北京西山国家森林公园空气负离子与NOx浓度动态特征分析

李少宁 ，赵旭 ，王君怡 ，鲁绍伟 *，赵娜，徐晓天

1. 北京市农林科学院林业果树研究所，北京 100093；2. 沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866

空气负离子（Negative air ions，NAI）也称负氧离子，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的生物学意义和对人体的医疗保健作用早已成为人们的共识（Krueger，1962；邵海荣等，2005；章志攀等，2006）。NAI能通过中和空气中的有害物质来净化环境（Lin et al.，2006），是衡量空气质量好坏的一个重要指标，具有降尘、消毒杀菌、清洁等功能（章志攀等，2006）。医学研究表明，当空气负离子浓度（Negative air ions concentration，NAIC）达到一定量时（600—1000 ion·cm−3)能够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）。城市森林具有释放NAI的生态功效，人们常称其为“城市氧吧”，城市森林的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与污染物的变化规律及影响因素有助于进一步了解负离子，也能充分利用负离子的净化作用为生态环境做贡献（李冰，2016；彭巍等，2020）。

NOx是空气污染物的一种，主要物理状态是气态，主要产生来源是工业生产、交通、农业生产和日常生活等。NOx在对流层化学反应中扮演重要角色，其参与的光化学反应能催化 O3的产生，由此加剧 O3的浓度增长及光化学烟雾污染（Nowak et al.，2006；郭雯，2016）。随着社会经济发展和城市化进程加快，人类活动对自然环境的影响逐年加剧，大气中NOx浓度持续升高，大气污染问题日趋严重，是我国亟待解决的重点问题（吕铃钥等，2016）。一系列相关研究（童永彭等，2003）表明，空气污染与慢性阻塞性肺病、冠心病和心血管疾病的总死亡率有显著关系，而NAI可以通过激活新陈代谢和碱化酸性血液来改善人体健康（Lin et al.，2006）。我国对NAI的监测始于1980年（Sirota et al.，2008；李江荣等，2016），但目前国内关于NAIC与环境污染物相关性的研究，大多集中在PM2.5、PM10等颗粒物上（何平等，2015；曹建新等，2017），对NAIC和NOx浓度分布特征及相关性研究尚不具有全面性。因此，分析城市森林中NAIC变动与NOx浓度的相关性规律变动特征，探究与其关联的季节、环境因素影响，可有助于解答NAI与NOx之间是否存在制约作用，为改善人居环境和生态环境提供新方法和新思路。

研究显示，NAI每时每刻都是运动着的，在不停变化，受周围环境以及气象影响比较大（王非等，2016），所以不同天气条件下城市森林中的 NAI变化规律也不尽相同。大量研究表明NAIC与降雨量、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）。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的产生创造了有利条件。常艾等（2015）研究显示，风向会对NAIC产生影响，且微风天气有利于负氧离子生成，过大的风速会将负氧离子吹散，浓度降低。也有研究表明当污染源稳定时，气象因素是污染物的主导因素。如陈小敏等（2013）研究发现降水量达到5 mm以上时，NOx等污染物浓度显著降低，另外降雨的频次也会对污染物浓度产生影响。风对NOx的堆积和扩散有着较为直接的影响，决定了污染物的水平输送和扩散，风速越大，NOx扩散程度越强，其浓度越低（周岳，2015）。综上气象因素不仅对NAI影响较大，也会影响NOx浓度，二者相互关系会受到气象因素的影响。因此，本文从不同天气角度出发探究二者的浓度变化特征。

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，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，主要包括针阔、乔灌草混交林，森林树种主要有侧柏（Platycladus orientalis）、油松（Pinus tabulaeformis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、蒙古栎（Quercus mongolica）等，树龄为30—40 a，树高15 m左右，森林面积5333 hm2，森林覆盖率为95%以上。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。

1.2 数据获取

在北京西山国家森林公园设置空气质量测量仪器，获取2016年7月—2019年7月的NAIC数据、NOx数据和气象数据。该仪器主要测量离子迁移率≥0.7 cm2·V−1·s−1的小粒径大气负离子浓度，测量范围为 0—5.0×106ion·cm−3，测量离子浓度误差≤5%，采用AC-220 V或太阳能同时供电。采集间隔设置为10 min一次，全天24 h连续监测。先在宏观上比较不同季节条件下，NAIC与NOx浓度的变动特征分析，选取雨天和大风天气这两种典型天气条件下的NAIC、NOx连续3日变化数，并与晴天对比，用以分析特殊天气下NAIC与NOx的相互影响机制。再选取3、6、9、12月4个典型月份下NAI和NOx每日24 h浓度值以及相关气象数据，探究不同季节NAIC、NOx浓度与气象因子的相关性。

1.2.1 大气污染物及空气负离子浓度测定

采用美国赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific，USA）的化学发光NO-NO2-NOx分析仪和NAI自动监测仪，对城市森林环境空气质量监测站NAI及大气污染物浓度实行野外自动在线监测。频次为1 h一次的自动监测，全天24 h不间断采样。

1.2.2 气象数据测定

城市森林环境空气质量监测站配有 Weather Meter自动气象站，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-RGBM002，R，mm）、太阳辐射量（Rs，W·m−2·s−1）、气压（P，hPa）等气象参数，同时配有NAI自动监测仪，设定数据采集时间间隔为1 h，全天24 h不间断采样。

1.3 数据处理

采用Excel 2010、OriginPro 2018和SPSS 20统计软件对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同季节条件下城市森林 NAIC与 NOx浓度的变动特征分析

按照根据《空气负(氧)离子浓度观测技术规范》LY/T 2586—2016选取 3、6、9、12月的 NAIC、NOx质量浓度计算日均值，探究NAIC与NOx质量浓度的变动特征，由图1所示，二者都为明显的波动多峰曲线。NAIC表现为夏季[(2272.24±250.57)ion·cm−3]> 春 季 [(1777.28±60.06) ion·cm−3]> 秋 季[(1628.72± 248.61) ion·cm−3)>冬季[(1240.86±169.49)ion·cm−3]。全年 NAIC最大值出现在夏季（3091.1 ion·cm−3），最小值出现在冬季（1097.52 ion·cm−3），年较差为1993.58 ion·cm−3。春季波动幅度极小，趋近于一条直线，夏、秋两季波动幅度大，出现多峰曲线。NOx质量浓度的季节性变动特征与NAIC相反 ，表 现为 冬 季[(132.89±37.57) μg·m−3]> 秋季[(71.58±8.66) μg·m−3]>春季[(34.41±8.89) μg·m−3]>夏季[(9.74±5.85) μg·m−3]。全年 NOx质量浓度高峰值出现在冬季（234.88 μg·m−3），低谷值出现在夏季（5.82 μg·m−3），年较差为 229.06 μg·m−3。春、夏、秋三季的浓度变化平缓，冬季浓度变动剧烈。

图1 不同季节NAIC与NOx质量浓度的季节变动特征Fig. 1 Seasonal variation characteristics of NAIC and NOx mass concentration in different seasons

2.2 不同天气条件下城市森林 NAIC与 NOx浓度的变动特征分析

2.2.1 晴天条件下城市森林NAIC与NOx浓度的变动特征分析

为分析晴天条件下NAIC与NOx浓度的变动特征，与夏季雨天NAIC日变化进行对比，选取夏季连续3天晴好无风条件下的第2天NAIC与NOx浓度变化数据，分别表现为波浪型曲线和双峰曲线。NAIC 峰值出现在 14:00（1899.79 ion·cm−3），谷值出现在 17:00（1521.22 ion·cm−3），日较差为 378.57 ion·cm−3，白天NAIC明显高于夜间。NOx质量浓度的双峰值分别出现在 04:00（48 μg·m−3）和 17:00（44 μg·m−3），谷值出现在 18:00（9.34 μg·m−3），NOx浓度白天低于夜间。NAIC与NOx浓度的峰值−谷值相互对应，呈负相关，NAIC能够敏锐地对NOx浓度的变化做出反馈，随NOx浓度的增加而降低，反之同理，由图2所示。故而，城市森林对城市污染的影响具有一定生态承载力和抵抗力。在有效控制空气污染和环境良好的情况下才能获得新鲜空气，能够保护生态环境。

图2 晴天条件下空气负离子、NOx质量浓度日变化对比Fig. 2 Comparison of diurnal changes of air anion and NOx mass concentration under sunny conditions

2.2.2 雨天条件下城市森林NAIC与NOx浓度的变动特征分析

北京夏季多雨，故选取7月连续降雨的3天，以探求降雨条件下NAIC与NOx浓度的变动特征。如图3所示，7月19日的降雨出现在16:00、18:00和22:00，降雨量仅为0.2 mm；7月20日的降雨趋势呈正态分布，最高降雨量在13:00达到13 mm；7月22号降雨量较平均（0.8 mm）。在降雨条件下，NAIC表现为大雨[(2593.95±760.34) ion·cm−3]>小雨[(1817.15±149.29) ion·cm−3]> 无 雨 [(1785.22±141.72) ion·cm−3]。NAIC 峰值出现在雨量最大时（4177.8 ion·cm−3），是晴朗条件下的2倍有余。雨天由于雷暴作用，会导致在某一时刻NAIC急剧升高，变化幅度较大，大雨当日的08:00 NAIC比起07:00骤升了39.84%。NOx在雨天质量浓度基本一致，为平缓曲线，无雨条件下为双峰曲线，质量浓度较高，具体表现为无雨[(30.38±16.11) μg·m−3]>小雨[(12.04±2.26) μg·m−3]>大雨[(10.08±6.36) μg·m−3]。NOx质量浓度峰值出现在无雨条件下的 07:00（69.23 μg·m−3），谷值亦出现在雨量最大时（2.46 μg·m−3）。说明降雨能够增加城市森林 NAIC，与Retalis et al.（1991）人的研究一致；雨天由于雨水冲刷，降雨对 NOx有稀释作用（Puxbaum et al.，2002），会使NOx沉降，降低其浓度，大雨对NOx具有较好的清洁作用。

图3 雨天条件下NAIC与NOx质量浓度的变化Fig. 3 Changes of NAIC and NOx mass concentration in rainy days

2.2.3 起风条件下城市森林NAIC与NOx浓度的变动特征分析

由于北京地区春季风速普遍较高，常出现大风天气，轻风天气下的风速常位于1.6—3.3 m·s−1；微风天气风速为3.4—5.4 m·s−1；和风天气风速为5.5—7.9 m·s−1。如图4所示，轻风晴天、微风晴天与和风晴天的NAIC变化趋势一致，均为白天高于夜间，起风时刻高于无风时刻。3日内NAIC日峰值均出现在 13:00—15:00，随风速表现为和风(2069.99 ion·cm−3, 6.2 m·s−1)> 微 风 (2022.63 ion·cm−3, 4.8 m·s−1)>轻风 (1928.51 ion·cm−3, 2.9 m·s−1)。大风天气NAIC谷值出现在无风时刻12:00（1695.14 ion·cm−3），日较差为 374.85 ion·cm−3。说明风速是影响 NAIC变化的因素，随风速增加，NAIC增大，该结果与 Ren等人的研究结果一致（Ren et al.，2016）。王薇等人则研究显示风速会增加空气摩擦导致NAIC增加的结果（王薇，2013）。NOx受风速影响浓度降低，大风条件下当风速达到4.8 m·s−1时，NOx质量浓度仅为 28.60 μg·m−3，是10:00 无风条件下 56.47 μg·m−3的一半，说明大风天气对NOx有抑制作用。

图4 起风条件下NAIC与NOx质量浓度的变化Fig. 4 Variation of NAIC and NOx mass concentrations in windy conditions ion·cm−3

2.3 城市森林 NAIC与 NOx浓度与气象因子的相关性分析

2.3.1 不同季节的NAIC与NOx浓度及气象因子的相关性分析

从气象站中筛选出一年四季的NAIC和NOx浓度分别探究其与彼此及温度、湿度、风速、气压这4个气象因子的相关性分析，研究不同季节下NAIC、NOx与气象因子的相关性差异。春季NAIC与NOx浓度在0.01水平上呈显著负相关，与风速在0.05水平上呈正相关，与气压在0.01水平上呈显著正相关，与温湿度无显著相关性；夏季NAIC与温度在0.05水平上呈负相关，与NOx浓度、湿度、风速、气压无显著相关性；秋季NAIC与温度在0.05水平上呈负相关，与NOx浓度、湿度、风速、气压无显著相关性；冬季NAIC与NOx浓度、湿度在0.05水平上呈负相关，与温度、气压在0.01水平上呈显著正相关，与风速在0.05水平上呈正相关。

如表1所示，研究为厘清各环境因子对负离子和氮氧化合物的动态的单独影响大小和交互作用影响，单纯的Pearson相关系数无法回答动态受何种环境因子影响的问题。该试验利用多元统计分析探究不同季节条件下NOx浓度与气象因子对NAIC的影响。将NOx浓度、温度、湿度、风速、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，NOx浓度和风速在春季和冬季满足要求，如表2所示。由此可知，不同季节条件下的城市森林NAIC主要是受NOx浓度和风速的影响而产生变化。

表1 不同季节的NAIC与NOx质量浓度及气象因子的相关性分析Table 1 Correlation analysis of NAIC, NOx mass concentration and meteorological factors in different seasons

表2 不同季节的NAIC与NOx浓度及气象因子的多元回归分析Table 2 Multiple regression analysis of NAIC, NOx mass concentration and meteorological factors in different seasons

2.3.2 不同季节的NOx浓度与NAIC及气象因子的相关性分析

春季NOx浓度与NAIC在0.01水平上呈显著负相关，与湿度在 0.05水平上呈正相关，与风速在0.01水平上呈显著负相关，与温度、气压无显著相关性；夏季NOx浓度与NAIC、温度、湿度、风速、气压均无显著相关性；秋季NOx浓度与湿度在0.05水平上呈正相关，与风速、气压在0.05水平上呈负相关，与NAIC、温度无显著相关性；冬季NOx浓度与NAIC、风速在0.05水平上呈负相关，与温度在0.05水平上呈显著正相关，与湿度、气压无显著相关性，如表3所示。

表3 不同季节的NOx质量浓度与NAIC及气象因子的相关性分析Table 3 Correlation analysis of NOx mass concentration, NAIC and meteorological factors in different seasons

为进一步探讨各环境因子对负离子和氮氧化合物的动态的单独影响大小和交互作用影响，单纯的Pearson相关系数无法回答动态受何种环境因子影响的问题。因此，利用多元统计分析来探究不同季节条件下NAIC与气象因子对NOx质量浓度的影响（表 4）。将 NAIC、温度、湿度、风速、气压数据与 NOx浓度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NAIC在春季和冬季满足要求，NAIC是春季与冬季城市森林中NOx浓度日变化的主要影响因素。表明春、冬季NOx浓度对NAIC最为敏感。

表4 不同季节的NOx质量浓度与NAIC及气象因子的多元回归分析Table 4 Multiple regression analysis of NOx mass concentration,NAIC and meteorological factors in different seasons

3 讨论

随着环境问题的日益严重，NOx含量升高已是亟待解决的环境污染问题之一。目前关于大气污染物的研究多集中于气象因素的影响以及监测等方面，而结合城市森林、气象因子和污染物浓度水平等因素，综合地评价森林对NOx净化功能的研究尤为缺乏。为此，试验通过分析不同季节及不同天气条件下的NAI与NOx的浓度变化来深入探究NAI、NOx的浓度变动特征规律及其与气象因子的相关性，加强对城市森林空气负离子与NOx浓度动态特征分析研究。

试验表明NAIC与NOx呈负相关，但在不同季节的条件下其与气象因子的相关性表现不一致。目前对于气象因子与空气负离子浓度之间的关系研究较多，但结果却不尽相同。李高阳等（2012）对林分内空气负离子研究发现，空气负离子浓度日变化呈现出夜间最低，下午出现峰值的规律；章银柯等（2009）对湖南省森林植物园内空气负离子浓度变化研究表明，空气负离子浓度日变化表现为上午大于下午，峰值出现在 07:00—08:00，这与该研究所得结果有所不同，可能是观测树种及观测环境不同所造成的。研究中不同季节的空气负离子浓度同样有所差异，说明负离子浓度同时受环境因素的制约。当温度较低时，NAIC与温度呈正相关，温度较高时，NAIC与温度呈负相关；温度越低，温度对NOx浓度的正效应影响越明显。这可能是由于夏季城市森林内植物密度大，通风差且多闷热，不利于NAI的生成。温度越低，湿度对NAIC的负效应影响越明显（除夏季）；温度在一定阈值内，湿度对NOx浓度具有正效应，当温度过低或过高时，两者间的效应则会削弱。夏季不符合规律，可能是由于雨季，其温湿度过高，偏离正常范围。降雨条件下城市森林NAIC与雨量在0.01水平上呈正相关，r=0.901；NOx与雨量在 0.01水平上呈负相关，r=−0.768。这是由于雨天常伴随雷暴作用，会使NAIC骤升，而NOx会被雨水冲刷、沉降，从而浓度降低。起风条件下NAIC随风速增加而增大，但二者间没有显著相关性，说明影响NAIC的可能还有温度、湿度、气压等气象因素。

通过不同季节同一时刻下 NAIC、NOx与气象因子的相关性可以看出，NAIC始终与NOx浓度呈负相关，其中春天最为显著。NAIC与温度的相关性随季节变化存在差异，夏、秋两季的温度与NAIC变化呈负相关，而冬季为显著正相关，春季为过渡时期，无明显相关性。说明当温度较低时，NAIC与温度呈正相关，温度较高时，NAIC与温度呈负相关。多数情况下，NAIC与湿度呈反比，仅有夏季时NAIC与湿度呈正比，但无明显相关性，说明温度越低，湿度对NAIC的负效应影响越明显。风速与气压的效应趋势一致，与湿度正好相反，多数情况下，NAIC与风速、气压呈正比，其中冬、春两季呈显著正相关，仅有夏季时NAIC与风速、气压呈反比，说明温度越低，风速、气压对NAIC的正效应影响越明显。NOx浓度与温度在冬季呈正相关，其他季节虽相关性不明显但也呈正比，说明温度越低，温度对NOx浓度的正效应影响越明显。NOx浓度与湿度在春、秋季呈正相关，在夏、冬则无明显相关性且呈反比，说明温度在一定阈值内，湿度对NOx浓度具有正效应，当温度过低或过高时，两者间的效应则会削弱。NOx浓度与风速在春季呈显著负相关，这是由于北京地区春季风速普遍较高，常出现大风天气，风级常在 4—5级，风速可达 3 m·s−1以上。NOx浓度与气压在秋季呈负相关，相关系数（r= −0.420）。利用多元统计分析来探讨环境因子对负离子和氮氧化合物的动态的单独影响大小和交互作用影响，可知在春、冬两季，NAIC与NOx浓度呈显著负相关（P=0.000），且在春季NAIC对NOx浓度和气压最为敏感。从空气负离子浓度和NOx年变化情况来看，春季由于植物处于生长初期，林木生理活性较低，不易于产生较多的负离子。冬季空气温度较低，湿度相对较大，森林大气层稳定，大气对流和湍流微弱，不利于NOx扩散（Quan et al.，2014）；降雨较少对 NOx的稀释和清洁作用减弱（Puxbaum et al.，2002），NOx浓度较高。春冬季许多阔叶树种开始凋零，城市森林对NOx的净化作用降低，林分整体光合强度较弱，处于一种休眠状态，从而造成NOx浓度与NAIC处于一种负相关关系。

城市森林 NAIC、NOx产生的内在机理较为复杂，影响因素多，涉及面也较为广泛，如想在日后将其研究投入实际应用，应考虑多学科交叉合作。通过本文可知 NAIC、NOx与气象因子间存在相关性，但受季节、天气等因素影响，相关性不能保持一致，与前人研究也不完全相符（Vana et al.，2007；吴志湘等，2007；林兆丰，2010），可能是由于不同研究地、不同研究对象所致。在日后的研究中会考虑更多因素，增加有关要素的观测和相关变量的控制，以致得到更为准确的NAI、NOx的变化特征，使得实验结论更具广泛性、代表性、说服力。

4 结论

试验因室内时间条件等限制，只能在野外观测数据，得到如下结论。在不同季节条件下NAIC和NOx浓度差异显著，空气负离子的季节浓度变化趋势基本为夏季>春季>秋季>冬季，NOx浓度表现为冬季>秋季>春季>夏季，两者在春、冬两季呈负相关关系（R2= −0.671，P=0.000，R2= −0.420，P=0.000）。典型天气条件下，晴天NAIC通常于下午14:00左右达到峰值，NOx浓度白天低于夜间；雨天NAIC呈单峰曲线，表现为大雨>小雨>无雨。NOx在雨天浓度基本一致，为平缓曲线，无雨条件下为双峰曲线 ，具体表现为无雨>小雨>大雨；起风天NAIC随风速增加而增大，表现为和风>微风>轻风。NOx浓度则受风力抑制，浓度降低。本文主要是在宏观角度下初步研究不同季节条件下 NAIC和NOx浓度的动态特征，从典型天气条件下更加深入地探究气象因子对 NAIC、NOx浓度影响机制及影响程度，进一步对城市森林 NAIC、NOx浓度与气象因子彼此间的相关性分析，以期为城市森林康养规划及大气治理措施提供参考。