典型農牧交錯區(qū)大氣負氧離子濃度特征：以內蒙古多倫縣為例

張國蘭，楊麗桃，王宇宸

（1. 內蒙古自治區(qū)多倫縣氣象局，內蒙古 多倫 027300；2. 內蒙古自治區(qū)氣象科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010051；3. 內蒙古自治區(qū)人工影響天氣重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；4. 內蒙古自治區(qū)氣候中心，內蒙古 呼和浩特 010051；5. 內蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟氣象局，內蒙古 錫林浩特 026000）

大氣負(氧)離子是指帶負電荷的單個氣體分子和輕離子團的總稱[1]。由于二氧化碳負離子在大氣負離子中所占比例極低，所以大氣負離子一般都是指負氧離子[2]。近年來醫(yī)學、林業(yè)、環(huán)保、氣象等多領域學者對其開展有關研究，證明負氧離子濃度在森林、高山、瀑布、海濱等優(yōu)質環(huán)境下濃度較高，并且可以通過與正離子中和來改善空氣質量[3]，同時臨床治療及景觀療養(yǎng)過程中發(fā)現負氧離子在防治疾病、促進健康、增強體質、調節(jié)心理平衡、改善睡眠等方面具有獨特作用和優(yōu)越性[4-5]。因此，負氧離子在醫(yī)療康養(yǎng)、生態(tài)旅游、生態(tài)質量評估等方面應用廣泛。研究顯示，學者們所研究區(qū)域大多位于植被多樣且覆蓋度較高的地區(qū)，如四川峨眉山[6]、遼寧閭山[7]；或年降水量相對充沛、溫暖濕潤且生物量常年較高的浙江[8]、云南[9]等地；或北京[10]、黑龍江[11]等地區(qū)的郊區(qū)和周邊公園等。綜合各方面研究結果發(fā)現，大氣負氧離子濃度高低受空氣環(huán)境質量、天氣氣候、森林植被類型、人類活動、水資源狀況等多種因素影響，存在明顯的地域性差異；隨之導致各地大氣負氧離子濃度時空變化規(guī)律、主要影響因子也不盡相同。但目前有關大氣負氧離子濃度研究中，其橫向分析數據時間序列較短或網格較大，縱向研究其影響因子時選取因素較少；并且在北方高海拔地區(qū)所開展的此類研究有限，特別是迄今為止沒有針對典型農牧交錯區(qū)進行有關探討分析。

北方農牧交錯帶是半濕潤地區(qū)與半干旱地區(qū)的氣候交匯帶，是草地農業(yè)和耕地農業(yè)的契合發(fā)展帶，是中東部地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障和京津冀地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)帶。歷史文化名鎮(zhèn)多倫縣位于內蒙古錫林郭勒盟東南部，地處陰山北麓東段，渾善達克沙地東南端，是我國農牧交錯區(qū)的典型地區(qū)之一[12]，是森林、草原與沙地過渡地帶，也是京津風沙源工程建設重點區(qū)域。綠草藍天，空氣污染較少，據環(huán)境監(jiān)測站數據顯示，近年空氣質量優(yōu)良天數多在335 d 以上。國內關于多倫縣開展的研究較多，戴路煒等[13]對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系進行了研究，胡小龍等[14]對濕地時空變化及其驅動力進行分析。但是，不同種類草原植被環(huán)境中，在負氧離子濃度變化規(guī)律及影響因子等方面的研究還有待深入。鑒于地理位置的獨特性，以多倫縣為例探討北方典型農牧交錯區(qū)大氣負氧離子濃度特征及其影響因子具有代表意義，將填補半濕潤半干旱氣候區(qū)域有關負氧離子濃度研究空白。

本研究利用2017 年6 月至2018 年5 月多倫縣地區(qū)大氣負氧離子濃度、氣象及空氣質量監(jiān)測資料，分析大氣負氧離子濃度時空變化規(guī)律，研究其與氣象要素、空氣污染物指標相關性，探討對比區(qū)域內森林草原植被、草甸草原植被、濕地植被3 種不同環(huán)境下大氣負氧離子特征差異，為下一步建立大氣負氧離子濃度模擬方程提供基礎，以期為生態(tài)環(huán)境修復、經濟發(fā)展決策、旅游扶貧等提供思路及科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

多倫縣 (115°51′ - 116°54′ E，41°46′ - 42°36′ N)總面積3 863 km2，海拔1 100～1 700 m；近30 年年均氣溫2.8 ℃，年均降水量378 mm，年均相對濕度60%。地勢總體由西南向東北逐漸低緩，呈盆地狀；境內河流水系較發(fā)達，有常年性河流47 條，季節(jié)性河流11 條，均流入灤河，屬海河水系，水域總面積108 km2。擁有多處濕地[14-16]，自然植被主要分布有典型草原植被、草甸草原植被、沙地植被、沼澤植被等類型[16]。2000 年至今，經過大規(guī)模生態(tài)治理建設，目前全縣林地面積1 953 km2，森林覆蓋率37.9%，草本植被覆蓋率明顯增加，防沙治沙效果顯著[17]。目前建設有龍澤湖公園、撅尾巴河和榆木川3 個大氣負氧離子自動觀測站(圖1)。龍澤湖公園監(jiān)測站位于縣政府所在地諾爾鎮(zhèn)城區(qū)中心，屬城鎮(zhèn)商業(yè)交通居民混合區(qū)，研究時段內年平均氣溫4.0 ℃，年平均降水量388.5 mm；鄰近湖水引自常年性河流小河子河，屬濕地植被類型，以喬木、灌木和天然草地為主；植被茂盛，生態(tài)環(huán)境較好，寸草苔(Carex duriuscula)、問荊(Equisetum arvense)分布較廣。撅尾巴河監(jiān)測站位于多倫縣北部，年均平氣溫2.8 ℃，年平均降水量333.5 mm；鄰近村莊及常年性河流撅尾巴河，人流量較少；屬草甸草原植被類型，植被主要有委陵菜(Potentilla chinensis)、冰草(Agropyron cristatum)等。榆木川監(jiān)測站位于多倫縣東南部灤河源國家森林公園內，年平均氣溫2.9 ℃，年平均降水量433.7 mm；鄰近灤河，屬森林草原植被類型[18-19]，大部分植物屬于蒙古-達烏里植物區(qū)系，主要為天然榆樹林和榆樹疏林草地；植被有羊草 (Leymus chinensis)、大針茅 (Stupa grandis)等；森林覆蓋率達70%，以天然白榆(Ulmus pumila)和白樺(Betula platyphylla)為主。

圖1 內蒙古多倫縣大氣負氧離子監(jiān)測站地理分布圖Figure 1 Geographical distribution of atmospheric negatively charged oxygen ion monitoring stations in Duolun County, Inner Mongolia

1.2 數據來源

本研究使用基礎數據為經過質量控制的2017年6 月至2018 年5 月間的大氣負氧離子濃度數據、地面氣象觀測數據和環(huán)境監(jiān)測空氣污染物數據。大氣負氧離子濃度數據來源于獲得中國氣象局裝備許可證的威德創(chuàng)新科技(北京)有限公司FLZ1 型大氣負離子自動觀測系統(tǒng)；地面氣象觀測數據來源于多倫縣國家基準氣候站，包括氣壓(hPa)、氣溫(℃)、相對濕度(%)、2 min 平均風速(m·s?1)、降水量(mm)和日照(h)；環(huán)境監(jiān)測空氣污染物數據源于多倫縣國家 三 級 環(huán) 境 監(jiān) 測 站，包 括PM 10 (μg·m?3)、PM 2.5(μg·m?3)、 CO (mg·m?3)、SO2(μg·m?3)、NO2(μg·m?3)和O3(μg·m?3)。

1.3 研究方法

參考《地面氣象自動觀測規(guī)范(第一版)》[20]，結合負氧離子濃度數據特點，秉持統(tǒng)計方法一致性原則，各要素不同時間尺度下統(tǒng)計方法如下：日平均為該日相應要素24 個整點值的算術平均值。月平均為月內各日平均值的算術平均值。季平均為相應各月平均值的算術平均值；依據當地氣候特點，春季為3 月 ? 5 月、夏季為6 月 ? 8 月、秋季為9 月 ?11 月、冬季為12 月 ? 次年2 月。

使用Excel 2010 軟件進行質控、統(tǒng)計，并繪制曲線變化圖分析多倫縣地區(qū)大氣負氧離子濃度日、月際變化特征。利用SPSS 22.軟件對多倫縣代表不同下墊面環(huán)境的3 個觀測區(qū)域及不同季節(jié)負氧離子濃度進行Kruskal-Wallis 檢驗和多重比較，在總體特征基礎上分析負氧離子濃度空間差異性；基于研究時段內3 個觀測區(qū)域平均負氧離子濃度，對多倫縣負氧離子濃度與氣壓、氣溫、相對濕度等主要氣象要素進行Spearman 相關性分析，揭示負氧離子濃度日變化、月際變化與各氣象因子間關系；以多倫縣龍澤湖公園監(jiān)測區(qū)域為例，對負氧離子濃度與PM 10、O3等6 個大氣污染物因子進行Spearman 相關性分析，探討負氧離子日平均濃度與大氣污染物之間關系。

2 結果與分析

2.1 負氧離子濃度變化特征

2.1.1 日變化特征分析

將全序列逐小時整點觀測數據進行平均，繪制全天24 h 逐時整點平均值曲線圖(圖2)。3 個監(jiān)測區(qū)域負氧離子濃度日變化特征基本一致，均呈一峰一谷型，峰值在早晨，谷值在午后；白天時段波動起伏明顯，夜間時段相對平穩(wěn)。一日之內負氧離子濃度較高時段出現在20:00 至次日07:00，較低時段出現在11:00 ? 19:00；06:00 達到日最高值，之后迅速下降，日最低值出現在15:00 前后。

圖2 內蒙古多倫縣各監(jiān)測區(qū)負氧離子濃度日變化特征圖Figure 2 Diurnal variation in negatively charged oxygen ion concentrations in Duolun County, Inner Mongolia

如表1 所列，各監(jiān)測站區(qū)域負氧離子濃度日變化特征雖然大體相同，但不同下墊面及環(huán)境下變化特征仍存在一定差異。研究表明[8,21]，森林覆蓋度、植物量、太陽輻射、濕地以及光合作用等均影響負氧離子濃度，且樹木植物數量與濃度正相關。對內蒙古多倫縣地區(qū)負氧離子濃度進行差異性分析顯示，3 個監(jiān)測區(qū)域年度數據總體分布存在統(tǒng)計學差異(H= 30.162，P< 0.001)，其中榆木川與龍澤湖存在統(tǒng)計學差異(P< 0.05)，與撅尾巴河也存在統(tǒng)計學差異，且榆木川優(yōu)于龍澤湖和撅尾巴河；龍澤湖與撅尾巴河差異沒有統(tǒng)計學意義(P> 0.05)。夏季數據總體分布存在統(tǒng)計學差異(H= 69.635，P< 0.001)，其中龍澤湖與撅尾巴河存在統(tǒng)計學差異(P< 0.05)，與榆木川也存在統(tǒng)計學差異，且龍澤湖劣于榆木川和撅尾巴河；撅尾巴河與榆木川差異沒有統(tǒng)計學意義(P> 0.05)。秋季數據總體分布存在統(tǒng)計學差異(H= 10.169，P= 0.006)，其中榆木川與撅尾巴河存在統(tǒng)計學差異(P= 0.008)，與龍澤湖也存在統(tǒng)計學差異(P= 0.044)，且榆木川優(yōu)于龍澤湖和撅尾巴河；龍澤湖與撅尾巴河差異沒有統(tǒng)計學意義(P> 0.05)。冬季數據總體分布存在統(tǒng)計學差異(H= 49.688，P<0.001)，其中龍澤湖與撅尾巴河存在統(tǒng)計學差異(P<0.05)，與榆木川也存在統(tǒng)計學差異，且龍澤湖優(yōu)于撅尾巴河和榆木川；撅尾巴河與榆木川差異沒有統(tǒng)計學意義(P> 0.05)。春季數據總體分布存在統(tǒng)計學差異(H= 74.570，P< 0.001)，其中榆木川與龍澤湖存在統(tǒng)計學差異(P< 0.05)，與撅尾巴河也存在統(tǒng)計學差異，且榆木川優(yōu)于龍澤湖和撅尾巴河；龍澤湖與撅尾巴河差異沒有統(tǒng)計學意義(P> 0.05)。

表1 2017 年6 月至2018 年5 月內蒙古多倫縣地區(qū)各觀測區(qū)負氧離子濃度差異分析Table 1 Differences in negatively charged oxygen ion concentrations in observation areas within Duolun County, Inner Mongolia from June 2017 to May 2018cm?3

2.1.2 月際變化特征分析

多倫縣地區(qū)負氧離子濃度月際變化特征(圖3)顯示，可見存在明顯季節(jié)性差異。其中，11 月至次年3 月間負氧離子濃度基本無變化，6 月起出現明顯上升趨勢，7 月至8 月達到全年最高，9 月開始逐漸下降。年度中6 月至10 月間以8 月為中心，基本呈正態(tài)分布。對比3 個監(jiān)測區(qū)域負氧離子濃度月際變化特征基本一致，但榆木川監(jiān)測區(qū)域負氧離子濃度夏、秋季節(jié)明顯高于撅尾巴河和龍澤湖公園，年度內榆木川和撅尾巴河監(jiān)測區(qū)域月平均濃度最大值出現在7 月，龍澤湖監(jiān)測區(qū)域負氧離子濃度最大值出現在8 月。

圖3 內蒙古多倫縣各監(jiān)測區(qū)負氧離子濃度月際變化特征圖Figure 3 Monthly variations in negatively charged oxygen ion concentrations in Duolun County, Inner Mongolia

2.2 負氧離子濃度變化與氣象要素關系

2.2.1 日變化與氣象要素關系

由于各監(jiān)測區(qū)域負氧離子濃度日變化趨勢基本一致，因此分別求得3 個監(jiān)測區(qū)域研究時段內365 d及夏、秋、冬、春四季逐小時負氧離子濃度平均值。通過負氧離子濃度與各要素曲線圖(圖4)及相關性分析(表2)，探索多倫縣地區(qū)負氧離子濃度日變化與氣壓、氣溫、相對濕度及2 min 平均風速關系。

表2 多倫縣地區(qū)負氧離子濃度日變化與氣壓、氣溫、平均風速及相對濕度的相關系數Table 2 Correlation coefficients between diurnal variations in negatively charged oxygen ion concentrations and air pressure,air temperature, average wind speed, and relative humidity in Duolun County, Inner Mongolia

多倫縣晝夜溫差較大，夜間空氣相對濕度明顯高于白天，風速同樣具有明顯日變化。負氧離子濃度晝夜波動特征明顯，且日變化峰、谷值與氣溫、相對濕度及2 min 平均風速日極值出現時間吻合較好，與氣壓日波動規(guī)律有差異(圖4)。日出后隨著氣溫升高，負氧離子濃度快速減小，15:00 后隨著氣溫下降負氧離子濃度開始逐漸增大；負氧離子濃度隨相對濕度增加而增大，隨其減小而降低；白天風速增大負氧離子濃度隨之降低，15:00 后風速逐漸減小而負氧離子濃度上升。

圖4 內蒙古多倫縣地區(qū)負氧離子濃度與氣壓、氣溫、相對濕度、2 min 平均風速日變化特征圖Figure 4 Monthly variations in negatively charged oxygen ion concentrations and air pressure, air temperature, relative humidity, and two-minute average wind speed in Duolun County, Inner Mongolia

通過Spearman 雙變量相關性分析(表2)，可見負氧離子濃度日變化與氣壓呈正相關且存在季節(jié)性差異，其中春季為極顯著相關(P< 0.01)，夏、秋季為顯著相關(P< 0.05)，冬季相關性不顯著(P>0.05)；與氣溫呈極顯著負相關(P< 0.01)，且基本不存在季節(jié)性差異；與相對濕度呈極顯著正相關(P<0.01)，且4 個季節(jié)基本無差異；與2 min 平均風速呈極顯著負相關(P< 0.01)，冬季相關程度相比夏、秋、春季略弱。根據散點圖分析得出，負氧離子濃度日變化與氣溫、相對濕度呈線性相關，與氣壓、2 min平均風速呈非線性相關。

2.2.2 月際變化與氣象要素關系

圖5 反映了多倫縣地區(qū)負氧離子濃度與氣壓、相對濕度、氣溫、2 min 平均風速、降水量以及日照各要素月際變化特征關系?？梢娯撗蹼x子濃度月際變化特征明顯，且與氣象要素波動規(guī)律存在一定關聯性。對比發(fā)現，與降水量波動規(guī)律吻合度最佳；與氣溫在6 月 - 12 月波動規(guī)律一致且吻合度很高，1 月 - 5 月表現不明顯；與空氣相對濕度波動規(guī)律大體一致，在6 月 - 9 月波動規(guī)律一致且吻合度最好，10 月 - 5 月表現不穩(wěn)定；與2 min 平均風速變化規(guī)律呈明顯反向關系；與氣壓及日照的波動規(guī)律關聯性，相比以上4 個要素表現較差。

圖5 內蒙古多倫縣地區(qū)負氧離子濃度與降水量等氣象要素月際變化特征圖Figure 5 Monthly variations in negatively charged oxygen ion concentrations and precipitation in Duolun County, Inner Mongolia

通過Spearman 雙變量相關性分析，揭示負氧離子濃度月際變化與以上各氣象要素相關性(表3)。結果表明負氧離子濃度月際變化與氣溫、降水量極顯著正相關(P< 0.01)，與相對濕度顯著正相關(P<0.05)；與2 min 平均風速顯著負相關(P< 0.05)；與氣壓、日照時數相關性不顯著(P> 0.05)。

表3 內蒙古多倫縣地區(qū)負氧離子濃度月變化與各氣象要素相關性Table 3 Correlations between monthly variations in negatively charged oxygen ion concentrations and meteorological elements in Duolun County, Inner Mongolia

2.3 負氧離子日平均濃度與空氣污染物要素關系

負氧離子濃度變化不但與部分氣象要素關系顯著，而且大氣顆粒物濃度也是其重要的影響因子[22]。由于空氣污染存在明顯的區(qū)域性，多倫縣環(huán)境監(jiān)測站距離龍澤湖公園僅1 km，為使得分析結果更具客觀性和代表性，特以龍澤湖公園負氧離子監(jiān)測站為例，分析負氧離子日平均濃度與空氣污染物指標要素間關系?？諝馕廴疚镏笜艘剡x擇PM 10、PM 2.5、CO、SO2、NO2和O3逐日平均值。

相關性分析(表4)顯示，空氣污染物指標因子對負氧離子日平均濃度影響存在明顯季節(jié)性差異。其中，夏季負氧離子日平均濃度與PM 2.5、CO 無相關，空氣污染物指標因子與PM 10、SO2、NO2和O3均呈極顯著負相關關系(P< 0.01)，但相關程度弱，PM 10 的相關系數最大，為?0.377；秋季負氧離子日平均濃度與PM 2.5、O3不存在相關性(P>0.05)，與PM 10、CO、SO2和NO2均呈極顯著負相關關系(P< 0.01)，相關程度中等或以上，SO2的相關系數最大，為?0.622；冬季負氧離子日平均濃度僅與CO、SO2存在相關性，且呈極顯著負相關關系(P<0.01)，相關程度弱；春季僅與CO 呈顯著負相關(P<0.05)，相關程度弱。綜合來看，多倫縣地區(qū)負氧離子日平均濃度與其中5 項空氣污染物因子均呈負相關關系，但與PM 2.5 在4 個季節(jié)中均不存在相關性。

表4 內蒙古多倫縣地區(qū)負氧離子日平均濃度與各空氣污染物指標相關性Table 4 Correlation between daily average concentration of negatively charged oxygen ions and air pollutants in Duolun County, Inner Mongolia

3 討論與結論

多倫縣地處竺可楨380 mm 降水量中軸線上，屬典型農牧交錯區(qū)，但負氧離子濃度日變化特征基本與降水量較大、生態(tài)環(huán)境較好地區(qū)夜間高于白天的規(guī)律一致[21,23]。負氧離子濃度夏季最高，秋季次之，冬春季相近且最低。3 個監(jiān)測區(qū)域周圍環(huán)境及下墊面不同，負氧離子濃度存在統(tǒng)計學差異，夏、冬季濕地植被環(huán)境中負氧離子濃度與草甸草原和森林草原植被環(huán)境下負氧離子濃度差異具有統(tǒng)計學意義，并以夏季最為明顯；春、秋季森林草原地帶負氧離子濃度與草甸草原和濕地植被環(huán)境下負氧離子濃度存在統(tǒng)計學差異，并以秋季最為明顯。夜間草甸草原與森林草原負氧離子濃度值相近；白天森林草原負氧離子濃度值明顯高于草甸草原?？梢?，負氧離子濃度與周圍植被及下墊面狀況關系密切，生物量密度較高且植被多樣的森林草原環(huán)境更有利于負氧離子的產生。

多倫縣一年中夏秋季溫暖、濕潤，降水量占全年的85%左右；冬春季節(jié)寒冷多風。除發(fā)生嚴重春旱情況外，當地每年5 月起逐漸進入大面積返青期，6 月至8 月為生長旺盛期，特別是7 月至8 月為一年中光照時間最長、溫度最高、降水最集中、風力最小的階段；初霜日出現在8 月下旬到9 月上旬，9 月至11 月花草樹木均開始逐漸衰敗直至完全枯萎，12 月至4 月為完全枯萎期?？梢姎夂颉⒅脖?、周圍環(huán)境以及人口密度等多種因素共同影響負氧離子濃度月際變化，氣候及植被等生態(tài)因素為關鍵性因子。

本研究中負氧離子濃度日均濃度與PM 2.5 無相關性，這與部分研究結果相悖[24]，推斷可能是因為當地人口稀少，PM 2.5 污染物含量較低；其次，日平均濃度變化角度不能夠分析出其影響程度及關系，有待進一步縮小時間網格密度予以分析。

綜上所述，多倫縣地區(qū)盡管地處干旱少雨的典型農牧交錯區(qū)，但夏、秋季節(jié)負氧離子濃度含量可與部分南方風景名勝地區(qū)相媲美。近年來有關部門重視生態(tài)環(huán)境發(fā)展，不斷加大生態(tài)環(huán)境建設投資力度，通過退耕還林還草、京津風沙源治理、百萬畝樟子松以及碳匯林等生態(tài)工程，逐步實現對20 世紀80 年代以來因過度開墾等原因造成環(huán)境惡化的生態(tài)修復[25]。多倫縣生態(tài)建設成果對生態(tài)脆弱區(qū)如何調整產業(yè)結構，實現生態(tài)修復與經濟發(fā)展相互促進具有示范意義。作為歷史旅游文化名鎮(zhèn)，決策及旅游部門可根據多倫縣負氧離子濃度空間及時間變化規(guī)律，打造“生態(tài)+康養(yǎng)”旅游，發(fā)展并提供多樣豐富的旅游線路及產品。同時，本研究結果對北方干燥地區(qū)能夠存在較豐富的負氧離子成因研究具有一定借鑒意義。