吉林地區(qū)空氣負(fù)離子及氣象因子的相關(guān)性研究

王智慧，韓 驍，王洪俊

(北華大學(xué) 林學(xué)院，吉林 吉林 132013)

1 引言

隨著我國(guó)城市化與工業(yè)化進(jìn)程加快，使得城市生態(tài)環(huán)境遭到破壞，空氣污染問題日益突出，人們的生態(tài)保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)，對(duì)于具備良好生態(tài)質(zhì)量的度假環(huán)境的訴求愈加強(qiáng)烈，在閑暇之余更渴望回歸自然，黨的“十九大”報(bào)告提出“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，鄉(xiāng)村作為城市人們親近自然、擁抱自然的主要場(chǎng)所，憑借其與城市距離的優(yōu)勢(shì)、鄉(xiāng)土文化的傳承、政府政策的扶持。使其旅游業(yè)日益發(fā)達(dá)。

因?yàn)闁|北地區(qū)秋季秸稈處理不規(guī)范、莊稼收割高峰期、植物葉片凋落、霧霾嚴(yán)重等，旨在通過研究吉林周邊鄉(xiāng)村秋季空氣負(fù)離子、空氣溫濕度之間的關(guān)系，揭示鄉(xiāng)村綠地對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響機(jī)制，剖析不同垂直高度、不同功能綠地空氣負(fù)離子濃度的差異性原理，深入挖掘鄉(xiāng)村綠地的生態(tài)效益。對(duì)吉林地區(qū)鄉(xiāng)村的生態(tài)評(píng)估及生態(tài)環(huán)境優(yōu)化有重要意義，可以為改善鄉(xiāng)村人居環(huán)境和東北地區(qū)鄉(xiāng)村旅游資源開發(fā)利用提供參考[1,2]。

2 研究區(qū)域概況

吉林市位于長(zhǎng)白山區(qū)向松遼平原過渡地帶，自然環(huán)境優(yōu)越，地貌類型復(fù)雜。為了深度分析鄉(xiāng)村空氣負(fù)離子濃度，探究空氣負(fù)離子與氣象因子的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)松花江在吉林市的流向，分為上、中、下游，在三個(gè)地段選取35個(gè)村莊。上游臨近松花湖，中游位于吉林市城區(qū)附近，下游為穿過城區(qū)后的村莊。在每個(gè)村莊選取7種功能綠地(村委會(huì)、庭院、農(nóng)田、鄉(xiāng)村道路、水邊綠地、垃圾站、公共活動(dòng)區(qū))各一塊，這些綠地均為村民活動(dòng)最多的場(chǎng)所，具有代表性和研究?jī)r(jià)值。

3 測(cè)量方法

于2020年9～11月期間，選擇大氣狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定、天氣晴朗的日間進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。在35個(gè)村莊內(nèi)的不同功能分區(qū)，分別進(jìn)行空氣正負(fù)離子濃度、溫濕度、風(fēng)速的監(jiān)測(cè)。測(cè)定時(shí)間為8：00～17：00，由于空氣負(fù)離子濃度水平易受環(huán)境影響，為了盡量減少誤差，選擇測(cè)量垂直高度40 cm、80 cm、120 cm、160 cm處的空氣正、負(fù)離子濃度。并且每個(gè)高度讀取10個(gè)數(shù)值，經(jīng)過篩選，去掉不合理的數(shù)值，最終以平均值代表該測(cè)量點(diǎn)的空氣正、負(fù)離子濃度[3]。

4 空氣負(fù)離子與溫度的相關(guān)關(guān)系

根據(jù)10月6日至11月10日的空氣負(fù)離子濃度與溫度的變化可知(圖1)，吉林周邊鄉(xiāng)村溫度在10月20日達(dá)到測(cè)量期間最大值；在10月22日達(dá)到最小值。空氣負(fù)離子濃度在10月20日達(dá)到最大值；在11月7日達(dá)到最小值?？諝庳?fù)離子濃度在測(cè)量期間的變化趨勢(shì)，在一定程度上與溫度的變化趨勢(shì)出現(xiàn)相似。在個(gè)別的時(shí)間點(diǎn)也存在一定的波動(dòng)，這說明，秋季溫度會(huì)影響空氣負(fù)離子濃度的變化，在一定的時(shí)間內(nèi)，隨著溫度的增加，負(fù)離子濃度也增加，溫度的影響占主導(dǎo)位置。但有時(shí)其他影響因素會(huì)更容易影響空氣負(fù)離子的變化[4]。

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)吉林周邊鄉(xiāng)村上午、中午、下午、全天空氣負(fù)離子濃度及溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表1。按時(shí)間分為上午(8：00～11：00)、中午(11：00～14：00)、下午(14：00～17：00)和全天?？諝庳?fù)離子濃度和溫度在上午和中午呈顯著正相關(guān)。在下午空氣負(fù)離子濃度與溫度的person相關(guān)性為-0.115，顯著性為0.061，不具備顯著性，但呈負(fù)相關(guān)。從全天的數(shù)據(jù)相關(guān)性來看，空氣負(fù)離子與溫度呈極顯著正相關(guān)。

圖1 空氣負(fù)離子濃度與溫度的變化曲線

表1 空氣負(fù)離子與溫度相關(guān)性

以測(cè)量期間一個(gè)月為基礎(chǔ)，對(duì)空氣負(fù)離子與溫度進(jìn)行線性擬合，其中擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)如表2與圖2?？梢娕卸ㄏ禂?shù)r的平方為0.011，因此擬合度較小，說明吉林地區(qū)秋季溫度不是空氣負(fù)離子濃度的主要影響因子。顯著性為0.005，由此可以看出溫度影響空氣負(fù)離子濃度變化是較為顯著的。且溫度對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響系數(shù)B為10.28>0，因此溫度為正向影響，溫度越高空氣負(fù)離子濃度越高。這主要是因?yàn)闇囟扰c分子熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，由熱力學(xué)知識(shí)可知，溫度升高分子原子的動(dòng)能提升，運(yùn)動(dòng)速度加快，氧氣被電離速度加快，空氣負(fù)離子增多，濃度升高[5,6]。

圖2 空氣負(fù)離子濃度與溫度的擬合方程

表2 空氣負(fù)離子濃度與溫度的模型參數(shù)估計(jì)值

5 空氣負(fù)離子與相對(duì)濕度的相關(guān)關(guān)系

根據(jù)測(cè)量期間10月6日至11月20日的空氣負(fù)離子濃度與空氣相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)，如圖3可知，測(cè)量期間吉林周邊鄉(xiāng)村的相對(duì)濕度在11月5日達(dá)到最大值，在10月21日達(dá)到最小值。在測(cè)量期間相對(duì)濕度、空氣負(fù)離子濃度波動(dòng)較大，每一天有明顯差異?？諝庳?fù)離子濃度變化與空氣相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)相反，存在一定的相關(guān)關(guān)系，但在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)存在一定的波動(dòng)。這說明，秋季空氣相對(duì)濕度會(huì)影響空氣負(fù)離子濃度的變化，在一定時(shí)間內(nèi)空氣負(fù)離子濃度會(huì)隨著空氣相對(duì)濕度的增加而降低。這表明空氣負(fù)離子的產(chǎn)生與空氣相對(duì)濕度有關(guān)。

圖3 空氣負(fù)離子濃度與相對(duì)濕度的變化曲線

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)吉林周邊鄉(xiāng)村上午、中午、下午、全天空氣負(fù)離子濃度及相對(duì)濕度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3?？諝庳?fù)離子濃度和空氣相對(duì)濕度在上午呈極顯著負(fù)相關(guān)；在中午空氣負(fù)離子濃度與空氣相對(duì)濕度的pearson相關(guān)性為-0.130，呈負(fù)相關(guān)，但不具有顯著性；在下午空氣負(fù)離子濃度與空氣相對(duì)濕度相關(guān)性不明顯，且不具有顯著性。從全天的數(shù)據(jù)相關(guān)性來看，空氣負(fù)離子與空氣相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)。由此看來，空氣負(fù)離子在上午與相對(duì)濕度的相關(guān)性較強(qiáng)，其余時(shí)間不太穩(wěn)定。

以測(cè)量期間一個(gè)月為基礎(chǔ)，對(duì)空氣負(fù)離子與相對(duì)濕度進(jìn)行線性擬合，其中擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)如表4與圖4?？梢娕卸ㄏ禂?shù)r的平方為0.019，因此擬合度較小，說明吉林地區(qū)秋季相對(duì)濕度不是空氣負(fù)離子濃度的主要影響因子。顯著性為0.000，由此可以看出相對(duì)濕度影響空氣負(fù)離子濃度變化是極其顯著的。且相對(duì)濕度對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響系數(shù)B為-8.68<0，因此相對(duì)濕度對(duì)空氣負(fù)離子濃度為負(fù)向影響，相對(duì)濕度越高越高空氣負(fù)離子濃度越低。這主要是因?yàn)榍锛局参锾幱谒ヂ淦?，隨著植物生命力的減弱，因此對(duì)環(huán)境影響的作用有所衰退，對(duì)各環(huán)境因子的穩(wěn)定性較小，同時(shí)植物對(duì)于空氣負(fù)離子濃度的作用減少，導(dǎo)致空氣濕度對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響不穩(wěn)定。眾多學(xué)者的研究結(jié)果也有所分歧[5,7,8]。

表4 空氣負(fù)離子濃度與相對(duì)濕度的模型參數(shù)估計(jì)值

6 空氣負(fù)離子與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系

根據(jù)測(cè)量期間10月6日至11月20日的空氣負(fù)離子濃度與風(fēng)速的變化趨勢(shì)，如圖5可知，測(cè)量期間吉林周邊鄉(xiāng)村的風(fēng)速在11月4日達(dá)到最大值，在10月20日達(dá)到最小值。在測(cè)量期間風(fēng)速、空氣負(fù)離子濃度波動(dòng)較大，每一天有明顯差異?？諝庳?fù)離子濃度變化與風(fēng)速的變化趨勢(shì)沒有明顯的關(guān)系，但在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)存在一定的相關(guān)關(guān)系，空氣負(fù)離子會(huì)隨著風(fēng)速的增加而降低[9]。這說明，秋季風(fēng)速會(huì)對(duì)空氣負(fù)離子濃度有一定的影響，在一定時(shí)間內(nèi)空氣負(fù)離子濃度會(huì)隨著風(fēng)速的增加而降低，但作用不明顯。

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)吉林周邊鄉(xiāng)村上午、中午、下午、全天空氣負(fù)離子濃度及風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5。從全天的數(shù)據(jù)相關(guān)性來看，空氣負(fù)離子與風(fēng)速的相關(guān)性不大，可能由于吉林鄉(xiāng)村秋季風(fēng)速較大，測(cè)量期間變化較大，測(cè)量?jī)H為一分鐘內(nèi)的風(fēng)速平均值，不具備代表性。且風(fēng)速對(duì)于空氣負(fù)離子的影響比較持久，其他學(xué)者研究表明夏秋冬并未出現(xiàn)負(fù)離子與風(fēng)速負(fù)相關(guān)的變化規(guī)律，相反，偶爾還會(huì)出現(xiàn)風(fēng)速與空氣負(fù)離子正相關(guān)的情況[阿爾山地區(qū)負(fù)氧離子濃度]。因此認(rèn)為在秋季風(fēng)速不是影響空氣負(fù)離子濃度變化的主要因素。

圖5 空氣負(fù)離子濃度與風(fēng)速的變化曲線

以測(cè)量期間一個(gè)月為基礎(chǔ)，對(duì)空氣負(fù)離子濃度與風(fēng)速進(jìn)行線性擬合，其中擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)如表6與圖6?？梢娕卸ㄏ禂?shù)r的平方為0.004，因此幾乎沒有擬合度，F(xiàn)值為0.271表示兩組數(shù)據(jù)沒有顯著差異，說明吉林地區(qū)秋季風(fēng)速對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響很小；且顯著性為0.603，由此可以看出風(fēng)速影響空氣負(fù)離子濃度變化是不顯著的；統(tǒng)計(jì)學(xué)意義較小。且風(fēng)速對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響系數(shù)B為-9.69<0，因此風(fēng)速對(duì)空氣負(fù)離子濃度為負(fù)向影響，風(fēng)速越大空氣負(fù)離子濃度越低。這主要是因?yàn)榧智锛厩f稼收割、霧霾嚴(yán)重、風(fēng)速變化明顯，導(dǎo)致空氣負(fù)離子濃度與風(fēng)速無顯著相關(guān)性，可能因?yàn)榍锛局参锶~片凋落。對(duì)環(huán)境的穩(wěn)定性減弱，氣象不穩(wěn)定、風(fēng)速較大、使得空氣負(fù)離子濃度與風(fēng)速無顯著相關(guān)性。

表5 空氣負(fù)離子與風(fēng)速相關(guān)性

圖6 空氣負(fù)離子濃度與風(fēng)速的擬合方程

表6 空氣負(fù)離子濃度與風(fēng)速的模型參數(shù)估計(jì)值

7 結(jié)論討論

從整體來看，秋季空氣負(fù)離子濃度與溫度呈極顯著正相關(guān)的關(guān)系，與相對(duì)濕度和空氣顆粒物濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速的相關(guān)性并不顯著。隨著溫度的逐漸升高，植物光合作用能力增強(qiáng)，促使了空氣負(fù)離子濃度的升高，并且隨著溫度的升高，分子之間運(yùn)動(dòng)速率也會(huì)加大，從而增加了分子之間碰撞的幾率，也對(duì)提升空氣負(fù)離子濃度有一定的影響。相對(duì)濕度與空氣負(fù)離子濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與一些學(xué)者研究結(jié)果一致，但是同時(shí)也有一部分學(xué)者認(rèn)為空氣中相對(duì)濕度與空氣負(fù)離子濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)認(rèn)為相對(duì)濕度在整個(gè)秋季與空氣負(fù)離子濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，在一天中，只有上午表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)，中午時(shí)段表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，下午為正相關(guān)，但是中午和下午的顯著性均不明顯。這可能因受到其他環(huán)境因子的影響較大，導(dǎo)致了相對(duì)濕度影響空氣負(fù)離子濃度在一天之中的差異。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，風(fēng)速與空氣負(fù)離子濃度的相關(guān)性并不明顯，當(dāng)有陣風(fēng)襲來時(shí)，風(fēng)可以吹散或者吹來空氣中的粒子，同時(shí)風(fēng)速的大小也可以影響空氣中粒子的運(yùn)動(dòng)速率的快慢，促使粒子之間相互碰撞，從而可以產(chǎn)生空氣負(fù)離子，同時(shí)風(fēng)也可以促進(jìn)空氣中的正負(fù)離子相互結(jié)合，發(fā)生電荷中和反應(yīng)，因此風(fēng)速與空氣負(fù)離子濃度的相關(guān)性并不明顯。但是風(fēng)速這一因素仍然是影響空氣負(fù)離子濃度的一項(xiàng)重要因子，具體的顯著性還需要進(jìn)一步的研究探討。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示空氣顆粒物與空氣負(fù)離子為極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)論與大部分學(xué)者研究結(jié)果一致。因空氣顆粒物自身本就帶有正電荷，空氣顆粒物可以與空氣負(fù)離子相互結(jié)合發(fā)生電荷中和反應(yīng)，使之沉降。因此空氣顆粒物也是影響空氣負(fù)離子濃度的重要因素之一。