典型农牧交错区大气负氧离子浓度特征：以内蒙古多伦县为例

张国兰，杨丽桃，王宇宸

（1. 内蒙古自治区多伦县气象局，内蒙古 多伦 027300；2. 内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051；3. 内蒙古自治区人工影响天气重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051；4. 内蒙古自治区气候中心，内蒙古 呼和浩特 010051；5. 内蒙古自治区锡林郭勒盟气象局，内蒙古 锡林浩特 026000）

大气负(氧)离子是指带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称[1]。由于二氧化碳负离子在大气负离子中所占比例极低，所以大气负离子一般都是指负氧离子[2]。近年来医学、林业、环保、气象等多领域学者对其开展有关研究，证明负氧离子浓度在森林、高山、瀑布、海滨等优质环境下浓度较高，并且可以通过与正离子中和来改善空气质量[3]，同时临床治疗及景观疗养过程中发现负氧离子在防治疾病、促进健康、增强体质、调节心理平衡、改善睡眠等方面具有独特作用和优越性[4-5]。因此，负氧离子在医疗康养、生态旅游、生态质量评估等方面应用广泛。研究显示，学者们所研究区域大多位于植被多样且覆盖度较高的地区，如四川峨眉山[6]、辽宁闾山[7]；或年降水量相对充沛、温暖湿润且生物量常年较高的浙江[8]、云南[9]等地；或北京[10]、黑龙江[11]等地区的郊区和周边公园等。综合各方面研究结果发现，大气负氧离子浓度高低受空气环境质量、天气气候、森林植被类型、人类活动、水资源状况等多种因素影响，存在明显的地域性差异；随之导致各地大气负氧离子浓度时空变化规律、主要影响因子也不尽相同。但目前有关大气负氧离子浓度研究中，其横向分析数据时间序列较短或网格较大，纵向研究其影响因子时选取因素较少；并且在北方高海拔地区所开展的此类研究有限，特别是迄今为止没有针对典型农牧交错区进行有关探讨分析。

北方农牧交错带是半湿润地区与半干旱地区的气候交汇带，是草地农业和耕地农业的契合发展带，是中东部地区重要的生态安全屏障和京津冀地区重要的水源涵养带。历史文化名镇多伦县位于内蒙古锡林郭勒盟东南部，地处阴山北麓东段，浑善达克沙地东南端，是我国农牧交错区的典型地区之一[12]，是森林、草原与沙地过渡地带，也是京津风沙源工程建设重点区域。绿草蓝天，空气污染较少，据环境监测站数据显示，近年空气质量优良天数多在335 d 以上。国内关于多伦县开展的研究较多，戴路炜等[13]对生态系统服务权衡与协同关系进行了研究，胡小龙等[14]对湿地时空变化及其驱动力进行分析。但是，不同种类草原植被环境中，在负氧离子浓度变化规律及影响因子等方面的研究还有待深入。鉴于地理位置的独特性，以多伦县为例探讨北方典型农牧交错区大气负氧离子浓度特征及其影响因子具有代表意义，将填补半湿润半干旱气候区域有关负氧离子浓度研究空白。

本研究利用2017 年6 月至2018 年5 月多伦县地区大气负氧离子浓度、气象及空气质量监测资料，分析大气负氧离子浓度时空变化规律，研究其与气象要素、空气污染物指标相关性，探讨对比区域内森林草原植被、草甸草原植被、湿地植被3 种不同环境下大气负氧离子特征差异，为下一步建立大气负氧离子浓度模拟方程提供基础，以期为生态环境修复、经济发展决策、旅游扶贫等提供思路及科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

多伦县 (115°51′ - 116°54′ E，41°46′ - 42°36′ N)总面积3 863 km2，海拔1 100～1 700 m；近30 年年均气温2.8 ℃，年均降水量378 mm，年均相对湿度60%。地势总体由西南向东北逐渐低缓，呈盆地状；境内河流水系较发达，有常年性河流47 条，季节性河流11 条，均流入滦河，属海河水系，水域总面积108 km2。拥有多处湿地[14-16]，自然植被主要分布有典型草原植被、草甸草原植被、沙地植被、沼泽植被等类型[16]。2000 年至今，经过大规模生态治理建设，目前全县林地面积1 953 km2，森林覆盖率37.9%，草本植被覆盖率明显增加，防沙治沙效果显著[17]。目前建设有龙泽湖公园、撅尾巴河和榆木川3 个大气负氧离子自动观测站(图1)。龙泽湖公园监测站位于县政府所在地诺尔镇城区中心，属城镇商业交通居民混合区，研究时段内年平均气温4.0 ℃，年平均降水量388.5 mm；邻近湖水引自常年性河流小河子河，属湿地植被类型，以乔木、灌木和天然草地为主；植被茂盛，生态环境较好，寸草苔(Carex duriuscula)、问荆(Equisetum arvense)分布较广。撅尾巴河监测站位于多伦县北部，年均平气温2.8 ℃，年平均降水量333.5 mm；邻近村庄及常年性河流撅尾巴河，人流量较少；属草甸草原植被类型，植被主要有委陵菜(Potentilla chinensis)、冰草(Agropyron cristatum)等。榆木川监测站位于多伦县东南部滦河源国家森林公园内，年平均气温2.9 ℃，年平均降水量433.7 mm；邻近滦河，属森林草原植被类型[18-19]，大部分植物属于蒙古-达乌里植物区系，主要为天然榆树林和榆树疏林草地；植被有羊草 (Leymus chinensis)、大针茅 (Stupa grandis)等；森林覆盖率达70%，以天然白榆(Ulmus pumila)和白桦(Betula platyphylla)为主。

图1 内蒙古多伦县大气负氧离子监测站地理分布图Figure 1 Geographical distribution of atmospheric negatively charged oxygen ion monitoring stations in Duolun County, Inner Mongolia

1.2 数据来源

本研究使用基础数据为经过质量控制的2017年6 月至2018 年5 月间的大气负氧离子浓度数据、地面气象观测数据和环境监测空气污染物数据。大气负氧离子浓度数据来源于获得中国气象局装备许可证的威德创新科技(北京)有限公司FLZ1 型大气负离子自动观测系统；地面气象观测数据来源于多伦县国家基准气候站，包括气压(hPa)、气温(℃)、相对湿度(%)、2 min 平均风速(m·s−1)、降水量(mm)和日照(h)；环境监测空气污染物数据源于多伦县国家 三 级 环 境 监 测 站，包 括PM 10 (μg·m−3)、PM 2.5(μg·m−3)、 CO (mg·m−3)、SO2(μg·m−3)、NO2(μg·m−3)和O3(μg·m−3)。

1.3 研究方法

参考《地面气象自动观测规范(第一版)》[20]，结合负氧离子浓度数据特点，秉持统计方法一致性原则，各要素不同时间尺度下统计方法如下：日平均为该日相应要素24 个整点值的算术平均值。月平均为月内各日平均值的算术平均值。季平均为相应各月平均值的算术平均值；依据当地气候特点，春季为3 月 − 5 月、夏季为6 月 − 8 月、秋季为9 月 −11 月、冬季为12 月 − 次年2 月。

使用Excel 2010 软件进行质控、统计，并绘制曲线变化图分析多伦县地区大气负氧离子浓度日、月际变化特征。利用SPSS 22.软件对多伦县代表不同下垫面环境的3 个观测区域及不同季节负氧离子浓度进行Kruskal-Wallis 检验和多重比较，在总体特征基础上分析负氧离子浓度空间差异性；基于研究时段内3 个观测区域平均负氧离子浓度，对多伦县负氧离子浓度与气压、气温、相对湿度等主要气象要素进行Spearman 相关性分析，揭示负氧离子浓度日变化、月际变化与各气象因子间关系；以多伦县龙泽湖公园监测区域为例，对负氧离子浓度与PM 10、O3等6 个大气污染物因子进行Spearman 相关性分析，探讨负氧离子日平均浓度与大气污染物之间关系。

2 结果与分析

2.1 负氧离子浓度变化特征

2.1.1 日变化特征分析

将全序列逐小时整点观测数据进行平均，绘制全天24 h 逐时整点平均值曲线图(图2)。3 个监测区域负氧离子浓度日变化特征基本一致，均呈一峰一谷型，峰值在早晨，谷值在午后；白天时段波动起伏明显，夜间时段相对平稳。一日之内负氧离子浓度较高时段出现在20:00 至次日07:00，较低时段出现在11:00 − 19:00；06:00 达到日最高值，之后迅速下降，日最低值出现在15:00 前后。

图2 内蒙古多伦县各监测区负氧离子浓度日变化特征图Figure 2 Diurnal variation in negatively charged oxygen ion concentrations in Duolun County, Inner Mongolia

如表1 所列，各监测站区域负氧离子浓度日变化特征虽然大体相同，但不同下垫面及环境下变化特征仍存在一定差异。研究表明[8,21]，森林覆盖度、植物量、太阳辐射、湿地以及光合作用等均影响负氧离子浓度，且树木植物数量与浓度正相关。对内蒙古多伦县地区负氧离子浓度进行差异性分析显示，3 个监测区域年度数据总体分布存在统计学差异(H= 30.162，P< 0.001)，其中榆木川与龙泽湖存在统计学差异(P< 0.05)，与撅尾巴河也存在统计学差异，且榆木川优于龙泽湖和撅尾巴河；龙泽湖与撅尾巴河差异没有统计学意义(P> 0.05)。夏季数据总体分布存在统计学差异(H= 69.635，P< 0.001)，其中龙泽湖与撅尾巴河存在统计学差异(P< 0.05)，与榆木川也存在统计学差异，且龙泽湖劣于榆木川和撅尾巴河；撅尾巴河与榆木川差异没有统计学意义(P> 0.05)。秋季数据总体分布存在统计学差异(H= 10.169，P= 0.006)，其中榆木川与撅尾巴河存在统计学差异(P= 0.008)，与龙泽湖也存在统计学差异(P= 0.044)，且榆木川优于龙泽湖和撅尾巴河；龙泽湖与撅尾巴河差异没有统计学意义(P> 0.05)。冬季数据总体分布存在统计学差异(H= 49.688，P<0.001)，其中龙泽湖与撅尾巴河存在统计学差异(P<0.05)，与榆木川也存在统计学差异，且龙泽湖优于撅尾巴河和榆木川；撅尾巴河与榆木川差异没有统计学意义(P> 0.05)。春季数据总体分布存在统计学差异(H= 74.570，P< 0.001)，其中榆木川与龙泽湖存在统计学差异(P< 0.05)，与撅尾巴河也存在统计学差异，且榆木川优于龙泽湖和撅尾巴河；龙泽湖与撅尾巴河差异没有统计学意义(P> 0.05)。

表1 2017 年6 月至2018 年5 月内蒙古多伦县地区各观测区负氧离子浓度差异分析Table 1 Differences in negatively charged oxygen ion concentrations in observation areas within Duolun County, Inner Mongolia from June 2017 to May 2018cm−3

2.1.2 月际变化特征分析

多伦县地区负氧离子浓度月际变化特征(图3)显示，可见存在明显季节性差异。其中，11 月至次年3 月间负氧离子浓度基本无变化，6 月起出现明显上升趋势，7 月至8 月达到全年最高，9 月开始逐渐下降。年度中6 月至10 月间以8 月为中心，基本呈正态分布。对比3 个监测区域负氧离子浓度月际变化特征基本一致，但榆木川监测区域负氧离子浓度夏、秋季节明显高于撅尾巴河和龙泽湖公园，年度内榆木川和撅尾巴河监测区域月平均浓度最大值出现在7 月，龙泽湖监测区域负氧离子浓度最大值出现在8 月。

图3 内蒙古多伦县各监测区负氧离子浓度月际变化特征图Figure 3 Monthly variations in negatively charged oxygen ion concentrations in Duolun County, Inner Mongolia

2.2 负氧离子浓度变化与气象要素关系

2.2.1 日变化与气象要素关系

由于各监测区域负氧离子浓度日变化趋势基本一致，因此分别求得3 个监测区域研究时段内365 d及夏、秋、冬、春四季逐小时负氧离子浓度平均值。通过负氧离子浓度与各要素曲线图(图4)及相关性分析(表2)，探索多伦县地区负氧离子浓度日变化与气压、气温、相对湿度及2 min 平均风速关系。

表2 多伦县地区负氧离子浓度日变化与气压、气温、平均风速及相对湿度的相关系数Table 2 Correlation coefficients between diurnal variations in negatively charged oxygen ion concentrations and air pressure,air temperature, average wind speed, and relative humidity in Duolun County, Inner Mongolia

多伦县昼夜温差较大，夜间空气相对湿度明显高于白天，风速同样具有明显日变化。负氧离子浓度昼夜波动特征明显，且日变化峰、谷值与气温、相对湿度及2 min 平均风速日极值出现时间吻合较好，与气压日波动规律有差异(图4)。日出后随着气温升高，负氧离子浓度快速减小，15:00 后随着气温下降负氧离子浓度开始逐渐增大；负氧离子浓度随相对湿度增加而增大，随其减小而降低；白天风速增大负氧离子浓度随之降低，15:00 后风速逐渐减小而负氧离子浓度上升。

图4 内蒙古多伦县地区负氧离子浓度与气压、气温、相对湿度、2 min 平均风速日变化特征图Figure 4 Monthly variations in negatively charged oxygen ion concentrations and air pressure, air temperature, relative humidity, and two-minute average wind speed in Duolun County, Inner Mongolia

通过Spearman 双变量相关性分析(表2)，可见负氧离子浓度日变化与气压呈正相关且存在季节性差异，其中春季为极显著相关(P< 0.01)，夏、秋季为显著相关(P< 0.05)，冬季相关性不显著(P>0.05)；与气温呈极显著负相关(P< 0.01)，且基本不存在季节性差异；与相对湿度呈极显著正相关(P<0.01)，且4 个季节基本无差异；与2 min 平均风速呈极显著负相关(P< 0.01)，冬季相关程度相比夏、秋、春季略弱。根据散点图分析得出，负氧离子浓度日变化与气温、相对湿度呈线性相关，与气压、2 min平均风速呈非线性相关。

2.2.2 月际变化与气象要素关系

图5 反映了多伦县地区负氧离子浓度与气压、相对湿度、气温、2 min 平均风速、降水量以及日照各要素月际变化特征关系。可见负氧离子浓度月际变化特征明显，且与气象要素波动规律存在一定关联性。对比发现，与降水量波动规律吻合度最佳；与气温在6 月 - 12 月波动规律一致且吻合度很高，1 月 - 5 月表现不明显；与空气相对湿度波动规律大体一致，在6 月 - 9 月波动规律一致且吻合度最好，10 月 - 5 月表现不稳定；与2 min 平均风速变化规律呈明显反向关系；与气压及日照的波动规律关联性，相比以上4 个要素表现较差。

图5 内蒙古多伦县地区负氧离子浓度与降水量等气象要素月际变化特征图Figure 5 Monthly variations in negatively charged oxygen ion concentrations and precipitation in Duolun County, Inner Mongolia

通过Spearman 双变量相关性分析，揭示负氧离子浓度月际变化与以上各气象要素相关性(表3)。结果表明负氧离子浓度月际变化与气温、降水量极显著正相关(P< 0.01)，与相对湿度显著正相关(P<0.05)；与2 min 平均风速显著负相关(P< 0.05)；与气压、日照时数相关性不显著(P> 0.05)。

表3 内蒙古多伦县地区负氧离子浓度月变化与各气象要素相关性Table 3 Correlations between monthly variations in negatively charged oxygen ion concentrations and meteorological elements in Duolun County, Inner Mongolia

2.3 负氧离子日平均浓度与空气污染物要素关系

负氧离子浓度变化不但与部分气象要素关系显著，而且大气颗粒物浓度也是其重要的影响因子[22]。由于空气污染存在明显的区域性，多伦县环境监测站距离龙泽湖公园仅1 km，为使得分析结果更具客观性和代表性，特以龙泽湖公园负氧离子监测站为例，分析负氧离子日平均浓度与空气污染物指标要素间关系。空气污染物指标要素选择PM 10、PM 2.5、CO、SO2、NO2和O3逐日平均值。

相关性分析(表4)显示，空气污染物指标因子对负氧离子日平均浓度影响存在明显季节性差异。其中，夏季负氧离子日平均浓度与PM 2.5、CO 无相关，空气污染物指标因子与PM 10、SO2、NO2和O3均呈极显著负相关关系(P< 0.01)，但相关程度弱，PM 10 的相关系数最大，为−0.377；秋季负氧离子日平均浓度与PM 2.5、O3不存在相关性(P>0.05)，与PM 10、CO、SO2和NO2均呈极显著负相关关系(P< 0.01)，相关程度中等或以上，SO2的相关系数最大，为−0.622；冬季负氧离子日平均浓度仅与CO、SO2存在相关性，且呈极显著负相关关系(P<0.01)，相关程度弱；春季仅与CO 呈显著负相关(P<0.05)，相关程度弱。综合来看，多伦县地区负氧离子日平均浓度与其中5 项空气污染物因子均呈负相关关系，但与PM 2.5 在4 个季节中均不存在相关性。

表4 内蒙古多伦县地区负氧离子日平均浓度与各空气污染物指标相关性Table 4 Correlation between daily average concentration of negatively charged oxygen ions and air pollutants in Duolun County, Inner Mongolia

3 讨论与结论

多伦县地处竺可桢380 mm 降水量中轴线上，属典型农牧交错区，但负氧离子浓度日变化特征基本与降水量较大、生态环境较好地区夜间高于白天的规律一致[21,23]。负氧离子浓度夏季最高，秋季次之，冬春季相近且最低。3 个监测区域周围环境及下垫面不同，负氧离子浓度存在统计学差异，夏、冬季湿地植被环境中负氧离子浓度与草甸草原和森林草原植被环境下负氧离子浓度差异具有统计学意义，并以夏季最为明显；春、秋季森林草原地带负氧离子浓度与草甸草原和湿地植被环境下负氧离子浓度存在统计学差异，并以秋季最为明显。夜间草甸草原与森林草原负氧离子浓度值相近；白天森林草原负氧离子浓度值明显高于草甸草原。可见，负氧离子浓度与周围植被及下垫面状况关系密切，生物量密度较高且植被多样的森林草原环境更有利于负氧离子的产生。

多伦县一年中夏秋季温暖、湿润，降水量占全年的85%左右；冬春季节寒冷多风。除发生严重春旱情况外，当地每年5 月起逐渐进入大面积返青期，6 月至8 月为生长旺盛期，特别是7 月至8 月为一年中光照时间最长、温度最高、降水最集中、风力最小的阶段；初霜日出现在8 月下旬到9 月上旬，9 月至11 月花草树木均开始逐渐衰败直至完全枯萎，12 月至4 月为完全枯萎期。可见气候、植被、周围环境以及人口密度等多种因素共同影响负氧离子浓度月际变化，气候及植被等生态因素为关键性因子。

本研究中负氧离子浓度日均浓度与PM 2.5 无相关性，这与部分研究结果相悖[24]，推断可能是因为当地人口稀少，PM 2.5 污染物含量较低；其次，日平均浓度变化角度不能够分析出其影响程度及关系，有待进一步缩小时间网格密度予以分析。

综上所述，多伦县地区尽管地处干旱少雨的典型农牧交错区，但夏、秋季节负氧离子浓度含量可与部分南方风景名胜地区相媲美。近年来有关部门重视生态环境发展，不断加大生态环境建设投资力度，通过退耕还林还草、京津风沙源治理、百万亩樟子松以及碳汇林等生态工程，逐步实现对20 世纪80 年代以来因过度开垦等原因造成环境恶化的生态修复[25]。多伦县生态建设成果对生态脆弱区如何调整产业结构，实现生态修复与经济发展相互促进具有示范意义。作为历史旅游文化名镇，决策及旅游部门可根据多伦县负氧离子浓度空间及时间变化规律，打造“生态+康养”旅游，发展并提供多样丰富的旅游线路及产品。同时，本研究结果对北方干燥地区能够存在较丰富的负氧离子成因研究具有一定借鉴意义。