北京城市森林空气负离子与臭氧特征及相互作用

李 嫒 鲁绍伟 李少宁 赵 娜 徐晓天

（1. 沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866；2. 北京市林业果树科学研究院，北京燕山森林生态系统定位观测研究站，北京 100093）

空气负离子（NAI）是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称[1]。Luts[2]指出负离子在稳定的状态下，以O2·-占据主导地位，因此NAI又称负氧离子。NAI作为衡量和评价空气质量高低的重要指标之一，对人们的情绪、记忆以及行为有影响，有助于使人在运动后恢复生理反应[3]，还能减少雾气、烟雾、车辆尾气对人体的伤害等[4]，具有杀菌、降尘、清洁空气的作用[5]。我国已于2008年将NAI浓度列入森林生态系统服务功能的一项评价指标。这些研究表明，NAI对人类的健康问题以及生存环境有着重要的作用。

臭氧（O3）是地球大气中一种微量气体，它是由于大气中氧分子受太阳辐射分解成氧原子后，氧原子又与周围的氧分子结合而形成的，含有3个氧原子。O3污染对大气能见度、人类健康和气候变化造成了负面影响，尤其是在人类健康方面，许多的流行病学研究发现O3与早死有关联[6-7]，最近一项研究报告指出，在中国经济发达地区（如京津冀地区），O3已取代PM2.5成为主要污染物[8]。近年来对于NAI浓度的研究大多数都密切关注其自身的时空变化特征[9-11]，也有研究发现NAI浓度与温度、湿度、环境污染、风效应指数密切相关[12-15]，与大气污染物（如颗粒物、二氧化氮、二氧化硫等）有一定的相关性[16-17]，而NAI与O3都来自于空气中的氧分子，却很少有人关注于二者的相关关系。

城市森林是城市中有生命的基础设施，与城市居民的联系最为密切，具有一系列的生态保健功能，在保护人类生存和健康方面发挥着越来越重要的作用，其生态功能和生态效益日益受到环保、园林部门的重视以及城市居民的关注[18]。城市森林环境中的空气负氧离子能促进和维护城市居民健康[19]，而且森林环境中树木叶片的存在更有利于植物清除包含O3等在内空气污染物[20]。因此，本研究致力于探讨城市森林公园中NAI浓度和O3浓度的时间和空间变化特征以及二者的相互作用，为城市公园绿地规划和管理提供参考依据，对建设高质量的城市公园绿地具有实际应用价值，对指导居民进行合理的绿地游憩活动具有借鉴意义。

1 研究方法

1.1 研究地概况

研究地位于北京市（东经115.7°～117.4°，北纬39.4°～41.6°），属于北温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。全年无霜期180～200 d，西部山区较短。降水季节分配很不均匀，全年降水的80%集中在夏季6—8月，7—8月有大雨。

研究选取北京市的4个城市森林公园：北京朝阳公园（东经116.45°，北纬39.92°）、南海子郊野公园（东经116.47°，北纬39.77°）、北京西山森林公园（东经116.19°，北纬39.97°）和北京松山国家级自然保护区（东经115.82°，北纬40.50°），园内均设有城市森林生态环境监测站，4个城市森林公园的环境特征见表1。监测点主要绿地类型为针阔、乔灌草混交林，森林树种主要有侧柏（Platycladus orientalis）、油松（Pinus tabulaeformis）、刺 槐（Robinia pseudoacacia）、蒙古栎（Quercus mongolica）等基本代表了北京城市森林公园的植被特征。

表 1 城市森林公园的具体环境特征Table 1 Environmental characteristics of urban forest parks

1.2 数据采集

4个城市森林生态环境监测站分别设置49i型双光室紫外光度法O3分析仪（Thermo Fisher Scientific，美国）和Yconetest-500负离子自动监测系统（广东佛山云创气象服务技术有限公司，中国），对O3浓度及NAI浓度实行野外自动在线监测，频次为1 h测定1次，全天24 h不间断采样。根据气候统计法，选取2018年夏季（2018年6—8月）和2018年冬季（2018年12月至2019年2月）的数据进行分析。

1.3 数据处理与分析

通过计算NAI浓度和O3浓度的日平均浓度来研究其季节变化；同时为降低误差，选取了2个季节晴朗无风连续3 d的数据，平均了所有时间点的浓度来研究NAI浓度和O3浓度的日变化。世界卫生组织规定的清新空气负氧离子标准浓度为1 000～1 500 ion/cm3，一级空气质量标准浓度为2 000 ion/cm3以上[21]。每日最大1 h平均浓度是指任何1 h污染物浓度的算术平均值，每日最大8 h平均浓度指连续8 h污染物的算术平均值，也称8 h滑动平均。 GB 3095—2012[22]规定O3每日最大1 h浓度（O31 h max）和每日最大8 h平均浓度（O38 h max）一级标准限值分别为160 μg/m3和100 μg/m3。通过研究污染比较严重的公园来确定北京市森林公园的NAI浓度是否达到标准，由于南海子公园是北京市的近郊开发区，污染相对比较严重，且植被覆盖率在4个公园中最低，生成负离子浓度条件不高，所以本文只研究了南海子公园的季节变化。

根据各站点的地理位置划分北京市各区域，统计不同区域NAI浓度和O3浓度，比较空间变化。为了分析NAI浓度与O3的相关性，采用双尾检验进行了统计分析，结果表明这些数据不服从正态分布。然后，计算Pearson相关系数量化NAI浓度和O3之间的相关性。所有P值均为双尾，P＜0.05具有统计学意义。所有的分析均使用Origin 2018软件。

2 结果与分析

2.1 NAI浓度与O3浓度的时间变化特征

2.1.1 NAI浓度与O3浓度的季节变化特征

北京近郊开发区南海子公园夏季NAI浓度和O3日均浓度明显高于冬季，见图1。由图1可知，夏冬季NAI日均浓度分别为（1 761±57）ion/cm3和（1 481±78）ion/cm3，夏季NAI日均浓度比冬季高出300 ion/cm3左右；O3日均浓度分别为（36±10）μg/m3和（21±10）μg/m3，夏季O3平均浓度约为冬季的1.7倍。夏季刚开始NAI浓度变化趋势比较稳定，7月第2周开始NAI浓度变化幅度较大，最大值与最小值相差353 ion/cm3；冬季NAI浓度在1 500 ion/cm3上下浮动，在2月的时候突然下降到1 500 ion/cm3以下。夏季O3浓度在7月中旬之前O3日均浓度变化浮动较大，最大值与最小值相差45 μg/m3，中旬之后O3浓度降低，变化趋于稳定；冬季O3浓度的变化趋势呈逐渐递增的趋势，12月出现浓度的最低值6 μg/m3，次年2月浓度达到了最大值为46 μg/m3。因此，夏季NAI浓度和O3浓度的变化趋势相反，冬季二者变化趋势不明显。

图 1 南海子公园NAI和O3日均浓度Fig. 1 Diurnal concentration of NAI and O3 in Nanhaizi Park

2.1.2 NAI浓度与O3浓度的日变化特征

北京城市森林夏季和冬季NAI浓度呈现出不同的变化趋势，见图2。由图2可知，夏季为“单峰单谷”曲线，冬季NAI浓度呈现“单峰”曲线；2个季节的O3浓度日变化趋势相似，均呈现“单峰单谷”曲线。夏季NAI浓度日变化的总体规律为清晨（5：00—9：00）NAI浓度为高值区，出现当日的最高峰值；中午（11：00—15：00）为低值区，出现当日的最低峰值，傍晚之后NAI浓度开始回升。如图2a所示，3个区域的NAI浓度日变化均表现出相似的特征，分别在7：00—9：00出现峰值，在15：00左右出现谷值。市中心、近郊浅山林区和远郊山地林区NAI浓度最高分别为2 348、1 883 ion/cm3和2 465 ion/cm3，最低分 别 为2 016、1 590 ion/cm3和2 037 ion/cm3。冬季NAI浓度则呈现出与夏季不同的模式，3个区域NAI浓度变化趋势相似（如图2b所示），呈现“单峰”曲线，NAI浓度在0：00—7：00为低值区，7：00—8：00开始逐渐上升，在10：00—11：00左右出现一天当中的最高峰值，在2 000～2 300 ion/cm3之间，12：00—13：00开始下降，19：00—23：00回到低值区，随后趋于稳定。

夏季和冬季不同区域的O3浓度差异比较明显，且远郊山地林区O3浓度始终低于其他2个区域。夏季O3浓度最低出现在早上7：00—8：00，远郊区浓度最低，不超过20 μg/m3，而其他2个区域最低浓度为20～50 μg/m3；3个区域的O3浓度从8：00开始增加，直到15：00—17：00左右到达峰值，市中心O3浓度最高，达到200 μg/m3以上，近郊区次之，125 μg/m3，而远郊区未到50 μg/m3；随后呈现下降的趋势，直到第2天清晨。冬季O3日变化规律与夏季相似，但波动幅度较小。O3浓度最低出现在8：00（远郊区除外），15：00时上升到最高值，然后逐渐下降，直到次日早上。

图 2 夏季和冬季NAI和O3平均日变化Fig. 2 Diurnal variation of NAI and O3 in summer and winter

2.2 NAI浓度与O3浓度的空间变化特征

由图3a可知，夏季市中心公园O3浓度最大为（84±64）μg/m3，近郊浅山林区浓度次之（58±45）μg/m3，然后是近郊开发区（36±10）μg/m3，远 郊 区O3浓 度 最 小（22±13）μg/m3，北 京 市中心污染程度比较严重，是近郊区O3浓度的1.5～2.5倍，是远郊区的4倍左右。北京冬季O3浓度空间变化与夏季相似，从市中心到郊区呈递减的趋势，但整体变化趋势不明显，浓度变化范围在15～30 μg/m3之间。

图 3 夏冬季北京各区域NAI和O3的平均浓度Fig. 3 Average concentration of NAI and O3 in various regions of Beijing in summer and winter

由图3b可知，NAI浓度空间变化特征夏季表现为市中心公园＞远郊区公园＞近郊浅山林区＞近郊开发区，市中心公园NAI浓度最大，比远郊区、近郊区浅山林区、近郊开发区浓度分别上升了7%、14%、19%；冬季NAI浓度变化趋势与之类似，NAI浓度为1 500～2 000 ion/cm3，市中心NAI浓 度 最 大（2 002±90）ion/cm3，比 远 郊 区、近郊浅山林区、近郊开发区分别升高7%、9%、26%。夏冬季远郊区公园的NAI浓度次于市中心公园，说明NAI浓度变化与北京地区污染程度总趋势不一致。

2.3 NAI浓度与O3浓度的相互作用

由图4可知，夏季NAI浓度与O3浓度呈负相关关系（P＜0.01，r=-0.303），冬季NAI浓度与O3浓度呈正相关关系（P＜0.01，r= 0.388）。

图 4 南海子公园夏季和冬季NAI浓度和O3浓度的散点图Fig. 4 Scattered points of NAI and O3 concentrations in Nanhaizi Park in summer and winter

由图5a可知，研究了夏季O3浓度对NAI浓度的影响，在4个O3max（日最大O3浓度）水平下，NAI浓度的日变化规律，发现越高的O3max浓度水平下，NAI浓度越低。当O3max＞50 μg/m3时，NAI浓度最低，且日变化显著，最低值出现在14：00；当20 μg/m3＜O3max＜50 μg/m3时，NAI浓度较低，最低值出现在18：00；当O3max＜20 μg/m3时，NAI浓 度 最 高，日 变 化 不 显 著。可 知，当O3max＞50 μg/m3时，会 影 响NAI浓 度变化。

图 5 南海子公园不同浓度水平下NAI浓度与O3浓度的日变化Fig. 5 Diurnal changes of NAI and O3 concentrations in Nanhaizi Park

由图5b可知，在冬季3个NAI浓度水平下，O3浓度呈现出相似的变化曲线。当NAI浓度＞1 500 ion/cm3时，O3浓度最高，每小时变化较大；当1 200 ion/cm3＜NAI浓度＜1 500 ion/cm3时，O3浓度与上一个NAI浓度水平相比，进一步降低；当NAI浓度＜1 200 ion/cm3时，O3浓度最低，每小时变化较小。总体而言，冬季NAI浓度水平越高，O3浓度越高。

3 结论与讨论

北京近郊南海子公园夏季和冬季NAI日均浓度分别为（1 761±57）ion/cm3和（1 481±78）ion/cm3，达到了世界卫生组织规定的清新空气负氧离子标准浓度。夏季和冬季O3日均浓度分别为（36±10）μg/m3和（21±10）μg/m3，且O31 h max和O38 h max均小于100 μg/m3，达到了GB 3095—2012[22]规定标准限值，说明北京城市森林公园符合我国风景区等空气清洁地区的水平。

研究发现北京森林公园夏季NAI浓度和O3浓度均比冬季高。夏季植物受太阳日照时间长、紫外线强等因素，光合作用旺盛，其生长茂盛，降水量丰富，空气湿度较大，为NAI的生产提供了极为有利的条件[23-24]，因此，夏季NAI浓度较高，这与国内其他森林公园的观测结果一致[25]。O3的形成与其前体物和气象因素有关[26]，夏季高温和强的太阳辐射会导致光化学反应速率的提高，从而促进O3的生成[27]，所以夏季O3浓度高于冬季。

已有研究表明，NAI浓度的日变化峰值出现在日出前后，随后开始下降，最低值出现在下午，然后又逐步升高[24-25,28]，但这些研究偏向于夏季和秋季，对于冬季NAI浓度的日变化几乎没有。本研究中夏季NAI浓度日变化趋势和前人的研究一致，呈“单峰单谷”型，冬季则出现不同的变化趋势，呈“单峰”型，且在正午11：00—12：00出现峰值，这是因为冬季正午的太阳辐射是一天当中最强的时候，空气会电离产生更多的NAI。O3浓度在2个季节的日变化基本相同，夏季17：00和冬季15：00出现单峰。在这两个季节，O3浓度峰值存在差别是由于夏季一直持续更高的太阳辐射和温度而促进光化学反应形成O3[29]。

根据离城市中心距离可知，4个城市森林污染程度分别为朝阳公园＞南海子公园＞西山公园＞松山自然保护区，可以看出NAI浓度变化与这4个地区污染程度总趋势不一致，说明与其他影响因素相比，城市污染梯度对城市森林中NAI浓度影响较小。邵海荣等研究表明北京地区NAI浓度从市中心向近郊、远郊逐渐增大[11]。Liang等[30]研究发现城市化可以引起NAI浓度沿城乡梯度的变化，但不会改变其时间变化规律；城市化对可以诱发NAI浓度沿城乡梯度变化，但仅限于非植被或植被较少的地区（如开放空间），而在植被丰富的地区（如城市森林）则不明显，是因为森林有更多的能够促进电解的叶片生物量，其次森林释放的芳香物质也可以促进空气电离，增加森林中的NAI浓度[31]，这也是本研究中NAI浓度没有随着污染程度严重而呈现下降的趋势的原因。

O3浓度在2个季节中由市中心公园向郊区公园呈下降趋势，这种模式在夏季更为明显，这与四个城市森林公园的污染程度有极大的关系。张红星等[32]采用移动监测车对北京城市道路进行多点位连续测定地表O3浓度，其采样管距离地面约3.3 m，研究发现北京O3浓度从市中心城区向郊区公园呈现上升趋势。王占山等[33]通过对北京市35个自动空气监测子站的O3浓度进行分析，得出北京市城区O3浓度相对较低，周边区县相对较高，生态植被优良的东北地区最高。本研究与前人的研究内容同为北京市O3的空间变化，不同的是，本研究对象是不同城市森林公园O3浓度的变化。由此可以看出，在大尺度上O3浓度从城区到远郊逐渐增加，而城市公园的存在改变了这一规律，使得城区公园内的O3浓度比郊区公园高，原因是城区公园四周为高楼大厦，风速较低，不利于O3的扩散，且城区内温度较高，光化学反应剧烈，有利于O3产生。

研究从不同季节的角度分析NAI浓度和O3浓度的相关性，发现NAI浓度和O3浓度在夏季呈显著负相关关系，相关系数为-0.303，在冬季呈显著正相关关系相关系数为0.388。赵艳佩[14]研究发现NAI浓度和O3浓度在1—5月呈显著正相关，相关系数为0.265，同时也验证了O3与其他污染物均呈显著负相关，和NAI与其他污染物的相关关系一致，从侧面验证了O3与NAI之间的正相关性；曹建新等[9]研究发现NAI浓度和O3浓度全年呈显著正相关，相关系数为0.217，NAI浓度和O3浓度呈正相关，这是因为空气电离产生NAI过程中释放的氧原子，会与空气中的氧气结合生成O3。

夏季NAI浓度和O3浓度呈负相关关系，可能与夏季植物生长茂盛有关。前人的研究不是在城市森林或公园中或者没有单独讨论夏季二者的相关性，因此没有植物的作用。有研究表明日间植物通过气孔途径吸收生态系统中80%的O3[34]；也有研究发现有些植物可以吸收空气中的O3，并利用其体内的一系列酶如超氧化物歧化酶等进行转化清除[35]；且植物自身释放的一氧化氮和萜类等气体能中和大气中的O3等一系列研究表明植物降低空气中的O3浓度[36]。相反，某些植物的叶片呈针状等曲率半径较小，具有尖端放电的功能，使空气发生电离，NAI浓度增加；植物的叶表面在短波紫外线的作用下，也能够发生光电效应，使NAI浓度升高[37]，李少宁等研究发现树木生长季能提供更多的NAI[38]，所以说植物会影响NAI浓度和O3浓度相关性。

研究选取夏季和冬季北京市中心到远郊区四个不同区域NAI浓度和O3浓度的数据进行分析，探讨NAI浓度和O3浓度的时空变化特征及其相互作用，得到如下结论。时间变化上，北京城市森林夏季NAI浓度和O3平均浓度均高于冬季；夏季和冬季NAI浓度日变化分别呈现“单峰单谷”和“单峰”曲线；两季节O3日变化趋势相似，均呈“单峰单谷”曲线。夏季NAI浓度分别在7：00—9：00出现峰值和15：00左右出现谷值；冬季NAI浓度峰值在12：00左右；夏季和冬季O3浓度谷值在7：00—9：00，冬季峰值在15：00，比夏季早两个小时左右。二者在夏季和冬季均具有明显的日变化特征。空间变化上，NAI浓度变化表现为：市中心公园＞远郊区公园＞近郊浅山林区＞近郊开发区；O3浓度变化表现为：市中心公园＞近郊浅山林区＞近郊开发区＞远郊区。可见城市污染梯度对城市森林公园NAI浓度影响小，而O3浓度空间变化符合城市污染梯度。夏季NAI浓度与O3浓度呈负相关关系（P＜0.01，r=-0.303），冬季NAI浓度与O3浓度呈正相关关系（P＜0.01，r=0.388），说明植物的生长季与NAI浓度和O3浓度的相关性有关。