森林空气负离子浓度与环境温湿度指数的关系研究

吴迪，李佳珊，3，张冬有*

(1.黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室，哈尔滨师范大学，哈尔滨，150025；2.哈尔滨师范大学 地理科学学院，哈尔滨，150025；3.黑龙江省林业设计研究院，哈尔滨 150080)

森林空气负离子浓度与环境温湿度指数的关系研究

吴迪1，2，李佳珊1，2，3，张冬有1，2*

(1.黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室，哈尔滨师范大学，哈尔滨，150025；2.哈尔滨师范大学 地理科学学院，哈尔滨，150025；3.黑龙江省林业设计研究院，哈尔滨 150080)

为研究森林空气负离子浓度及其自然环境影响因素，以黑龙江省森林植物园为研究对象，利用GIS与统计分析等手段，借助一种新的综合指标环境温湿度指数(THI)，分析植物园研究区域内，空气负离子浓度分布以及其与环境温湿度指数之间的关系，并分析环境温湿度指数对不同植物结构的环境空气负离子浓度的不同影响。结果表明：①黑龙江省森林植物园内，植物结构越复杂的环境下空气负离子浓度越高，空气负离子浓度从高到低依次为：灌乔草﹥灌乔﹥乔草﹥灌草﹥乔﹥灌﹥草。②植物园内空气负离子浓度随环境温湿度指数升高而先增大后减小，当环境温湿度指数约800时，空气负离子浓度最高。③环境温湿度指数对不同植物结构环境下空气负离子浓度影响程度不同，植物结构越复杂，环境温湿度对空气负离子浓度的影响程度越大。该研究可以为进一步分析森林空气负离子浓度的影响因素提供参考，将自然条件中的温度和湿度复合到一种新的指标即环境温湿度指数中，为构建森林空气负离子浓度影响指标体系提供了一种新的方法和思路。

空气负离子；环境温湿度指数；植物结构

0 引言

大气中负离子和正离子同时存在，其中空气负离子具有杀菌、降尘、清洁空气、提高机体免疫力等功能，被称为“空气维生素和生长素”，其浓度水平很大程度上反映了空气清洁程度[1-2]，研究表明：环境中空气负离子浓度越高，清洁度越好[3]。由于空气负离子在医疗保健等方面的应用，空气负离子，特别是森林空气负离子，受到人们的普遍关注。

森林中具有较高的空气负离子浓度，有资料表明，森林的负离子浓度比城市室内可高出80～1600倍，森林覆被率达到35%～60%时，空气负离子浓度最高，森林覆被率低于7%的地方，负离子浓度仅为上述的40%～50%[4]。目前关于森林中空气负离子的研究主要侧重于负离子浓度分别与温度、湿度、林分结构等之间的关系，但是其中的关系尚未明确。吴楚材等、Matthew等认为，空气负离子与温度成显著负相关，与空气相对湿度成正相关[5-6]；王继梅等在研究中发现，空气负离子与温度和相对湿度都呈正相关[7]。本文借助一种新的变量，即环境温湿度指数(THI)来代替以往气候条件中的温度和湿度，探究森林空气负离子浓度和环境温湿度指数之间的关系。环境温湿度指数是利用人体与周围环境的热量交换，考虑湿度对体感温度的影响，以此来评价气候舒适情况的一种参数[8-9]，温湿度指数反映了人体对环境的热感受[10]。不同植物结构环境对空气负离子的影响差异显著[11-12]。在过去研究中，鲜有关于不同植物结构环境中负离子浓度对于温度和湿度变化响应的研究。本文利用环境温湿度指数，探究环境温湿度对不同植物结构环境中空气负离子浓度的影响程度。

1 研究地区与数据源

1.1 研究区概况

黑龙江省森林植物园位于哈尔滨市香坊区，占地面积136 hm2，中心位置位于126°16′，北纬45°45′，处于寒温带，属于半湿润大陆性气候，园内平均温度比市区平均低2～4 ℃，空气的相对湿度比市区高6.2%～14.2%，森林植物园的热辐射强度平均比市区低达2倍。园内建有风格各异的月季园、郁金香园、药园和湿地园等15处植物专类园。

1.2 数据源

本文研究使用的数据为2013年8月的分辨率为2 m的Quickbird遥感影像，以及使用负离子检测仪在黑龙江省森林植物园获取的野外调查数据。

测定空气负离子仪器为日本COM3200PRO负离子检测仪，该检测仪同时有测量正离子、负离子、温度、湿度的功能，测定离子浓度误差≤±5%，离子迁移率误差≤±5%，该仪器的离子浓度测量范围为0～2×106ions/CC。

选择植物园内有代表性的9个园区，每个园区选取2～3个观测点，一共选取了彼此有一定距离的20个观测点，观测点位置、各园区群落结构和树种组成见表1。观测时间为2014年5～9月以及2015年5～9月，选取其中晴朗无风或微风天气共

表1 采样点信息Tab.1 Sampling point information

20 d，由于仪器原因导致有1 d的数据过于异常，实际研究分析使用了19 d的观测数据。观测时间为每天8时至9时，使用2台负离子仪器依次在20个观测点进行数据采集。观测高度固定为距离地面1 m，为了降低风速的影响，选择东、南、西、北四个方向稳定读数并取平均值以得到该点的负离子浓度值，同时记录下当天的园内温度和湿度数值，由于整个植物园区域范围较小，9个园区距离也较近，所以环境内温度、湿度高低差别较小，本研究所使用的园区温度和湿度均为9个园区平均值。

2 研究方法

2.1 数据预处理

使用ENVI5.1对遥感影像进行降噪处理、薄云处理、阴影处理，再使用ArcGIS10.0结合标志性点几何校正、影像裁剪，目视解译和实地调查结合，确定研究区地物，最后矢量化得到黑龙江省植物园矢量图，如图1所示。

图1 研究区域图(黑龙江省森林植物园)Fig.1 Study area map(Heilongjiang Forest Botanical Garden)

2.2 环境温湿度指数

环境温湿度指数(THI)是Thorn提出的综合温度和相对湿度，并且能反映人体的感受情况的一种指标，环境温湿度指数(THI)有多种计算方法，本文研究中所使用的是Oliver改进的指数公式[4，13]：

THI=T-0.55(1-f)(T-58)。

(1)

T=1.8t+32。

(2)

式中：t为摄氏温度，T为华氏温度，f为空气相对湿度。

2.3 植物园内平均空气负离子浓度的计算

通过每个园区空气负离子浓度与每个园区面积进行加权平均计算得到植物园内平均空气负离子浓度，计算公式为

(3)

2.4 空气负离子浓度变化总量的计算

本文使用空气负离子变化总量，即随着温湿度指数的变化，各园区空气负离子浓度变化量的总和的不同，来表示各园区空气负离子浓度对于温湿度指数变化的不同程度的响应，计算公式为

(4)

式中：TNCi是i园区内空气负离子浓度变化总量，i=1，2，3……9，j=1，2，3……19。

3 结果与分析

3.1 植物园内空气负离子分布

将19次外业测量的数据按不同园区求得平均值，得到植物园内空气负离子分布状况，如图2所示。

根据图2可以直观的看出，植物园内观果园空气负离子浓度最高，郁金香园次之，而湿地园空气负离子浓度最低。植物园内各园区空气负离子浓度存在差异的原因是各个园区内植物结构不同，其中负离子浓度最高的观果园、郁金香园都是灌乔草混

图2 不同分园区空气负离子浓度Fig.2 Distribution of negative air ion concentration in the botanical garden

合结构，而负离子浓度相对较低的月季园和湿地园都是较为单一的灌木和草本结构。由此可见，相对较复杂的植物结构区域要比相对较单一的植物结构区域空气负离子浓度高。

3.2植物园内空气负离子浓度和环境温湿度指数关系的拟合

利用公式(3)得到每日植物园内平均空气负离子浓度，利用公式(1)和公式(2)得到每日植物园内环境温湿度指数。

利用Matlab软件对空气负离子浓度和环境温湿度指数进行曲线估计，分别与二次多项式、三次多项式、对数函数和指数函数4种函数进行曲线拟合，拟合结果如图3所示。

图3 曲线估计拟合结果Fig.3 Curve fitting results

对4种函数曲线估计结果进行数理统计分析，比较4种函数的可决系数R2和标准误RMSE如图4所示。其中可决系数R2越接近1，函数拟合程度越高，标准误RMSE越小，所拟合的样本曲线与实际观测点的离差程度越小，即拟合曲线具有较强的代表性。

由图4可以看出，所拟合的三次函数曲线的可决系数R2最接近1且标准误RMSE最小。所以三次函数曲线对于温湿度指数和空气负离子浓度的拟合程度最好。由图3(b)的三次函数拟合曲线图可知，空气负离子浓度随着环境温湿度指数的增加而先增加后减小，当温湿度指数约为800左右时，环境空气负离子浓度最高。

3.3不同植物结构环境下空气负离子浓度与环境温湿度指数的关系比较

不同植物结构组成环境下空气负离子浓度有差异，其空气负离子浓度对于环境温湿度指数的变化也有不同程度的响应，从图5可以看出，整体上空气负离子浓度最高的依然是观果园、郁金香园等由灌乔草混合植被结构组成的园区，而植被结构相对

图4 4种不同函数曲线拟合参数对比Fig.4 Comparison of four functions curve fitting

单一的湿地园、月季园的空气负离子浓度相对较低，但是随着环境温湿度指数的不断增大，不同植被结构环境的空气负离子浓度也有不同的响应。利

用公式(4)计算各园区空气负离子浓度变化总量见表2，变化总量最高的园区为观果园，最低为湿地园，植物结构越复杂的园区，空气负离子变化总量越高，反之，植物结构越单一，空气负离子变化总量越低。说明环境温湿度指数对不同的植被结构也有不同程度的影响。

表2 各园区空气负离子浓度变化总量Tab.2 Total change of negative air ion concentration in botanical garden

图5 不同园区空气负离子浓度与环境温湿度指数的关系Fig.5 The relationship between negative air ion concentration and temperature and humidity index(THI)in different zones

4 结论与讨论

本文以黑龙江省森林植物园园区为案例，通过野外调查获取2014年5月至2015年9月植物园内不同园区空气负离子浓度以及园内温度和相对湿度数据，借助环境温湿度指数(THI)模型，探索植物园内空气负离子浓度及其与环境温湿度指数之间的关系，主要结论如下：

(1)黑龙江省森林植物园园区内，不同园区空气负离子浓度有所差异，空气负离子浓度从高到低的园区依次为观果园﹥郁金香园﹥百花园﹥丁香园﹥药园﹥白桦林﹥牡丹芍药园﹥月季园﹥湿地园。不同园区空气负离子浓度高低与该园区内植物群落结构相关，空气负离子浓度最高的观果园、郁金香园都是灌乔草混合结构，而空气负离子浓度最低的月季园、湿地园分别为单一的灌木和草本结构。因此，植物群落结构越复杂，空气负离子浓度越高，反之，植物群落结构越单一，空气负离子浓度越低：灌乔草﹥灌乔﹥乔草﹥灌草﹥乔﹥灌﹥草。

(2)在黑龙江省森林植物园园区内，空气负离子浓度随着环境温湿度的增高而先增大后减小，两者之间关系函数近似于一条三次曲线，在波峰值约为800，即环境温湿度指数约为800时，空气负离子浓度最高。本文利用温湿度指数，很好地解决了以往研究中空气负离子与气象指数(温度和湿度)关系不明确的分歧，定量地揭示了空气负离子浓度与温湿度指数的关系。

(3)不同植物结构环境下空气负离子浓度受环境温湿度指数影响的程度不同，负离子浓度变化总量相对最高的是植物结构相对最复杂的观果园和郁金香园，变化总量相对最小的是植物结构相对最单一的湿地园。因此，植物群落结构越复杂的环境下，空气负离子浓度受环境温湿度指数影响程度也越大，植物结构越单一的环境下，空气负离子浓度受环境温湿度指数影响程度越小。

相同环境下森林空气负离子浓度不仅受到环境内的温湿度、植被群落结构的影响，空气负离子浓度还与天气状况、风速、光照强度、海拔高度、空气质量和下垫面等存在明显的联系[14-18]。因此，在未来对于森林空气负离子浓度的影响因素研究中应考虑多种因素的共同影响，建立更复杂、更全面的模型，充分考虑多种因素之间相互影响，构建出完整的森林空气负离子浓度的指标评价体系。

[1] Jovanic B R，Jovanic S B.The effect of high concentration of negative ions in the air on the chlorophyll content in plant leaves[J].Water，Air & Soil Pollution，2001，129(1-4)：259-265.

[2] 刘海洋，吴月，王乃昂，等.中国沙漠旅游气候舒适度评价[J].资源科学，2013，35(4)：831-838.

[3] 王薇，余庄，冀凤全.基于空气负离子浓度的城市环境空气清洁度评价[J].生态环境学报，2013，22(2)：298-303.

[4] 邵海荣，贺庆棠.森林与空气负离子[J].世界林业研究，2000，13(5)：19-23.

[5] 吴楚材，郑群明，钟林生.森林游憩区空气负离子水平的研究[J].林业科学，2001，37(5)：75-81.

[6] Wright M D，Holden N K，Shallcross D E，et al.Indoor and outdoor atmospheric ion mobility spectra，diurnal variation，and relationship with meteorological parameters[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，2014，119(6)：3251-3267.

[7] 王继梅，冀志江，隋同波，等.空气负离子与温湿度的关系[J].环境科学研究，2004，17(2)：68-70.

[8] 安强，龙天渝，黄宁秋，等.三峡库区人居环境气候适宜性[J].湖泊科学，2012，24(2)：238-243.

[9] Barradas V L.Air temperature and humidity and human comfort index of some city parks of Mexico City[J].International Journal of Biometeorology，1991，35(1)：24-28.

[10] Mather J R.Climatology：fundamentals and applications[M].New York：McGRAW-Hill Book Com，1974：245-295.

[11] 吴际友，程政红，龙应忠，等.园林树种林分中空气负离子水平的变化[J].南京林业大学学报(自然科学版)，2003，27(4)：78-80.

[12] Qi J Z，Wang H J.Effect of community structure on aero-anion concentration in urban green space[C] .World Automation Congress，2012：1-5.

[13] Oliver J E.Climate and man’s environment：an introduction to applied climatology[J].Geography Journal，1978，146(1)：350-351.

[14] 冯鹏飞，于新文，张旭.北京地区不同植被类型空气负离子浓度及其影响因素分析[J].生态环境学报，2015，24(5)：818-824.

[15] 刘新，吴林豪，张浩，等.城市绿地植物群落空气负离子浓度及影响要素研究[J].复旦学报(自然科学版)，2011，50(2)：206-212.

[16] 黄向华，王健，曾宏达，等.城市空气负离子浓度时空分布及其影响因素综述[J].应用生态学报，2013，24(6)：1761-1768.

[17] Reiter R.Part B frequency distribution of positive and negative small ion concentrations，based on many years’recordings at two mountain stations located at 740 and 1780 m ASL[J].International Journal of Biometeorology，1985，29(3)：223-231.

[18] 徐星生，刘波，唐春燕.婺源县空气负离子分布规律初步分析[J].气象与减灾研究，2007，30(1)：64-67.

ResearchonRelationshipbetweenForestNegativeAirIonConcentrationandTemperatureandHumidityIndex

Wu Di1，2，Li Jiashan1，2，3，Zhang Dongyou1，2*

(1.Key Laboratory of Remote Sensing Monitoring of Geographic Environment，Harbin Normal University，Harbin 150025； 2.School of Geography Science，Harbin Normal University，Harbin 150025； 3.Forest Designing and Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150080)

In order to study the influencing factors of forest air negative ion concentration and its natural environment，Heilongjiang forest botanical garden was used as the research object.Using GIS and statistical analysis method，with the help of a new comprehensive index：temperature and humidity index(THI)，the relationship between negative air ion concentration and THI was analyzed in the botanical garden.The effects of environmental temperature and humidity index on the negative air ion concentration in different plant structure were also analyzed.The results showed that：(1)in Heilongjiang forest botanical garden，negative air concentration is proportional to the complexity of plant structure，the concentrations of negative air ion from high to low botanical constitution：shrub-tree-herb community>shrub-tree community>tree-herb community>shrub-herb community>tree community>shrub community>herb community.(2)The concentration of negative air ions increased first and then decreased with the increase of the environmental THI.When the THI is about 800，forest negative air ion concentration reached the highest.(3)The effect ofTHIon the negative air ion concentration in different plant structure environment is different，the more complex the plant structure，the greater the effect.The study can provide a reference for further analysis of the influencing factors of forest air negative ion concentration，and the temperature and humidity in natural conditions are combined into a new index，environmental temperature and humidity index(THI)，which could provide a new method and idea for the construction of the index system of negative air ion concentration.

Negative air ion concentration；temperature and humidity index；plant structure

S 788；X831

A

1001-005X(2017)06-0025-06

2017-06-09

国家自然科学基金项目(41171412)；黑龙江省自然科学基金项目(D201303)；哈尔滨师范大学博士后项目(13RBHZ03)

吴迪，硕士研究生。研究方向：3S技术与森林生态。E-mail：1040332004@qq.com

*通信作者：张冬有，博士，教授。研究方向：3S技术与森林资源管理。E-mail：zhangdy@163.com

吴迪，李佳珊，张冬有.森林空气负离子浓度与环境温湿度指数的关系研究[J].森林工程，2017，33(6)：25-30.