1、V Jan N14812023o o 2 0 2 3 年1 月第48卷第1期林业科技FORESTRY SCIENCE&TECHNOLOGY森林康养区空气负氧离子与环境因素相关性研究 以北京松山自然保护区为例张月娟1袁庆叶1刘艺芳1卢雪1张云苓1安菁2（1 北京农业职业学院,北京 100012;2 北京松山国家级自然保护区管理处，北京 102115）摘要:以北京松山自然保护区内 2020 年空气负氧离子浓度以及环境因素为研究对象，采用 Origin 软件运用线性拟合天气状况与负氧离子浓度的相关性，分析各因素对于空气中负氧离子浓度的影响关系。呈正相关的参数包括温度、相对湿度、光合有效辐射以及 ND
2、VI。呈负相关参数包括：大气压、风速以及空气污染物（包括 NO、NO2 以及 SO2）。未呈现明显相关性的参数为颗粒物 PM2.5 浓度以及 PM10 浓度。通过各参数对于负氧离子浓度影响关系以及空气中负氧离子形成机理，分析空气中的气体离子化、附着、聚集等化学反应对于负离子浓度的影响关系。关键词:森林环境；相关性分析；气象参数；空气污染物；形成机理中国分类号：Q958.15 文献标识码：A 文章编号：1001-9499（2023）01-0052-06森林康养是在森林环境中进行的一种康养活动，肺部通过吸收森林中的植物精气以及空气负氧离子1，达到改善身体状态的养生保健活动。森林康养活动主要通过空气
3、负氧离子以及森林自身的小气候实现2，因此森林中的负氧离子浓度是影响森林活动以及森林疗养的重要环境参数。空气负氧离子是由于大气中的中性分子或原子，在自然界辐射作用下，外层电子脱离原子核的束缚成为自由电子，自由电子附着在空气中的气体分子上，经过离子化、附着以及聚集三个阶段从而产生负氧离子3。在这三个阶段中森林中的环境参数以及污染物浓度都会对其浓度产生一定的影响关系。本文重点研究了 2020 年度北京松山自然保护区森林疗养区域内空气负氧离子与环境因素（包括气象因素以及污染物浓度）之间的关系，分析森林中的负氧离子与温度、湿度、风速、植被情况以及辐射总量等气象因素之间的相关关系，同时也分析了空气中的污染
4、物浓度与空气负氧离子浓度之间的相关关系，以期为北京松山保护区内森林环境参数奠定一定的研究基础，同时为在森林内进行的休闲康养活动提供一定的数据支持。1 研究地概况北 京 松 山 森 林 保 护 区 位 于 北 京 市 延 庆区（40 299-40 3335 N，115 4344-115 5022E），海拔 627.6 2198.4m，属暖温带大陆性季风气候区，保护区内园区总面积4667hm2，有林地面积 3654.9hm2，保护区内森林覆盖率 87.6%，主要保护对象为天然油松林为主的温带森林生态系统。2 数据来源与处理本文中北京松山自然保护区温度、湿度、风速等数据来源于松山通量观测站点，负氧离
5、子、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)质量浓度数据来源于松山大气环境自动监测站。归一化植被指数（NDVI）数据由近地表相机记录，经过计算模块计算输出。上述监测站的地理位置为 115 4344 E，40 3048 N，海拔 1165m，监测站位置是林区内台地区域，数据记录时间为 2020 年。所有数据采用监测站提供的日平均数值，数据相关性采用 Origin 进行线性拟合，根据参数相关数据，利用 Origin 软件绘制参数对比图。3 结果与分析3.1 空气中负氧离子浓度与气象因素相关性分析空气中的负氧离子产生于森林环境中，因此DOI
6、:10.19750/ki.1001-9499.2023.01.011 *北京农业职业学院院级科研项目（XY-SK-21-08）第 1 作者：张月娟（1984-），女，高级实验师，主要从事环境化学相关研究工作。收稿日期：2022-07-18第 48卷53森林中温湿度情况、辐射情况以及植被情况对于空气中的负氧离子浓度有一定的影响关系4-8（表1）。表 1 松山保护区气象参数与空气负氧离子浓度相关性浓度线性拟合方程相关系数 R温度与负氧离子浓度 y=1421.63+9.41x0.25相对湿度与负氧离子 y=1343.15+2.83x0.19净辐射与负氧离子 y=1437.19+0.66x0.23总辐
7、射与负氧离子 y=1481.25+0.07x0.03光合有效辐射与负氧离子 y=1474.95+0.07x0.03散射辐射与负氧离子 y=1481.24+0.18x0.03总固碳量与负氧离子 y=1430.65+26.89x0.14NDVI 与负氧离子 y=1380.53+250.99x0.20大气压与负氧离子 y=8468.47-78.68x-0.17风速与负氧离子 y=1544.55-40.45x-0.04从表 1 可以看出，在松山保护区内，空气中的负氧离子浓度与气象参数有一定的相关性，其中呈现正相关的气象参数包括：温度、相对湿度、太阳辐射（包括净辐射、总辐射、光合有效辐射以及散射辐射）、
8、总固碳量、以及 NDVI（归一化植被指数），呈负相关的气象参数包括大气压与风速。松山保护区内大气压（范围值在8691kPa）与风速（范围值在 0.42.8m/s，风速都在 2 级风以下）参数值常年变化范围较小，对于空气负氧离子浓度影响较小，温度以及湿度已经有很多学者研究过，本文不再进行系统研究。两个参数之间的相关关系不仅需要参考两者的线性拟合关系，也应该看同时期两参数之间的变化趋势，本文重点研究了辐射情况、总固碳量以及NDVI 与空气中负氧离子的浓度情况，从而解析两者之间的影响关系。3.1.1 净辐射与负氧离子浓度的相关性研究 从图 1 可以看出，林区内净辐射与空气负氧离子全年呈正相关关系，林
9、区内净辐射整年大致呈现正态分布情况，12 月份净辐射呈上升趋势，但是空气负氧离子浓度出现小幅波动，整体是下降的趋势，因此两者呈现一定的负相关性。37月份，净辐射数值逐渐升高，空气负氧离子浓度在这段期间虽然有一定的波动性，但是趋势还是逐渐上升，因此两个参数之间呈现一定程度的正相关。8 月份后净辐射数值波动较大，整体呈下降趋势，同时空气负氧离子浓度也具有一定的波动性，整体趋势呈现一定的下降趋势，因此两者存在正相关，但是相关性并不是很明显。净辐射/wm-2负氧离子/m3负氧离子/m3净辐射/wm-2日 期图 1 净辐射与空气负氧离子浓度情况图总固碳量/gcm-2d-1负氧离子/个m-33.1.2 总
10、固碳量与负氧离子浓度的相关性研究 从图 2 可以看出，林区内总固碳量与空气负氧离子呈正相关关系，总固碳量 15 月份整体呈上升趋势，空气负氧离子浓度在这个过程中虽然有波动，但也呈上升趋势，因此在这段期间，两者呈现一定的正相关关系，5 月份以后总固碳量有一定的波动，但是没有体现出明显上升或者下降趋势，而空气负氧离子浓度随着固碳量也呈现一定的波动性，但是两者并未呈现明显的相关性。张月娟等：森林康养区空气负氧离子与环境因素相关性研究 以北京松山自然保护区为例第 48卷林业科技54大多数情况下 NO2浓度含量较高的时间段内，空气负氧离子浓度都较低，两者呈现一定的负相关。从 6 月底至 10 月初，NO
11、2浓度持续维持在相对较低的水平，但是此时间段内的空气负氧离子浓度处于全年较高的水平，因此两者呈负相关关系。10 月中旬以后，NO2浓度整体波动性较大，为上升趋势，空气中的负氧离子浓度也呈现一定的较大波动性，整体呈现下降趋势，两者呈现负相关性，但是相关性不明显。3.2.2 SO2浓度与负氧离子浓度的相关性研究 空气中的 SO2浓度在一定程度上影响空气中3.1.3 NDVI 与负氧离子浓度的相关性研究 从表 1 可以看出林区内 NDVI 与空气负氧离子浓度呈正相关，从图 3 可以看出，林区内 NDVI 与负氧离子浓度呈正相关关系，林区内 14 月份，NDVI 呈现缓慢上升趋势，空气负氧离子浓度存在
12、波动性，但整体是上升趋势，两者有一定的正相关关系。4 月底至 5 月初 NDVI 迅速上升，直至 10月中旬前，NDVI 数值一直维持在相对较高水平，在这段期间空气负氧离子浓度也是一年中数值较高的阶段，两者呈现出正相关性。从 10 月中旬后 NDVI 数值开始下降，然后维持在较低水平范围内波动，空气负氧离子浓度在这段时间内并未出现明显变化，因此两者也未呈现较为明显的相关关系。3.2 空气中污染物含量与天气状况相关性分析空气中有害污染物主要包括氮氧化物、二氧化硫以及颗粒物污染物，这些污染物浓度对于空气中的负氧离子浓度有一定的影响9-11。表 2 松山保护区污染物浓度与空气负氧离子浓相关性浓度线性
13、拟合方程相关系数NO 浓度与负氧离子浓度y=1508.39-9.21x-0.03NO2浓度与负氧离子浓度y=1573.29-8.46x-0.17SO2浓度与负氧离子浓度y=1535.36-36.05x-0.11PM2.5浓度与负氧离子浓度y=1480.18+0.69x0.04PM10浓度与负氧离子浓度y=1461.35+1.07x0.08从表 2 中可以看出，在松山林区内，空气中的负氧离子浓度与空气中的污染物浓度有一定的相关性，其中呈负相关的参数主要包括 NO 浓度、NO2浓度以及 SO2浓度，呈正相关的参数包括 PM2.5 浓度以及 PM10 浓度。由于 NO 浓度与 NO2浓度的变化规律几
14、乎相同，因此本文研究了相关系数更高的 NO2浓度与空气负氧离子浓度关系，PM2.5浓度以及PM10浓度的变化规律也比较类似，本文研究了相关系数更高的 PM10 浓度与空气负氧离子浓度关系。3.2.1 NO2浓度与负氧离子浓度的相关性研究 空气中的 NO2浓度在一定程度上影响着空气中的负氧离子，从图 4 可以看出，林区内 NO2浓度与负氧离子浓度呈负相关关系，16 月份 NO2浓度有一定的波动，浓度范围在 020ng/m3范围内，图 2 总固碳量与空气负氧离子浓度情况图图 3 NDVI 与空气负氧离子浓度情况图负氧离子/个m-3总固碳量/gcm-2d-1归一化植被 指数（NDVI）负氧离子/个m
15、-3负氧离子/个m-3日 期日 期第 48卷55张月娟等：森林康养区空气负氧离子与环境因素相关性研究 以北京松山自然保护区为例的负氧离子，从图 5 中可以看出，SO2浓度与空气中负氧离子浓度呈负相关关系，15 月份 SO2浓度数值较为稳定，为 02ng/m3，这个时间段内空气负氧离子浓度有一定的波动性，但是整体浓度逐渐增加，因此这个时间段内两者的关系未表现出明显的线性相关。610 月初，SO2浓度持续维持在相对较低的水平，浓度含量维持在 1ng/m3左右，此时间段内的空气负氧离子浓度处于含量较高水平，两者在这个时间段内呈现负相关关系。11 月以后，SO2浓度整体波动性较大，而空气中的负氧离子浓
16、度也呈现一定的较大波动性，两者不存在非常明显的相关性。3.2.3 空气中的颗粒物 PM10 浓度与负氧离子浓度的相关性研究 空气中的颗粒物主要包括 PM2.5 以及 PM10，两者的浓度含量在一定程度上影响空气中的负氧离子，两种颗粒物浓度在全年的变化趋势大致相同，从表 2 可以看出 PM10 浓度与空气中的负离子浓度线性相关系数更大。从图 6 中可以看出颗粒物含量 PM10 浓度与空图 4 NO2浓度与空气负氧离子浓度情况图图 5 SO2浓度与空气负氧离子浓度情况图氧负离子/个m-3氧负离子/个m-3氧负离子/个m-3氧负离子/个m-3NO2浓度/ugm-3SO2浓度/ugm-3NO2浓度/ugm-3SO2浓度/ugm-3日 期日 期气负离子浓度呈正相关关系，在 12 月中旬期间PM10 浓度含量波动较大，但是整体含量水平处于较低的区间范围，负氧离子浓度也有一定的波动，整体的浓度水平处于相对较低的水平，因此两者呈现一定的正相关性。2 月中旬4 月中旬，PM10浓度持续维持在一个相对较低的水平，负氧离子浓度呈现一定的波动性，但是整体含量水平处于较高的水平，两者呈负相关性。5 月份以后 P