高淳区负氧离子含量时空特征研究

陆一磊，吴自越，缪颖绮，谭国威，胡梦玲

（1.南京市高淳区气象局，南京 211300；2.南京市浦口区气象局，南京 211800；3.南京市江宁区气象局，南京 211100）

近年来，随着人民生活水平的提高，大众对环境，尤其是对空气质量越来越重视，而负氧离子[1]含量作为评价空气质量的重要指标之一，日益受到大家关注[2-4]。相关研究资料显示，空气中负氧离子的含量在低于20个/cm3时，人体就会感到困乏和头晕脑胀；当空气中的负氧离子含量在1 000～10 000个/cm3时，人就会感到舒服，心情也非常安定，有心旷神怡之感；当空气中的负氧离子含量在10 000个/cm3以上时，人就会感到非常有精神，心情会感到非常的舒适愉快；而当空气中的负氧离子含量高达10万个/cm3以上时，负氧离子不仅能让人感到舒服，还能起到消除疲劳、止喘、镇静和调节神经等强体健身和治病的效果[5-6]。因此，空气中负氧离子的含量不仅影响着空气质量，而且负氧离子含量高的环境，具有一定的医疗保健作用，因此常被称为“空气维生素”[7-10]。

自然界中的负氧离子主要来源于雷电、太阳紫外线、水体冲击、植物叶面尖端放电及光合作用等过程，其含量与天气条件、周边环境等密切相关[11-12]。辐射、暴雨和雷电等天气现象均有利于空气负氧离子的生成，同时负氧离子的含量与气温、湿度、降水、风速和太阳辐射等诸多气象因子有关[13-15]。由于研究区域环境和气候条件差异，研究结果也存在一定差异。陈兵红等[16]发现白云山国家森林公园空气负氧离子平均含量明显高于城区，其离子含量由外向里、自下而上逐渐升高，生态空间变化为水环境、林水环境、林地环境、道路环境依次递减；刘佳明等[17]发现龙岩市区、郊区、林缘和森林的负氧离子含量呈现出逐渐增大的趋势，负氧离子含量与周围植被疏密、通风情况和离水源地距离等有密切联系；姚益平等[18]发现浙南和浙西山区空气负氧离子含量高、浙北平原含量相对较低；刘燕等[19]发现浦口区大气负（氧）离子空间分布规律：农庄、珍珠泉、老山森林、石桥万诚依次递减；胡梦玲[20]发现江宁区市郊森林区域空气负氧离子含量显著高于城市绿地区域空气负氧离子含量。

1 研究区域

高淳区位于南京市最南端，距离南京市区大约80 km，全区总面积约为802 km2，被誉为南京后花园和南大门，是中国首个“国际慢城”。高淳区坐拥先天的山湖资源，具有吴越江南典型生态特征，东部低陵延绵不断，西部湖盆平原广阔，固城湖、石臼湖环绕四周，水资源丰富[21]。全区生态涵养面积达到国土面积的70%，地表水优于三类水的比例达到75%以上，空气优良天数保持在85%左右，人均公共绿地面积达41 m2[22]，林木覆盖率超过25%[23]。

2 数据和方法

2.1 数据

本次研究数据来源于山慢城、水慢城和文慢城设置的负氧离子监测站，负氧离子监测站点信息请参考表1。

表1 负氧离子监测站点位置信息

其中山慢城位于高淳市区以东大约15 km处，也是中国首个国际慢城所在地；水慢城位于高淳市区南部，紧邻高淳市区；文慢城设立在高淳区气象局内，属于市区站点。研究时间从2020年3月1日至2021年2月28日共一年的数据，监测站每日0时至23时逐小时上报负氧离子平均含量、最低含量、最高含量、温度和湿度。

2.2 方法

利用3个监测站点数据分别从时间和空间上对高淳区域负氧离子含量进行分析和研究，为了分析不同时间尺度负氧离子含量分布情况，引入概率密度曲线。根据气候统计规定，认为12、1、2月为冬季，3、4、5月为春季，6、7、8为夏季，9、10、11月为秋季。

3 研究结果

从图1（a）中可以看出，除8月份，其他月份负氧离子含量均呈现山慢城、文慢城、水慢城逐渐降低，3个慢城的负氧离子含量波动较为频繁，但整体幅度并不大。其中山慢城负氧离子含量最高为7月份（夏季）的3 599个/cm3，最低为4月份（春季）的2 680个/cm3，最高含量与最低含量差值为919个/cm3；文慢城负氧离子含量最高为11月份（秋季）的2 542个/cm3，最低为8月份（夏季）的2 050个/cm3，最高含量与最低含量差值为492个/cm3；水慢城负氧离子含量最高为8月份（夏季）的2 389个/cm3，最低为7月份（夏季）的1 631个/cm3，同时该值也是3个站点全年负氧离子含量的最低值，说明高淳区域空气质量整体上非常好，最高含量与最低含量差值为758个/cm3。三个慢城中，波动幅度最大的为山慢城，同时负氧离子含量也最高，较为适合有氧运动，波动最小为文慢城，说明文慢城在全年所有月份中其负氧离子含量相对比较平稳，另外，水慢城负氧离子含量也比较大。

从表2和图1（b）可以看出，年平均和四季平均负氧离子含量均表现出山慢城比文慢城高，文慢城高于水慢城。从表2的春夏秋冬数据可以看出，山慢城负氧离子含量最高的季节为夏季的3 240个/cm3，最低为春季的2 824个/cm3，最高含量与最低含量差值为416个/cm3；文慢城负氧离子含量最高为冬季的2 490个/cm3，最低为夏季的2 326个/cm3，最高含量与最低含量差值仅为164个/cm3；水慢城负氧离子含量最高为春季的1 988个/cm3，最低为秋季的1 824个/cm3，最高含量与最低含量差值也仅为164个/cm3。因此，3个慢城的最高含量和最低含量出现的季节并不统一，其中从图1（a）和图1（b）可以看出山慢城季节最高含量、最低含量与月平均数据一致，文慢城仅有最低含量的月份和季节一致。

从图1和表2整体上看，不论是月平均负氧离子含量，还是季节平均和年平均负氧离子含量，3个慢城的负氧离子含量均比较高，说明高淳区域空气清新度也很高。

图1 不同区域月平均（a）和季节平均（b）负氧离子含量

表2 年均和四季平均负氧离子含量 （个·cm-3）

从图2（负氧离子平均含量空间分布图）可以看出，整个高淳区域的年平均图2（a）和四季平均（图2（b）—图2（e））的负氧离子含量均为水慢城最低，其含量在1 800～2 000个/cm3，然后在文慢城附近有一个显著上升，负氧离子含量为2 800～3 000个/cm3，当进一步远离城市到达边远郊区的山慢城，其负氧离子含量更高，达到3 200～3 400个/cm3。通过双线性插值法计算出来的空间分布情况显示继续远离城市的地方，负氧离子含量更高，超过5 000个/cm3。

从图3（负氧离子最低含量空间分布图）年最低和季节最低的负氧离子含量分布情况可以看出，其与图3平均值空间分布情况存在较大差异。从春季（图3（b））和冬季（图3（e））空间分布图可以看出文慢城和水慢城的负氧离子含量很接近，大约在900～1 000个/cm3，而夏（图3（c））秋（图3（d））季节，水慢城（1 100～1300个/cm3）比文慢城略高（900～1 000个/cm3），而山慢城在四季中均处于负氧离子最高含量，达到1 800～1 900个/cm3。从负氧离子含量的年最低值空间分布图3（a）中可以看出，文慢城的负氧离子含量大约为2 000个/cm3，比山慢城和水慢城的负氧离子含量都要高。图4最低值的空间分布图也基本上符合从城区向郊区，负氧离子含量逐步升高的趋势。

从图4（负氧离子最大含量空间分布图）可以看出，负氧离子含量最高值空间分布与上述图2和图3的空间分布均有所不同，春夏秋3个季节（图4（a）—图4（d））中，山慢城、水慢城和文慢城的负氧离子含量最高值比较接近，差异并不明显，而在冬季图4（e）中，水慢城和山慢城负氧离子含量较为接近，文慢城偏高，从年最高负氧离子含量空间分布图4（a）中可以看出，文慢城和山慢城的负氧离子含量较为接近，且显著低于水慢城含量。

图2 高淳区负氧离子年和四季平均含量分布

图4 高淳区负氧离子年和四季最高含量分布

从图5的负氧离子含量逐小时时间序列变化的结果来看，山慢城和文慢城含量均出现1个波峰1个波谷，变换规律高度同步，日最高含量值均出现在上午6点左右，波谷均出现在14：00左右，相对于文慢城负氧离子含量，山慢城含量日变化较大，最高含量与最低含量值相差接近1 000个/cm3；水慢城负氧离子含量波动较为频繁，第一个波峰也是出现在6点左右，在9点左右出现第一个波谷，随后升高，在15点左右到达日最高含量，在20：00点左右出现第二个波谷，同时也是日最低含量，其中负氧离子含量除了在14：00—15：30比文慢城稍高一点外，水慢城的日均负氧离子含量是3个慢城中最低的，山慢城含量最高，文慢城次之。

图5 3个慢城负氧离子含量24 h变化情况

从图6（a）来看，山慢城的负氧离子含量主要分布在2 100～4 100个/cm3，文慢城负氧离子含量主要分布在2 700个/cm3左右，水慢城负氧离子含量主要分布在800～2 200个/cm3左右；从图6（b）来看，山慢城负氧离子含量主要分布在3 000个/cm3左右，文慢城负氧离子含量次之，主要分布在2 500个/cm3左右，水慢城负氧离子含量最低，主要分布在1 800个/cm3左右。从图6（a）和图6（b）的概率密度曲线来看，负氧离子含量概率分布依然是山慢城超过文慢城，文慢城超过水慢城。

图6 24 h和12个月平均负氧离子含量概率密度曲线

4 结论

整体上看，高淳区域的空气质量非常好，负氧离子含量呈现出城区较低，而远离城市的郊区山林环境较高的规律，与陈兵红等[16]的研究结果一致。就日变化情况而言，文慢城和水慢城分别所代表的城市和城市近郊区域，由于人类活动和污染等原因导致其负氧离子含量偏低，但波动和变化并不大，说明相关因素的影响比较稳定，而山慢城所代表的城市远郊区域，由于人类活动和污染较少，其负氧离子含量最高，同时波动也是最大，原因可能是山慢城附近负氧离子含量受环境因素变化影响较大；从月均负氧离子含量情况来看，3个慢城都比较稳定，仅在个别月份波动较大，说明负氧离子含量可能跟当地温度变化的相关性不是很高；从负氧离子含量的季节变化情况来看，更加佐证了这一可能性，因为3个慢城四季负氧离子含量几乎没有变化，尤其是文慢城和水慢城；由于负氧离子含量的相关监测数据仅有1年，虽然从数据上看，负氧离子含量依然呈现从城市向远郊山林逐步增加的趋势，但是很难看出其年代际变化和趋势，相关研究工作还需要进一步加强。