北京西山国家森林公园中空气负离子浓度与气象因子的相关性研究

李少宁 ，李嫒 ，鲁绍伟 ，张伟宁*，徐兰 ，赵娜，徐晓天

1. 北京市林业果树科学研究院/北京燕山森林生态系统长期定位观测研究站，北京 100093；2. 沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866；3. 河北美术学院，河北 石家庄 050700

空气负离子（Negative air ions，NAI）是空气中带负电荷的单个气体分子及轻离子团的总称（Terman et al.，1995）。NAI被公认具有明显的医疗保健作用（Krueger，1962；邵海荣等，2000；章志攀等，2006），通过激活新陈代谢和碱化酸性血液来改善人体健康（谢雪宇，2014），通过中和空气中的有害物质来净化环境（Lin et al.，2006），被誉为“空气维生素和生长素”，是评价环境空气清洁程度的重要指标之一（章志攀等，2006）。城市森林具有释放NAI的生态功效，人们常称其为“城市氧吧”，城市森林植被结构能调控大气颗粒物浓度，提高负离子浓度（刘双芳等，2020）。因此，深入探究空气负离子浓度（Negative air ions concentration，NAIC）变化规律及影响因素有助于进一步了解负离子，充分利用负离子的净化作用及保健作用（李冰，2016；杨旭升，2017）。研究显示，NAIC每时每刻都在不停变化，所以不同天气条件下城市森林中的NAIC变化规律也不尽相同（王非等，2016）。

大量研究表明NAIC与温度、湿度、风速等气象因素有着密切关系，不同天气条件对NAIC有显著影响（冯鹏飞等，2015；郭霄，2015；李冰，2006）。常艾等研究显示，在阳光明媚、气候温和的情况下，NAIC会显著增加；各季节NAIC和相对湿度的关系不尽相同，且NAIC受同一因素影响的机制因季节而异，温度和湿度与春夏季NAIC呈显著正相关，冬季呈显著负相关（常艾等，2015）。降雨作为NAI的主要来源之一，能有效增加NAIC（Retalis et al.，1991），春季和夏季降水增加伴随着湿度增加，为NAI产生创造了有利条件（Miao et al.，2018）。冬季，植物活力减弱，环境变化对NAI的影响更为显著，干燥环境会增加离子之间的缩合半径和组合速率，降低小离子迁移率，加速NAI沉淀。闪电作为自然放电现象，促进空气电离，产生大量 NAI（Vana et al.，2008）。在大雾天气中，NAIC随雾的程度增加而减小，并降至最低点（Reiter，1985）。综上可知，气象因素对NAI影响较大，相互的关系也会受其他因素影响而发生改变。

1 研究方法

1.1 研究地点概况

研究地选取北京西山国家森林公园，处于小西山（属太行山余脉）东部，西倚自然山脊，南起八大处公园，北至香山公园，东临香山南路和五环路，交通十分便捷。植被主要为油松、侧柏以及黄栌、元宝枫等，树龄为30—40 a，树高15 m左右，森林覆盖率为95%以上。景区总面积 739.4 hm2，是距离北京市区最近的一个森林公园，地理坐标：39°58′18.17″N，116°11′51.20″E。北京西山属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，春秋短促，冬夏较长。夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温 10—13 ℃，1月最冷，平均气温-7—-4 ℃，7月最热，平均气温25—26 ℃。极端最低-27.4 ℃，极端最高42 ℃以上。公园截止到2002年园内有植物共计250多种，分属73科。其中森林面积5333 hm2，每年释放氧气17.8万t。

1.2 数据获取

城市森林生态环境监测站配有Weather Meter自动气象仪，可以实时监测空气温度（ta/℃）、湿度（RH/%）、风速（vw/(m·s-1)）和降水量（S-RGB-M002，P·mm-1）、太阳辐射量（Rs/w·m2/s）、气压（p/hpa）等气象参数，同时配有NAI自动监测仪，数据采集时间间隔为1 h。

本研究利用2017年9月—2018年8月的气象数据和NAIC数据，先在宏观上比较不同季节条件下，气象因子对NAI的总体影响，再分别选取雨天、大风天气，雾霾天气这3种典型天气条件下的NAIC数据，分析各自日变化特征及与气象因子关系，并与晴天对比，探究气象因子对NAIC影响机制。

2 结果与分析

2.1 不同季节条件下城市森林 NAIC与气象因子的相关性

将一年四季的晴天NAIC与温度、湿度、风速、气压、太阳辐射量这 5个气象因子进行相关性分析，研究不同季节条件下NAIC与气象因子的相关性差异。

如表1所示，整体来看，NAIC与温度上呈显著正相关（r=0.322，P＜0.01），和气压呈显著负相关（r= -0.362，P＜0.01），与湿度、风速、太阳辐射相关性强度较小。温度在春季和冬季时，与NAIC呈正相关，夏秋季呈负相关。而本研究中春季温度在2—17 ℃之间，平均气温为10 ℃，夏季温度在22 ℃以上，秋季温度在10—21.7 ℃之间，平均气温为15 ℃，冬季气温在8 ℃以下，可以看出，当温度在 15 ℃以上时，NAIC与温度呈负相关；在15 ℃以下时，NAIC与温度呈正相关。多数情况下，NAIC与湿度呈反比，冬季的相关系数最大（r=-0.503，P＜0.01），夏季湿度与 NAIC呈正比，但相关性较小（r=0.189，P＞0.05），说明温度越低，湿度对NAIC的负效应影响越明显。除夏季外，太阳辐射量与NAIC呈正相关，并且冬季太阳辐射量与NAIC的相关系数最大（r=0.622，P＜0.01），主要是夏季太阳辐射最大，说明当太阳辐射量到达一定程度后，太阳辐射量越大，NAIC越小。除夏季外，气压与NAIC呈正相关，并且秋季NAIC与气压的相关系数最大（r=0.652，P＜0.01）。从宏观上看，风速对NAIC浓度影响并不是很显著，只有在春季时呈显著性正相关（r=0.191，P＜0.05）。

表1 不同季节NAIC与气象因子的相关性分析Table 1 Correlation analysis of NAIC and meteorological factors in sunny days in different seasons

2.2 不同天气条件下城市森林 NAIC与气象因子的相关性

2.2.1 降雨条件下城市森林NAIC与气象因子的相关性

由于北京地区降水季节分配很不均匀，全年降水的80%集中在夏季6—8月，7、8月有大雨。根据雨量分级，日降雨量10—25 mm为中雨，本文利用气象数据筛选出夏季日降雨量 10 mm以上的天气，即中雨以上的天气，与夏季晴天NAIC日变化进行对比。如图1所示，雨天NAIC在06:00达到高峰，浓度值为2784 ion·cm-3，12:00处于低谷，NAIC为1748 ion·cm-3。夏季雨天与晴天的NAIC变化趋势一致，都呈昼间降低，夜间升高的U型趋势。与晴天不同的是，雨天由于雷暴作用，往往会在某一时刻 NAIC急剧升高，变化幅度较大，如07:00 NAIC比06:00高44%。雨天NAIC日均值为2134 ion·cm-3，比晴天NAIC高4.56%。晴天NAIC日均值小于雨天，主要是由于雨天昼间NAIC下降幅度明显较晴天小，雨天昼间 NAIC为 2131 ion·cm-3，晴天昼间 NAIC 为 1895 ion·cm-3。数据证明，降雨确实能够增加城市森林NAIC。

图1 夏季晴天与雨天条件下城市森林空气负离子浓度日变化对比Fig. 1 Comparison of daily variation of air anion concentration in urban forests under sunny and rainy conditions in summer

为探究夏季降雨条件下，影响NAIC的主要影响气象因素，从气象站中筛选出对应的温度、湿度、降雨量、风速、气压与太阳辐射量日变化数据与NAIC数据进行对比分析。如表2所示，降雨条件下的NAIC与温度、湿度、降雨量、太阳辐射量相关，与风速、气压无显著相关性。温度与NAIC在0.01水平上极显著负相关（r= -0.751，P＜0.01）；湿度与NAIC在0.01水平上极显著正相关（r=0.626，P＜0.01）；降雨量与NAIC在0.01水平上显著正相关（r=0.334，P＜0.01）；太阳辐射量与NAIC在0.01水平上极显著负相关（r= -0.413，P＜0.01）。由此可知，降雨条件下NAIC的上升是随着温度、湿度、降雨量、太阳辐射量的改变而改变。与晴天条件下相比，降雨条件下湿度对NAIC的影响较为显著。

表2 夏季雨天条件下城市森林空气负离子浓度与气象因素的相关性分析Table 2 Correlation analysis of urban forest air anion concentration and meteorological factors under summer rainy conditions

如表2所示，由于温度、湿度、降雨量、太阳辐射量之间有较强的相关性，相互影响较大。因此，单纯Pearson相关系数不能明确地表达这4个气象因子对NAIC影响。该实验利用逐步回归分析来探究降雨条件下气象因子与NAIC的关系。将温度、湿度、降雨量、太阳辐射量数据与NAIC进行自变量逐步加入方法的回归分析，通过F检验及t检验，去除P＜0.05水平上显著性差异的变量，如表3所示。结果表明，温度和降雨量满足要求，逐步回归方程为y=-3540.201-89.624x1+ 440.951x2，R2=0.767，P=0.000（x1为温度，x2为降雨量）。由此可知，降雨条件下的城市森林 NAIC主要是受温度和降雨量共同影响而产生变化的。夏季温度过高不适宜NAI的生存，但降雨天气导致温度降低，从而使NAIC增加。降雨量能够直接提高空气中的含水量，促进NAI的产生。

表3 夏季雨天条件下城市森林空气负离子浓度与气象因素的逐步回归分析Table 3 Stepwise Regression Analysis of Urban Forest Air Anion Concentration and Meteorological Factors in Summer Rainy Day

2.2.2 雾霾条件下城市森林NAIC变化特征

雾霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物这3项组成，它们与雾气结合在一起，让天空瞬间变得阴沉灰暗。而最后一项颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首。这种颗粒本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体。根据《环境空气质量标准》规定颗粒物（粒径小于等于 2.5 μm），即 PM2.5的二级浓度限值为 70 μg·m-3。因此本文就以PM2.5浓度大于70 μg·m-3为指标判断是否雾霾天气，利用空气质量指数筛选出冬季雾霾天气与晴天的NAIC日变化进行对比。如图2所示，雾霾天气NAIC日均值为1930 ion·cm-3，在13:00达到峰值，峰值为1990 ion·cm-3，雾霾天气与晴天的峰值相差明显，晴天 NAIC峰值比雾霾天高12.31%。冬季雾霾天与晴天的NAIC变化趋势一致，都呈昼间升高，夜间回落的“N型“单峰趋势。雾霾天 NAIC日均值小于晴天，主要是雾霾天昼间NAIC上升幅度明显较晴天小。晴天昼间NAIC为2075 ion·cm-3，雾霾天昼间 NAIC 仅为 1948 ion·cm-3，与冬季晴天相比，冬季雾霾天气 NAIC急速下降，与闫秀婧等（2015）的结论一致。归因于 NAI会与颗粒物结合，形成大分子沉降，导致NAIC下降。

图2 冬季晴天与雾霾天城市森林空气负离子浓度日变化对比Fig. 2 Comparison of Diurnal Variation of Air Negative Ion Concentration in Urban Forest on Sunny and Hazy Winter

为探究冬季严重雾霾条件下，影响NAIC的主要影响气象因素，从气象站中筛选出对应的温度、湿度、气压、太阳辐射量与NAIC数据进行对比分析。如表4所示，雾霾天气下NAIC与温度、湿度、太阳辐射量数据相关，与气压无显著相关性。温度与 NAIC在 0.01水平上显著正相关（r=0.375，P＜0.01）；湿度与NAIC在0.05水平上负相关（r=-0.305，P＜0.01）；太阳辐射量与NAIC在0.01水平上极显著正相关（r=0.697，P＜0.01）。由此可知，雾霾条件下NAIC的影响因素与晴天不同的是，与气压无显著相关性，而是随着温度、湿度、太阳辐射量的改变而改变。

表4 冬季雾霾条件下城市森林空气负离子浓度与气象因素的相关性分析Table 4 Correlation analysis of urban forest air anion concentration and meteorological factors under winter haze conditions

如表4所示，由于温度、湿度、太阳辐射量之间有较强的相关性，相互影响较大，单纯的Pearson相关系数不能明确地表达这4个气象因子对NAIC的影响。因此，利用逐步回归分析来探究雾霾条件下气象因子与NAIC的关系。将温度、湿度、太阳辐射量、PM2.5浓度数据与NAIC进行自变量逐步加入方法的回归分析，通过F检验及t检验。去除P＜0.05水平上显著性差异的变量，结果表明，只有太阳辐射量满足要求，逐步回归方程为y=1313.852+1.817x，R2=0.490，P=0.000。由此可知，太阳辐射量是冬季雾霾天气条件下城市森林中NAI日变化的主要影响因素。上文可知冬天NAIC的影响因子中太阳辐射量相关系数最大，为 0.622，说明冬季NAIC对太阳辐射量最为敏感。

2.2.3 大风条件下城市森林NAIC变化特征

由于北京地区春季风速普遍较高，常出现大风天气，大风天气下的风级常在4—5级，风速常在3 m·s-1以上，非常具有典型性。因此利用气象数据筛选出春季晴天中的大风天气与春季晴天中的微风天气的NAIC日变化进行对比，大风天气风级为4—5级，风速在3 m·s-1以上，微风天气风级在3级以下，风速小于3 m·s-1，两者变化较为明显。如图3所示，大风天气NAIC日均值为2144 ion·cm-3，在11:00达到峰值，浓度值为2294 ion·cm-3；17:00到达低谷，NAIC值为2034 ion·cm-3。微风晴天与大风晴天的变化趋势一致，但大风天气下的 NAIC峰值明显较高于微风天气，比微风天气 NAIC高5.37%，并且峰值出现时间滞后。大风天气下的NAIC日均值比微风天气高 2.44%，因此，大风天气下的 NAIC大于微风天气，该结果与任晓旭等（2016）的研究结果一致。

图3 春季微风与大风天气下城市森林空气负离子浓度日变化对比Fig. 3 Comparison of daily variation of air anion concentration in urban forests under windless and windy weather in spring

为探究春季大风天气下，影响NAIC的主要影响气象因素。从气象站中筛选出对应的温度、湿度、风速、气压与太阳辐射量日变化数据与NAIC数据进行对比分析。如表5所示，大风天气下的NAIC与温度、湿度、气压相关，与风速、太阳辐射量无显著相关性。温度与NAIC在0.01水平上显著负相关，r= -0.305，P=0.010；湿度与NAIC在0.05水平上负相关，r= -0.260，P=0.029；气压与NAIC在0.01水平上极显著正相关，r=0.700，P=0.000。由此可知，与微风天气下NAIC变化不同的是，大风天气下NAIC的上升与风速和太阳辐射量无关，而是随着温度、湿度、气压的改变而改变。如表5所示，由于温度、湿度、气压之间有较强的相关性，相互影响较大。因此，单纯的Pearson相关系数不能明确地表达这3个气象因子对NAIC的影响。因此，利用逐步回归分析来探究大风天气下气象因子与NAIC的关系。将温度、湿度、气压数据与NAIC进行自变量逐步加入方法的回归分析，通过F检验及t检验。去除P＜0.05水平上显著性差异的变量，结果表明，只有气压满足要求，逐步回归方程为y=-20010.820+21.796x，R2=0.490，P=0.000。由此可知，气压才是大风天气条件下城市森林中NAI效应的主要影响因素。

表5 春季大风条件下城市森林NAI与气象因素的相关性分析Table 5 Correlation analysis of urban forest and meteorological factors under strong wind conditions

结论证明，NAIC与风速无显著相关性，这与晴天微风条件下与风速正相关的结果不同，并且王薇等（2013）研究也显示风速会增加空气摩擦导致NAIC增加的结果。主要是由于气象条件不同，该部分研究的是大风天气下影响NAIC的主要气象因素，而王薇等人及上文是对气象稳定条件下的风速与NAIC的相关性进行研究。由此证明，当气象稳定、风速较小的天气条件下，NAIC与风速呈正相关，而当气象不稳当、风速较大的条件下，NAIC与风速无显著相关性，而主要受气压影响，与气压变化呈显著正相关。

3 结论与讨论

本文主要是先在宏观角度下研究不同季节条件下气象因子对NAIC的影响，再从典型天气条件下更加深入地探究气象因子对NAIC影响机制及影响程度，因为室内时间条件等限制，只能在野外观测数据，所以研究典型天气时，只能假定除了典型气象因素之外其他气象因素与晴天相比是相对比较稳定。

不同季节条件下NAIC与温度、湿度、风速、气压和太阳辐射量相关性有不同变化。多数研究认为，NAIC与空气温度呈显著负相关，与空气湿度呈显著正相关，即NAIC随温度升高而降低，随空气湿度升高而增加，而本研究结论有所不同。本研究中当温度在 15 ℃以上时，NAIC与温度呈负相关；在 15 ℃以下时，NAIC与温度呈正相关。这是因为温度较高时，污染物扩散加剧，并在扩散过程中吸附了大量的NAI，导致NAIC降低（Mirme et al.，2000；Salm et al.，1999）；季玉凯等（2007）研究发现当温度为 17—30 ℃时，森林环境中的空气负离子浓度与温度呈负相关，这与本文研究结果相似。四季中，春夏冬三季NAIC与湿度呈反比，这与德国学家 Reiter（1985）研究发现低湿度时NAIC越高的结果相同，叶彩华等（2000）研究发现空气湿度较高时，使太阳辐射减弱，即预示着空气不洁净，因此NAI与湿度呈反比。太阳辐射为空气中各种电离反应，其中NAI来源即电离反应，因此NAIC与太阳辐射成正比。春秋冬NAIC与太阳辐射的相关系数均在0.05水平上呈显著正相关，而在夏季呈现负相关性，这是因为夏季日照时数相对较多的晴天，NAIC小，空气质量差（常艾等，2015）。除夏季外，气压与NAIC呈正相关，并且秋季NAIC与气压的相关系数最大（r=0.652，p＜0.01），气压升高，空气湍流运动增强，使NAIC增大，空气质量变好（穆丹等，2009）。本文通过比较分析不同季节下NAIC与气象条件的相关性，与前人的研究结果不一致，可能与其观测时间及所处环境有很大影响。

城市森林NAIC随天气不同呈现一定的差异，并且其与气象因子相关性与晴天不同。夏季雨天由于雷暴作用，往往会在某一时刻NAIC急剧升高，变化幅度较大，如07:00 NAIC比06:00高44%。雨天NAIC日均值为2134 ion·cm-3，比晴天NAIC高4.56%，主要是由于雨天昼间NAIC下降幅度明显较晴天小。降雨条件下 NAIC随着温度、湿度、降雨量、太阳辐射量的改变而改变，并且主要是受温度和降雨量共同影响而产生变化的。雾霾条件下NAIC的上升与气压无显著相关性，而是随着温度、湿度、太阳辐射量、PM2.5浓度的改变而改变，并且主要是受太阳辐射量影响而产生变化的，这也是雾霾天与晴天NAIC峰值相差12.31%的原因，雾霾阻挡了太阳辐射的部分电离，从而降低了NAIC。微风晴天与大风晴天的变化趋势一致，但大风天气下的 NAIC峰值比微风天气高 5.37%，并且日均值大于微风天气。微风条件下 NAIC与风速呈正相关性，而大风天气下 NAIC与风速无显著相关性，是随着温度、湿度、气压的改变而改变，并且气压才是大风天气条件下城市森林中NAI效应的主要影响因素。

城市森林范围广、影响因素多，NAIC变化较为敏感，受环境影响较大，还需更加深入研究。通过本文可知NAIC与气象因子密切相关，且影响机制不同，前人的研究结果对气象因子与NAIC的相关性结论不一致，可能与其观测时间及所处环境有很大影响，在之后的实验中可参考本文探究的不同环境条件下的影响机制，对影响NAIC的环境因子进行控制变量研究。在之后的研究中应该考虑更多方面的因素，增加有关要素的观测，和相关变量的控制，来更加准确地判断NAI的变化特征，并且应该增加定位监测站点，来使数据更有广泛性、代表性、说服力。由于NAI产生的内在机理及影响因子较为复杂，涉及面比较广泛，因此在以后的研究中需要考虑多学科交叉合作。