齐齐哈尔市城市森林空气负离子浓度变化规律1)

李彦 李峰 肖楠

(中国林学会，北京，100091) (黑龙江省森林与环境科学研究院)

空气分子是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电荷，电子带负电荷。当正电荷和负电荷数量相等时，空气分子和原子呈电中性。当空气分子受到外界条件如电离剂的作用后，获得足够的能量，而使原子核外围的价电子之一脱离原子核的束缚跃出轨道变成自由电子，使失去电子的中性分子或原子变成带正电荷的离子，中性分子或原子捕获逃逸出来的自由电子时，则变成带负电荷的离子[1-3]。这一形成带电荷的正负离子的过程称为空气离子化[4]。空气负离子是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称[5]。空气负离子具有杀菌、降尘、清洁空气、提高免疫力、调节机能平衡的功效，因而被誉为“空气维生素和生长素”[6]。自然条件下，空气负离子的产生受到诸多因素的影响，主要包括：一是大气分子受放射性物质、宇宙射线和紫外线的影响发生电离，产生空气负离子。二是植物树冠叶片的尖端放电以及光合作用产生的光电效应，促使空气电离产生空气负离子；植物越丰富，光合作用总量越大，空气中的负离子越多。三是土壤内的空气与土壤外的空气交换可以增加空气负离子[7-10]。四是水的勒纳德效应，瀑布的冲击、溪流的跌水、海浪的推卷及暴雨的跌落等自然过程中，水自上而下，在重力的作用下高速运动，使水分子裂解，产生大量空气负离子[11]。杨建松等[12]对不同植物配植环境进行研究发现，其负离子浓度由大到小的排序为阔叶林、混交林、草地、灌丛。此外，树龄、郁闭度、树高等也会对空气负离子浓度产生影响[13]。

齐齐哈尔市是黑龙江省第二大城市，目前的天蓝水清，生态环境良好，与城市绿化、城市森林建设密不可分。笔者对齐齐哈尔市城市森林负离子浓度进行观测研究，探索城市森林空气负离子浓度分布规律，旨在为科学指导城市规划、植物配置以及合理开发和充分利用自然环境中的空气负离子浓度改善人居环境的空气质量提供参考。

1 试验地概况

齐齐哈尔地处东北松嫩平原，地理位置123°～126°E、45°～48°N，位于位于黑、吉、蒙三省区交汇处。齐齐哈尔市地域平坦，平均海拔146 m，东部和南部地势低洼。属中温带大陆性季风气候。四季分明，春季干旱多风、夏季炎热多雨、秋季暂短霜早、冬季干冷漫长。年降水量415 mm，年均温3.2 ℃，1月均温-25.7 ℃，7月均温22.8 ℃。齐齐哈尔南部属温暖干旱农业气候区，中部属温和半干旱农业气候区，北部属温凉半湿润农业气候区。

进行负离子浓度观测研究的区域包括黑龙江省森林与环境科学研究院实验示范基地(简称林研基地)、齐齐哈尔市龙沙公园、齐齐哈尔市嫩江公园、齐齐哈尔市政府广场、齐齐哈尔市图书馆广场、齐齐哈尔大学劳动湖景区(简称齐大景区)6个观测区。进行负离子浓度观测研究的固定观测区共计设置6个，包括16种林分类型。

林研基地观测区：位于齐齐哈尔市富拉尔基区，观测的林分类型包括银中杨(Populus×yinzhong)、山新杨(Populusdavidiana×P.bolleana)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、兴安落叶松(Larixgmelini)、五角槭(Acermono)5种实验林。银中杨林分，平均树高20.0 m、平均胸径32.0 cm、郁闭度0.8；山新杨林分，平均树高5.7 m、平均胸径5.1 cm、郁闭度0.7；樟子松林分，平均树高13.0 m、平均胸径20.0 cm、郁闭度0.8；兴安落叶松林分，平均树高22.0 m、平均胸径23.0 cm、郁闭度0.8；五角槭林分，平均树高17.0 m、平均胸径33.0 cm、郁闭度0.7。

齐齐哈尔市龙沙公园观测区：观测的林分类型包括家榆(Ulmuspumila)、中东杨(PopulusberolinensisDippel)、旱柳(Salixmatsudana)等3种景点绿化林。家榆林分，平均树高15.7 m、平均胸径30.0 cm、郁闭度0.7；中东杨林分，平均树高28.0 m、平均胸径53.0 cm、郁闭度0.6；旱柳林分，平均树高25.0 m、平均胸径62.0 cm、郁闭度0.7。

齐齐哈尔市嫩江公园观测区：观测的林分类型包括榆叶梅(Prunustriloba)、丁香(Syringaoblata)、忍冬(Loniceramaakii)灌木绿化林3种林分类型。榆叶梅林分，平均树高2.8 m、平均地径3.5 cm、郁闭度0.8；丁香林分，平均树高4.5 m、平均地径4.5 cm、郁闭度0.9；忍冬林分，平均树高3.5 m、平均地径4.8 cm、郁闭度0.6。

齐齐哈尔市政府广场观测区：观测的林分类型包括云杉(Piceajezoensis)及草坪，云杉的平均树高2.5 m、平均胸径4.0 cm、郁闭度0.7。

齐齐哈尔市图书馆观测区：观测的林分类型包括云杉及丁香混交林带。云杉平均树高5.0 m、平均胸径19.5 cm、郁闭度0.7；丁香平均树高1.3 m、平均地径2.0 cm、郁闭度0.7。

齐大景区：观测的林分类型包括垂柳(Salixbabylonica)与山梅花(Philadelphusschrenkii)混交林带。垂柳平均树高12.0 m、平均胸径18.0 cm、郁闭度0.8；山梅花平均树高1.7 m、平均地径2.0 cm、郁闭度0.8。

2 仪器与方法

观测仪器为日本产KEC-900型负离子测试仪。

固定观测点选取：齐齐哈尔市6个观测区，共计16种林分类型，在每个林分类型内选择1个固定观测点。

观测时间与数据选取：2015—2017年的5—10月份，每月中旬选取无风晴朗的一天进行观测，观测时间为早06:00至晚18:00。每个观测点设置2台仪器进行同时观测，每台仪器固定在1.5 m高的三脚架上，仪器放置在距离林缘20 m左右处。每隔2 h观测1次；每次观测时，读取15个负离子浓度及15个正离子数据记录，以15个观测数据的平均值作为此次观测的数据。以林研基地观测点地为例，每天观测7次，每次获得观测数据30个，6种林分类型、2台仪器观测，共计2 520个有效数据。5—10月份，全年共观测6次，共获得有效数据15 120个。进行连续3 a观测的观测点有林研基地、龙沙公园、嫩江公园、齐大景区、市政府广场、市图书馆广场，3 a累计观测负离子浓度、正离子浓度18万个有效数据。

3 结果与分析

3.1 城市森林负离子浓度日变化规律

将3 a的观测数据，绘制成负离子浓度变化曲线(见图1～图6)。

由图1可见(5月份)：6种不同绿地类型的观测区，空气负离子浓度在一天中都出现了波峰、波谷交替的现象，但出现的时间存在一定的差异性。龙沙公园空气负离子浓度日变化出现2个峰值，分别为上午06:00(850个/cm3)和下午18:00(740个/cm3)，龙沙公园空气负离子浓度最低值出现在上午08:00点(490个/cm3)和下午16:00(600个/cm3)。嫩江公园空气负离子浓度日变化出现2个峰值，分别为上午08:00(740个/cm3)和下午14:00(770个/cm3)，是非常典型的标准双峰曲线；嫩江公园空气负离子浓度的最低值出现在一天当中的上午06:00(510个/cm3)和下午18:00(510个/cm3)。林研基地空气负离子浓度日变化出现2个峰值，分别为上午06:00(990个/cm3)和下午18:00(910个/cm3)，林研基地负离子浓度最低值出现在上午10:00(520个/cm3)和中午12:00(680个/cm3)。市政府广场空气负离子浓度变化，在上午10:00出现一个峰值(970个/cm3)，最低值出现在中午12:00(620个/cm3)；上午06:00前和下午18:00以后数值较为稳定，没有出现比较明显的波峰和波谷。市图书馆广场空气负离子浓度变化，在上午08:00出现一个峰值(1 070个/cm3)，形成单峰曲线；最低值出现在上午06:00(500个/cm3)。齐大景区空气负离子浓度变化为单峰型曲线，峰值出现在上午08:00(890个/cm3)，最低值出现在中午12:00(550个/cm3)。5月份6种不同城市绿地比较，负离子浓度日变化峰值出现在上午06:00—08:00和下午18:00以后出现峰值，多表现为双峰曲线。出现波谷的时间多分布在中午12:00左右。

图1 5月份空气负离子浓度日变化曲线

由图2可见(6月份)：龙沙公园一天中空气负离子浓度出现2个峰值，分别为上午08:00(830个/cm3)和下午18:00(1 030个/cm3)，负离子浓度最低值出现在上午10:00(780个/cm3)。嫩江公园一天中空气负离子浓度出现2个峰值，分别为上午08:00(860个/cm3)和下午18:00(930个/cm3)，最低值出现在下午16:00(590个/cm3)。林研基地负离子浓度最高值出现在上午06:00(1 090个/cm3)，最低值出现在下午16:00(520个/cm3)。市政府广场负离子浓度高于其他绿地类型，最高值出现在下午16:00(1 400个/cm3)，最低值出现在上午06:00(620个/cm3)。市图书馆广场空气负离子浓度出现2个峰值，分别为上午08:00(1 080个/cm3)和下午18:00(1 090个/cm3)，最低值出现在下午16:00(780个/cm3)。齐大景区空气负离子浓度出现2个峰值，分别为上午06:00(1 040个/cm3)和下午14:00点(1 020个/cm3)，最低值出现在上午10:00(800个/cm3)。

图2 6月份空气负离子浓度日变化曲线

由图3可见(7月份)：龙沙公园负离子浓度日变化形成双峰曲线，2个峰值分别为上午10:00(800个/cm3)和下午16:00(910个/cm3)，最低值出现在下午18:00(510个/cm3)。嫩江公园在上午08:00负离子浓度最高(910个/cm3)，形成单峰曲线，下午14:00负离子浓度值最低(290个/cm3)。林研基地在上午06:00负离子浓度值出现峰值(1 590个/cm3)，最小值出现在下午16:00(640个/cm3)，在一天中负离子浓度逐渐降低。其余3个绿地类型的负离子浓度曲线重合率较高，分别在上午08:00出现1个波峰，第二个波峰出现在下午16:00，波谷出现在中午12:00左右；齐大景区最低值为180个/cm3。

图3 7月份空气负离子浓度日变化曲线

由图4可见(8月份)：龙沙公园空气负离子浓度最大值出现在上午08:00(1 280个/cm3)，最低值出现在下午14:00(570个/cm3)。嫩江公园空气负离子浓度最大值出现在下午14:00(1 030个/cm3)，最低值出现在上午10:00(600个/cm3)。林研基地空气负离子浓度最大值出现在下午18:00(1 610个/cm3)，最小值出现在上午08:00(560个/cm3)。市政府广场、市图书馆广场及齐大景区负离子浓度值出现了较大波动，市政府广场负离子浓度在下午16:00达到1 720个/cm3以上。6种不同城市绿地类型负离子浓度变化规律形成了明显双峰曲线，波峰出现在上午08:00和下午18:00，波谷多出现在下午14:00。

图4 8月份空气负离子浓度日变化曲线图

由图5可见(9月份)：龙沙公园负离子浓度最大值出现在下午16:00(860个/cm3)，最低值出现在上午06:00(690个/cm3)；嫩江公园空气负离子浓度最大值出现在中午12:00(780个/cm3)；林研基地空气负离子浓度最大值出现在上午06:00(1 900个/cm3)，最小值出现在下午16:00(770个/cm3)；市政府广场空气负离子浓度最大值出现在上午10:00(470个/cm3)；市图书馆广场空气负离子浓度最大值出现在上午10:00(1 110个/cm3)；齐大景区空气负离子浓度最大值出现在上午10:00(930个/cm3)，最小值出现在中午12:00(400个/cm3)。龙沙公园、嫩江公园、市政府广场、齐大景区负离子浓度变化曲线较为平缓，没有出现明显的波峰和波谷；林研基地出现2个峰值，上午06:00(1 900个/cm3)和下午18:00(1 170个/cm3)；市图书馆广场的负离子浓度形成明显的双峰曲线，峰值出现在上午10:00(1 110个/cm3)和下午16:00(950个/cm3)。

图5 9月份空气负离子浓度日变化曲线

图6 10月份空气负离子浓度日变化曲线

由图6可见(10月份)：龙沙公园在上午10:00出现1个峰值(990个/cm3)，其它时间段数值较低且无上升趋势；嫩江公园整体负离子浓度水平较低，在中午12:00出现峰值(540个/cm3)，下午16:00之后数值略有上升；林研基地整体数值水平较高，上午06:00后数值降低，然后在中午12:00出现1个峰值(1 370个/cm3)，之后下降，下午18:00后数值上升。

3.2 城市森林空气负离子浓度的月变化规律

为了解和掌握城市绿地空气负离子浓度的月变化规律，于2015—2017年连续3 a的5—10月份在林研基地进行了空气正、负离子浓度的观测。为了消除环境因素带来的误差，每月选择大气状态相对稳定，风速、风向变化不大的晴好天气进行测定。试验时，选取试验地内不同林型作为测试地点，每天从上午06:00开始进行观测，到下午18:00结束。以3 a每月测试数据平均值作为当月的空气正、负离子浓度值。

2015—2017年负离子浓度按月份平均值(见表1)。由表1可见：3年5—10月份平均负离子浓度为1 050个/cm3；空气负离子浓度月变化规律，从5月份开始逐月上升，到9月份达到峰值，从10月份开始下降，负离子浓度5月份最低，9月份最高。

表1 不同年份空气负离子浓度

为检验不同年份及不同月份负离子浓度差异显著性，对相同年份不同月份以及相同月份不同年份之间的负离子浓度作方差分析(见表2)。由表2可见：相同年份不同月份以及相同月份不同年份之间的负离子浓度差异均为显著水平。

表2 不同月份、年份空气负离子浓度方差分析

注：*表示差异显著(P<0.05)。

3.3 城市森林空气负离子浓度的季节变化规律

在气候统计上，将12、1、2月份作为冬季，3、4、5月份为春季，6、7、8月份为夏季，9、10、11月份为秋季。这种划分与黑龙江省的物候现象相一致，故采用此种方法划分四季；以3 a的平均值作为该季度的空气负离子浓度水平(见表3)。由表3可见：春季空气负离子浓度为760个/cm3、夏季为1 060个/cm3、秋季为1 180个/cm3。所以城市森林各季节空气负离子浓度水平有所不同，秋季空气负离子浓度水平最高，夏季略低于秋季，春季较夏季、秋季相差甚远。

表3 不同季节空气负离子浓度

4 结论

通过3 a连续观测研究表明，齐齐哈尔市城市森林空气负离子浓度的日变化规律，一般是早晨(06:00—08:00)达到峰值，随后下降，至中午或下午最低，晚上18:00左右再次出现峰值。负离子浓度最高值可达2 000个/cm3左右、最低值在300个/cm3左右。

齐齐哈尔市城市森林中，空气负离子浓度一年中的变化规律，从5月份开始逐月上升，到9月份达到峰值，从10月份开始下降，负离子浓度5月份最低，9月份最高。

齐齐哈尔市城市森林各季节空气负离子浓度水平有所不同，秋季空气负离子浓度水平最高，夏季略低于秋季，春季最低。