李少寧,李 嬡,趙 旭,魯紹偉*,趙 娜,徐曉天,徐 蘭

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所，北京 100093；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110866)

【研究意義】空氣中帶負(fù)電荷的氣體離子統(tǒng)稱空氣負(fù)離子(Negative air ions，NAI)[1]，且負(fù)離子在穩(wěn)定的狀態(tài)下，以負(fù)氧離子占據(jù)主導(dǎo)地位，因此又稱空氣負(fù)氧離子[2-3]。NAI常帶負(fù)電，很容易與空氣中細(xì)菌、灰塵、煙霧等帶正電的微粒一起沉淀成中性微粒以達(dá)到凈化空氣的目的[4]?？諝庳?fù)離子濃度具有降塵、殺菌、清潔和保健的作用,被人們譽(yù)為“空氣生長素和維生素”[5-6],對人體的某些疾病有著輔助治療作用，也是反映空氣質(zhì)量的一個重要指標(biāo)[7]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】穩(wěn)定條件下，NAI濃度背景水平為數(shù)百級，約300～400個/cm3[8]。在天然或人為離子源(森林、瀑布和架空電力線路等)的影響下NAI濃度可增加到數(shù)千個數(shù)量級。森林的NAI濃度平均達(dá)1000～3000個/cm3，明顯高于城市地區(qū)。瀑布附近的NAI濃度在2000～10 000個/cm3；而污染空氣中，NAI濃度可降至0[9]。由此可見，NAI濃度對生態(tài)環(huán)境變化反應(yīng)非常靈敏，易受周圍環(huán)境影響，如其來源類別、森林條件、污染物濃度、與瀑布的距離等使得研究結(jié)果更加復(fù)雜[10]。NAI受空氣溫度、濕度、太陽輻射、風(fēng)、雨、霧等氣象要素的影響。如NAI與區(qū)域溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與濕度呈正相關(guān)，光照強(qiáng)度是另一個主要因素[11-12]，也有研究顯示，NAI濃度與溫度出現(xiàn)正相關(guān)性，與局部相對濕度出現(xiàn)負(fù)相關(guān)性[13]，城市森林的NAI濃度與氣壓和風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，與紫外線呈正相關(guān)[14-15]。【本研究切入點(diǎn)】NAI濃度與氣象因素的關(guān)系不穩(wěn)定，大氣污染物與NAI濃度的相關(guān)性更會因周圍環(huán)境的影響而存在差異。隨著城市化的發(fā)展，空氣污染物排放量增多，進(jìn)而降低NAI濃度。NAI能與空氣中的顆粒物團(tuán)聚形成大分子，使其更快沉降，達(dá)到降低大氣顆粒物濃度的目的[16]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用NAI和大氣污染物自動監(jiān)測儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)對北京西山國家森林公園中NAI濃度與大氣污染物進(jìn)行相關(guān)性分析。選擇細(xì)顆粒物(PM2.5)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)這3種大氣污染物，利用除特殊天氣外的NAI濃度及大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)值，對NAI濃度日變化、日均值與大氣污染物濃度日均值進(jìn)行比較，探究NAI與大氣污染物的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地選取北京西山國家森林公園，處于小西山(屬太行山余脈)東部，總面積5970 hm2，公園海拔300～400 m，林地面積5196.8 hm2，林木覆蓋率98.5%，年降雨量634 mm，相對濕度43%～79%，多年平均氣溫16.2 ℃，空氣負(fù)氧離子最高達(dá)4000個/cm3，地理坐標(biāo)：39°58′18.17″N,116°11′51.20″E，是距北京城區(qū)最近的國家森林公園。公園里植物資源豐富，共計250多種，分屬73科。公園有天然樟子松(Pinussylvestnis)4600余株，主要植被還有側(cè)柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)以及黃櫨(Cotinuscoggygria)、元寶楓(Acertruncatum)等。小西山紛繁的樹種和不同的混交林形成四季分明、風(fēng)景秀麗的森林景觀。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

為獲取 2016年9月至2018年8月的全天實時NAI、氣象、污染物數(shù)據(jù)，在北京西山國家森林公園城市森林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站設(shè)置空氣質(zhì)量測量儀器。采用美國賽默飛世爾科技公司(Thermo Fisher Scientific，USA)的紫外光度法O3分析儀、化學(xué)發(fā)光 NO-NO2-NOx分析儀、安徽藍(lán)盾PM2.5自動監(jiān)測儀及NAI自動監(jiān)測儀，對城市森林中的NAI及大氣污染物濃度實行野外自動在線監(jiān)測，頻次為1次/h，全天24 h采樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市森林NAI濃度日變化分析

城市森林NAI濃度日變化呈“單峰”型(圖1)，日均值為2054個/cm3。NAI濃度日變化為7:00開始快速上升，10:00到達(dá)高峰，之后開始回落，14:00趨于平穩(wěn)，夜間濃度變化不大，均值約為1996個/cm3。

PM2.5質(zhì)量濃度日變化呈“雙峰雙谷”型，日均值為62.21 μg/m3，6:00達(dá)到最高值，之后開始下降，13:00到達(dá)最低，晚上6:00達(dá)到第二個高峰，凌晨0:00為另一低谷；NO2濃度日變化呈“單峰單谷”型曲線，日均值為55.03 μg/m3，早上5:00到達(dá)最高值，之后開始下降，下午4:00濃度降到27.28 μg/m3，之后NO2濃度變化趨于平穩(wěn)，夜間峰值不明顯；O3濃度日變化呈“單峰”型曲線，日均值為10.39 μg/m3，早上11:00之前在5.2～5.8 μg/m3，一直處于平穩(wěn)狀態(tài)，11:00迅速升高，下午3:00到達(dá)峰值，濃度為27.28 μg/m3，之后迅速下降，晚上7:00之后濃度值趨于平穩(wěn)。

2.2 城市森林NAI濃度與大氣污染物的相關(guān)關(guān)系

3種大氣污染物與NAI濃度均在0.01水平上通過逐步回歸分析定量分析各個變量對NAI濃度的影響，篩選出對NAI濃度影響最大的因子。將自變量(NO2、O3、PM2.5濃度數(shù)據(jù))逐步進(jìn)入回歸分析，只有NO2一個變量被篩選出，回歸方程為：y=-1.562x+2383.654，R2=0.169。說明，NO2對NAI濃度的影響最為明顯。

圖1 城市森林NAI及大氣污染物日變化濃度Fig.1 Daily variation concentrations of NAI and air pollutants in urban forests

表1 城市森林大氣污染物與NAI濃度的相關(guān)性

2.3 不同污染水平下大氣污染物對森林NAI濃度的影響機(jī)制

根據(jù)NO2、O3、PM2.5與NAI濃度關(guān)系的散點(diǎn)圖(圖2)可知，二者的關(guān)系往往分成兩部分。大部分NAI數(shù)據(jù)散布在低水平污染條件下，污染物增加到一定濃度時，NAI數(shù)據(jù)逐漸減少并發(fā)生顯著改變。本文根據(jù)環(huán)境空氣污染物質(zhì)量濃度的指標(biāo)，比較不同濃度水平條件下污染物與NAI相關(guān)性。

空氣負(fù)離子濃度與O3濃度關(guān)系圖中，當(dāng)O3濃度達(dá)到50 μg/m3時趨勢發(fā)生變化，所以設(shè)定50 μg/m3為判定O3污染水平高低的條件界限。當(dāng)c(O3)小于50 μg/m3時，二者呈顯著正相關(guān)(r=0.315，P=0.000)；當(dāng)c(O3)大于50 μg/m3時，二者呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.304，P=0.005)。

不同污染物與NAI的相關(guān)性隨著其濃度水平的高低而不同(表2)。根據(jù)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PM2.5和NO2一級濃度限值，將判定PM2.5和NO2污染水平高低的條件界限分別設(shè)定為35和40 μg/m3。當(dāng)PM2.5濃度在35～200 μg/m3時，NAI濃度與PM2.5在0.01水平上呈顯著負(fù)相關(guān)，r為-0.523(P=0.000)；當(dāng)PM2.5濃度小于35 μg/m3時，NAI濃度與PM2.5依然在0.01水平上呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)比高水平情況下的相關(guān)系數(shù)小，r為-0.439(P=0.000)。當(dāng)c(NO2)在40～200 μg/m3時，NAI濃度與NO2呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.329，P=0.000)；當(dāng)c(NO2)< 40 μg/m3時，NAI濃度與NO2無顯著相關(guān)性。當(dāng)NO2濃度低于40 μg/m3時，NAI濃度范圍在2000～2800個/cm3，說明影響作用較?。欢?dāng)NO2濃度在40～200 μg/m3時，NAI出現(xiàn)的概率和濃度明顯降低，集中在2000～2250個/cm3，二者呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表2 不同污染水平條件下3種大氣污染物濃度與城市森林NAI濃度的相關(guān)性

3 討 論

3.1 城市森林NAI濃度日變化分析

李冰[17]對黑龍江森林林植物園內(nèi)NAI濃度日動態(tài)規(guī)律研究得出其呈現(xiàn)雙峰曲線，峰值出現(xiàn)在12:00左右和16:00左右，谷值出現(xiàn)在14:00左右，且上午NAI濃度明顯高于下午。高郯[18]研究得出不同生態(tài)用地NAI濃度的日變化差異較大，波峰大多出現(xiàn)在11:00和15:00，波谷多出現(xiàn)在10:00和13:00，開闊地帶日變化較為復(fù)雜，波動較大；郭宵[19]發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子的日變化呈現(xiàn)明顯的雙峰變化，極大值出現(xiàn)在凌晨4:30和下午14:30左右，日間極小值則出現(xiàn)在8:30左右和17:30左右。本研究NAI濃度日變化曲線與之不同，研究結(jié)果顯示城市森林中NAI濃度日變化呈單峰型，NAI濃度從早上7:00開始快速上升，在上午10：00達(dá)到高峰后開始回落，14：00接近平穩(wěn)，夜間維持平穩(wěn)狀態(tài)，這可能與地區(qū)的不同有關(guān)。

通過4種濃度值日變化特征的對比，可以看出NAI濃度與其他大氣污染物的峰值存在顯著差異。PM2.5與NAI濃度值存在明顯相反變化，NO2與O3濃度值的變化也呈相反趨勢。而NO2濃度日變化峰值較NAI濃度提前，O3濃度日變化峰值較NAI濃度延后。

圖2 城市森林NAI與大氣污染物濃度的散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plots of urban forest NAI and atmospheric pollutant concentration

NAI濃度日變化趨勢與大氣污染物濃度日變化趨勢不同，不同大氣污染物日變化也存在差異。PM2.5與NO2濃度晝間變化趨勢相近，主要是由于北京市NO2污染的主要排放源為汽車尾氣，PM2.5的增加與晝間人類活動對大氣環(huán)境的影響較為顯著。

3.2 城市森林NAI濃度與大氣污染物的相關(guān)性分析

馮鵬飛等[20]研究北京地區(qū)的NAI濃度與城市化程度成反比例，郊區(qū)NAI濃度要比中心城區(qū)多181個/cm3，說明城市化的發(fā)展不利于大氣環(huán)境質(zhì)量，導(dǎo)致NAI濃度降低。Zhang等[9]探討北戴河不同森林生態(tài)群落下NAI濃度變化發(fā)現(xiàn)其與PM2.5、NO2、SO2和CO濃度呈中度負(fù)相關(guān)，與O3濃度呈正相關(guān)。而閆秀婧等[16]分析天水市綠地NAI濃度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其與顆粒物濃度呈高度負(fù)相關(guān)(r=-0.819)。本研究中與前人的研究結(jié)果一致，NAI濃度與NO2、PM2.5為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.412、-0.366；與O3濃度呈正相關(guān)(r=0.207)，可見NAI能降低空氣中的污染物。

3.3 大氣污染物不同污染水平下對城市森林NAI濃度影響機(jī)制

PM2.5濃度與NAI濃度相關(guān)關(guān)系保持不變，一直處于負(fù)相關(guān)狀態(tài)，說明NAI濃度不斷受PM2.5濃度影響，這是因為PM2.5是細(xì)顆粒物包括硫磺，塵埃和微小的氣溶膠顆粒，也有如細(xì)菌和病毒等帶正電的顆粒，很容易與NAI中和形成大分子，發(fā)生沉積，消除PM2.5對人體的危害[21]。因此，NAI濃度能夠敏銳地對PM2.5濃度的變化做出反饋。

當(dāng)c(NO2)< 40 μg/m3時，NAI濃度與NO2不具有相關(guān)性，說明NAI對NO2具有一定的承載力。當(dāng)c(O3)在0～50 μg/m3時，NAI與O3濃度呈正相關(guān)關(guān)系，而當(dāng)c(O3)在50～125 μg/m3時，NAI濃度與O3濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。表明當(dāng)O3濃度較低時是有助于NAI的產(chǎn)生，而濃度到達(dá)一定程度時會帶來負(fù)面效應(yīng)。在陽光充足的條件下，氮氧化物會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生O3，從而增加O3濃度，而NO2濃度有所下降。NAI產(chǎn)生的同時也會有一定量O3生成。實際上O3、NO2與NAI之間存在著相互作用，內(nèi)部影響機(jī)制較為繁雜。

城市森林中NAI濃度與NO2、O3、PM2.5這3個大氣污染物都呈極顯著相關(guān)關(guān)系。其中，NO2、PM2.5與NAI呈極顯著負(fù)相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，污染物濃度越大，NAI濃度越小，O3與NAI濃度呈顯著正相關(guān)。

NAI濃度對不同污染物濃度水平的響應(yīng)機(jī)制不同，并且高污染濃度分布數(shù)據(jù)較少，說明當(dāng)污染物濃度在一定范圍內(nèi)，城市森林對城市污染的影響具有一定的生態(tài)承載力和抵抗力。

4 結(jié) 論

3個大氣污染物與城市森林公園中NAI濃度都有極顯著關(guān)系，NO2、PM2.5與NAI呈極顯著負(fù)相關(guān)，其中NO2對NAI濃度的影響最為顯著；O3與NAI濃度呈顯著正相關(guān)。不同大氣污染物水平對NAI濃度的影響機(jī)制不同。無論P(yáng)M2.5濃度怎么變化，其對NAI濃度的影響一直顯著；當(dāng)c(NO2)<40 μg/m3時，NAI濃度與NO2不存在相關(guān)性；當(dāng)c(O3)在0～50 μg/m3時，NAI濃度與O3呈正相關(guān)，而當(dāng)c(O3)在50～125 μg/m3時，NAI濃度與O3呈負(fù)相關(guān)。城市森林中監(jiān)測點(diǎn)大氣污染物濃度普遍偏低，說明城市森林的空氣污染程度較低，且森林中釋放的NAI能夠敏銳地對污染物濃度值升高做出反饋，進(jìn)一步驗證了城市森林對城市化影響具有一定抵抗力。