易縣主要景區負氧離子變化規律及影響因素分析*

隨金明 ,張 會 ,劉紅坤 ,李 芝 ,崔 娜

（1.河北省易縣氣象局，河北 保定 074200；2.河北省保定市氣象局，河北 保定 071000）

隨著經濟的發展，旅游日益成為人們放松身心、調劑生活的重要休閑活動。近年來，伴隨養生理念的日益深入，以負氧離子為代表的一系列環境指標在游客選擇旅游地的過程中扮演著愈發重要的角色。負氧離子指由于雷電激發、宇宙輻射、瀑布沖擊、植物光合作用、高壓靜電場、紫外線照射等自然或人工條件使空氣中氧氣分子獲得成對電子后形成的帶負電荷的氧氣離子[1-2]，因能與污染物中的正離子發生中和作用[3]，實現吸附、降解空氣中有害物質，達到降塵、殺菌、清潔空氣、促進新陳代謝、提高免疫力等功能[4]，因此，被人稱為“空氣維生素”或“長壽素”，并作為環境優劣的風向標。

目前，針對負氧離子的研究集中于濃度變化規律與影響因素兩個方面。研究表明，在城市公園、森林公園、住宅密集區等不同生境條件下，負氧離子日濃度呈現較為統一的單峰或雙峰變化規律[5-6]；在北方的夏秋季節、南方的春夏季節，負氧離子濃度達到年內最高值[7-8]。不同于時間變化的規律性，負氧離子濃度受到多種因素的共同制約。一方面地表不同植被類型、差異化的植物層次結構會導致負氧離子濃度產生很大差異[9-12]。另一方面強降雨時的雷電過程[13]、氣溫、濕度、交通狀況、海拔、PM2.5濃度等多種氣象要素、環境要素、人類活動等都會對負氧離子濃度產生加強或削弱的作用[14-16]。負氧離子影響因素因時、因地存在很大差異，為更有針對性地開發負氧離子資源，通過對河北省易縣境內主要景區負氧離子連續觀測數據的分析，在明晰各景區負氧離子濃度變化趨勢異同點的同時，分析氣象要素、主要空氣污染物、地表植被狀況等對負氧離子濃度的影響程度差異，為后期合理地利用負氧離子資源提供理論依據。

1 材料與研究方法

1.1 研究區概況

河北省易縣位于華北平原西北邊緣、太行山北段東麓地區（114°51′～115°37′E，39°02′～39°35′N），地形以山地和丘陵為主，地勢呈西北高、東南低的特點。氣候上易縣屬于典型的東部季風區大陸性氣候，年平均氣溫12.9 ℃，多年平均降水量553.9 mm，在季節上呈現春旱多風、夏熱多雨、秋高氣爽、冬寒少雪的特征。

1.2 數據來源與處理

以易縣境內開發程度較高、基礎設施較為完善的清西陵、易水湖、摩天嶺、狼牙山、洪崖山、千佛山景區作為研究對象，研究中所用的2018 年9 月—2019 年10 月的PM2.5、PM10、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、負氧離子濃度的日數據均來源于易縣生態環境局布設于景區內的自動觀測設備，溫度、濕度數據來源于易縣氣象局位于上述景區周邊的區域站觀測記錄。各景區月植被覆蓋情況從NASA 網 站（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/）下載的MOD13Q1 產品中提取。

對所獲得的負氧離子、PM2.5、PM10、溫度、濕度等日數據，用Excel 軟件計算月均值，對MOD13Q1 產品通過MRT、ENVI 軟件進行重投影、最大值合成等操作后，提取設備點周邊植被情況。對所有數據在Weka 3.8.4 軟件中以自然間斷點形式進行數據離散化。

1.3 評價標準

負氧離子在大氣中的含量是空氣清潔程度的重要表征之一。部分研究認為，當空氣中負氧離子濃度超過700 個/cm3時，能初步滿足人體生理需求，并對健康產生有益的影響[17-18]。也有研究表明當濃度大于1 000 個/cm3時，空氣才具有保健的作用，超過8 000 個/cm3則能治療某些疾病[19]。目前，對于負氧離子濃度的分級標準國內尚未形成較為一致的結論。文章綜合易縣地理位置、植被組成等情況，采用彭琳玉等[3]、石強等[20的負氧離子濃度劃分標準（表1），對易縣境內各景區負氧離子濃度狀況進行評價。

表1 負氧離子濃度分級評價標準

2 結果與分析

2.1 負氧離子濃度月變化規律

負氧離子的產生與消亡是時刻進行的，但其總體表現出一個較為統一的變化規律。對易縣境內6個景區負氧離子濃度情況進行月變化分析，其結果如圖1 所示。易縣主要景區負氧離子濃度總體上表現為單峰模式，具體而言，清西陵與洪崖山、易水湖與摩天嶺，千佛山與狼牙山景區兩兩具有相似的變化規律。從各月濃度變化趨勢來看，清西陵與洪崖山的負氧離子濃度峰值出現在10 月份，而一年中除4 月份出現小幅上升外其余月份都處于一個較低的水平。對易水湖、摩天嶺、千佛山與狼牙山4 個景區而言，其負氧離子濃度均表現為在8 月時達到峰值，在11 月至次年3 月間保持低濃度，4 月后開始在波動中上升。

圖1 易縣主要景區負氧離子濃度月變化情況

從各景區月均負氧離子濃度數值分析，易水湖、摩天嶺、千佛山與狼牙山景區在11 月—次年3月的時段中負氧離子濃度保持在786.3～2 315.5 個/cm3的范圍內，大氣情況以一般為主，部分月份為較不清新，該時間段內保健功能總體較弱，在其他月份負氧離子濃度保持在3 000 個/cm3以上，介于3 963.4～11 932.2 個/cm3范圍內，其最高值出現在8 月份，為11 932.2 個/cm3，此時段景區內大氣情況非常清新，且對健康極有利，適宜進行開發。對清西陵與洪崖山景區而言，一年中僅有3 月、4 月、10 月大氣狀況能達到非常清新，其中10 月濃度可達標準值的3 倍以上，4 月為標準值的1～2 倍，3 月則剛剛達到標準，而在其他月份中負氧離子濃度均處于較低水平，大氣狀況以一般及較不清新為主。

2.2 負氧離子季節變化規律

不同季節，地表環境水熱條件差異明顯，負氧離子濃度產生較大波動。選擇研究區2018 年9月—2019 年8 月為期1 年的觀測數據，以3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12—2 月為冬季的標準分析負氧離子濃度季節變化規律，結果如圖2 所示。狼牙山、千佛山、摩天嶺、易水湖景區負氧離子濃度均值夏季＞秋季＞春季＞冬季，洪崖山、清西陵景區負氧離子濃度均值秋季＞春季＞夏季＞冬季。從數值分析中得出，在春、夏、秋三季中，除夏季洪崖山與清西陵出現負氧離子濃度低值外，其余時間各景區負氧離子濃度介于3 398.7～9 817.0個/cm3，均處于對人體健康極有利的狀態。

圖2 易縣主要景區負氧離子季節變化情況

2.3 負氧離子濃度影響因素

負氧離子濃度同時受到氣象因素、環境因素、人為活動的影響，分析其主要影響因素有助于更好地掌握負氧離子濃度變化規律，針對性提高區域負氧離子濃度。對所獲得的溫度、濕度、臭氧、一氧化碳、二氧化氮等8 項觀測數據及遙感影像所提取的月NDVI 值，在Weka 3.8.4 軟件下進行離散化處理后，通過地理探測器分析各因素的影響程度差異，主要影響因素結果，見表2。由表中結果可知，NDVI 與溫度是影響易縣各景區負氧離子濃度變化的首要因素，其中洪崖山、摩天嶺、易水湖景區NDVI 對負氧離子濃度影響最大，其q 值為0.967、0.909、0.904，對于清西陵、狼牙山、千佛山景區，溫度因素是景區負氧離子濃度變化的首要影響因素，其q 值分別為0.936、0.873、0.871。進一步分析各景區影響負氧離子濃度的次要因素得出，洪崖山、摩天嶺景區為溫度，清西陵、狼牙山、千佛山景區為NDVI，易水湖由于其特殊的環境使得濕度成為景區負氧離子濃度的次要因素。綜合而言，易縣景區負氧離子濃度主要受溫度、濕度因素的影響。

表2 負氧離子濃度影響因素q 值表

負氧離子濃度變化是多種因素共同影響的結果，各因素之間相互作用分析有助于進一步理清各負氧離子影響因素間的差異性。通過地理探測器交互檢測器功能，探究負氧離子各影響因素之間的相互關系，結果表明各影響因素兩兩間均對負氧離子濃度存在加強作用。其中，洪崖山景區臭氧與濕度因素，二氧化硫與PM2.5、二氧化氮、濕度因素均表現為非線性的增強作用；狼牙山景區各影響因素間無非線性的增強作用；摩天嶺景區僅有一氧化碳與濕度因素表現為非線性的增強作用；千佛山景區中一氧化碳與二氧化硫、臭氧因素表現為非線性的增強作用；清西陵景區表現為濕度與二氧化硫、一氧化碳因素，PM2.5與二氧化硫因素呈現非線性的增強作用；易水湖景區內PM10與一氧化碳因素表現為非線性的增強作用。

3 討論與結論

3.1 討論

（1）在負氧離子濃度的時間變化方面，研究表明，負氧離子濃度呈現出較為統一的季節變化規律，即夏季最高，冬季最低，春秋兩季負氧離子濃度根據研究區所處地理位置、研究對象的差異而存在不同[21]，而在濃度峰值出現月份上則因地表植被類型差異等原因尚未形成較一致的結論。本研究中，狼牙山、千佛山、摩天嶺、易水湖景區負氧離子濃度變化規律與當前研究結論相同，都表現為夏季最高、秋季次之、冬季最低的規律，而對于洪崖山、清西陵景區而言，其負氧離子濃度變化呈現秋季最高、春季次之、冬季最低的規律，這與厲月橋[17]的研究結論不完全一致，產生這種情況原因在于觀測儀器安裝在人為活動頻繁的旅游區內，氣溶膠的濃度大，另外，周邊觀測點的地表植被與之前研究存在差異。

（2）在負氧離子濃度影響因素方面，負氧離子濃度是多種因素耦合的共同結果，對易縣景區而言，以NDVI 為代表的地表植被覆蓋度及溫度是易縣景區負氧離子濃度的主要影響因素，其原因在于一方面植被的尖端放電能夠產生負氧離子。另一方面水熱同期的地理環境決定溫度在影響地表植被生長中作用更加明顯，兩種因素疊加對負氧離子的濃度形成持續影響，這與李坤等[9]、張建國等[22]研究的結果相似。對易水湖而言，因其水域面積廣闊，濕度因素是僅次于NDVI 的影響因素，該結論與譚靜等[23]研究的相同，即當水域面積廣泛時，負氧離子對周圍自然環境（河流、湖泊等）更為敏感。易水湖景區濕度因素并未成為主要影響因素的原因在于易水湖湖水流動性較弱，水的裂解作用不明顯，未能大量產生負氧離子，這與劉和俊[24]、曾曙才等[25]對不同流動狀態下水域負氧離子濃度變化結論相似。

3.2 結論

（1）易縣境內各景區月負氧離子濃度變化呈現單峰模式，易水湖、摩天嶺、千佛山與狼牙山4 個景區濃度峰值出現在8 月，清西陵與洪崖山景區濃度峰值出現在10 月。

（2）狼牙山、千佛山、摩天嶺、易水湖景區負氧離子濃度夏季＞秋季＞春季＞冬季，洪崖山、清西陵景區負氧離子濃度秋季＞春季＞夏季＞冬季。春、夏、秋三季中，除夏季洪崖山與清西陵外，其他時間各景區大氣均處于對人體健康極有利的狀態。

（3）影響易縣景區負氧離子濃度變化的主要因素是NDVI、溫度、濕度，對各大氣污染物而言，其影響程度總體較低。