森林空氣負(fù)離子濃度與環(huán)境溫濕度指數(shù)的關(guān)系研究

吳迪，李佳珊，3，張冬有*

(1.黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱師范大學(xué)，哈爾濱，150025；2.哈爾濱師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱，150025；3.黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

森林空氣負(fù)離子濃度與環(huán)境溫濕度指數(shù)的關(guān)系研究

吳迪1，2，李佳珊1，2，3，張冬有1，2*

(1.黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱師范大學(xué)，哈爾濱，150025；2.哈爾濱師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱，150025；3.黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

為研究森林空氣負(fù)離子濃度及其自然環(huán)境影響因素，以黑龍江省森林植物園為研究對象，利用GIS與統(tǒng)計(jì)分析等手段，借助一種新的綜合指標(biāo)環(huán)境溫濕度指數(shù)(THI)，分析植物園研究區(qū)域內(nèi)，空氣負(fù)離子濃度分布以及其與環(huán)境溫濕度指數(shù)之間的關(guān)系，并分析環(huán)境溫濕度指數(shù)對不同植物結(jié)構(gòu)的環(huán)境空氣負(fù)離子濃度的不同影響。結(jié)果表明：①黑龍江省森林植物園內(nèi)，植物結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的環(huán)境下空氣負(fù)離子濃度越高，空氣負(fù)離子濃度從高到低依次為：灌喬草﹥灌喬﹥喬草﹥灌草﹥喬﹥灌﹥草。②植物園內(nèi)空氣負(fù)離子濃度隨環(huán)境溫濕度指數(shù)升高而先增大后減小，當(dāng)環(huán)境溫濕度指數(shù)約800時(shí)，空氣負(fù)離子濃度最高。③環(huán)境溫濕度指數(shù)對不同植物結(jié)構(gòu)環(huán)境下空氣負(fù)離子濃度影響程度不同，植物結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，環(huán)境溫濕度對空氣負(fù)離子濃度的影響程度越大。該研究可以為進(jìn)一步分析森林空氣負(fù)離子濃度的影響因素提供參考，將自然條件中的溫度和濕度復(fù)合到一種新的指標(biāo)即環(huán)境溫濕度指數(shù)中，為構(gòu)建森林空氣負(fù)離子濃度影響指標(biāo)體系提供了一種新的方法和思路。

空氣負(fù)離子；環(huán)境溫濕度指數(shù)；植物結(jié)構(gòu)

0 引言

大氣中負(fù)離子和正離子同時(shí)存在，其中空氣負(fù)離子具有殺菌、降塵、清潔空氣、提高機(jī)體免疫力等功能，被稱為“空氣維生素和生長素”，其濃度水平很大程度上反映了空氣清潔程度[1-2]，研究表明：環(huán)境中空氣負(fù)離子濃度越高，清潔度越好[3]。由于空氣負(fù)離子在醫(yī)療保健等方面的應(yīng)用，空氣負(fù)離子，特別是森林空氣負(fù)離子，受到人們的普遍關(guān)注。

森林中具有較高的空氣負(fù)離子濃度，有資料表明，森林的負(fù)離子濃度比城市室內(nèi)可高出80～1600倍，森林覆被率達(dá)到35%～60%時(shí)，空氣負(fù)離子濃度最高，森林覆被率低于7%的地方，負(fù)離子濃度僅為上述的40%～50%[4]。目前關(guān)于森林中空氣負(fù)離子的研究主要側(cè)重于負(fù)離子濃度分別與溫度、濕度、林分結(jié)構(gòu)等之間的關(guān)系，但是其中的關(guān)系尚未明確。吳楚材等、Matthew等認(rèn)為，空氣負(fù)離子與溫度成顯著負(fù)相關(guān)，與空氣相對濕度成正相關(guān)[5-6]；王繼梅等在研究中發(fā)現(xiàn)，空氣負(fù)離子與溫度和相對濕度都呈正相關(guān)[7]。本文借助一種新的變量，即環(huán)境溫濕度指數(shù)(THI)來代替以往氣候條件中的溫度和濕度，探究森林空氣負(fù)離子濃度和環(huán)境溫濕度指數(shù)之間的關(guān)系。環(huán)境溫濕度指數(shù)是利用人體與周圍環(huán)境的熱量交換，考慮濕度對體感溫度的影響，以此來評價(jià)氣候舒適情況的一種參數(shù)[8-9]，溫濕度指數(shù)反映了人體對環(huán)境的熱感受[10]。不同植物結(jié)構(gòu)環(huán)境對空氣負(fù)離子的影響差異顯著[11-12]。在過去研究中，鮮有關(guān)于不同植物結(jié)構(gòu)環(huán)境中負(fù)離子濃度對于溫度和濕度變化響應(yīng)的研究。本文利用環(huán)境溫濕度指數(shù)，探究環(huán)境溫濕度對不同植物結(jié)構(gòu)環(huán)境中空氣負(fù)離子濃度的影響程度。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省森林植物園位于哈爾濱市香坊區(qū)，占地面積136 hm2，中心位置位于126°16′，北緯45°45′，處于寒溫帶，屬于半濕潤大陸性氣候，園內(nèi)平均溫度比市區(qū)平均低2～4 ℃，空氣的相對濕度比市區(qū)高6.2%～14.2%，森林植物園的熱輻射強(qiáng)度平均比市區(qū)低達(dá)2倍。園內(nèi)建有風(fēng)格各異的月季園、郁金香園、藥園和濕地園等15處植物專類園。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文研究使用的數(shù)據(jù)為2013年8月的分辨率為2 m的Quickbird遙感影像，以及使用負(fù)離子檢測儀在黑龍江省森林植物園獲取的野外調(diào)查數(shù)據(jù)。

測定空氣負(fù)離子儀器為日本COM3200PRO負(fù)離子檢測儀，該檢測儀同時(shí)有測量正離子、負(fù)離子、溫度、濕度的功能，測定離子濃度誤差≤±5%，離子遷移率誤差≤±5%，該儀器的離子濃度測量范圍為0～2×106ions/CC。

選擇植物園內(nèi)有代表性的9個(gè)園區(qū)，每個(gè)園區(qū)選取2～3個(gè)觀測點(diǎn)，一共選取了彼此有一定距離的20個(gè)觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)位置、各園區(qū)群落結(jié)構(gòu)和樹種組成見表1。觀測時(shí)間為2014年5～9月以及2015年5～9月，選取其中晴朗無風(fēng)或微風(fēng)天氣共

表1 采樣點(diǎn)信息Tab.1 Sampling point information

20 d，由于儀器原因?qū)е掠? d的數(shù)據(jù)過于異常，實(shí)際研究分析使用了19 d的觀測數(shù)據(jù)。觀測時(shí)間為每天8時(shí)至9時(shí)，使用2臺負(fù)離子儀器依次在20個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。觀測高度固定為距離地面1 m，為了降低風(fēng)速的影響，選擇東、南、西、北四個(gè)方向穩(wěn)定讀數(shù)并取平均值以得到該點(diǎn)的負(fù)離子濃度值，同時(shí)記錄下當(dāng)天的園內(nèi)溫度和濕度數(shù)值，由于整個(gè)植物園區(qū)域范圍較小，9個(gè)園區(qū)距離也較近，所以環(huán)境內(nèi)溫度、濕度高低差別較小，本研究所使用的園區(qū)溫度和濕度均為9個(gè)園區(qū)平均值。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用ENVI5.1對遙感影像進(jìn)行降噪處理、薄云處理、陰影處理，再使用ArcGIS10.0結(jié)合標(biāo)志性點(diǎn)幾何校正、影像裁剪，目視解譯和實(shí)地調(diào)查結(jié)合，確定研究區(qū)地物，最后矢量化得到黑龍江省植物園矢量圖，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域圖(黑龍江省森林植物園)Fig.1 Study area map(Heilongjiang Forest Botanical Garden)

2.2 環(huán)境溫濕度指數(shù)

環(huán)境溫濕度指數(shù)(THI)是Thorn提出的綜合溫度和相對濕度，并且能反映人體的感受情況的一種指標(biāo)，環(huán)境溫濕度指數(shù)(THI)有多種計(jì)算方法，本文研究中所使用的是Oliver改進(jìn)的指數(shù)公式[4，13]：

THI=T-0.55(1-f)(T-58)。

(1)

T=1.8t+32。

(2)

式中：t為攝氏溫度，T為華氏溫度，f為空氣相對濕度。

2.3 植物園內(nèi)平均空氣負(fù)離子濃度的計(jì)算

通過每個(gè)園區(qū)空氣負(fù)離子濃度與每個(gè)園區(qū)面積進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算得到植物園內(nèi)平均空氣負(fù)離子濃度，計(jì)算公式為

(3)

2.4 空氣負(fù)離子濃度變化總量的計(jì)算

本文使用空氣負(fù)離子變化總量，即隨著溫濕度指數(shù)的變化，各園區(qū)空氣負(fù)離子濃度變化量的總和的不同，來表示各園區(qū)空氣負(fù)離子濃度對于溫濕度指數(shù)變化的不同程度的響應(yīng)，計(jì)算公式為

(4)

式中：TNCi是i園區(qū)內(nèi)空氣負(fù)離子濃度變化總量，i=1，2，3……9，j=1，2，3……19。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物園內(nèi)空氣負(fù)離子分布

將19次外業(yè)測量的數(shù)據(jù)按不同園區(qū)求得平均值，得到植物園內(nèi)空氣負(fù)離子分布狀況，如圖2所示。

根據(jù)圖2可以直觀的看出，植物園內(nèi)觀果園空氣負(fù)離子濃度最高，郁金香園次之，而濕地園空氣負(fù)離子濃度最低。植物園內(nèi)各園區(qū)空氣負(fù)離子濃度存在差異的原因是各個(gè)園區(qū)內(nèi)植物結(jié)構(gòu)不同，其中負(fù)離子濃度最高的觀果園、郁金香園都是灌喬草混

圖2 不同分園區(qū)空氣負(fù)離子濃度Fig.2 Distribution of negative air ion concentration in the botanical garden

合結(jié)構(gòu)，而負(fù)離子濃度相對較低的月季園和濕地園都是較為單一的灌木和草本結(jié)構(gòu)。由此可見，相對較復(fù)雜的植物結(jié)構(gòu)區(qū)域要比相對較單一的植物結(jié)構(gòu)區(qū)域空氣負(fù)離子濃度高。

3.2植物園內(nèi)空氣負(fù)離子濃度和環(huán)境溫濕度指數(shù)關(guān)系的擬合

利用公式(3)得到每日植物園內(nèi)平均空氣負(fù)離子濃度，利用公式(1)和公式(2)得到每日植物園內(nèi)環(huán)境溫濕度指數(shù)。

利用Matlab軟件對空氣負(fù)離子濃度和環(huán)境溫濕度指數(shù)進(jìn)行曲線估計(jì)，分別與二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式、對數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)4種函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 曲線估計(jì)擬合結(jié)果Fig.3 Curve fitting results

對4種函數(shù)曲線估計(jì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，比較4種函數(shù)的可決系數(shù)R2和標(biāo)準(zhǔn)誤RMSE如圖4所示。其中可決系數(shù)R2越接近1，函數(shù)擬合程度越高，標(biāo)準(zhǔn)誤RMSE越小，所擬合的樣本曲線與實(shí)際觀測點(diǎn)的離差程度越小，即擬合曲線具有較強(qiáng)的代表性。

由圖4可以看出，所擬合的三次函數(shù)曲線的可決系數(shù)R2最接近1且標(biāo)準(zhǔn)誤RMSE最小。所以三次函數(shù)曲線對于溫濕度指數(shù)和空氣負(fù)離子濃度的擬合程度最好。由圖3(b)的三次函數(shù)擬合曲線圖可知，空氣負(fù)離子濃度隨著環(huán)境溫濕度指數(shù)的增加而先增加后減小，當(dāng)溫濕度指數(shù)約為800左右時(shí)，環(huán)境空氣負(fù)離子濃度最高。

3.3不同植物結(jié)構(gòu)環(huán)境下空氣負(fù)離子濃度與環(huán)境溫濕度指數(shù)的關(guān)系比較

不同植物結(jié)構(gòu)組成環(huán)境下空氣負(fù)離子濃度有差異，其空氣負(fù)離子濃度對于環(huán)境溫濕度指數(shù)的變化也有不同程度的響應(yīng)，從圖5可以看出，整體上空氣負(fù)離子濃度最高的依然是觀果園、郁金香園等由灌喬草混合植被結(jié)構(gòu)組成的園區(qū)，而植被結(jié)構(gòu)相對

圖4 4種不同函數(shù)曲線擬合參數(shù)對比Fig.4 Comparison of four functions curve fitting

單一的濕地園、月季園的空氣負(fù)離子濃度相對較低，但是隨著環(huán)境溫濕度指數(shù)的不斷增大，不同植被結(jié)構(gòu)環(huán)境的空氣負(fù)離子濃度也有不同的響應(yīng)。利

用公式(4)計(jì)算各園區(qū)空氣負(fù)離子濃度變化總量見表2，變化總量最高的園區(qū)為觀果園，最低為濕地園，植物結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的園區(qū)，空氣負(fù)離子變化總量越高，反之，植物結(jié)構(gòu)越單一，空氣負(fù)離子變化總量越低。說明環(huán)境溫濕度指數(shù)對不同的植被結(jié)構(gòu)也有不同程度的影響。

表2 各園區(qū)空氣負(fù)離子濃度變化總量Tab.2 Total change of negative air ion concentration in botanical garden

圖5 不同園區(qū)空氣負(fù)離子濃度與環(huán)境溫濕度指數(shù)的關(guān)系Fig.5 The relationship between negative air ion concentration and temperature and humidity index(THI)in different zones

4 結(jié)論與討論

本文以黑龍江省森林植物園園區(qū)為案例，通過野外調(diào)查獲取2014年5月至2015年9月植物園內(nèi)不同園區(qū)空氣負(fù)離子濃度以及園內(nèi)溫度和相對濕度數(shù)據(jù)，借助環(huán)境溫濕度指數(shù)(THI)模型，探索植物園內(nèi)空氣負(fù)離子濃度及其與環(huán)境溫濕度指數(shù)之間的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

(1)黑龍江省森林植物園園區(qū)內(nèi)，不同園區(qū)空氣負(fù)離子濃度有所差異，空氣負(fù)離子濃度從高到低的園區(qū)依次為觀果園﹥郁金香園﹥百花園﹥丁香園﹥藥園﹥白樺林﹥牡丹芍藥園﹥月季園﹥濕地園。不同園區(qū)空氣負(fù)離子濃度高低與該園區(qū)內(nèi)植物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)，空氣負(fù)離子濃度最高的觀果園、郁金香園都是灌喬草混合結(jié)構(gòu)，而空氣負(fù)離子濃度最低的月季園、濕地園分別為單一的灌木和草本結(jié)構(gòu)。因此，植物群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，空氣負(fù)離子濃度越高，反之，植物群落結(jié)構(gòu)越單一，空氣負(fù)離子濃度越低：灌喬草﹥灌喬﹥喬草﹥灌草﹥喬﹥灌﹥草。

(2)在黑龍江省森林植物園園區(qū)內(nèi)，空氣負(fù)離子濃度隨著環(huán)境溫濕度的增高而先增大后減小，兩者之間關(guān)系函數(shù)近似于一條三次曲線，在波峰值約為800，即環(huán)境溫濕度指數(shù)約為800時(shí)，空氣負(fù)離子濃度最高。本文利用溫濕度指數(shù)，很好地解決了以往研究中空氣負(fù)離子與氣象指數(shù)(溫度和濕度)關(guān)系不明確的分歧，定量地揭示了空氣負(fù)離子濃度與溫濕度指數(shù)的關(guān)系。

(3)不同植物結(jié)構(gòu)環(huán)境下空氣負(fù)離子濃度受環(huán)境溫濕度指數(shù)影響的程度不同，負(fù)離子濃度變化總量相對最高的是植物結(jié)構(gòu)相對最復(fù)雜的觀果園和郁金香園，變化總量相對最小的是植物結(jié)構(gòu)相對最單一的濕地園。因此，植物群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的環(huán)境下，空氣負(fù)離子濃度受環(huán)境溫濕度指數(shù)影響程度也越大，植物結(jié)構(gòu)越單一的環(huán)境下，空氣負(fù)離子濃度受環(huán)境溫濕度指數(shù)影響程度越小。

相同環(huán)境下森林空氣負(fù)離子濃度不僅受到環(huán)境內(nèi)的溫濕度、植被群落結(jié)構(gòu)的影響，空氣負(fù)離子濃度還與天氣狀況、風(fēng)速、光照強(qiáng)度、海拔高度、空氣質(zhì)量和下墊面等存在明顯的聯(lián)系[14-18]。因此，在未來對于森林空氣負(fù)離子濃度的影響因素研究中應(yīng)考慮多種因素的共同影響，建立更復(fù)雜、更全面的模型，充分考慮多種因素之間相互影響，構(gòu)建出完整的森林空氣負(fù)離子濃度的指標(biāo)評價(jià)體系。

[1] Jovanic B R，Jovanic S B.The effect of high concentration of negative ions in the air on the chlorophyll content in plant leaves[J].Water，Air & Soil Pollution，2001，129(1-4)：259-265.

[2] 劉海洋，吳月，王乃昂，等.中國沙漠旅游氣候舒適度評價(jià)[J].資源科學(xué)，2013，35(4)：831-838.

[3] 王薇，余莊，冀鳳全.基于空氣負(fù)離子濃度的城市環(huán)境空氣清潔度評價(jià)[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，22(2)：298-303.

[4] 邵海榮，賀慶棠.森林與空氣負(fù)離子[J].世界林業(yè)研究，2000，13(5)：19-23.

[5] 吳楚材，鄭群明，鐘林生.森林游憩區(qū)空氣負(fù)離子水平的研究[J].林業(yè)科學(xué)，2001，37(5)：75-81.

[6] Wright M D，Holden N K，Shallcross D E，et al.Indoor and outdoor atmospheric ion mobility spectra，diurnal variation，and relationship with meteorological parameters[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，2014，119(6)：3251-3267.

[7] 王繼梅，冀志江，隋同波，等.空氣負(fù)離子與溫濕度的關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué)研究，2004，17(2)：68-70.

[8] 安強(qiáng)，龍?zhí)煊?，黃寧秋，等.三峽庫區(qū)人居環(huán)境氣候適宜性[J].湖泊科學(xué)，2012，24(2)：238-243.

[9] Barradas V L.Air temperature and humidity and human comfort index of some city parks of Mexico City[J].International Journal of Biometeorology，1991，35(1)：24-28.

[10] Mather J R.Climatology：fundamentals and applications[M].New York：McGRAW-Hill Book Com，1974：245-295.

[11] 吳際友，程政紅，龍應(yīng)忠，等.園林樹種林分中空氣負(fù)離子水平的變化[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，27(4)：78-80.

[12] Qi J Z，Wang H J.Effect of community structure on aero-anion concentration in urban green space[C] .World Automation Congress，2012：1-5.

[13] Oliver J E.Climate and man’s environment：an introduction to applied climatology[J].Geography Journal，1978，146(1)：350-351.

[14] 馮鵬飛，于新文，張旭.北京地區(qū)不同植被類型空氣負(fù)離子濃度及其影響因素分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，24(5)：818-824.

[15] 劉新，吳林豪，張浩，等.城市綠地植物群落空氣負(fù)離子濃度及影響要素研究[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，50(2)：206-212.

[16] 黃向華，王健，曾宏達(dá)，等.城市空氣負(fù)離子濃度時(shí)空分布及其影響因素綜述[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，24(6)：1761-1768.

[17] Reiter R.Part B frequency distribution of positive and negative small ion concentrations，based on many years’recordings at two mountain stations located at 740 and 1780 m ASL[J].International Journal of Biometeorology，1985，29(3)：223-231.

[18] 徐星生，劉波，唐春燕.婺源縣空氣負(fù)離子分布規(guī)律初步分析[J].氣象與減災(zāi)研究，2007，30(1)：64-67.

ResearchonRelationshipbetweenForestNegativeAirIonConcentrationandTemperatureandHumidityIndex

Wu Di1，2，Li Jiashan1，2，3，Zhang Dongyou1，2*

(1.Key Laboratory of Remote Sensing Monitoring of Geographic Environment，Harbin Normal University，Harbin 150025； 2.School of Geography Science，Harbin Normal University，Harbin 150025； 3.Forest Designing and Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150080)

In order to study the influencing factors of forest air negative ion concentration and its natural environment，Heilongjiang forest botanical garden was used as the research object.Using GIS and statistical analysis method，with the help of a new comprehensive index：temperature and humidity index(THI)，the relationship between negative air ion concentration and THI was analyzed in the botanical garden.The effects of environmental temperature and humidity index on the negative air ion concentration in different plant structure were also analyzed.The results showed that：(1)in Heilongjiang forest botanical garden，negative air concentration is proportional to the complexity of plant structure，the concentrations of negative air ion from high to low botanical constitution：shrub-tree-herb community>shrub-tree community>tree-herb community>shrub-herb community>tree community>shrub community>herb community.(2)The concentration of negative air ions increased first and then decreased with the increase of the environmental THI.When the THI is about 800，forest negative air ion concentration reached the highest.(3)The effect ofTHIon the negative air ion concentration in different plant structure environment is different，the more complex the plant structure，the greater the effect.The study can provide a reference for further analysis of the influencing factors of forest air negative ion concentration，and the temperature and humidity in natural conditions are combined into a new index，environmental temperature and humidity index(THI)，which could provide a new method and idea for the construction of the index system of negative air ion concentration.

Negative air ion concentration；temperature and humidity index；plant structure

S 788；X831

A

1001-005X(2017)06-0025-06

2017-06-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171412)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(D201303)；哈爾濱師范大學(xué)博士后項(xiàng)目(13RBHZ03)

吳迪，碩士研究生。研究方向：3S技術(shù)與森林生態(tài)。E-mail：1040332004@qq.com

*通信作者：張冬有，博士，教授。研究方向：3S技術(shù)與森林資源管理。E-mail：zhangdy@163.com

吳迪，李佳珊，張冬有.森林空氣負(fù)離子濃度與環(huán)境溫濕度指數(shù)的關(guān)系研究[J].森林工程，2017，33(6)：25-30.