南涧县负氧离子浓度分布特征及影响因素分析

万 花,沈营珠,陈彩霞,高志伟

[1.南涧彝族自治县气象局,云南 南涧 675700;2.大理白族自治州气象局,云南 大理671000;3.大理国家气候观象台,云南 大理 671000;4.中国气象局横断山区(低纬高原)灾害性天气研究中心,云南 昆明 650034]

随着社会经济的发展,人们对旅游的质量要求日益增高,生态旅游、康养旅游逐渐兴起成为大众关注的热点[1-3]。以负氧离子为代表的一系列环境指标在游客选择旅游地的过程中扮演着愈发重要的角色[4]。空气中负氧离子浓度成为旅游度假区规划中衡量空气质量好坏的重要参数,其浓度是当前国际上表征空气清新程度的评价指标之一。

空气负氧离子是指带负电荷的小粒径氧分子,其迁移率K≥0.4 cm2/(V.s)[5],自然界中的空气负氧离子来源主要有空气分子在大气上层的电离现象,水分子的裂解,植物尖端放电和绿色植物光合作用产生的光电效应,以及雷雨、闪电、火山爆发等大气中很多物理过程[6-7]。空气负离子被誉为“空气维生素”“长寿素”,具有清洁空气、杀菌和降尘等功效[8-9]。负氧离子对人体具有很好的保健作用,大量医学研究结果表明,能调节人体生理机能、改善心脑血管疾病、降血压、增进人的食欲、消除疲劳、改善睡眠、预防呼吸道疾病、防衰老等[10]。

负氧离子浓度受自然环境、地理空间位置、植被覆盖、人类活动等多个方面的影响。近年来,国内外学者对不同地区空气负氧离子的分布及变化规律、影响因子等开展了一些研究,主要包括负氧离子浓度的年、季、月、日变化特征以及气象因素、不同植被类型、环境状况等对空气负氧离子浓度的影响。因此,在不同条件下空气负氧离子的浓度会有显著差异,各学者得出的研究结论也不尽相同。丛菁等、李伟等研究认为影响空气负氧离子浓度的气象因子有风速、太阳辐射、相对湿度等,空气负氧离子浓度与日平均风速、太阳辐射正相关,与相对湿度负相关[11-12]。邬昀认为风速、相对湿度与负离子浓度呈正相关,气温与负离子浓度呈负相关[13]。唐春燕等认为在阵雨、间歇性小雨和雷暴天气过后,负离子浓度明显升高。负离子浓度与相对湿度、风速、云量、日照、降水量的相关性均不明显[14]。叶彩华等提出负氧离子与风速和太阳直接辐射成正比,与非雨日和非雨后相对湿度成反比[15]。顾小丽等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[16]。曾曙才等、何博翰等、尚媛媛等分析出有植被地区或植被覆盖率高的地区大气负氧离子浓度高于无植被地区或植被覆盖率低的地区,且植被群落的生物多样性越高,大气负氧离子浓度越高[17-19]。

目前,还未有人对复杂地形下立体气候特征明显的山区负氧离子浓度变化特征及影响因素做过系统研究。本研究拟利用南涧县3个负氧离子监测站观测数据资料,研究其基本变化规律、空气负氧离子浓度与气温、相对湿度、风速等气象要素的关系、以及通过卫星遥感数据研究空气负氧离子浓度与植被覆盖度的关系,从生态气象、旅游气象的角度进一步认识南涧县负氧离子变化规律,拓展气象服务领域和服务内容,以期为未来以负氧离子为代表的“气象+旅游+康养”生态气候资源开发利用及站点布设选址提供科学依据。

1 研究区概况

南涧县位于云南省西部、大理白族自治州南端,地处亚热带向北温带过渡带,云岭余脉的无量山、哀牢山结合部,全县国土面积1 738.82 km2,其中山区面积占99.3%,森林覆盖率达66.7%,生态环境良好,自然资源丰富、民族风情浓郁,是“中国民间跳菜艺术之乡”,也是国家重点生态功能区。年平均降水量 740.4 mm,年平均气温 19.3℃,年平均相对湿度63%。辖区设5镇3乡、81个村(居)委会、1 156个自然村、1 610个村(居)民小组。2022年末,全县户籍总人口226 767人,少数民族人口124 102人,占总人口的54.73%,其中:彝族人口114 098人,占总人口的50.32%。2022年南涧县实现地区生产总值939 512万元,非公经济增加值完成487 393万元。近年来,南涧县委、县人民政府认真贯彻习近平生态文明思想,深入贯彻落实州委、州政府“绿色茶区、农旅融合发展示范县”的发展定位,大力实施“生态立县”战略,打造“国家生态文明建设示范区”,大力推动“6+X”高原特色生态农业、生态文化旅游业、大健康产业、绿色能源产业等发展,不断擦亮生态底色,大力发展绿色经济,实现了“荒山披绿变青山,青山富民变金山”的美丽嬗变,奋力闯出了一条贫困山区生态引领的绿色发展之路,为南涧天然氧吧的成功创建夯实了生态基础。

2 资料与方法

2.1 资料来源

本研究观测仪器采用北京东创旭新测控技术有限公司生产的高精度空气离子测量仪,型号为IM800,全自动、全智能、免干扰观测传输,完全免去人工观测所带来的误差。3个负氧离子监测站分别是南涧县土林公园(25.03°N,100.52°E),所属区域类型为居住区,无量药谷(24.85°N,100.60°E)、无量山樱花谷(24.77°N,100.52°E),所属区域类型为景区。资料来源于3个负氧离子监测仪对负氧离子浓度和气象要素2022年5月-2023年4月的实时观测资料,监测结果已对异常数据进行处理,负氧离子数据剔除异常值后,采用算术平均值方法对各站小时均值、月均值等进行统计分析,气象资料使用同时、同一地点的气象观测资料。

卫星数据来源于云南省大理州祥云气象卫星省级利用站所接收的TERRA卫星数据—EOS/MODIS波段1(0.620～0.670 μm)、波段2(0.841～0.876 μm),时间为2016—2019年。对研究时段内所有可获取的卫星资料进行初步筛选,剔除无效及损坏的数据文件,再根据通道1、2太阳反射率分布状况,以及大理国家气候观象台的云量资料进一步筛选,共选出晴空少云条件36幅250 m分辨率卫星影像数据,影像清晰、质量好,影像中植被覆盖信息具有代表性。

2.2 方法

2.2.1 负氧离子等级标准

根据世界卫生组织规定及参照《中国天然氧吧评价技术规范(2022年修订)》文件规定等级标准,负氧离子浓度与空气清新等级对应关系如表1。

表1 负氧离子浓度与空气清新等级对应关系

2.2.2 利用归一化植被指数NDVI估算植被覆盖度(FVC)

许多学者对不同地方的研究表明,归一化植被指数(NDVI)是植被覆盖度遥感估算方法中最常见、最经典的植被指数。计算公式为:

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中:NIR为近红外波段;R为红波段。

目前已经发展了很多利用遥感测量植被覆盖度的方法,较为实用的方法是利用植被指数近似估算植被覆盖度,常用的植被指数为NDVI,本研究植被覆盖度(FVC)采用李苗苗[20]等在像元二分模型的基础上研究的模型,适用性好。计算公式为:

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式中:NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值;NDVIveg则代表完全被植被所覆盖的像元的NDVI值,即纯植被像元的NDVI值。两个值的计算公式为:

NDVIsoil=(FVCmax×NDVImin-FVCmin×NDVImax)/

(FVCmax-FVCmin)

(3)

NDVIveg=((1-FVCmin)×NDVImax-(1-FVCmax)×

NDVImin)/(FVCmax-FVCmin)

(4)

NDVImax和NDVImin分别为区域内最大和最小的NDVI值。由于不可避免存在噪声,NDVIveg和NDVIsoil一般取一定置信度范围内的最大值与最小值,置信度的取值分别取为5%～95%。

植被覆盖度(FVC)计算的结果,划分为5个等级,分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,依次表示低覆盖度、较低覆盖度、中等覆盖度、较高覆盖度和高等覆盖度(表2)。

表2 植被覆盖度(FVC)等级划分

3 结果与分析

3.1 空气负氧离子浓度的时间分布特征

3.1.1 日变化特征

为了研究南涧空气负氧离子浓度的日变化特征,分别计算3个站点资料统计时段内的逐小时平均值。从图1(a)、(b)、(c)可以看出,3个站点负氧离子浓度都有较明显的日变化特征,变化趋势较为一致,大体上呈现一个峰值和一个谷值,即夜间的负氧离子浓度要小于白天,但不同的站点峰谷值出现时间略有区别,大致集中在12∶00-16∶00之间。南涧土林公园峰值出现在13∶00左右,无量药谷和无量山樱花谷峰值出现在的15∶00附近。南涧土林公园负氧离子浓度最小值出现在22∶00左右,无量药谷和无量山樱花负氧离子浓度最小值分别出现在00∶00和04∶00时左右。

(a)南涧县土林公园负氧离子浓度日变化

总的来说,3个站点负氧离子浓度日变化整体上白天高于夜间,这与胡猛等对揭西县空气负氧离子浓度的时空特征分析研究结果基本一致[8]。无量药谷负氧离子浓度日较差较大,这应该与站点布设在海拔较高的区域有很大的关系,土林公园次之,无量山樱花谷最小。负氧离子含量超过空气清新度5级标准,非常清新,对人体健康极为有利。白天大气中紫外辐射、植物光合作用不断增强,电离产生大量的自由电子,促使负氧离子浓度逐渐增大,在12∶00-16∶00时会达到最高值;但到光强最强的午后,负氧离子反而会逐渐下降。

3.1.2 月变化特征

从图2可以看出,南涧土林公园各月负氧离子浓度变化较大,有明显的月际变化波动,月平均浓度2 494个/cm3,全年低值出现在4月;无量药谷负氧离子浓度具有明显的月际变化特征,最高值出现在9月,为2 960个/cm3,最小值出现在2月,为1 881个/cm3,全年有10个月负氧离子浓度高于2 000个/cm3;无量山樱花谷月变化负氧离子浓度整体较高,月平均浓度2 730个/cm3,全年各月负氧离子浓度均大于2 000个/cm3,空气非常清晰,有利于人体健康,负氧离子浓度峰值出现在6月,为3 373个/cm3。

图2 南涧县3个监测站点负氧离子浓度月变化

3.1.3 季节变化

从图3可以看出,南涧县空气负氧离子浓度夏季最高,平均达2 668个/cm3,秋季次之,平均为2 569个/cm3;冬季高于春季,平均为2 522个/cm3;春季最低,平均为2 273个/cm3。夏、秋季负氧离子浓度高,是由于南涧夏、秋季强降水、雷雨天气出现频繁,植物生长旺盛,光合作用强,大气紫外线照射强烈;冬、春季天气寒冷干燥,多雾,植物凋零,植物光合作用弱,空气污染相对严重,空气中的悬浮颗粒物较多,使得负氧离子浓度较低。其中,南涧土林公园和无量山樱花谷负氧离子浓度季变化与全县趋势一致,无量药谷略有不同,表现为冬季>春季>秋季>夏季,但浓度相差不大。

图3 南涧县3个监测站点负氧离子浓度季变化

3.2 空气负氧离子浓度与气象要素

3.2.1 负氧离子浓度与温度

从图4(a)可以看出南涧土林公园在07时气温达14℃左右后,负氧离子开始增加,变化趋势与温度变化趋势大体一致呈单峰型,在中午13时达到最高值后负氧离子浓度逐渐减小;从图4(b)得知无量药谷从08时气温达9℃左右起温度与负氧离子浓度同步增加,最大值出现在13时;从图4(c)看出无量山樱花谷在01时气温达13℃左右负氧离子开始增加,日出后负氧离子浓度迅速增大,在15时达到最大值,之后同步减小。

(a)南涧县土林公园负氧离子浓度与温度的关系

通过对小时平均负氧离子浓度与小时平均气温进行统计分析发现,南涧县3个站点负氧离子浓度与温度总体呈正相关变化特征,即随着气温的升高,空气负离子浓度增多,反之减少。与彭灿等对衡阳市负氧离子研究结论一致,在光合作用下气温较高时植物会产生较强的尖端放电,负氧离子浓度也相应的增加[21]。日照时数长,紫外辐射强烈、植被光合作用时间长,有助于空气分子电离产生自由电子,增加负离子浓度。

3.2.2 负氧离子浓度与相对湿度

从图5(a、c)可以看出南涧土林公园、无量山樱花谷负氧离子浓度变化与湿度变化趋势呈现夜间和白天两个不同变化特征,在夜间(主要集中在凌晨)负氧离子浓度随着湿度的增加而增加,但负氧离子浓度较白天低。在白天(主要是日出后)3个站点负氧离子浓度随着湿度的降低而增加到最大值,无量山樱花谷和无量药谷负氧离子浓度最大值出现时间较南涧土林公园推迟2-3小时。受诸多因素影响,白天温度高太阳辐射强,植物光合作用强,负氧离子浓度升高;夜间太阳辐射减弱,湿度升高,空气负氧离子多为负电子依附在分子或者原子上,当相对湿度增加时空气中的水分子也相应增加,从而导致带电负电荷的分子与水分子结合效率提高使得空气负离子浓度相应地增加。

(a)南涧县土林公园负氧离子浓度与湿度的关系

通过对小时平均负氧离子浓度与小时平均相对湿度进行统计分析发现,南涧县3个站点负氧离子浓度与相对湿度白天总体呈负相关变化特征。即随着湿度的降低,空气负离子浓度增大,反之减少。这与邵海荣和德国Reiter的研究结论一致[22-23]。夜间,南涧土林公园、无量山樱花谷负氧离子浓度与相对湿度呈正相关变化特征,这与众多学者研究结果一致。

3.2.3 负氧离子浓度与风速

风速的大小是决定空气清洁度的关键因子,而空气清洁度与空气负离子的存活关系密切。对3个站点小时平均负氧离子浓度与小时平均风速进行统计分析,从图6可以看出,南涧县3个站点负氧离子浓度与风速总体呈正相关变化特征。负氧离子浓度随着风速的增大而增大,在风速达到一定大小时负氧离子浓度会逐渐下降。南涧县土林公园9∶00-16∶00风速增大,白天负氧离子浓度随着风速的增加而增加,13∶00负氧离子浓度达到最高。13∶00-16∶00风速有增加,但负氧离子浓度变化不大,之后负氧离子浓度和风速都减小。无量药谷白天负氧离子浓度随着风速的增加而增加,风速从07∶00开始变大负氧离子浓度开始增长。无量山樱花谷负氧离子浓度与风速变化特征没有其他站点明显,但总体上是随着风速的增加而增加。这与叶彩华等、吴志湘等的实验结果相同,由于空气的持续流动,增多了空气分子彼此之间的摩擦,加速了空气分子的正负电离,从而增加了负氧离子的产生[15,24]。

(a)南涧县土林公园负氧离子浓度与风速的关系

3.3 负氧离子浓度与植被覆盖度(FVC)

通过遥感软件分别对南涧县2016—2019年卫星数据进行NDVI计算、NDVI最大合成值计算,最终估算植被覆盖度FVC,将南涧县植被覆盖情况由高到低划分为5个等级。从图7(a、b、c、d)可以看出,4年里南涧县植被分布情况变化不大,植被分布作为基态(常态)因子,近几年并无大的林地开采征用,因此2019年的植被分布情况能一定程度上代表2022—2023年的植被分布情况,结果显示:无量山樱花谷植被覆盖度最好为Ⅴ级、无量药谷次之为Ⅳ级、土林公园最差为Ⅰ级。即植被覆盖度(FVC)为无量山樱花谷(0.7～1)>无量药谷(0.5～0.7)>南涧县土林公园(0～0.1)。3个站点负氧离子浓度大小为:无量山樱花谷最高,南涧土林公园略高于无量药谷。结果表明:负氧离子浓度分布与植被覆盖度密切相关,植被覆盖度高的区域一般负氧离子浓度高于植被覆盖度低的区域,同时也受该区域植被类型等其他因素的影响。

(a)2016年南涧县植被覆盖度

无量山樱花谷和无量药谷位于南涧无量山国家级自然保护区,独特的自然山水景观和丰富的野生动植物资源,是“地球原貌的再现”化身。其森林覆盖率分别达到96.2%和91%。无量山樱花谷站附近植被类型以原始林、云南松等针阔混交林为主,无量药谷站附近以密灌丛及草甸植被类型为主。大量研究表明,通过植物的尖端放电、光合作用等光电效应产生空气负氧离子,因此森林空气中含有大量的空气负氧离子[17,25-27]。植物还具有滞留、附着大气悬浮颗粒物的作用,增加了自由电子附着气体分子的几率[28]。南涧土林公园站位于居住区附近,森林覆盖率相对低且多为人工林,植被类型以云南松及灌木丛为主,该区域人类活动频繁,烟雾、粉尘、噪声等数量多,增加了大气中悬浮颗粒物含量,这些物质可吸附负离子并沉降;另外,路面多为水泥、沥青等,阻断了来自土壤的自由电子使负氧离子产生源锐减[29]。同时众多研究发现,植被类型对负氧离子浓度也存在影响,不同树种群落中,负氧离子浓度差异明显。一般来说,树叶呈针状等曲率半径较小的树种,具有尖端放电的功能,针阔混交林或针叶林负氧离子浓度高于灌丛、草甸[30]。因此无量药谷植被覆盖度虽比南涧土林公园稍高,但植被类型属于产生负氧离子稍少类型。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)南涧县负氧离子浓度有明显的日变化特征,整体上白天高于夜间。南涧负氧离子浓度夏季最高,秋季次之,冬季略高于春季。各类气象要素对负氧离子浓度的影响不同。整体上负氧离子浓度与气温、风速呈正相关特征;白天与相对湿度呈负相关特征,夜间与相对湿度呈正相关特征。

(2)南涧土林公园各月负氧离子浓度变化较大,月平均浓度2 494个/cm3,全年低值出现在4月;无量药谷负氧离子浓度具有明显的月变化特征,最高值出现在9月,为2 960个/cm3,最小值出现在2月,为1 881个/cm3;无量山樱花谷月变化负氧离子浓度整体较高,月平均浓度2 730个/cm3,全年各月负氧离子浓度均大于2 000个/cm3,负氧离子浓度峰值出现在6月,为3 373个/cm3。

(3)负氧离子浓度主要由基态和动态两者共同决定。基态由生态决定,负氧离子浓度是表征生态质量好坏的重要手段。对南涧县而言,植被覆盖度是南涧县负氧离子浓度的主要影响因素之一。植被覆盖度高的区域一般负氧离子浓度高于植被覆盖度低的区域。基于遥感卫星的植被覆盖度可为负氧离子站点布设选址提供更便捷、准确的科学依据。

(4)南涧县有着丰富的负氧离子资源,3个站点年平均负氧离子含量均高于世界卫生组织规定的清新空气负氧离子标准浓度(不低于1 000～1 500个/cm3),并对应空气清新等级为5级,处于空气非常清新的等级中,对人体健康很有利,说明南涧是一个真正的“天然氧吧”。

4.2 讨论

(1)本研究进一步了解了南涧县空气负氧离子资源分布特征,有助于下一步更好地为南涧以负氧离子为代表的“气象+旅游+康养”生态气候资源开发利用及利用卫星遥感开展站点布设选址提供科学依据;同时对拓展气象与文旅、环保、林草等行业间服务合作领域具有重要的意义。

(2)负氧离子浓度受自然环境、地理空间位置、植被覆盖、人类活动和仪器自身性能等多个方面的影响。在不同条件下空气负氧离子的浓度会有显著差异,得出的研究结论也不尽相同。由于研究时间、人力有限,本研究仅针对南涧空气负氧离子日、月、季浓度的变化、与气象要素温度、湿度、风速及其与植被覆盖度的关系进行初步探讨。然而,影响空气负氧离子浓度的可能因素还有很多,如雷电、降雨、水体、光照强度、植物、海拔高度等,需进一步深入探索。