易县主要景区负氧离子变化规律及影响因素分析*

随金明 ,张 会 ,刘红坤 ,李 芝 ,崔 娜

（1.河北省易县气象局，河北 保定 074200；2.河北省保定市气象局，河北 保定 071000）

随着经济的发展，旅游日益成为人们放松身心、调剂生活的重要休闲活动。近年来，伴随养生理念的日益深入，以负氧离子为代表的一系列环境指标在游客选择旅游地的过程中扮演着愈发重要的角色。负氧离子指由于雷电激发、宇宙辐射、瀑布冲击、植物光合作用、高压静电场、紫外线照射等自然或人工条件使空气中氧气分子获得成对电子后形成的带负电荷的氧气离子[1-2]，因能与污染物中的正离子发生中和作用[3]，实现吸附、降解空气中有害物质，达到降尘、杀菌、清洁空气、促进新陈代谢、提高免疫力等功能[4]，因此，被人称为“空气维生素”或“长寿素”，并作为环境优劣的风向标。

目前，针对负氧离子的研究集中于浓度变化规律与影响因素两个方面。研究表明，在城市公园、森林公园、住宅密集区等不同生境条件下，负氧离子日浓度呈现较为统一的单峰或双峰变化规律[5-6]；在北方的夏秋季节、南方的春夏季节，负氧离子浓度达到年内最高值[7-8]。不同于时间变化的规律性，负氧离子浓度受到多种因素的共同制约。一方面地表不同植被类型、差异化的植物层次结构会导致负氧离子浓度产生很大差异[9-12]。另一方面强降雨时的雷电过程[13]、气温、湿度、交通状况、海拔、PM2.5浓度等多种气象要素、环境要素、人类活动等都会对负氧离子浓度产生加强或削弱的作用[14-16]。负氧离子影响因素因时、因地存在很大差异，为更有针对性地开发负氧离子资源，通过对河北省易县境内主要景区负氧离子连续观测数据的分析，在明晰各景区负氧离子浓度变化趋势异同点的同时，分析气象要素、主要空气污染物、地表植被状况等对负氧离子浓度的影响程度差异，为后期合理地利用负氧离子资源提供理论依据。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

河北省易县位于华北平原西北边缘、太行山北段东麓地区（114°51′～115°37′E，39°02′～39°35′N），地形以山地和丘陵为主，地势呈西北高、东南低的特点。气候上易县属于典型的东部季风区大陆性气候，年平均气温12.9 ℃，多年平均降水量553.9 mm，在季节上呈现春旱多风、夏热多雨、秋高气爽、冬寒少雪的特征。

1.2 数据来源与处理

以易县境内开发程度较高、基础设施较为完善的清西陵、易水湖、摩天岭、狼牙山、洪崖山、千佛山景区作为研究对象，研究中所用的2018 年9 月—2019 年10 月的PM2.5、PM10、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、负氧离子浓度的日数据均来源于易县生态环境局布设于景区内的自动观测设备，温度、湿度数据来源于易县气象局位于上述景区周边的区域站观测记录。各景区月植被覆盖情况从NASA 网 站（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/）下载的MOD13Q1 产品中提取。

对所获得的负氧离子、PM2.5、PM10、温度、湿度等日数据，用Excel 软件计算月均值，对MOD13Q1 产品通过MRT、ENVI 软件进行重投影、最大值合成等操作后，提取设备点周边植被情况。对所有数据在Weka 3.8.4 软件中以自然间断点形式进行数据离散化。

1.3 评价标准

负氧离子在大气中的含量是空气清洁程度的重要表征之一。部分研究认为，当空气中负氧离子浓度超过700 个/cm3时，能初步满足人体生理需求，并对健康产生有益的影响[17-18]。也有研究表明当浓度大于1 000 个/cm3时，空气才具有保健的作用，超过8 000 个/cm3则能治疗某些疾病[19]。目前，对于负氧离子浓度的分级标准国内尚未形成较为一致的结论。文章综合易县地理位置、植被组成等情况，采用彭琳玉等[3]、石强等[20的负氧离子浓度划分标准（表1），对易县境内各景区负氧离子浓度状况进行评价。

表1 负氧离子浓度分级评价标准

2 结果与分析

2.1 负氧离子浓度月变化规律

负氧离子的产生与消亡是时刻进行的，但其总体表现出一个较为统一的变化规律。对易县境内6个景区负氧离子浓度情况进行月变化分析，其结果如图1 所示。易县主要景区负氧离子浓度总体上表现为单峰模式，具体而言，清西陵与洪崖山、易水湖与摩天岭，千佛山与狼牙山景区两两具有相似的变化规律。从各月浓度变化趋势来看，清西陵与洪崖山的负氧离子浓度峰值出现在10 月份，而一年中除4 月份出现小幅上升外其余月份都处于一个较低的水平。对易水湖、摩天岭、千佛山与狼牙山4 个景区而言，其负氧离子浓度均表现为在8 月时达到峰值，在11 月至次年3 月间保持低浓度，4 月后开始在波动中上升。

图1 易县主要景区负氧离子浓度月变化情况

从各景区月均负氧离子浓度数值分析，易水湖、摩天岭、千佛山与狼牙山景区在11 月—次年3月的时段中负氧离子浓度保持在786.3～2 315.5 个/cm3的范围内，大气情况以一般为主，部分月份为较不清新，该时间段内保健功能总体较弱，在其他月份负氧离子浓度保持在3 000 个/cm3以上，介于3 963.4～11 932.2 个/cm3范围内，其最高值出现在8 月份，为11 932.2 个/cm3，此时段景区内大气情况非常清新，且对健康极有利，适宜进行开发。对清西陵与洪崖山景区而言，一年中仅有3 月、4 月、10 月大气状况能达到非常清新，其中10 月浓度可达标准值的3 倍以上，4 月为标准值的1～2 倍，3 月则刚刚达到标准，而在其他月份中负氧离子浓度均处于较低水平，大气状况以一般及较不清新为主。

2.2 负氧离子季节变化规律

不同季节，地表环境水热条件差异明显，负氧离子浓度产生较大波动。选择研究区2018 年9月—2019 年8 月为期1 年的观测数据，以3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12—2 月为冬季的标准分析负氧离子浓度季节变化规律，结果如图2 所示。狼牙山、千佛山、摩天岭、易水湖景区负氧离子浓度均值夏季＞秋季＞春季＞冬季，洪崖山、清西陵景区负氧离子浓度均值秋季＞春季＞夏季＞冬季。从数值分析中得出，在春、夏、秋三季中，除夏季洪崖山与清西陵出现负氧离子浓度低值外，其余时间各景区负氧离子浓度介于3 398.7～9 817.0个/cm3，均处于对人体健康极有利的状态。

图2 易县主要景区负氧离子季节变化情况

2.3 负氧离子浓度影响因素

负氧离子浓度同时受到气象因素、环境因素、人为活动的影响，分析其主要影响因素有助于更好地掌握负氧离子浓度变化规律，针对性提高区域负氧离子浓度。对所获得的温度、湿度、臭氧、一氧化碳、二氧化氮等8 项观测数据及遥感影像所提取的月NDVI 值，在Weka 3.8.4 软件下进行离散化处理后，通过地理探测器分析各因素的影响程度差异，主要影响因素结果，见表2。由表中结果可知，NDVI 与温度是影响易县各景区负氧离子浓度变化的首要因素，其中洪崖山、摩天岭、易水湖景区NDVI 对负氧离子浓度影响最大，其q 值为0.967、0.909、0.904，对于清西陵、狼牙山、千佛山景区，温度因素是景区负氧离子浓度变化的首要影响因素，其q 值分别为0.936、0.873、0.871。进一步分析各景区影响负氧离子浓度的次要因素得出，洪崖山、摩天岭景区为温度，清西陵、狼牙山、千佛山景区为NDVI，易水湖由于其特殊的环境使得湿度成为景区负氧离子浓度的次要因素。综合而言，易县景区负氧离子浓度主要受温度、湿度因素的影响。

表2 负氧离子浓度影响因素q 值表

负氧离子浓度变化是多种因素共同影响的结果，各因素之间相互作用分析有助于进一步理清各负氧离子影响因素间的差异性。通过地理探测器交互检测器功能，探究负氧离子各影响因素之间的相互关系，结果表明各影响因素两两间均对负氧离子浓度存在加强作用。其中，洪崖山景区臭氧与湿度因素，二氧化硫与PM2.5、二氧化氮、湿度因素均表现为非线性的增强作用；狼牙山景区各影响因素间无非线性的增强作用；摩天岭景区仅有一氧化碳与湿度因素表现为非线性的增强作用；千佛山景区中一氧化碳与二氧化硫、臭氧因素表现为非线性的增强作用；清西陵景区表现为湿度与二氧化硫、一氧化碳因素，PM2.5与二氧化硫因素呈现非线性的增强作用；易水湖景区内PM10与一氧化碳因素表现为非线性的增强作用。

3 讨论与结论

3.1 讨论

（1）在负氧离子浓度的时间变化方面，研究表明，负氧离子浓度呈现出较为统一的季节变化规律，即夏季最高，冬季最低，春秋两季负氧离子浓度根据研究区所处地理位置、研究对象的差异而存在不同[21]，而在浓度峰值出现月份上则因地表植被类型差异等原因尚未形成较一致的结论。本研究中，狼牙山、千佛山、摩天岭、易水湖景区负氧离子浓度变化规律与当前研究结论相同，都表现为夏季最高、秋季次之、冬季最低的规律，而对于洪崖山、清西陵景区而言，其负氧离子浓度变化呈现秋季最高、春季次之、冬季最低的规律，这与厉月桥[17]的研究结论不完全一致，产生这种情况原因在于观测仪器安装在人为活动频繁的旅游区内，气溶胶的浓度大，另外，周边观测点的地表植被与之前研究存在差异。

（2）在负氧离子浓度影响因素方面，负氧离子浓度是多种因素耦合的共同结果，对易县景区而言，以NDVI 为代表的地表植被覆盖度及温度是易县景区负氧离子浓度的主要影响因素，其原因在于一方面植被的尖端放电能够产生负氧离子。另一方面水热同期的地理环境决定温度在影响地表植被生长中作用更加明显，两种因素叠加对负氧离子的浓度形成持续影响，这与李坤等[9]、张建国等[22]研究的结果相似。对易水湖而言，因其水域面积广阔，湿度因素是仅次于NDVI 的影响因素，该结论与谭静等[23]研究的相同，即当水域面积广泛时，负氧离子对周围自然环境（河流、湖泊等）更为敏感。易水湖景区湿度因素并未成为主要影响因素的原因在于易水湖湖水流动性较弱，水的裂解作用不明显，未能大量产生负氧离子，这与刘和俊[24]、曾曙才等[25]对不同流动状态下水域负氧离子浓度变化结论相似。

3.2 结论

（1）易县境内各景区月负氧离子浓度变化呈现单峰模式，易水湖、摩天岭、千佛山与狼牙山4 个景区浓度峰值出现在8 月，清西陵与洪崖山景区浓度峰值出现在10 月。

（2）狼牙山、千佛山、摩天岭、易水湖景区负氧离子浓度夏季＞秋季＞春季＞冬季，洪崖山、清西陵景区负氧离子浓度秋季＞春季＞夏季＞冬季。春、夏、秋三季中，除夏季洪崖山与清西陵外，其他时间各景区大气均处于对人体健康极有利的状态。

（3）影响易县景区负氧离子浓度变化的主要因素是NDVI、温度、湿度，对各大气污染物而言，其影响程度总体较低。