空氣負(fù)離子時(shí)空分布及其影響因素研究進(jìn)展

李歡歡 胡文杰 崔鴻俠 唐萬鵬

(1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 武漢 430075；2.湖北神農(nóng)架森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站 神農(nóng)架 442421)

空氣負(fù)離子(Negative air ion，以下簡(jiǎn)稱NAI)，是指帶有負(fù)電荷的單個(gè)氣體分子和輕離子團(tuán)的總稱，是評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1,2]。NAI不僅可與顆粒物、有害氣體等相結(jié)合，還可以殺滅空氣中的病菌，起到除塵凈化的作用，被譽(yù)為“空氣維生素”。此外，NAI還能促進(jìn)人體的新陳代謝，增強(qiáng)機(jī)體免疫力，增加人體舒適度、恢復(fù)疲勞、維持健康等[3-5]。隨著人們對(duì)環(huán)境問題和自身健康的愈發(fā)重視，NAI相關(guān)研究逐漸成為熱點(diǎn)課題。

關(guān)于NAI的研究最早可以追溯到19世紀(jì)末，德國(guó)的科學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)了空氣帶電現(xiàn)象，接著法國(guó)和英國(guó)科學(xué)家證實(shí)了NAI的存在，隨后一位德國(guó)醫(yī)生發(fā)現(xiàn)了NAI對(duì)人體健康的影響。1932年，美國(guó)CRA公司發(fā)明了第一臺(tái)醫(yī)用NAI發(fā)生器，20世紀(jì)歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)NAI開展了許多研究，集中在醫(yī)療保健等方面[6-8]。自1978年國(guó)內(nèi)學(xué)者開始對(duì)NAI的研究，20世紀(jì)80～90年代NAI成為研究熱點(diǎn)[6]。國(guó)內(nèi)研究主要側(cè)重于森林綠地、休閑公園、人類生活區(qū)等不同環(huán)境中NAI的濃度水平、時(shí)空變化特征，以及不同的氣候、海拔、植被類型等因素對(duì)NAI濃度的影響等[9,10]。

NAI能提高空氣環(huán)境質(zhì)量，有利于人體健康，因此了解掌握NAI濃度變化規(guī)律及其影響因素對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)及綠色城市建設(shè)等相關(guān)行業(yè)都有著重要的科學(xué)意義。目前眾多學(xué)者對(duì)NAI的相關(guān)研究不斷深入，但因儀器設(shè)備、區(qū)域氣候特征、下墊面、植被類型甚至樹種差異等因素的不同，得出的研究結(jié)果有所異同。因此，本研究將這些最新研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納，并分析產(chǎn)生差異的原因，提出未來研究可注意的方面，為后續(xù)研究提供參考。

1 NAI的生成與觀測(cè)

1.1 NAI種類

1.2 NAI生成

自然界中，NAI產(chǎn)生形式主要包括：在太陽(yáng)輻射或雷電等環(huán)境下電離出的電子和空氣中的氧分子等結(jié)合而成；在瀑布、降雨等沖擊下水分子裂解而成；在植被光合作用時(shí)釋放的負(fù)離子等[3,11]。人為生成負(fù)離子的方法包括紫外線或放射性物質(zhì)輻射、高壓水排出、電暈放電等[6,12]。

1.3 NAI觀測(cè)

對(duì)NAI一般采用空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，參考大多數(shù)人身高，儀器一般設(shè)置于離地1.5 m左右，對(duì)同一樣點(diǎn)垂直的4個(gè)方向各讀取一次數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)x分為便攜式和固定式二類，各有優(yōu)缺點(diǎn)。便攜式攜帶方便但不便長(zhǎng)期觀測(cè)，固定式便于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)但攜帶不便。不同儀器的離子遷移率不同，比如常用的DLY-3G型空氣離子測(cè)量?jī)x的離子遷移率分3檔：1.0、0.4、0.15 cm2/(V·s)；而DLY-7G型空氣離子測(cè)量?jī)x僅監(jiān)測(cè)離子遷移率大于0.15 cm2/(V·s)的離子[13]。空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x器在不斷優(yōu)化更新，目前精度更高、穩(wěn)定性更好的雙重圓筒軸式離子測(cè)定儀已經(jīng)能夠開展較長(zhǎng)時(shí)間地定位觀測(cè)，并自動(dòng)收集數(shù)據(jù)，對(duì)更長(zhǎng)周期、更系統(tǒng)性地研究NAI起著至關(guān)重要的推動(dòng)作用[14]。

目前眾多研究表明，對(duì)NAI的觀測(cè)方法存在較大差別。有的學(xué)者選擇合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)直接進(jìn)行測(cè)量[15]，有的采用樣圓的方法進(jìn)行測(cè)量[16]，而大多研究者則采用在20 m×20 m的樣地中選擇5 m×5 m或1 m×1 m的樣方進(jìn)行測(cè)量[9,17,18]。在監(jiān)測(cè)時(shí)間上，一般選擇天氣情況為3天以上晴朗靜風(fēng)天氣(風(fēng)速<2 m/s)，大多數(shù)選擇8∶00～18∶00時(shí)間段觀測(cè)，每間隔1 h或2 h整點(diǎn)采集1次數(shù)據(jù)，讀數(shù)3次并取其平均值作為測(cè)定值[17,18]。也有學(xué)者進(jìn)行全天候24 h觀測(cè)[2]。

2 NAI時(shí)空分布特征

大量研究表明，NAI變化存在較大的時(shí)空異質(zhì)性[19]。

2.1 NAI時(shí)間分布特征

(1)NAI濃度日變化:大量研究表明，雖然一天中的NAI濃度變化存在明顯的規(guī)律，但NAI濃度日變化的峰與谷極值出現(xiàn)的時(shí)間隨著不同地域、不同植物群落等各種影響因素的不同而不同[20,21]。有較多研究顯示NAI濃度日變化大致呈“中午低、早晚高”的雙峰型分布特征：清晨NAI濃度一般較高，中午NAI濃度為低谷區(qū)，而下午NAI濃度有所回升[22-26]。這種雙峰型分布特征的原因可能是，上午植被的光合作用隨著光照增加而逐漸加強(qiáng)，釋放氧氣速率增加，導(dǎo)致負(fù)離子濃度提升，中午因植物光合作用的“午睡”現(xiàn)象導(dǎo)致負(fù)離子濃度下降，植物光合作用的“午睡”過后植被的光合作用又慢慢增強(qiáng)，大氣中的負(fù)離子濃度也慢慢增大，到傍晚時(shí)出現(xiàn)極值，隨后慢慢下降[22-26]。也有一些研究結(jié)果表明，有些地區(qū)的NAI濃度的日變化呈“單峰型”，峰值和谷值因研究區(qū)域的不同差異較大[17,27,28]。單峰型變化的原因可能是部分研究的監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為8∶00～16∶00，相比24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)較短，因此只觀測(cè)到一個(gè)峰值。

研究還表明，在不同天氣與不同季節(jié)大氣中NAI濃度的日變化規(guī)律也會(huì)有所區(qū)別。在晴天、陰天、雨天和雪天等不同天氣條件下，其變化規(guī)律大致呈現(xiàn)為：雪天>雨天>晴天>陰天[20]。方硯秋等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降水量較小時(shí)，降雨對(duì)NAI濃度沒有明顯影響；隨著降水量逐漸增加，大氣中負(fù)離子濃度不斷上升；但當(dāng)出現(xiàn)暴雨天氣的時(shí)候，負(fù)離子濃度反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[29]。余海等研究發(fā)現(xiàn)，春夏季時(shí)，NAI濃度的日間變化曲線為單峰型，峰值出現(xiàn)在午后，而在秋冬季，其變化曲線卻為雙峰型[15]。其原因可能是在不同的氣候條件下，溫度和濕度影響了NAI生成的速度。

(2)NAI濃度季節(jié)變化:同一地區(qū)大氣中的NAI濃度在不同季節(jié)時(shí)也呈現(xiàn)一定的變化特征。較多研究結(jié)果表明，大氣中的NAI濃度在夏季最高，冬季最低，春秋季節(jié)介于中間[18,30]；也有一些研究發(fā)現(xiàn)大氣中的NAI濃度在夏季最高、春季最低，秋冬居中[31,32]。但總地來說，夏季大氣中的NAI濃度普遍要高于春季和冬季。也有少量研究發(fā)現(xiàn)NAI濃度在秋季最高[33]。胡夢(mèng)玲等研究還發(fā)現(xiàn)，城郊森林區(qū)季節(jié)大氣中的平均負(fù)氧離子濃度為秋季>冬季>夏季>春季，城市綠地區(qū)為夏季>春季>冬季>秋季[20]。分析出現(xiàn)這些差異的原因可能是，南北方不同地域環(huán)境、不同氣候條件導(dǎo)致NAI濃度的季節(jié)變化存在一定的差異性。

2.2 NAI空間分布特征

研究表明，NAI濃度在郊區(qū)及鄉(xiāng)村比城市高，NAI濃度從市中心向鄉(xiāng)村逐漸增大，呈現(xiàn)城鄉(xiāng)梯度。市區(qū)平均濃度為200～300個(gè)/cm3，郊區(qū)及鄉(xiāng)村達(dá)到500個(gè)/cm3以上[6,34]。水域地區(qū)的NAI濃度要比無水域地區(qū)更高。不同水體周圍的NAI濃度相差較大，總的來說呈現(xiàn)為：瀑布>人工噴泉>流動(dòng)水體>靜態(tài)水體，同時(shí)相距水體越遠(yuǎn)的地方，其NAI濃度越低[6,35]。

余海等研究表明，同一山體，隨著海拔的升高，大氣中NAI濃度呈現(xiàn)先升高后降低的特征，峰值出現(xiàn)在海拔400～600 m的高度[15]。馬榮等研究發(fā)現(xiàn)大氣中NAI濃度總體來說隨海拔的升高而降低[28]。NAI在坡向分布上也具有一定的特征，在夏季陽(yáng)坡的NAI濃度明顯高于陰坡，其他季節(jié)則差別不大[15]。NAI濃度分布的垂直差異可能是由于土壤輻射的垂直差異所致，人為活動(dòng)使得自然地形、地表植被遭到改變和破壞，最終影響地表輻射特性和大氣環(huán)境[36]。

3 影響NAI生成的因素

NAI的理化過程受到環(huán)境中許多因素影響，環(huán)境中的不同的氣象因子、空氣中含有的顆粒物(總懸浮顆粒物、PM2.5、PM10)等物質(zhì)含量的不同、不同的地理?xiàng)l件和林分類型等，都會(huì)對(duì)NAI濃度水平和分布產(chǎn)生影響[18,37]。

3.1 空氣溫濕度

研究發(fā)現(xiàn)，大氣中NAI濃度水平與溫濕度緊密相關(guān)。多數(shù)研究通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，NAI濃度與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)性[10,34]。這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，植物光合作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致NAI濃度增加。也有一些研究發(fā)現(xiàn)，NAI濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)性[19,38]。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在15 ℃以上時(shí)，NAI濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)溫度在15 ℃以下時(shí)，NAI濃度與溫度呈正相關(guān)[39]。這可能是因夏季溫度過高，污染物擴(kuò)散過程中吸附了大量NAI，導(dǎo)致NAI濃度降低。可見溫度對(duì)NAI濃度影響較為復(fù)雜。

一些研究表明，NAI濃度與相對(duì)濕度呈正相關(guān)[19,22,40]。這可能是因空氣濕度增加，水汽使得氣溶膠更容易沉降，有利于NAI的生成與積累[22]。因此，水體附近尤其是瀑布等流動(dòng)的水體附近負(fù)離子濃度水平一般比較高。另外也有一些研究發(fā)現(xiàn)，大氣中NAI濃度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)[18,41]。這可能是空氣濕度較高時(shí)，使太陽(yáng)輻射減弱，影響輻射電離反應(yīng)產(chǎn)生NAI的過程[39]。

3.2 空氣物質(zhì)含量

空氣中一些物質(zhì)含量也會(huì)影響負(fù)離子濃度。研究表明，NAI濃度與大氣中的PM2.5和PM10濃度呈顯著的負(fù)相關(guān)[19,34]。這可能是因空氣中氣溶膠的增加會(huì)增加離子中和沉降，從而導(dǎo)致NAI濃度顯著減少。一些學(xué)者的研究結(jié)果還表明負(fù)離子濃度與正離子濃度呈顯著正相關(guān)[42]，與大氣中的SO2、NOX等呈負(fù)相關(guān)[30,38]，與大氣中的CO2呈顯著正相關(guān)[42,43]。

3.3 太陽(yáng)輻射

一些研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)輻射的變化極可能是影響NAI濃度變化的重要成因。陳梓茹等研究表明，NAI濃度與太陽(yáng)輻射和光照強(qiáng)度相關(guān)[44]。胡夢(mèng)玲等研究發(fā)現(xiàn)NAI濃度與日照時(shí)數(shù)和日凈全輻射呈顯著的正相關(guān)，NAI濃度隨著光照的加強(qiáng)而增多[20]。Wang和Li研究發(fā)現(xiàn)，封閉環(huán)境內(nèi)的植物在不同光強(qiáng)條件下，產(chǎn)生的NAI濃度與光強(qiáng)呈指數(shù)函數(shù)相關(guān)[45]。

3.4 植被群落

眾多研究表明，有植被覆蓋的地區(qū)比沒有植被覆蓋的地區(qū)NAI濃度要高得多。植被覆蓋度越高，樹種種類越多，還有研究認(rèn)為NAI濃度越高，其中密林提升NAI濃度效果最為顯著[37]。NAI濃度與植被葉面積指數(shù)、郁閉度均呈正相關(guān)[46,47]。這是因?yàn)楦哂糸]度的森林群落，能有效吸收并降低太陽(yáng)輻射，起到降溫增濕的效果，使得空氣中負(fù)氧離子濃度提升[47]。

植被群落結(jié)構(gòu)不同，負(fù)離子濃度也有所不同。研究發(fā)現(xiàn)，NAI濃度在多層結(jié)構(gòu)植被覆蓋區(qū)最高，植被層次結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單的覆蓋區(qū)其大氣NAI濃度越低，最低的是單一結(jié)構(gòu)植被覆蓋區(qū)，即復(fù)層>雙層>單層，喬—灌—草>喬—草>灌—草[9,18,48]。潘劍彬等研究認(rèn)為，喬木林提升NAI濃度的效果最為顯著[46]。不同區(qū)域植被群落類型的NAI濃度也有所差異，從不同林分類型看，闊葉林>混交林>針葉林>灌草地[49]。

總的來說，植被通過光合作用以及葉片尖端放電，能有效增加環(huán)境中的NAI濃度水平，但因植物群落本身的差異(如群落物種組成結(jié)構(gòu)、樹齡、郁閉度、群落類型等因素的不同)和植物群落所處的外部環(huán)境的不同所產(chǎn)生大氣的NAI濃度差異明顯。

4 展望

眾多學(xué)者對(duì)NAI的研究取得了豐碩成果，揭示了大氣中的NAI在日變化、季節(jié)變化和空間分布上都具有明顯的特征和規(guī)律，但因影響NAI生成的因素較多，目前普遍認(rèn)可是環(huán)境因素影響大氣NAI濃度，氣象因素包括溫度、濕度、空氣顆粒物、太陽(yáng)輻射等，地理因素包括海拔高度、坡向、下墊面等，植被因素包括樹齡、郁閉度、群落結(jié)構(gòu)及類型等。但因?yàn)橛^測(cè)儀器、研究方法的不同，得出的結(jié)論有所異同。因此，建議在今后的研究中盡量選擇統(tǒng)一且精度高、穩(wěn)定性好的監(jiān)測(cè)設(shè)備，或建立統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)設(shè)備技術(shù)參數(shù)，并確定統(tǒng)一的研究方法，以排除不同監(jiān)測(cè)儀器和方法的影響，使得不同地域的研究成果更具有比較性。隨著人們對(duì)健康的重視，NAI研究在人體健康、環(huán)境保護(hù)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等方面將有著廣闊的應(yīng)用前景。