摘 要: 從 2017 年 8 月至 2018 年 7 月，對(duì)湖南省森林植物園內(nèi)空氣負(fù)氧離子濃度、溫度、降雨量、相對(duì)濕度等指標(biāo)進(jìn)行測定，分析空氣負(fù)氧離子濃度特征及導(dǎo)致其濃度差異的影響因素。結(jié)果表明: 空氣負(fù)氧離子濃度季節(jié)變化特征為夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季; 空氣負(fù)氧離子濃度變化情況與溫度變化情況基本一致; 春季、秋季、冬季空氣負(fù)氧離子濃度的日變化規(guī)律大體一致，且冬季的日變幅最小，夏季日變幅最大; 空氣負(fù)氧離子濃度與溫度、降雨量、相對(duì)濕度基本呈正相關(guān)，降雨量對(duì)其存在顯著差異 ( P < 0. 05) ，溫度對(duì)其存在極顯著差異 ( P < 0. 001) ，相對(duì)濕度對(duì)其無顯著差異。

　　關(guān)鍵詞: 空氣負(fù)氧離子濃度; 分布特征; 影響因子; 降雨量; 溫度

　　空氣負(fù)氧離子是大氣中帶負(fù)電荷的氣體分子或離子團(tuán)的總稱，空氣分子在高壓或強(qiáng)射線的作用下被電離所產(chǎn)生自由電子大部分被氧氣所獲得[1]。因其具有殺菌、降塵、清潔空氣、提高免疫力、調(diào)節(jié)機(jī)能平衡等功效，空氣負(fù)氧離子有 “空氣維生素和生長素”的美譽(yù)[2]。在環(huán)境評(píng)價(jià)中，空氣負(fù)氧離子濃度被列為衡量空氣質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)。隨著生態(tài)旅游的興起，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也越來越關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者掀起了空氣負(fù)氧離子研究的熱潮，并在空氣負(fù)氧離子的產(chǎn)生、生物學(xué)效應(yīng)以及空氣負(fù)氧離子的監(jiān)測等方面做了大量工作。近年來，關(guān)于空氣負(fù)氧離子與氣象因子的相關(guān)性有一定研究[3]。

　　1 研究區(qū)概況

　　本實(shí)驗(yàn)研究地點(diǎn)位于湖南省森林植物園，地處 113°01'30″E，28°06'40″N，占地總面積 113. 5 hm2 ，是湖南省最大的城市綠地，森林覆蓋率達(dá) 90% 以上。全園最高海拔 106 m，最低海拔 50 m，為低丘崗地地貌。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫為 16. 9 ℃，年均降水量為 1 400. 6 mm，年均相對(duì)濕度為 80% ，年均日照時(shí)數(shù)為 1 726 h。土壤系第四紀(jì)紅色粘土母質(zhì)上發(fā)育的酸性紅壤，pH 值為 4. 0 ～ 5. 5，礫 石 含 量 較 多，土 層 較 深 厚，肥 力較好。湖南省森林植物園是長沙市民親近自然，周末短途旅游的重要場所，研究該區(qū)域空氣負(fù)氧離子濃度特征及與影響要素之間的關(guān)系具有重要意義。

　　2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

　　2. 1 研究方法

　　2. 1. 1 空氣負(fù)氧離子濃度及氣象要素測定方法

　　研究時(shí)間為 2017 年 8 月至 2018 年 7 月，利用 EP100 系列單管固定式大氣負(fù)氧離子自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)湖南省森林植物園珍稀植物園內(nèi)進(jìn)行為期 1 年的定點(diǎn)監(jiān)測，儀器距離地面 1. 5 m，與人體呼吸等高，采樣頻率設(shè)定為 1 h 采集讀數(shù) 1 次。利用中科正奇( 北京) 科技有限公司提供的國家標(biāo)準(zhǔn)氣象自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)同期的溫度、降雨量、相對(duì)濕度等氣象要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采樣頻率設(shè)定為 1 h 采集讀數(shù) 1 次。

　　2. 1. 2 數(shù)據(jù)分析用

　　Microsoft Excell 2000 軟件和 SPSS11. 0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

　　3 負(fù)氧離子濃度變化特征分析與結(jié)果

　　3. 1 負(fù)氧離子濃度水平比較

　　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，統(tǒng)計(jì)整理湖南省森林植物園空氣負(fù)氧離子濃度季節(jié)水平比較情況見表 1。由表 1 可知，監(jiān)測區(qū)內(nèi)空氣負(fù)氧離子濃度季節(jié)變化特征為: 夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季，夏季平均濃度為 922 個(gè)·cm - 3，冬季平均濃度為 367 個(gè)·cm - 3。吳楚材[4]等研究表明，植物的光合作用是產(chǎn)生空氣負(fù)氧離子的重要條件: 夏季日照時(shí)間長，植物光合作用強(qiáng)烈，釋放的氧氣與空氣中的水汽發(fā)生電離，為空氣負(fù)氧離子的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件，因此夏季空氣負(fù)氧離子的濃度高于其他 3 個(gè)季節(jié)。馬晶昊[5]等研究表明，長沙市空氣負(fù)氧離子濃度最高的季節(jié)為秋季，這與本研究結(jié)果不一致，但毛成忠[6]等人的研究解釋了這一差異，即城市區(qū)與森林區(qū)空氣負(fù)氧離子季節(jié)特征不一樣。湖南省森林植物園屬于城市森林區(qū)，而馬晶昊等人的研究在市區(qū)，故呈現(xiàn)出不一樣的季節(jié)變化結(jié)果。

　　3. 2 空氣負(fù)氧離子濃度月變化情況及與月平均溫度之間的關(guān)系

　　湖南省森林植物園在監(jiān)測期內(nèi)的年平均空氣負(fù)氧離子個(gè)數(shù)為 578 個(gè)·cm - 3，其月平均值隨溫度的變化情況如圖 1 所示。監(jiān)測期間內(nèi)空氣負(fù)氧離子月 平 均 最 高 值 出 現(xiàn) 在 2017 年 10 月， 為 933 個(gè)·cm - 3，該月的月平均溫度為 21. 83 ℃ ; 監(jiān)測期間內(nèi)月平均溫度最高值出現(xiàn)在 2018 年 7 月，為 35. 29 ℃，該月的空氣負(fù)氧離子月平均值為 610. 448 個(gè)·cm - 3。這種現(xiàn)象可能與 2017 年 “華中秋雨”現(xiàn)象有關(guān)，彭貴康[7]等研究表明降水有利于空氣負(fù)氧離子濃度的增加。空氣負(fù)氧離子濃度月平均最小值出現(xiàn)在 1 月，為 303 個(gè)·cm - 3，該月的月平均溫度也為全年最低，為 7. 26 ℃。由圖 1 可知，當(dāng)月平均溫度低于 20 ℃ 時(shí)，空氣負(fù)氧離子濃度值隨溫度上升的速度較為緩慢; 當(dāng)月平均溫度處于 20 ～ 25 ℃時(shí)，空氣負(fù)氧離子濃度值隨溫度上升較快; 當(dāng)溫度處于 25 ～ 30 ℃，空氣負(fù)氧離子濃度值隨溫度的變化趨勢趨于平緩; 但當(dāng)溫度處于 30 ～ 35 ℃時(shí)，空氣負(fù)氧離子濃度值隨溫度的上升又呈現(xiàn)較快趨勢。

　　3. 3 空氣負(fù)氧離子濃度日變化規(guī)律

　　湖南省森林植物園春夏秋冬季節(jié)空氣負(fù)氧離子濃度值日變化結(jié)果見圖 2。由圖 2 可知，在春季、秋季、冬季，空氣負(fù)氧離子濃度的日變化規(guī)律大體一致，0: 00—12: 00 的變化趨勢較為平穩(wěn); 早 上 6: 00—8: 00 時(shí)間段出現(xiàn) 1 個(gè)谷值，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是園內(nèi)晨練、散步活動(dòng)的高峰時(shí)段，此時(shí)粉塵、煙塵含量增多，空氣中的正、負(fù)氧離子容易碰撞形成中性分子，降低了負(fù)氧離子濃度水平[8]。夏季空氣負(fù)氧離子濃度的變化幅度波峰、波谷更迭出現(xiàn)，日變化呈現(xiàn)四峰分布，波峰分別出現(xiàn)在 3: 00、8: 00、16: 00 和 22: 00， 其中最高峰出現(xiàn)在 3: 00， 為 1 045 個(gè)·cm - 3，可能與長沙夏季雷電等極端天氣多出現(xiàn)在晚間，造成空氣負(fù)氧離子瞬時(shí)值較大有關(guān)。譚靜[9]等研究表明，閃電活動(dòng)對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度的增加是有明顯作用的，放電現(xiàn)象是空氣中負(fù)氧離子的重要來源之一。從日變幅來看，冬季的日較差最小，為 122 個(gè)·cm - 3 ; 夏季日較差最大，為 349 個(gè)·cm - 3，晝夜差異比較明顯。

　　3. 4 空氣負(fù)氧離子濃度與降雨量之間的關(guān)系

　　從監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)選取湖南省森林植物園有降雨的天氣，即 2017 年 11 月 10 日、2018 年 1 月 4 日、 2018 年 3 月 24 日、2018 年 7 月 8 日四個(gè)雨天，并對(duì)同 1 天內(nèi)整點(diǎn)時(shí)間的降雨量與相應(yīng)空氣負(fù)氧離子濃度值進(jìn)行研究，詳見圖 3。空氣負(fù)氧離子濃度值與降雨量基本呈正相關(guān) ( 2018 年 3 月 24 日除外) 。 2018 年 3 月 24 日，空氣負(fù)氧離子濃度受降雨量的影響不規(guī)律，說明空氣負(fù)氧離子濃度值與降雨量之間的關(guān)系是復(fù)雜的。2018 年 7 月 8 日空氣負(fù)氧離子濃度變化趨勢與降雨量變化趨勢基本保持一致，但在 6: 00—7: 00 整點(diǎn)時(shí)間空氣負(fù)氧離子濃度隨著降雨量上升其濃度值卻降低了，可能相鄰時(shí)間段內(nèi)負(fù)氧離子濃度還受到風(fēng)速，溫度、濕度等多種因素的影響。王薇等研究表明，當(dāng)風(fēng)速高于 1 m·s - 1 時(shí)，風(fēng)速產(chǎn)生的摩擦對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度有顯著增大的效果[10]。

　　3. 5 空氣負(fù)氧離子濃度與溫度、降雨量、相對(duì)濕度之間的相關(guān)性分析及單因素 ( ANVOA) 分析

　　將湖南省森林植物園空氣負(fù)氧離子數(shù)據(jù)與同步監(jiān)測到的溫度、降雨量、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。得出空氣負(fù)氧離子濃度分別與溫度、降雨量、相對(duì)濕度的回歸方程，并作出其關(guān)系圖，如圖 4、圖 5、圖 6 所示。由圖可知，空氣負(fù)氧離子濃度與溫度、降雨量、相對(duì)濕度基本呈正相關(guān)。這與尹淑嫻[11]等人的研究有出入，這可能與研究區(qū)域的地域不同有關(guān)。蔣翠花[12]等人研究表明空氣負(fù)氧離子濃度與降雨量和相對(duì)濕度成正相關(guān)，這與本研究結(jié)果 一 致。空氣負(fù)氧離子在空氣中主要是以 O - 2 ( H2O) n形式相對(duì)穩(wěn)定存在，當(dāng)空氣中的濕度增加時(shí)，空氣中的水分子也會(huì)增多，O - 2 與水分子結(jié)合的機(jī)會(huì)就會(huì)增大，空氣負(fù)氧離子濃度便也隨之增大。空氣負(fù)氧離子濃度與溫度回歸方程為: y = 8. 457 2 x + 418. 88 空氣負(fù)氧離子濃度與降雨量回歸方程為: y = 67. 916 x + 392. 68 空氣負(fù)氧離子濃度與相對(duì)濕度回歸方程為: y = 10. 48 x - 444. 9 為進(jìn)一步研究空氣負(fù)氧離子濃度與溫度、降雨量、相對(duì)濕度之間的關(guān)系，采用單因素方差分析 ( One-Way ANOVA) 分別檢驗(yàn)降雨量、溫度、相對(duì)濕度等因素對(duì)空氣負(fù)氧離子濃度的差異，分析結(jié)果見表 2。結(jié)果表明降雨量對(duì)其存在顯著差異 ( P < 0. 05) ，這與司婷婷等人的研究結(jié)果一致[13]。溫度對(duì)其存在極顯著差異 ( P < 0. 001) ，相對(duì)濕度對(duì)其無顯著差異。

　　4 結(jié)論與討論

　　( 1) 空氣負(fù)氧離子濃度季節(jié)變化規(guī)律尚無定論，城市區(qū)與森林區(qū)季節(jié)規(guī)律表現(xiàn)不一樣。本研究表明湖南省森林植物園空氣負(fù)氧離子濃度季節(jié)變化特征: 夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季。因所處的地域不同或森林 類 型 不 同，其季節(jié)變化特征也可能不一致。

　　( 2) 湖南省森林植物園的年平均空氣負(fù)氧離子個(gè)數(shù)為 578 個(gè)·cm - 3，負(fù)氧離子濃度月變化情況與溫度月變化情況基本一致，呈正相關(guān)。

　　( 3) 空氣負(fù)氧離子濃度受降雨量影響存在一定的季節(jié)差異，湖南省森林植物園春季空氣負(fù)氧離子濃度受降雨量的影響不規(guī)律。夏季空氣負(fù)氧離子濃度變化趨勢與降雨量變化趨勢基本保持一致; 秋冬季節(jié)空氣負(fù)氧離子濃度受降雨量的影響更大，秋季、冬季空氣負(fù)氧離子濃度與降雨量趨勢圖表現(xiàn)出高度一致。

　　( 4) 影響湖南省森林植物園空氣負(fù)氧離子濃度的因素是多方面的，本文從氣象因素 ( 溫度、降雨量、相對(duì)濕度) 著手開展了較為淺顯的分析，但這些工作不足以解釋空氣負(fù)氧離子濃度產(chǎn)生變化的機(jī)理; 在后續(xù)的研究工作中，應(yīng)該加強(qiáng)植被配置、植被生長發(fā)育節(jié)律等對(duì)森林負(fù)氧離子濃度影響[14]的研究。

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