揭西县空气负氧离子浓度的时空特征分析

胡猛，陈蝶聪，任文斌

（1.广东省生态气象中心，广东广州 510640；2.揭西县气象局，广东揭西 515400）

随着国民经济的持续快速增长，人们的生活水平得到了很大的提高，对环境质量越来越关心，空气中的负氧离子浓度备受城市居民的重视，空气负氧离子浓度已成为城市生态环境质量评价的重要指标。世界卫生组织规定：清新空气的负离子标准浓度不应低于1 000～1 500 cm-3。

空气负离子也称负氧离子，主要来源于紫外线、宇宙射线、放射性物质而引发的空气电离作用。与此同时，山林、树冠、叶端的尖端放电，及雷电、瀑布、海浪的冲击，也能够形成较高浓度的空气负离子［1］。空气负离子具有杀菌、降尘和清洁空气等功效，被誉为“空气维生素”、“长寿素”［2-3］，对人体有很好的保健作用，具有调节人体生理机能、消除疲劳、改善睡眠、预防呼吸道疾病、改善心脑血管疾病、降血压、增进人的食欲、防衰老等功能，另外对改善城市环境、提高人们生活品质具有重要意义。空气负离子浓度被列为生态环境标志之一，也是体现植物生态效益的重要因素［4-6］。国内对空气负离子浓度的监测始于1980年［7］。薛茂荣等［8］认为海边的空气负离子浓度＞森林＞矿泉（疗养院）；陈锡林等［9］的研究结果表明，森林空气负离子浓度大于城镇；吴楚材等［10］监测结果表明，马尾松纯林中空气负离子浓度可达1 200～2 000 cm-3；顾小丽等［11］研究得到宁波市空气负离子浓度有市中心附近低、郊区高的地域分布特征，夜晚到清晨高、白天低，夏季高、冬季低的变化规律；任晓旭等［12］研究显示，杭州城区空气负离子浓度日变化最大值出现在04：00（北京时，下同），最小值出现在21：00，夏季和秋季的负离子浓度高于春季。

2019年广东省揭西县凭借优良的自然环境、深厚的人文底蕴、悠久的历史文化、丰富的旅游资源等诸多优势，成功获评“中国天然氧吧”称号。目前，还未有人对揭西县的负氧离子浓度时空变化特征做过系统研究。本研究利用揭西县2019年8个空气负离子监测站观测数据资料，分析揭西县负氧离子浓度的时空变化特征，为综合评价揭西县生态环境状况提供基础数据，从而为揭西县未来的生态资源开发提供参考。

1 资料与方法

选取揭阳市揭西县气象部门8个负氧离子监测站的数据，分别是揭西县金和镇山湖村、揭西县坪上镇石内村、揭西县良田乡金坑村、揭西县五经富镇大洋、揭西县京溪园镇粗坑村、大北山国家森林公园、京溪园镇京明度假村、揭西国家基本气象站（河婆）等监测站连续记录的逐小时观测数据。这8个监测站运行稳定、数据异常率较低，并分布于各乡镇生态旅游区，能较好地反映全县负氧离子资源的分布。其中大北山森林公园、揭西县京溪园镇粗坑村站点数据时间为2019年1—12月，其它站点数据时间为2019年6—12月。

针对负氧离子观测数据特点以及影响负氧离子观测的环境气象因素，前期开展了大量的数据分析和敏感性试验工作，并结合多年从事负氧离子数据处理的实践经验，从界限值检查、跳变值检查、空气湿度检查等方法对数据质量进行控制［13-16］，制定了日、月、年等不同时间尺度的负氧离子平均浓度的统计方法，减少因异常数据以及计算方法的差异造成的误差。

观测仪器采用广东华风锐进科技有限公司生产的AirV-200型大气负氧离子观测仪。仪器内置高精度GPS模块和高精度温湿度传感器，自带自动校准功能，采用“双重同心圆筒之电容式吸入法”原理进行负氧离子检测，测量范围为1×105～5×105cm-3，精度为 10 cm-3，具有抗干扰能力强、防雨能力强、通信稳定、测试精度高、环境适应能力强、能长期在野外不间断工作等特点。

2 大气负氧离子浓度时空分布特征

2.1 空间变化

图1为揭西县2019年全县大气负氧离子浓度年均值的空间分布。

图1 2019年揭西县大气负氧离子浓度空间分布

从图1可以看出，揭西县负氧离子浓度呈现自西向东、自北向南逐渐增加的趋势，东部生态区负氧离子浓度普遍较高，大部分在1 500 cm-3以上，全县8个站点的负氧离子年平均浓度基本超过1 000 cm-3，属于世界卫生组织规定的空气清新级别，对人体健康非常有利。全县年平均负氧离子浓度为1 609 cm-3，其中年平均浓度最高值出现在揭西县坪上镇石内村观测站，高达2 609.1 cm-3，揭西县京溪园镇粗坑村次之，达1 972.3 cm-3。

2.2 日变化

为了研究揭西全县大气负氧离子浓度的日变化特征，计算了8个站点2019年的逐小时平均值，如图2所示。从图2可以看出，揭西县坪上镇石内村、揭西县金和镇山湖村的负氧离子浓度呈U型分布，早晨07：00达到最高，之后开始下降，14：00左右降到最低；京溪园镇京明度假村、揭西县京溪园镇粗坑村、大北山国家森林公园、揭西县良田乡金坑村、揭西国家基本气象站（河婆）的负氧离子浓度呈单峰型分布，早晨08：00开始升高，09：00—10：00时段达到最高，10：00—16：00时段维持较高浓度，17：00左右开始下降。揭西县坪上镇石内村、揭西县金和镇山湖村、揭西县京溪园镇粗坑村的负氧离子浓度日较差较大，在600～1 100 cm-3之间，京溪园镇京明度假村、大北山国家森林公园、揭西县良田乡金坑村、揭西国家基本气象站（河婆）的负氧离子浓度日较差相对较小，在400 cm-3以下。

图2 2019年揭西县各站点大气负氧离子浓度日变化

同时为了研究大气负氧离子浓度不同季节的日变化特征，选取揭西县京溪园镇粗坑村和大北山森林公园2个站点数据，计算并分析了全年4季逐小时平均值。

从图3可以看出，揭西县京溪园镇粗坑村的大气负氧离子浓度日变化全年呈现白天（09：00—18：00）高、晚上低的分布特征，其中夏季变化最为明显，最高值出现在正午12：00；秋冬两季则表现为较明显的双峰特征，峰值出现时段分别为 09：00—10：00和 16：00—17：00，秋季的负氧离子浓度日较差更为明显，春季负氧离子浓度日变化较为平缓。该站点不同季节日变化特征存在差异，可能与揭西县京溪园镇粗坑村处于峡谷地带、夏季雨水多、空气清洁、植物生长茂盛、光合作用强、受太阳辐射影响大等因素有关。

图3 2019年揭西县京溪园镇粗坑村不同季节大气负氧离子浓度日变化

从图4可以看出，大北山森林公园大气负氧离子浓度日变化全年呈现白天（10：00—19：00）较高、晚上较低的分布特征，离子浓度日较差较小，介于1 500～1 730 cm-3。其中冬季变化最为明显，最高值出现在午后15：00；春秋两季则表现为较弱的双峰特征，峰值出现时段分别为10：00—12：00和 15：00—16：00；夏季负氧离子浓度日变化基本持平。由此可见，大北山森林公园冬季午后负氧离子最盛。该站点不同季节日变化特征存在差异，可能与大北山森林公园监测站所处位置有关，揭西县冬半年盛行偏北风，夏半年盛行偏东风，而该站点东面和南面受房屋建筑影响，有研究表明，风速越大，负氧离子浓度越高，故该站点不同季节日变化特征存在差异可能是风的影响造成的。

图4 2019年大北山森林公园不同季节大气负氧离子浓度日变化

2.3 月变化

图5为揭西县负氧离子不同监测点的月变化情况。从图5可以看出，揭西县京溪园镇粗坑村负氧离子浓度较高，月平均浓度均大于1 300 cm-3，有明显的年变化波动，全年有7个月负氧离子浓度超过2 000 cm-3；全年负氧离子浓度峰值出现在1月，平均为2 728 cm-3，对健康极有利。10月起进入秋冬季节，温度降低，湿度降低，植物光合作用减弱，负氧离子浓度降低。大北山森林公园负氧离子浓度水平较高，年变化波动较小，全年各月负氧离子浓度在1 500 cm-3左右，空气非常清新，有利于人体健康，12月负氧离子浓度最高，达1 940 cm-3，1月处于较高浓度水平，达1 740.7 cm-3，而 8、9月负氧离子浓度处于较低水平。

图5 2019年揭西县不同监测点大气负氧离子浓度月变化

另外，揭西县坪上镇石内村6—12月负氧离子浓度逐月变化平缓，离子浓度水平均超过2 500 cm-3，负氧离子浓度峰值出现在10月，平均为2 906 cm-3，对健康极有利。京溪园镇京明度假村、揭西县金和镇山湖村、揭西县良田乡金坑村各月负氧离子浓度在1 000 cm-3左右，京溪园镇京明度假村6—12月呈逐渐增大的趋势，揭西县金和镇山湖村呈单峰型分布，峰值出现在10月，揭西县良田乡金坑村各月负氧离子浓度变化不大，均在1 000～1 500 cm-3。揭西国家基本气象站（河婆）各月负氧离子浓度波动较大，从6月起负氧离子浓度逐渐增大，11月达到最大值，这可能与人类活动的影响有关。

2.4 季节变化特征

从揭西县京溪园镇粗坑村和大北山国家森林公园监测点负氧离子的季节变化（图略）看出，揭西县京溪园镇粗坑村春季负氧离子浓度达到 2 014.3 cm-3，夏季为 2 100.8 cm-3，秋季为1 665.2 cm-3，冬季为 2 109.1 cm-3，4季变化规律为冬季＞夏季＞春季＞秋季；大北山国家森林公园春季负氧离子浓度达到1 561.4 cm-3，夏季为 1 500.8 cm-3，秋季为 1 533.1 cm-3，冬季为1 744.3 cm-3，4季变化规律为冬季＞春季＞秋季＞夏季，揭西县京溪园镇粗坑村各季节负氧离子浓度与变幅均大于大北山国家森林公园。

3 结论

1）揭西县负氧离子浓度呈现从西往东、从北往南逐渐增加的趋势，东部生态区负氧离子浓度普遍较高，全县8个站点的负氧离子年平均浓度基本超过1 000 cm-3，属于空气清新级别，对人体健康非常有利。全县年平均浓度为1 609 cm-3，揭西县坪上镇石内村最高，高达2 609.1 cm-3。

2）在居住区，揭西县一天之中负氧离子浓度最高的时段在清晨前后，最低时段出现在午后，有夜间高、白天低的变化规律；在生态环境较好的区域，一天之中负氧离子浓度有白天高、夜间低的变化规律，且最高浓度出现在上午。因此建议居民和游客白天前往京溪园镇京明度假村、揭西县京溪园镇粗坑村、大北山国家森林公园等生态环境较好的区域，可以尽情呼吸负氧离子含量相对较高的清新空气。

3）揭西县京溪园镇粗坑村夏季正午负氧离子浓度最高，大北山森林公园冬季午后负氧离子最盛。

4）揭西县京溪园镇粗坑村负氧离子浓度有明显的年变化波动，负氧离子月平均浓度超过年平均水平的有1、2、4—7、9月，其中1月负氧离子浓度最高，达2 728 cm-3，空气清新度等级达到最高等级，属于非常清新；10月起进入秋冬季节，负氧离子浓度有所降低。大北山森林公园负氧离子浓度年变化波动较小，年平均浓度为1 583.1 cm-3，12月负氧离子浓度最高，达 1 940 cm-3，8、9月负氧离子浓度处于较低水平。

5）揭西县坪上镇石内村6—12月负氧离子浓度普遍较高，均超过2 500 cm-3，全年负氧离子浓度峰值出现在10月，平均为2 906 cm-3，对健康极有利；京溪园镇京明度假村、揭西县金和镇山湖村、揭西县良田乡金坑村各月负氧离子浓度在1 000 cm-3左右，空气清新程度对健康很有利；揭西国家基本气象站（河婆）从6月开始负氧离子浓度逐渐增大，11月达到最大值，各月负氧离子浓度波动较大，可能受到人类活动的影响。