北京九龍山側(cè)柏林空氣負(fù)離子時空分布特征

余 海，郭 嘉，李恩杰，裴順祥，吳 迪，辛學(xué)兵＊

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心 北京 102300；2. 北京九龍山自然保護(hù)區(qū) 北京 102300)

空氣負(fù)離子（Negative air ion, NAI）不僅能夠降塵和清潔空氣，還能殺菌、提高人體免疫力和調(diào)節(jié)身體機(jī)能平衡，因而被稱為“空氣維生素和生長素”[1-3]。氣象和林業(yè)部門將空氣負(fù)離子作為氣象觀測數(shù)據(jù)的重要參數(shù)，其觀測結(jié)果被列為空氣質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)。伴隨空氣負(fù)離子受關(guān)注度的不斷提高，許多研究人員陸續(xù)在空氣負(fù)離子的生物學(xué)效應(yīng)和臨床醫(yī)學(xué)功效[4-6]、空氣質(zhì)量的定量評價(jià)[7-8]、空氣負(fù)離子的產(chǎn)生環(huán)境和機(jī)制[9-10]、空氣負(fù)離子濃度變化規(guī)律和影響因素[11-13]以及空氣負(fù)離子資源的開發(fā)利用[14]等方面進(jìn)行了大量的研究。已有研究表明，森林的空氣負(fù)離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于城市室內(nèi)，有的甚至可達(dá)到1 600倍[15]。

現(xiàn)如今，國內(nèi)的專家學(xué)者更加側(cè)重對森林空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行監(jiān)測和分析不同環(huán)境因子對空氣負(fù)離子濃度動態(tài)變化的影響。在對森林公園內(nèi)空氣負(fù)離子濃度日變化分布特征研究過程中，發(fā)現(xiàn)其日變化規(guī)律在不同的環(huán)境條件下會有所不同[16-18]。鵝凰嶂林區(qū)空氣負(fù)離子濃度觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，林內(nèi)、林緣相對位置會對空氣負(fù)離子濃度造成顯著的差異，林內(nèi)顯著高于林緣[19]。湖南借母溪自然保護(hù)區(qū)的空氣負(fù)離子濃度分布具有很典型的垂直變化特征，先隨地勢升高而逐漸上升，在550 m附近濃度最高，之后又逐漸降低[20]，九華山景區(qū)的研究結(jié)果[21]也類似。河南省欒川老君山景區(qū)內(nèi)各個典型地點(diǎn)空氣負(fù)離子濃度空間分布特征觀測也表明，空氣負(fù)離子濃度在不同海拔的差異比較大，在海拔1 500 m附近達(dá)到最大，但海拔相近生境相同類型的負(fù)離子濃度幾無差異[22]。

雖然國內(nèi)對森林空氣負(fù)離子的研究已有不少，但現(xiàn)階段的研究區(qū)域主要集中在南方地區(qū)，北方地區(qū)尤其是華北一帶的相關(guān)研究尚少，并且由于南北地域、生態(tài)以及環(huán)境因素等差異對空氣負(fù)離子濃度的交叉影響，得出的研究結(jié)論也常出現(xiàn)較大的差異[23]。北京作為中國的首都，一座國際大都市、“美麗中國”窗口，人口密集，市民對高質(zhì)量森林旅游資源的需求日益強(qiáng)烈。北京九龍山林區(qū)環(huán)繞人口聚居的門頭溝城區(qū)，是京西近郊森林旅游資源集中分布區(qū)，其地理位置十分優(yōu)越。本研究通過2016—2018年3年時間對北京九龍山森林內(nèi)不同時間尺度（日、月）、不同空間結(jié)構(gòu)（海拔高度、陰陽坡）的空氣負(fù)離子濃度變化特征進(jìn)行分析，探索北京九龍山森林空氣負(fù)離子濃度變化規(guī)律，為建設(shè)宜居城市和開發(fā)森林旅游資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

北京九龍山位于北京門頭溝區(qū)東部，是京西生態(tài)公益林的重要組成部分，地處太行山北端東延余脈，屬太行山向華北平原過渡的低山山地，地理坐標(biāo)位于115°59'～116°06' E，39°54′～39°57′ N。南北寬約6 km，東西長約10 km，地勢西高東低，境內(nèi)最高峰——刺梅花坨位于北京九龍山西部，海拔990.31 m，山頂發(fā)育平坦；最低海拔100 m，位于北京九龍山最東端的草帽山東麓，谷地較開闊。土壤類型為山地褐土，土層普遍較薄，石礫含量高，是典型的華北石質(zhì)山地。北京九龍山森林保護(hù)站周邊分布植被以栓皮櫟(Quercus variabilisBlume)、元寶楓(Acer truncatumBunge)和側(cè)柏(Platycladus orientalisL.)為主，樹種組成為6∶2∶2，平均胸徑13.1 cm，平均樹高7.3 m，郁閉度0.6，團(tuán)狀分布荊條灌叢，灌草植被總覆蓋度75.0%，2016年至2018年夏季北京九龍山森林保護(hù)站有辦公區(qū)域改造項(xiàng)目施工作業(yè)；不同海拔觀測點(diǎn)所在側(cè)柏林林緣總體呈帶狀，林木平均胸徑10.5 cm，平均樹高7.5 m，郁閉度0.55，團(tuán)狀分布荊條灌叢，灌草植被總覆蓋度45.0%；泗澗溝畫家村北山側(cè)柏林平均胸徑10.9 cm，平均樹高7.7 m，郁閉度0.8，均勻分布荊條灌叢，灌草植被總覆蓋度50.0%。門頭溝區(qū)屬中緯度大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷干燥。年平均氣溫12.1℃，極端最高氣溫41.8℃（1999年9月24日），極端最低氣溫-22.9℃（1966年2月22日），夏季平均氣溫 25.03℃，冬季平均氣溫-2℃，年平均日照時數(shù)2 470 h，年平均降雨日數(shù)79 d，年平均降水量528.70 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)儀器 采用KEC-900空氣離子檢測儀（日本ONETEST公司）對空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行測量，檢測方式為平行電極，檢測范圍10～2 × 106個·cm-3，檢測時靈敏度設(shè)置在H段(10個·cm-3～19 990個·cm-3)，該儀器精度 ± 30%，分辨率為10個·cm-3，可在濕度小于95%的環(huán)境下連續(xù)測量。

1.2.2 試驗(yàn)方法 本研究按不同日間時間、月份、海拔和坡向?qū)諝庳?fù)離子濃度進(jìn)行觀測。2016年到2018年每月選取3天，從8:00到18:00每隔2 h對北京九龍山森林保護(hù)站附近林緣進(jìn)行負(fù)離子數(shù)據(jù)的采集；分別在海拔350，400，450，500，600，650，700，840 m距林緣線5 m的側(cè)柏林內(nèi)、外各設(shè)置一處采樣點(diǎn)進(jìn)行空氣負(fù)離子濃度的觀測；在泗澗溝畫家村北山選擇中坡位140 m的相同海拔，測量陰、陽坡空氣負(fù)離子濃度的大小，采集時間集中在2017年4月、8月和12月。上述空氣負(fù)離子濃度的觀測均在連續(xù)3個晴天后的第一個晴天開始觀測，保證觀測時氣象條件的穩(wěn)定，每次負(fù)離子的采樣觀測高度均為離地面1.5 m，每個觀測點(diǎn)按東、南、西、北4個方向讀取數(shù)據(jù)，求取平均值作為該次最終的負(fù)離子濃度觀測結(jié)果。每日觀測前，均通過FLZ1-ZW3型大氣負(fù)離子自動觀測系統(tǒng)（測量允許誤差：± 10%）對手持空氣離子檢測儀進(jìn)行校正，具體校正方法如下，將兩臺儀器置于相同環(huán)境中，每隔20 s記錄兩個儀器負(fù)離子讀數(shù)，連續(xù)記錄20 min，建立手持儀器讀數(shù)為x軸，固定儀器讀數(shù)為y軸，建立散點(diǎn)圖及擬合曲線，該次手持儀器觀測數(shù)據(jù)均用以上擬合曲線校正。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 利用Microsoft Excel 2007軟件對采集得到的空氣負(fù)離子濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并根據(jù)不同時間、海拔、林內(nèi)和林緣、坡向進(jìn)行歸類，采用SPSS Statistics 19.0軟件對測量出來的各組負(fù)離子濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行處理間顯著性檢驗(yàn)，并分別繪制圖來進(jìn)行對比與分析，圖中數(shù)據(jù)均采用平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 北京九龍山空氣負(fù)離子的時間分布特征

2.1.1 空氣負(fù)離子濃度日變化特征 北京九龍山春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12—2月）4個季節(jié)空氣負(fù)離子濃度的日變化見圖1，夏季的空氣負(fù)離子濃度普遍高于其它季節(jié)（P＜ 0.05），不同季節(jié)的空氣負(fù)離子濃度日變化趨勢不盡相同。其中春季和夏季的空氣負(fù)離子濃度隨時間的變化趨勢相反；春季日變化趨勢是總體上呈先上升后下降，于12：00時左右會出現(xiàn)峰值；而夏季此時的空氣負(fù)離子濃度則處于谷值，但二者的空氣負(fù)離子濃度數(shù)值大小比較相近，約為700個·cm-3；春季和夏季的空氣負(fù)離子濃度在8：00—10：00時與16：00—18：00時均是略微平穩(wěn)上升。秋季與冬季的空氣負(fù)離子濃度日變化趨勢相同，都是先下降后上升，8：00—10：00時之間的空氣負(fù)離子濃度下降較快，10：00—16：00時處于平穩(wěn)下降，16：00—18：00時則快速上升。

2.1.2 空氣負(fù)離子濃度月變化特征 自2016年至2018年連續(xù)3年每月對北京九龍山空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行觀測記錄并處理，得到的結(jié)果如圖2所示；空氣負(fù)離子濃度隨月份時間變化呈波動起伏狀態(tài)，分別在5月和10月出現(xiàn)峰值（691個·cm-3，920個·cm-3），空氣負(fù)離子濃度處于谷值分別是3月份(225個·cm-3)、7月份（108個·cm-3)，其中7月份空氣負(fù)離子濃度約是10月份峰值的1/9，夏季附近的施工作業(yè)可能會對觀測結(jié)果有所影響。

2.2 北京九龍山空氣負(fù)離子的空間分布特征

2.2.1 空氣負(fù)離子濃度垂直梯度變化特征 北京九龍山側(cè)柏林內(nèi)與林緣的空氣負(fù)離子濃度隨海拔高度增加的變化趨勢見圖3。隨著海拔高度的增加，側(cè)柏林內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度先升高后降低，在海拔高度為500 m時，處于峰值(533個·cm-3)；側(cè)柏林緣的空氣負(fù)離子濃度則呈現(xiàn)波動起伏變化，分別在海拔高度為400 m和600 m時出現(xiàn)峰值。海拔高度由450 m增加后，側(cè)柏林內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度大小都高于林緣的；海拔高度到達(dá)600～840 m范圍時，側(cè)柏林內(nèi)和林緣的空氣負(fù)離子濃度大小比較接近（P＞ 0.05）；而且變化趨勢也幾乎一致。

圖3 側(cè)柏林內(nèi)和林緣空氣負(fù)離子濃度垂直變化特征Fig.3 The vertical gradient changes of negative air ion concentration inside and at forest edge of P. orientalis

2.2.2 空氣負(fù)離子濃度的坡向分布特征 在4月、8月、12月分別于中午12：00時對北京九龍山泗澗溝地區(qū)對側(cè)柏林陽坡與陰坡觀測空氣負(fù)離子濃度，經(jīng)過整理分析得到的結(jié)果如圖4所示，在側(cè)柏林陽坡，8月的空氣負(fù)離子濃度約是4月的3倍，而在陰坡，8月的空氣負(fù)離子濃度僅是4月的一半多；4月份，陽坡的空氣負(fù)離子濃度略低于陰坡（P＞ 0.05），而8月份、陽坡的空氣負(fù)離子濃度則明顯高于陰坡的（P＜ 0.05）；12月份，陽坡與陰坡的空氣負(fù)離子濃度大小幾乎無差異（P＞0.05）。

圖4 不同時間泗澗溝側(cè)柏林陽坡、陰坡空氣負(fù)離子濃度分布Fig.4 Negativeair ion concentration distribution on sunny-slope and shady-slope in Sijiangou forest of P. orientalis at different time

3 討論

3.1 北京九龍山空氣負(fù)離子濃度日間動態(tài)變化

本研究發(fā)現(xiàn)北京九龍山空氣負(fù)離子濃度日間變化在春季12:00時為最高值，而夏季則在12:00時達(dá)到最低值；導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是春季氣候比較干燥，溫度在空氣負(fù)離子濃度變化中起主要作用，在春季，隨著日時間的推移，溫度也隨之變化，進(jìn)而導(dǎo)致空氣負(fù)離子濃度的變化，中午12:00時，溫度最高，空氣負(fù)離子產(chǎn)生明顯增加，空氣質(zhì)量也顯著提高；而在夏季，空氣比較濕潤，濕度、溫度和光照強(qiáng)度都會是影響空氣負(fù)離子產(chǎn)生的重要因素，中午12:00時，光照強(qiáng)度與溫度的變大，會降低空氣濕度，也會抑制植物光合作用，同時降低空氣負(fù)離子的產(chǎn)生，由此導(dǎo)致中午12:00時的空氣負(fù)離子濃度減少[24-25]。秋季與冬季的空氣負(fù)離子濃度日間變化趨勢相同，早晚比較高，在14:00時—16:00時范圍間，空氣負(fù)離子濃度會降到最低，可能由此段時間光照逐漸減弱，溫度下降，濕度也下降所導(dǎo)致的。夏季的日空氣負(fù)離子濃度高于其他季節(jié)的，主要取決于溫度和濕度，夏季溫度高、雨水多，空氣中水分子噴筒電效應(yīng)和綠色植物的光電效應(yīng)都較多，空氣負(fù)離子產(chǎn)生量也大[26]。此外，空氣負(fù)離子濃度同氣溶膠含量的變化密切相關(guān)。而空氣負(fù)離子濃度又受溫度、濕度和光照等因素的影響，所以一年四季北京九龍山森林保護(hù)站空氣負(fù)離子濃度以及空氣質(zhì)量的日間變化既有溫度、濕度和光照強(qiáng)度日間變化所直接導(dǎo)致的，也有通過大氣氣溶膠含量變化間接導(dǎo)致的[27]。

3.2 北京九龍山空氣負(fù)離子濃度月份動態(tài)變化

北京九龍山空氣負(fù)離子濃度分別在5月和10月出現(xiàn)峰值，這個結(jié)果與奧林匹克森林公園[28]和北京地區(qū)[27]觀測的結(jié)果有所不同，主要區(qū)別是在6—9月植物季節(jié)性發(fā)育期間，北京地區(qū)和奧林匹克森林公園的空氣負(fù)離子濃度均高于5月的，且?guī)讉€月的空氣負(fù)離子濃度與空氣質(zhì)量也比較平穩(wěn)，這也符合綠色植被的季節(jié)性發(fā)育影響空氣負(fù)離子濃度的論證[27]。而造成北京九龍山6—9月空氣離子濃度下降的原因可能是試驗(yàn)誤差抑或該段時間周圍施工致使空氣中大量的粉塵。另外，側(cè)柏林內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度普遍高于無森林覆蓋的空地，也與劉洋和段文標(biāo)等在蓮花湖庫區(qū)水源涵養(yǎng)林觀測的結(jié)果一致[29]，之所以側(cè)柏林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度會大大提高，是因?yàn)樘柟庹丈涞絺?cè)柏的尖端葉片會更容易發(fā)生光電效應(yīng)[15]?？傊?月和10月北京九龍山的空氣負(fù)離子濃度比較高。

學(xué)者普遍認(rèn)為中國北方地區(qū)的空氣負(fù)離子濃度和空氣質(zhì)量季變化規(guī)律是夏季最高[12,27,30]，這一點(diǎn)在本研究的空氣負(fù)離子濃度和空氣質(zhì)量季變化也得到了印證。邵海榮等[27]人認(rèn)為北京地區(qū)的空氣負(fù)離子濃度和空氣質(zhì)量的變化特征順序是：夏季 ＞ 春季 ＞ 秋季 ＞ 冬季，潘劍彬等[28]和曹建新等[12]的研究結(jié)果表明的空氣負(fù)離子濃度和空氣質(zhì)量變化特征順序?yàn)椋合募?＞ 秋季 ＞ 冬季 ＞ 春季；本研究與潘劍彬和曹建新等人的結(jié)果相類似，這可能是北京地區(qū)夏秋兩季氣候高溫濕潤，保護(hù)區(qū)的植物在這兩個季節(jié)具有最佳的生長環(huán)境和狀態(tài)，進(jìn)而起到了提高和改善空氣負(fù)離子濃度與空氣質(zhì)量的作用。冬季空氣負(fù)離子濃度和空氣質(zhì)量雖好于春季，但差異并不顯著，這可能與北京地區(qū)春季多風(fēng)干燥，致使空氣中存在大量的懸浮顆粒物而影響了空氣負(fù)離子的形成機(jī)會和存活時間有關(guān)[31]。

3.3 海拔對北京九龍山空氣負(fù)離子分布的影響

北京九龍山側(cè)柏林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度先隨海拔高度的增加而升高，到達(dá)海拔500 m達(dá)到最高，之后逐漸降低，有著明顯的垂直變化規(guī)律。這與借母溪國家自然保護(hù)區(qū)和九華山風(fēng)景區(qū)對空氣離子含量與海拔關(guān)系的研究結(jié)果一致[20-21]，與Reitier的研究結(jié)果有所偏差[9]；究其原因，可能是北京九龍山林區(qū)山麓一帶靠近居民居住區(qū)，汽車尾氣和生活爐灶排出的大量煙霧灰塵與空氣中的正負(fù)電荷發(fā)生中和形成中性分子，加上環(huán)境懸浮顆粒物增多，更容易吸附空氣中的負(fù)離子，導(dǎo)致空氣負(fù)離子變成重離子而沉降消失，另外也有可能是山麓的土壤層較厚，巖石裸露較少，山地巖石的放射性物質(zhì)較少，空氣分子的電離現(xiàn)象少[11]。在山頂，由于山風(fēng)較大，側(cè)柏林又不易抑制氣體流動，致使空氣負(fù)離子擴(kuò)散；而在山體中部，與袁堯清等人的研究結(jié)果類似，可能也是由于地形原因，風(fēng)力極小，再加上人類活動較少，故空氣負(fù)離子濃度較高[20]。至于林緣在海拔450 m出現(xiàn)空氣負(fù)離子濃度降低，可能與該地區(qū)地勢平坦，爬山愛好者活動頻繁、護(hù)林員生活和森林防火道工程建設(shè)有關(guān)。

3.4 坡向?qū)Ρ本┚琵埳娇諝庳?fù)離子分布的影響

對北京九龍山泗澗溝側(cè)柏林陰、陽坡的空氣負(fù)離子含量對比分析的結(jié)果說明，4月份側(cè)柏陰坡的空氣負(fù)離子濃度略高于陽坡，可能由于春季氣候干燥，植物光合作用和蒸騰作用較弱，陰坡空氣濕度略高于陽坡，與棋盤山的研究結(jié)果一致[32]，而8月份陽坡的空氣負(fù)離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陰坡；造成這種差異的原因可能是8月份陽坡的溫度相對較高，相對濕度偏低，植物光合作用較強(qiáng)，因而有利空氣負(fù)離子的生成；陰坡溫度較低，植物光合作用弱與陽坡，風(fēng)力較大，容易造成空氣離子擴(kuò)散，再加上空氣濕度較高，雖會對空氣正離子和懸浮顆粒物有一定的吸附作用，但相應(yīng)也會造成空氣負(fù)離子的損失。

空氣負(fù)離子濃度同氣溶膠含量的變化密切相關(guān)。而空氣負(fù)離子濃度又受溫度、濕度和光照等因素的影響，所以一年四季九龍山森林保護(hù)站空氣負(fù)離子濃度以空氣質(zhì)量的日變化既有溫度、濕度和光照強(qiáng)度日變化所直接導(dǎo)致的，也有通過改變大氣氣溶膠含量間接導(dǎo)致的。由于缺乏相應(yīng)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度日變化數(shù)據(jù)，所以本研究無法直接闡述不同季節(jié)的空氣負(fù)離子濃度、空氣質(zhì)量和溫度、濕度、光照強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系。這需要通過獲取溫濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)一步對它們之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行綜合分析。至于空氣負(fù)離子含量和坡向之間的相互關(guān)系，還需要增加一系列的時間和不同氣象條件進(jìn)行觀測以取得更多的數(shù)據(jù)，才能更加合理、準(zhǔn)確地闡述陰、陽坡之間空氣負(fù)離子濃度大小的差異。

4 結(jié)論

通過對北京九龍山側(cè)柏林空氣負(fù)離子時空分布特征分析得出：北京九龍山不同季節(jié)的空氣負(fù)離子濃度日變化趨勢不同，春、夏季日間濃度變化曲線為單峰型，春季峰值出現(xiàn)在12：00，夏季峰值出現(xiàn)在14：00，秋、冬季日間濃度變化曲線為雙峰型，峰值均分別出現(xiàn)在8：00和18：00；在月變化過程中，分別于5月和10月出現(xiàn)兩個峰值（691個·cm-3和920個·cm-3）；空氣負(fù)離子濃度隨海拔高度升高先升后降，海拔高于450 m后側(cè)柏林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度均大于林緣；海拔140 m處的泗澗溝側(cè)柏林4月份陽坡的空氣負(fù)離子濃度略低于陰坡（P＞ 0.05），8月份陽坡的空氣負(fù)離子濃度則顯著高于陰坡（P＜ 0.05）。北京九龍山側(cè)柏林空氣負(fù)離子存在明顯的時空分布特征，即空氣負(fù)離子濃度隨時間表現(xiàn)為“單峰型”或“雙峰型”，隨海拔表現(xiàn)為“單峰型”，且受坡向和時間共同影響。