彭春梅，謝東海，王 旭，周小鵬

(1.海南大學林學院，海南 ?？?570228；2.海南省環(huán)境科學研究院，海南 ?？?570206；3.海南大學生態(tài)與環(huán)境學院，海南 ?？?70228；4.?？谑协h(huán)境保護監(jiān)測站，海南 海口 570102)

空氣離子是由呈中性的空氣氣體分子在太陽紫外光照射、水分子的裂解、雷電、植物尖端放電、植物光合作用以及人為干擾等因素作用下，發(fā)生電離，形成帶電荷的正離子和負離子[1].因此，氣候類型、天氣狀況、植物分布、溫度濕度等自然地理條件變化和人為影響等因素，都會影響空氣負氧離子濃度.負氧離子是空氣中一種帶負電荷的氣體離子，因具有殺菌、降塵、清潔空氣、促進新陳代謝、提高免疫力等功能[2]，常被人們稱之為“空氣維生素”或“長壽素”[3].負氧離子濃度高低也成為評價空氣質量的一項重要指標.

自21世紀以來，隨著人們對生存環(huán)境的日益關注，負氧離子的研究開始從生物醫(yī)學領域轉向城市生態(tài).近年來，國內外眾多學者對不同城市的負氧離子濃度及影響因素開展了一系列研究：Pawar、Retalis等對印度拉馬南德、希臘雅典等地區(qū)的負氧離子濃度分布狀況進行了研究分析[4-5]；湯秋嫄、穆丹、袁相洋等學者對我國不同地域、城市的負氧離子分布規(guī)律也進行了多方面探究[6-22]，涉及的研究區(qū)域分布較廣泛，主要包括溫帶季風氣候帶、亞熱帶季風氣候帶、溫帶大陸性氣候帶的區(qū)域，但對熱帶季風氣候帶和高原山地氣候帶的負氧離子研究涉及較少.

在負氧離子的研究中，一部分研究數(shù)據(jù)的監(jiān)測時間跨度較短[8-9,12,17]，沒有考慮較長時間跨度對負氧離子濃度的影響.另一部分研究雖然是在較長時間跨度內進行[6-7,10,15]，但也只是選擇了少部分時間段進行研究分析，不足以揭示負氧離子濃度變化的普遍規(guī)律.

本文以?？谑谢鹕娇趪业刭|公園為研究對象，對該地2016—2017年間負氧離子濃度和相關要素的逐時觀測數(shù)據(jù)進行了分析，旨在揭示?？诨鹕娇谪撗蹼x子濃度的變化規(guī)律以及其與環(huán)境要素和氣象要素的相關關系，以便為中國熱帶季風氣候區(qū)的負氧離子濃度研究提供一定的參考.

1 資料選取和方法介紹

1.1 研究地概況如圖1，研究地所在的?？谑交鹕饺簢业刭|公園位于?？谑袇^(qū)東面的石山鎮(zhèn)，距?？谑袇^(qū)15公里，是國家4A級景區(qū)、世界地質公園.該地屬地塹-裂谷型基性火山活動地質遺跡，具有極高的科考、科研、科普和旅游觀賞價值.?？谑袑贌釒Ъ撅L海洋性氣候，年平均氣溫24.3℃，年平均降水量1715.3毫米，平均相對濕度為85%，常年以東北風和東南風為主[23].

1.2 資料與方法將負氧離子觀測設備安裝于?？诨鹕娇诼糜螀^(qū)空氣自動監(jiān)測站內，地理坐標為東經(jīng)110°12′44″，北緯19°55′40″，海拔高度為165 m.負氧離子觀測儀器采用美國Epex100型負離子濃度自動測量儀，該儀器采用電容式吸入法計算空氣負離子，儀器的測量誤差分別為：離子濃度≤±10%，遷移率≥1.氣象要素監(jiān)測儀采用德國Lufft WS500-UMB氣象五參數(shù)分析儀;環(huán)境空氣監(jiān)測儀為賽默飛世爾科技公司49i臭氧分析儀、48i一氧化碳分析儀、42i氮氧化物分析儀、43i二氧化硫分析儀、FH62C14可吸入顆粒物(PM10)分析儀以及5030 SHARP細顆粒物(PM2.5)分析儀.選取海口市環(huán)境保護監(jiān)測站(?？诨鹕娇谡军c)2016年1月1日～2017年12月31日的時間段，觀測頻率為1 h的大氣負氧離子數(shù)據(jù).氣象資料和環(huán)境空氣資料來自監(jiān)測站，時間尺度為小時.

2 負氧離子濃度變化分析

圖2 ?？诨鹕娇趪业刭|公園負氧離子濃度季節(jié)變化圖

2.1 季節(jié)變化特征根據(jù)2016—2017年?？诨鹕娇谪撗蹼x子觀測數(shù)據(jù)，繪制?？诨鹕娇谪撗蹼x子濃度季節(jié)變化柱狀圖，如圖2所示.由圖2可知，?？诨鹕娇谪撗蹼x子濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化和年份變化.2016年和2017年年均負氧離子濃度分別為1 327個·cm-3和1 662個·cm-3，2016年負氧離子濃度總體水平低于2017年.譚靜等人研究得出強降水會使負氧離子數(shù)增加[13]，充沛的水汽條件和降水運動可加劇水分子的裂解，水分子截斷后帶正電荷，使周圍的空氣離子產(chǎn)生負電荷，從而加劇了空氣中負氧離子的產(chǎn)生[24].相比于2016年，?？谑?017年暴雨天氣出現(xiàn)次數(shù)較多.因此，2017年負氧離子濃度整體水平高于2016年[25-26].

從兩年均值變化特征看，總體上表現(xiàn)為夏秋兩季負離子濃度較高、春季次之、冬季最低.這和譚靜、顧小麗、韋朝領的研究結論相同，夏秋季負氧離子濃度最高，這是由于該地夏季植被生長旺盛，森林植物的 “尖端放電” 和 “光電效應” 以及釋放出的芳香揮發(fā)性物質都能使空氣發(fā)生電離現(xiàn)象的緣故, 并且由于森林植物具有降塵功能, 因而使得空氣負離子濃度增加, 而且壽命變長[27].

2016—2017年這兩年間在秋冬季的負氧離子濃度水平相差不大；在春夏季，2016年負氧離子濃度遠低于2017年同期的水平.據(jù)氣象資料顯示：2016年春夏季，?？诙啻纬霈F(xiàn)極端高溫天氣和持續(xù)性干旱天氣，植物在該類天氣下易進入休眠或生長遲緩狀態(tài)，阻礙了植物對空氣離子的電離作用，不利于負氧離子的生成[24]；與往年同期相比，2017年夏季，?？谑斜┯晏鞌?shù)較多[25]，這更有利于負氧離子的產(chǎn)生.2016和2017年春夏季的不同氣象狀況使得同期負氧離子濃度產(chǎn)生較大的差異.

2.2 日變化特征根據(jù)2016—2017年測量所獲得的?？诨鹕娇诳諝庳撾x子濃度的數(shù)據(jù)，選取兩年內所有有效數(shù)據(jù)，分別繪制了春、夏、秋、冬四個季節(jié)空氣負離子濃度的逐時變化圖(見圖3).

根據(jù)圖3可以看出，在2016—2017年間海口火山口大氣負氧離子濃度的逐時變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)出中間高、兩頭低的“A”字型，總體來說，白天負氧離子濃度高于夜間負氧離子濃度，最大值出現(xiàn)在白天，最小值出現(xiàn)在晚上.從大氣負氧離子濃度日變化趨勢可以看出，大氣負氧離子濃度與氣溫變化趨勢基本相同，白天空氣負氧離子濃度隨溫度的升高而升高，夜間空氣負氧離子濃度隨溫度降低而降低.在同一天中，白天隨著溫度的升高，太陽紫外光加強，使空氣分子離子化，從而增加了空氣中負離子的含量[28]；溫度升高促使植物光合作用增強，有利于負氧離子的產(chǎn)生，這和該地植被密集的狀況相一致.并且該觀測點位于景區(qū)山頂，白天受交通、人流活動影響較少，所以呈現(xiàn)出白天高、晚上低的變化趨勢.

(a.春季b.夏季c.秋季d.冬季)

2.3 等級分布特征目前我國和國際沒有對負氧離子濃度等級進行劃分的統(tǒng)一標準.故本文采取毛成衷等制定的負氧離子等級標準來進行分析[18]，等級標準見表1所示.通過對?？诨鹕娇谪撗蹼x子逐時濃度進行分級統(tǒng)計(見圖4)得出，2016年火山口負氧離子濃度等級在5級及以上的占75.3%，說明2016年火山口大部分時間的空氣狀況是有利于人體健康的.濃度等級在7級及以上的占29.4%，說明接近三分一時間的空氣狀況對人體健康“很有利”.而2017年負氧離子的濃度等級在5級及以上出現(xiàn)的頻率為97.0%，在7級及以上的頻率為58.1%，總體上高于2016年水平.

表1 負氧離子濃度值等級表

圖4 2016—2017年負氧離子濃度各等級出現(xiàn)頻率

通過運用多項式趨勢線表征2016和2017年?？诨鹕娇谪撗蹼x子濃度的等級分布頻率，2016年在3～8級均有分布(峰度系數(shù)g2016年=-0.033)，2017年主要分布在5～8級(峰度系數(shù)g2017年=-1.784)，更集中于高濃度等級，說明2017年?？诨鹕娇诳諝庳撗蹼x子濃度更高，對人體健康更為有利，具體見圖4.

3 負氧離子濃度與環(huán)境、氣象因子的相關性

研究表明[6-22]，二氧化硫、二氧化氮、臭氧、PM10、PM2.5等環(huán)境因子和溫度、相對濕度、氣壓、風速等氣象因子對負氧離子濃度有較大影響.本文利用海口火山口國家地質公園連續(xù)兩年觀測到的大氣負氧離子濃度數(shù)據(jù)和同時段環(huán)境空氣與氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取數(shù)據(jù)較穩(wěn)定時間段，分季節(jié)對所觀測到的影響因子進行SPSS單因素Pearson相關性分析；并利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析法和EIAProA2008軟件分別對濕度和風向、風速與負氧離子濃度的關系進行進一步研究分析.

3.1 大氣負氧離子與環(huán)境因子的關系根據(jù)2016—2017年?？诨鹕娇趪业刭|公園負氧離子濃度和相關環(huán)境因素的觀測數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件分季節(jié)進行了單因素Pearson相關性分析，結果如表2所示.

表2 環(huán)境因子與大氣負氧離子濃度的相關系數(shù)

注：“*”表示通過0.05顯著性檢驗，“**”表示通過0.01顯著性檢驗，/表示未通過檢驗

如表2所示，二氧化硫、PM10、PM2.5與大氣負氧離子濃度呈負相關，二氧化氮、臭氧、一氧化碳與負氧離子濃度相關性表現(xiàn)不明顯.總體而言，六個基本環(huán)境要素在以季節(jié)為單位進行相關性分析時，在每個季節(jié)所表現(xiàn)的相關性大多呈極顯著相關，但二氧化氮、臭氧、一氧化碳這三個環(huán)境因素在不同的季節(jié)表現(xiàn)出的正負相關性有多處不同，所以這三種環(huán)境要素與負氧離子濃度的相關性不明顯.二氧化硫、PM10、PM2.5這三種環(huán)境要素有一個季節(jié)與負氧離子濃度呈正相關，其余季節(jié)均表現(xiàn)為負相關，所以這三種環(huán)境要素和負氧離子濃度基本呈負相關.其中，PM2.5與負氧離子濃度呈現(xiàn)的負相關性更明顯.研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5、PM10等微塵本身是帶正電荷的，與帶負電荷的負氧離子因表面電荷的不同而相互吸引，從而發(fā)生粘附并沉降到地面，致使負氧離子消亡，濃度降低[29].該研究結果與金琪、何張齊等人的研究結果相同[14,17]，說明環(huán)境空氣中二氧化硫、PM10、PM2.5這幾種環(huán)境因素是使負氧離子濃度降低的主要因素.

3.2 大氣負氧離子與氣象因子的關系根據(jù)2016—2017年海口火山口國家地質公園負氧離子濃度及相關氣象要素的觀測數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件分季節(jié)進行單因素Pearson相關性分析，結果如表3所示.

表3 氣象因子與大氣負氧離子濃度的相關系數(shù)

注：“*”表示通過0.05顯著性檢驗，“**”表示通過0.01顯著性檢驗，“/”表示未通過檢驗

分析結果表明：?？诨鹕娇趪业刭|公園濕度與負氧離子濃度呈負相關，氣溫與負氧離子濃度呈正相關，風速、風向、氣壓和負氧離子濃度的相關性不明顯.

風速和大氣壓在較多季節(jié)未通過0.05顯著性檢驗，和負氧離子濃度的相關性較低.風向在不同季節(jié)和負氧離子的相關性較強，但相關系數(shù)不一致，總體表征為風向和負氧離子濃度無明顯的相關性.除2017年冬季，濕度和負氧離子濃度呈正相關外，其余季節(jié)均呈負相關，總體上表征為濕度和負氧離子濃度呈負相關性.除2016年秋季，氣溫和負氧離子濃度呈負相關外，其余季節(jié)均呈正相關，總體上表征為氣溫和負氧離子濃度呈正相關.金琪[14]認為風速和負離子濃度呈負相關，熊麗君[12]認為負離子濃度大小與風向關系較密切，熊麗君、袁相洋、譚靜[7-8,12-14,16,21-22]等認為濕度和負氧離子濃度呈正相關，這和本文研究結果相反，其原因在下一節(jié)將做進一步分析.

3.2.1 濕度急劇變化對負氧離子濃度的影響根據(jù)對?？诨鹕娇趪业刭|公園2016—2017年連續(xù)2年的空氣負氧離子、環(huán)境空氣質量及氣象要素的監(jiān)測統(tǒng)計與分析，發(fā)現(xiàn)濕度在短時間內大幅變化會使空氣中負氧離子濃度有明顯增大現(xiàn)象.為研究濕度變化與負氧離子濃度的關系，選取負氧離子每小時變化值超過2000個·cm-3的時段作為研究對象，并分析負氧離子發(fā)生變化前5個小時內的濕度變化情況(濕度變化和負氧離子濃度變化有時存在不同步現(xiàn)象)，找出該時間段內濕度差值最大的兩個時刻，以每個時間段濕度差值的變化情況為依據(jù)進行分類，總結得出表4.

表4 濕度急劇變化與大氣負氧離子濃度的關系

如表4，通過對2016—2017年?？诨鹕娇趪业刭|公園負氧離子有效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計得出，負氧離子發(fā)生大幅正向變化共計128次，其中，最大濕度差值發(fā)生負向變化10次，正向變化73次，濕度未發(fā)生變化(均為100%)45次，分別占比7.81%、57.03%、35.16%.從濕度變化的均值來看，濕度發(fā)生正向變化的絕對值大于濕度發(fā)生負向變化時的絕對值；從平均滯后時間來看，濕度大幅增加時對負氧離子影響的滯后時間更短，對負氧離子大幅增加的影響更為迅速.可以看出，海口火山口國家地質公園負氧離子在短時間內的急劇增加與濕度的大幅增加關系更為密切.

在2016—2017年的有效數(shù)據(jù)中，負氧離子濃度發(fā)生大幅變化超過8次的月份有6個月，分別為：2016年5月、6月、7月，2017年1月、7月、8月.說明負氧離子發(fā)生大幅變化的時間以夏季月份居多.選擇夏季月份中，負氧離子變化均值最大的月份(2016年6月)，進一步研究負氧離子變化和濕度變化的關系，結果如圖5.

(a)7/2 7:00-7/3 3:00,(b)7/3 6:00-7/4 2:00,(c)7/4 5:00-7/5 1:00,(d)7/11 10:00-7/12 6:00,(e)7/13 6:00-7/14 3:00,(f)7/14 6:00-7/15 4:00,(g)7/16 9:00-7/17 5:00,(h)7/17 10:00-7/18 6:00.

圖5 海口火山口國家地質公園2016年7月負氧離子濃度變化與濕度變化對比

如圖5所示，負離子產(chǎn)生大幅變化前的1～3小時內，濕度均有明顯的正向變化，且負氧離子在達到該時段最值后會迅速降低至正常水平，由以上研究結果得出，負氧離子濃度和濕度在短時間內呈明顯的正相關關系，濕度的急劇增加是水分子的另一種運動方式，能加劇水分子的裂解，增加空氣中的負氧離子濃度[24]；在發(fā)生瞬間變化后的時刻，無論濕度保持不變，還是出現(xiàn)小幅增長，負氧離子濃度值都會迅速降低至正常水平，這一現(xiàn)象說明了促使負氧離子濃度增加的不是某一具體的濕度值，而是濕度所產(chǎn)生的急劇變化，這說明降雨、瀑布等短時間增加空氣濕度的方式也可顯著提高區(qū)域負氧離子濃度.

3.2.2 溫度和濕度對負氧離子濃度的綜合影響2016—2017年間，?？诨鹕娇趪业刭|公園負氧離子濃度和溫度呈正相關關系，總體上和相對濕度呈負相關關系，在短時間內和相對濕度呈明顯正相關關系.這與我國關于其他氣候帶的多數(shù)研究結論有所不同[5,11-13,16,21,24].

在同一地點，一般溫度越高，太陽光線和太陽紫外線就越強，太陽紫外線能使空氣離子化，有利于負氧離子的產(chǎn)生；在溫度較高時，植物的生長活動更加旺盛，森林植物的 “尖端放電” 和 “光電效應” 以及其所釋放出的芳香揮發(fā)性物質都能使空氣發(fā)生電離現(xiàn)象，從而增加負氧離子的濃度.所以在植被覆蓋率較高的?？诨鹕娇趪业刭|公園負氧離子濃度和溫度呈正相關關系.

較多研究表明，負氧離子濃度和濕度呈正相關[6,12-14,17,19,22]，主要是因為濕度增大時，空氣中的水分子增多，O-2結合水分子的機會增大，負氧離子也隨之增大.但本研究中，負氧離子整體上和濕度呈負相關，這可能是因為地域不同，影響負氧離子生成的決定因素則不同的緣故.

通過分析認為，研究地海口火山口國家地質公園為熱帶海洋性季風氣候，全年空氣相對濕度均較高，可能減弱了負離子濃度對濕度的敏感性，且由于該地植被覆蓋率高，熱帶植物生長旺盛，當白天溫度升高時，植物光合作用加強，因而大幅增加了負氧離子的產(chǎn)生；而當夜晚或陰天、降小雨時，溫度降低，空氣濕度增加，雖然會對污染物有一定吸附作用，促進負離子濃度的增加，但由于阻礙了植物的光合作用，故負氧離子濃度總量反而下降.所以，當溫度和相對濕度對負離子濃度同時起作用時，溫度所起的正向作用占主導地位.

當弱化溫度的影響，即在短時間內研究濕度和負氧離子濃度的關系時，濕度便顯示出和負離子濃度的正相關關系，濕度的大幅增加會促使負氧離子濃度急劇增加.

3.2.3 風向風速對負氧離子濃度影響如圖6中風向頻率圖所示，一年中，海口火山口以東風、東北風為主，在其他方向上的風向頻率較低.如圖6中負氧離子濃度圖所示，一年中，?？诨鹕娇趪业刭|公園在不同方向上的平均負氧離子濃度呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性.總體上，負氧離子在西南、正南、東南方向上濃度高于西北、正北、東北方向的負氧離子濃度.在冬季時，西南方向上的負氧離子濃度較其他季節(jié)的負氧離子濃度明顯降低.如圖6中風速圖所示，一年中，?？诨鹕娇趪业刭|公園在不同方向上的平均風速呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性.總體上，風速在西南、正南、東南方向上速度低于西北、正北、東北方向的速度，而在冬季時，西南方向上的平均風速較前幾個季節(jié)明顯增加.

從風向頻率和負氧離子濃度分布狀況可以看出：風向和負氧離子濃度無明顯相關關系，這和Pearson相關性分析所得的結果相同.從負氧離子濃度和風速大小可以看出：上風向所在的負氧離子濃度和風速呈負相關，下風向所在的負氧離子和風速呈正相關.

綜合分析得出：根據(jù)Pearson相關性分析的結果可知，當不考慮方位影響時，風速和負氧離子濃度無明顯相關性.當以風向作為參照，分析不同風向上風速和負氧離子的關系時，發(fā)現(xiàn)上風向所在的負氧離子濃度和風速呈負相關，下風向所在的負氧離子和風速呈正相關.根據(jù)吳志湘等的實驗結果可知，由于空氣的持續(xù)流動，增多了空氣分子彼此之間的摩擦，加速了空氣分子的正負電離，從而增加了負氧離子的產(chǎn)生[30].由此可得，在處于較大風速的下風向處更有利于負氧離子的產(chǎn)生.

4 結論與討論

(1)海口火山口國家地質公園2016年負氧離子濃度均值為1 327個·cm-3，2017年為1 662個·cm-3.火山口負氧離子濃度分布呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，總體上為夏秋高、冬春低的分布趨勢.

圖6 ?？诨鹕娇趪业刭|公園2017年負氧離子濃度和風頻、風速對比圖

(2)?？诨鹕娇趪业刭|公園在2016—2017年間，大氣負氧離子濃度日變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)出中間高、兩頭低的“A”字型，總體來說，白天負氧離子濃度高于夜間負氧離子濃度，最大值出現(xiàn)在白天，最小值出現(xiàn)在晚上.這一變化規(guī)律和同期的溫度變化趨勢基本一致，并和該地的區(qū)位條件相關.其他相關性研究結論與此相反，這說明每個地區(qū)的主要影響因素不同，負氧離子濃度也會表現(xiàn)出不一樣的變化規(guī)律.

(3)?？诨鹕娇趪业刭|公園空氣負氧離子總體狀況對人體健康是有利的.其中，2016年和2017年對人體健康“有利”的負氧離子濃度占比分別為75.3%和96.98%，對人體健康“很有利”的負氧離子濃度占比分別為29.4%、58.1%.2017年負氧離子狀況整體優(yōu)于2016年.

(4)?？诨鹕娇趪业刭|公園負氧離子濃度和二氧化硫、PM10、PM2.5這三種環(huán)境要素呈負相關，和二氧化氮、臭氧、一氧化碳無明顯相關性.

(5)2016—2017年間，?？诨鹕娇趪业刭|公園負氧離子濃度和溫度呈正相關關系，總體上和相對濕度呈負相關關系，在短時間內受到濕度的正向影響.

(6)大氣壓、風向和負氧離子濃度無明顯相關性.當不考慮方位影響時，風速大小和負氧離子濃度無明顯相關性.當以風向作為參照時，上風向所在的負氧離子濃度和風速呈負相關，下風向所在的負氧離子和風速呈正相關.

(7)影響負氧離子濃度的因素十分復雜，且因為地域、時間的不同，各影響因子間所占的比重關系也各不相同.目前負氧離子的測試設備各不相同，評價方法也不夠完善，所以急需形成一套較為完善的研究體系，以便能對負氧離子進行更為系統(tǒng)的研究與分析.