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    濕地環(huán)境中負(fù)(氧)離子研究概述

    2018-03-19 00:27:33朱怡諾崔麗娟
    山東林業(yè)科技 2018年3期
    關(guān)鍵詞:負(fù)氧離子負(fù)離子空氣

    朱怡諾 ,崔麗娟 *,李 偉

    (1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所,北京 100091;2.濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091;3.北京漢石橋濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,北京 101399)

    近年來(lái),人們愈加注重空氣質(zhì)量的健康防護(hù),被譽(yù)為“空氣維生素”的負(fù)氧離子在空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)中被經(jīng)常提及,逐漸被大家所關(guān)注。同時(shí),生態(tài)旅游行業(yè)的發(fā)達(dá)也使得健康的濕地環(huán)境越來(lái)越受到公眾的歡迎??諝庳?fù)(氧)離子作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)服務(wù)產(chǎn)品之一,也成為各級(jí)政府和公眾關(guān)注的熱點(diǎn),開展?jié)竦丨h(huán)境中負(fù)(氧)離子的監(jiān)測(cè)研究,對(duì)增強(qiáng)人們對(duì)濕地生態(tài)質(zhì)量的認(rèn)識(shí),完善我國(guó)當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)的相關(guān)指標(biāo)及體系等具有十分重大的意義。

    1 基本概念

    大氣分子或原子通過化學(xué)反應(yīng)和物理變化的綜合作用產(chǎn)生空氣負(fù)離子。在正常情況下,氣體分子及原子內(nèi)的正負(fù)電荷相等,但在宇宙射線、電磁波、巖石和土壤的射線等外界電離源以及各類氣象活動(dòng)等外力作用下,大氣中的某些氣體分子和原子失去外層電子,成為自由電子,游離的自由電子又會(huì)與其他中性分子相結(jié)合,使這些氣體分子帶負(fù)電荷,被稱為“空氣負(fù)離子”(王薇和余莊,2013)。這些中性分子對(duì)于自由電子的吸附能力不同,氧氣分子更具親電性,空氣電離產(chǎn)生的自由電子大部分被氧氣分子獲得,形成小的負(fù)氧離子團(tuán),這就是通常所說(shuō)的“負(fù)氧離子”(邵海榮等,2000)。負(fù)氧離子屬于負(fù)離子的一種,但在目前負(fù)氧離子相關(guān)研究中,并沒有區(qū)分出負(fù)離子與負(fù)氧離子,相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(LYT 2586-2016)將帶有負(fù)電荷的單個(gè)的氣體分子及輕離子團(tuán)進(jìn)行定義,統(tǒng)稱為負(fù)(氧)離子。

    2 濕地環(huán)境中負(fù)(氧)離子產(chǎn)生機(jī)理

    關(guān)于自然界中負(fù)(氧)離子的產(chǎn)生有眾多研究,但在濕地環(huán)境中空氣負(fù)(氧)離子的產(chǎn)生主要有以下機(jī)理:

    (1)植物效應(yīng):濕地植物可進(jìn)行光合作用,形成光電效應(yīng),從而使空氣電離而產(chǎn)生負(fù)離子;許多植物的莖、皮、葉等器官或組織分化成針狀結(jié)構(gòu),發(fā)生“尖端放電”作用為誘導(dǎo)產(chǎn)生負(fù)(氧)離子(彭輝武等,2013)。此外,一些植物所分泌出的萜烯類和芳香類物質(zhì)能促使空氣電離產(chǎn)生豐富的負(fù)(氧)離子(王薇和余莊,2013)。

    (2)Lenard效應(yīng):濕地環(huán)境中暴雨、瀑布的沖擊等使水分子發(fā)生碰撞破裂失去電子,而周圍空氣中的氧分子捕獲這些電子而成為負(fù)(氧)離子(邵海榮等,2005)。一般來(lái)說(shuō),水流速越大,Lenard效應(yīng)越強(qiáng)(厲曙光等,2000;王薇,2014)。

    (3)放射性物質(zhì)誘導(dǎo):大氣中的氧分子受太陽(yáng)紫外線、宇宙射線和土壤中放射性元素物質(zhì)等因素誘導(dǎo)發(fā)生電離,生成負(fù) (氧)離子 (王薇和余莊,2013)。一般來(lái)說(shuō),湖泊、沼澤等濕地類型受太陽(yáng)輻射直接影響程度較大(單晟燁,2016)。

    (4)其他:閃電、雷暴、雪暴、風(fēng)暴以及其他形式的放電現(xiàn)象以及雨水的分解等都能在空氣中誘發(fā)負(fù)離子,從而增加空氣負(fù)(氧)離子的濃度(胡國(guó)長(zhǎng),2008)。

    3 負(fù)(氧)離子觀測(cè)技術(shù)

    目前,國(guó)家林業(yè)局針對(duì)負(fù)(氧)離子的濃度監(jiān)測(cè)發(fā)布了《空氣負(fù)(氧)離子濃度觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》、《空氣負(fù)(氧)離子濃度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)技術(shù)規(guī)范》等林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),《空氣離子測(cè)量?jī)x通用規(guī)范》也對(duì)濕地環(huán)境中空氣負(fù)(氧)離子濃度監(jiān)測(cè)設(shè)備、方法等有了指導(dǎo)作用。

    3.1 觀測(cè)設(shè)備

    空氣負(fù)(氧)離子設(shè)備需執(zhí)行《大氣負(fù)離子自動(dòng)觀測(cè)儀功能規(guī)格需求書(第2版)》(氣測(cè)函[2016]19號(hào))標(biāo)準(zhǔn)。濕地環(huán)境中負(fù)(氧)離子觀測(cè)設(shè)備可分為固定式和移動(dòng)式。固定式監(jiān)測(cè)設(shè)備可常年固定安裝在需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的場(chǎng)地,全天24h持續(xù)地自動(dòng)采集空氣負(fù)(氧)離子濃度數(shù)據(jù);移動(dòng)式監(jiān)測(cè)設(shè)備在監(jiān)測(cè)場(chǎng)內(nèi)由人工操作,監(jiān)測(cè)完畢帶回室內(nèi)保管。國(guó)家林業(yè)局在2016年發(fā)布了以固定監(jiān)測(cè)為主要監(jiān)測(cè)設(shè)備的《空氣負(fù)(氧)離子濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

    空氣負(fù)離子的濃度表示為:1cm3空氣中所含有的負(fù)離子的數(shù)量,單位為“cm-3”。國(guó)內(nèi)景區(qū)內(nèi)空氣負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)使用的儀器種類繁多,主要包括日本生產(chǎn)的KEC系列負(fù)(氧)離子測(cè)試儀,美國(guó)的AIC系列負(fù)離子檢測(cè)儀,目前國(guó)產(chǎn)負(fù)氧離子監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)用逐漸增多,主要有DLY系列、EP系列大氣離子測(cè)量?jī)x等(王薇等,2013)。測(cè)定原理是空氣通過吸氣機(jī),均勻穿過離子收集器,此時(shí)對(duì)離子收集器的極化板施加一定的電壓,從而形成電場(chǎng),使得空氣負(fù)離子在電場(chǎng)力的作用下偏向收集板并撞擊,從而產(chǎn)生放電效應(yīng)形成電流,再通過電流檢測(cè)電路檢測(cè)該電流,再換算出負(fù)(氧)離子濃度(周慧萍,2016)。

    3.2 觀測(cè)方法

    一般來(lái)說(shuō),負(fù)(氧)離子的監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)該置于距離地面的垂直高度為1.4m的位置,大體與成年人在標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)下的呼吸高度相同。固定式負(fù)(氧)離子濃度監(jiān)測(cè)設(shè)備觀測(cè)采集頻率以1條數(shù)據(jù)組/min計(jì),全天24h連續(xù)自動(dòng)采集。對(duì)于便攜式設(shè)備,目前大多數(shù)研究學(xué)者常規(guī)采用統(tǒng)一觀測(cè)點(diǎn)的不同方位,即每個(gè)測(cè)量點(diǎn)選取2-4的方向,每個(gè)方向讀取3-5個(gè)峰值并記錄,分析其平均值(邵海榮等,2005;關(guān)蓓蓓,2015;單晟燁,2016)。

    4 濕地環(huán)境中負(fù)(氧)離子濃度影響因素

    濕地的類型較多,植被與水體的面積十分廣泛。通過歸納濕地環(huán)境中負(fù)(氧)離子的產(chǎn)生機(jī)理,分析濕地環(huán)境中負(fù)(氧)離子的濃度受植被、水體特征、氣象要素、環(huán)境因子等因素影響。

    4.1 植被

    有研究表明,生物多樣性與空氣負(fù)離子濃度呈正相關(guān)。組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的植物群落比單層結(jié)構(gòu)植物群落能產(chǎn)生更多的負(fù)(氧)離子(吳志萍等,2007)。此外,光照強(qiáng)度的不同,植物光合作用強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生改變,從而對(duì)周邊空氣負(fù)離子濃度產(chǎn)生影響(Wang et al,2009)。在濕地環(huán)境中,植物是產(chǎn)生負(fù)(氧)離子的重要因素之一。但若濕地植物生長(zhǎng)密度過高,導(dǎo)致區(qū)域環(huán)境內(nèi)與周邊區(qū)域間的空氣流通性較差,空氣負(fù)離子遷移率較低,也造成濕地環(huán)境產(chǎn)生和積累空氣負(fù)離子的作用較弱(單晟燁等,2015)。

    4.2 水體特征

    環(huán)境中有無(wú)水體對(duì)空氣負(fù)(氧)離子濃度影響顯著(季玉凱,2007)。由于水體的蒸發(fā)效應(yīng),容易形成相對(duì)濕度比較高的微環(huán)境,于是水分子容易將懸浮的顆粒物進(jìn)行包裹,并使其下墜,因此,空氣中的負(fù)離子得以存活更長(zhǎng)的時(shí)間,并積累更多的數(shù)量。在濕地環(huán)境中,水體狀態(tài)、水域面積、水域距離等因素對(duì)負(fù)(氧)離子濃度有一定影響。

    不同水體形態(tài)的空氣負(fù)(氧)離子濃度不同,單晟燁等(2016)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在河流、湖泊濕地等水域環(huán)境中,Lenard效應(yīng)比較強(qiáng)的水岸地帶是空氣負(fù)氧離子分布的主要區(qū)域;對(duì)于湖泊、沼澤等靜態(tài)水體區(qū)域中的空氣負(fù)離子,其分布差異不甚顯著,而瀑布、河流等動(dòng)態(tài)水體區(qū)域中,空氣負(fù)離子的分布呈現(xiàn)著十分顯著的差異性。瀑布、跌水等動(dòng)態(tài)水體環(huán)境的產(chǎn)生的負(fù)離子明顯多于湖泊等靜態(tài)環(huán)境,流水速度對(duì)江河、溪流產(chǎn)生負(fù)離子的效率也有一定的影響(張兵等,2016;季玉凱,2007)。

    距離水體的遠(yuǎn)近也會(huì)對(duì)濕地負(fù)離子濃度產(chǎn)生較大的影響,濕地對(duì)城市局部環(huán)境具有明顯的增加負(fù)(氧)離子濃度的作用,且距離濕地越近,負(fù)(氧)離子濃度增加越明顯(崔麗娟等,2015)。也有研究表明,水域面積的大小與空氣負(fù)離子濃度呈正相關(guān)(吳楚材等,2001;季玉凱,2007;關(guān)蓓蓓,2015)。

    4.3 氣象因子

    氣象要素表示為某空間位置在特定的時(shí)間氣候情況下的大氣變量或現(xiàn)象,如溫、壓、濕、風(fēng)、降水、雷電,目前對(duì)于氣象因子與空氣負(fù)(氧)離子濃度相關(guān)性的研究比較多,但結(jié)論并不統(tǒng)一。

    4.3.1 溫濕度

    多數(shù)學(xué)者認(rèn)為空氣負(fù)(氧)離子濃度與空氣溫度呈顯著負(fù)相關(guān),與空氣濕度呈顯著正相關(guān)(吳楚材等,2001;張雙全等,2011;吳作明等,2011)。 也有人截然不同的意見,認(rèn)為空氣負(fù)離子濃度與土壤、空氣溫度呈正相關(guān),與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)(邵海榮等,2000;葉彩華等,2000)。季玉凱(2007)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在一定的范圍內(nèi),空氣的溫濕度越大,空氣負(fù)(氧)離子的濃度也會(huì)隨之越來(lái)越大,在溫濕兩方面同時(shí)產(chǎn)生變化的情況下,空氣中負(fù)(氧)離子的變化率也會(huì)增加。也有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同季節(jié)負(fù)(氧)離子濃度與溫濕度相關(guān)性也會(huì)發(fā)生改變(Laakso L,2003),但變化并不明確(韋朝領(lǐng)等,2006;王薇等,2013;單晟燁,2016)。 這可能是受到研究樣地的差異,樣地所在地的氣象條件不同等原因所導(dǎo)致的,也有待于進(jìn)一步的研究。

    4.3.2 風(fēng)速

    對(duì)于風(fēng)的流速與空氣負(fù)(氧)離子濃度的關(guān)聯(lián)性同樣存在不同觀點(diǎn)。相關(guān)研究表明,不同濕地類型中,風(fēng)速和空氣負(fù)(氧)離子的濃度的相關(guān)性也存在不同。單晟燁(2016)對(duì)湖泊、沼澤、河流、瀑布等環(huán)境中的負(fù)(氧)離子進(jìn)行相關(guān)性研究分析,沼澤和河流環(huán)境中,風(fēng)的流速與負(fù)(氧)離子的濃度變化呈現(xiàn)為極其明顯的正向相關(guān)性,而湖泊環(huán)境中,負(fù)(氧)離子濃度則與風(fēng)的流速形成負(fù)向關(guān)聯(lián),瀑布中風(fēng)速與空氣負(fù)(氧)離子沒有明顯的關(guān)聯(lián)性。厲曙光等(2000)對(duì)噴泉附近的負(fù)(氧)離子同局部氣象之間進(jìn)行分析結(jié)果表明,風(fēng)速同負(fù)離子濃度有弱相關(guān)性。也有學(xué)者認(rèn)為負(fù)(氧)離子濃度和風(fēng)速?zèng)]有相關(guān)性(夏玲搖等,2017;黃世成等,2012)。 大部分學(xué)者認(rèn)為風(fēng)速對(duì)空氣離子的影響機(jī)制比較復(fù)雜(張志永等,2014;金琪等,2015)。

    4.3.3 降水

    之前學(xué)者的研究大多表示,降水情況與空氣負(fù)離子的濃度變化有著明顯的關(guān)聯(lián)。不同天氣情況下空氣負(fù)離子濃度水平依次為雨天高于晴天高于陰天 (徐猛等,2008;張寶貴等,2009;李吉玫等,2013)。駱世娟等(2011)對(duì)艾溪湖濕地公園進(jìn)行負(fù)(氧)離子濃度檢測(cè),結(jié)果顯示降水量跟負(fù)離子含量成正比態(tài)勢(shì)。趙艷佩(2014)認(rèn)為在剛剛降雨結(jié)束之后的一段時(shí)間里,空氣負(fù)離子濃度比晴空萬(wàn)里和陰云密布的天氣都明顯要高。

    4.3.4 雷電

    有研究學(xué)者監(jiān)測(cè)到雷雨過后空氣負(fù)離子濃度的增幅明顯,負(fù)(氧)離子濃度與雷電活動(dòng)正相關(guān)(黃文鑫,2009;曹建新等,2017)。 這是因?yàn)槔纂娪兄婋x作用,而空氣負(fù)離子可以由電離作用進(jìn)行大量的產(chǎn)生,在相對(duì)較短的時(shí)間里,其產(chǎn)生的空氣負(fù)(氧)離子量要遠(yuǎn)大于降雨過程中所產(chǎn)生的量。

    4.4 空氣污染物

    空氣負(fù)離子濃度與環(huán)境污染程度相關(guān)性研究較多。空氣中懸浮物顆粒、溫室氣體濃度以及其他大氣污染物濃度均與負(fù)離子濃度呈顯著的負(fù)相關(guān)(V.S.Sawant et al,2010; 金琪,2015)。 張寶貴等(2009)對(duì)北戴河濕地負(fù)(氧)離子分布規(guī)律進(jìn)行研究,認(rèn)為負(fù)(氧)離子的濃度與該區(qū)域里PM10的濃度有著負(fù)相的關(guān)聯(lián)性,同一空間內(nèi),PM10的濃度若比較高,則負(fù)(氧)離子的濃度就會(huì)比較低;施巍峰(2014)對(duì)崇明島濕地公園進(jìn)行負(fù)(氧)離子的檢測(cè),其結(jié)果表明負(fù)(氧)離子的濃度和大氣的污染程度呈反比,超量的人類生活生產(chǎn)活動(dòng)及汽車尾氣使得大氣環(huán)境中顆粒懸浮物及CO2的增加,這些污染物的吸附負(fù)作用會(huì)導(dǎo)致負(fù)氧離子濃度的下降。

    5 問題與展望

    5.1 存在問題

    空氣負(fù)(氧)離子所具有的醫(yī)療保健作用被廣泛關(guān)注,不同環(huán)境中空氣負(fù)(氧)離子的相關(guān)研究逐漸增多,大部分研究主要側(cè)重于不同地點(diǎn) (水體、森林、城市等)的時(shí)空分布規(guī)律及其影響因素。人們認(rèn)識(shí)到空氣負(fù)(氧)離子影響著森林環(huán)境,并且對(duì)城市化過程導(dǎo)致的城市氣體條件及生態(tài)環(huán)境等的消極影響進(jìn)行著有效改善,但是針對(duì)于濕地環(huán)境中的空氣負(fù)(氧)離子的相關(guān)研究還處于比較不足的狀態(tài)。

    目前,濕地環(huán)境中空氣負(fù)(氧)離子測(cè)試方法沒有統(tǒng)一的規(guī)范,濕地環(huán)境較為復(fù)雜,影響空氣中負(fù)(氧)離子濃度的因素眾多,目前的檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備尚無(wú)法定量區(qū)分不同來(lái)源或途徑的空氣負(fù)(氧)離子比例。植物作為產(chǎn)生空氣負(fù)(氧)離子的重要要素,目前并沒有相關(guān)研究從機(jī)理上定量揭示濕地植被對(duì)濕地環(huán)境中空氣負(fù)(氧)離子的貢獻(xiàn)。

    5.2 展望

    空氣負(fù)(氧)離子測(cè)量?jī)x器較靈敏,數(shù)值變化較大不穩(wěn)定,要進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有空氣負(fù)(氧)離子測(cè)量?jī)x器,使其可以在各類的旅游條件之下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著生態(tài)旅游業(yè)的發(fā)展,濕地環(huán)境愈加受到人們的喜愛和歡迎。在濕地環(huán)境中利用空氣負(fù)(氧)離子的分布特點(diǎn)和影響因素等方面開展觀測(cè)研究,重點(diǎn)在于從光合生理過程方面,定量研究濕地中植物的光合作用的強(qiáng)度對(duì)空氣負(fù)(氧)離子濃度所產(chǎn)生的貢獻(xiàn);研究濕地環(huán)境中空氣(負(fù))氧離子的運(yùn)動(dòng)特征、發(fā)生機(jī)制以及與空氣質(zhì)量的關(guān)系,從而為綜合評(píng)價(jià)濕地生態(tài)環(huán)境狀況提供客觀依據(jù),并為今后的濕地規(guī)劃和環(huán)境的治理與保護(hù)提供科學(xué)理性的依據(jù)和規(guī)劃思路。

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