初NDVI迅速上升，直至10月中旬前，NDVI數值一直維持在相對較高水平，在這段期間空氣負氧離子濃度也是一年中數值較高的階段，兩者呈現出正相關性。從10月中旬后NDVI數值開始下降，然后維持在較低水平范圍內波動，空氣負氧離子濃度在這段時間內并未出現明顯變化，因此兩者也未呈現較為明顯的相關關系。

圖3 NDVI與空氣負氧離子濃度情況圖

3.2 空氣中污染物含量與天氣狀況相關性分析

空氣中有害污染物主要包括氮氧化物、二氧化硫以及顆粒物污染物，這些污染物濃度對于空氣中的負氧離子濃度有一定的影響[9-11]。

從表2中可以看出，在松山林區內，空氣中的負氧離子濃度與空氣中的污染物濃度有一定的相關性，其中呈負相關的參數主要包括NO濃度、NO2濃度以及SO2濃度，呈正相關的參數包括PM2.5濃度以及PM10濃度。由于NO濃度與NO2濃度的變化規律幾乎相同，因此本文研究了相關系數更高的NO2濃度與空氣負氧離子濃度關系，PM2.5濃度以及PM10濃度的變化規律也比較類似，本文研究了相關系數更高的PM10濃度與空氣負氧離子濃度關系。

3.2.1 NO2濃度與負氧離子濃度的相關性研究

空氣中的NO2濃度在一定程度上影響著空氣中的負氧離子，從圖4可以看出，林區內NO2濃度與負氧離子濃度呈負相關關系，1～6月份NO2濃度有一定的波動，濃度范圍在0～20ng/m3范圍內，大多數情況下NO2濃度含量較高的時間段內，空氣負氧離子濃度都較低，兩者呈現一定的負相關。從6月底至10月初，NO2濃度持續維持在相對較低的水平，但是此時間段內的空氣負氧離子濃度處于全年較高的水平，因此兩者呈負相關關系。10月中旬以后，NO2濃度整體波動性較大，為上升趨勢，空氣中的負氧離子濃度也呈現一定的較大波動性，整體呈現下降趨勢，兩者呈現負相關性，但是相關性不明顯。

圖4 NO2濃度與空氣負氧離子濃度情況圖

3.2.2 SO2濃度與負氧離子濃度的相關性研究

空氣中的SO2濃度在一定程度上影響空氣中的負氧離子，從圖5中可以看出，SO2濃度與空氣中負氧離子濃度呈負相關關系，1～5月份SO2濃度數值較為穩定，為0～2ng/m3，這個時間段內空氣負氧離子濃度有一定的波動性，但是整體濃度逐漸增加，因此這個時間段內兩者的關系未表現出明顯的線性相關。6～10月初，SO2濃度持續維持在相對較低的水平，濃度含量維持在1ng/m3左右，此時間段內的空氣負氧離子濃度處于含量較高水平，兩者在這個時間段內呈現負相關關系。11月以后，SO2濃度整體波動性較大，而空氣中的負氧離子濃度也呈現一定的較大波動性，兩者不存在非常明顯的相關性。

圖5 SO2濃度與空氣負氧離子濃度情況圖

3.2.3 空氣中的顆粒物PM10濃度與負氧離子濃度的相關性研究

空氣中的顆粒物主要包括PM2.5以及PM10，兩者的濃度含量在一定程度上影響空氣中的負氧離子，兩種顆粒物濃度在全年的變化趨勢大致相同，從表2可以看出PM10濃度與空氣中的負離子濃度線性相關系數更大。

從圖6中可以看出顆粒物含量PM10濃度與空氣負離子濃度呈正相關關系，在1～2月中旬期間PM10濃度含量波動較大，但是整體含量水平處于較低的區間范圍，負氧離子濃度也有一定的波動，整體的濃度水平處于相對較低的水平，因此兩者呈現一定的正相關性。2月中旬～4月中旬，PM10濃度持續維持在一個相對較低的水平，負氧離子濃度呈現一定的波動性，但是整體含量水平處于較高的水平，兩者呈負相關性。5月份以后PM10濃度水平持續波動，處于相對較高的位置，此時段的空氣負氧離子濃度也處于相對較高的數值，因此兩者在這個時間段內存在一定的正相關性。9月份以后PM10濃度有較多時間數據值在較高水平，但是負氧離子濃度并未出現較大幅度的波動，兩者在這個時間段內并未呈現較為明顯的相關性。

圖6 PM10濃度與空氣負氧離子濃度情況圖

4 結論與討論

4.1 空氣中負氧離子濃度與天氣狀況影響因素

空氣負氧離子的分子式通常用O2-(H2O)n，或者OH-(H2O)n，或者CO4-(H2O)n[3]（圖7）。

圖7 空氣負氧離子在形成過程中可能發生的化學反應

在環境因素中總輻射增大，會加快反應Ⅰ的進行，促使空氣中產生更多的自由電子，從而造成空氣負氧離子濃度的增加。溫度升高會使大部分化學速率加快，溫度升高空氣中更多的負氧離子電離以及聚集反應過程中速率更快，從而造成了空氣中的負氧離子濃度升高。濕度的增加，會使更多的自由電子在反應Ⅱ以及反應Ⅲ中與空氣中的水蒸氣發生吸附以及聚集反應，從而引起空氣負氧離子濃度的升高。總固碳量的升高以及NDVI的升高，在一定程度上增加了空氣中氧氣的含量水平，因此造成了更多的氧氣發生了反應Ⅱ，從而形成了更多的吸附空氣中的自由電子，使空氣中的負氧離子含量上升。

4.2 空氣中負氧離子濃度與空氣污染物濃度影響

空氣中污染物濃度在一定程度上對于空氣負氧離子濃度有影響，從圖6～9可以看出氮氧化物以及二氧化硫濃度在一年內基本上呈現三個區間，第一個區間為1～6月份，整體濃度維持在低含量范圍；7～9月份，數據維持在一個濃度值區間；10～12月數據維持在一個較高濃度區間。

從表3可以看出，大氣污染物濃度相對于空氣負氧離子濃度要高出很多，因此空氣中高濃度的污染物對于負氧離子濃度有一定的影響關系。當空氣中NO濃度升高時，由于部分NO氣體與O2發生化學反應，因此空氣中的氧氣含量會降低，減少了空氣中電離出的負氧離子吸附在氧氣上的概率，從而造成了空氣中負氧離子濃度有所降低，因此兩者之間呈現負相關性。空氣中NO2濃度升高時，由于部分NO2氣體與H2O發生化學反應，減少了負氧離子形成過程中的離子化以及附著概率，從而影響了負氧離子濃度，因此兩者也呈現負相關關系。空氣中SO2濃度升高時，會消耗一定的空氣中的O2以及H2O與其發生反應，從而造成了空氣中負氧離子的濃度降低，兩者之間存在的相關關系為負相關。

表3 各污染物濃度情況與空氣負氧離子的數量個/m3

大氣中由于顆粒物的存在，更多的負氧離子可以吸附在這些顆粒上，因此會一定程度增加負氧離子濃度，但是由于大氣中顆粒物大多數是帶有正電荷[12-15]，因此吸附在顆粒物上的負氧離子部分正負電荷相互作用形成中性粒子，從而降低了空氣中負氧離子濃度，因此顆粒物濃度對于負氧離子濃度的相互關系比較復雜，兩者之間的相關關系取決于在顆粒物中吸附的負氧離子多還是被中和的負氧離子多，兩者之間并不是單的正相關或者負相關關系。