太陽島景區(qū)水體空氣負(fù)離子濃度的分析與評價

于澤西，單晟燁，張冬有

（1黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室/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）

太陽島景區(qū)水體空氣負(fù)離子濃度的分析與評價

于澤西1,2，單晟燁1,2，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)測重點實驗室/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）

以太陽島景區(qū)水體負(fù)離子為研究對象，探究不同類型水體空氣負(fù)離子分布規(guī)律，以及湖水空氣負(fù)離子濃度與溫濕度的關(guān)系，并對景區(qū)內(nèi)水域空氣清潔度進(jìn)行評價，應(yīng)用ArcGIS對太陽瀑、太陽湖進(jìn)行插值分析，應(yīng)用SPSS對太陽湖空氣負(fù)離子濃度與溫濕度進(jìn)行相關(guān)性檢驗和曲線擬合，借助安培空氣質(zhì)量評價指數(shù)評價空氣清潔度，結(jié)果表明：太陽瀑、天鵝湖、濕地園空氣清潔度為A級，太陽湖空氣清潔度為B級。相關(guān)性檢驗得出太陽湖負(fù)離子濃度與溫濕度皆呈正相關(guān)，曲線擬合的結(jié)果表明S曲線更適合描述負(fù)離子濃度與溫度的關(guān)系，二次多項式更適合描述負(fù)離子濃度與濕度的關(guān)系，空氣清潔度的評價結(jié)果表明：太陽瀑、天鵝湖、濕地園空氣清潔度達(dá)到了最清潔的標(biāo)準(zhǔn)，太陽湖空氣清潔度達(dá)到了一般清潔的標(biāo)準(zhǔn)。

空氣負(fù)離子；空間插值；曲線估計；空氣清潔度；等級評價

0 引言

空氣負(fù)離子是空氣中帶負(fù)電荷的單個氣體分子或離子團(tuán)的總稱[1-2]。它具有殺菌、降塵、清潔空氣的作用，同時還具有消除人體疲勞和療養(yǎng)保健的功能[3]。相關(guān)研究表明，空氣負(fù)離子對人體7個系統(tǒng)的30多種疾病具有抑制、緩解和輔助治療的作用[4]，當(dāng)空氣負(fù)離子含量達(dá)到700個/cm3以上時，人體會感覺舒服；當(dāng)負(fù)離子含量大于1000個/cm3時，具有保健作用；達(dá)到8000個/cm3以上時，甚至可以對疾病起到治療的作用[5]。通常自然界空氣負(fù)離子產(chǎn)生主要通過如下三種形式：一是紫外線、放射性物質(zhì)、雷電等對空氣的電離作用；二是植物自身的尖端放電及光合作用形成的光電效應(yīng)，促進(jìn)負(fù)離子的產(chǎn)生；三是水的勒納德效應(yīng)，高速運(yùn)動的水體在重力的作用下水分子發(fā)生裂解，產(chǎn)生大量空氣負(fù)離子。雖然空氣負(fù)離子不斷產(chǎn)生，但其數(shù)量并非無限增加，因為其產(chǎn)生的同時也伴隨著消亡，主要有兩點原因：一方面由于異性電荷相吸，正負(fù)離子因靜電作用而中和，另一方面空氣負(fù)離子被空氣中的塵粒、煙霧、粉塵所吸附，形成重離子而沉降，所以在特定的環(huán)境下，空氣負(fù)離子的含量總是保持著動態(tài)平衡[6]?？諝庳?fù)離子含量的多少除了直接影響人的舒適程度和健康狀況外，還是反應(yīng)空氣質(zhì)量和大氣環(huán)境的重要指標(biāo)，國際上公認(rèn)的安培空氣質(zhì)量評價指數(shù)，就是依據(jù)空氣負(fù)離子濃度而計算出來的[7]。國外對空氣負(fù)離子的研究起步較早，1889年德國科學(xué)家Elster和Geital首次發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子，Aschkinass和Caspari等在1902年肯定了空氣負(fù)離子存在的生物學(xué)意義[8]?，F(xiàn)今國外對空氣負(fù)離子的研究主要集中在負(fù)離子對生物機(jī)體的效應(yīng)、臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用、時空變化規(guī)律以及空氣質(zhì)量評價等方面[9-12]，相比之下，國內(nèi)對空氣負(fù)離子的研究起步較晚，最早可追溯于1978年，并經(jīng)歷了80年代初和90年代初兩個發(fā)展高潮，現(xiàn)今國內(nèi)對空氣負(fù)離子的研究主要集中在不同林分及植被類型、不同綠地類型和不同城市功能區(qū)的空氣負(fù)離子分布及變化規(guī)律等方面，也有學(xué)者對空氣負(fù)離子的時空變化特征與氣象要素關(guān)系進(jìn)行了研究[13]。關(guān)于水體空氣負(fù)離子的研究，僅有少數(shù)學(xué)者如王薇[14]得出動態(tài)水負(fù)離子濃度大于靜態(tài)水，其中瀑布最大，靜態(tài)水中，大面積水域比小面積水域空氣負(fù)離子濃度高。曾曙才[15]通過對動態(tài)水的研究認(rèn)為：瀑布空氣負(fù)離子濃度＞人工噴泉負(fù)離子濃度＞小溪流空氣負(fù)離子濃度。筆者結(jié)合GIS的方法，通過空間插值的手段[16]，以黑龍江省哈爾濱市的太陽島風(fēng)景區(qū)內(nèi)的太陽瀑、太陽湖為研究對象，進(jìn)行了更為細(xì)化的研究，并對太陽湖負(fù)離子濃度與溫度和濕度進(jìn)行了不同函數(shù)類型的回歸擬合，對太陽島內(nèi)的太陽瀑、太陽湖、天鵝湖和濕地園的空氣清潔度等級進(jìn)行了評估，為水體空氣負(fù)離子的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太陽島風(fēng)景名勝區(qū)坐落在哈爾濱市松花江北岸，是國家5A級旅游景區(qū)，南部與哈爾濱市區(qū)隔江相望，北部與松北新區(qū)依堤為鄰，東部至濱州鐵路橋，西部至陽明灘西端。面積38 km2，外圍保護(hù)地帶規(guī)劃控制面積為88 km2，是江漫灘濕地草原型風(fēng)景名勝區(qū)。筆者主要選取景區(qū)內(nèi)太陽瀑作為動態(tài)水域研究對象，太陽湖為靜態(tài)水域研究對象。太陽瀑占地面積約1.5 hm2，長132 m，高7 m。太陽湖是1980年挖出的人工湖，挖出的土一部分用于改造周圍環(huán)境，一部分就堆積成了太陽山，太陽湖面積58000 m2，南有水閣云天，東有聽雨長廊，近臨太陽山。

1.2 測量儀器的介紹

空氣負(fù)離子測量儀器選用COM-3200PRO，該儀器是采用日本JIS規(guī)范之同軸二重圓式原理所設(shè)計制造的，能測量空氣中正負(fù)離子的數(shù)量。儀器內(nèi)附充電電池，可用于戶外長時間的測量。該儀器可與PC相連，測量過程中每兩秒記錄一次數(shù)據(jù)，可以同時測量正離子、負(fù)離子、溫度、濕度。測定負(fù)離子濃度誤差≤±5%，離子遷移率誤差≤±5%，儀器離子濃度測量范圍為0～2×106ions/cm3，最高分解力為10 ions/cm3[17]。

1.3 測量內(nèi)容與方法

太陽瀑和太陽湖用于插值分析的樣本點，一般優(yōu)先選擇研究區(qū)域不同地物類型的輪廓點、幾何中心點、等分點以及類似瀑布落水處的標(biāo)志性地物點，記錄的內(nèi)容包括正負(fù)離子的濃度值以及溫濕度，測量時儀器的口向朝著湖面的中心，測量正負(fù)離子各5 min。用于空氣清潔度評價的數(shù)據(jù)主要是按不同景區(qū)進(jìn)行分類，并對景區(qū)按照分布均勻的原則采樣，記錄的內(nèi)容包括正負(fù)離子的濃度值以及溫濕度信息，儀器分別朝向東西南北4個方向記錄穩(wěn)定時的數(shù)值各1 min取均值。儀器架設(shè)的高度一般都為1.5 m，目的是與人的呼吸高度相仿，數(shù)據(jù)記錄的方式以機(jī)器讀數(shù)為主，人工讀數(shù)為輔。

1.4 數(shù)據(jù)來源及處理

試驗于2017年7月沿太陽瀑、太陽湖的輪廓邊緣進(jìn)行采樣測量，并結(jié)合近3年夏季太陽瀑和太陽湖的特征地物數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對近3年夏季太陽湖的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析與回歸擬合，并用太陽島內(nèi)太陽瀑、太陽湖、天鵝湖、濕地園的空氣負(fù)離子數(shù)據(jù)，進(jìn)行空氣清潔度等級的評價。應(yīng)用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，用SPSS進(jìn)行相關(guān)性檢測和曲線估計，用ArcGIS對影像進(jìn)行配準(zhǔn)、裁剪、空間插值及可視化表達(dá)等。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽瀑負(fù)離子濃度分布分析

為了探究瀑布區(qū)域空氣負(fù)離子的分布規(guī)律，對太陽島內(nèi)太陽瀑區(qū)域的空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行定點采樣，并借助反距離空間插值的手段，展示了樣本點的分布情況及區(qū)域內(nèi)負(fù)離子的變化趨勢如圖1，各點的描述見表1。從圖中可以看出在不考慮山體形態(tài)因素的情況下，負(fù)離子高濃度值主要集中于瀑布落水處，一定距離內(nèi)，負(fù)離子濃度由落水處隨著距離增加向外急劇減少，超過這段距離負(fù)離子濃度變化趨于平穩(wěn)。沿水體邊緣上的點（樣本點18、20、22）負(fù)離子濃度高于距水體一定距離人行道上（樣本點19、21）的負(fù)離子濃度值。不同落水處負(fù)離子濃度存在差異（樣本點10、12、14），很可能是受山體形狀造成的，因為山體的形狀呈現(xiàn)出“凸”字形，樣本點10和樣本點12、14分布于兩側(cè)，通常負(fù)離子產(chǎn)生后不會立刻消亡，而瀑布周圍的負(fù)離子，由于水體對空氣的淋洗作用，存活的時間會更長，樣本點12和14的距離相對較近，他們負(fù)離子的累計程度可能高于樣本點10。此外落水處空氣負(fù)離子的測量是在瀑布下方的廊洞中進(jìn)行的，洞口的高度、大小對負(fù)離子的測量結(jié)果有一定的影響。山的厚度和高度使原本距離瀑布較近的后山測量點（樣本點6、7、8、9）濃度明顯降低。

圖1 太陽瀑負(fù)離子濃度插值

表1 太陽瀑樣本點說明

2.2 太陽湖負(fù)離子濃度分布分析

在探究瀑布區(qū)域空氣負(fù)離子分布的基礎(chǔ)上，對太陽湖進(jìn)行環(huán)湖采樣測量，測量點分布情況見圖2，測量點說明情況見表2。將實測數(shù)據(jù)結(jié)合插值圖進(jìn)行分析總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：（1）湖邊緣的負(fù)離子濃度高于湖中心的負(fù)離子濃度，可能是湖邊緣區(qū)域水體與岸邊存在著較明顯的碰撞和摩擦，所以湖邊負(fù)離子濃度值略高于湖內(nèi)；（2）湖邊有植被覆蓋（樣本點1-7、12）的區(qū)域負(fù)離子濃度值高于無植被（樣本點10、11）區(qū)域。主要是植物的尖端放電和光電效應(yīng)造成的。以樣本點5、6、7為代表的區(qū)域有著較高較密的草本植物，相比無植被的臺階點10、11有著較明顯的差異。

圖2 太陽湖負(fù)離子濃度插值

2.3 太陽湖負(fù)離子濃度與溫濕度的曲線估計

關(guān)于空氣負(fù)離子與溫濕度的關(guān)系，不同學(xué)者有不同觀點，吳楚材[18]通過對南方有代表性的森林游憩區(qū)周圍空氣負(fù)離子的研究得出：空氣負(fù)離子濃度與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)，與空氣濕度呈正相關(guān)；邵海榮等[19]對不同地區(qū)空氣負(fù)離子濃度研究后得出：空氣負(fù)離子與溫度呈正相關(guān)，與濕度呈負(fù)相關(guān)；而王繼梅[20]的研究發(fā)現(xiàn)溫濕度的升高對空氣負(fù)離子的濃度都有提升。

表2 太陽湖樣本點說明

為探究湖水負(fù)離子濃度與溫濕度的關(guān)系，對近3年太陽湖的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子與濕度存在較強(qiáng)的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.715，并且通過了0.01的顯著性水平檢測。空氣負(fù)離子與溫度存在較強(qiáng)的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.548，并且通過了0.01的顯著性檢驗。進(jìn)一步探究湖泊空氣負(fù)離子濃度分別與溫濕度的關(guān)系，應(yīng)用SPSS對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線估計[21-23]，以負(fù)離子濃度為因變量，溫度為自變量，采用線性、二次多項式、對數(shù)、S曲線、指數(shù)函數(shù)多種方法進(jìn)行擬合比較結(jié)果如圖3。以負(fù)離子濃度為因變量，相對濕度為自變量，采用線性、二次多項式、對數(shù)、S曲線、指數(shù)函數(shù)多種方法進(jìn)行擬合比較，結(jié)果如圖4。經(jīng)統(tǒng)計可知以S曲線對溫度進(jìn)行擬合，可決系數(shù)R2最大為0.434，通過了0.01顯著性水平檢驗，見表3。以二次多項式對濕度進(jìn)行擬合，可決系數(shù)R2最大為0.564，亦通過了0.01顯著性水平檢驗，見表4。由此可得的湖邊空氣負(fù)離子與溫度的關(guān)系為y=e(8.635-56.030/T)，其中y為負(fù)離子濃度值，T為溫度。湖邊空氣負(fù)離子與濕度的關(guān)系為y=1074.522-34.908H+0.505H2，式中y為負(fù)離子濃度值，H為相對濕度。圖3中24℃以下的數(shù)據(jù)量較少，主要是因為陰天和晴天負(fù)離子濃度存在差異[15]，而筆者剔除的數(shù)據(jù)中，夏季24℃以下陰天的數(shù)據(jù)偏多。至于可決系數(shù)偏低，這可能是氣體自身的穩(wěn)定性及環(huán)境的復(fù)雜性造成的。

圖3 負(fù)離子濃度與溫度的曲線擬合

圖4 負(fù)離子濃度與濕度的曲線擬合

2.4 太陽島水域空氣清潔度等級評價

通常研究空氣負(fù)離子濃度基本觀測指數(shù)，常采用空氣質(zhì)量評價指數(shù)(CI)或森林空氣離子評價指數(shù)(FCI)作為指標(biāo)，筆者采用單極系數(shù)(q)和空氣質(zhì)量評價指數(shù)(CI)進(jìn)行評價，計算公式如(1)～(2)所示[4]。

式中：n-為負(fù)離子濃度（個/cm3）；n+為正離子濃度（個/cm3）；q為單極系數(shù)；1000為對人體能產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的最低負(fù)離子濃度；CI為空氣質(zhì)量評價指數(shù)。根據(jù)安培空氣清潔成度劃分的5個等級[17]，見表5，結(jié)合所求得的空氣質(zhì)量評價指數(shù)便可獲得對應(yīng)的評價等級。

以太陽島內(nèi)太陽瀑、太陽湖、天鵝湖與濕地園為研究對象，選取景區(qū)內(nèi)水體的正離子與負(fù)離子的濃度值，計算單極系數(shù)(q)與空氣質(zhì)量評價指數(shù)CI值，對以上4個區(qū)域的空氣清潔度等級進(jìn)行評價結(jié)果見表6。通過分析可以得出：太陽瀑洞口的CI值最大為260.42，空氣清潔度為A級，達(dá)到了最清潔的標(biāo)準(zhǔn)，太陽瀑的CI值遠(yuǎn)大于其他3個區(qū)域的CI值，是因為高速運(yùn)動的水滴破碎產(chǎn)生大量電子，大量的電子被周圍的空氣捕獲成為負(fù)離子，同時水在噴濺時對周圍空氣起到淋洗清潔的作用，減少了空氣中的雜質(zhì)含量，延長了空氣負(fù)離子的存活時間，使得瀑布負(fù)離子濃度遠(yuǎn)大于靜態(tài)水體負(fù)離子濃度。通過計算濕地園的CI值為1.16，天鵝湖的CI值為1.14，空氣清潔度均為A級，達(dá)到了最清潔的標(biāo)準(zhǔn)。太陽湖的CI值為0.88大于0.7，空氣清潔度為B級，達(dá)到了一般清潔的標(biāo)準(zhǔn)。天鵝湖和濕地園的CI值高于太陽湖的CI值，主要的原因可能是天鵝湖和濕地園樣點的植被更緊密，因為對靜態(tài)水的采樣主要是沿水體邊緣進(jìn)行的，而太陽湖有一部分區(qū)域植被稀少，對濃度的整體均值產(chǎn)生了一定的影響。

表3 負(fù)離子濃度與溫度的曲線擬合

表4 負(fù)離子濃度與相對濕度的曲線擬合

表5 空氣清潔成度分級評價標(biāo)準(zhǔn)

表6 太陽島水域空氣清潔度評價

3 結(jié)論與討論

通過對太陽瀑、太陽湖的采樣調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)瀑布的負(fù)離子濃度值遠(yuǎn)大于湖水的負(fù)離子濃度，與王薇等學(xué)者的結(jié)論一致，主要原因是基于勒納德效應(yīng)瀑布負(fù)離子的產(chǎn)量大于湖水負(fù)離子的產(chǎn)量，且水在噴濺時對周圍空氣起到淋洗清潔的作用，為負(fù)離子提供了良好的生存環(huán)境，使其不會立刻消亡。在不考慮山體地形及不同落水點的相互影響下，瀑布負(fù)離子濃度一般從落水點向外隨距離增加急劇下降，一段距離之后負(fù)離子濃度的變化趨于平穩(wěn)。對太陽湖的采樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)湖的邊緣區(qū)域負(fù)離子濃度值略高于湖中心處的負(fù)離子濃度值，一方面湖邊緣的水體與岸邊存在著摩擦碰撞，對負(fù)離子濃度有一定影響，另一方面湖的邊緣更易受到周邊環(huán)境的影響，如植被狀況和風(fēng)力對負(fù)離子的遷移作用，使湖邊負(fù)離子濃度較高于湖內(nèi)。湖水邊緣有植被的區(qū)域負(fù)離子濃度值一般大于無植被的區(qū)域。

對太陽湖的負(fù)離子濃度分別與溫濕度的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域的負(fù)離子濃度與溫濕度均存在著較強(qiáng)的正相關(guān)，與王繼梅的研究結(jié)論相同，與吳楚材和邵海榮所得出的結(jié)論不同，這可能是由于不同研究區(qū)環(huán)境狀況存在差異造成的。應(yīng)用SPSS對空氣負(fù)離子分別與溫濕度進(jìn)行曲線估計，以不同的函數(shù)模型對散點進(jìn)行擬合，挑選擬合度高的曲線類型進(jìn)行表達(dá)，并通過了顯著性水平為0.01的顯著性檢驗，具有統(tǒng)計學(xué)意義，但由于氣體的穩(wěn)定性相對較差，以及環(huán)境的復(fù)雜性擬合的可決系數(shù)不高。

對太陽島景區(qū)內(nèi)太陽瀑、太陽湖、天鵝湖與濕地園進(jìn)行了空氣清潔度等級的評價，通過計算空氣質(zhì)量評價系數(shù)CI值，發(fā)現(xiàn)太陽瀑、天鵝湖與濕地園的空氣清潔度等級均為A級，達(dá)到了最清潔的標(biāo)準(zhǔn)，其中以太陽瀑的CI值最大為260.42，太陽湖的CI值為0.88，空氣清潔度等級為B級，達(dá)到了一般清潔的標(biāo)準(zhǔn)。

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Analysis and Evaluation of Negative Air Ions Concentration in Sun Island Scenic Spot

Yu Zexi1,2,Shan Shengye1,2,Zhang Dongyou1,2
(1Key Laboratory of Remote Sensing and Monitoring of Geographical Environment of Heilongjiang Province/Harbin Normal University,Harbin 150025,Heilongjiang,China;2School of Geography Science,Harbin Normal University,Harbin 150025,Heilongjiang,China)

Taking negative air ions concentration of waters in Sun Island scenic area as the object,we studied the distribution of negative air ions near different kinds of waters and the relationship of negative air ions concentration with temperature and humidity,and evaluated the air cleanliness of the water area.Interpolation analysis of Sun Waterfall and Sun Lake was conducted by ArcGIS,correlation test and curve fitting of negative air ions concentration in Sun Lake with temperature and humidity were studied by SPSS.The air quality was evaluated by Ampere air quality assessment index.The results showed that the air cleanliness level of Sun Waterfall,Swan Lake and Wetland Garden was Grade A,and that of Sun Lake was Grade B.It was found that the negative air ions concentration was positively correlated with temperature and humidity.The results of curve fitting showed that S curve was more suitable to describe the relationship between the negative air ion concentration and the temperature,the quadratic polynomial was more suitable to describe the relationship between the negative air ion concentration and the humidity.The air cleanliness evaluation result showed that:air quality of Sun Waterfall,Swan Lake and Wetland Garden reached the cleanest standard,that of Sun Lake reached the standard of general cleaning.

Negative Air Ions;Spatial Interpolation;Curve Estimation;Air Cleanliness;Grade Evaluation

S716.1

A論文編號：cjas17080022

國家自然科學(xué)基金項目“森林空氣負(fù)離子產(chǎn)生機(jī)制及其生態(tài)效應(yīng)研究”(41171412)；黑龍江省自然科學(xué)基金項目“大興安嶺寒溫帶森林空氣負(fù)離子時空分布與評價”(D201303)；哈爾濱師范大學(xué)博士后項目“大興安嶺森林空氣負(fù)離子生態(tài)效應(yīng)研究”(13RBHZ03)。

于澤西，男，1992年出生，遼寧鳳城人，在讀碩士，主要從事GIS與生態(tài)環(huán)境研究。通信地址：150025黑龍江省哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，E-mail：2601146009@qq.com。

張冬有，男，1973年出生，河北清苑人，教授，博士，主要從事3S技術(shù)與森林生態(tài)。通信地址：150025黑龍江省哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，Tel：0451-88060578，E-mail：zhangdy@163.com。

2017-08-23，

2017-11-02。