空气负离子浓度分布特征及其与环境因子的关系

2014-10-22王薇

生态环境学报 2014年6期

王薇

安徽建筑大学建筑与规划学院，安徽合肥 230022

空气负离子具有杀菌、降尘、清洁空气、提高免疫力、调节机能平衡的功效，因而被誉为“空气维生素和生长素”（倪军等，2004；王薇和余庄，2012；）。面对逐渐恶化的环境状况，人们在世界范围内掀起了一股空气负离子研究的热潮（Chih等，2006；Marko等，2008；Jayaratne等，2008；Xuan等，2013a，2010b）。目前国内外关于空气负离子的研究主要包括不同城市绿地结构（吴志萍等，2007；穆丹和梁英辉，2009；朱春阳等，2010；）、不同植被类型（刘凯昌等，2002；吴志萍和王成，2007；Wang和 Li，2009；梁诗等，2010）、不同树种（穆丹和梁英辉，2010）、不同生态结构（韦朝领等，2006；李陈贞等，2009）、城市森林结构（王洪俊，2004）等不同生态环境对空气负离子浓度的影响，以及森林旅游资源评价中空气负离子研究等（钟林生等，1998）。研究发现，空气负离子浓度越高，空气越清洁，感觉就越舒服（黄彦柳等，2004）对人体健康和环境生态越有益。因此，负离子含量是评价空气质量的一个重要指标，它不仅是一种无形的森林资源，同时也是一种客观存在的生态环境资源（章志攀等，2006）。

本文选取我国南部沿海某省份作为观测地点，挑选了近 10处具有代表意义的不同环境场所进行观测研究，运用定量分析出不同环境场所的空气负离子浓度，同时找出与空气负离子浓度相关联的环境因子，通过结果和分析给城市生态环境建设方面以重要的启示。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

南部沿海某省份属于亚热带季风气候，夏季高温多湿，冬季气候温暖，日照和降雨量充足，特别是沿海地区。研究区域涵盖了森林、瀑布、海边、乡村田野、郊区旷野、县城中心、县城宾馆客房等不同类型。观测期间气象稳定，晴到多云，平均气温在25～27 ℃。

1.2 研究方法

2011年9 月22—28日期间每天9:00—18:00进行观测，主要观测项目有空气正、负离子浓度、风速、空气温度、相对湿度、植物和材料的负离子浓度等。

空气正、负离子浓度（cm-3）用日本原产的KEC-990负氧离子测试仪，距地面1.5 m处，与成人呼吸高度基本一致。用 KEC-R2型高智能记录仪使之与 PC相连，实时显示空气正、负离子浓度与温度并记录。每个观测点采气10 min，间隔5 s读数1次，取平均值；风速使用AR856A风速风量计测定，与PC相连，实时显示风速和温度，间隔1 s读数1次；相对湿度用AZ8912型风速仪测定，每次采集5次数据，间隔30 s读数1次；植物和材料负离子浓度用日本原产的ION TESTER COM-3010PRO负离子测试器，采用Mode 2快速测试模式，每次采集5次数据，取峰值数。

2 结果与分析

2.1 观测结果

观测结果见表1。由表1可以看出，地面上的空气负离子浓度随着地理环境因素（瀑布、海边、峡谷、乡村田野、郊区旷野、县城等）不同差别很大（王薇和余庄，2013）。但不因地域变异，只要具有相似的地理环境因素，都呈现出规律性的分布（蒙晋佳和张燕，2004）：瀑布比海边高，海边比旷野高，旷野比峡谷高，山林比平地高，乡村比城市高，有风比无风时高，有水的地方比无水的地方高，有植物的地方比无植物的地方高，其中瀑布口的空气负离子含量最高，平均值达到26500·cm-3，其他依次为海边、峡谷、溪流，县城则最低，如图1所示。根据实测数据进行分析，同时推导出自然环境中不同场所环境空气负离子的分布标准，见表 2。

表1 不同环境场所空气离子浓度与风速、相对湿度、气温观测数据Table 1 The data of the air ion concentration, wind speed, relative humidity and air temperature in the various environment

表2 自然环境下空气负离子浓度的分布标准Table 2 Distribution standard of NAI concentration in the natural environment

2.2 空气负离子浓度与环境因子关系分析

2.2.1 风与空气负离子的关系密切

表1中县城宾馆客房内在无风状态下，空气负离子浓度较低，而室外在有风的状态下负离子有明显提高。根据吴志湘等（2007）实验结果说明，由于空气的持续流动，增多了空气分子彼此之间的摩擦，从而加速了空气分子的正负电离，同时风也增加了离子的迁移速率。由表3可知，随着风速的升高，空气中负离子浓度逐渐增多；随着风速的降低，空气中负离子浓度也逐渐减少，两者呈现出一定的正相关关系。因此空气的摩擦可以有效地显著增加空气中负离子的浓度。

表3 海边各观测点空气负离子浓度Table 3 NAI concentration at each observation point of the seaside

2.2.2 水对空气负离子浓度影响大

1）动态水对空气负离子的影响比静态水明显。根据水体的流动速度可以划分为动态水（流动变化，如河流、溪涧、瀑布等，如图2所示）和静态水（平静少动，如水池、水库等）。根据Lenard效应原理（夏廉博，1981），动态水比静态水更容易激发空气负离子。

由表1得知，动态水的空气负离子浓度大于静态水。动态水中，急流比缓流大，其中以瀑布最大；静态水中，大面积水域比小面积水域的空气负离子浓度高。瀑布的空气负离子浓度平均值达到26500·cm-3，溪流处平均值达到 2407·cm-3。这是由于瀑布口的Lenard效应强烈，产生的空气负离子影响距离最远（吴楚材等，2001），而水速流动量较小的溪流影响范围则较小。由此可见，水体在撞击和喷射过程能加快正负电荷的分离，水速流动越快，相应摩擦产生的电离能越大，周边环境的空气负离子浓度就越高。

2）离水体越近空气负离子浓度越高。在瀑布的测试中，选取了一级瀑布、二级瀑布、三级瀑布的不同等级（三级瀑布为瀑布最高处）和距离进行测定。由表4得知，距离二级瀑布口5 m处，空气负离子最大值达到了43000·cm-3。说明距离瀑布口越近，产生的空气负离子就越多。

3）水作为载体能提高周边空气负离子浓度。由于水体是重要的空气离子源，因此水体周围的空气负离子浓度比较高（吴楚材等，2001）。在峡谷的测试中，沙石由于含水率的不同，负离子含量也出现比较明显的变化，含水率越高，负离子浓度越高。道路上干燥的沙石负离子浓度约为18·cm-3，峡谷底部较潮湿的沙石负离子浓度可达到133·cm-3，而水中的沙石则高达到333·cm-3。在旷野测试中，越靠近河岸的泥土，负离子浓度越高，最高达到233·cm-3，反之则较小，约为 80·cm-3。

2.2.3 不同植被配置对空气负离子的影响

表4 离瀑布不同距离的空气负离子浓度分布Table 4 NAI concentration distribution of different distances from the waterfall

根据观测结果，不同植被配置植物的负离子浓度也有很大差异，如图3所示，从大到小依次为高处复层结构植物＞低处复层结构植物＞低处单层结构植物。其中，高处复层结构植物负离子浓度最大达到 258·cm-3，低处复层结构植物为 90·cm-3，低处单层结构植物最小，仅为30·cm-3，仅为高处复层结构的12%。因此初步判断植物绿化丰富的环境空气负离子浓度较高，乔灌草复层结构比其他结构类型产生的空气负离子浓度高。这是因为乔灌草的复层结构绿量高且滞尘能力强，同时枝叶可以重复截留粉尘，从而不断地净化空气（陈自新等，1998）。

2.2.4 相对湿度与空气负离子呈正相关

根据表1分析得出图4。由图4可知，当湿度增加比较明显时，负离子浓度也随之增加；当湿度降低较明显时，负离子浓度也随之下降，总体上呈正相关趋势。这是由于相对湿度高会减少小离子浓度，增加大离子浓度，从而增加空气负离子浓度。个别观测点的湿度变化不大，但负离子浓度却有明显的变化，说明湿度不是影响负离子浓度的唯一因素，却是其中一个重要影响因素之一（江秀芳等，2005）。

2.2.5 温度对空气负离子的影响不确定

根据表1分析得出图5。由图5可知，观测期间平均气温在25～27 ℃，温度变化幅度不大。当观测点温度变化比较明显时，空气负离子浓度的变化却各不相同。根据以往的研究发现，空气负离子浓度和温度关系的观点难以统一（韦朝领等，2006）。目前由于研究地点和观测时间的局限，空气负离子浓度与气温变化的关系不明确，两者之间的内在规律研究仍处于初步阶段，有待进一步加强。

2.3 空气负离子和空气清洁度评价分析

应用单极系数和安培空气质量评价指数对表1进行评价分析得出表5。由表5可知，自然生态环境整体而言，空气负离子浓度大，空气清洁度均为A级最清洁。尤其以海边和瀑布区域显著，主要因为这些环境场所风速和动态水体的摩擦激发了大量的空气负离子，同时空间开阔并不断保持这种状态，从而提高了环境的空气质量和空气清洁度。其中瀑布的空气负离子浓度平均值达到26500·cm-3，空气清洁度为A级最清洁，超过最高等级标准值370倍以上；海边的空气负离子浓度平均值达到6008·cm-3，空气清洁度为A级最清洁，超过最高等级标准值50倍以上；而峡谷和溪流场所的风速受到一些山林景观的阻挡，县城则主要受到建筑物的影响，同时人流、飘尘、烟尘较多，因此增大了摩擦而降低了风速，从而降低了空气负离子不断激发的能力，相应地带来空气清洁度的下降。但是相比较室内环境而言，室外自然环境空气清洁度均达到A级最清洁状态。县城宾馆是一个围合空间，室内空气流动产生的摩擦力非常弱，而空气正离子增大的速度远远高于负离子产生的速度，因此空气清洁度为E1级轻污染状态。

表5 自然环境下空气离子浓度与空气清洁度评价Table 5 Evaluation of NAI concentration and air cleanliness in the natural environment

3 结论与建议

3.1 结论

1）自然环境下的空气负离子浓度随着地理环境因素（瀑布、海边、峡谷、乡村田野、郊区旷野、县城等）不同差别很大，同时空气负离子浓度呈现出由城市中心—郊区—乡村逐渐增大的趋势。

2）空气的摩擦和水体的撞击可以不断地激发空气负离子，同时两者呈现出一定的相关性。

3）空气负离子浓度与植物群落的种类结构和配置相关。

4）相对湿度与空气负离子具有良好的相关性。

5）温度与空气负离子的关系有待进一步明确。

6）适宜的温度、湿度以及风速能使人感到舒服，有益于人体的健康。

7）自然生态环境整体而言，空气负离子浓度大，空气清洁度均为A级最清洁。

3.2 建议

1）以自然环境的空气负离子浓度值为参考标准，研究城市环境的空气负离子浓度和空气清洁度具有科学性和可行性。

2）加强自然通风，通过主导风向的引导和帮助，不断激发并保持周边环境的空气负离子浓度，可以降低城市热岛效应和能源消耗，有效地改善城市生态环境。

3）积极运用水这一要素进行景观设计，重视动态水体的综合功能，适当增加喷泉和活动水面等，以充分发挥动态水对空气负离子的增效，提高空气清洁度。同时围绕水体（如水池、湿地、水库等）来建立宜居组群。

4）要扩大绿地或多开发绿地，减少不必要的硬质广场或铺装。在植物配置时尽可能地集中，并采用乔灌草等复层组合。以减少空气污染，提高空气质量，构建理想的城市景观格局。

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