森林康養(yǎng)區(qū)空氣負(fù)氧離子與環(huán)境因素相關(guān)性研究—以北京松山自然保護(hù)區(qū)為例

張?jiān)戮?袁慶葉 劉藝芳 盧雪 張?jiān)栖?安菁

（1 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院, 北京 100012; 2 北京松山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理處，北京 102115）

森林康養(yǎng)是在森林環(huán)境中進(jìn)行的一種康養(yǎng)活動(dòng)，肺部通過(guò)吸收森林中的植物精氣以及空氣負(fù)氧離子[1]，達(dá)到改善身體狀態(tài)的養(yǎng)生保健活動(dòng)。森林康養(yǎng)活動(dòng)主要通過(guò)空氣負(fù)氧離子以及森林自身的小氣候?qū)崿F(xiàn)[2]，因此森林中的負(fù)氧離子濃度是影響森林活動(dòng)以及森林療養(yǎng)的重要環(huán)境參數(shù)?？諝庳?fù)氧離子是由于大氣中的中性分子或原子，在自然界輻射作用下，外層電子脫離原子核的束縛成為自由電子，自由電子附著在空氣中的氣體分子上，經(jīng)過(guò)離子化、附著以及聚集三個(gè)階段從而產(chǎn)生負(fù)氧離子[3]。在這三個(gè)階段中森林中的環(huán)境參數(shù)以及污染物濃度都會(huì)對(duì)其濃度產(chǎn)生一定的影響關(guān)系。

本文重點(diǎn)研究了2020年度北京松山自然保護(hù)區(qū)森林療養(yǎng)區(qū)域內(nèi)空氣負(fù)氧離子與環(huán)境因素（包括氣象因素以及污染物濃度）之間的關(guān)系，分析森林中的負(fù)氧離子與溫度、濕度、風(fēng)速、植被情況以及輻射總量等氣象因素之間的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)也分析了空氣中的污染物濃度與空氣負(fù)氧離子濃度之間的相關(guān)關(guān)系，以期為北京松山保護(hù)區(qū)內(nèi)森林環(huán)境參數(shù)奠定一定的研究基礎(chǔ)，同時(shí)為在森林內(nèi)進(jìn)行的休閑康養(yǎng)活動(dòng)提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 研究地概況

北京松山森林保護(hù)區(qū)位于北京市延慶區(qū)（40°29′9〞-40°33′35〞N，115°43′44〞-115°50′22〞E），海拔627.6～2198.4m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)園區(qū)總面積4667hm2，有林地面積3654.9hm2，保護(hù)區(qū)內(nèi)森林覆蓋率87.6%，主要保護(hù)對(duì)象為天然油松林為主的溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文中北京松山自然保護(hù)區(qū)溫度、濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)來(lái)源于松山通量觀測(cè)站點(diǎn)，負(fù)氧離子、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于松山大氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)由近地表相機(jī)記錄，經(jīng)過(guò)計(jì)算模塊計(jì)算輸出。上述監(jiān)測(cè)站的地理位置為115°43′44〞E，40°30′48〞N，海拔1165m，監(jiān)測(cè)站位置是林區(qū)內(nèi)臺(tái)地區(qū)域，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為2020年。所有數(shù)據(jù)采用監(jiān)測(cè)站提供的日平均數(shù)值，數(shù)據(jù)相關(guān)性采用Origin進(jìn)行線性擬合，根據(jù)參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)，利用Origin軟件繪制參數(shù)對(duì)比圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣中負(fù)氧離子濃度與氣象因素相關(guān)性分析

空氣中的負(fù)氧離子產(chǎn)生于森林環(huán)境中，因此森林中溫濕度情況、輻射情況以及植被情況對(duì)于空氣中的負(fù)氧離子濃度有一定的影響關(guān)系[4-8]（表1）。

表1 松山保護(hù)區(qū)氣象參數(shù)與空氣負(fù)氧離子濃度相關(guān)性

從表1可以看出，在松山保護(hù)區(qū)內(nèi)，空氣中的負(fù)氧離子濃度與氣象參數(shù)有一定的相關(guān)性，其中呈現(xiàn)正相關(guān)的氣象參數(shù)包括：溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射（包括凈輻射、總輻射、光合有效輻射以及散射輻射）、總固碳量、以及NDVI（歸一化植被指數(shù)），呈負(fù)相關(guān)的氣象參數(shù)包括大氣壓與風(fēng)速。松山保護(hù)區(qū)內(nèi)大氣壓（范圍值在86～91kPa）與風(fēng)速（范圍值在0.4～2.8m/s，風(fēng)速都在2級(jí)風(fēng)以下）參數(shù)值常年變化范圍較小，對(duì)于空氣負(fù)氧離子濃度影響較小，溫度以及濕度已經(jīng)有很多學(xué)者研究過(guò)，本文不再進(jìn)行系統(tǒng)研究。兩個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系不僅需要參考兩者的線性擬合關(guān)系，也應(yīng)該看同時(shí)期兩參數(shù)之間的變化趨勢(shì)，本文重點(diǎn)研究了輻射情況、總固碳量以及NDVI與空氣中負(fù)氧離子的濃度情況，從而解析兩者之間的影響關(guān)系。

3.1.1 凈輻射與負(fù)氧離子濃度的相關(guān)性研究

從圖1可以看出，林區(qū)內(nèi)凈輻射與空氣負(fù)氧離子全年呈正相關(guān)關(guān)系，林區(qū)內(nèi)凈輻射整年大致呈現(xiàn)正態(tài)分布情況，1～2月份凈輻射呈上升趨勢(shì)，但是空氣負(fù)氧離子濃度出現(xiàn)小幅波動(dòng)，整體是下降的趨勢(shì)，因此兩者呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性。3～7月份，凈輻射數(shù)值逐漸升高，空氣負(fù)氧離子濃度在這段期間雖然有一定的波動(dòng)性，但是趨勢(shì)還是逐漸上升，因此兩個(gè)參數(shù)之間呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)。8月份后凈輻射數(shù)值波動(dòng)較大，整體呈下降趨勢(shì)，同時(shí)空氣負(fù)氧離子濃度也具有一定的波動(dòng)性，整體趨勢(shì)呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)，因此兩者存在正相關(guān)，但是相關(guān)性并不是很明顯。

圖1 凈輻射與空氣負(fù)氧離子濃度情況圖

3.1.2 總固碳量與負(fù)氧離子濃度的相關(guān)性研究

從圖2可以看出，林區(qū)內(nèi)總固碳量與空氣負(fù)氧離子呈正相關(guān)關(guān)系，總固碳量1～5月份整體呈上升趨勢(shì)，空氣負(fù)氧離子濃度在這個(gè)過(guò)程中雖然有波動(dòng)，但也呈上升趨勢(shì)，因此在這段期間，兩者呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系，5月份以后總固碳量有一定的波動(dòng)，但是沒(méi)有體現(xiàn)出明顯上升或者下降趨勢(shì)，而空氣負(fù)氧離子濃度隨著固碳量也呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，但是兩者并未呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。

圖2 總固碳量與空氣負(fù)氧離子濃度情況圖

3.1.3 NDVI與負(fù)氧離子濃度的相關(guān)性研究

從表1可以看出林區(qū)內(nèi)NDVI與空氣負(fù)氧離子濃度呈正相關(guān)，從圖3可以看出，林區(qū)內(nèi)NDVI與負(fù)氧離子濃度呈正相關(guān)關(guān)系，林區(qū)內(nèi)1～4月份，NDVI呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，空氣負(fù)氧離子濃度存在波動(dòng)性，但整體是上升趨勢(shì)，兩者有一定的正相關(guān)關(guān)系。4月底至5月初NDVI迅速上升，直至10月中旬前，NDVI數(shù)值一直維持在相對(duì)較高水平，在這段期間空氣負(fù)氧離子濃度也是一年中數(shù)值較高的階段，兩者呈現(xiàn)出正相關(guān)性。從10月中旬后NDVI數(shù)值開(kāi)始下降，然后維持在較低水平范圍內(nèi)波動(dòng)，空氣負(fù)氧離子濃度在這段時(shí)間內(nèi)并未出現(xiàn)明顯變化，因此兩者也未呈現(xiàn)較為明顯的相關(guān)關(guān)系。

圖3 NDVI與空氣負(fù)氧離子濃度情況圖

3.2 空氣中污染物含量與天氣狀況相關(guān)性分析

空氣中有害污染物主要包括氮氧化物、二氧化硫以及顆粒物污染物，這些污染物濃度對(duì)于空氣中的負(fù)氧離子濃度有一定的影響[9-11]。

從表2中可以看出，在松山林區(qū)內(nèi)，空氣中的負(fù)氧離子濃度與空氣中的污染物濃度有一定的相關(guān)性，其中呈負(fù)相關(guān)的參數(shù)主要包括NO濃度、NO2濃度以及SO2濃度，呈正相關(guān)的參數(shù)包括PM2.5濃度以及PM10濃度。由于NO濃度與NO2濃度的變化規(guī)律幾乎相同，因此本文研究了相關(guān)系數(shù)更高的NO2濃度與空氣負(fù)氧離子濃度關(guān)系，PM2.5濃度以及PM10濃度的變化規(guī)律也比較類(lèi)似，本文研究了相關(guān)系數(shù)更高的PM10濃度與空氣負(fù)氧離子濃度關(guān)系。

3.2.1 NO2濃度與負(fù)氧離子濃度的相關(guān)性研究

空氣中的NO2濃度在一定程度上影響著空氣中的負(fù)氧離子，從圖4可以看出，林區(qū)內(nèi)NO2濃度與負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，1～6月份NO2濃度有一定的波動(dòng)，濃度范圍在0～20ng/m3范圍內(nèi)，大多數(shù)情況下NO2濃度含量較高的時(shí)間段內(nèi)，空氣負(fù)氧離子濃度都較低，兩者呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)。從6月底至10月初，NO2濃度持續(xù)維持在相對(duì)較低的水平，但是此時(shí)間段內(nèi)的空氣負(fù)氧離子濃度處于全年較高的水平，因此兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。10月中旬以后，NO2濃度整體波動(dòng)性較大，為上升趨勢(shì)，空氣中的負(fù)氧離子濃度也呈現(xiàn)一定的較大波動(dòng)性，整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，但是相關(guān)性不明顯。

圖4 NO2濃度與空氣負(fù)氧離子濃度情況圖

3.2.2 SO2濃度與負(fù)氧離子濃度的相關(guān)性研究

空氣中的SO2濃度在一定程度上影響空氣中的負(fù)氧離子，從圖5中可以看出，SO2濃度與空氣中負(fù)氧離子濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，1～5月份SO2濃度數(shù)值較為穩(wěn)定，為0～2ng/m3，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)空氣負(fù)氧離子濃度有一定的波動(dòng)性，但是整體濃度逐漸增加，因此這個(gè)時(shí)間段內(nèi)兩者的關(guān)系未表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)。6～10月初，SO2濃度持續(xù)維持在相對(duì)較低的水平，濃度含量維持在1ng/m3左右，此時(shí)間段內(nèi)的空氣負(fù)氧離子濃度處于含量較高水平，兩者在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。11月以后，SO2濃度整體波動(dòng)性較大，而空氣中的負(fù)氧離子濃度也呈現(xiàn)一定的較大波動(dòng)性，兩者不存在非常明顯的相關(guān)性。

圖5 SO2濃度與空氣負(fù)氧離子濃度情況圖

3.2.3 空氣中的顆粒物PM10濃度與負(fù)氧離子濃度的相關(guān)性研究

空氣中的顆粒物主要包括PM2.5以及PM10，兩者的濃度含量在一定程度上影響空氣中的負(fù)氧離子，兩種顆粒物濃度在全年的變化趨勢(shì)大致相同，從表2可以看出PM10濃度與空氣中的負(fù)離子濃度線性相關(guān)系數(shù)更大。

從圖6中可以看出顆粒物含量PM10濃度與空氣負(fù)離子濃度呈正相關(guān)關(guān)系，在1～2月中旬期間PM10濃度含量波動(dòng)較大，但是整體含量水平處于較低的區(qū)間范圍，負(fù)氧離子濃度也有一定的波動(dòng)，整體的濃度水平處于相對(duì)較低的水平，因此兩者呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性。2月中旬～4月中旬，PM10濃度持續(xù)維持在一個(gè)相對(duì)較低的水平，負(fù)氧離子濃度呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，但是整體含量水平處于較高的水平，兩者呈負(fù)相關(guān)性。5月份以后PM10濃度水平持續(xù)波動(dòng)，處于相對(duì)較高的位置，此時(shí)段的空氣負(fù)氧離子濃度也處于相對(duì)較高的數(shù)值，因此兩者在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)存在一定的正相關(guān)性。9月份以后PM10濃度有較多時(shí)間數(shù)據(jù)值在較高水平，但是負(fù)氧離子濃度并未出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，兩者在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)并未呈現(xiàn)較為明顯的相關(guān)性。

圖6 PM10濃度與空氣負(fù)氧離子濃度情況圖

4 結(jié)論與討論

4.1 空氣中負(fù)氧離子濃度與天氣狀況影響因素

空氣負(fù)氧離子的分子式通常用O2-(H2O)n，或者OH-(H2O)n，或者CO4-(H2O)n[3]（圖7）。

圖7 空氣負(fù)氧離子在形成過(guò)程中可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)

在環(huán)境因素中總輻射增大，會(huì)加快反應(yīng)Ⅰ的進(jìn)行，促使空氣中產(chǎn)生更多的自由電子，從而造成空氣負(fù)氧離子濃度的增加。溫度升高會(huì)使大部分化學(xué)速率加快，溫度升高空氣中更多的負(fù)氧離子電離以及聚集反應(yīng)過(guò)程中速率更快，從而造成了空氣中的負(fù)氧離子濃度升高。濕度的增加，會(huì)使更多的自由電子在反應(yīng)Ⅱ以及反應(yīng)Ⅲ中與空氣中的水蒸氣發(fā)生吸附以及聚集反應(yīng)，從而引起空氣負(fù)氧離子濃度的升高?？偣烫剂康纳咭约癗DVI的升高，在一定程度上增加了空氣中氧氣的含量水平，因此造成了更多的氧氣發(fā)生了反應(yīng)Ⅱ，從而形成了更多的吸附空氣中的自由電子，使空氣中的負(fù)氧離子含量上升。

4.2 空氣中負(fù)氧離子濃度與空氣污染物濃度影響

空氣中污染物濃度在一定程度上對(duì)于空氣負(fù)氧離子濃度有影響，從圖6～9可以看出氮氧化物以及二氧化硫濃度在一年內(nèi)基本上呈現(xiàn)三個(gè)區(qū)間，第一個(gè)區(qū)間為1～6月份，整體濃度維持在低含量范圍；7～9月份，數(shù)據(jù)維持在一個(gè)濃度值區(qū)間；10～12月數(shù)據(jù)維持在一個(gè)較高濃度區(qū)間。

從表3可以看出，大氣污染物濃度相對(duì)于空氣負(fù)氧離子濃度要高出很多，因此空氣中高濃度的污染物對(duì)于負(fù)氧離子濃度有一定的影響關(guān)系。當(dāng)空氣中NO濃度升高時(shí)，由于部分NO氣體與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此空氣中的氧氣含量會(huì)降低，減少了空氣中電離出的負(fù)氧離子吸附在氧氣上的概率，從而造成了空氣中負(fù)氧離子濃度有所降低，因此兩者之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性?？諝庵蠳O2濃度升高時(shí)，由于部分NO2氣體與H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，減少了負(fù)氧離子形成過(guò)程中的離子化以及附著概率，從而影響了負(fù)氧離子濃度，因此兩者也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。空氣中SO2濃度升高時(shí)，會(huì)消耗一定的空氣中的O2以及H2O與其發(fā)生反應(yīng)，從而造成了空氣中負(fù)氧離子的濃度降低，兩者之間存在的相關(guān)關(guān)系為負(fù)相關(guān)。

表3 各污染物濃度情況與空氣負(fù)氧離子的數(shù)量個(gè)/m3

大氣中由于顆粒物的存在，更多的負(fù)氧離子可以吸附在這些顆粒上，因此會(huì)一定程度增加負(fù)氧離子濃度，但是由于大氣中顆粒物大多數(shù)是帶有正電荷[12-15]，因此吸附在顆粒物上的負(fù)氧離子部分正負(fù)電荷相互作用形成中性粒子，從而降低了空氣中負(fù)氧離子濃度，因此顆粒物濃度對(duì)于負(fù)氧離子濃度的相互關(guān)系比較復(fù)雜，兩者之間的相關(guān)關(guān)系取決于在顆粒物中吸附的負(fù)氧離子多還是被中和的負(fù)氧離子多，兩者之間并不是單的正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)關(guān)系。