李彥 李峰 肖楠

(中國林學會，北京，100091) (黑龍江省森林與環(huán)境科學研究院)

空氣分子是由原子組成的，原子是由原子核和電子組成的。原子核帶正電荷，電子帶負電荷。當正電荷和負電荷數(shù)量相等時，空氣分子和原子呈電中性。當空氣分子受到外界條件如電離劑的作用后，獲得足夠的能量，而使原子核外圍的價電子之一脫離原子核的束縛躍出軌道變成自由電子，使失去電子的中性分子或原子變成帶正電荷的離子，中性分子或原子捕獲逃逸出來的自由電子時，則變成帶負電荷的離子[1-3]。這一形成帶電荷的正負離子的過程稱為空氣離子化[4]。空氣負離子是帶負電荷的單個氣體分子和輕離子團的總稱[5]。空氣負離子具有殺菌、降塵、清潔空氣、提高免疫力、調(diào)節(jié)機能平衡的功效，因而被譽為“空氣維生素和生長素”[6]。自然條件下，空氣負離子的產(chǎn)生受到諸多因素的影響，主要包括：一是大氣分子受放射性物質(zhì)、宇宙射線和紫外線的影響發(fā)生電離，產(chǎn)生空氣負離子。二是植物樹冠葉片的尖端放電以及光合作用產(chǎn)生的光電效應，促使空氣電離產(chǎn)生空氣負離子；植物越豐富，光合作用總量越大，空氣中的負離子越多。三是土壤內(nèi)的空氣與土壤外的空氣交換可以增加空氣負離子[7-10]。四是水的勒納德效應，瀑布的沖擊、溪流的跌水、海浪的推卷及暴雨的跌落等自然過程中，水自上而下，在重力的作用下高速運動，使水分子裂解，產(chǎn)生大量空氣負離子[11]。楊建松等[12]對不同植物配植環(huán)境進行研究發(fā)現(xiàn)，其負離子濃度由大到小的排序為闊葉林、混交林、草地、灌叢。此外，樹齡、郁閉度、樹高等也會對空氣負離子濃度產(chǎn)生影響[13]。

齊齊哈爾市是黑龍江省第二大城市，目前的天藍水清，生態(tài)環(huán)境良好，與城市綠化、城市森林建設密不可分。筆者對齊齊哈爾市城市森林負離子濃度進行觀測研究，探索城市森林空氣負離子濃度分布規(guī)律，旨在為科學指導城市規(guī)劃、植物配置以及合理開發(fā)和充分利用自然環(huán)境中的空氣負離子濃度改善人居環(huán)境的空氣質(zhì)量提供參考。

1 試驗地概況

齊齊哈爾地處東北松嫩平原，地理位置123°～126°E、45°～48°N，位于位于黑、吉、蒙三省區(qū)交匯處。齊齊哈爾市地域平坦，平均海拔146 m，東部和南部地勢低洼。屬中溫帶大陸性季風氣候。四季分明，春季干旱多風、夏季炎熱多雨、秋季暫短霜早、冬季干冷漫長。年降水量415 mm，年均溫3.2 ℃，1月均溫-25.7 ℃，7月均溫22.8 ℃。齊齊哈爾南部屬溫暖干旱農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，中部屬溫和半干旱農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，北部屬溫涼半濕潤農(nóng)業(yè)氣候區(qū)。

進行負離子濃度觀測研究的區(qū)域包括黑龍江省森林與環(huán)境科學研究院實驗示范基地(簡稱林研基地)、齊齊哈爾市龍沙公園、齊齊哈爾市嫩江公園、齊齊哈爾市政府廣場、齊齊哈爾市圖書館廣場、齊齊哈爾大學勞動湖景區(qū)(簡稱齊大景區(qū))6個觀測區(qū)。進行負離子濃度觀測研究的固定觀測區(qū)共計設置6個，包括16種林分類型。

林研基地觀測區(qū)：位于齊齊哈爾市富拉爾基區(qū)，觀測的林分類型包括銀中楊(Populus×yinzhong)、山新楊(Populusdavidiana×P.bolleana)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、興安落葉松(Larixgmelini)、五角槭(Acermono)5種實驗林。銀中楊林分，平均樹高20.0 m、平均胸徑32.0 cm、郁閉度0.8；山新楊林分，平均樹高5.7 m、平均胸徑5.1 cm、郁閉度0.7；樟子松林分，平均樹高13.0 m、平均胸徑20.0 cm、郁閉度0.8；興安落葉松林分，平均樹高22.0 m、平均胸徑23.0 cm、郁閉度0.8；五角槭林分，平均樹高17.0 m、平均胸徑33.0 cm、郁閉度0.7。

齊齊哈爾市龍沙公園觀測區(qū)：觀測的林分類型包括家榆(Ulmuspumila)、中東楊(PopulusberolinensisDippel)、旱柳(Salixmatsudana)等3種景點綠化林。家榆林分，平均樹高15.7 m、平均胸徑30.0 cm、郁閉度0.7；中東楊林分，平均樹高28.0 m、平均胸徑53.0 cm、郁閉度0.6；旱柳林分，平均樹高25.0 m、平均胸徑62.0 cm、郁閉度0.7。

齊齊哈爾市嫩江公園觀測區(qū)：觀測的林分類型包括榆葉梅(Prunustriloba)、丁香(Syringaoblata)、忍冬(Loniceramaakii)灌木綠化林3種林分類型。榆葉梅林分，平均樹高2.8 m、平均地徑3.5 cm、郁閉度0.8；丁香林分，平均樹高4.5 m、平均地徑4.5 cm、郁閉度0.9；忍冬林分，平均樹高3.5 m、平均地徑4.8 cm、郁閉度0.6。

齊齊哈爾市政府廣場觀測區(qū)：觀測的林分類型包括云杉(Piceajezoensis)及草坪，云杉的平均樹高2.5 m、平均胸徑4.0 cm、郁閉度0.7。

齊齊哈爾市圖書館觀測區(qū)：觀測的林分類型包括云杉及丁香混交林帶。云杉平均樹高5.0 m、平均胸徑19.5 cm、郁閉度0.7；丁香平均樹高1.3 m、平均地徑2.0 cm、郁閉度0.7。

齊大景區(qū)：觀測的林分類型包括垂柳(Salixbabylonica)與山梅花(Philadelphusschrenkii)混交林帶。垂柳平均樹高12.0 m、平均胸徑18.0 cm、郁閉度0.8；山梅花平均樹高1.7 m、平均地徑2.0 cm、郁閉度0.8。

2 儀器與方法

觀測儀器為日本產(chǎn)KEC-900型負離子測試儀。

固定觀測點選?。糊R齊哈爾市6個觀測區(qū)，共計16種林分類型，在每個林分類型內(nèi)選擇1個固定觀測點。

觀測時間與數(shù)據(jù)選取：2015—2017年的5—10月份，每月中旬選取無風晴朗的一天進行觀測，觀測時間為早06:00至晚18:00。每個觀測點設置2臺儀器進行同時觀測，每臺儀器固定在1.5 m高的三腳架上，儀器放置在距離林緣20 m左右處。每隔2 h觀測1次；每次觀測時，讀取15個負離子濃度及15個正離子數(shù)據(jù)記錄，以15個觀測數(shù)據(jù)的平均值作為此次觀測的數(shù)據(jù)。以林研基地觀測點地為例，每天觀測7次，每次獲得觀測數(shù)據(jù)30個，6種林分類型、2臺儀器觀測，共計2 520個有效數(shù)據(jù)。5—10月份，全年共觀測6次，共獲得有效數(shù)據(jù)15 120個。進行連續(xù)3 a觀測的觀測點有林研基地、龍沙公園、嫩江公園、齊大景區(qū)、市政府廣場、市圖書館廣場，3 a累計觀測負離子濃度、正離子濃度18萬個有效數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市森林負離子濃度日變化規(guī)律

將3 a的觀測數(shù)據(jù)，繪制成負離子濃度變化曲線(見圖1～圖6)。

由圖1可見(5月份)：6種不同綠地類型的觀測區(qū)，空氣負離子濃度在一天中都出現(xiàn)了波峰、波谷交替的現(xiàn)象，但出現(xiàn)的時間存在一定的差異性。龍沙公園空氣負離子濃度日變化出現(xiàn)2個峰值，分別為上午06:00(850個/cm3)和下午18:00(740個/cm3)，龍沙公園空氣負離子濃度最低值出現(xiàn)在上午08:00點(490個/cm3)和下午16:00(600個/cm3)。嫩江公園空氣負離子濃度日變化出現(xiàn)2個峰值，分別為上午08:00(740個/cm3)和下午14:00(770個/cm3)，是非常典型的標準雙峰曲線；嫩江公園空氣負離子濃度的最低值出現(xiàn)在一天當中的上午06:00(510個/cm3)和下午18:00(510個/cm3)。林研基地空氣負離子濃度日變化出現(xiàn)2個峰值，分別為上午06:00(990個/cm3)和下午18:00(910個/cm3)，林研基地負離子濃度最低值出現(xiàn)在上午10:00(520個/cm3)和中午12:00(680個/cm3)。市政府廣場空氣負離子濃度變化，在上午10:00出現(xiàn)一個峰值(970個/cm3)，最低值出現(xiàn)在中午12:00(620個/cm3)；上午06:00前和下午18:00以后數(shù)值較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)比較明顯的波峰和波谷。市圖書館廣場空氣負離子濃度變化，在上午08:00出現(xiàn)一個峰值(1 070個/cm3)，形成單峰曲線；最低值出現(xiàn)在上午06:00(500個/cm3)。齊大景區(qū)空氣負離子濃度變化為單峰型曲線，峰值出現(xiàn)在上午08:00(890個/cm3)，最低值出現(xiàn)在中午12:00(550個/cm3)。5月份6種不同城市綠地比較，負離子濃度日變化峰值出現(xiàn)在上午06:00—08:00和下午18:00以后出現(xiàn)峰值，多表現(xiàn)為雙峰曲線。出現(xiàn)波谷的時間多分布在中午12:00左右。

圖1 5月份空氣負離子濃度日變化曲線

由圖2可見(6月份)：龍沙公園一天中空氣負離子濃度出現(xiàn)2個峰值，分別為上午08:00(830個/cm3)和下午18:00(1 030個/cm3)，負離子濃度最低值出現(xiàn)在上午10:00(780個/cm3)。嫩江公園一天中空氣負離子濃度出現(xiàn)2個峰值，分別為上午08:00(860個/cm3)和下午18:00(930個/cm3)，最低值出現(xiàn)在下午16:00(590個/cm3)。林研基地負離子濃度最高值出現(xiàn)在上午06:00(1 090個/cm3)，最低值出現(xiàn)在下午16:00(520個/cm3)。市政府廣場負離子濃度高于其他綠地類型，最高值出現(xiàn)在下午16:00(1 400個/cm3)，最低值出現(xiàn)在上午06:00(620個/cm3)。市圖書館廣場空氣負離子濃度出現(xiàn)2個峰值，分別為上午08:00(1 080個/cm3)和下午18:00(1 090個/cm3)，最低值出現(xiàn)在下午16:00(780個/cm3)。齊大景區(qū)空氣負離子濃度出現(xiàn)2個峰值，分別為上午06:00(1 040個/cm3)和下午14:00點(1 020個/cm3)，最低值出現(xiàn)在上午10:00(800個/cm3)。

圖2 6月份空氣負離子濃度日變化曲線

由圖3可見(7月份)：龍沙公園負離子濃度日變化形成雙峰曲線，2個峰值分別為上午10:00(800個/cm3)和下午16:00(910個/cm3)，最低值出現(xiàn)在下午18:00(510個/cm3)。嫩江公園在上午08:00負離子濃度最高(910個/cm3)，形成單峰曲線，下午14:00負離子濃度值最低(290個/cm3)。林研基地在上午06:00負離子濃度值出現(xiàn)峰值(1 590個/cm3)，最小值出現(xiàn)在下午16:00(640個/cm3)，在一天中負離子濃度逐漸降低。其余3個綠地類型的負離子濃度曲線重合率較高，分別在上午08:00出現(xiàn)1個波峰，第二個波峰出現(xiàn)在下午16:00，波谷出現(xiàn)在中午12:00左右；齊大景區(qū)最低值為180個/cm3。

圖3 7月份空氣負離子濃度日變化曲線

由圖4可見(8月份)：龍沙公園空氣負離子濃度最大值出現(xiàn)在上午08:00(1 280個/cm3)，最低值出現(xiàn)在下午14:00(570個/cm3)。嫩江公園空氣負離子濃度最大值出現(xiàn)在下午14:00(1 030個/cm3)，最低值出現(xiàn)在上午10:00(600個/cm3)。林研基地空氣負離子濃度最大值出現(xiàn)在下午18:00(1 610個/cm3)，最小值出現(xiàn)在上午08:00(560個/cm3)。市政府廣場、市圖書館廣場及齊大景區(qū)負離子濃度值出現(xiàn)了較大波動，市政府廣場負離子濃度在下午16:00達到1 720個/cm3以上。6種不同城市綠地類型負離子濃度變化規(guī)律形成了明顯雙峰曲線，波峰出現(xiàn)在上午08:00和下午18:00，波谷多出現(xiàn)在下午14:00。

圖4 8月份空氣負離子濃度日變化曲線圖

由圖5可見(9月份)：龍沙公園負離子濃度最大值出現(xiàn)在下午16:00(860個/cm3)，最低值出現(xiàn)在上午06:00(690個/cm3)；嫩江公園空氣負離子濃度最大值出現(xiàn)在中午12:00(780個/cm3)；林研基地空氣負離子濃度最大值出現(xiàn)在上午06:00(1 900個/cm3)，最小值出現(xiàn)在下午16:00(770個/cm3)；市政府廣場空氣負離子濃度最大值出現(xiàn)在上午10:00(470個/cm3)；市圖書館廣場空氣負離子濃度最大值出現(xiàn)在上午10:00(1 110個/cm3)；齊大景區(qū)空氣負離子濃度最大值出現(xiàn)在上午10:00(930個/cm3)，最小值出現(xiàn)在中午12:00(400個/cm3)。龍沙公園、嫩江公園、市政府廣場、齊大景區(qū)負離子濃度變化曲線較為平緩，沒有出現(xiàn)明顯的波峰和波谷；林研基地出現(xiàn)2個峰值，上午06:00(1 900個/cm3)和下午18:00(1 170個/cm3)；市圖書館廣場的負離子濃度形成明顯的雙峰曲線，峰值出現(xiàn)在上午10:00(1 110個/cm3)和下午16:00(950個/cm3)。

圖5 9月份空氣負離子濃度日變化曲線

圖6 10月份空氣負離子濃度日變化曲線

由圖6可見(10月份)：龍沙公園在上午10:00出現(xiàn)1個峰值(990個/cm3)，其它時間段數(shù)值較低且無上升趨勢；嫩江公園整體負離子濃度水平較低，在中午12:00出現(xiàn)峰值(540個/cm3)，下午16:00之后數(shù)值略有上升；林研基地整體數(shù)值水平較高，上午06:00后數(shù)值降低，然后在中午12:00出現(xiàn)1個峰值(1 370個/cm3)，之后下降，下午18:00后數(shù)值上升。

3.2 城市森林空氣負離子濃度的月變化規(guī)律

為了解和掌握城市綠地空氣負離子濃度的月變化規(guī)律，于2015—2017年連續(xù)3 a的5—10月份在林研基地進行了空氣正、負離子濃度的觀測。為了消除環(huán)境因素帶來的誤差，每月選擇大氣狀態(tài)相對穩(wěn)定，風速、風向變化不大的晴好天氣進行測定。試驗時，選取試驗地內(nèi)不同林型作為測試地點，每天從上午06:00開始進行觀測，到下午18:00結(jié)束。以3 a每月測試數(shù)據(jù)平均值作為當月的空氣正、負離子濃度值。

2015—2017年負離子濃度按月份平均值(見表1)。由表1可見：3年5—10月份平均負離子濃度為1 050個/cm3；空氣負離子濃度月變化規(guī)律，從5月份開始逐月上升，到9月份達到峰值，從10月份開始下降，負離子濃度5月份最低，9月份最高。

表1 不同年份空氣負離子濃度

為檢驗不同年份及不同月份負離子濃度差異顯著性，對相同年份不同月份以及相同月份不同年份之間的負離子濃度作方差分析(見表2)。由表2可見：相同年份不同月份以及相同月份不同年份之間的負離子濃度差異均為顯著水平。

表2 不同月份、年份空氣負離子濃度方差分析

注：*表示差異顯著(P<0.05)。

3.3 城市森林空氣負離子濃度的季節(jié)變化規(guī)律

在氣候統(tǒng)計上，將12、1、2月份作為冬季，3、4、5月份為春季，6、7、8月份為夏季，9、10、11月份為秋季。這種劃分與黑龍江省的物候現(xiàn)象相一致，故采用此種方法劃分四季；以3 a的平均值作為該季度的空氣負離子濃度水平(見表3)。由表3可見：春季空氣負離子濃度為760個/cm3、夏季為1 060個/cm3、秋季為1 180個/cm3。所以城市森林各季節(jié)空氣負離子濃度水平有所不同，秋季空氣負離子濃度水平最高，夏季略低于秋季，春季較夏季、秋季相差甚遠。

表3 不同季節(jié)空氣負離子濃度

4 結(jié)論

通過3 a連續(xù)觀測研究表明，齊齊哈爾市城市森林空氣負離子濃度的日變化規(guī)律，一般是早晨(06:00—08:00)達到峰值，隨后下降，至中午或下午最低，晚上18:00左右再次出現(xiàn)峰值。負離子濃度最高值可達2 000個/cm3左右、最低值在300個/cm3左右。

齊齊哈爾市城市森林中，空氣負離子濃度一年中的變化規(guī)律，從5月份開始逐月上升，到9月份達到峰值，從10月份開始下降，負離子濃度5月份最低，9月份最高。

齊齊哈爾市城市森林各季節(jié)空氣負離子濃度水平有所不同，秋季空氣負離子濃度水平最高，夏季略低于秋季，春季最低。