摘 要: 从 2017 年 8 月至 2018 年 7 月，对湖南省森林植物园内空气负氧离子浓度、温度、降雨量、相对湿度等指标进行测定，分析空气负氧离子浓度特征及导致其浓度差异的影响因素。结果表明: 空气负氧离子浓度季节变化特征为夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季; 空气负氧离子浓度变化情况与温度变化情况基本一致; 春季、秋季、冬季空气负氧离子浓度的日变化规律大体一致，且冬季的日变幅最小，夏季日变幅最大; 空气负氧离子浓度与温度、降雨量、相对湿度基本呈正相关，降雨量对其存在显著差异 ( P < 0. 05) ，温度对其存在极显著差异 ( P < 0. 001) ，相对湿度对其无显著差异。
关键词: 空气负氧离子浓度; 分布特征; 影响因子; 降雨量; 温度
空气负氧离子是大气中带负电荷的气体分子或离子团的总称，空气分子在高压或强射线的作用下被电离所产生自由电子大部分被氧气所获得[1]。因其具有杀菌、降尘、清洁空气、提高免疫力、调节机能平衡等功效，空气负氧离子有 “空气维生素和生长素”的美誉[2]。在环境评价中，空气负氧离子浓度被列为衡量空气质量优劣的重要指标。随着生态旅游的兴起，人们对生态环境质量也越来越关注，国内外学者掀起了空气负氧离子研究的热潮，并在空气负氧离子的产生、生物学效应以及空气负氧离子的监测等方面做了大量工作。近年来，关于空气负氧离子与气象因子的相关性有一定研究[3]。
1 研究区概况
本实验研究地点位于湖南省森林植物园，地处 113°01'30″E，28°06'40″N，占地总面积 113. 5 hm2 ，是湖南省最大的城市绿地，森林覆盖率达 90% 以上。全园最高海拔 106 m，最低海拔 50 m，为低丘岗地地貌。属亚热带季风湿润气候区，年平均气温为 16. 9 ℃，年均降水量为 1 400. 6 mm，年均相对湿度为 80% ，年均日照时数为 1 726 h。土壤系第四纪红色粘土母质上发育的酸性红壤，pH 值为 4. 0 ～ 5. 5，砾 石 含 量 较 多，土 层 较 深 厚，肥 力较好。湖南省森林植物园是长沙市民亲近自然，周末短途旅游的重要场所，研究该区域空气负氧离子浓度特征及与影响要素之间的关系具有重要意义。
2 研究方法与数据处理
2. 1 研究方法
2. 1. 1 空气负氧离子浓度及气象要素测定方法
研究时间为 2017 年 8 月至 2018 年 7 月，利用 EP100 系列单管固定式大气负氧离子自动监测系统对湖南省森林植物园珍稀植物园内进行为期 1 年的定点监测，仪器距离地面 1. 5 m，与人体呼吸等高，采样频率设定为 1 h 采集读数 1 次。利用中科正奇( 北京) 科技有限公司提供的国家标准气象自动监测系统对同期的温度、降雨量、相对湿度等气象要素进行实时监测，采样频率设定为 1 h 采集读数 1 次。
2. 1. 2 数据分析用
Microsoft Excell 2000 软件和 SPSS11. 0 统计分析软件对数据进行分析。
3 负氧离子浓度变化特征分析与结果
3. 1 负氧离子浓度水平比较
按照 2018 年 3—5 月是春季，2017 年 8 月、 2018 年 6—7 月是夏季，2017 年 9—11 月是秋季， 2017 年 12 月、2018 年 1—2 月是冬季，统计整理湖南省森林植物园空气负氧离子浓度季节水平比较情况见表 1。由表 1 可知，监测区内空气负氧离子浓度季节变化特征为: 夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季，夏季平均浓度为 922 个·cm - 3，冬季平均浓度为 367 个·cm - 3。吴楚材[4]等研究表明，植物的光合作用是产生空气负氧离子的重要条件: 夏季日照时间长，植物光合作用强烈，释放的氧气与空气中的水汽发生电离，为空气负氧离子的产生创造了条件，因此夏季空气负氧离子的浓度高于其他 3 个季节。马晶昊[5]等研究表明，长沙市空气负氧离子浓度最高的季节为秋季，这与本研究结果不一致，但毛成忠[6]等人的研究解释了这一差异，即城市区与森林区空气负氧离子季节特征不一样。湖南省森林植物园属于城市森林区，而马晶昊等人的研究在市区，故呈现出不一样的季节变化结果。
3. 2 空气负氧离子浓度月变化情况及与月平均温度之间的关系
湖南省森林植物园在监测期内的年平均空气负氧离子个数为 578 个·cm - 3，其月平均值随温度的变化情况如图 1 所示。监测期间内空气负氧离子月 平 均 最 高 值 出 现 在 2017 年 10 月， 为 933 个·cm - 3，该月的月平均温度为 21. 83 ℃ ; 监测期间内月平均温度最高值出现在 2018 年 7 月，为 35. 29 ℃，该月的空气负氧离子月平均值为 610. 448 个·cm - 3。这种现象可能与 2017 年 “华中秋雨”现象有关，彭贵康[7]等研究表明降水有利于空气负氧离子浓度的增加。空气负氧离子浓度月平均最小值出现在 1 月，为 303 个·cm - 3，该月的月平均温度也为全年最低，为 7. 26 ℃。由图 1 可知，当月平均温度低于 20 ℃ 时，空气负氧离子浓度值随温度上升的速度较为缓慢; 当月平均温度处于 20 ～ 25 ℃时，空气负氧离子浓度值随温度上升较快; 当温度处于 25 ～ 30 ℃，空气负氧离子浓度值随温度的变化趋势趋于平缓; 但当温度处于 30 ～ 35 ℃时，空气负氧离子浓度值随温度的上升又呈现较快趋势。
3. 3 空气负氧离子浓度日变化规律
湖南省森林植物园春夏秋冬季节空气负氧离子浓度值日变化结果见图 2。由图 2 可知，在春季、秋季、冬季，空气负氧离子浓度的日变化规律大体一致，0: 00—12: 00 的变化趋势较为平稳; 早 上 6: 00—8: 00 时间段出现 1 个谷值，这个时间点是园内晨练、散步活动的高峰时段，此时粉尘、烟尘含量增多，空气中的正、负氧离子容易碰撞形成中性分子，降低了负氧离子浓度水平[8]。夏季空气负氧离子浓度的变化幅度波峰、波谷更迭出现，日变化呈现四峰分布，波峰分别出现在 3: 00、8: 00、16: 00 和 22: 00， 其中最高峰出现在 3: 00， 为 1 045 个·cm - 3，可能与长沙夏季雷电等极端天气多出现在晚间，造成空气负氧离子瞬时值较大有关。谭静[9]等研究表明，闪电活动对空气负氧离子浓度的增加是有明显作用的，放电现象是空气中负氧离子的重要来源之一。从日变幅来看，冬季的日较差最小，为 122 个·cm - 3 ; 夏季日较差最大，为 349 个·cm - 3，昼夜差异比较明显。
3. 4 空气负氧离子浓度与降雨量之间的关系
从监测时间段内选取湖南省森林植物园有降雨的天气，即 2017 年 11 月 10 日、2018 年 1 月 4 日、 2018 年 3 月 24 日、2018 年 7 月 8 日四个雨天，并对同 1 天内整点时间的降雨量与相应空气负氧离子浓度值进行研究，详见图 3。空气负氧离子浓度值与降雨量基本呈正相关 ( 2018 年 3 月 24 日除外) 。 2018 年 3 月 24 日，空气负氧离子浓度受降雨量的影响不规律，说明空气负氧离子浓度值与降雨量之间的关系是复杂的。2018 年 7 月 8 日空气负氧离子浓度变化趋势与降雨量变化趋势基本保持一致，但在 6: 00—7: 00 整点时间空气负氧离子浓度随着降雨量上升其浓度值却降低了，可能相邻时间段内负氧离子浓度还受到风速，温度、湿度等多种因素的影响。王薇等研究表明，当风速高于 1 m·s - 1 时，风速产生的摩擦对空气负氧离子浓度有显著增大的效果[10]。
3. 5 空气负氧离子浓度与温度、降雨量、相对湿度之间的相关性分析及单因素 ( ANVOA) 分析
将湖南省森林植物园空气负氧离子数据与同步监测到的温度、降雨量、相对湿度数据进行回归分析。得出空气负氧离子浓度分别与温度、降雨量、相对湿度的回归方程，并作出其关系图，如图 4、图 5、图 6 所示。由图可知，空气负氧离子浓度与温度、降雨量、相对湿度基本呈正相关。这与尹淑娴[11]等人的研究有出入，这可能与研究区域的地域不同有关。蒋翠花[12]等人研究表明空气负氧离子浓度与降雨量和相对湿度成正相关，这与本研究结果 一 致。空气负氧离子在空气中主要是以 O - 2 ( H2O) n形式相对稳定存在，当空气中的湿度增加时，空气中的水分子也会增多，O - 2 与水分子结合的机会就会增大，空气负氧离子浓度便也随之增大。空气负氧离子浓度与温度回归方程为: y = 8. 457 2 x + 418. 88 空气负氧离子浓度与降雨量回归方程为: y = 67. 916 x + 392. 68 空气负氧离子浓度与相对湿度回归方程为: y = 10. 48 x - 444. 9 为进一步研究空气负氧离子浓度与温度、降雨量、相对湿度之间的关系，采用单因素方差分析 ( One-Way ANOVA) 分别检验降雨量、温度、相对湿度等因素对空气负氧离子浓度的差异，分析结果见表 2。结果表明降雨量对其存在显著差异 ( P < 0. 05) ，这与司婷婷等人的研究结果一致[13]。温度对其存在极显著差异 ( P < 0. 001) ，相对湿度对其无显著差异。
4 结论与讨论
( 1) 空气负氧离子浓度季节变化规律尚无定论，城市区与森林区季节规律表现不一样。本研究表明湖南省森林植物园空气负氧离子浓度季节变化特征: 夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季。因所处的地域不同或森林 类 型 不 同，其季节变化特征也可能不一致。
( 2) 湖南省森林植物园的年平均空气负氧离子个数为 578 个·cm - 3，负氧离子浓度月变化情况与温度月变化情况基本一致，呈正相关。
( 3) 空气负氧离子浓度受降雨量影响存在一定的季节差异，湖南省森林植物园春季空气负氧离子浓度受降雨量的影响不规律。夏季空气负氧离子浓度变化趋势与降雨量变化趋势基本保持一致; 秋冬季节空气负氧离子浓度受降雨量的影响更大，秋季、冬季空气负氧离子浓度与降雨量趋势图表现出高度一致。
( 4) 影响湖南省森林植物园空气负氧离子浓度的因素是多方面的，本文从气象因素 ( 温度、降雨量、相对湿度) 着手开展了较为浅显的分析，但这些工作不足以解释空气负氧离子浓度产生变化的机理; 在后续的研究工作中，应该加强植被配置、植被生长发育节律等对森林负氧离子浓度影响[14]的研究。
参考文献:
[1] 邵海荣，贺庆棠. 森林与空气负氧离子 [J]. 世界林业研究， 2000，13 ( 5) : 19 - 23.
[2] 宗美娟，王仁卿，赵坤. 大气环境中的负氧离子与人类健康[J]. 山东林业科技，2004 ( 2) : 32 - 34.
[3] 贺江华，谭益民，周兰芳. 室内空气负氧离子浓度与 PM2. 5、 PM10 浓度的 关 系 [J]. 中南林业科技 大 学 学 报，2014，34 ( 5) : 96 - 100.
[4] 吴楚材，郑群明，钟林生. 森林游憩区空气负氧离子水平的研究 [J]. 林业科学，2001，37 ( 5) : 76 - 81
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