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湖南省森林植物園空氣負氧離子濃度特征 及影響要素研究

來源:搜論文知識網位置:農業環境科學論文時間:2019-05-21 10:12

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

湖南省森林植物園空氣負氧離子濃度特征 及影響要素研究

  關鍵詞: 空氣負氧離子濃度; 分布特征; 影響因子; 降雨量; 溫度

  空氣負氧離子是大氣中帶負電荷的氣體分子或離子團的總稱,空氣分子在高壓或強射線的作用下被電離所產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、調節機能平衡等功效,空氣負氧離子有 “空氣維生素和生長素”的美譽[2]。在環境評價中,空氣負氧離子濃度被列為衡量空氣質量優劣的重要指標。隨著生態旅游的興起,人們對生態環境質量也越來越關注,國內外學者掀起了空氣負氧離子研究的熱潮,并在空氣負氧離子的產生、生物學效應以及空氣負氧離子的監測等方面做了大量工作。近年來,關于空氣負氧離子與氣象因子的相關性有一定研究[3]。

  1 研究區概況

  本實驗研究地點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 90% 以上。全園最高海拔 106 m,最低海拔 50 m,為低丘崗地地貌。屬亞熱帶季風濕潤氣候區,年平均氣溫為 16. 9 ℃,年均降水量為 1 400. 6 mm,年均相對濕度為 80% ,年均日照時數為 1 726 h。土壤系第四紀紅色粘土母質上發育的酸性紅壤,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,研究該區域空氣負氧離子濃度特征及與影響要素之間的關系具有重要意義。

  2 研究方法與數據處理

  2. 1 研究方法

  2. 1. 1 空氣負氧離子濃度及氣象要素測定方法

  研究時間為 2017 年 8 月至 2018 年 7 月,利用 EP100 系列單管固定式大氣負氧離子自動監測系統對湖南省森林植物園珍稀植物園內進行為期 1 年的定點監測,儀器距離地面 1. 5 m,與人體呼吸等高,采樣頻率設定為 1 h 采集讀數 1 次。利用中科正奇( 北京) 科技有限公司提供的國家標準氣象自動監測系統對同期的溫度、降雨量、相對濕度等氣象要素進行實時監測,采樣頻率設定為 1 h 采集讀數 1 次。

  2. 1. 2 數據分析用

  Microsoft Excell 2000 軟件和 SPSS11. 0 統計分析軟件對數據進行分析。

  3 負氧離子濃度變化特征分析與結果

  3. 1 負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,統計整理湖南省森林植物園空氣負氧離子濃度季節水平比較情況見表 1。由表 1 可知,監測區內空氣負氧離子濃度季節變化特征為: 夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季,夏季平均濃度為 922 個·cm - 3,冬季平均濃度為 367 個·cm - 3。吳楚材[4]等研究表明,植物的光合作用是產生空氣負氧離子的重要條件: 夏季日照時間長,植物光合作用強烈,釋放的氧氣與空氣中的水汽發生電離,為空氣負氧離子的產生創造了條件,因此夏季空氣負氧離子的濃度高于其他 3 個季節。馬晶昊[5]等研究表明,長沙市空氣負氧離子濃度最高的季節為秋季,這與本研究結果不一致,但毛成忠[6]等人的研究解釋了這一差異,即城市區與森林區空氣負氧離子季節特征不一樣。湖南省森林植物園屬于城市森林區,而馬晶昊等人的研究在市區,故呈現出不一樣的季節變化結果。

  3. 2 空氣負氧離子濃度月變化情況及與月平均溫度之間的關系

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

  3. 3 空氣負氧離子濃度日變化規律

  湖南省森林植物園春夏秋冬季節空氣負氧離子濃度值日變化結果見圖 2。由圖 2 可知,在春季、秋季、冬季,空氣負氧離子濃度的日變化規律大體一致,0: 00—12: 00 的變化趨勢較為平穩; 早 上 6: 00—8: 00 時間段出現 1 個谷值,這個時間點是園內晨練、散步活動的高峰時段,此時粉塵、煙塵含量增多,空氣中的正、負氧離子容易碰撞形成中性分子,降低了負氧離子濃度水平[8]。夏季空氣負氧離子濃度的變化幅度波峰、波谷更迭出現,日變化呈現四峰分布,波峰分別出現在 3: 00、8: 00、16: 00 和 22: 00, 其中最高峰出現在 3: 00, 為 1 045 個·cm - 3,可能與長沙夏季雷電等極端天氣多出現在晚間,造成空氣負氧離子瞬時值較大有關。譚靜[9]等研究表明,閃電活動對空氣負氧離子濃度的增加是有明顯作用的,放電現象是空氣中負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·cm - 3 ; 夏季日較差最大,為 349 個·cm - 3,晝夜差異比較明顯。

  3. 4 空氣負氧離子濃度與降雨量之間的關系

  從監測時間段內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 日四個雨天,并對同 1 天內整點時間的降雨量與相應空氣負氧離子濃度值進行研究,詳見圖 3。空氣負氧離子濃度值與降雨量基本呈正相關 ( 2018 年 3 月 24 日除外) 。 2018 年 3 月 24 日,空氣負氧離子濃度受降雨量的影響不規律,說明空氣負氧離子濃度值與降雨量之間的關系是復雜的。2018 年 7 月 8 日空氣負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 整點時間空氣負氧離子濃度隨著降雨量上升其濃度值卻降低了,可能相鄰時間段內負氧離子濃度還受到風速,溫度、濕度等多種因素的影響。王薇等研究表明,當風速高于 1 m·s - 1 時,風速產生的摩擦對空氣負氧離子濃度有顯著增大的效果[10]。

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

  將湖南省森林植物園空氣負氧離子數據與同步監測到的溫度、降雨量、相對濕度數據進行回歸分析。得出空氣負氧離子濃度分別與溫度、降雨量、相對濕度的回歸方程,并作出其關系圖,如圖 4、圖 5、圖 6 所示。由圖可知,空氣負氧離子濃度與溫度、降雨量、相對濕度基本呈正相關。這與尹淑嫻[11]等人的研究有出入,這可能與研究區域的地域不同有關。蔣翠花[12]等人研究表明空氣負氧離子濃度與降雨量和相對濕度成正相關,這與本研究結果 一 致。空氣負氧離子在空氣中主要是以 O - 2 ( H2O) n形式相對穩定存在,當空氣中的濕度增加時,空氣中的水分子也會增多,O - 2 與水分子結合的機會就會增大,空氣負氧離子濃度便也隨之增大。空氣負氧離子濃度與溫度回歸方程為: y = 8. 457 2 x + 418. 88 空氣負氧離子濃度與降雨量回歸方程為: y = 67. 916 x + 392. 68 空氣負氧離子濃度與相對濕度回歸方程為: y = 10. 48 x - 444. 9 為進一步研究空氣負氧離子濃度與溫度、降雨量、相對濕度之間的關系,采用單因素方差分析 ( One-Way ANOVA) 分別檢驗降雨量、溫度、相對濕度等因素對空氣負氧離子濃度的差異,分析結果見表 2。結果表明降雨量對其存在顯著差異 ( P < 0. 05) ,這與司婷婷等人的研究結果一致[13]。溫度對其存在極顯著差異 ( P < 0. 001) ,相對濕度對其無顯著差異。

  4 結論與討論

  ( 1) 空氣負氧離子濃度季節變化規律尚無定論,城市區與森林區季節規律表現不一樣。本研究表明湖南省森林植物園空氣負氧離子濃度季節變化特征: 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氧離子個數為 578 個·cm - 3,負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。

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

  ( 4) 影響湖南省森林植物園空氣負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氧離子濃度產生變化的機理; 在后續的研究工作中,應該加強植被配置、植被生長發育節律等對森林負氧離子濃度影響[14]的研究。

  參考文獻:

  [1] 邵海榮,賀慶棠. 森林與空氣負氧離子 [J]. 世界林業研究, 2000,13 ( 5) : 19 - 23.

  [2] 宗美娟,王仁卿,趙坤. 大氣環境中的負氧離子與人類健康[J]. 山東林業科技,2004 ( 2) : 32 - 34.

  [3] 賀江華,譚益民,周蘭芳. 室內空氣負氧離子濃度與 PM2. 5、 PM10 濃度的 關 系 [J]. 中南林業科技 大 學 學 報,2014,34 ( 5) : 96 - 100.

  [4] 吳楚材,鄭群明,鐘林生. 森林游憩區空氣負氧離子水平的研究 [J]. 林業科學,2001,37 ( 5) : 76 - 81

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