供暖季4種林地空氣負(fù)離子濃度變化及其與主要影響因子的關(guān)系

劉宇++王曉立 +董蓉++蔣亞華 張楠++張麗華

摘要：2015年冬季，江蘇省北部城市及臨近的山東地區(qū)供暖時間為2015年11月中下旬至2016年3月中旬，從2015年11月至2016年4月連續(xù)監(jiān)測4種林地和對照內(nèi)空氣負(fù)離子濃度、PM2.5、PM10、溫度、濕度、風(fēng)速、光照強度，并進行方差分析、多重比較和相關(guān)性分析，對比4種林地內(nèi)空氣負(fù)離子濃度變化規(guī)律及其與主要環(huán)境因子的相關(guān)性。結(jié)果顯示，4種林地及對照內(nèi)空氣負(fù)離子濃度均值按從高到低的排序為日本早櫻純林（305個/cm3）、旱柳-廣玉蘭混交林（295個/cm3）、水泥廣場（286個/cm3）、多樹種復(fù)層針闊葉混交林（256個/cm3）、雪松-國槐混交林（223個/cm3）；空氣負(fù)離子濃度的日變化峰值均出現(xiàn)在13：00左右；空氣負(fù)離子濃度與PM10和PM2.5均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與空氣中的溫度和濕度都呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

關(guān)鍵詞：供暖季；林地；空氣負(fù)離子濃度；顆粒物；PM2.5；PM10

中圖分類號： S181；S718.5文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0248-04

收稿日期：2016-07-21

基金項目：國家星火計劃項目（編號：2013GA690424）；江蘇省宿遷市科技局項目（編號：z201204）。

作者簡介：劉宇（1981—），男，安徽安慶人，碩士，講師，主要從事城市園林生態(tài)研究。E-mail：718111060@qq.com。

2015年冬季，江蘇省北部城市及臨近的山東地區(qū)供暖時間為2015年11月中下旬至2016年3月中旬，其間宿遷市區(qū)空氣質(zhì)量較差，輕度污染以上日數(shù)達(dá)101 d[1]。空氣負(fù)離子被譽為空氣維生素和生長素[2-3]，它是目前評價空氣清潔程度[4]、衡量空氣質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一[5]。植物利用枝葉尖端放電、通過光合作用形成光電效應(yīng)，使空氣電離產(chǎn)生負(fù)離子[6]。因此，在供暖季節(jié)探討不同林地的空氣負(fù)離子濃度變化，對城市綠地建設(shè)具有重要意義。目前，已對國外許多城市以及國內(nèi)的北京、上海、廣州、重慶等地的空氣負(fù)離子展開了相關(guān)研究，研究內(nèi)容主要集中在森林環(huán)境[7-8]、綠地結(jié)構(gòu)[9-13]、空氣質(zhì)量評價[14]等方面。但對國內(nèi)供暖季不同林地內(nèi)空氣負(fù)離子濃度變化及其與主要影響因子關(guān)系的研究鮮見報道。本研究定量分析了供暖季不同林地內(nèi)空氣負(fù)離子變化及其與溫度、相對濕度、光照、空氣顆粒物等主要環(huán)境因子的[LL]關(guān)系，旨在為科學(xué)規(guī)劃城市綠地和指導(dǎo)市民合理開展休閑活動提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

城市人工林既可以滿足游人休閑游憩和一年四季的觀景需求，又可以改善局部的生態(tài)環(huán)境。本研究試驗點設(shè)在江蘇省宿遷學(xué)院教職工游園內(nèi)，選擇蘇北地區(qū)典型的4種林地為研究對象，包括旱柳-廣玉蘭混交林、雪松-國槐混交林、日本早櫻純林、多樹種復(fù)層針闊葉混交林，以無綠化覆蓋的水泥廣場地為對照（CK），下文分別以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示，各樣地內(nèi)植物生長狀況良好，詳情見表1。

1.2試驗方法

儀檢測空氣負(fù)離子濃度，使用OSEN-1A型粉塵檢測儀監(jiān)測PM2.5濃度和PM10濃度，采用天津市福元銘儀器設(shè)備有限公司制造的DEM6型三杯風(fēng)向風(fēng)速表測定風(fēng)速，采用浙江托普儀器有限公司制造的DJL-18溫濕光3參數(shù)記錄儀測定溫度和濕度。監(jiān)測期為2015年11月至2016年4月，每月分上旬、中旬、下旬各取1 d，觀測時間為07：00—21：00 ，每隔2 h在4種林地的中心位置同步觀測，以水泥廣場為對照，采樣高度為距離地表1.5 m處。

1.3 評價方法

以空氣負(fù)離子濃度為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用單極系數(shù)（q）和空氣質(zhì)量評價指數(shù)（CI）為空氣質(zhì)量評價指標(biāo)[14]。公式如下：

[JZ（]q=n+/n-；

CI=n-/（1 000×q）；

p=n-/（n-+ n+）。[JZ）]

其中：n+、n-為空氣正負(fù)離子數(shù)，q 為單極系數(shù)，CI為空氣質(zhì)量評價指數(shù)，p為空氣負(fù)離子系數(shù)。按照安培提出的空氣質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)，將空氣質(zhì)量劃分為5個等級（表2）。

1.4統(tǒng)計分析

采用SPSS 21.0軟件進行單因素方差分析、相關(guān)性分析和回歸方程分析，并用最小顯著差數(shù)法（LSD）檢測數(shù)據(jù)之間的差異性，采用Excel 2007繪圖。

2結(jié)果與分析

2.14種林地空氣負(fù)離子濃度空間變化規(guī)律

將4種林地和對照內(nèi)監(jiān)測到的空氣負(fù)離子數(shù)據(jù)予以加權(quán)平均，分析結(jié)果見表3，從單級系數(shù)q來看，均小于1，負(fù)離子數(shù)明顯高于正離子數(shù)，各個監(jiān)測樣地內(nèi)空氣負(fù)離子濃度都較小，其中平均最大值為日本早櫻純林（Ⅲ）的305個/cm3，最小值的雪松-國槐混交林（Ⅱ）僅為223個/cm3，無綠化的水泥廣場（Ⅴ）高于多樹種復(fù)層針闊葉混交林（Ⅳ）和雪松-國槐混交林（Ⅱ）。從空氣離子評價系數(shù)CI來看，旱柳-廣玉蘭混交林（Ⅰ）和日本早櫻純林（Ⅲ）處于中等清潔水平，而其他2種樣地都僅在允許水平段上，說明供暖季的林地和戶外整體空氣質(zhì)量較差。

2.24種林地空氣負(fù)離子濃度時間變化規(guī)律

4種林地空氣負(fù)離子日變化趨勢見圖1， 從圖中可知， 各個樣地最高峰值在13：00左右；日本早櫻純林（Ⅲ）和旱柳-廣玉蘭混交林（Ⅰ）具有相同的日變化規(guī)律，白天與晚上負(fù)離子濃度相差較大，從07：00到9：00有微弱的下降；而雪松-國槐混交林（Ⅱ）和多樹種復(fù)層針闊葉混交林（Ⅳ）則是在07：00到15：00呈M形趨勢，15：00以后負(fù)離子濃度變化幅度不大；另外水泥廣場空氣負(fù)離子濃度在17：00時降至203個/cm3，這可能是因為此時正處于大學(xué)生戶外活動時間，致使空氣負(fù)離子濃度快速降低。

[TPLY1111.tif]

不同樣地空氣負(fù)離子濃度的月變化規(guī)律基本一致（圖2），從11月至12月，4種林地和參照的空氣負(fù)離子濃度快速下降，1月至3月基本平穩(wěn)，4月時除多樹種復(fù)層針闊葉混交林[CM（25]（Ⅳ）外，其他林地內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度略有回升。從不同[CM）]

[TPLY2222.tif]

月份的空氣離子評價系數(shù)CI看（表4），11月的空氣質(zhì)量達(dá)到清潔水平，為0.753 6，而1月僅為0.231 2，處于輕污染程度。

2.34種林地空氣負(fù)離子濃度與主要影響因子的關(guān)系

溫度、濕度、風(fēng)速、光照以及空氣中顆粒物的濃度等都是影響空氣負(fù)離子濃度的重要因素，根據(jù)2015年11月至2016年4月所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)， 并將每月所得的空氣負(fù)離子濃度均值與其他環(huán)境要素均值進行相關(guān)性分析并擬定回歸方程。

2.3.1負(fù)離子濃度與空氣顆粒物的關(guān)系

對可吸入顆粒物（PM10）和細(xì)顆粒物（PM2.5）月平均值進行分析得到圖3，從圖中可知，檢測期間，空氣顆粒物濃度較高，其中細(xì)顆粒物平均濃度最高為164.3 μg/m3，可吸入顆粒物平均濃度最高達(dá)344.3 μg/m3；PM2.5濃度與PM10濃度月變化規(guī)律基本一致，從開始供暖后濃度逐漸升高，在1月時達(dá)到峰值，2月時突然下降，3月至4月逐漸下降，這可能與2月時宿遷市的一場降雪使空氣顆粒物濃度急速下降有關(guān)。

[FK（W21][TPLY3333.tif]

將4種林地內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度月均值與對應(yīng)的PM10濃度和PM2.5濃度的均值進行分析得到圖4，通過空氣負(fù)離子濃度與PM10和PM2.5曲線擬合，發(fā)現(xiàn)都呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中PM10的回歸方程為y=-0.577x+398.229（圖4-A），y為空氣負(fù)離子濃度，r2為0.087，對模型進行檢驗，F(xiàn)=22617，遠(yuǎn)大于1，顯著性水平P<0.01，具有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義；PM2.5的回歸方程為y=-1.191x+396.133（圖4-B），y為空氣負(fù)離子濃度，r2為0.083，對模型進行檢驗，F(xiàn)=21589，遠(yuǎn)大于1，顯著性水平P<0.01。

2.3.2負(fù)離子濃度與氣象因子的關(guān)系

負(fù)離子濃度與氣象因子的關(guān)系見圖5，在大于-1 ℃時，空氣負(fù)離子濃度與溫度呈顯著正相關(guān)，回歸方程為y=4.927x+212.81（圖5-A），y為空氣負(fù)離子濃度，x為溫度，對模型進行檢驗，F(xiàn)=5.05，P<005，具有統(tǒng)計學(xué)意義；監(jiān)測范圍內(nèi)的平均相對濕度范圍為38.2%～87.8%，在此范圍內(nèi)，空氣負(fù)離子濃度與空氣相對濕度呈顯著正相關(guān)，回歸方程y=4.109x+8.477（圖5-B），y為空氣負(fù)離子濃度，x為相對濕度，r2為0.063，對模型進行檢驗，F(xiàn)=15.887，P<0.01；對大于0.01 m/s 的風(fēng)速與空氣負(fù)離子濃度進行分析，2者呈顯著負(fù)相關(guān)，即隨著風(fēng)速增大，空氣負(fù)離子濃度下降，擬合方程為y=-74.78x+318.641（圖5-C），其中y為空氣負(fù)離子濃度，x為風(fēng)速，r2為0.034，對相關(guān)

[FK（W23][TPLY4444.tif]

模型進行檢測，F(xiàn)=6.324，P<0.05，具有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義；此次檢測的平均光照范圍為0～82 048 lx，通過分析，2者呈顯著負(fù)相關(guān)，其擬合曲線方程為y=-0.003x+322.152（圖5-D），其中y為空氣負(fù)離子濃度，x為光照強度，r2為0086，對模型進行檢測，F(xiàn)=16.750，P<0.01，具有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義。

3結(jié)論與討論

供暖季4種林地及對照內(nèi)空氣負(fù)離子濃度按從大到小排序為日本早櫻純林、旱柳-廣玉蘭混交林、水泥廣場、多樹種復(fù)層針闊葉混交林、雪松-國槐混交林，均值處于223～305個/cm3之間，空氣負(fù)離子濃度均較低，與穆單等在冬季佳木斯綠地中監(jiān)測的279個/cm3基本接近[10]。供暖季前后溫度降低，且植物處于落葉和休眠狀態(tài)，而光合作用是產(chǎn)生負(fù)離子的重要來源之一[15]，導(dǎo)致空氣負(fù)離子濃度不斷減少。結(jié)合其他復(fù)合因素[16]，空氣離子評價系數(shù)CI也處于較低水平。而無綠化的水泥廣場高于多樹種復(fù)層針闊葉混交林和雪松-國槐混交林，這可能是因為供暖季時大氣污染物量增大，而大氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。農(nóng)鋼等認(rèn)為環(huán)境中的煙霧會大大降低空氣負(fù)離子濃度，故具有密集結(jié)構(gòu)的雪松-國槐混交林和多樹種復(fù)層針闊葉混交林內(nèi)污染物不易擴散，致使該型綠地的空氣負(fù)離子濃度甚至低于無綠化的廣場[17]。[JP2]

4種林地的空氣負(fù)離子濃度在監(jiān)測期段內(nèi)除峰值均出現(xiàn)在13：00左右外，日變化無穩(wěn)定的趨勢。針對空氣負(fù)離子濃度的日變化特征，不同學(xué)者結(jié)論各異，多數(shù)認(rèn)為呈雙峰變化趨勢[18-21]，但研究多為夏秋高溫季節(jié)。本研究中，學(xué)校大量的人為活動和衣物產(chǎn)生的靜電易于與空氣負(fù)離子結(jié)合，影響空氣負(fù)離[CM（25]子的存活時間。戈鶴山等也研究得出，人為活動密集的地[CM）]

[FK（W21][TPLY5555.tif]

方空氣負(fù)離子濃度較低。另外供暖期污染物的日變化也會影響空氣負(fù)離子濃度，使得空氣負(fù)離子濃度變化出現(xiàn)交替[22]。

4種林地和對照月變化趨勢基本一致，空氣離子評價系數(shù)CI在11月最高為0.7536，而1月僅有0.231 2，從季節(jié)上看冬季低，春秋季次之，與多數(shù)研究結(jié)果[23-24]一致。

研究期間，PM2.5與PM10濃度的月變化規(guī)律基本一致，氣顆粒物濃度較高，細(xì)顆粒物和可吸入顆粒物最高平均濃度分別達(dá)到164.3 、344.3 μg /m3，與國家空氣Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)（PM10為150 μg /m3，PM2.5為75 μg /m3）相差較大；PM10和PM2.5均與空氣負(fù)離子濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，這與章志攀等研究結(jié)果[25]一致。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，空氣負(fù)離子能有效降低空氣中的顆粒物濃度，可以通過改善綠地結(jié)構(gòu)、增加空氣負(fù)離子濃度，實現(xiàn)凈化空氣的作用[16，26]。

空氣負(fù)離子濃度與溫度和濕度有顯著關(guān)系，但規(guī)律不一，吳楚才等認(rèn)為，空氣負(fù)離子濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)，與濕度呈正相關(guān)[4，27]；邵海榮等認(rèn)為，空氣負(fù)離子濃度與溫度呈正相關(guān)，與濕度呈負(fù)相關(guān)[28]。筆者與韋朝領(lǐng)等認(rèn)為空氣負(fù)離子濃度與溫度和濕度都呈顯著正相關(guān)[24]。

本研究結(jié)果表明，供暖季4種林地及對照內(nèi)空氣負(fù)離子濃度均較低，具有濃密結(jié)構(gòu)的雪松-國槐混交林和多樹種復(fù)層針闊葉混交林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度甚至低于無綠化的廣場；空氣負(fù)離子濃度與PM10和PM2.5均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與空氣中的溫度和濕度都呈顯著正相關(guān)關(guān)系，所以可以通過改善綠地結(jié)構(gòu)、增加空氣負(fù)離子濃度，實現(xiàn)凈化空氣作用。

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