空气负离子时空分布及其影响因素研究进展

李欢欢 胡文杰 崔鸿侠 唐万鹏

(1.湖北省林业科学研究院 武汉 430075；2.湖北神农架森林生态系统国家定位观测研究站 神农架 442421)

空气负离子(Negative air ion，以下简称NAI)，是指带有负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称，是评价空气质量的一项重要指标[1,2]。NAI不仅可与颗粒物、有害气体等相结合，还可以杀灭空气中的病菌，起到除尘净化的作用，被誉为“空气维生素”。此外，NAI还能促进人体的新陈代谢，增强机体免疫力，增加人体舒适度、恢复疲劳、维持健康等[3-5]。随着人们对环境问题和自身健康的愈发重视，NAI相关研究逐渐成为热点课题。

关于NAI的研究最早可以追溯到19世纪末，德国的科学家第一次发现了空气带电现象，接着法国和英国科学家证实了NAI的存在，随后一位德国医生发现了NAI对人体健康的影响。1932年，美国CRA公司发明了第一台医用NAI发生器，20世纪欧美、日本等发达国家对NAI开展了许多研究，集中在医疗保健等方面[6-8]。自1978年国内学者开始对NAI的研究，20世纪80～90年代NAI成为研究热点[6]。国内研究主要侧重于森林绿地、休闲公园、人类生活区等不同环境中NAI的浓度水平、时空变化特征，以及不同的气候、海拔、植被类型等因素对NAI浓度的影响等[9,10]。

NAI能提高空气环境质量，有利于人体健康，因此了解掌握NAI浓度变化规律及其影响因素对生态环境保护、康养产业及绿色城市建设等相关行业都有着重要的科学意义。目前众多学者对NAI的相关研究不断深入，但因仪器设备、区域气候特征、下垫面、植被类型甚至树种差异等因素的不同，得出的研究结果有所异同。因此，本研究将这些最新研究成果进行总结归纳，并分析产生差异的原因，提出未来研究可注意的方面，为后续研究提供参考。

1 NAI的生成与观测

1.1 NAI种类

1.2 NAI生成

自然界中，NAI产生形式主要包括：在太阳辐射或雷电等环境下电离出的电子和空气中的氧分子等结合而成；在瀑布、降雨等冲击下水分子裂解而成；在植被光合作用时释放的负离子等[3,11]。人为生成负离子的方法包括紫外线或放射性物质辐射、高压水排出、电晕放电等[6,12]。

1.3 NAI观测

对NAI一般采用空气负离子测量仪进行测量，参考大多数人身高，仪器一般设置于离地1.5 m左右，对同一样点垂直的4个方向各读取一次数据。测量仪分为便携式和固定式二类，各有优缺点。便携式携带方便但不便长期观测，固定式便于长期监测但携带不便。不同仪器的离子迁移率不同，比如常用的DLY-3G型空气离子测量仪的离子迁移率分3档：1.0、0.4、0.15 cm2/(V·s)；而DLY-7G型空气离子测量仪仅监测离子迁移率大于0.15 cm2/(V·s)的离子[13]。空气负离子测量仪器在不断优化更新，目前精度更高、稳定性更好的双重圆筒轴式离子测定仪已经能够开展较长时间地定位观测，并自动收集数据，对更长周期、更系统性地研究NAI起着至关重要的推动作用[14]。

目前众多研究表明，对NAI的观测方法存在较大差别。有的学者选择合适的监测点直接进行测量[15]，有的采用样圆的方法进行测量[16]，而大多研究者则采用在20 m×20 m的样地中选择5 m×5 m或1 m×1 m的样方进行测量[9,17,18]。在监测时间上，一般选择天气情况为3天以上晴朗静风天气(风速<2 m/s)，大多数选择8∶00～18∶00时间段观测，每间隔1 h或2 h整点采集1次数据，读数3次并取其平均值作为测定值[17,18]。也有学者进行全天候24 h观测[2]。

2 NAI时空分布特征

大量研究表明，NAI变化存在较大的时空异质性[19]。

2.1 NAI时间分布特征

(1)NAI浓度日变化:大量研究表明，虽然一天中的NAI浓度变化存在明显的规律，但NAI浓度日变化的峰与谷极值出现的时间随着不同地域、不同植物群落等各种影响因素的不同而不同[20,21]。有较多研究显示NAI浓度日变化大致呈“中午低、早晚高”的双峰型分布特征：清晨NAI浓度一般较高，中午NAI浓度为低谷区，而下午NAI浓度有所回升[22-26]。这种双峰型分布特征的原因可能是，上午植被的光合作用随着光照增加而逐渐加强，释放氧气速率增加，导致负离子浓度提升，中午因植物光合作用的“午睡”现象导致负离子浓度下降，植物光合作用的“午睡”过后植被的光合作用又慢慢增强，大气中的负离子浓度也慢慢增大，到傍晚时出现极值，随后慢慢下降[22-26]。也有一些研究结果表明，有些地区的NAI浓度的日变化呈“单峰型”，峰值和谷值因研究区域的不同差异较大[17,27,28]。单峰型变化的原因可能是部分研究的监测时长为8∶00～16∶00，相比24 h连续监测，监测时长较短，因此只观测到一个峰值。

研究还表明，在不同天气与不同季节大气中NAI浓度的日变化规律也会有所区别。在晴天、阴天、雨天和雪天等不同天气条件下，其变化规律大致呈现为：雪天>雨天>晴天>阴天[20]。方砚秋等研究发现，当降水量较小时，降雨对NAI浓度没有明显影响；随着降水量逐渐增加，大气中负离子浓度不断上升；但当出现暴雨天气的时候，负离子浓度反而呈现下降趋势[29]。余海等研究发现，春夏季时，NAI浓度的日间变化曲线为单峰型，峰值出现在午后，而在秋冬季，其变化曲线却为双峰型[15]。其原因可能是在不同的气候条件下，温度和湿度影响了NAI生成的速度。

(2)NAI浓度季节变化:同一地区大气中的NAI浓度在不同季节时也呈现一定的变化特征。较多研究结果表明，大气中的NAI浓度在夏季最高，冬季最低，春秋季节介于中间[18,30]；也有一些研究发现大气中的NAI浓度在夏季最高、春季最低，秋冬居中[31,32]。但总地来说，夏季大气中的NAI浓度普遍要高于春季和冬季。也有少量研究发现NAI浓度在秋季最高[33]。胡梦玲等研究还发现，城郊森林区季节大气中的平均负氧离子浓度为秋季>冬季>夏季>春季，城市绿地区为夏季>春季>冬季>秋季[20]。分析出现这些差异的原因可能是，南北方不同地域环境、不同气候条件导致NAI浓度的季节变化存在一定的差异性。

2.2 NAI空间分布特征

研究表明，NAI浓度在郊区及乡村比城市高，NAI浓度从市中心向乡村逐渐增大，呈现城乡梯度。市区平均浓度为200～300个/cm3，郊区及乡村达到500个/cm3以上[6,34]。水域地区的NAI浓度要比无水域地区更高。不同水体周围的NAI浓度相差较大，总的来说呈现为：瀑布>人工喷泉>流动水体>静态水体，同时相距水体越远的地方，其NAI浓度越低[6,35]。

余海等研究表明，同一山体，随着海拔的升高，大气中NAI浓度呈现先升高后降低的特征，峰值出现在海拔400～600 m的高度[15]。马荣等研究发现大气中NAI浓度总体来说随海拔的升高而降低[28]。NAI在坡向分布上也具有一定的特征，在夏季阳坡的NAI浓度明显高于阴坡，其他季节则差别不大[15]。NAI浓度分布的垂直差异可能是由于土壤辐射的垂直差异所致，人为活动使得自然地形、地表植被遭到改变和破坏，最终影响地表辐射特性和大气环境[36]。

3 影响NAI生成的因素

NAI的理化过程受到环境中许多因素影响，环境中的不同的气象因子、空气中含有的颗粒物(总悬浮颗粒物、PM2.5、PM10)等物质含量的不同、不同的地理条件和林分类型等，都会对NAI浓度水平和分布产生影响[18,37]。

3.1 空气温湿度

研究发现，大气中NAI浓度水平与温湿度紧密相关。多数研究通过相关性分析发现，NAI浓度与温度呈现正相关性[10,34]。这可能是因为随着温度的升高，植物光合作用增强，从而导致NAI浓度增加。也有一些研究发现，NAI浓度与温度呈负相关性[19,38]。还有学者研究发现，当温度在15 ℃以上时，NAI浓度与温度呈负相关；当温度在15 ℃以下时，NAI浓度与温度呈正相关[39]。这可能是因夏季温度过高，污染物扩散过程中吸附了大量NAI，导致NAI浓度降低。可见温度对NAI浓度影响较为复杂。

一些研究表明，NAI浓度与相对湿度呈正相关[19,22,40]。这可能是因空气湿度增加，水汽使得气溶胶更容易沉降，有利于NAI的生成与积累[22]。因此，水体附近尤其是瀑布等流动的水体附近负离子浓度水平一般比较高。另外也有一些研究发现，大气中NAI浓度与相对湿度呈负相关[18,41]。这可能是空气湿度较高时，使太阳辐射减弱，影响辐射电离反应产生NAI的过程[39]。

3.2 空气物质含量

空气中一些物质含量也会影响负离子浓度。研究表明，NAI浓度与大气中的PM2.5和PM10浓度呈显著的负相关[19,34]。这可能是因空气中气溶胶的增加会增加离子中和沉降，从而导致NAI浓度显著减少。一些学者的研究结果还表明负离子浓度与正离子浓度呈显著正相关[42]，与大气中的SO2、NOX等呈负相关[30,38]，与大气中的CO2呈显著正相关[42,43]。

3.3 太阳辐射

一些研究发现，太阳辐射的变化极可能是影响NAI浓度变化的重要成因。陈梓茹等研究表明，NAI浓度与太阳辐射和光照强度相关[44]。胡梦玲等研究发现NAI浓度与日照时数和日净全辐射呈显著的正相关，NAI浓度随着光照的加强而增多[20]。Wang和Li研究发现，封闭环境内的植物在不同光强条件下，产生的NAI浓度与光强呈指数函数相关[45]。

3.4 植被群落

众多研究表明，有植被覆盖的地区比没有植被覆盖的地区NAI浓度要高得多。植被覆盖度越高，树种种类越多，还有研究认为NAI浓度越高，其中密林提升NAI浓度效果最为显著[37]。NAI浓度与植被叶面积指数、郁闭度均呈正相关[46,47]。这是因为高郁闭度的森林群落，能有效吸收并降低太阳辐射，起到降温增湿的效果，使得空气中负氧离子浓度提升[47]。

植被群落结构不同，负离子浓度也有所不同。研究发现，NAI浓度在多层结构植被覆盖区最高，植被层次结构越简单的覆盖区其大气NAI浓度越低，最低的是单一结构植被覆盖区，即复层>双层>单层，乔—灌—草>乔—草>灌—草[9,18,48]。潘剑彬等研究认为，乔木林提升NAI浓度的效果最为显著[46]。不同区域植被群落类型的NAI浓度也有所差异，从不同林分类型看，阔叶林>混交林>针叶林>灌草地[49]。

总的来说，植被通过光合作用以及叶片尖端放电，能有效增加环境中的NAI浓度水平，但因植物群落本身的差异(如群落物种组成结构、树龄、郁闭度、群落类型等因素的不同)和植物群落所处的外部环境的不同所产生大气的NAI浓度差异明显。

4 展望

众多学者对NAI的研究取得了丰硕成果，揭示了大气中的NAI在日变化、季节变化和空间分布上都具有明显的特征和规律，但因影响NAI生成的因素较多，目前普遍认可是环境因素影响大气NAI浓度，气象因素包括温度、湿度、空气颗粒物、太阳辐射等，地理因素包括海拔高度、坡向、下垫面等，植被因素包括树龄、郁闭度、群落结构及类型等。但因为观测仪器、研究方法的不同，得出的结论有所异同。因此，建议在今后的研究中尽量选择统一且精度高、稳定性好的监测设备，或建立统一的监测设备技术参数，并确定统一的研究方法，以排除不同监测仪器和方法的影响，使得不同地域的研究成果更具有比较性。随着人们对健康的重视，NAI研究在人体健康、环境保护和医学应用等方面将有着广阔的应用前景。