空氣負離子濃度分布特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系

王薇

安徽建筑大學建筑與規(guī)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(diào)節(jié)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(huán)境狀況，人們在世界范圍內(nèi)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(nèi)外關(guān)于空氣負離子的研究主要包括不同城市綠地結(jié)構(gòu)（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(tài)結(jié)構(gòu)（韋朝領(lǐng)等，2006；李陳貞等，2009）、城市森林結(jié)構(gòu)（王洪俊，2004）等不同生態(tài)環(huán)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(fā)現(xiàn)，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(huán)境生態(tài)越有益。因此，負離子含量是評價空氣質(zhì)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(tài)環(huán)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(huán)境場所進行觀測研究，運用定量分析出不同環(huán)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(guān)聯(lián)的環(huán)境因子，通過結(jié)果和分析給城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面以重要的啟示。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)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(qū)。研究區(qū)域涵蓋了森林、瀑布、海邊、鄉(xiāng)村田野、郊區(qū)曠野、縣城中心、縣城賓館客房等不同類型。觀測期間氣象穩(wěn)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(chǎn)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(shù)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(shù)1次；相對濕度用AZ8912型風速儀測定，每次采集5次數(shù)據(jù)，間隔30 s讀數(shù)1次；植物和材料負離子濃度用日本原產(chǎn)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(shù)據(jù)，取峰值數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 觀測結(jié)果

觀測結(jié)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(huán)境因素（瀑布、海邊、峽谷、鄉(xiāng)村田野、郊區(qū)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(huán)境因素，都呈現(xiàn)出規(guī)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(xiāng)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(jù)實測數(shù)據(jù)進行分析，同時推導出自然環(huán)境中不同場所環(huán)境空氣負離子的分布標準，見表 2。

表1 不同環(huán)境場所空氣離子濃度與風速、相對濕度、氣溫觀測數(shù)據(jù)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(huán)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(huán)境因子關(guān)系分析

2.2.1 風與空氣負離子的關(guān)系密切

表1中縣城賓館客房內(nèi)在無風狀態(tài)下，空氣負離子濃度較低，而室外在有風的狀態(tài)下負離子有明顯提高。根據(jù)吳志湘等（2007）實驗結(jié)果說明，由于空氣的持續(xù)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(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)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(tài)水對空氣負離子的影響比靜態(tài)水明顯。根據(jù)水體的流動速度可以劃分為動態(tài)水（流動變化，如河流、溪澗、瀑布等，如圖2所示）和靜態(tài)水（平靜少動，如水池、水庫等）。根據(jù)Lenard效應(yīng)原理（夏廉博，1981），動態(tài)水比靜態(tài)水更容易激發(fā)空氣負離子。

由表1得知，動態(tài)水的空氣負離子濃度大于靜態(tài)水。動態(tài)水中，急流比緩流大，其中以瀑布最大；靜態(tài)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(yīng)強烈，產(chǎn)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(yīng)摩擦產(chǎn)生的電離能越大，周邊環(huán)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(chǎn)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(xiàn)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(jù)觀測結(jié)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(fù)層結(jié)構(gòu)植物＞低處復(fù)層結(jié)構(gòu)植物＞低處單層結(jié)構(gòu)植物。其中，高處復(fù)層結(jié)構(gòu)植物負離子濃度最大達到 258·cm-3，低處復(fù)層結(jié)構(gòu)植物為 90·cm-3，低處單層結(jié)構(gòu)植物最小，僅為30·cm-3，僅為高處復(fù)層結(jié)構(gòu)的12%。因此初步判斷植物綠化豐富的環(huán)境空氣負離子濃度較高，喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)比其他結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)生的空氣負離子濃度高。這是因為喬灌草的復(fù)層結(jié)構(gòu)綠量高且滯塵能力強，同時枝葉可以重復(fù)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(guān)

根據(jù)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(guān)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(jù)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(jù)以往的研究發(fā)現(xiàn)，空氣負離子濃度和溫度關(guān)系的觀點難以統(tǒng)一（韋朝領(lǐng)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(guān)系不明確，兩者之間的內(nèi)在規(guī)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(yīng)用單極系數(shù)和安培空氣質(zhì)量評價指數(shù)對表1進行評價分析得出表5。由表5可知，自然生態(tài)環(huán)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(qū)域顯著，主要因為這些環(huán)境場所風速和動態(tài)水體的摩擦激發(fā)了大量的空氣負離子，同時空間開闊并不斷保持這種狀態(tài)，從而提高了環(huán)境的空氣質(zhì)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(fā)的能力，相應(yīng)地帶來空氣清潔度的下降。但是相比較室內(nèi)環(huán)境而言，室外自然環(huán)境空氣清潔度均達到A級最清潔狀態(tài)?？h城賓館是一個圍合空間，室內(nèi)空氣流動產(chǎn)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(chǎn)生的速度，因此空氣清潔度為E1級輕污染狀態(tài)。

表5 自然環(huán)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(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1）自然環(huán)境下的空氣負離子濃度隨著地理環(huán)境因素（瀑布、海邊、峽谷、鄉(xiāng)村田野、郊區(qū)曠野、縣城等）不同差別很大，同時空氣負離子濃度呈現(xiàn)出由城市中心—郊區(qū)—鄉(xiāng)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(fā)空氣負離子，同時兩者呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

3）空氣負離子濃度與植物群落的種類結(jié)構(gòu)和配置相關(guān)。

4）相對濕度與空氣負離子具有良好的相關(guān)性。

5）溫度與空氣負離子的關(guān)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(tài)環(huán)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(huán)境的空氣負離子濃度值為參考標準，研究城市環(huán)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(fā)并保持周邊環(huán)境的空氣負離子濃度，可以降低城市熱島效應(yīng)和能源消耗，有效地改善城市生態(tài)環(huán)境。

3）積極運用水這一要素進行景觀設(shè)計，重視動態(tài)水體的綜合功能，適當增加噴泉和活動水面等，以充分發(fā)揮動態(tài)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(fā)綠地，減少不必要的硬質(zhì)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(fù)層組合。以減少空氣污染，提高空氣質(zhì)量，構(gòu)建理想的城市景觀格局。

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