齊齊哈爾市城市森林空氣負(fù)離子濃度變化規(guī)律1)

李彥 李峰 肖楠

(中國(guó)林學(xué)會(huì)，北京，100091) (黑龍江省森林與環(huán)境科學(xué)研究院)

空氣分子是由原子組成的，原子是由原子核和電子組成的。原子核帶正電荷，電子帶負(fù)電荷。當(dāng)正電荷和負(fù)電荷數(shù)量相等時(shí)，空氣分子和原子呈電中性。當(dāng)空氣分子受到外界條件如電離劑的作用后，獲得足夠的能量，而使原子核外圍的價(jià)電子之一脫離原子核的束縛躍出軌道變成自由電子，使失去電子的中性分子或原子變成帶正電荷的離子，中性分子或原子捕獲逃逸出來的自由電子時(shí)，則變成帶負(fù)電荷的離子[1-3]。這一形成帶電荷的正負(fù)離子的過程稱為空氣離子化[4]?？諝庳?fù)離子是帶負(fù)電荷的單個(gè)氣體分子和輕離子團(tuán)的總稱[5]?？諝庳?fù)離子具有殺菌、降塵、清潔空氣、提高免疫力、調(diào)節(jié)機(jī)能平衡的功效，因而被譽(yù)為“空氣維生素和生長(zhǎng)素”[6]。自然條件下，空氣負(fù)離子的產(chǎn)生受到諸多因素的影響，主要包括：一是大氣分子受放射性物質(zhì)、宇宙射線和紫外線的影響發(fā)生電離，產(chǎn)生空氣負(fù)離子。二是植物樹冠葉片的尖端放電以及光合作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)，促使空氣電離產(chǎn)生空氣負(fù)離子；植物越豐富，光合作用總量越大，空氣中的負(fù)離子越多。三是土壤內(nèi)的空氣與土壤外的空氣交換可以增加空氣負(fù)離子[7-10]。四是水的勒納德效應(yīng)，瀑布的沖擊、溪流的跌水、海浪的推卷及暴雨的跌落等自然過程中，水自上而下，在重力的作用下高速運(yùn)動(dòng)，使水分子裂解，產(chǎn)生大量空氣負(fù)離子[11]。楊建松等[12]對(duì)不同植物配植環(huán)境進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其負(fù)離子濃度由大到小的排序?yàn)殚熑~林、混交林、草地、灌叢。此外，樹齡、郁閉度、樹高等也會(huì)對(duì)空氣負(fù)離子濃度產(chǎn)生影響[13]。

齊齊哈爾市是黑龍江省第二大城市，目前的天藍(lán)水清，生態(tài)環(huán)境良好，與城市綠化、城市森林建設(shè)密不可分。筆者對(duì)齊齊哈爾市城市森林負(fù)離子濃度進(jìn)行觀測(cè)研究，探索城市森林空氣負(fù)離子濃度分布規(guī)律，旨在為科學(xué)指導(dǎo)城市規(guī)劃、植物配置以及合理開發(fā)和充分利用自然環(huán)境中的空氣負(fù)離子濃度改善人居環(huán)境的空氣質(zhì)量提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

齊齊哈爾地處東北松嫩平原，地理位置123°～126°E、45°～48°N，位于位于黑、吉、蒙三省區(qū)交匯處。齊齊哈爾市地域平坦，平均海拔146 m，東部和南部地勢(shì)低洼。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。四季分明，春季干旱多風(fēng)、夏季炎熱多雨、秋季暫短霜早、冬季干冷漫長(zhǎng)。年降水量415 mm，年均溫3.2 ℃，1月均溫-25.7 ℃，7月均溫22.8 ℃。齊齊哈爾南部屬溫暖干旱農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，中部屬溫和半干旱農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，北部屬溫涼半濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)。

進(jìn)行負(fù)離子濃度觀測(cè)研究的區(qū)域包括黑龍江省森林與環(huán)境科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)示范基地(簡(jiǎn)稱林研基地)、齊齊哈爾市龍沙公園、齊齊哈爾市嫩江公園、齊齊哈爾市政府廣場(chǎng)、齊齊哈爾市圖書館廣場(chǎng)、齊齊哈爾大學(xué)勞動(dòng)湖景區(qū)(簡(jiǎn)稱齊大景區(qū))6個(gè)觀測(cè)區(qū)。進(jìn)行負(fù)離子濃度觀測(cè)研究的固定觀測(cè)區(qū)共計(jì)設(shè)置6個(gè)，包括16種林分類型。

林研基地觀測(cè)區(qū)：位于齊齊哈爾市富拉爾基區(qū)，觀測(cè)的林分類型包括銀中楊(Populus×yinzhong)、山新楊(Populusdavidiana×P.bolleana)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、興安落葉松(Larixgmelini)、五角槭(Acermono)5種實(shí)驗(yàn)林。銀中楊林分，平均樹高20.0 m、平均胸徑32.0 cm、郁閉度0.8；山新楊林分，平均樹高5.7 m、平均胸徑5.1 cm、郁閉度0.7；樟子松林分，平均樹高13.0 m、平均胸徑20.0 cm、郁閉度0.8；興安落葉松林分，平均樹高22.0 m、平均胸徑23.0 cm、郁閉度0.8；五角槭林分，平均樹高17.0 m、平均胸徑33.0 cm、郁閉度0.7。

齊齊哈爾市龍沙公園觀測(cè)區(qū)：觀測(cè)的林分類型包括家榆(Ulmuspumila)、中東楊(PopulusberolinensisDippel)、旱柳(Salixmatsudana)等3種景點(diǎn)綠化林。家榆林分，平均樹高15.7 m、平均胸徑30.0 cm、郁閉度0.7；中東楊林分，平均樹高28.0 m、平均胸徑53.0 cm、郁閉度0.6；旱柳林分，平均樹高25.0 m、平均胸徑62.0 cm、郁閉度0.7。

齊齊哈爾市嫩江公園觀測(cè)區(qū)：觀測(cè)的林分類型包括榆葉梅(Prunustriloba)、丁香(Syringaoblata)、忍冬(Loniceramaakii)灌木綠化林3種林分類型。榆葉梅林分，平均樹高2.8 m、平均地徑3.5 cm、郁閉度0.8；丁香林分，平均樹高4.5 m、平均地徑4.5 cm、郁閉度0.9；忍冬林分，平均樹高3.5 m、平均地徑4.8 cm、郁閉度0.6。

齊齊哈爾市政府廣場(chǎng)觀測(cè)區(qū)：觀測(cè)的林分類型包括云杉(Piceajezoensis)及草坪，云杉的平均樹高2.5 m、平均胸徑4.0 cm、郁閉度0.7。

齊齊哈爾市圖書館觀測(cè)區(qū)：觀測(cè)的林分類型包括云杉及丁香混交林帶。云杉平均樹高5.0 m、平均胸徑19.5 cm、郁閉度0.7；丁香平均樹高1.3 m、平均地徑2.0 cm、郁閉度0.7。

齊大景區(qū)：觀測(cè)的林分類型包括垂柳(Salixbabylonica)與山梅花(Philadelphusschrenkii)混交林帶。垂柳平均樹高12.0 m、平均胸徑18.0 cm、郁閉度0.8；山梅花平均樹高1.7 m、平均地徑2.0 cm、郁閉度0.8。

2 儀器與方法

觀測(cè)儀器為日本產(chǎn)KEC-900型負(fù)離子測(cè)試儀。

固定觀測(cè)點(diǎn)選取：齊齊哈爾市6個(gè)觀測(cè)區(qū)，共計(jì)16種林分類型，在每個(gè)林分類型內(nèi)選擇1個(gè)固定觀測(cè)點(diǎn)。

觀測(cè)時(shí)間與數(shù)據(jù)選?。?015—2017年的5—10月份，每月中旬選取無風(fēng)晴朗的一天進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為早06:00至晚18:00。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置2臺(tái)儀器進(jìn)行同時(shí)觀測(cè)，每臺(tái)儀器固定在1.5 m高的三腳架上，儀器放置在距離林緣20 m左右處。每隔2 h觀測(cè)1次；每次觀測(cè)時(shí)，讀取15個(gè)負(fù)離子濃度及15個(gè)正離子數(shù)據(jù)記錄，以15個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為此次觀測(cè)的數(shù)據(jù)。以林研基地觀測(cè)點(diǎn)地為例，每天觀測(cè)7次，每次獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)30個(gè)，6種林分類型、2臺(tái)儀器觀測(cè)，共計(jì)2 520個(gè)有效數(shù)據(jù)。5—10月份，全年共觀測(cè)6次，共獲得有效數(shù)據(jù)15 120個(gè)。進(jìn)行連續(xù)3 a觀測(cè)的觀測(cè)點(diǎn)有林研基地、龍沙公園、嫩江公園、齊大景區(qū)、市政府廣場(chǎng)、市圖書館廣場(chǎng)，3 a累計(jì)觀測(cè)負(fù)離子濃度、正離子濃度18萬個(gè)有效數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市森林負(fù)離子濃度日變化規(guī)律

將3 a的觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制成負(fù)離子濃度變化曲線(見圖1～圖6)。

由圖1可見(5月份)：6種不同綠地類型的觀測(cè)區(qū)，空氣負(fù)離子濃度在一天中都出現(xiàn)了波峰、波谷交替的現(xiàn)象，但出現(xiàn)的時(shí)間存在一定的差異性。龍沙公園空氣負(fù)離子濃度日變化出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別為上午06:00(850個(gè)/cm3)和下午18:00(740個(gè)/cm3)，龍沙公園空氣負(fù)離子濃度最低值出現(xiàn)在上午08:00點(diǎn)(490個(gè)/cm3)和下午16:00(600個(gè)/cm3)。嫩江公園空氣負(fù)離子濃度日變化出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別為上午08:00(740個(gè)/cm3)和下午14:00(770個(gè)/cm3)，是非常典型的標(biāo)準(zhǔn)雙峰曲線；嫩江公園空氣負(fù)離子濃度的最低值出現(xiàn)在一天當(dāng)中的上午06:00(510個(gè)/cm3)和下午18:00(510個(gè)/cm3)。林研基地空氣負(fù)離子濃度日變化出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別為上午06:00(990個(gè)/cm3)和下午18:00(910個(gè)/cm3)，林研基地負(fù)離子濃度最低值出現(xiàn)在上午10:00(520個(gè)/cm3)和中午12:00(680個(gè)/cm3)。市政府廣場(chǎng)空氣負(fù)離子濃度變化，在上午10:00出現(xiàn)一個(gè)峰值(970個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在中午12:00(620個(gè)/cm3)；上午06:00前和下午18:00以后數(shù)值較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)比較明顯的波峰和波谷。市圖書館廣場(chǎng)空氣負(fù)離子濃度變化，在上午08:00出現(xiàn)一個(gè)峰值(1 070個(gè)/cm3)，形成單峰曲線；最低值出現(xiàn)在上午06:00(500個(gè)/cm3)。齊大景區(qū)空氣負(fù)離子濃度變化為單峰型曲線，峰值出現(xiàn)在上午08:00(890個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在中午12:00(550個(gè)/cm3)。5月份6種不同城市綠地比較，負(fù)離子濃度日變化峰值出現(xiàn)在上午06:00—08:00和下午18:00以后出現(xiàn)峰值，多表現(xiàn)為雙峰曲線。出現(xiàn)波谷的時(shí)間多分布在中午12:00左右。

圖1 5月份空氣負(fù)離子濃度日變化曲線

由圖2可見(6月份)：龍沙公園一天中空氣負(fù)離子濃度出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別為上午08:00(830個(gè)/cm3)和下午18:00(1 030個(gè)/cm3)，負(fù)離子濃度最低值出現(xiàn)在上午10:00(780個(gè)/cm3)。嫩江公園一天中空氣負(fù)離子濃度出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別為上午08:00(860個(gè)/cm3)和下午18:00(930個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在下午16:00(590個(gè)/cm3)。林研基地負(fù)離子濃度最高值出現(xiàn)在上午06:00(1 090個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在下午16:00(520個(gè)/cm3)。市政府廣場(chǎng)負(fù)離子濃度高于其他綠地類型，最高值出現(xiàn)在下午16:00(1 400個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在上午06:00(620個(gè)/cm3)。市圖書館廣場(chǎng)空氣負(fù)離子濃度出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別為上午08:00(1 080個(gè)/cm3)和下午18:00(1 090個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在下午16:00(780個(gè)/cm3)。齊大景區(qū)空氣負(fù)離子濃度出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別為上午06:00(1 040個(gè)/cm3)和下午14:00點(diǎn)(1 020個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在上午10:00(800個(gè)/cm3)。

圖2 6月份空氣負(fù)離子濃度日變化曲線

由圖3可見(7月份)：龍沙公園負(fù)離子濃度日變化形成雙峰曲線，2個(gè)峰值分別為上午10:00(800個(gè)/cm3)和下午16:00(910個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在下午18:00(510個(gè)/cm3)。嫩江公園在上午08:00負(fù)離子濃度最高(910個(gè)/cm3)，形成單峰曲線，下午14:00負(fù)離子濃度值最低(290個(gè)/cm3)。林研基地在上午06:00負(fù)離子濃度值出現(xiàn)峰值(1 590個(gè)/cm3)，最小值出現(xiàn)在下午16:00(640個(gè)/cm3)，在一天中負(fù)離子濃度逐漸降低。其余3個(gè)綠地類型的負(fù)離子濃度曲線重合率較高，分別在上午08:00出現(xiàn)1個(gè)波峰，第二個(gè)波峰出現(xiàn)在下午16:00，波谷出現(xiàn)在中午12:00左右；齊大景區(qū)最低值為180個(gè)/cm3。

圖3 7月份空氣負(fù)離子濃度日變化曲線

由圖4可見(8月份)：龍沙公園空氣負(fù)離子濃度最大值出現(xiàn)在上午08:00(1 280個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在下午14:00(570個(gè)/cm3)。嫩江公園空氣負(fù)離子濃度最大值出現(xiàn)在下午14:00(1 030個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在上午10:00(600個(gè)/cm3)。林研基地空氣負(fù)離子濃度最大值出現(xiàn)在下午18:00(1 610個(gè)/cm3)，最小值出現(xiàn)在上午08:00(560個(gè)/cm3)。市政府廣場(chǎng)、市圖書館廣場(chǎng)及齊大景區(qū)負(fù)離子濃度值出現(xiàn)了較大波動(dòng)，市政府廣場(chǎng)負(fù)離子濃度在下午16:00達(dá)到1 720個(gè)/cm3以上。6種不同城市綠地類型負(fù)離子濃度變化規(guī)律形成了明顯雙峰曲線，波峰出現(xiàn)在上午08:00和下午18:00，波谷多出現(xiàn)在下午14:00。

圖4 8月份空氣負(fù)離子濃度日變化曲線圖

由圖5可見(9月份)：龍沙公園負(fù)離子濃度最大值出現(xiàn)在下午16:00(860個(gè)/cm3)，最低值出現(xiàn)在上午06:00(690個(gè)/cm3)；嫩江公園空氣負(fù)離子濃度最大值出現(xiàn)在中午12:00(780個(gè)/cm3)；林研基地空氣負(fù)離子濃度最大值出現(xiàn)在上午06:00(1 900個(gè)/cm3)，最小值出現(xiàn)在下午16:00(770個(gè)/cm3)；市政府廣場(chǎng)空氣負(fù)離子濃度最大值出現(xiàn)在上午10:00(470個(gè)/cm3)；市圖書館廣場(chǎng)空氣負(fù)離子濃度最大值出現(xiàn)在上午10:00(1 110個(gè)/cm3)；齊大景區(qū)空氣負(fù)離子濃度最大值出現(xiàn)在上午10:00(930個(gè)/cm3)，最小值出現(xiàn)在中午12:00(400個(gè)/cm3)。龍沙公園、嫩江公園、市政府廣場(chǎng)、齊大景區(qū)負(fù)離子濃度變化曲線較為平緩，沒有出現(xiàn)明顯的波峰和波谷；林研基地出現(xiàn)2個(gè)峰值，上午06:00(1 900個(gè)/cm3)和下午18:00(1 170個(gè)/cm3)；市圖書館廣場(chǎng)的負(fù)離子濃度形成明顯的雙峰曲線，峰值出現(xiàn)在上午10:00(1 110個(gè)/cm3)和下午16:00(950個(gè)/cm3)。

圖5 9月份空氣負(fù)離子濃度日變化曲線

圖6 10月份空氣負(fù)離子濃度日變化曲線

由圖6可見(10月份)：龍沙公園在上午10:00出現(xiàn)1個(gè)峰值(990個(gè)/cm3)，其它時(shí)間段數(shù)值較低且無上升趨勢(shì)；嫩江公園整體負(fù)離子濃度水平較低，在中午12:00出現(xiàn)峰值(540個(gè)/cm3)，下午16:00之后數(shù)值略有上升；林研基地整體數(shù)值水平較高，上午06:00后數(shù)值降低，然后在中午12:00出現(xiàn)1個(gè)峰值(1 370個(gè)/cm3)，之后下降，下午18:00后數(shù)值上升。

3.2 城市森林空氣負(fù)離子濃度的月變化規(guī)律

為了解和掌握城市綠地空氣負(fù)離子濃度的月變化規(guī)律，于2015—2017年連續(xù)3 a的5—10月份在林研基地進(jìn)行了空氣正、負(fù)離子濃度的觀測(cè)。為了消除環(huán)境因素帶來的誤差，每月選擇大氣狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，風(fēng)速、風(fēng)向變化不大的晴好天氣進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)時(shí)，選取試驗(yàn)地內(nèi)不同林型作為測(cè)試地點(diǎn)，每天從上午06:00開始進(jìn)行觀測(cè)，到下午18:00結(jié)束。以3 a每月測(cè)試數(shù)據(jù)平均值作為當(dāng)月的空氣正、負(fù)離子濃度值。

2015—2017年負(fù)離子濃度按月份平均值(見表1)。由表1可見：3年5—10月份平均負(fù)離子濃度為1 050個(gè)/cm3；空氣負(fù)離子濃度月變化規(guī)律，從5月份開始逐月上升，到9月份達(dá)到峰值，從10月份開始下降，負(fù)離子濃度5月份最低，9月份最高。

表1 不同年份空氣負(fù)離子濃度

為檢驗(yàn)不同年份及不同月份負(fù)離子濃度差異顯著性，對(duì)相同年份不同月份以及相同月份不同年份之間的負(fù)離子濃度作方差分析(見表2)。由表2可見：相同年份不同月份以及相同月份不同年份之間的負(fù)離子濃度差異均為顯著水平。

表2 不同月份、年份空氣負(fù)離子濃度方差分析

注：*表示差異顯著(P<0.05)。

3.3 城市森林空氣負(fù)離子濃度的季節(jié)變化規(guī)律

在氣候統(tǒng)計(jì)上，將12、1、2月份作為冬季，3、4、5月份為春季，6、7、8月份為夏季，9、10、11月份為秋季。這種劃分與黑龍江省的物候現(xiàn)象相一致，故采用此種方法劃分四季；以3 a的平均值作為該季度的空氣負(fù)離子濃度水平(見表3)。由表3可見：春季空氣負(fù)離子濃度為760個(gè)/cm3、夏季為1 060個(gè)/cm3、秋季為1 180個(gè)/cm3。所以城市森林各季節(jié)空氣負(fù)離子濃度水平有所不同，秋季空氣負(fù)離子濃度水平最高，夏季略低于秋季，春季較夏季、秋季相差甚遠(yuǎn)。

表3 不同季節(jié)空氣負(fù)離子濃度

4 結(jié)論

通過3 a連續(xù)觀測(cè)研究表明，齊齊哈爾市城市森林空氣負(fù)離子濃度的日變化規(guī)律，一般是早晨(06:00—08:00)達(dá)到峰值，隨后下降，至中午或下午最低，晚上18:00左右再次出現(xiàn)峰值。負(fù)離子濃度最高值可達(dá)2 000個(gè)/cm3左右、最低值在300個(gè)/cm3左右。

齊齊哈爾市城市森林中，空氣負(fù)離子濃度一年中的變化規(guī)律，從5月份開始逐月上升，到9月份達(dá)到峰值，從10月份開始下降，負(fù)離子濃度5月份最低，9月份最高。

齊齊哈爾市城市森林各季節(jié)空氣負(fù)離子濃度水平有所不同，秋季空氣負(fù)離子濃度水平最高，夏季略低于秋季，春季最低。