东台山国家森林公园空气负离子浓度时空变化规律研究

文 虹， 段 翔， 彭 皎， 谢海军， 朱永安， 钟 行

(1.湘潭市林业科学研究所， 湖南 湘潭 411100； 2.湘潭市林业局， 湖南 湘潭 411100)

空气负离子(NAI)是空气中带负电荷的气体离子[1]。NAI的形成方式有多种，宇宙射线、紫外线、放射性物质、雷电、海浪和瀑布的冲击、森林植物以及森林环境因子等因素都能使空气分子电离，进而产生NAI[2-3]。NAI被誉为“空气维生素和生长素”，对人体的生理活动有着很重要的影响，所产生的离子效应有明显的生物学效应，可调节人体的各项生理指标，有利于人体健康[4-9]。CAPAN早在1902年就肯定了NAI的生物学意义[10]。1957—1959年，Krueger[11]和Winsor[12]研究了NAI在医学领域里的生物学效应，结果表明，NAI有抑制、缓解辅助治疗疾病的作用。不同浓度的NAI产生的负离子效应不同，在1000～5000个·cm-3浓度范围内，能显著提高人体的免疫能力；在5000～10000个·cm-3浓度范围内，能够杀灭环境中的病菌，减少疾病传播的可能性；当浓度高于10000个·cm-3时，能使人体达到自然痊愈，并对精神抑郁类疾病有一定的疗效[13]。近年来，NAI因已成为森林环境质量评价的一个重要因素而备受关注。森林自然生态环境中含有丰富的NAI，充分开发和利用NAI资源，是贯彻习近平总书记“绿水青山就是金山银山”理念的重要举措，同时对促进生态旅游发展、森林康养基地建设，提高人们健康水平有着重要的意义[14-15]。本研究以湘乡市东台山国家森林公园为研究对象，分析其空气负离子浓度(NAIC)的时空变化规律，及其与温湿度、细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)等环境影响因子的相关性，以期为东台山森林康养基地的建设提供有力的数据支撑和有益参考。

1 研究区概况

东台山国家森林公园为湖南省首批“森林康养”建设试点示范基地，位于涟水之滨的湘乡城南经济开发区，地处112°31′00″—112°34′00″E，27°41′16″—27°43′43″N，包含狮子山、塔子山、东台山三大景区，总面积336hm2。该区气候属亚热带湿润季风气候，平均气温17.3℃。该森林公园具有良好的生态环境，其森林覆盖率达95.34%，植被类型为亚热带常绿阔叶林，植被丰富，主要有马尾松(Pinusmassoniana)、檫木(Sassafrastsumu)、苦槠(Castanopsissclerophylla)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、石栎(Lithocarpusglaber)、棱角山矾(Symplocostetragona)等树种。公园的地理位置优越，交通方便，山体秀美；主要景点有文塔、凤凰寺、鹰嘴崖、八角亭等景观，其历史悠久，环境清幽，位列湘乡八景之首；山麓的东山学堂，是一代伟人毛泽东少年求学之地，是人们户外休闲康养的好去处。

2 材料与方法

2.1 检测仪器

采用AES-80型多参数负离子检测仪进行检测。采用电容式吸入法检测空气中的各种正负极性的大、中、小离子和PM2.5、PM10浓度以及温湿度，其检测结果准确，灵敏度高。浓度检测范围为1×108～3×108个·cm-3，精确到1个·cm-3，无干扰环境下检测精度为1%。

2.2 检测方法

2019年1—12月进行检测。为减少干扰，每月选择2～3d无风晴朗天气进行检测，每天8：00—18:00，每隔2h检测1次。由于所采用的仪器有自动检测记录功能，本试验采用自动检测和瞬时检测相结合的方法。自动检测每次检测的时间为30min，数据自动存储到U盘；瞬时检测每个检测点在相互垂直的4个方向分别检测，每个方向取5个稳定值，然后取其均值作为分析用数据。

2.3 检测点选择

为全面分析东台山国家森林公园NAIC的时空变化特征，根据东台山森林公园植被、水源、功能区等分布情况，通过实地踏查，选取森林公园内代表不同环境类型的检测点5个，分别为林缘、林内、水边、硬化地、竹林。具体见表1。

表1 检测点概况Tab.1 Overview of inspection points%编号名称植被覆盖率硬化比例主要植物种类备注S1林缘5050马尾松位于场部办公楼旁,森林公园入口,处于南向风口位置;为马尾松林,郁闭度≥0.5。S2林内1000马尾松、杜英位于林区游步道旁;为针阔混交林,郁闭度≥0.7。

续表1 检测点概况Continued Tab.1 Overview of inspection points%编号名称植被覆盖率硬化比例主要植物种类备注S3水边7030马尾松、檫木春夏季有活水;为针阔混交林,郁闭度≥0.5。S4硬化地2080周边为苦槠、石栎位于凤凰寺旁,较开阔;周边为阔叶混交林,郁闭度≥0.2。S5竹林1000楠竹Phyllostachys edulis位于羊古工区;为楠竹林,郁闭度≥0.6。

2.4 数据分析

采用Excel 2012进行数据整理和图表制作，运用SPSS 22.0统计分析软件进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 NAIC的时间变化规律

3.1.1 NAIC的日变化规律 选取2019年11月21日林缘检测点的数据进行分析，得到NAIC的日变化规律(见图1)。由图1可知：在8:00—18:00时段内，NAIC的日变化曲线呈现有波峰、波谷的结构。在18:00，NAIC达到最高值，达1734个·cm-3；在14:00，NAIC达到最低值，仅为852个·cm-3。从变化幅度上看，在8：00—10:00时段内下降幅度最大，在14：00—16:00时段内上升幅度最大。早晨和傍晚人流量相对中午较少，同时温度较低、湿度较大，利于NAI的产生。

图1 NAIC的日变化Fig.1 Diurnal variation of air negative ion concentration

3.1.2 NAIC的月变化规律 将5个检测点2019年1—12月的NAIC数据按月统计，取平均值，得出NAIC的月变化规律(见图2)。由图2可知：NAIC最低值出现在12月，仅为1025个·cm-3；最高值出现在 5月，达2459个·cm-3。这可能是由于12月空气干燥，大多数植物还处于休眠状态，而5月雨水充足，植物光合作用较强。从变化趋势来看，NAIC在1—3月、6—8月时段内呈平缓升高趋势，10—12月呈平缓下降趋势。这是因为这3个时间段的温度、相对湿度等相对平稳。3—5月，随着雨季的来临，NAIC呈急剧升高趋势；6月雨水少，气温高，5—6月NAIC又呈急剧下降趋势。由此可以得出，空气温度和相对湿度是NAIC的重要影响因子。

图2 NAIC的月变化Fig.2 Monthly variation of air negative ion concentration

3.2 NAIC的空间变化规律

将5个检测点2019年1—12月的NAIC数据按检测点分别统计，取平均值，得到NAIC的空间变化规律(见表2)。由表2可知：不同类型环境中的NAIC差异较明显，其变化规律为：水边>林缘>竹林>林内>硬化地。这是因为在日照、微风及水体的蒸腾作用下，提高了水边的NAIC；林缘位于森林公园入口，处于南向风口位置，风对NAI的产生起到了促进作用；竹林位于羊古工区，纯林环境，无外界干扰，NAI产生量适中；林内为针阔混交林，但由于靠近游步道，NAIC受到一定的人为因素影响；硬化地NAI产生量相对较少，加上位于凤凰寺旁，此处游客较多，车流量大，NAIC受人为因素影响也较大，因此，NAIC相对较低。

表2 不同检测点的NAICTab.2 Air negative ion concentration of different inspection points(个·cm-3)检测点NAIC检测点NAIC水边1 618林缘1 588林内1 453竹林1 487硬化地1 331

3.3 NAIC与空气温湿度、PM2.5、PM10的相关性

3.3.1 NAIC与空气温湿度的相关性 选取2019年11月21日林缘检测点的数据进行NAIC与温湿度相关性分析。由图3、图4可知：NAIC与空气温度总体呈现负相关关系，随着气温的升高而下降，随着气温的下降而升高；NAIC与空气相对湿度总体呈现正相关关系，随着空气相对湿度的升高而升高，随着空气相对湿度的下降而下降。

图3 NAIC与空气温度日变化Fig.3 Diurnal variation of air negative ion concentration and air temperature

图4 NAIC与空气相对湿度日变化Fig.4 Diurnal variation of air negative ion concentration and air relative humidity

进一步统计分析结果见表3。由表3看出：NAIC与空气温度呈弱度负相关，相关性不显著，这有可能是因为当天空气温度在13.9～17.8 ℃之间，气温变化幅度小，导致NAIC与空气温度相关不明显；NAIC与空气相对湿度呈极显著正相关，这是由于空气相对湿度越大，大量水分子被电解，使NAIC增加。可见，在一天中，NAIC随空气温度的升高而降低，随空气相对湿度的升高而升高。

3.3.2 NAIC与PM2.5、PM10浓度的相关性 因仪器设备、测量方式等原因，选取数据相对更为精确的1月份的数据进行统计，结果见图5、图6。由图5、图6可知，NAIC随PM2.5、PM10浓度的降低而升高，与PM2.5、PM10浓度总体均呈负相关。

表3 NAIC与空气温湿度、PM2.5、PM10浓度的相关性Tab.3 Correlation between air negative ion concentration and air temperature and humidity,PM2.5,PM10concentration相关因子空气温度空气相对湿度PM2.5浓度PM10浓度NAIC-0.1790.921**-0.361-0.414 注: 表内为皮尔逊相关系数(Pearson);**表示因子间在0.01水平相关显著。

图5 NAIC与PM2.5浓度日变化Fig.5 Diurnal variation of air negative ion concentration and PM2.5concentration

图6 NAIC与PM10浓度日变化Fig.6 Diurnal variation of air negative ion concentration and PM10concentration

进一步相关性分析结果如表3所示。从表3中看出，NAIC与PM2.5、PM10浓度的相关性不显著，均呈现弱度负相关。

4 结论与讨论

(1)在一天内，东台山国家森林公园的空气负离子浓度(NAIC)最高值(1734个·cm-3)出现在下午18：00，上午8:00的值较低(1179个·cm-3)，最低值出现在中午14:00(852个·cm-3)，说明该森林公园一天内的NAIC在清晨和傍晚时段较高，与陶雪莹等[16]的研究结果(NAIC早晚高、中午低)一致，与郭云鹤等[17]的研究结果(NAIC峰值出现在中午前后)不一致。因试验条件限制，本研究选择晴朗无风天气的8:00—18:00时段进行检测，未考虑阴天、雨天、夜间等因素，结论的准确性还有待进一步的研究来验证。在一年中，NAIC的最高值(2459个·cm-3)出现在5月，最低值(1025个·cm-3)出现在12月，这与陆佳等[18]的研究结果相似。5月雨水多，光合作用充足，促进了森林环境中空气负离子(NAI)的产生；12月空气干燥，植物处于休眠期，NAI处于不活跃期。这也从侧面证明了空气温度、相对湿度是影响NAIC变化的重要环境因素。

(2)不同类型环境中的NAIC从高到低依次为：水边(1618个·cm-3)>林缘(1588个·cm-3)>竹林(1487个·cm-3)>林内(1453个·cm-3)>硬化地(1331个·cm-3)。东台山国家森林公园水边的NAIC最高，与周文昌等[19]、肖红燕等[20]的研究结果一致，因此，可以多在水源附近建立休闲康养场所，或者通过增设人工跌水、喷泉等方式增加NAIC。

(3)东台山国家森林公园的NAIC变化与空气温度呈弱度负相关，与空气相对湿度呈极显著正相关，与PM2.5、PM10浓度均呈弱度负相关。诸多研究表明，NAIC与空气温湿度、PM2.5、PM10浓度均存在关联，但结论各异。顾小丽等[21]认为，NAIC与空气温度呈负相关，与空气相对湿度呈正相关，这与本研究的结论基本一致；潘剑彬[22]和张建国等[23]认为，NAIC与空气温度呈正相关；德国学者Reiter[24]认为，NAIC变化的重要影响因素是气象条件，并且与相对湿度呈负相关；陆佳等[18]认为NAIC与PM2.5浓度呈不显著负相关关系，与本研究结果一致；贺江华等[25]的研究则表明，NAIC与PM2.5、PM10浓度均呈极显著正相关。国内外学者研究结果不一，可能主要是由于检测方法、设备精度、检测地的地质环境条件等不同，加上影响因素的交叉复合作用造成的。

(4)NAIC不仅受到森林环境内的空气温度、相对湿度以及PM2.5、PM10浓度的影响，还受海拔、风速、光照强度、气压等气象条件和地质条件多种因素的共同作用。为使研究结果更为准确，在今后的研究中，要综合各方面的因素建立统一的、综合的评价模型，以期更准确地为管理者的规划提供参考，促进NAI资源的合理利用，充分发挥森林的生态效益。