揭西縣空氣負氧離子濃度的時空特征分析

胡猛，陳蝶聰，任文斌

（1.廣東省生態(tài)氣象中心，廣東廣州 510640；2.揭西縣氣象局，廣東揭西 515400）

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)快速增長，人們的生活水平得到了很大的提高，對環(huán)境質(zhì)量越來越關(guān)心，空氣中的負氧離子濃度備受城市居民的重視，空氣負氧離子濃度已成為城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的重要指標。世界衛(wèi)生組織規(guī)定：清新空氣的負離子標準濃度不應低于1 000～1 500 cm-3。

空氣負離子也稱負氧離子，主要來源于紫外線、宇宙射線、放射性物質(zhì)而引發(fā)的空氣電離作用。與此同時，山林、樹冠、葉端的尖端放電，及雷電、瀑布、海浪的沖擊，也能夠形成較高濃度的空氣負離子［1］?？諝庳撾x子具有殺菌、降塵和清潔空氣等功效，被譽為“空氣維生素”、“長壽素”［2-3］，對人體有很好的保健作用，具有調(diào)節(jié)人體生理機能、消除疲勞、改善睡眠、預防呼吸道疾病、改善心腦血管疾病、降血壓、增進人的食欲、防衰老等功能，另外對改善城市環(huán)境、提高人們生活品質(zhì)具有重要意義?？諝庳撾x子濃度被列為生態(tài)環(huán)境標志之一，也是體現(xiàn)植物生態(tài)效益的重要因素［4-6］。國內(nèi)對空氣負離子濃度的監(jiān)測始于1980年［7］。薛茂榮等［8］認為海邊的空氣負離子濃度＞森林＞礦泉（療養(yǎng)院）；陳錫林等［9］的研究結(jié)果表明，森林空氣負離子濃度大于城鎮(zhèn)；吳楚材等［10］監(jiān)測結(jié)果表明，馬尾松純林中空氣負離子濃度可達1 200～2 000 cm-3；顧小麗等［11］研究得到寧波市空氣負離子濃度有市中心附近低、郊區(qū)高的地域分布特征，夜晚到清晨高、白天低，夏季高、冬季低的變化規(guī)律；任曉旭等［12］研究顯示，杭州城區(qū)空氣負離子濃度日變化最大值出現(xiàn)在04：00（北京時，下同），最小值出現(xiàn)在21：00，夏季和秋季的負離子濃度高于春季。

2019年廣東省揭西縣憑借優(yōu)良的自然環(huán)境、深厚的人文底蘊、悠久的歷史文化、豐富的旅游資源等諸多優(yōu)勢，成功獲評“中國天然氧吧”稱號。目前，還未有人對揭西縣的負氧離子濃度時空變化特征做過系統(tǒng)研究。本研究利用揭西縣2019年8個空氣負離子監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)資料，分析揭西縣負氧離子濃度的時空變化特征，為綜合評價揭西縣生態(tài)環(huán)境狀況提供基礎數(shù)據(jù)，從而為揭西縣未來的生態(tài)資源開發(fā)提供參考。

1 資料與方法

選取揭陽市揭西縣氣象部門8個負氧離子監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，分別是揭西縣金和鎮(zhèn)山湖村、揭西縣坪上鎮(zhèn)石內(nèi)村、揭西縣良田鄉(xiāng)金坑村、揭西縣五經(jīng)富鎮(zhèn)大洋、揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村、大北山國家森林公園、京溪園鎮(zhèn)京明度假村、揭西國家基本氣象站（河婆）等監(jiān)測站連續(xù)記錄的逐小時觀測數(shù)據(jù)。這8個監(jiān)測站運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)異常率較低，并分布于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)旅游區(qū)，能較好地反映全縣負氧離子資源的分布。其中大北山森林公園、揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村站點數(shù)據(jù)時間為2019年1—12月，其它站點數(shù)據(jù)時間為2019年6—12月。

針對負氧離子觀測數(shù)據(jù)特點以及影響負氧離子觀測的環(huán)境氣象因素，前期開展了大量的數(shù)據(jù)分析和敏感性試驗工作，并結(jié)合多年從事負氧離子數(shù)據(jù)處理的實踐經(jīng)驗，從界限值檢查、跳變值檢查、空氣濕度檢查等方法對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行控制［13-16］，制定了日、月、年等不同時間尺度的負氧離子平均濃度的統(tǒng)計方法，減少因異常數(shù)據(jù)以及計算方法的差異造成的誤差。

觀測儀器采用廣東華風銳進科技有限公司生產(chǎn)的AirV-200型大氣負氧離子觀測儀。儀器內(nèi)置高精度GPS模塊和高精度溫濕度傳感器，自帶自動校準功能，采用“雙重同心圓筒之電容式吸入法”原理進行負氧離子檢測，測量范圍為1×105～5×105cm-3，精度為 10 cm-3，具有抗干擾能力強、防雨能力強、通信穩(wěn)定、測試精度高、環(huán)境適應能力強、能長期在野外不間斷工作等特點。

2 大氣負氧離子濃度時空分布特征

2.1 空間變化

圖1為揭西縣2019年全縣大氣負氧離子濃度年均值的空間分布。

圖1 2019年揭西縣大氣負氧離子濃度空間分布

從圖1可以看出，揭西縣負氧離子濃度呈現(xiàn)自西向東、自北向南逐漸增加的趨勢，東部生態(tài)區(qū)負氧離子濃度普遍較高，大部分在1 500 cm-3以上，全縣8個站點的負氧離子年平均濃度基本超過1 000 cm-3，屬于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的空氣清新級別，對人體健康非常有利。全縣年平均負氧離子濃度為1 609 cm-3，其中年平均濃度最高值出現(xiàn)在揭西縣坪上鎮(zhèn)石內(nèi)村觀測站，高達2 609.1 cm-3，揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村次之，達1 972.3 cm-3。

2.2 日變化

為了研究揭西全縣大氣負氧離子濃度的日變化特征，計算了8個站點2019年的逐小時平均值，如圖2所示。從圖2可以看出，揭西縣坪上鎮(zhèn)石內(nèi)村、揭西縣金和鎮(zhèn)山湖村的負氧離子濃度呈U型分布，早晨07：00達到最高，之后開始下降，14：00左右降到最低；京溪園鎮(zhèn)京明度假村、揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村、大北山國家森林公園、揭西縣良田鄉(xiāng)金坑村、揭西國家基本氣象站（河婆）的負氧離子濃度呈單峰型分布，早晨08：00開始升高，09：00—10：00時段達到最高，10：00—16：00時段維持較高濃度，17：00左右開始下降。揭西縣坪上鎮(zhèn)石內(nèi)村、揭西縣金和鎮(zhèn)山湖村、揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村的負氧離子濃度日較差較大，在600～1 100 cm-3之間，京溪園鎮(zhèn)京明度假村、大北山國家森林公園、揭西縣良田鄉(xiāng)金坑村、揭西國家基本氣象站（河婆）的負氧離子濃度日較差相對較小，在400 cm-3以下。

圖2 2019年揭西縣各站點大氣負氧離子濃度日變化

同時為了研究大氣負氧離子濃度不同季節(jié)的日變化特征，選取揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村和大北山森林公園2個站點數(shù)據(jù)，計算并分析了全年4季逐小時平均值。

從圖3可以看出，揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村的大氣負氧離子濃度日變化全年呈現(xiàn)白天（09：00—18：00）高、晚上低的分布特征，其中夏季變化最為明顯，最高值出現(xiàn)在正午12：00；秋冬兩季則表現(xiàn)為較明顯的雙峰特征，峰值出現(xiàn)時段分別為 09：00—10：00和 16：00—17：00，秋季的負氧離子濃度日較差更為明顯，春季負氧離子濃度日變化較為平緩。該站點不同季節(jié)日變化特征存在差異，可能與揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村處于峽谷地帶、夏季雨水多、空氣清潔、植物生長茂盛、光合作用強、受太陽輻射影響大等因素有關(guān)。

圖3 2019年揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村不同季節(jié)大氣負氧離子濃度日變化

從圖4可以看出，大北山森林公園大氣負氧離子濃度日變化全年呈現(xiàn)白天（10：00—19：00）較高、晚上較低的分布特征，離子濃度日較差較小，介于1 500～1 730 cm-3。其中冬季變化最為明顯，最高值出現(xiàn)在午后15：00；春秋兩季則表現(xiàn)為較弱的雙峰特征，峰值出現(xiàn)時段分別為10：00—12：00和 15：00—16：00；夏季負氧離子濃度日變化基本持平。由此可見，大北山森林公園冬季午后負氧離子最盛。該站點不同季節(jié)日變化特征存在差異，可能與大北山森林公園監(jiān)測站所處位置有關(guān)，揭西縣冬半年盛行偏北風，夏半年盛行偏東風，而該站點東面和南面受房屋建筑影響，有研究表明，風速越大，負氧離子濃度越高，故該站點不同季節(jié)日變化特征存在差異可能是風的影響造成的。

圖4 2019年大北山森林公園不同季節(jié)大氣負氧離子濃度日變化

2.3 月變化

圖5為揭西縣負氧離子不同監(jiān)測點的月變化情況。從圖5可以看出，揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村負氧離子濃度較高，月平均濃度均大于1 300 cm-3，有明顯的年變化波動，全年有7個月負氧離子濃度超過2 000 cm-3；全年負氧離子濃度峰值出現(xiàn)在1月，平均為2 728 cm-3，對健康極有利。10月起進入秋冬季節(jié)，溫度降低，濕度降低，植物光合作用減弱，負氧離子濃度降低。大北山森林公園負氧離子濃度水平較高，年變化波動較小，全年各月負氧離子濃度在1 500 cm-3左右，空氣非常清新，有利于人體健康，12月負氧離子濃度最高，達1 940 cm-3，1月處于較高濃度水平，達1 740.7 cm-3，而 8、9月負氧離子濃度處于較低水平。

圖5 2019年揭西縣不同監(jiān)測點大氣負氧離子濃度月變化

另外，揭西縣坪上鎮(zhèn)石內(nèi)村6—12月負氧離子濃度逐月變化平緩，離子濃度水平均超過2 500 cm-3，負氧離子濃度峰值出現(xiàn)在10月，平均為2 906 cm-3，對健康極有利。京溪園鎮(zhèn)京明度假村、揭西縣金和鎮(zhèn)山湖村、揭西縣良田鄉(xiāng)金坑村各月負氧離子濃度在1 000 cm-3左右，京溪園鎮(zhèn)京明度假村6—12月呈逐漸增大的趨勢，揭西縣金和鎮(zhèn)山湖村呈單峰型分布，峰值出現(xiàn)在10月，揭西縣良田鄉(xiāng)金坑村各月負氧離子濃度變化不大，均在1 000～1 500 cm-3。揭西國家基本氣象站（河婆）各月負氧離子濃度波動較大，從6月起負氧離子濃度逐漸增大，11月達到最大值，這可能與人類活動的影響有關(guān)。

2.4 季節(jié)變化特征

從揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村和大北山國家森林公園監(jiān)測點負氧離子的季節(jié)變化（圖略）看出，揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村春季負氧離子濃度達到 2 014.3 cm-3，夏季為 2 100.8 cm-3，秋季為1 665.2 cm-3，冬季為 2 109.1 cm-3，4季變化規(guī)律為冬季＞夏季＞春季＞秋季；大北山國家森林公園春季負氧離子濃度達到1 561.4 cm-3，夏季為 1 500.8 cm-3，秋季為 1 533.1 cm-3，冬季為1 744.3 cm-3，4季變化規(guī)律為冬季＞春季＞秋季＞夏季，揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村各季節(jié)負氧離子濃度與變幅均大于大北山國家森林公園。

3 結(jié)論

1）揭西縣負氧離子濃度呈現(xiàn)從西往東、從北往南逐漸增加的趨勢，東部生態(tài)區(qū)負氧離子濃度普遍較高，全縣8個站點的負氧離子年平均濃度基本超過1 000 cm-3，屬于空氣清新級別，對人體健康非常有利。全縣年平均濃度為1 609 cm-3，揭西縣坪上鎮(zhèn)石內(nèi)村最高，高達2 609.1 cm-3。

2）在居住區(qū)，揭西縣一天之中負氧離子濃度最高的時段在清晨前后，最低時段出現(xiàn)在午后，有夜間高、白天低的變化規(guī)律；在生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域，一天之中負氧離子濃度有白天高、夜間低的變化規(guī)律，且最高濃度出現(xiàn)在上午。因此建議居民和游客白天前往京溪園鎮(zhèn)京明度假村、揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村、大北山國家森林公園等生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域，可以盡情呼吸負氧離子含量相對較高的清新空氣。

3）揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村夏季正午負氧離子濃度最高，大北山森林公園冬季午后負氧離子最盛。

4）揭西縣京溪園鎮(zhèn)粗坑村負氧離子濃度有明顯的年變化波動，負氧離子月平均濃度超過年平均水平的有1、2、4—7、9月，其中1月負氧離子濃度最高，達2 728 cm-3，空氣清新度等級達到最高等級，屬于非常清新；10月起進入秋冬季節(jié)，負氧離子濃度有所降低。大北山森林公園負氧離子濃度年變化波動較小，年平均濃度為1 583.1 cm-3，12月負氧離子濃度最高，達 1 940 cm-3，8、9月負氧離子濃度處于較低水平。

5）揭西縣坪上鎮(zhèn)石內(nèi)村6—12月負氧離子濃度普遍較高，均超過2 500 cm-3，全年負氧離子濃度峰值出現(xiàn)在10月，平均為2 906 cm-3，對健康極有利；京溪園鎮(zhèn)京明度假村、揭西縣金和鎮(zhèn)山湖村、揭西縣良田鄉(xiāng)金坑村各月負氧離子濃度在1 000 cm-3左右，空氣清新程度對健康很有利；揭西國家基本氣象站（河婆）從6月開始負氧離子濃度逐漸增大，11月達到最大值，各月負氧離子濃度波動較大，可能受到人類活動的影響。