吉林地区空气负离子及气象因子的相关性研究

王智慧，韩 骁，王洪俊

(北华大学 林学院，吉林 吉林 132013)

1 引言

随着我国城市化与工业化进程加快，使得城市生态环境遭到破坏，空气污染问题日益突出，人们的生态保护意识逐渐增强，对于具备良好生态质量的度假环境的诉求愈加强烈，在闲暇之余更渴望回归自然，党的“十九大”报告提出“乡村振兴”战略，乡村作为城市人们亲近自然、拥抱自然的主要场所，凭借其与城市距离的优势、乡土文化的传承、政府政策的扶持。使其旅游业日益发达。

因为东北地区秋季秸秆处理不规范、庄稼收割高峰期、植物叶片凋落、雾霾严重等，旨在通过研究吉林周边乡村秋季空气负离子、空气温湿度之间的关系，揭示乡村绿地对空气负离子浓度的影响机制，剖析不同垂直高度、不同功能绿地空气负离子浓度的差异性原理，深入挖掘乡村绿地的生态效益。对吉林地区乡村的生态评估及生态环境优化有重要意义，可以为改善乡村人居环境和东北地区乡村旅游资源开发利用提供参考[1,2]。

2 研究区域概况

吉林市位于长白山区向松辽平原过渡地带，自然环境优越，地貌类型复杂。为了深度分析乡村空气负离子浓度，探究空气负离子与气象因子的相关关系。根据松花江在吉林市的流向，分为上、中、下游，在三个地段选取35个村庄。上游临近松花湖，中游位于吉林市城区附近，下游为穿过城区后的村庄。在每个村庄选取7种功能绿地(村委会、庭院、农田、乡村道路、水边绿地、垃圾站、公共活动区)各一块，这些绿地均为村民活动最多的场所，具有代表性和研究价值。

3 测量方法

于2020年9～11月期间，选择大气状态相对稳定、天气晴朗的日间进行相关指标的监测。在35个村庄内的不同功能分区，分别进行空气正负离子浓度、温湿度、风速的监测。测定时间为8：00～17：00，由于空气负离子浓度水平易受环境影响，为了尽量减少误差，选择测量垂直高度40 cm、80 cm、120 cm、160 cm处的空气正、负离子浓度。并且每个高度读取10个数值，经过筛选，去掉不合理的数值，最终以平均值代表该测量点的空气正、负离子浓度[3]。

4 空气负离子与温度的相关关系

根据10月6日至11月10日的空气负离子浓度与温度的变化可知(图1)，吉林周边乡村温度在10月20日达到测量期间最大值；在10月22日达到最小值。空气负离子浓度在10月20日达到最大值；在11月7日达到最小值。空气负离子浓度在测量期间的变化趋势，在一定程度上与温度的变化趋势出现相似。在个别的时间点也存在一定的波动，这说明，秋季温度会影响空气负离子浓度的变化，在一定的时间内，随着温度的增加，负离子浓度也增加，温度的影响占主导位置。但有时其他影响因素会更容易影响空气负离子的变化[4]。

运用SPSS软件对吉林周边乡村上午、中午、下午、全天空气负离子浓度及温度进行相关性分析，结果如表1。按时间分为上午(8：00～11：00)、中午(11：00～14：00)、下午(14：00～17：00)和全天。空气负离子浓度和温度在上午和中午呈显著正相关。在下午空气负离子浓度与温度的person相关性为-0.115，显著性为0.061，不具备显著性，但呈负相关。从全天的数据相关性来看，空气负离子与温度呈极显著正相关。

图1 空气负离子浓度与温度的变化曲线

表1 空气负离子与温度相关性

以测量期间一个月为基础，对空气负离子与温度进行线性拟合，其中拟合结果的相关系数如表2与图2。可见判定系数r的平方为0.011，因此拟合度较小，说明吉林地区秋季温度不是空气负离子浓度的主要影响因子。显著性为0.005，由此可以看出温度影响空气负离子浓度变化是较为显著的。且温度对空气负离子浓度的影响系数B为10.28>0，因此温度为正向影响，温度越高空气负离子浓度越高。这主要是因为温度与分子热运动有关，由热力学知识可知，温度升高分子原子的动能提升，运动速度加快，氧气被电离速度加快，空气负离子增多，浓度升高[5,6]。

图2 空气负离子浓度与温度的拟合方程

表2 空气负离子浓度与温度的模型参数估计值

5 空气负离子与相对湿度的相关关系

根据测量期间10月6日至11月20日的空气负离子浓度与空气相对湿度的变化趋势，如图3可知，测量期间吉林周边乡村的相对湿度在11月5日达到最大值，在10月21日达到最小值。在测量期间相对湿度、空气负离子浓度波动较大，每一天有明显差异。空气负离子浓度变化与空气相对湿度的变化趋势相反，存在一定的相关关系，但在个别时间点存在一定的波动。这说明，秋季空气相对湿度会影响空气负离子浓度的变化，在一定时间内空气负离子浓度会随着空气相对湿度的增加而降低。这表明空气负离子的产生与空气相对湿度有关。

图3 空气负离子浓度与相对湿度的变化曲线

运用SPSS软件对吉林周边乡村上午、中午、下午、全天空气负离子浓度及相对湿度进行相关性分析，结果如表3。空气负离子浓度和空气相对湿度在上午呈极显著负相关；在中午空气负离子浓度与空气相对湿度的pearson相关性为-0.130，呈负相关，但不具有显著性；在下午空气负离子浓度与空气相对湿度相关性不明显，且不具有显著性。从全天的数据相关性来看，空气负离子与空气相对湿度呈极显著负相关。由此看来，空气负离子在上午与相对湿度的相关性较强，其余时间不太稳定。

以测量期间一个月为基础，对空气负离子与相对湿度进行线性拟合，其中拟合结果的相关系数如表4与图4。可见判定系数r的平方为0.019，因此拟合度较小，说明吉林地区秋季相对湿度不是空气负离子浓度的主要影响因子。显著性为0.000，由此可以看出相对湿度影响空气负离子浓度变化是极其显著的。且相对湿度对空气负离子浓度的影响系数B为-8.68<0，因此相对湿度对空气负离子浓度为负向影响，相对湿度越高越高空气负离子浓度越低。这主要是因为秋季植物处于衰落期，随着植物生命力的减弱，因此对环境影响的作用有所衰退，对各环境因子的稳定性较小，同时植物对于空气负离子浓度的作用减少，导致空气湿度对空气负离子浓度的影响不稳定。众多学者的研究结果也有所分歧[5,7,8]。

表4 空气负离子浓度与相对湿度的模型参数估计值

6 空气负离子与风速的相关关系

根据测量期间10月6日至11月20日的空气负离子浓度与风速的变化趋势，如图5可知，测量期间吉林周边乡村的风速在11月4日达到最大值，在10月20日达到最小值。在测量期间风速、空气负离子浓度波动较大，每一天有明显差异。空气负离子浓度变化与风速的变化趋势没有明显的关系，但在个别时间点存在一定的相关关系，空气负离子会随着风速的增加而降低[9]。这说明，秋季风速会对空气负离子浓度有一定的影响，在一定时间内空气负离子浓度会随着风速的增加而降低，但作用不明显。

运用SPSS软件对吉林周边乡村上午、中午、下午、全天空气负离子浓度及风速进行相关性分析，结果如表5。从全天的数据相关性来看，空气负离子与风速的相关性不大，可能由于吉林乡村秋季风速较大，测量期间变化较大，测量仅为一分钟内的风速平均值，不具备代表性。且风速对于空气负离子的影响比较持久，其他学者研究表明夏秋冬并未出现负离子与风速负相关的变化规律，相反，偶尔还会出现风速与空气负离子正相关的情况[阿尔山地区负氧离子浓度]。因此认为在秋季风速不是影响空气负离子浓度变化的主要因素。

图5 空气负离子浓度与风速的变化曲线

以测量期间一个月为基础，对空气负离子浓度与风速进行线性拟合，其中拟合结果的相关系数如表6与图6。可见判定系数r的平方为0.004，因此几乎没有拟合度，F值为0.271表示两组数据没有显著差异，说明吉林地区秋季风速对空气负离子浓度的影响很小；且显著性为0.603，由此可以看出风速影响空气负离子浓度变化是不显著的；统计学意义较小。且风速对空气负离子浓度的影响系数B为-9.69<0，因此风速对空气负离子浓度为负向影响，风速越大空气负离子浓度越低。这主要是因为吉林秋季庄稼收割、雾霾严重、风速变化明显，导致空气负离子浓度与风速无显著相关性，可能因为秋季植物叶片凋落。对环境的稳定性减弱，气象不稳定、风速较大、使得空气负离子浓度与风速无显著相关性。

表5 空气负离子与风速相关性

图6 空气负离子浓度与风速的拟合方程

表6 空气负离子浓度与风速的模型参数估计值

7 结论讨论

从整体来看，秋季空气负离子浓度与温度呈极显著正相关的关系，与相对湿度和空气颗粒物浓度呈显著负相关，与风速的相关性并不显著。随着温度的逐渐升高，植物光合作用能力增强，促使了空气负离子浓度的升高，并且随着温度的升高，分子之间运动速率也会加大，从而增加了分子之间碰撞的几率，也对提升空气负离子浓度有一定的影响。相对湿度与空气负离子浓度呈极显著负相关关系，与一些学者研究结果一致，但是同时也有一部分学者认为空气中相对湿度与空气负离子浓度呈显著正相关关系。本次实验认为相对湿度在整个秋季与空气负离子浓度呈极显著负相关关系，在一天中，只有上午表现为极显著负相关，中午时段表现为负相关，下午为正相关，但是中午和下午的显著性均不明显。这可能因受到其他环境因子的影响较大，导致了相对湿度影响空气负离子浓度在一天之中的差异。根据实验结果来看，风速与空气负离子浓度的相关性并不明显，当有阵风袭来时，风可以吹散或者吹来空气中的粒子，同时风速的大小也可以影响空气中粒子的运动速率的快慢，促使粒子之间相互碰撞，从而可以产生空气负离子，同时风也可以促进空气中的正负离子相互结合，发生电荷中和反应，因此风速与空气负离子浓度的相关性并不明显。但是风速这一因素仍然是影响空气负离子浓度的一项重要因子，具体的显著性还需要进一步的研究探讨。根据实验结果显示空气颗粒物与空气负离子为极显著负相关关系，这一结论与大部分学者研究结果一致。因空气颗粒物自身本就带有正电荷，空气颗粒物可以与空气负离子相互结合发生电荷中和反应，使之沉降。因此空气颗粒物也是影响空气负离子浓度的重要因素之一。