扬州城市森林负氧离子分布变化特征及其与气象因素的关系

摘要：【目的】分析扬州城市森林空气负氧离子浓度时空变化特征及其与气象因素的关系，为了解扬州城市森林 空气负氧离子资源情况提供理论依据。【方法】依托江苏扬州城市森林生态系统国家定位观测研究站，以宋夹城体育 休闲公园（城市森林）、茱萸湾风景区（城市近郊森林）和润扬湿地森林公园（城市远郊森林）为研究对象，收集3个区域 的2020年1-12月空气负氧离子浓度和林内气象数据，比较不同季节之间负氧离子浓度的差异，分析负氧离子浓度与 气象因素的相关性，并利用增强回归树分析各气象因素对负氧离子浓度的贡献率，结构方程模型分析各气象因素对 负氧离子的直接和间接影响。【结果】扬州地区城市近郊森林区的空气负氧离子浓度日变化呈单峰型；城市近郊森林 区与城市远郊森林区月变化趋势较一致，峰值分别出现在4月和6月。城市近郊森林区不同季节平均负氧离子浓度表 现为春季gt;冬季gt;夏季gt;秋季，城市远郊森林区平均负氧离子浓度表现为夏季gt;冬季gt;春季gt;秋季。城市远郊森林区林 内负氧离子浓度年平均值（666.87个/cm³）和郁闭度（0.80）低于城市森林区和城市近郊森林区，且森林郁闭度越高其 负氧离子浓度的变异系数越小。城市森林区空气负氧离子浓度与风速、气压、空气温度和PM，；存在显著（Plt;0.05，下同）或极显著（Plt;0.01，下同）相关性，城市近郊森林区和城市远郊森林区的空气负氧离子浓度与气压、风速、空气温度、空气湿度、PM2，、光照强度等林内气象因素存在显著或极显著相关性。选择城市远郊森林区进行气象因素对空 气负氧离子浓度的贡献率以及结构方程模型分析，结果表明空气湿度在春季（38.51%）和秋季（47.58%）对空气负氧 离子浓度的贡献最大，而PM2在夏季（27.87%）和冬季（38.51%）对空气负氧离子的贡献最大；空气湿度对负氧离子浓度有直接正向影响，而光照强度对负氧离子浓度有直接负向影响，风向通过改变PM，，对负氧离子浓度产生间接影 响。【结论】扬州不同区域森林的负氧离子浓度变化规律不尽相同，不同季节和时间对空气负氧离子浓度有明显影响。 根据不同区域的负氧离子浓度差异及其表现出的季节变化规律可制定不同的公园游览计划，建议夏季前往城市远郊 森林区，春季前往城市近郊森林区游览。

关键词：空气负氧离子浓度；城市森林；气象因素；扬州

中图分类号：S718.519

文章编号：2095-1191（2024）04-1107-11

文献标志码：A

Variation characteristics of negative oxygen ions distribution in Yangzhou urban forest and its relationship with meteorological factors

LIAN Jing-wei1.2， XING Wei12*， WAN Xin1.2*， GE Zhi-wei3， HE Dong-mei1

（1Jiangsu Academy of Forestry， Nanjing， Jiangsu 211153， China; 2Yangzhou Urban Forest Ecosystem National Research Station， Yangzhou， Jiangsu 22500， China; 3College of Ecology and Environment， Nanjing ForestryUniversity， Nanjing， Jiangsu 210037， China）

Abstract：【Objective]This study aimed to analyze the spatial and temporal variation of air negative oxygen ion con-centration in Yangzhou urban forests， and to provide a theoretical basis for the understanding of air negative oxygen ion resources in urban forests of Yangzhou. 【Method】Relying on the Jiangsu Yangzhou Urban Forest Ecosystem National Monitoring and Research Station， the study focused on Songjiacheng Sports and Leisure Park （urban forest）， Mastixia Bay Scenic Area （suburban forest）， and Runyang Wetland Forest Park （distant urban forest）. Data on negative air ion concentrations and forest meteorological factors were collected from these three regions from January to December 2020. The differences in negative air ion concentrations between different seasons were compared， the correlation between nega- tive air ion concentrations and meteorological factors was analyzed， and the contribution rates of various meteorological factors to air negative ion concentrations were analyzed using enhanced regression trees. Structural equation modeling was used to analyze the direct and indirect effects of various meteorological factors on negative oxygen ion. 【Result】In the su- burban forest area of Yangzhou， the diurnal variation of negative oxygen ion concentration displayed a unimodal pattern.The monthly change trend of urban suburban forest matched consistently with the peak values occurring in April and June.The seasonal average negative oxygen ion concentration in suburban forest was springgt;wintergt;summergt;autumn， and the average negative oxygen ion concentration in suburban forest was summergt;wintergt;springgt;autumn. The annual average value of negative oxygen ion concentration （666.87 ions/cm3） and canopy density （0.80） were lower than those in urban forest and suburban forest， and the higher canopy density， the smaller the coefficient of variation of negative oxygen ion concentration. There was a significant （Plt;0.05， the same below） or extremely significantly （Plt;0.01， the same below） correlation between the concentration of air negative oxygen ions and wind speed， air pressure， air temperature， and PM2; in the urban forest area， whereas the concentration of negative oxygen ions in suburban forest and distant urban forest had a significant or extremely significant correlation with barometric pressure， wind speed， air temperature， air humidity， PM25， illumination intensity， and other in-forest meteorological elements. The contribution of meteorological factors to the concentration of negative oxygen ions in the air， as well as structural equation modeling， was selected for the urban distant suburban forest. The results showed that air humidity contributed the most to the concentration of negative oxygen ions in spring （38.51%） and autumn （47.58%）， while PM2s contributed the most to the negative oxygen ions in summer （27.87%） and winter （38.51%）. Air humidity had a direct positive effect on negative oxygen ion concentration， while illumination intensity had a direct negative effect on negative oxygen ion concentration， and wind direction had an indirect effect on negative oxygen ion concentration by changing PM2s. 【Conclusion】The pattern of change of negative oxygen ion concentration in forests in different regions of Yangzhou is different， and different seasons and times have ob-vious effects on the negative oxygen ion concentration. According to the difference of negative oxygen ions in different areas and the seasonal change rule of its performance， different park tour plans can be developed， it is recommended to go to the distant urban forest in the summer， and to the suburban forest in the spring tour.

Key words： air negative oxygen ion concentration; suburban forest; meteorological factors; Yangzhou

Foundation items： General Project of National Natural Science Foundation of China （32171856） ; Jiangsu Forestry Science and Technology Innovation and Promotion Project （LYKJ（2020）21） ; Jiangsu Agricultural Science and Technology Independent Innovation Project[CX（19）1004]

0 引言

【研究意义】空气负氧离子是指带负电荷的氧离子（周德平等，2015）。自然界中负离子主要源于大气电离、水体Lenard效应、植被光合和植物尖端放电等（郁珍艳等，2023）。空气负氧离子可与灰尘、有害气体中带有正电颗粒的离子发生中和作用，从而改善空气质量（Sawant et al.，2012）。负氧离子具有清洁空气、杀菌、抑制病毒等作用，有助于提高人体新陈代谢（宗美娟等，2004）、改善呼吸系统功能（Ale-xander et al.，2013）及缓解情绪调节身体机能（Pinoand Ragione，2013），对人体健康有益，因此素有“空气维生素和生长素”的美称（汤浩藩等，2022）。森林作为空气负氧离子的主要产生场所，研究林内负氧离子变化特征及其影响因素，对充分发挥森林的生态服务功能及促进生态旅游发展具有重要意义。【前人研究进展】空气负氧离子的浓度变化主要受植被配置（任文春等，2015；王蕾，2021）、植物种类（李哲，2017）、下垫面类型（邢海莹等，2017）、城市功能区（马芙蓉和张一舟，2019）及森林郁闭度（郑诗禹等，2021）等多种因素影响。空气负氧离子浓度具有日变化和季节变化特征。林内负氧离子浓度日变化呈单峰单谷、双峰单谷、双峰双谷等规律（朱宾宾等，2021；包红光等，2023），且不同树种和植物群落峰值出现的时间有所不同（吴际友等，2003；石彦军等，2010）。在季节变化上，毛成忠等（2014）研究表明森林区空气负氧离子浓度冬春季较高，而城市区秋季较高；马玲等（2021）研究表明森林公园负氧离子浓度夏季显著高于春季和秋季；林宇等（2022）研究发现空气负氧离子浓度季节变化具有很强的地区差异性。此外，自然界的空气负氧离子来源途径很多，主要有雷电、太阳紫外线、水体冲击和植物电作用等外界刺激过程，空气负氧离子浓度变化与林分类型、天气条件及周围环境等密切相关（邵海荣等，2005；王向华和高建云，2007；赵宝鑫和荣海，2017；张家兴等，2023）。研究表明空气负氧离子浓度表现出按夏

秋春冬逐渐减小的变化规律，同时，空气负氧离子浓度与空气湿度、空气温度、光照等呈显著正相关（冯慧君等，2023），风速和气压与空气负氧离子浓度有显著相关性，但相关系数较复杂且不确定（张春桂，2023）。[本研究切入点]目前大多研究集中在探究影响空气负氧离子的因素，而针对各因素对于空气负氧离子的贡献率大小以及各因素之间的相互影响关系研究甚少，比较不同类型城市森林空气负氧离子时空分布变化特征的研究报道也较少。[拟解决的关键问题]依托江苏扬州城市森林生态系统国家定位观测研究站，以宋夹城体育休闲公园（城市森林）、茱萸湾风景区（城市近郊森林）和润扬湿地森林公园（城市远郊森林）为研究对象，分析扬州地区不同类型城市森林的空气负氧离子时空分布及变化规律，探究气象因素与空气负氧离子浓度的关系，并比较各气象因素对空气负氧离子的贡献率及其相互关系，为了解扬州城市森林空气负氧离子资源情况提供理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

扬州市（32°15'N～33°25'N，11901'E～119°54'E） 地处江苏省中部，位于长江北岸、江淮平原南端，区 域总面积6591.21 ha，市区面积2305.65ha。扬州市 城区地势呈西北高、东南低，主要地貌以蜀冈一线为 分界线。蜀冈一线以北为长江的一级阶地，属丘陵 地区；蜀冈一线以南为长江的冲积平原，地势平坦。 扬州市属于亚热带季风性湿润气候向温带季风气候 的过渡区。气候主要特点是四季分明，日照充足，雨 量丰沛，盛行风向随季节有明显变化。

1.2试验方法

选择宋夹城体育休闲公园（城市森林）、茱萸湾 风景区（城市近郊森林）和润扬湿地森林公园（城市 远郊森林）为研究对象（表1），依托江苏扬州城市森 林生态系统国家定位观测研究站进行数据收集，该 研究站具备林内气象监测站和负氧离子观测站点， 观测时间间隔1h。主要收集2020年1—12月宋夹 城体育休闲公园、茱萸湾风景区和润扬湿地森林公 园的城市森林环境空气质量监测平台及空气负离子监测系统（HQWAS-200PRO）逐小时负氧离子浓度和气象数据，包括气压、风速、空气温度、空气湿度、PM23、光照强度等。

1.3统计分析

采用SPSS 26.0对数据进行统计分析，利用单因素方差分析（One-way ANOVA）比较不同季节之间负氧离子浓度的差异，Pearson相关系数量化负氧离子浓度与气象因素之间关系的强度和显著性；利用增强回归树（R4.2.1）分析各气象因素对负氧离子浓度的贡献率，结构方程模型（Amos 24.0）分析各气象因素对负氧离子浓度的直接和间接影响；以Origin2021制图。

2结果与分析

2.1空气负氧离子浓度时间变化特征

2.1.1日变化特征春季城市森林区空气负氧离子浓度在736.81～758.57个/cm3范围内呈波峰波谷交替出现，波动周期为6h左右，24h内有4个波谷，分别出现在8：00（738.68个/cm3）、14：00（747.14个/cm3）、20：00（740.46个/cm3）和1：00（736.81个/cm3）。春季城市近郊森林区空气负氧离子浓度日变化呈单峰型，从清晨开始逐渐升高，在11：00达峰值 （1098.85个/cm3），随后逐步下降，傍晚过后趋于稳 定。春季城市远郊森林区空气负氧离子浓度日变化 表现为双峰型，上午整体呈缓慢下降趋势，11：00开 始逐渐升高，在19：00达第1个峰值（662.82个/cm3）， 随后降低，22：00开始再次升高，在1：00达第2个峰 值（701.81个/cm3），之后有所下降；整体来看，凌晨 负氧离子浓度高于其他时段，为全天高浓度段（图1-A）。

夏季城市森林区空气负氧离子浓度在744.37～ 753.36个/cm3范围内呈波峰波谷依次交替出现的特 征，整体变化较小。夏季城市近郊森林区空气负 氧离子浓度日变化呈单峰型，10：00出现日最高值 （776.22个/cm3）。城市远郊森林区空气负氧离子浓 度变化更为剧烈（709.69～776.57个/cm3），呈波峰波谷交替出现的特征，分别在6：00、9：00、12：00和22：00出现较大波动，23：00-4：00相对稳定（图1-B）。

秋季城市森林区和城市近郊森林区空气负氧离子浓度在741.96～763.19个/cm3范围内呈波峰波谷依 次交替出现的特征，整体变化较小。秋季城市远郊 森林区空气负氧离子浓度变化呈单谷型，上午负氧 离子浓度小幅度升高，10：00后骤然下降，12：00出现 全日最低值（571.46个/cm3），之后逐渐升高，17：00—6：00在620.04～667.34个/cm3范围内呈波峰波谷依 次交替出现的特征（图1-C）。

冬季城市森林区空气负氧离子浓度在715.38～ 793.55个/cm³范围内呈波峰波谷依次交替出现的特 征，整体变化较小。冬季城市近郊森林区空气负氧 离子浓度日变化呈单峰型，从上午开始逐渐升高，在 12：00上升至日最高值（948.8个/cm3），随后逐步下 降，17：00下降至日最低值（741.18个/cm3），之后在741.18～782.4个/cm3范围内呈波峰波谷依次交替出 现的特征。城市远郊森林区空气负氧离子浓度基 本呈U型分布，两头高中间低，高浓度集中在5：00—8：00，日最低值出现在14：00（617.1个/cm3）（图 1-D）。

2.1.2月变化和季节变化特征

由图2可知，城市 森林区月变化特征不明显，平均浓度为749.10个/cm³。城市近郊森林区和城市远郊森林区月变化特 征明显，但呈现不同的结果。城市近郊森林区月平 均负氧离子浓度最高值为891.67个/cm3，出现在 4月，月平均负氧离子浓度最低值为750.12个/cm3， 出现在11月。城市远郊森林区月平均负氧离子浓 度最高值为782.50个/cm3，出现在6月，月平均负氧 离子浓度最低值为586.36个/cm3，出现在4月。

从季节变化来看（图3），城市森林区的负氧离子 浓度变化差异不显著（Pgt;0.05，下同）；城市近郊森林 区平均负氧离子浓度表现为春季gt;冬季gt;夏季gt;秋 季，不同季节间差异也不显著，春季的负氧离子浓度 高达815.82个/cm3，可能是由于茱萸湾风景区试验林为幼龄林，处于生长活跃期；城市远郊森林区平均 负氧离子浓度表现为夏季gt;冬季gt;春季gt;秋季，夏季 的负氧离子浓度（745.38个/cm3）显著高于其他3季 （Plt;0.05，下同），主要由于夏季空气湿度大、植物正 值生长茂盛期，且光照强度大、光照时间长，进而具 有较强的光合作用。同一季节下，均以城市近郊森 林区的负氧离子浓度最高，城市远郊森林区最低。

2.2空气负氧离子浓度空间分布特征

由表2可知，城市远郊森林区的负氧离子浓度 年平均值（666.87个/cm³）显著低于城市森林区和城 市近郊森林区。城市远郊森林区郁闭度为0.80，低 于城市森林区（0.90）和城市近郊森林区（0.85）。一 般情况下，高郁闭度环境负氧离子浓度高于中低郁 闭度环境负氧离子浓度（陶宝先和张金池，2012），郁 闭度较大的森林群落可有效吸收并遮挡太阳辐射， 降低林内温度，增加空气湿度，制造出更多的负氧离 子（郑诗禹，2022），但由于城市森林区频繁受到人为 干扰，其负氧离子含量低于城市近郊森林区。此外， 负氧离子浓度的变异系数与森林郁闭度也存在一定 关系，负氧离子浓度变异系数随着郁闭度减小而增大，即低郁闭度条件下，负氧离子浓度的变异性增 强，在高郁闭度的植物群落内，负氧离子因叶片遮 挡，消散流通受到抑制，表现出负氧离子浓度稳定性 高，变异性小的特性。

2.3气象因素对空气负氧离子浓度的影响

2.3.1气象因素与空气负氧离子浓度的相关性

对3个研究区域的逐小时负氧离子平均浓度与气 压、风速、空气温度、空气湿度、PM2s和光照强度6个 气象因素小时平均值的相关性进行分析，结果显示， 城市森林区由于人为干扰大，有风速、气压、空气温 度和PM23与空气负氧离子浓度存在显著或极显著 （Plt;0.01，下同）相关性（表3）；城市近郊森林区春冬 两季负氧离子浓度与林内气象要素关系明显，春季 负氧离子浓度与气压、风速、空气温度、空气湿度、 PM2s和光照强度呈极显著相关，冬季负氧离子浓度 与风速、空气温度、空气湿度和光照强度呈极显著相关（表4）；城市远郊森林区负氧离子浓度与气压、风 速、空气温度、空气湿度、PM23和光照强度等气象因 素呈显著或极显著相关（表5）。

由此可见，不同区域影响负氧离子浓度的气象 因素有所不同，同一气象因素在不同季节与负氧离 子浓度的相关性也不同，甚至从正相关变负相关，说 明负氧离子浓度与气象因素的关系较复杂且有不确 定性，但负氧离子浓度与气象因素的相关性绝大部 分达极显著水平。

2.3.2气象因素对空气负氧离子浓度的贡献率及其关系

为更好地探究气象因素对空气负氧离子浓 度的贡献及其直接和间接影响，同时减小外界因素 对结果的影响，因此选取远郊森林区进行深入分析。 由图4可知，不同季节、不同气象因素对空气负氧离 子浓度的贡献率具有明显差异。春季和秋季，空气 湿度对空气负氧离子浓度的贡献最大，分别达 38.51%和47.58%。夏季和冬季，PM25对空气负氧离 子浓度的贡献最大，分别达27.87%和38.51%。季节 的改变对于气象因素对空气负氧离子浓度的贡献度会产生影响。

结构方程模型（图5）表明，空气湿度（总效应= 0.277）对负氧离子浓度有直接正向影响，而光照强 度（总效应=-0.112）对负氧离子浓度有直接负向影 响，风向（总效应=-0.001）通过改变PM25对负氧离子 浓度产生间接影响。

3讨论

本研究中，城市森林区春、夏、秋、冬四季负氧离 子浓度的日变化幅度较小，可能由于其处于城区内， 形成城市小气候，各气象因素日变化对1.5m测量高 度处的负氧离子浓度变化影响效果不明显。城市近 郊森林区春、夏、冬季均呈单峰曲线变化，峰值出现 在10：00—12：00，且随着温度的降低峰值逐渐推迟， 夏季（10：00）早于春季（11：00）和冬季（12：00），与高 郯等（2019）研究得出空气负氧离子浓度呈早晚低中 午高的结果一致。这可能是由于从清晨开始随着太 阳辐射不断增强，植物光合作用逐渐加强，产生大量 空气负氧离子（吴亦菲等，2022），在中午左右达高浓度水平。而在秋季随着植物叶片脱落，负氧离子浓度日变化不明显。城市远郊森林区与其他2个区域的四季负氧离子浓度日变化存在较大差异，由于城市远郊森林受人为因素干扰较小，对气象因素的响应也更敏感，夏季气象因素不稳定导致负氧离子浓度呈现剧烈波动。此外，润扬湿地森林公园毗邻长江，水体对周围环境具有调节作用，午夜和清晨水体温度高于地面温度，温暖湿润的空气从水面吹向陆地，使得清晨和午夜前后空气负离子浓度较高（骆世娟等，2011）。城市远郊森林区秋季负氧离子浓度变化呈单谷型，可能是由于太阳辐射达一定强度，植物光合作用出现休眠现象，空气负氧离子浓度略有下降，随着太阳辐射的减弱，植物解除休眠状态有所回升；且由于郁闭度较低，植物叶片凋落，负氧离子浓度明显低于其他2个区域。空气负氧离子浓度达700个/cm³以上时对人体有保健作用（王顺利等，2010），本研究涉及的3个区域负氧离子浓度均对人体具有一定的保健作用。

城市近郊森林区4月随着植物的生长茂盛，空气负氧离子浓度逐渐升高，到6月由于夏季气温较高，植物生长变缓，负氧离子浓度变化平稳，9月后再次逐渐升高，到11月植物叶片开始凋落，负氧离子浓度有所降低，12月过后再次波动上升；期间由于植物落叶，林区郁闭度减小，通风性和光照穿透能力增强，环境气象因素影响显著（孙文等，2021；林秋虹等，2022），到3月植物开始萌发，4月负氧离子浓度出现最高值。城市远郊森林区负氧离子浓度月变化趋势与城市近郊森林区较一致，但具有滞后性。该研究结果与前人报道我国空气负氧离子浓度季节波动从大到小依次为夏、秋、春、冬的结果（邵海荣等，2005；谭静等，2017）存在差异。这可能是由于前人研究集中在我国北部和中部地区。同时，即使是在南部地区的福建省，不同海拔高度也表现出截然不同的季节变化规律（张春桂，2023）；造成该现象的原因与当地气候环境、植被种植情况等有重要关系。本研究的城市近郊森林区空气负氧离子浓度年平均值、年最大值和年最小值均表现出较高水平，可能是由于茱萸湾风景区样地郁闭度（0.85）适中且为幼龄林生长活跃，有助于空气负氧离子的产生。此外，植物光合作用、植物叶片表面的光电效应、植物叶尖放电、植物释放的香精等均能增加空气负氧离子的产生，对负氧离子浓度提高有显著影响（曾曙才等，2006；王向华和高建云，2007；彭辉武等，2013；王薇和余庄，2013）。

负氧离子浓度与空气清洁程度相关，PM2s是直接反映空气清洁程度的指标，风速、气压和湿度均是影响空气清洁程度的重要因素（吴志萍等，2007）。光照强度决定太阳辐射大小，太阳辐射可为空气中正负离子的电离反应提供能量。但不同温度范围与城市森林负氧离子浓度的相关性不尽相同（时聪等，2022）。本研究中，总体空气温度与负氧离子浓度呈显著正相关，与何宁等（2016）对湘潭负氧离子浓度的研究结果一致，而陈兵红等（2018）对丽水负氧离 子浓度的研究发现其与温度呈显著负相关。这进一 步说明负氧离子浓度与气象因素之间的复杂关系， 且受多种因素影响，难以定论。本研究针对气象因 素对扬州市不同类型城市森林的空气负氧离子浓度 贡献率进行分析，结果表明空气湿度和PM2s两大气 象因素是直接影响空气负氧离子浓度的重要因素， 且对空气负氧离子浓度贡献率最大。

空气负氧离子的研究值得进行长期且持续的监 测，本研究仅进行了1年的监测和数据收集，在今后 研究中应对试验周期和配套试验等做更长期的规 划，综合考虑更多因素对负氧离子浓度的影响，合理 有效地评价和开发城市森林的负氧离子资源，为城 市森林生态旅游发展提供更多的科学依据。

4结论

扬州不同区域森林的负氧离子浓度变化规律不尽相同，不同季节和时间对空气负氧离子浓度有明显影响。根据不同区域的负氧离子浓度差异及其表现出的季节变化规律可制定不同的公园游览计划，建议夏季前往城市远郊森林区，春季前往城市近郊森林区游览。

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