北京西山國家森林公園中空氣負離子濃度與氣象因子的相關性研究

李少寧 ，李嬡 ，魯紹偉 ，張偉寧*，徐蘭 ，趙娜，徐曉天

1. 北京市林業果樹科學研究院/北京燕山森林生態系統長期定位觀測研究站，北京 100093；2. 沈陽農業大學，遼寧 沈陽 110866；3. 河北美術學院，河北 石家莊 050700

空氣負離子（Negative air ions，NAI）是空氣中帶負電荷的單個氣體分子及輕離子團的總稱（Terman et al.，1995）。NAI被公認具有明顯的醫療保健作用（Krueger，1962；邵海榮等，2000；章志攀等，2006），通過激活新陳代謝和堿化酸性血液來改善人體健康（謝雪宇，2014），通過中和空氣中的有害物質來凈化環境（Lin et al.，2006），被譽為“空氣維生素和生長素”，是評價環境空氣清潔程度的重要指標之一（章志攀等，2006）。城市森林具有釋放NAI的生態功效，人們常稱其為“城市氧吧”，城市森林植被結構能調控大氣顆粒物濃度，提高負離子濃度（劉雙芳等，2020）。因此，深入探究空氣負離子濃度（Negative air ions concentration，NAIC）變化規律及影響因素有助于進一步了解負離子，充分利用負離子的凈化作用及保健作用（李冰，2016；楊旭升，2017）。研究顯示，NAIC每時每刻都在不停變化，所以不同天氣條件下城市森林中的NAIC變化規律也不盡相同（王非等，2016）。

大量研究表明NAIC與溫度、濕度、風速等氣象因素有著密切關系，不同天氣條件對NAIC有顯著影響（馮鵬飛等，2015；郭霄，2015；李冰，2006）。常艾等研究顯示，在陽光明媚、氣候溫和的情況下，NAIC會顯著增加；各季節NAIC和相對濕度的關系不盡相同，且NAIC受同一因素影響的機制因季節而異，溫度和濕度與春夏季NAIC呈顯著正相關，冬季呈顯著負相關（常艾等，2015）。降雨作為NAI的主要來源之一，能有效增加NAIC（Retalis et al.，1991），春季和夏季降水增加伴隨著濕度增加，為NAI產生創造了有利條件（Miao et al.，2018）。冬季，植物活力減弱，環境變化對NAI的影響更為顯著，干燥環境會增加離子之間的縮合半徑和組合速率，降低小離子遷移率，加速NAI沉淀。閃電作為自然放電現象，促進空氣電離，產生大量 NAI（Vana et al.，2008）。在大霧天氣中，NAIC隨霧的程度增加而減小，并降至最低點（Reiter，1985）。綜上可知，氣象因素對NAI影響較大，相互的關系也會受其他因素影響而發生改變。

1 研究方法

1.1 研究地點概況

研究地選取北京西山國家森林公園，處于小西山（屬太行山余脈）東部，西倚自然山脊，南起八大處公園，北至香山公園，東臨香山南路和五環路，交通十分便捷。植被主要為油松、側柏以及黃櫨、元寶楓等，樹齡為30—40 a，樹高15 m左右，森林覆蓋率為95%以上。景區總面積 739.4 hm2，是距離北京市區最近的一個森林公園，地理坐標：39°58′18.17″N，116°11′51.20″E。北京西山屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，春秋短促，冬夏較長。夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫 10—13 ℃，1月最冷，平均氣溫-7—-4 ℃，7月最熱，平均氣溫25—26 ℃。極端最低-27.4 ℃，極端最高42 ℃以上。公園截止到2002年園內有植物共計250多種，分屬73科。其中森林面積5333 hm2，每年釋放氧氣17.8萬t。

1.2 數據獲取

城市森林生態環境監測站配有Weather Meter自動氣象儀，可以實時監測空氣溫度（ta/℃）、濕度（RH/%）、風速（vw/(m·s-1)）和降水量（S-RGB-M002，P·mm-1）、太陽輻射量（Rs/w·m2/s）、氣壓（p/hpa）等氣象參數，同時配有NAI自動監測儀，數據采集時間間隔為1 h。

本研究利用2017年9月—2018年8月的氣象數據和NAIC數據，先在宏觀上比較不同季節條件下，氣象因子對NAI的總體影響，再分別選取雨天、大風天氣，霧霾天氣這3種典型天氣條件下的NAIC數據，分析各自日變化特征及與氣象因子關系，并與晴天對比，探究氣象因子對NAIC影響機制。

2 結果與分析

2.1 不同季節條件下城市森林 NAIC與氣象因子的相關性

將一年四季的晴天NAIC與溫度、濕度、風速、氣壓、太陽輻射量這 5個氣象因子進行相關性分析，研究不同季節條件下NAIC與氣象因子的相關性差異。

如表1所示，整體來看，NAIC與溫度上呈顯著正相關（r=0.322，P＜0.01），和氣壓呈顯著負相關（r= -0.362，P＜0.01），與濕度、風速、太陽輻射相關性強度較小。溫度在春季和冬季時，與NAIC呈正相關，夏秋季呈負相關。而本研究中春季溫度在2—17 ℃之間，平均氣溫為10 ℃，夏季溫度在22 ℃以上，秋季溫度在10—21.7 ℃之間，平均氣溫為15 ℃，冬季氣溫在8 ℃以下，可以看出，當溫度在 15 ℃以上時，NAIC與溫度呈負相關；在15 ℃以下時，NAIC與溫度呈正相關。多數情況下，NAIC與濕度呈反比，冬季的相關系數最大（r=-0.503，P＜0.01），夏季濕度與 NAIC呈正比，但相關性較小（r=0.189，P＞0.05），說明溫度越低，濕度對NAIC的負效應影響越明顯。除夏季外，太陽輻射量與NAIC呈正相關，并且冬季太陽輻射量與NAIC的相關系數最大（r=0.622，P＜0.01），主要是夏季太陽輻射最大，說明當太陽輻射量到達一定程度后，太陽輻射量越大，NAIC越小。除夏季外，氣壓與NAIC呈正相關，并且秋季NAIC與氣壓的相關系數最大（r=0.652，P＜0.01）。從宏觀上看，風速對NAIC濃度影響并不是很顯著，只有在春季時呈顯著性正相關（r=0.191，P＜0.05）。

表1 不同季節NAIC與氣象因子的相關性分析Table 1 Correlation analysis of NAIC and meteorological factors in sunny days in different seasons

2.2 不同天氣條件下城市森林 NAIC與氣象因子的相關性

2.2.1 降雨條件下城市森林NAIC與氣象因子的相關性

由于北京地區降水季節分配很不均勻，全年降水的80%集中在夏季6—8月，7、8月有大雨。根據雨量分級，日降雨量10—25 mm為中雨，本文利用氣象數據篩選出夏季日降雨量 10 mm以上的天氣，即中雨以上的天氣，與夏季晴天NAIC日變化進行對比。如圖1所示，雨天NAIC在06:00達到高峰，濃度值為2784 ion·cm-3，12:00處于低谷，NAIC為1748 ion·cm-3。夏季雨天與晴天的NAIC變化趨勢一致，都呈晝間降低，夜間升高的U型趨勢。與晴天不同的是，雨天由于雷暴作用，往往會在某一時刻 NAIC急劇升高，變化幅度較大，如07:00 NAIC比06:00高44%。雨天NAIC日均值為2134 ion·cm-3，比晴天NAIC高4.56%。晴天NAIC日均值小于雨天，主要是由于雨天晝間NAIC下降幅度明顯較晴天小，雨天晝間 NAIC為 2131 ion·cm-3，晴天晝間 NAIC 為 1895 ion·cm-3。數據證明，降雨確實能夠增加城市森林NAIC。

圖1 夏季晴天與雨天條件下城市森林空氣負離子濃度日變化對比Fig. 1 Comparison of daily variation of air anion concentration in urban forests under sunny and rainy conditions in summer

為探究夏季降雨條件下，影響NAIC的主要影響氣象因素，從氣象站中篩選出對應的溫度、濕度、降雨量、風速、氣壓與太陽輻射量日變化數據與NAIC數據進行對比分析。如表2所示，降雨條件下的NAIC與溫度、濕度、降雨量、太陽輻射量相關，與風速、氣壓無顯著相關性。溫度與NAIC在0.01水平上極顯著負相關（r= -0.751，P＜0.01）；濕度與NAIC在0.01水平上極顯著正相關（r=0.626，P＜0.01）；降雨量與NAIC在0.01水平上顯著正相關（r=0.334，P＜0.01）；太陽輻射量與NAIC在0.01水平上極顯著負相關（r= -0.413，P＜0.01）。由此可知，降雨條件下NAIC的上升是隨著溫度、濕度、降雨量、太陽輻射量的改變而改變。與晴天條件下相比，降雨條件下濕度對NAIC的影響較為顯著。

表2 夏季雨天條件下城市森林空氣負離子濃度與氣象因素的相關性分析Table 2 Correlation analysis of urban forest air anion concentration and meteorological factors under summer rainy conditions

如表2所示，由于溫度、濕度、降雨量、太陽輻射量之間有較強的相關性，相互影響較大。因此，單純Pearson相關系數不能明確地表達這4個氣象因子對NAIC影響。該實驗利用逐步回歸分析來探究降雨條件下氣象因子與NAIC的關系。將溫度、濕度、降雨量、太陽輻射量數據與NAIC進行自變量逐步加入方法的回歸分析，通過F檢驗及t檢驗，去除P＜0.05水平上顯著性差異的變量，如表3所示。結果表明，溫度和降雨量滿足要求，逐步回歸方程為y=-3540.201-89.624x1+ 440.951x2，R2=0.767，P=0.000（x1為溫度，x2為降雨量）。由此可知，降雨條件下的城市森林 NAIC主要是受溫度和降雨量共同影響而產生變化的。夏季溫度過高不適宜NAI的生存，但降雨天氣導致溫度降低，從而使NAIC增加。降雨量能夠直接提高空氣中的含水量，促進NAI的產生。

表3 夏季雨天條件下城市森林空氣負離子濃度與氣象因素的逐步回歸分析Table 3 Stepwise Regression Analysis of Urban Forest Air Anion Concentration and Meteorological Factors in Summer Rainy Day

2.2.2 霧霾條件下城市森林NAIC變化特征

霧霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物這3項組成，它們與霧氣結合在一起，讓天空瞬間變得陰沉灰暗。而最后一項顆粒物才是加重霧霾天氣污染的罪魁禍首。這種顆粒本身既是一種污染物，又是重金屬、多環芳烴等有毒物質的載體。根據《環境空氣質量標準》規定顆粒物（粒徑小于等于 2.5 μm），即 PM2.5的二級濃度限值為 70 μg·m-3。因此本文就以PM2.5濃度大于70 μg·m-3為指標判斷是否霧霾天氣，利用空氣質量指數篩選出冬季霧霾天氣與晴天的NAIC日變化進行對比。如圖2所示，霧霾天氣NAIC日均值為1930 ion·cm-3，在13:00達到峰值，峰值為1990 ion·cm-3，霧霾天氣與晴天的峰值相差明顯，晴天 NAIC峰值比霧霾天高12.31%。冬季霧霾天與晴天的NAIC變化趨勢一致，都呈晝間升高，夜間回落的“N型“單峰趨勢。霧霾天 NAIC日均值小于晴天，主要是霧霾天晝間NAIC上升幅度明顯較晴天小。晴天晝間NAIC為2075 ion·cm-3，霧霾天晝間 NAIC 僅為 1948 ion·cm-3，與冬季晴天相比，冬季霧霾天氣 NAIC急速下降，與閆秀婧等（2015）的結論一致。歸因于 NAI會與顆粒物結合，形成大分子沉降，導致NAIC下降。

圖2 冬季晴天與霧霾天城市森林空氣負離子濃度日變化對比Fig. 2 Comparison of Diurnal Variation of Air Negative Ion Concentration in Urban Forest on Sunny and Hazy Winter

為探究冬季嚴重霧霾條件下，影響NAIC的主要影響氣象因素，從氣象站中篩選出對應的溫度、濕度、氣壓、太陽輻射量與NAIC數據進行對比分析。如表4所示，霧霾天氣下NAIC與溫度、濕度、太陽輻射量數據相關，與氣壓無顯著相關性。溫度與 NAIC在 0.01水平上顯著正相關（r=0.375，P＜0.01）；濕度與NAIC在0.05水平上負相關（r=-0.305，P＜0.01）；太陽輻射量與NAIC在0.01水平上極顯著正相關（r=0.697，P＜0.01）。由此可知，霧霾條件下NAIC的影響因素與晴天不同的是，與氣壓無顯著相關性，而是隨著溫度、濕度、太陽輻射量的改變而改變。

表4 冬季霧霾條件下城市森林空氣負離子濃度與氣象因素的相關性分析Table 4 Correlation analysis of urban forest air anion concentration and meteorological factors under winter haze conditions

如表4所示，由于溫度、濕度、太陽輻射量之間有較強的相關性，相互影響較大，單純的Pearson相關系數不能明確地表達這4個氣象因子對NAIC的影響。因此，利用逐步回歸分析來探究霧霾條件下氣象因子與NAIC的關系。將溫度、濕度、太陽輻射量、PM2.5濃度數據與NAIC進行自變量逐步加入方法的回歸分析，通過F檢驗及t檢驗。去除P＜0.05水平上顯著性差異的變量，結果表明，只有太陽輻射量滿足要求，逐步回歸方程為y=1313.852+1.817x，R2=0.490，P=0.000。由此可知，太陽輻射量是冬季霧霾天氣條件下城市森林中NAI日變化的主要影響因素。上文可知冬天NAIC的影響因子中太陽輻射量相關系數最大，為 0.622，說明冬季NAIC對太陽輻射量最為敏感。

2.2.3 大風條件下城市森林NAIC變化特征

由于北京地區春季風速普遍較高，常出現大風天氣，大風天氣下的風級常在4—5級，風速常在3 m·s-1以上，非常具有典型性。因此利用氣象數據篩選出春季晴天中的大風天氣與春季晴天中的微風天氣的NAIC日變化進行對比，大風天氣風級為4—5級，風速在3 m·s-1以上，微風天氣風級在3級以下，風速小于3 m·s-1，兩者變化較為明顯。如圖3所示，大風天氣NAIC日均值為2144 ion·cm-3，在11:00達到峰值，濃度值為2294 ion·cm-3；17:00到達低谷，NAIC值為2034 ion·cm-3。微風晴天與大風晴天的變化趨勢一致，但大風天氣下的 NAIC峰值明顯較高于微風天氣，比微風天氣 NAIC高5.37%，并且峰值出現時間滯后。大風天氣下的NAIC日均值比微風天氣高 2.44%，因此，大風天氣下的 NAIC大于微風天氣，該結果與任曉旭等（2016）的研究結果一致。

圖3 春季微風與大風天氣下城市森林空氣負離子濃度日變化對比Fig. 3 Comparison of daily variation of air anion concentration in urban forests under windless and windy weather in spring

為探究春季大風天氣下，影響NAIC的主要影響氣象因素。從氣象站中篩選出對應的溫度、濕度、風速、氣壓與太陽輻射量日變化數據與NAIC數據進行對比分析。如表5所示，大風天氣下的NAIC與溫度、濕度、氣壓相關，與風速、太陽輻射量無顯著相關性。溫度與NAIC在0.01水平上顯著負相關，r= -0.305，P=0.010；濕度與NAIC在0.05水平上負相關，r= -0.260，P=0.029；氣壓與NAIC在0.01水平上極顯著正相關，r=0.700，P=0.000。由此可知，與微風天氣下NAIC變化不同的是，大風天氣下NAIC的上升與風速和太陽輻射量無關，而是隨著溫度、濕度、氣壓的改變而改變。如表5所示，由于溫度、濕度、氣壓之間有較強的相關性，相互影響較大。因此，單純的Pearson相關系數不能明確地表達這3個氣象因子對NAIC的影響。因此，利用逐步回歸分析來探究大風天氣下氣象因子與NAIC的關系。將溫度、濕度、氣壓數據與NAIC進行自變量逐步加入方法的回歸分析，通過F檢驗及t檢驗。去除P＜0.05水平上顯著性差異的變量，結果表明，只有氣壓滿足要求，逐步回歸方程為y=-20010.820+21.796x，R2=0.490，P=0.000。由此可知，氣壓才是大風天氣條件下城市森林中NAI效應的主要影響因素。

表5 春季大風條件下城市森林NAI與氣象因素的相關性分析Table 5 Correlation analysis of urban forest and meteorological factors under strong wind conditions

結論證明，NAIC與風速無顯著相關性，這與晴天微風條件下與風速正相關的結果不同，并且王薇等（2013）研究也顯示風速會增加空氣摩擦導致NAIC增加的結果。主要是由于氣象條件不同，該部分研究的是大風天氣下影響NAIC的主要氣象因素，而王薇等人及上文是對氣象穩定條件下的風速與NAIC的相關性進行研究。由此證明，當氣象穩定、風速較小的天氣條件下，NAIC與風速呈正相關，而當氣象不穩當、風速較大的條件下，NAIC與風速無顯著相關性，而主要受氣壓影響，與氣壓變化呈顯著正相關。

3 結論與討論

本文主要是先在宏觀角度下研究不同季節條件下氣象因子對NAIC的影響，再從典型天氣條件下更加深入地探究氣象因子對NAIC影響機制及影響程度，因為室內時間條件等限制，只能在野外觀測數據，所以研究典型天氣時，只能假定除了典型氣象因素之外其他氣象因素與晴天相比是相對比較穩定。

不同季節條件下NAIC與溫度、濕度、風速、氣壓和太陽輻射量相關性有不同變化。多數研究認為，NAIC與空氣溫度呈顯著負相關，與空氣濕度呈顯著正相關，即NAIC隨溫度升高而降低，隨空氣濕度升高而增加，而本研究結論有所不同。本研究中當溫度在 15 ℃以上時，NAIC與溫度呈負相關；在 15 ℃以下時，NAIC與溫度呈正相關。這是因為溫度較高時，污染物擴散加劇，并在擴散過程中吸附了大量的NAI，導致NAIC降低（Mirme et al.，2000；Salm et al.，1999）；季玉凱等（2007）研究發現當溫度為 17—30 ℃時，森林環境中的空氣負離子濃度與溫度呈負相關，這與本文研究結果相似。四季中，春夏冬三季NAIC與濕度呈反比，這與德國學家 Reiter（1985）研究發現低濕度時NAIC越高的結果相同，葉彩華等（2000）研究發現空氣濕度較高時，使太陽輻射減弱，即預示著空氣不潔凈，因此NAI與濕度呈反比。太陽輻射為空氣中各種電離反應，其中NAI來源即電離反應，因此NAIC與太陽輻射成正比。春秋冬NAIC與太陽輻射的相關系數均在0.05水平上呈顯著正相關，而在夏季呈現負相關性，這是因為夏季日照時數相對較多的晴天，NAIC小，空氣質量差（常艾等，2015）。除夏季外，氣壓與NAIC呈正相關，并且秋季NAIC與氣壓的相關系數最大（r=0.652，p＜0.01），氣壓升高，空氣湍流運動增強，使NAIC增大，空氣質量變好（穆丹等，2009）。本文通過比較分析不同季節下NAIC與氣象條件的相關性，與前人的研究結果不一致，可能與其觀測時間及所處環境有很大影響。

城市森林NAIC隨天氣不同呈現一定的差異，并且其與氣象因子相關性與晴天不同。夏季雨天由于雷暴作用，往往會在某一時刻NAIC急劇升高，變化幅度較大，如07:00 NAIC比06:00高44%。雨天NAIC日均值為2134 ion·cm-3，比晴天NAIC高4.56%，主要是由于雨天晝間NAIC下降幅度明顯較晴天小。降雨條件下 NAIC隨著溫度、濕度、降雨量、太陽輻射量的改變而改變，并且主要是受溫度和降雨量共同影響而產生變化的。霧霾條件下NAIC的上升與氣壓無顯著相關性，而是隨著溫度、濕度、太陽輻射量、PM2.5濃度的改變而改變，并且主要是受太陽輻射量影響而產生變化的，這也是霧霾天與晴天NAIC峰值相差12.31%的原因，霧霾阻擋了太陽輻射的部分電離，從而降低了NAIC。微風晴天與大風晴天的變化趨勢一致，但大風天氣下的 NAIC峰值比微風天氣高 5.37%，并且日均值大于微風天氣。微風條件下 NAIC與風速呈正相關性，而大風天氣下 NAIC與風速無顯著相關性，是隨著溫度、濕度、氣壓的改變而改變，并且氣壓才是大風天氣條件下城市森林中NAI效應的主要影響因素。

城市森林范圍廣、影響因素多，NAIC變化較為敏感，受環境影響較大，還需更加深入研究。通過本文可知NAIC與氣象因子密切相關，且影響機制不同，前人的研究結果對氣象因子與NAIC的相關性結論不一致，可能與其觀測時間及所處環境有很大影響，在之后的實驗中可參考本文探究的不同環境條件下的影響機制，對影響NAIC的環境因子進行控制變量研究。在之后的研究中應該考慮更多方面的因素，增加有關要素的觀測，和相關變量的控制，來更加準確地判斷NAI的變化特征，并且應該增加定位監測站點，來使數據更有廣泛性、代表性、說服力。由于NAI產生的內在機理及影響因子較為復雜，涉及面比較廣泛，因此在以后的研究中需要考慮多學科交叉合作。