高密度城市住区绿地空气负离子浓度分布特征及其与微气候关系

王薇 ，陈明，夏斯涵

1. 安徽建筑大学建筑与规划学院，安徽 合肥 230022；2. 安徽建筑大学建成环境与健康研究中心，安徽 合肥 230022；3. 安徽安德建筑设计有限公司，安徽 合肥 230022

城市住区规划设计的首要目标就是为居民提供一个良好的居住及生活环境，住区绿地规划设计是住区规划的重要组成部分，越来越受到居民的重视。住区绿地的建设水平是居民选择住区的考虑重点之一，观念已从生存性的居住需求转变为高质量的品质需求。

绿地不仅能改善小气候、固碳释氧、减噪，还可以杀菌滞尘、增加负离子浓度。绿地产生的空气负离子具有良好的保健功能，被誉为空气中的维生素和生长素，因此常被作为衡量城市空气质量的一种重要且正面的指标（邵海荣等，2005；王薇等，2013），也直接影响了住区环境的空气质量以及人的健康和舒适程度。伴随着城市经济发展、人口增长、城市规划建设以及人们日益关注自身生活环境质量的大背景下，国内外学者开始关注空气负离子与城市环境的关系（Marko et al.，2008；Jayaratne et al.，2008；Ling et al.，2010；Ling et al.，2013；孟丽红等，2011；王薇等，2014）。因此本课题立足于拓展空气负离子在城市住区中的应用研究，根据城市住区不同绿地类型研究空气负离子浓度的分布情况，旨在优化城市住区规划设计，通过合理的空间配置和规划布局来缓解城市化引起的城市生态环境问题，为城市居民提供安全、健康、方便、舒适的居住环境，促进其健康协调发展，对于提高城市住区环境和人居环境具有重要的现实意义。

1 研究区域概况和研究方法

1.1 研究区域概况

安徽省合肥市地处中纬度地带，31°52'N，117°17'E，是季风气候最为明显的区域之一，属于典型的夏热冬冷地区气候代表城市，全年气温夏热冬冷，春秋温和，年平均气温在 15—16 ℃之间，属于温和的气候型，夏季平均气温为 27.5—28.5 ℃左右，冬季月平均气温在 1.5—5.0 ℃之间，相对湿度的年变化与温度年变化相一致，夏季最大，冬季最小。城市主导风向为东南风，其中夏季东南风，冬季偏北风，年平均风速在1.6—3.3 m·s-1之间。

合肥市政务文化新区位于省会合肥主城区的西南，规划面积12.67 km2，现有常住城市人口约10万人，是合肥市“141”城市空间发展战略中主城区重要组成部分，也是一座集行政办公、文教体育、金融商贸、旅游度假、居住休闲功能为一体，独具人居生态特色的魅力新区、时尚之城，已经发展成为省会合肥新的政治经济中心和商业文化中心。https://baike.so.com/doc/562883-595890.html.

合肥政务文化中心核心区有一处合肥市内最大的开放式公园，周边有大片绿地，包括各种雕塑、园林树木、人工沙滩、喷泉等景观。课题组前期开展过此区域环境的空气质量研究，本文则进一步研究此区域周边的住区绿地，以天鹅湖绿地环境的空气质量作为参考指标，探讨有利于住区居民身心健康和休闲运动的住区绿地规划与设计。

1.2 样本选择

如图1所示，选取合肥市政务区天鹅湖周边4个高密度住区：陶然居、雏菊苑、丽景城、琥珀五环城开展研究。

陶然居位于天鹅湖东部，天鹅湖路南、东至路东。占地面积2.78×104m2，总建筑面积9×104m2，绿化率为40%，容积率为2.44，基地内共有7栋高层住宅。雏菊苑位于天鹅湖东北部，休宁路南、石台路西。占地面积约 5.5×104m2，总建筑面积约11×104m2，绿化率为50%，容积率为2.0，基地内共9栋高层住宅。丽景城位于天鹅湖西部，祁门路北。占地面积约6.3×104m2，总建筑面积约16×104m2，绿化率为44%，容积率为2.2，基地内共17栋高层住宅。琥珀五环城位于天鹅湖南部，西南临潜山路，东临金寨路高架，北临习友路。占地面积约12.9×104m2，总建筑面积约 45.1×104m2，绿化率为40%，容积率为3.5，基地内共18栋高层住宅。

1.3 选点依据

根据城市居住区中绿地的位置和功能的不同，可分为居住区公共绿地、宅旁绿地、居住区道路绿地及公建设施绿地这4种类型。本文研究对象为城市居住区公共绿地，它集中反映了居住区的绿地质量水平。结合以上4个居住区的规划组织结构类型，最终确定了样点分布在中心绿地、组团绿地、宅旁绿地和道路绿地，见图2。

1.4 研究方法

图1 合肥市政务区天鹅湖周边样本分布图Fig. 1 Sample distribution around Swan Lake, Hefei government district

图2 实测样地Fig. 2 Measured sample plots

测试指标有正、负离子浓度，PM2.5浓度，以及风速、空气温度、相对湿度。2016年7—8月、12月针对每个住区分别选取雨后、晴天、阴天3种不同天气状况，每天07:00—18:00，每隔1 h测试1次，同时记录空气正、负离子浓度（ion·cm-3）、PM2.5浓度（μg·cm-3）、温湿度和风速。空气正负离子浓度用日本原产的COM-3200PRO空气离子测试仪，距地面1.5 m处，与成人呼吸高度基本一致。风速使用三杯式风速传感器测定，用WY-100G数据采集记录仪连接，实时显示空气正、负离子浓度，温度，相对湿度与风速并记录，间隔5 sec记录一次。PM2.5浓度用美国便携式 Dylos空气质量检测仪测定，每个观测点记录5 min，每分钟读取1组数据。运用Excel软件进行数据处理，采用SPSS进行统计分析。

2 样本绿地与空气负离子浓度的关系

各样本绿地由于所处的区位环境特征不同，其环境的空气负离子浓度也不尽相同。为了保证分析数据的精确，首先建立数据库对各实测样点的空气负离子、风速、温度和相对湿度数据进行统一，再进行筛选最终得到的有效数据取平均值进行分析。

2.1 陶然居

由图2a所示，实测样点1为组团绿地，位于居住区中心部位，是居民室外健身休息的场所，活动人群较多。样点2为道路绿地，绿地狭长，且为低矮的灌草结构，来往人员车辆较多。样点3、6、8为宅旁绿地。样点5为中心绿地，乔灌草结构，绿地配置丰富，且为疏林地，郁闭度适中。样点4、7、9均为室内，靠近道路，其中样点4东面紧邻中心绿地，四周绿地面积较大，且空间较为宽敞。

2.1.1 夏季数据

如图3所示，陶然居夏季室外晴天空气负离子浓度相对较高，阴天空气负离子浓度最低，呈现出晴天＞雨后＞阴天的趋势。同时夏季室外下午负离子浓度整体高于上午。其中夏季上午室外样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 258 ion·cm-3，雨后达到 229 ion·cm-3，阴天达到 203 ion·cm-3；下午室外样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 318 ion·cm-3，晴天达到 306 ion·cm-3，阴天达到246 ion·cm-3。

夏季室内雨后空气负离子浓度相对较高，阴天空气负离子浓度最低，呈现出雨后＞晴天＞阴天的趋势。同时夏季室内下午负离子浓度整体高于上午。夏季上午室内样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 423 ion·cm-3，晴天达到 337 ion·cm-3，阴天达到 277 ion·cm-3；下午室内样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 438 ion·cm-3，晴天达到 375 ion·cm-3，阴天达到 240 ion·cm-3。

2.1.2 冬季数据

如图3所示，陶然居冬季室内外晴天空气负离子浓度相对较高，阴天和雨后相对晴天较低，两者差别不大。冬季室内外上午负离子浓度整体高于下午。其中冬季上午室外样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 339 ion·cm-3，雨后达到 287 ion·cm-3，阴天达到 270 ion·cm-3；下午室外样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 404 ion·cm-3，阴天达到 254 ion·cm-3，雨后达到 236 ion·cm-3。

冬季上午室内样点4、7、9的晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 390 ion·cm-3，阴天达到323 ion·cm-3，雨后达到 297 ion·cm-3；冬季下午室内样点的晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到343 ion·cm-3，雨后达到 285 ion·cm-3，阴天达到 270 ion·cm-3。

2.2 雏菊苑

如图2b所示，实测样点1、5、7、9均为宅旁绿地，样点2、6、8、10均为室内，样点3为组团绿地，样点4为中心绿地，样点11为道路绿地。

2.2.1 夏季数据

如图4所示，雏菊苑夏季室外雨后空气负离子浓度相对较高，阴天空气负离子浓度最低，呈现出雨后＞晴天＞阴天的趋势。同时夏季室内外负离子浓度上午略高于下午。其中夏季上午室外样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 376 ion·cm-3，晴天达到 351 ion·cm-3，阴天达到 323 ion·cm-3；下午室外样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 410 ion·cm-3，晴天达到 337 ion·cm-3，阴天达到317 ion·cm-3。

夏季上午室内样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 560 ion·cm-3，晴天达到 418 ion·cm-3，阴天达到 300 ion·cm-3；下午室内样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 475 ion·cm-3，晴天达到 388 ion·cm-3，阴天达到 305 ion·cm-3。

2.2.2 冬季数据

如图4所示，雏菊苑冬季室内外晴天空气负离子浓度相对较高，雨后和阴天空气负离子浓度偏低，呈现出晴天＞阴天＞雨后的趋势。同时冬季室内外负离子浓度上午高于下午。其中冬季上午室外样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 302 ion·cm-3，阴天达到 234 ion·cm-3，雨后达到 128 ion·cm-3；下午室外样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到203 ion·cm-3，晴天与阴天基本一致，分别为 185 ion·cm-3和 184 ion·cm-3。

冬季上午室内样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 445 ion·cm-3，阴天达到 328 ion·cm-3，雨后达到 184 ion·cm-3；下午室内样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 310 ion·cm-3，阴天和雨后基本一致，分别为 268 ion·cm-3和 260 ion·cm-3。

2.3 丽景城

如图2c所示，实测样点1、3、10均为宅旁绿地，样点2、8、9均为组团绿地，4、7、11均为室内，样点5为中心绿地，样点6为道路绿地。

2.3.1 夏季数据

图4 雏菊苑室内外环境空气负离子浓度分布图Fig. 4 Distribution of NAI concentration in indoor and outdoor environment of Chuju Residential area

图5 丽景城室内外环境空气负离子浓度分布图Fig. 5 Distribution of NAI concentration in indoor and outdoor environment of Lijing Residential area

如图5所示，丽景城夏季室内外雨后和晴天空气负离子浓度相对较高，阴天空气负离子浓度最低，呈现出雨后＞晴天＞阴天的趋势。同时夏季室内外负离子浓度上下午差异不显著。其中夏季上午室外样点雨后和晴天基本一致，分别为309 ion·cm-3和308 ion·cm-3，阴天达到 271 ion·cm-3；下午室外样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到308 ion·cm-3，晴天达到 284 ion·cm-3，阴天达到 271 ion·cm-3。

夏季上午室内样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 310 ion·cm-3，晴天达到 280 ion·cm-3，阴天达到 245 ion·cm-3；下午室内样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 317 ion·cm-3，晴天达到 300 ion·cm-3，阴天达到 255 ion·cm-3。

2.3.2 冬季数据

股东大会召开：长航凤凰、哈工智能、长安汽车、天夏智慧、视觉中国、恒逸石化、漳泽电力、北京文化、大庆华科、苏泊尔、利欧股份、中核钛白、鸿博股份、皇氏集团、赛象科技、维信诺、杭氧股份、嘉事堂、雅化集团、首航节能、奥瑞金、木林森、凯龙股份、通宇通讯、吉宏股份、恩捷股份、高争民爆、裕同科技、赛隆药业、青松股份、三盛教育、掌趣科技、德威新材、合纵科技、名家汇、凌钢股份、重庆港九、红豆股份、通威股份、蓝光发展、中化国际、天富能源、康恩贝、益佰制药、宁波富达、京能置业、常熟银行、长城汽车、亚邦股份、华扬联众、百利科技、恒润股份

如图5所示，丽景城冬季室内外雨后空气负离子浓度相对较高，阴天空气负离子浓度最低，呈现出雨后＞晴天＞阴天的趋势。同时冬季室内外负离子浓度上午高于下午。其中冬季上午室外样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 343 ion·cm-3，雨后达到 309 ion·cm-3，阴天达到 263 ion·cm-3；下午室外样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 306 ion·cm-3，阴天达到 293 ion·cm-3，晴天达到258 ion·cm-3。

冬季上午室内样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 340 ion·cm-3，雨后达到 313 ion·cm-3，阴天达到 283 ion·cm-3；下午室内样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 293 ion·cm-3，晴天达到 247 ion·cm-3，阴天达到 237 ion·cm-3。

2.4 琥珀五环城

如图2d所示，琥珀五环城样点1、4、9、10为宅间绿地，样点2、5、7、8、11为室内，样点3为组团绿地，样点6为中心绿地，样点12为道路绿地。

2.4.1 夏季数据

如图6所示，琥珀五环城夏季室内外雨后空气负离子浓度相对较高，阴天空气负离子浓度最低，呈现出雨后＞晴天＞阴天的趋势。同时夏季室内外负离子浓度下午高于上午。其中夏季上午室外样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 296 ion·cm-3，雨后达到 281 ion·cm-3，阴天达到 233 ion·cm-3；下午室外样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 314 ion·cm-3，晴天达到 274 ion·cm-3，阴天达到 256 ion·cm-3。

夏季上午室内样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 308 ion·cm-3，晴天达到 284 ion·cm-3，阴天达到 262 ion·cm-3；下午室内样点雨后空气负离子浓度最高，平均浓度达到 396 ion·cm-3，晴天达到 304 ion·cm-3，阴天达到 250 ion·cm-3。

2.4.2 冬季数据

如图6所示，琥珀五环城冬季室内外晴天空气负离子浓度相对较高，雨后空气负离子浓度最低，呈现出晴天＞雨后＞阴天的趋势。同时冬季室内外负离子浓度上午高于下午。其中冬季上午室外样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到 439 ion·cm-3，阴天达到 310 ion·cm-3，雨后达到 145 ion·cm-3；下午室外样点晴天空气负离子浓度最高，平均浓度达到253 ion·cm-3，雨后与阴天基本一致，分别为 207 ion·cm-3和 203 ion·cm-3。

2.5 结果分析

2.5.1 各样本绿地空气负离子浓度随天气变化的特征

由图 3—6可以看出，夏季各样本绿地空气负离子浓度都呈现雨后＞晴天＞阴天的趋势，冬季各样本绿地空气负离子浓度都呈现出晴天＞阴天＞雨后的趋势。晴天空气负离子浓度高于阴天，主要由于晴天太阳辐射较强，空气对流作用也较强，植物的光合作用也相应增强，因此产生的空气正、负离子浓度也高些（吴甫成等，2006）。

夏季雨后天晴时空气负离子比干燥晴天还要高，尤其雷雨过后空气中负离子浓度明显增高。这是因为雷电的冲击带来大量的负离子，降雨的同时会增加负离子密度，降低正离子密度（王薇等，2013）。

2.5.2 各样本绿地空气负离子浓度随季节变化的特征

由图 7可以看出，空气负离子浓度总体夏季高于冬季，与其他研究学者的结论统一。由于冬季温度低，静风频率高，大气层结构稳定，容易出现逆温现象，不利于污染物扩散。同时冬季植物处于落叶和休眠状态，光合作用微弱，导致空气负离子浓度不断降低（穆丹等，2009）。

夏季4块样本绿地室外环境的空气负离子浓度存在差异，空气负离子平均浓度从大到小的顺序是：雏菊苑＞丽景城＞琥珀五环城＞陶然居，分别为351、292、276、260 ion·cm-3。雏菊苑显著高于其他3个样本绿地，其他3个样本绿地负离子浓度差别不大，主要得益于该住区内部大面积的水体与绿地，水域面积的大小与空气负离子浓度呈正相关（吴楚材等，2001）。同时东南角大量的乔灌草结构对城市主干道的灰尘也起到了阻挡的作用。

图7 夏冬两季各样本绿地室外空气负离子浓度分布图Fig. 7 Outdoor NAI concentration distribution of sample green space in summer and winter

冬季 4块样本绿地室外环境的空气负离子浓度存在差异，空气负离子平均浓度从大到小的顺序是：陶然居＞丽景城＞琥珀五环城＞雏菊苑，分别为 296、289、259、206 ion·cm-3。雏菊苑显著低于其他3个样本绿地，其他3个样本绿地负离子浓度差别不大，主要由于冬季光照强度不足，不利于水体的激发，因此负离子浓度的提高有限。

2.5.3 各样本绿地空气负离子浓度随空间变化的特征

图6 琥珀五环城室内外环境空气负离子浓度分布图Fig. 6 Distribution of NAI concentration in indoor and outdoor environment of Amber Five Ring Residential area

图8 夏冬两季4个住区不同类型绿地室外空气负离子浓度分布图Fig. 8 Outdoor NAI concentration distribution of different types of green space in four residential areas in summer and winter

对夏冬两季住区的宅旁绿地、组团绿地、中心绿地、道路绿地4种不同类型的绿地空气负离子浓度进行对比分析，由图8可以看出，夏季陶然居宅旁绿地＞中心绿地＞组团绿地＞道路绿地，分别为281、277、248、193 ion·cm-3；冬季组团绿地＞中心绿地＞宅旁绿地＞道路绿地，分别为360、332、289、231 ion·cm-3。夏季雏菊苑中心绿地＞组团绿地＞宅旁绿地＞道路绿地，分别为 405、353、346、325 ion·cm-3；冬季中心绿地＞组团绿地＞宅旁绿地＞道路绿地，分别为243、207、205、171 ion·cm-3。夏季丽景城中心绿地＞组团绿地＞宅旁绿地＞道路绿地，分别为358、290、289、270 ion·cm-3；冬季组团绿地＞宅旁绿地＞中心绿地＞道路绿地，分别为330、326、308、228 ion·cm-3。夏季琥珀五环城宅旁绿地＞中心绿地＞组团绿地＞宅旁绿地，分别为293、260、258、242 ion·cm-3；冬季中心绿地＞宅旁绿地＞组团绿地＞道路绿地，分别为271、270、242、221 ion·cm-3。

总体来看，道路绿地的空气负离子浓度偏低，主要由于绿地狭长且多为低矮的灌草结构，来往人员车辆又较多，不利于负离子的产生。而中心绿地、组团绿地和宅旁绿地的配置较丰富，常采用乔灌草复层结构，郁闭度适中，有利于负离子的产生，因此空气负离子浓度较高。

3 各样本不同绿地类型室外空气负离子浓度与环境因子的相关分析

住区内部局地微气候因素如温度、湿度、风速等对空气负离子浓度有重要的影响（吴志萍等，2007）。因此基于以上4个住区室外绿地的实测，分别将温度、湿度、风速与空气负离子浓度进行了相关性分析，如表1—4所示。

表1 陶然居室外绿地空气负离子浓度与环境因子的相关系数Table 1 The correlation coefficient of NAI concentration with environmental factors in outdoor green space of Taoran residential area

由表1可以看出，陶然居室外各样点中，样点1、2、3、6与温度呈正相关，样点5、8与温度呈负相关，相关性不明确。样点1、2、3、6和8与相对湿度呈正相关，样点 5与相对湿度呈负相关，总体呈正相关。空气负离子浓度与风速均呈正相关。

由表2可以看出，雏菊苑室外各样点中，除样点11外，其余样点空气负离子浓度均与温度呈正相关；样点1、3、7、11各样点空气负离子浓度与相对湿度呈负相关，样点4、5、9呈正相关，相关性不明确。各样点空气负离子浓度与风速均呈正相关。

由表3所示，丽景城室外各样点中，空气负离子浓度均与温度呈正相关；除样点3、5外，其余样点空气负离子浓度与相对湿度均呈负相关；样点2、3、5、6和8空气负离子浓度与风速呈正相关，样点1、9、10与风速呈负相关，相关性不明确。

由表4可以看出，琥珀五环城室外各样点中，除样点9外，其余样点空气负离子浓度与温度均呈正相关；除样点4外，其余样点空气负离子浓度与相对湿度均呈正相关；各样点空负离子浓度与风速均呈正相关。

表2 雏菊苑室外绿地空气负离子浓度与环境因子的相关系数Table 2 The correlation coefficient of NAI concentration with environmental factors in outdoor green space of Chuju residential area

表3 丽景城室外绿地空气负离子浓度与环境因子的相关系数Table 3 The correlation coefficient of NAI concentration with environmental factors in outdoor green space of Lijing residential area

表4 琥珀五环城室外绿地空气负离子浓度与环境因子的相关系数Table 4 The correlation coefficient of NAI concentration with environmental factors in outdoor green space of Amber Five Ring residential area

4 结论与建议

4.1 结论

（1）夏季各样本绿地空气负离子浓度都呈现雨后＞晴天＞阴天的趋势，冬季各样本绿地空气负离子浓度都呈现出晴天＞阴天＞雨后的趋势。晴天无尘时空气负离子浓度明显增大，雨后天晴时空气负离子比干燥晴天还要高，尤其雷雨过后空气中负离子浓度明显增高。

（2）夏季空气负离子浓度高于冬季，夏季4块样本绿地室外环境的空气负离子平均浓度从大到小的顺序是：雏菊苑＞丽景城＞琥珀五环城＞陶然居；冬季 4块样本绿地室外环境的空气负离子平均浓度从大到小的顺序是：陶然居＞丽景城＞琥珀五环城＞雏菊苑。

（3）道路绿地的空气负离子浓度较宅旁绿地、中心绿地、组团绿地较低。来往人员车辆较多不利于负离子的产生；而植物层次结构丰富的绿地，能提高环境的空气负离子浓度。

（4）室外绿地的空气负离子浓度与温度总体呈正相关，与相对湿度关系不明确，与风速总体呈正相关。

（5）住区内部大面积的水体和绿地有利于激发负离子浓度。

（6）住区周边的乔灌草结构，对城市主干道的灰尘起到了阻挡的作用，但也一定程度上阻挡了气流的运动。

4.2 建议

（1）摒弃分散自由式的布局所造成的居住区绿地的碎片化，将住区内部各个大面积的绿地或水体相贯通，形成整体化的绿地空间布局。同时丰富绿地植物层次结构，既可以实现降尘作用，又不会造成对气流的阻挡，使居住区内部气流畅通，从而激发空气负离子浓度，改善住区空气质量。

（2）设置中心绿地空间时，建议摒弃一般大量堆积茂密高大乔木的做法，改为郁闭度稍大的密林地或疏林地。从而引导气流使居住区内部气流畅通，也不会过于遮挡阳光。乔灌草复层结构可以滞尘，避免污染被气流输送入室内，但也容易阻挡气流的运动，因此要在实现滞尘作用与利于气流的畅通之间寻找一个最佳的临界值。