干旱半干旱地区城市公园绿地空气负离子浓度特征及影响因素1)

包红光 闫晓云 王波 侯秀娟 贾雨龙 秦嘉泽

(内蒙古农业大学,呼和浩特,010010) (北京市通州区园林绿化局) (国家植物园)

空气负离子(NAI)具有很强的清洁空气、降尘、杀菌的作用,由于它们具有增强人体免疫系统和辅助治疗多种疾病的功能,被称为“空气维生素”[1-2]。已有研究表明,形成负离子的反应机制主要可以概括为电离作用、勒纳德效应、植物的尖端放电和光电效应等[3-5]。近年来,城市空气质量成为人们关注的焦点,空气负离子浓度(NAIC)是评价城市空气质量和城市居民周边环境对健康影响的重要指标之一[6-7]。目前,对于空气负离子的研究涉及比较广泛,研究内容较多集中在空气负离子浓度空间和季节分布规律[8-9],以及温度、湿度、风、天气、植被、水等自然因素所产生的影响[10-11],同时,在医疗[12]、旅游业[13]等方面也有涉及。有研究指出,城市公园绿地不仅可以满足休闲放松的环境需求[14-16],缓解城市居民的生活压力[17],合理的建设城市公园绿地还可以增加空气负离子浓度,改善周边环境污染。

针对空气负离子的研究主要集中在林地[18]、森林公园[19]或城市森林[20],空气负离子发生过程及影响机制是目前许多学者关注的热点问题[21-22],较多研究采用传统的统计方法探讨空气负离子浓度与各种环境因素之间的相关性[23-24]。此外,空气负离子在空气中存在时间短,形成和消亡的过程复杂多变,具有多种环境因子促进和抑制整个过程的特点[21,25],所以空气中,空气负离子具有波动性强和不稳定等变化特点,致使空气负离子与环境因子的相关性研究存在很多争议和不确定性[26-27]。因此,在区域环境条件内,在城市公园绿地对空气负离子和各种环境因素进行监测。依据不同结构绿地条件探讨空气负离子浓度变化趋势,并通过主成分分析对不同季节影响空气负离子浓度因素的重要性进行排序,解释影响空气负离子浓度的关键因素,同时在区域环境条件实地监测空气负离子浓度的数据,可以丰富净化空气、调节城市小气候、森林康养实践等应用基础研究。

1 研究区概况

选择呼和浩特市敕勒川公园为实地监测区域,总设计面积约为33 hm2,是周边城市居民休闲活动的主要场所之一。公园位于市区二环内,市区地理坐标为110°46′～112°10′E,40°51′～41°8′N,平均海拔1 050 m,属于干旱半干旱区域,年均降水量仅350 mm,主要集中在7—8月,春季干燥多风,夏季高温,秋季降温迅速,冬季寒冷。

2 研究方法

监测点设置:在2020年6月对敕勒川公园全面踏查的基础上,依据城市公园绿地植物群落特征差异及代表性,分别在公园内选择不同结构绿地,分别为乔草型、乔灌型、乔木型、灌草型、乔灌草型。为避免水体和游客对空气负离子浓度产生影响,选取不同结构绿地时,周边避免出现水体、交通主要干道及休息区,对照区(CK)选择紧邻公园内水域、无遮光影响的硬质铺装空地。本底调查时,每种结构绿地设置3组重复,乔木样方为20 m×20 m的正方形,在其四角分别设置灌木、草本样方,灌木样方为5 m×5 m,草本样方为1 m×1 m。

表1 不同结构绿地主要植物概况表

监测时间:于2020—2021年,参照并依据中国环境监测网及城市区域天气预报,每个季节选取晴天、晴间多云为主的天气各10 d,监测时段为07:00—19:00,每小时监测1次,不同结构绿地按照三角形选择3个不同监测点,每个监测点进行3个重复,监测高度为人体呼吸高度1.3～1.5 m处,不同结构绿地采取同步监测的方式进行数据采集。

监测指标:使用美国照明(ALP)公司生产的AIC-1000型便携式空气负离子监测仪(分辨率为10个/cm3,测量范围为10.000～1.999×106个/cm3)对空气正、负离子浓度进行监测,观测高度为距离地面1.3～1.5 m处,每个观测点开机并做归零调整后,观察空气正、负离子读数,记录数据停顿1～2 s的数值。同时,分别使用英国Turnkey公司生产的Dustmate型手持粉尘仪(分辨率为0.1 μg/m3,测量范围为0～6 000 μg/m3)监测PM10(粒径≤10 μm)、PM2.5(粒径≤2.5 μm)质量浓度。使用美国NK公司生产的Krestal 4500手持气象站监测平均风速(分辨率为0.1 m/s,测量范围为0.6～60.0 m/s)、相对湿度(分辨率为0.1%,测量范围为0～100%)、平均温度(分辨率为0.1 ℃,测量范围为-29～70 ℃)、大气压强(分辨率为0.1 hPa,测量范围为750～1 100 hPa)。使用我国优利德公司(UNI-T)生产的UT352声级计监测噪声(分辨率为0.1 dB,测量范围为30～130 dB)。

空气负离子浓度数据处理方法:本研究采用双因素方差分析和最小显著差异(LSD,p<0.05)检验,对空气负离子浓度在结构、季节之间的差异性进行多重比较。采用因子分析法得出影响空气负离子浓度的因子负荷,以评估影响空气负离子浓度的主要因素。所有统计分析均采用IBM SPSS Statistics22.0、Excel 2016、Origin 2019b软件进行数据处理。

空气清洁度(IC)评价方法:运用安培空气清洁度评价指数法对不同结构绿地的空气负离子清洁度进行评价。空气清洁度评价指数计算公式为:IC=(n-/1 000)×(1/q),式中,IC为空气清洁度评价指数,n-为空气负离子浓度、n+为空气正离子浓度,q为单极性系数,q=n+/n-,是空气正负离子浓度的比值。空气清洁度评价标准参照钟林生等[28]所采用的评价标准(表2)。

表2 空气清洁度评价标准

3 结果与分析

3.1 不同季节不同结构绿地空气负离子浓度日变化

春季不同结构绿地空气负离子浓度呈“早晚高,中午低”的变化特征,乔草型在13:00、16:00时段出现较低值,乔灌型、灌草型低谷时段分别为13:00、17:00,乔木型低谷时段集中在12:00—18:00,乔灌草型在14:00、19:00出现低谷,对照区(CK)则在11:00、15:00出现高值,呈“双峰”变化特征。夏季空气负离子浓度呈较为明显的“V”型变化特征,不同结构绿地07:00—09:00、18:00—19:00出现较高值,11:00—13:00出现低谷,对照区(CK)则在07:00—08:00出现较低值,14:00开始逐步升高,17:00出现监测时段内最高值,对照区(CK)、乔灌草型分别出现较低值、较高值的时段较多。秋季、冬季不同结构绿地空气负离子浓度呈交替变化规律,并未表现出明显的日变化特征,秋季乔草型、灌草型分别出现较低值、较高值的时段较多,冬季乔木型、灌草型分别出现较低值、较高值的时段较多,对照区(CK)在秋季、冬季12:00出现最低值,19:00出现最高值,不同结构绿地间并未表现出明显的差异性(表3)。

3.2 空气负离子浓度随季节和绿地结构的变化

同一季节不同绿地结构空气负离子浓度差异:从同一季节不同结构绿地空气负离子浓度均值(表4)可知,春、夏、秋、冬四季中空气负离子最高的分别为乔灌草型、乔灌草型、灌草型、乔草型,最低的分别为乔木型、乔草型、乔木型、乔木型。同一季节不同结构绿地、对照区(CK)空气负离子浓度均值虽有高低差异,但均未表现出显著差异,且均值相对稳定。

表4 四季中各结构绿地空气负离子浓度

同一结构绿地不同季节空气负离子浓度差异:从同一结构绿地不同季节空气负离子浓度均值(表4)可知,除灌草型、对照区(CK)空气负离子浓度秋季高于夏季外,其余结构绿地夏季均高于秋季;同一结构绿地空气负离子浓度均值夏季、秋季较春季、冬季高,冬季高于春季,说明夏季、秋季公园绿地内不同结构绿地空气负离子浓度较高。不同显著性水平差异结果可见,乔草型、乔灌型、乔木型春季与夏、秋季,灌草型、乔灌草型春、冬季与夏、秋季,对照区(CK)秋季与春、冬季差异显著(p<0.05);乔草型春季与夏、秋季,乔灌型春、冬季与夏季,乔木型春季与夏季,灌草型、乔灌草型春季与夏、秋季,对照区(CK)春季与秋季差异极显著(p<0.01)。

3.3 空气清洁度评价指数变化特征及评价

空气清洁度评价指数日变化及评价:由表5可知,四季中不同时刻各结构绿地的清洁度分别为,春季07:00乔木型为最清洁(A),乔灌型为清洁(B),17:00乔灌型为清洁(B),08:00、09:00、18:00乔灌草型为清洁(B),19:00乔草型、乔灌型为清洁(B),其余时段不同结构绿地为中等至重度污染(C～E3);对照区(CK),除18:00为清洁(B)外,其余时段介于中等至重度污染(C～E3)。夏季不同结构绿地07:00—09:00、19:00介于最清洁至中等(A～C),10:00—11:00介于中等至容许(C～D),18:00介于最清洁至容许(A～D),其余时段除13:00乔灌草型和17:00乔灌型为最清洁(A)外,其余不同结构绿地介于清洁至中度污染(B～E2),变化幅度较大;对照区(CK)在16:00—19:00介于清洁至中等(B～C),其余时段介于容许至轻污染(D～E1)。秋季不同结构绿地07:00介于最清洁至中等(A～C),08:00、09:00、18:00、19:00介于最清洁至容许(A～D),11:00—17:00介于最清洁至中度污染(A～E2),其中13:00乔灌草型,17:00乔草型、乔灌型,18:00灌草型、乔灌草型表现为最清洁(A);对照区(CK)在11:00、16:00—17:00为清洁(B),18:00为中等(C),其余时段为容许至中度污染(D～E2)。冬季不同结构绿地07:00、08:00介于最清洁至中等(A～C),其余时段不同结构绿地介于清洁至中度污染(B～E2),其中,12:00灌草型、17:00乔灌型为清洁(B);对照区(CK)介于清洁至中度污染(B～E2),15:00为清洁(B)。

表5 四季中各结构绿地不同时刻空气清洁度评价指数

空气清洁度评价指数季节变化及评价:由表6可知,春季各结构绿地清洁度等级为中等至轻污染(C～E1),乔灌草型、乔草型空气清洁度评价指数分别为最高、最低值;夏季各结构绿地清洁度等级为清洁至中等(B～C),乔灌草型、乔木型空气清洁度评价指数分别为最高、最低值;秋季各结构绿地清洁度等级为清洁至中等(B～C),乔灌草型、乔木型空气清洁度评价指数分别为最高、最低值;冬季各结构绿地清洁度等级为中等至容许(C～D),灌草型空气清洁度评价指数表现最高,乔灌型、乔灌草型表现最低。不同季节对照区(CK)清洁度等级为容许(D),说明夏季、秋季空气清洁度等级较好。方差分析可知,春季、夏季、秋季复杂结构绿地(乔灌草、乔灌型)显著高于简单结构绿地(乔草型、灌草型、乔木型),冬季差异不显著;不同季节同一结构绿地差异表明,夏季、秋季显著高于春季或冬季,不同季节对照区(CK)差异不显著。

表6 空气清洁度评价指数季节均值比较

3.4 空气负离子浓度影响因素分析

不同季节和绿地结构对空气负离子浓度的影响:双因素方差结果显示,绿地结构、季节均对空气负离子浓度呈显著性影响(p<0.05),存在主效应,说明绿地结构、季节分别对空气负离子浓度产生直接影响,而绿地结构×季节则对空气负离子浓度无显著影响。

依据主成分分析的空气负离子浓度影响因素分析:不同季节各变量间通过KMO检验(KMO值>0.6)和巴特利特球形检验(p<0.05),表明具有较强相关性,主成分分析有效,说明原有变量适合做主成分分析。依据初始因子载荷表和筛选特征值对季节主成分个数进行筛选,结果表明,春、夏、秋、冬前3个主成分的累计贡献率分别为91.13%、83.13%、92.33%、81.63%,表明所对应的3个主成分可以反映原始指标所提供的绝大部分信息。

由表7可知,根据各主成分因子载荷系数从大到小排序结果,春季第一主成分为相对湿度、PM2.5、PM10,第二主成分为风速、气压、PM2.5,第三主成分为噪声;夏季第一主成分为相对湿度、气压、PM10,第二主成分为PM2.5、风速、气压,第三主成分为PM10;秋季第一主成分为PM10、PM2.5、相对湿度,第二主成分为风速、气压、温度,第三主成分为噪声;冬季第一主成分为PM10、相对湿度、PM2.5,第二主成分为风速、气压、PM10,第三主成分为风速。总体来说,虽然不同季节影响空气负离子浓度的主成分表现略有不同,但相对湿度、PM10、PM2.5是影响空气负离子浓度的主要因素,表现为正相关且影响较大。

表7 各主成分因子载荷矩阵

4 讨论

不同结构绿地夏季、秋季空气负离子浓度表现出较高的变化特征。由于夏秋季节正值公园内植被生长旺盛时期,植物光合作用强,同时,短波紫外线对叶片表面产生光电效应,可以提高植物的生物电位,进而增加空气负离子浓度[4,29-30],最终导致夏秋季节不同结构绿地空气负离子浓度表现较高;再者,夏秋季节监测时段污染程度较低,对空气负离子的影响较小;另外,夏秋季节下雨、雷电等天气变化过程均有利于产生空气负离子[31]。冬季空气负离子浓度较低,由于冬季寒冷,光周期短,光照强度弱,大部分叶子脱落,降低了植物光合作用,从而空气负离子浓度较低[8]。这与部分学者得出冬季空气负离子浓度较高的结论相互矛盾,说明不同环境空气负离子浓度的季节变化特征表现出一定的差异性[32-33]。本研究中的不同季节,空气负离子浓度日变化在07:00—09:00、11:00—14:00分别出现监测时段的高值、低值。

本研究发现,不同结构绿地,除夏季为乔草型空气负离子浓度最低外,其余季节均为乔木型空气负离子浓度最低,说明简单结构绿地空气负离子均值低于复杂结构绿地,表明空气负离子浓度与植被结构密切相关[8,33-36]。究其原因,由于复杂结构绿地有更多的叶片生物量,植物释放的挥发性物质也可以促进空气电离并产生空气负离子,再者,因空气负离子有寿命短的特点,长距离的迁移表现出一定的自限性,所以,适当数量的树种结构空气负离子浓度高于单一树种结构或者空旷地[37-38]。

Li et al.[39]研究发现,相对于温度和相对湿度,很难确定颗粒物是影响空气负离子浓度的关键因素,相关性也较难确定;也有研究认为,空气负离子浓度与相对湿度、PM10、PM2.5呈负相关,即空气负离子浓度随着相对湿度、PM10、PM2.5升高而下降[23]。以上学者的研究结果与本研究结果有所不同,本研究发现,相对湿度、PM10、PM2.5是主成分分析出的最重要变量,且在不同季节均表现为正相关,可见,本研究过程中,以上3个指标是共同影响空气负离子浓度的因素,其中,相对湿度为最关键的影响因素,这主要与勒纳德效应相关,空气中的水分作为空气负离子的生产源,同时可以减少空气中的正离子,故湿度越高,空气负离子浓度也就越高[40];监测时段以晴天、晴间多云为主,PM10、PM2.5浓度较低,达到环境空气质量I级标准,从而,颗粒物对不同结构绿地空气负离子吸附和减弱过程的影响有限[38]。另外发现,对照区(CK)位于公园内静态水域旁边,由于静态水不能及时吸附水域周边的PM10、PM2.5,导致空气负离子被颗粒物稀释而降低,并且静态水体对负离子浓度的影响较弱,只有高速流动的水体,才能使得水分子裂解产生负离子,因而,不同季节对照区(CK)空气负离子浓度总体上表现较低[19,41-42]。

综上所述,由于自然条件中,各影响因素与空气负离子浓度水平具有交互复合作用,所以很多学者对空气负离子浓度与气象因素的研究结果各不相同。本研究发现,监测过程中,出现空气负离子数值不稳定或变异系数过大的情况,影响空气负离子数据的客观性,所以误差较小、数据稳定的设备是目前所需;再者,由于城市公园绿地周边紧邻城市道路,空气污染物与空气负离子相互影响,尤其在配置结构不合理,受到环境指标制约的情况,城市公园绿地会出现空气质量下降现象。因此,从城市公园绿地建设规划过程中,了解不同绿地结构和周边景观降低污染物浓度,提高空气负离子浓度调节服务尤为重要。鉴于考虑到地理位置、天气条件、气象因素、林分类型、植被结构等多种因素影响空气负离子浓度水平,所以研究者需要更长期、更深入并且更加系统全面地对空气负离子变化特征及影响因素进行监测和分析。因此,建议城市公园绿地规划设计时,应考虑到不同结构绿地与水体同时可以发挥有利于形成空气负离子的作用,在改善城市公园绿地内部环境质量与提升空气负离子浓度之间寻找一个最佳的配置模式。

5 结论

不同结构绿地,空气负离子浓度日变化春季呈“早晚高、中午低”,夏季呈“V”型变化特征,秋季、冬季无明显变化特征,对照区(CK)则与对应季节日变化略有差异。同一季节,复杂结构绿地空气负离子均值高于简单结构绿地;不同结构绿地之间、不同结构绿地与对照区(CK)之间,空气负离子浓度均值差异不显著;夏季、秋季,同一结构绿地空气负离子浓度均值显著高于其他两季。空气清洁度评价指数与空气负离子浓度日变化特征相似,不同季节不同结构绿地空气清洁度评价指数基本高于对照区(CK),其中,夏季、秋季,不同结构绿地空气清洁度评价指数表现较好。绿地结构、季节对空气负离子浓度表现为主效应,影响显著,绿地结构×季节对空气负离子浓度交互作用不显著。不同季节,相对湿度、PM10、PM2.5是影响空气负离子浓度的主要因素。