空氣負離子濃度分布特征及其與環境因子的關系

王薇

安徽建筑大學建筑與規劃學院，安徽 合肥 230022

空氣負離子具有殺菌、降塵、清潔空氣、提高免疫力、調節機能平衡的功效，因而被譽為“空氣維生素和生長素”（倪軍等，2004；王薇和余莊，2012；）。面對逐漸惡化的環境狀況，人們在世界范圍內掀起了一股空氣負離子研究的熱潮（Chih等，2006；Marko等，2008；Jayaratne等，2008；Xuan等，2013a，2010b）。目前國內外關于空氣負離子的研究主要包括不同城市綠地結構（吳志萍等，2007；穆丹和梁英輝，2009；朱春陽等，2010；）、不同植被類型（劉凱昌等，2002；吳志萍和王成，2007；Wang和 Li，2009；梁詩等，2010）、不同樹種（穆丹和梁英輝，2010）、不同生態結構（韋朝領等，2006；李陳貞等，2009）、城市森林結構（王洪俊，2004）等不同生態環境對空氣負離子濃度的影響，以及森林旅游資源評價中空氣負離子研究等（鐘林生等，1998）。研究發現，空氣負離子濃度越高，空氣越清潔，感覺就越舒服（黃彥柳等，2004）對人體健康和環境生態越有益。因此，負離子含量是評價空氣質量的一個重要指標，它不僅是一種無形的森林資源，同時也是一種客觀存在的生態環境資源（章志攀等，2006）。

本文選取我國南部沿海某省份作為觀測地點，挑選了近 10處具有代表意義的不同環境場所進行觀測研究，運用定量分析出不同環境場所的空氣負離子濃度，同時找出與空氣負離子濃度相關聯的環境因子，通過結果和分析給城市生態環境建設方面以重要的啟示。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

南部沿海某省份屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多濕，冬季氣候溫暖，日照和降雨量充足，特別是沿海地區。研究區域涵蓋了森林、瀑布、海邊、鄉村田野、郊區曠野、縣城中心、縣城賓館客房等不同類型。觀測期間氣象穩定，晴到多云，平均氣溫在25～27 ℃。

1.2 研究方法

2011年9 月22—28日期間每天9:00—18:00進行觀測，主要觀測項目有空氣正、負離子濃度、風速、空氣溫度、相對濕度、植物和材料的負離子濃度等。

空氣正、負離子濃度（cm-3）用日本原產的KEC-990負氧離子測試儀，距地面1.5 m處，與成人呼吸高度基本一致。用 KEC-R2型高智能記錄儀使之與 PC相連，實時顯示空氣正、負離子濃度與溫度并記錄。每個觀測點采氣10 min，間隔5 s讀數1次，取平均值；風速使用AR856A風速風量計測定，與PC相連，實時顯示風速和溫度，間隔1 s讀數1次；相對濕度用AZ8912型風速儀測定，每次采集5次數據，間隔30 s讀數1次；植物和材料負離子濃度用日本原產的ION TESTER COM-3010PRO負離子測試器，采用Mode 2快速測試模式，每次采集5次數據，取峰值數。

2 結果與分析

2.1 觀測結果

觀測結果見表1。由表1可以看出，地面上的空氣負離子濃度隨著地理環境因素（瀑布、海邊、峽谷、鄉村田野、郊區曠野、縣城等）不同差別很大（王薇和余莊，2013）。但不因地域變異，只要具有相似的地理環境因素，都呈現出規律性的分布（蒙晉佳和張燕，2004）：瀑布比海邊高，海邊比曠野高，曠野比峽谷高，山林比平地高，鄉村比城市高，有風比無風時高，有水的地方比無水的地方高，有植物的地方比無植物的地方高，其中瀑布口的空氣負離子含量最高，平均值達到26500·cm-3，其他依次為海邊、峽谷、溪流，縣城則最低，如圖1所示。根據實測數據進行分析，同時推導出自然環境中不同場所環境空氣負離子的分布標準，見表 2。

表1 不同環境場所空氣離子濃度與風速、相對濕度、氣溫觀測數據Table 1 The data of the air ion concentration, wind speed, relative humidity and air temperature in the various environment

表2 自然環境下空氣負離子濃度的分布標準Table 2 Distribution standard of NAI concentration in the natural environment

2.2 空氣負離子濃度與環境因子關系分析

2.2.1 風與空氣負離子的關系密切

表1中縣城賓館客房內在無風狀態下，空氣負離子濃度較低，而室外在有風的狀態下負離子有明顯提高。根據吳志湘等（2007）實驗結果說明，由于空氣的持續流動，增多了空氣分子彼此之間的摩擦，從而加速了空氣分子的正負電離，同時風也增加了離子的遷移速率。由表3可知，隨著風速的升高，空氣中負離子濃度逐漸增多；隨著風速的降低，空氣中負離子濃度也逐漸減少，兩者呈現出一定的正相關關系。因此空氣的摩擦可以有效地顯著增加空氣中負離子的濃度。

表3 海邊各觀測點空氣負離子濃度Table 3 NAI concentration at each observation point of the seaside

2.2.2 水對空氣負離子濃度影響大

1）動態水對空氣負離子的影響比靜態水明顯。根據水體的流動速度可以劃分為動態水（流動變化，如河流、溪澗、瀑布等，如圖2所示）和靜態水（平靜少動，如水池、水庫等）。根據Lenard效應原理（夏廉博，1981），動態水比靜態水更容易激發空氣負離子。

由表1得知，動態水的空氣負離子濃度大于靜態水。動態水中，急流比緩流大，其中以瀑布最大；靜態水中，大面積水域比小面積水域的空氣負離子濃度高。瀑布的空氣負離子濃度平均值達到26500·cm-3，溪流處平均值達到 2407·cm-3。這是由于瀑布口的Lenard效應強烈，產生的空氣負離子影響距離最遠（吳楚材等，2001），而水速流動量較小的溪流影響范圍則較小。由此可見，水體在撞擊和噴射過程能加快正負電荷的分離，水速流動越快，相應摩擦產生的電離能越大，周邊環境的空氣負離子濃度就越高。

2）離水體越近空氣負離子濃度越高。在瀑布的測試中，選取了一級瀑布、二級瀑布、三級瀑布的不同等級（三級瀑布為瀑布最高處）和距離進行測定。由表4得知，距離二級瀑布口5 m處，空氣負離子最大值達到了43000·cm-3。說明距離瀑布口越近，產生的空氣負離子就越多。

3）水作為載體能提高周邊空氣負離子濃度。由于水體是重要的空氣離子源，因此水體周圍的空氣負離子濃度比較高（吳楚材等，2001）。在峽谷的測試中，沙石由于含水率的不同，負離子含量也出現比較明顯的變化，含水率越高，負離子濃度越高。道路上干燥的沙石負離子濃度約為18·cm-3，峽谷底部較潮濕的沙石負離子濃度可達到133·cm-3，而水中的沙石則高達到333·cm-3。在曠野測試中，越靠近河岸的泥土，負離子濃度越高，最高達到233·cm-3，反之則較小，約為 80·cm-3。

2.2.3 不同植被配置對空氣負離子的影響

表4 離瀑布不同距離的空氣負離子濃度分布Table 4 NAI concentration distribution of different distances from the waterfall

根據觀測結果，不同植被配置植物的負離子濃度也有很大差異，如圖3所示，從大到小依次為高處復層結構植物＞低處復層結構植物＞低處單層結構植物。其中，高處復層結構植物負離子濃度最大達到 258·cm-3，低處復層結構植物為 90·cm-3，低處單層結構植物最小，僅為30·cm-3，僅為高處復層結構的12%。因此初步判斷植物綠化豐富的環境空氣負離子濃度較高，喬灌草復層結構比其他結構類型產生的空氣負離子濃度高。這是因為喬灌草的復層結構綠量高且滯塵能力強，同時枝葉可以重復截留粉塵，從而不斷地凈化空氣（陳自新等，1998）。

2.2.4 相對濕度與空氣負離子呈正相關

根據表1分析得出圖4。由圖4可知，當濕度增加比較明顯時，負離子濃度也隨之增加；當濕度降低較明顯時，負離子濃度也隨之下降，總體上呈正相關趨勢。這是由于相對濕度高會減少小離子濃度，增加大離子濃度，從而增加空氣負離子濃度。個別觀測點的濕度變化不大，但負離子濃度卻有明顯的變化，說明濕度不是影響負離子濃度的唯一因素，卻是其中一個重要影響因素之一（江秀芳等，2005）。

2.2.5 溫度對空氣負離子的影響不確定

根據表1分析得出圖5。由圖5可知，觀測期間平均氣溫在25～27 ℃，溫度變化幅度不大。當觀測點溫度變化比較明顯時，空氣負離子濃度的變化卻各不相同。根據以往的研究發現，空氣負離子濃度和溫度關系的觀點難以統一（韋朝領等，2006）。目前由于研究地點和觀測時間的局限，空氣負離子濃度與氣溫變化的關系不明確，兩者之間的內在規律研究仍處于初步階段，有待進一步加強。

2.3 空氣負離子和空氣清潔度評價分析

應用單極系數和安培空氣質量評價指數對表1進行評價分析得出表5。由表5可知，自然生態環境整體而言，空氣負離子濃度大，空氣清潔度均為A級最清潔。尤其以海邊和瀑布區域顯著，主要因為這些環境場所風速和動態水體的摩擦激發了大量的空氣負離子，同時空間開闊并不斷保持這種狀態，從而提高了環境的空氣質量和空氣清潔度。其中瀑布的空氣負離子濃度平均值達到26500·cm-3，空氣清潔度為A級最清潔，超過最高等級標準值370倍以上；海邊的空氣負離子濃度平均值達到6008·cm-3，空氣清潔度為A級最清潔，超過最高等級標準值50倍以上；而峽谷和溪流場所的風速受到一些山林景觀的阻擋，縣城則主要受到建筑物的影響，同時人流、飄塵、煙塵較多，因此增大了摩擦而降低了風速，從而降低了空氣負離子不斷激發的能力，相應地帶來空氣清潔度的下降。但是相比較室內環境而言，室外自然環境空氣清潔度均達到A級最清潔狀態。縣城賓館是一個圍合空間，室內空氣流動產生的摩擦力非常弱，而空氣正離子增大的速度遠遠高于負離子產生的速度，因此空氣清潔度為E1級輕污染狀態。

表5 自然環境下空氣離子濃度與空氣清潔度評價Table 5 Evaluation of NAI concentration and air cleanliness in the natural environment

3 結論與建議

3.1 結論

1）自然環境下的空氣負離子濃度隨著地理環境因素（瀑布、海邊、峽谷、鄉村田野、郊區曠野、縣城等）不同差別很大，同時空氣負離子濃度呈現出由城市中心—郊區—鄉村逐漸增大的趨勢。

2）空氣的摩擦和水體的撞擊可以不斷地激發空氣負離子，同時兩者呈現出一定的相關性。

3）空氣負離子濃度與植物群落的種類結構和配置相關。

4）相對濕度與空氣負離子具有良好的相關性。

5）溫度與空氣負離子的關系有待進一步明確。

6）適宜的溫度、濕度以及風速能使人感到舒服，有益于人體的健康。

7）自然生態環境整體而言，空氣負離子濃度大，空氣清潔度均為A級最清潔。

3.2 建議

1）以自然環境的空氣負離子濃度值為參考標準，研究城市環境的空氣負離子濃度和空氣清潔度具有科學性和可行性。

2）加強自然通風，通過主導風向的引導和幫助，不斷激發并保持周邊環境的空氣負離子濃度，可以降低城市熱島效應和能源消耗，有效地改善城市生態環境。

3）積極運用水這一要素進行景觀設計，重視動態水體的綜合功能，適當增加噴泉和活動水面等，以充分發揮動態水對空氣負離子的增效，提高空氣清潔度。同時圍繞水體（如水池、濕地、水庫等）來建立宜居組群。

4）要擴大綠地或多開發綠地，減少不必要的硬質廣場或鋪裝。在植物配置時盡可能地集中，并采用喬灌草等復層組合。以減少空氣污染，提高空氣質量，構建理想的城市景觀格局。

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