太阳岛景区水体空气负离子浓度的分析与评价

于泽西，单晟烨，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）

太阳岛景区水体空气负离子浓度的分析与评价

于泽西1,2，单晟烨1,2，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）

以太阳岛景区水体负离子为研究对象，探究不同类型水体空气负离子分布规律，以及湖水空气负离子浓度与温湿度的关系，并对景区内水域空气清洁度进行评价，应用ArcGIS对太阳瀑、太阳湖进行插值分析，应用SPSS对太阳湖空气负离子浓度与温湿度进行相关性检验和曲线拟合，借助安培空气质量评价指数评价空气清洁度，结果表明：太阳瀑、天鹅湖、湿地园空气清洁度为A级，太阳湖空气清洁度为B级。相关性检验得出太阳湖负离子浓度与温湿度皆呈正相关，曲线拟合的结果表明S曲线更适合描述负离子浓度与温度的关系，二次多项式更适合描述负离子浓度与湿度的关系，空气清洁度的评价结果表明：太阳瀑、天鹅湖、湿地园空气清洁度达到了最清洁的标准，太阳湖空气清洁度达到了一般清洁的标准。

空气负离子；空间插值；曲线估计；空气清洁度；等级评价

0 引言

空气负离子是空气中带负电荷的单个气体分子或离子团的总称[1-2]。它具有杀菌、降尘、清洁空气的作用，同时还具有消除人体疲劳和疗养保健的功能[3]。相关研究表明，空气负离子对人体7个系统的30多种疾病具有抑制、缓解和辅助治疗的作用[4]，当空气负离子含量达到700个/cm3以上时，人体会感觉舒服；当负离子含量大于1000个/cm3时，具有保健作用；达到8000个/cm3以上时，甚至可以对疾病起到治疗的作用[5]。通常自然界空气负离子产生主要通过如下三种形式：一是紫外线、放射性物质、雷电等对空气的电离作用；二是植物自身的尖端放电及光合作用形成的光电效应，促进负离子的产生；三是水的勒纳德效应，高速运动的水体在重力的作用下水分子发生裂解，产生大量空气负离子。虽然空气负离子不断产生，但其数量并非无限增加，因为其产生的同时也伴随着消亡，主要有两点原因：一方面由于异性电荷相吸，正负离子因静电作用而中和，另一方面空气负离子被空气中的尘粒、烟雾、粉尘所吸附，形成重离子而沉降，所以在特定的环境下，空气负离子的含量总是保持着动态平衡[6]。空气负离子含量的多少除了直接影响人的舒适程度和健康状况外，还是反应空气质量和大气环境的重要指标，国际上公认的安培空气质量评价指数，就是依据空气负离子浓度而计算出来的[7]。国外对空气负离子的研究起步较早，1889年德国科学家Elster和Geital首次发现空气负离子，Aschkinass和Caspari等在1902年肯定了空气负离子存在的生物学意义[8]。现今国外对空气负离子的研究主要集中在负离子对生物机体的效应、临床医学应用、时空变化规律以及空气质量评价等方面[9-12]，相比之下，国内对空气负离子的研究起步较晚，最早可追溯于1978年，并经历了80年代初和90年代初两个发展高潮，现今国内对空气负离子的研究主要集中在不同林分及植被类型、不同绿地类型和不同城市功能区的空气负离子分布及变化规律等方面，也有学者对空气负离子的时空变化特征与气象要素关系进行了研究[13]。关于水体空气负离子的研究，仅有少数学者如王薇[14]得出动态水负离子浓度大于静态水，其中瀑布最大，静态水中，大面积水域比小面积水域空气负离子浓度高。曾曙才[15]通过对动态水的研究认为：瀑布空气负离子浓度＞人工喷泉负离子浓度＞小溪流空气负离子浓度。笔者结合GIS的方法，通过空间插值的手段[16]，以黑龙江省哈尔滨市的太阳岛风景区内的太阳瀑、太阳湖为研究对象，进行了更为细化的研究，并对太阳湖负离子浓度与温度和湿度进行了不同函数类型的回归拟合，对太阳岛内的太阳瀑、太阳湖、天鹅湖和湿地园的空气清洁度等级进行了评估，为水体空气负离子的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

太阳岛风景名胜区坐落在哈尔滨市松花江北岸，是国家5A级旅游景区，南部与哈尔滨市区隔江相望，北部与松北新区依堤为邻，东部至滨州铁路桥，西部至阳明滩西端。面积38 km2，外围保护地带规划控制面积为88 km2，是江漫滩湿地草原型风景名胜区。笔者主要选取景区内太阳瀑作为动态水域研究对象，太阳湖为静态水域研究对象。太阳瀑占地面积约1.5 hm2，长132 m，高7 m。太阳湖是1980年挖出的人工湖，挖出的土一部分用于改造周围环境，一部分就堆积成了太阳山，太阳湖面积58000 m2，南有水阁云天，东有听雨长廊，近临太阳山。

1.2 测量仪器的介绍

空气负离子测量仪器选用COM-3200PRO，该仪器是采用日本JIS规范之同轴二重圆式原理所设计制造的，能测量空气中正负离子的数量。仪器内附充电电池，可用于户外长时间的测量。该仪器可与PC相连，测量过程中每两秒记录一次数据，可以同时测量正离子、负离子、温度、湿度。测定负离子浓度误差≤±5%，离子迁移率误差≤±5%，仪器离子浓度测量范围为0～2×106ions/cm3，最高分解力为10 ions/cm3[17]。

1.3 测量内容与方法

太阳瀑和太阳湖用于插值分析的样本点，一般优先选择研究区域不同地物类型的轮廓点、几何中心点、等分点以及类似瀑布落水处的标志性地物点，记录的内容包括正负离子的浓度值以及温湿度，测量时仪器的口向朝着湖面的中心，测量正负离子各5 min。用于空气清洁度评价的数据主要是按不同景区进行分类，并对景区按照分布均匀的原则采样，记录的内容包括正负离子的浓度值以及温湿度信息，仪器分别朝向东西南北4个方向记录稳定时的数值各1 min取均值。仪器架设的高度一般都为1.5 m，目的是与人的呼吸高度相仿，数据记录的方式以机器读数为主，人工读数为辅。

1.4 数据来源及处理

试验于2017年7月沿太阳瀑、太阳湖的轮廓边缘进行采样测量，并结合近3年夏季太阳瀑和太阳湖的特征地物数据进行分析，对近3年夏季太阳湖的数据进行相关分析与回归拟合，并用太阳岛内太阳瀑、太阳湖、天鹅湖、湿地园的空气负离子数据，进行空气清洁度等级的评价。应用Excel对数据进行初步的处理，用SPSS进行相关性检测和曲线估计，用ArcGIS对影像进行配准、裁剪、空间插值及可视化表达等。

2 结果与分析

2.1 太阳瀑负离子浓度分布分析

为了探究瀑布区域空气负离子的分布规律，对太阳岛内太阳瀑区域的空气负离子浓度进行定点采样，并借助反距离空间插值的手段，展示了样本点的分布情况及区域内负离子的变化趋势如图1，各点的描述见表1。从图中可以看出在不考虑山体形态因素的情况下，负离子高浓度值主要集中于瀑布落水处，一定距离内，负离子浓度由落水处随着距离增加向外急剧减少，超过这段距离负离子浓度变化趋于平稳。沿水体边缘上的点（样本点18、20、22）负离子浓度高于距水体一定距离人行道上（样本点19、21）的负离子浓度值。不同落水处负离子浓度存在差异（样本点10、12、14），很可能是受山体形状造成的，因为山体的形状呈现出“凸”字形，样本点10和样本点12、14分布于两侧，通常负离子产生后不会立刻消亡，而瀑布周围的负离子，由于水体对空气的淋洗作用，存活的时间会更长，样本点12和14的距离相对较近，他们负离子的累计程度可能高于样本点10。此外落水处空气负离子的测量是在瀑布下方的廊洞中进行的，洞口的高度、大小对负离子的测量结果有一定的影响。山的厚度和高度使原本距离瀑布较近的后山测量点（样本点6、7、8、9）浓度明显降低。

图1 太阳瀑负离子浓度插值

表1 太阳瀑样本点说明

2.2 太阳湖负离子浓度分布分析

在探究瀑布区域空气负离子分布的基础上，对太阳湖进行环湖采样测量，测量点分布情况见图2，测量点说明情况见表2。将实测数据结合插值图进行分析总结，可以发现如下规律：（1）湖边缘的负离子浓度高于湖中心的负离子浓度，可能是湖边缘区域水体与岸边存在着较明显的碰撞和摩擦，所以湖边负离子浓度值略高于湖内；（2）湖边有植被覆盖（样本点1-7、12）的区域负离子浓度值高于无植被（样本点10、11）区域。主要是植物的尖端放电和光电效应造成的。以样本点5、6、7为代表的区域有着较高较密的草本植物，相比无植被的台阶点10、11有着较明显的差异。

图2 太阳湖负离子浓度插值

2.3 太阳湖负离子浓度与温湿度的曲线估计

关于空气负离子与温湿度的关系，不同学者有不同观点，吴楚材[18]通过对南方有代表性的森林游憩区周围空气负离子的研究得出：空气负离子浓度与空气温度呈负相关，与空气湿度呈正相关；邵海荣等[19]对不同地区空气负离子浓度研究后得出：空气负离子与温度呈正相关，与湿度呈负相关；而王继梅[20]的研究发现温湿度的升高对空气负离子的浓度都有提升。

表2 太阳湖样本点说明

为探究湖水负离子浓度与温湿度的关系，对近3年太阳湖的数据进行整理，发现空气负离子与湿度存在较强的正相关，相关系数r=0.715，并且通过了0.01的显著性水平检测。空气负离子与温度存在较强的正相关，相关系数r=0.548，并且通过了0.01的显著性检验。进一步探究湖泊空气负离子浓度分别与温湿度的关系，应用SPSS对数据进行曲线估计[21-23]，以负离子浓度为因变量，温度为自变量，采用线性、二次多项式、对数、S曲线、指数函数多种方法进行拟合比较结果如图3。以负离子浓度为因变量，相对湿度为自变量，采用线性、二次多项式、对数、S曲线、指数函数多种方法进行拟合比较，结果如图4。经统计可知以S曲线对温度进行拟合，可决系数R2最大为0.434，通过了0.01显著性水平检验，见表3。以二次多项式对湿度进行拟合，可决系数R2最大为0.564，亦通过了0.01显著性水平检验，见表4。由此可得的湖边空气负离子与温度的关系为y=e(8.635-56.030/T)，其中y为负离子浓度值，T为温度。湖边空气负离子与湿度的关系为y=1074.522-34.908H+0.505H2，式中y为负离子浓度值，H为相对湿度。图3中24℃以下的数据量较少，主要是因为阴天和晴天负离子浓度存在差异[15]，而笔者剔除的数据中，夏季24℃以下阴天的数据偏多。至于可决系数偏低，这可能是气体自身的稳定性及环境的复杂性造成的。

图3 负离子浓度与温度的曲线拟合

图4 负离子浓度与湿度的曲线拟合

2.4 太阳岛水域空气清洁度等级评价

通常研究空气负离子浓度基本观测指数，常采用空气质量评价指数(CI)或森林空气离子评价指数(FCI)作为指标，笔者采用单极系数(q)和空气质量评价指数(CI)进行评价，计算公式如(1)～(2)所示[4]。

式中：n-为负离子浓度（个/cm3）；n+为正离子浓度（个/cm3）；q为单极系数；1000为对人体能产生生物学效应的最低负离子浓度；CI为空气质量评价指数。根据安培空气清洁成度划分的5个等级[17]，见表5，结合所求得的空气质量评价指数便可获得对应的评价等级。

以太阳岛内太阳瀑、太阳湖、天鹅湖与湿地园为研究对象，选取景区内水体的正离子与负离子的浓度值，计算单极系数(q)与空气质量评价指数CI值，对以上4个区域的空气清洁度等级进行评价结果见表6。通过分析可以得出：太阳瀑洞口的CI值最大为260.42，空气清洁度为A级，达到了最清洁的标准，太阳瀑的CI值远大于其他3个区域的CI值，是因为高速运动的水滴破碎产生大量电子，大量的电子被周围的空气捕获成为负离子，同时水在喷溅时对周围空气起到淋洗清洁的作用，减少了空气中的杂质含量，延长了空气负离子的存活时间，使得瀑布负离子浓度远大于静态水体负离子浓度。通过计算湿地园的CI值为1.16，天鹅湖的CI值为1.14，空气清洁度均为A级，达到了最清洁的标准。太阳湖的CI值为0.88大于0.7，空气清洁度为B级，达到了一般清洁的标准。天鹅湖和湿地园的CI值高于太阳湖的CI值，主要的原因可能是天鹅湖和湿地园样点的植被更紧密，因为对静态水的采样主要是沿水体边缘进行的，而太阳湖有一部分区域植被稀少，对浓度的整体均值产生了一定的影响。

表3 负离子浓度与温度的曲线拟合

表4 负离子浓度与相对湿度的曲线拟合

表5 空气清洁成度分级评价标准

表6 太阳岛水域空气清洁度评价

3 结论与讨论

通过对太阳瀑、太阳湖的采样调查可以发现瀑布的负离子浓度值远大于湖水的负离子浓度，与王薇等学者的结论一致，主要原因是基于勒纳德效应瀑布负离子的产量大于湖水负离子的产量，且水在喷溅时对周围空气起到淋洗清洁的作用，为负离子提供了良好的生存环境，使其不会立刻消亡。在不考虑山体地形及不同落水点的相互影响下，瀑布负离子浓度一般从落水点向外随距离增加急剧下降，一段距离之后负离子浓度的变化趋于平稳。对太阳湖的采样调查发现湖的边缘区域负离子浓度值略高于湖中心处的负离子浓度值，一方面湖边缘的水体与岸边存在着摩擦碰撞，对负离子浓度有一定影响，另一方面湖的边缘更易受到周边环境的影响，如植被状况和风力对负离子的迁移作用，使湖边负离子浓度较高于湖内。湖水边缘有植被的区域负离子浓度值一般大于无植被的区域。

对太阳湖的负离子浓度分别与温湿度的关系进行研究，发现研究区域的负离子浓度与温湿度均存在着较强的正相关，与王继梅的研究结论相同，与吴楚材和邵海荣所得出的结论不同，这可能是由于不同研究区环境状况存在差异造成的。应用SPSS对空气负离子分别与温湿度进行曲线估计，以不同的函数模型对散点进行拟合，挑选拟合度高的曲线类型进行表达，并通过了显著性水平为0.01的显著性检验，具有统计学意义，但由于气体的稳定性相对较差，以及环境的复杂性拟合的可决系数不高。

对太阳岛景区内太阳瀑、太阳湖、天鹅湖与湿地园进行了空气清洁度等级的评价，通过计算空气质量评价系数CI值，发现太阳瀑、天鹅湖与湿地园的空气清洁度等级均为A级，达到了最清洁的标准，其中以太阳瀑的CI值最大为260.42，太阳湖的CI值为0.88，空气清洁度等级为B级，达到了一般清洁的标准。

[1]张双全,刘琢川,谭益民,等.长沙市不同功能区空气负离子水平研究[J].重庆三峡学院学报,2015,31(3):104-108.

[2]Terman M,Terman J S.Treatment of seasonal affective disorder with a high-output negative ionizer[J].The journal of alternative and complementary medicine,1995,1(1):87-92.

[3]王轶浩,谭名照,曾静,等.不同林龄马尾松林空气负离子特征及服务价值[J].西南大学学报:自然科学版,2015,37(11):51-56.

[4]梁红,陈晓双,达良俊.上海佘山国家森林公园空气负离子动态及其主要影响因子[J].城市环境与城市生态,2014,27(1):7-11.

[5]刘和俊,夏尚光,丁增发,等.九华山风景区空气负离子水平分析与评价[J].中国城市林业,2012,10(5):14-17.

[6]陈欢,章家恩.空气负离子浓度分布的影响因素研究综述[J].生态科学,2010,29(2):181-185.

[7]李少宁,韩淑伟,商天余,等.空气负离子监测与评价的国内外研究进展[J].安徽农业科学,2009,37(8):3736-3738.

[8]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.

[9]何平,常顺利,张毓涛,等.新疆森林游憩区空气负离子浓度时空分布特征及其影响因素[J].资源科学,2015,37(3):0629-0635.

[10]Goel N,Terman M,Terman J S,et al.Controlled trial of bright light and negative air ions for chronic depression[J].Psychological Medicine,2005,35(7):945-955.

[11]Suzuki S,Yanagita S,Amemiya S,et al.Effects of negative air ions on activity of neural substrates involved in autonomic regulation in rats[J].International Journal of Biometeorology,2008,52(6):481-489.

[12]Sirota T V,Safronova V G,Amelina A G,et al.Effect of negative air ions on respiratory organs and blood[J].Biofizika,2008,53(5):886-893.

[13]赵蕾,吴坤悌,陈明.海南省主要景区负氧离子浓度分布及预报方程研究[J].安徽农业科学,2016,44(29):189-191,208.

[14]王薇.空气负离子浓度分布特征及其与环境因子的关系[J].生态环境学报,2014,23(6):979-984.

[15]曾曙才,苏志尧,陈北光.广州绿地空气负离子水平及其影响因子[J].生态学杂志,2007,26(7):1049-1053.

[16]刘燕,王业成,王让会,等.南京浦口区大气负离子的时空特征及其与气象条件的关系[J].长江流域资源与环境,2017,26(5):706-712.

[17]李佳珊,王书玉,齐超,等.漠河北极村针叶林空气负离子浓度等级及其生态效益评价[J].森林工程,2015,31(4):18-25.

[18]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.

[19]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.

[20]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.

[21]崔会平,张建国,徐文俊,等.竹群落空气负离子及空气质量评价[J].福建林业科技,2013,40(4):56-61.

[22]王宝,谢福燕,张自祥,等.玉溪空气负氧离子预测模型的建立[J].高原气象,2015,34(1):251-257.

[23]王艾丽,李红美.人体受刺激后血压变化的SPSS曲线拟合分析[J].苏州大学学报:医学版,2003,23(4):422-424.

Analysis and Evaluation of Negative Air Ions Concentration in Sun Island Scenic Spot

Yu Zexi1,2,Shan Shengye1,2,Zhang Dongyou1,2
(1Key Laboratory of Remote Sensing and Monitoring of Geographical Environment of Heilongjiang Province/Harbin Normal University,Harbin 150025,Heilongjiang,China;2School of Geography Science,Harbin Normal University,Harbin 150025,Heilongjiang,China)

Taking negative air ions concentration of waters in Sun Island scenic area as the object,we studied the distribution of negative air ions near different kinds of waters and the relationship of negative air ions concentration with temperature and humidity,and evaluated the air cleanliness of the water area.Interpolation analysis of Sun Waterfall and Sun Lake was conducted by ArcGIS,correlation test and curve fitting of negative air ions concentration in Sun Lake with temperature and humidity were studied by SPSS.The air quality was evaluated by Ampere air quality assessment index.The results showed that the air cleanliness level of Sun Waterfall,Swan Lake and Wetland Garden was Grade A,and that of Sun Lake was Grade B.It was found that the negative air ions concentration was positively correlated with temperature and humidity.The results of curve fitting showed that S curve was more suitable to describe the relationship between the negative air ion concentration and the temperature,the quadratic polynomial was more suitable to describe the relationship between the negative air ion concentration and the humidity.The air cleanliness evaluation result showed that:air quality of Sun Waterfall,Swan Lake and Wetland Garden reached the cleanest standard,that of Sun Lake reached the standard of general cleaning.

Negative Air Ions;Spatial Interpolation;Curve Estimation;Air Cleanliness;Grade Evaluation

S716.1

A论文编号：cjas17080022

国家自然科学基金项目“森林空气负离子产生机制及其生态效应研究”(41171412)；黑龙江省自然科学基金项目“大兴安岭寒温带森林空气负离子时空分布与评价”(D201303)；哈尔滨师范大学博士后项目“大兴安岭森林空气负离子生态效应研究”(13RBHZ03)。

于泽西，男，1992年出生，辽宁凤城人，在读硕士，主要从事GIS与生态环境研究。通信地址：150025黑龙江省哈尔滨师范大学地理科学学院，E-mail：2601146009@qq.com。

张冬有，男，1973年出生，河北清苑人，教授，博士，主要从事3S技术与森林生态。通信地址：150025黑龙江省哈尔滨师范大学地理科学学院，Tel：0451-88060578，E-mail：zhangdy@163.com。

2017-08-23，

2017-11-02。