我國森林空氣負離子研究進展

鄒慧儒 彭友貴 唐剛

摘要? 空氣負離子具有凈化空氣和康養(yǎng)保健的重要功能，是監(jiān)測空氣質(zhì)量的重要指標。森林為空氣負離子產(chǎn)生提供了良好環(huán)境。根據(jù)相關(guān)研究文獻，探討了森林空氣負離子的產(chǎn)生機理、森林空氣負離子濃度的變化規(guī)律和影響因素以及分級評價標準。森林空氣負離子濃度具有明顯的日變化特征和季節(jié)變化規(guī)律，一般為早晨和傍晚濃度較高，中午濃度較低，夏秋季濃度高于冬春季；空氣負離子濃度總體趨勢隨著緯度的增加而降低，在較大的海拔垂直梯度上表現(xiàn)為先升后降趨勢；而溫度、濕度、林分類型、人為活動等因素也會對空氣負離子濃度產(chǎn)生不同的影響。

關(guān)鍵詞? 森林；空氣負離子；時空分布；影響因素

中圖分類號? S718.5?? 文獻標識碼? A? ?文章編號? 0517-6611（2024）07-0015-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.004

Research Progress on Forest Negative Air Ions in China

ZOU Huiru1，PENG Yougui1，TANG Gang2

（ 1.College of Forestry and Landscape Architecture，South China Agricultural University，Guangzhou，Guangdong? 510642;2.Administration of Bandong Provincial Nature Reserve，Liannan，Guangdong 513300）

Abstract? Negative air ion has the important function of cleaning air and maintaining health care，and is an important indicator for monitoring air quality.The forest provides a favourable environment for the production of negative air ion.According to the relevant research literature，the production mechanism of negative air ion in forest，the change pattern and influencing factors of its concentration and the grading evaluation criteria were discussed.There were obvious diurnal and seasonal variation characteristics for negative air ion in forest.The concentration of negative air ion in forest was generally high in the morning and evening，but low at noon in a day，and higher in summer and autumn than in winter and spring.The general trend of negative air ion concentration decreased with the increase of latitude，and within a large vertical gradient of altitude it rose first and then decreased.Temperature，humidity，stand types，human activities and other factors also had different effects on the negative air ion concentration in forest.

Key words? Forest;Negative air ion;Spatial and temporal distribution;Influencing factors

空氣負離子（negative air ion，以下簡稱NAI）是帶負電荷的單個氣體分子及其輕離子團的總稱［1］，空氣負離子主要由負氧離子組成，也稱為空氣負氧離子。人們從十九世紀末開始了NAI研究［2］。NAI不僅對環(huán)境有清潔細菌、降塵和凈化空氣的重要作用，還對人體健康具有保健功能，能夠調(diào)節(jié)人體神經(jīng)系統(tǒng)、加強新陳代謝和提高器官功能作用等［3-5］。而森林以其特有的森林小氣候成為產(chǎn)生NAI的良好環(huán)境，森林中含有高濃度NAI已經(jīng)被多方研究證實［6］。目前，中國氣象、林業(yè)等部門已將空氣負離子濃度（air negative ion concentration，以下簡稱NAIC）作為監(jiān)測空氣質(zhì)量的重要指標［7］。

國內(nèi)學(xué)者從多方面對森林中的NAI開展了大量研究，如森林中NAIC的時間變化規(guī)律、水平和垂直分布特征，環(huán)境因子如溫度、濕度、風(fēng)速等對NAIC的影響，不同林分NAIC的變化規(guī)律等［8-10］。該研究對森林中NAIC的最新研究成果進行總結(jié)歸納，分析NAIC的時空分布特征及其影響因素，為后續(xù)研究以及森林康養(yǎng)利用提供參考。

1 空氣負離子的產(chǎn)生機理

在自然狀態(tài)下，NAI的主要來源有：①電離作用。大氣層中的大氣分子受宇宙射線、太陽輻射激發(fā)而產(chǎn)生電離，釋放的電子被地球吸收后再釋放，它們特別容易附著在氧和水分子上，結(jié)合形成 NAI［11］。②Lenard效應(yīng)。1915年德國物理學(xué)家Lenard研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水滴受到外界物理沖擊作用時，會產(chǎn)生帶有負電荷的小水滴，最后形成帶有結(jié)晶水的負離子釋放到空氣中，所以在瀑布周圍和降雨的水環(huán)境中NAIC較高［12］。③植物的尖端放電和光電效應(yīng)。植物在自然狀態(tài)下枝葉的尖端放電釋放負離子，即在光合作用過程中的光電效應(yīng)也會促使空氣電解，產(chǎn)生大量負離子［13-14］。

2 森林空氣負離子濃度的時空分布規(guī)律

2.1 森林空氣負離子濃度的時間變化規(guī)律

研究表明，森林中NAI具有明顯的日變化特征，但不同學(xué)者監(jiān)測到的NAIC峰谷值出現(xiàn)的時間有一定差異，一般為早晨和傍晚濃度較高，中午濃度較低。毛成忠等［15］監(jiān)測結(jié)果為，NAIC在清晨（01：00—09：00）較高，最高值出現(xiàn)在凌晨（04：00），中午到傍晚前后濃度較低，日平均最小值出現(xiàn)在13：00。姚益平等［16］的研究顯示，NAIC午后（13：00—16：00）較低，夜間和早晨（22：00—07：00）濃度較高。彭琳玉等［17］對江西省九連山國家森林公園NAIC的日變化研究發(fā)現(xiàn)，清晨為高值區(qū)，最大值出現(xiàn)在08：00左右；中午到下午時段NAIC較低，最小值出現(xiàn)在14：00，傍晚之后出現(xiàn)回升。郭緒兵等［18］研究發(fā)現(xiàn)，上午（07：00—11：00）和傍晚（17：00—19：00）屬于NAIC較高水平的時間段，中午（11：00—14：00）為最低。石彥軍等［19］研究發(fā)現(xiàn)，NAIC日變化存在2個峰谷值，分別在09：00和16：00前后，但第1個峰值遠高于第2個峰值，谷值出現(xiàn)在13：00—14：00和18：00—19：00 2個時間段。綜合現(xiàn)有研究結(jié)果來看，主要表現(xiàn)為NAIC在清晨和上午較高，中午最低。而馮鵬飛等［20］對北京地區(qū)闊葉林、針闊混交林、針葉林和灌木林等不同植被類型的NAIC的測定結(jié)果顯示，峰谷值出現(xiàn)時段具有相似性，最高值出現(xiàn)在18：00，最低值出現(xiàn)在11：00—12：00。不同學(xué)者監(jiān)測到的NAIC日變化的峰谷值不同，可能與監(jiān)測時天氣以及環(huán)境因素影響有關(guān)。

一年中不同季節(jié)NAIC存在差異，研究普遍認為夏、秋季較高，冬、春季較低。彭輝武等［21］對珠海淇澳島紅樹林群落NAIC研究發(fā)現(xiàn)，夏、秋季高于冬、春季，夏季最高，春季最低。靈鷲山國家森林康氧基地對NAIC監(jiān)測也得出了夏季最高的結(jié)論，但是最低值出現(xiàn)在冬季［22］。王一荃等［23］對不同熱帶雨林NAIC研究表明，雨季（5—10月）的濃度明顯高于旱季（11月至次年4月），最高值出現(xiàn)在5月，最低值出現(xiàn)在11月。夏季NAIC可能是由于該季節(jié)溫濕度大，植物生長旺盛，太陽紫外線強烈等因素影響。

2.2 森林空氣負離子濃度的空間分布特征

NAIC總體趨勢隨著緯度的增加而降低（表1），原因可能是熱帶與亞熱帶具有充足的日照、豐富的降水，植被生長旺盛，負離子釋放多，而在溫帶地區(qū)，因其寒冷的冬季，部分樹種會降低生物活性，從而降低了負離子的產(chǎn)生。

NAIC隨海拔梯度的分布特征有不同的研究結(jié)果，整體上表現(xiàn)為在較大的海拔垂直梯度上表現(xiàn)為先升后降趨勢。薛興燕等［32］對河南老君山風(fēng)景區(qū)NAIC進行測定發(fā)現(xiàn)，不同海拔NAIC具有顯著差異，從海拔871至2 153 m NAIC表現(xiàn)出隨著海拔的上升出現(xiàn)先升后降的趨勢，在海拔1 500 m達到最大值。王順利等［33］選擇甘肅省7個代表性林區(qū)的14種林分類型進行了為期2年的NAIC測定與研究發(fā)現(xiàn)，與海拔在1 260～3 370 m呈現(xiàn)出一定負相關(guān)，這與前述研究結(jié)論基本一致。杜田恬等［34］研究陜西紅河谷森林公園夏季環(huán)境舒適度，選取海拔900、1 300、1 700和2 200 m的森林植被進行監(jiān)測，隨海拔升高NAIC呈現(xiàn)“N”字型變化，在1 700 m處出現(xiàn)最低值，2 200 m處達到最高值。在天目山不同海拔高度山麓（360 m）、山中（820 m）和山頂（1 060 m）的柳杉林，NAIC隨著海拔高度增加呈上升趨勢，且山頂、山中較高海拔的柳杉群落NAIC顯著高于山麓［35］。而孟祥江等［25］的研究結(jié)果顯示，NAIC與海拔高度（600～1 230 m）存在負相關(guān)，即隨著海拔高度的升高，NAIC逐漸下降。NAIC在垂直空間上的分布變化與海拔絕對高度、環(huán)境因素和林分類型等有關(guān)，其變化規(guī)律表現(xiàn)出較大差異。

NAI的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，在不同的環(huán)境中NAIC不同。大多研究表明，NAIC從城市中心—郊區(qū)—林區(qū)逐漸升高。郭緒兵等［18］對南雄自然保護區(qū)—城鄉(xiāng)梯度NAIC的對比研究發(fā)現(xiàn)，離市區(qū)較遠的自然保護區(qū)森林中NAIC最高，分別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城區(qū)的1.5和2.8倍，森林植被分布和人為活動干擾程度是影響NAIC的主要因素。毛成忠等［15］對典型城市區(qū)域和森林區(qū)域NAIC的比較研究也得出類似結(jié)論，森林區(qū)高于城市區(qū)，其平均濃度高于城市區(qū)5～6倍。鄰近水體的NAIC更高，關(guān)蓓蓓等［36］對崇明島不同生態(tài)用地NAI的研究表明，濕地NAIC要顯著高于林地。

3 森林空氣負離子濃度的影響因素

3.1 環(huán)境因子

NAIC受環(huán)境影響，但目前各環(huán)境因素與NAIC的相關(guān)性研究結(jié)果不統(tǒng)一。王磊等［37］對南京城郊森林中NAIC的研究表明，溫度對于NAIC的影響較小，與相對濕度呈正相關(guān)，與風(fēng)速呈一定的正相關(guān)，與空氣PM2.5含量呈負相關(guān)。關(guān)蓓蓓等［38］對城市人工林NAIC研究得出不同的結(jié)論，林分內(nèi)NAIC與相對濕度呈正相關(guān)，與溫度和風(fēng)速呈負相關(guān)。朱舒欣等［39］的研究表明，不同季節(jié)NAIC受環(huán)境因子的影響也不同，溫度在春夏季與NAIC呈正相關(guān)關(guān)系，在秋冬季則呈負相關(guān)關(guān)系；相對濕度與NAIC呈負相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速在春、冬和秋季總體呈負相關(guān)關(guān)系，在夏季呈正相關(guān)關(guān)系。

天氣狀況對NAIC有影響，一般情況下為雨后＞晴天＞陰天。雨后特別是雷雨過后，NAIC會有明顯的增加，一是濕度增大，二是閃電也會釋放NAI。晴天太陽強烈，輻射強，有助于NAI的產(chǎn)生和植物的光合作用［40］。

3.2 林分特征

NAIC受林分密度、林分類型和結(jié)構(gòu)的影響，但目前相關(guān)詳細研究較少，已有的研究表明，在林分密度大，林分結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，NAIC越高。周斌等［41］的研究顯示，NAIC與林分密度呈正相關(guān)，密度大的林分，降溫保濕效果好，單位面積內(nèi)生物量較大、葉面積指數(shù)較高，從而有利于NAI的產(chǎn)生。 王一荃等［23］對海南尖峰嶺4種典型森林類型的研究表明，不同林分NAIC差異顯著，從高到低依次為：熱帶山地雨林原始林＞熱帶山地雨林次生林＞雞毛松人工林＞加勒比松人工林＞空曠地。李繼育［42］通過對不同林分結(jié)構(gòu)進行對比分析發(fā)現(xiàn)，得出NAIC為喬灌草結(jié)構(gòu)＞喬草結(jié)構(gòu)＞灌草結(jié)構(gòu)＞草地＞對照（無植被裸地），林分結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，NAIC越高。

不同的樹種對NAIC有顯著影響，有研究認為針葉林中的NAIC高于闊葉林，可能原因為針葉樹種的針葉尖數(shù)多于闊葉樹種，其尖端放電產(chǎn)生NAI效應(yīng)更明顯［43］。而有的研究結(jié)論相反，闊葉林中的NAIC高于針葉林，闊葉樹種的葉面積大，其光合效率高，又因植物的光合作用有利于NAI的產(chǎn)生，所以在闊葉林中NAIC更高［44］。也有研究認為，芳香類植物對NAIC有影響，植物精氣中的主要成分為中性氣體分子，在空氣中一系列作用后，轉(zhuǎn)變?yōu)镹AI［45］。3.3 人為因素

人類活動對自然環(huán)境會產(chǎn)生影響，人口數(shù)量、車輛污染物質(zhì)排放量的多少都直接影響室外NAIC，城市人口密集區(qū)、工礦企業(yè)等地NAIC明顯偏低。有試驗研究表明，在人群擁擠和空氣流通不暢的地方，灰塵等空氣污染物比較多，負氧離子吸附污染物形成重離子而沉降，從而導(dǎo)致NAIC降低［14］。

4 森林空氣負離子濃度分級評價

關(guān)于NAIC的分級評價，國內(nèi)外尚未有統(tǒng)一的標準和方法。世界衛(wèi)生組織（WHO）將NAIC分為6級（表2），NAIC低于500個/cm3為不清新空氣，高于1 200個/cm3為清新空氣［46］。

石強等［47-48］在以往常用的單極性系數(shù) q（q = n+/n-，n+為正離子濃度，n-為負離子濃度）［49］和安倍空氣離子評價系數(shù)（CI=n-/1 000 q）［50］的基礎(chǔ)上，提出了空氣負離子系數(shù)概念p=n-/（n-+ n+）和適于森林空氣負離子評價的指數(shù)模型FCI=n- /1 000 p，結(jié)合大量的森林環(huán)境NAIC實測數(shù)據(jù)分析，?提出了NAI分級標準及評價指數(shù)分級標準（表3）；并根據(jù)NAI對人體的生理效應(yīng)將森林NAIC劃分為臨界濃度（400個/cm3）、允許濃度（>400～1 000個/cm3）和保健濃度（>1 000個/cm3），NAIC低于臨界范圍時，說明空氣質(zhì)量低，不利于人體健康，NAIC達到1 000個/cm3以上，具有保健作用。

5 展望

目前國內(nèi)學(xué)者對NAI做了大量研究。由于NAI顆粒直徑小、存活時間短，以及各種環(huán)境因素的影響和監(jiān)測過程中使用的儀器靈敏度差別，其理化過程通常較難觀察。因此現(xiàn)有NAI研究多為現(xiàn)象觀測，缺少對其結(jié)果機理解釋。森林環(huán)境中NAIC的時間變化規(guī)律，日變化一般為早晨和傍晚較高，中午較低；其季節(jié)變化規(guī)律，有學(xué)者認為夏季高于冬季，而有些學(xué)者的研究結(jié)論卻存在差異，仍然需要大量和長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)來而分析季節(jié)變化規(guī)律特征。在空間分布特征的研究中，NAIC總體趨勢隨著緯度的增加而降低，在較大的海拔垂直梯度上表現(xiàn)為先升后降趨勢，在森林環(huán)境中對于林分內(nèi)部與邊緣、水平與垂直方向空間分布特征的研究較少。

NAIC受森林環(huán)境因子的影響較為復(fù)雜，目前主要集中于溫度、濕度、風(fēng)速對空氣負離子的影響。不同季節(jié)中環(huán)境因子對NAIC的影響可能存在差異，環(huán)境因子對NAIC的影響有直接的和間接的，應(yīng)區(qū)分直接影響和間接影響，綜合探討NAIC的影響因素。林分對NAIC的影響較為明顯，但由于林分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，樹種組成、郁閉度與林齡均可能對NAIC產(chǎn)生不同的影響。

森林NAI研究在以下幾個方面有待加強：在森林環(huán)境中NAI的產(chǎn)生機理研究，以便于更準確了解其產(chǎn)生變化規(guī)律；建立NAI的長期定位監(jiān)測站，統(tǒng)一監(jiān)測方法和評價標準，更準確確定NAIC的主要影響因子及影響程度；森林游憩區(qū)NAI資源的保健功效及其合理利用。

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基金項目?? 廣東省生態(tài)林業(yè)建設(shè)資金項目 （粵財資環(huán)〔2021〕15）。

作者簡介?? 鄒慧儒（1998—） ，女，福建龍巖人，碩士研究生，研究方向：自然保護地。* 通信作者，工程師，從事森林生態(tài)與自然保護區(qū)管理研究。