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 袁庆叶 刘艺芳 卢雪 张云苓 安菁

（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）

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。

北京松山森林保护区位于北京市延庆区（40°29′9〞-40°33′35〞N，115°43′44〞-115°50′22〞E），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。

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°43′44〞E，40°30′48〞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。

3.1 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

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）、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86～91kPa）与风速（范围值在0.4～2.8m/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，林区内净辐射整年大致呈现正态分布情况，1～2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。3～7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。

图1 净辐射与空气负氧离子浓度情况图

3.1.2 总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1～5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。

图2 总固碳量与空气负氧离子浓度情况图

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1～4月份，NDVI呈现缓慢上升趋势，空气负氧离子浓度存在波动性，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。

图3 NDVI与空气负氧离子浓度情况图

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]。

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，1～6月份NO2浓度有一定的波动，浓度范围在0～20ng/m3范围内，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，NO2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。

图4 NO2浓度与空气负氧离子浓度情况图

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，1～5月份SO2浓度数值较为稳定，为0～2ng/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。6～10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。

图5 SO2浓度与空气负氧离子浓度情况图

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浓度与空气负离子浓度呈正相关关系，在1～2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PM10浓度水平持续波动，处于相对较高的位置，此时段的空气负氧离子浓度也处于相对较高的数值，因此两者在这个时间段内存在一定的正相关性。9月份以后PM10浓度有较多时间数据值在较高水平，但是负氧离子浓度并未出现较大幅度的波动，两者在这个时间段内并未呈现较为明显的相关性。

图6 PM10浓度与空气负氧离子浓度情况图

4.1 空气中负氧离子浓度与天气状况影响因素

空气负氧离子的分子式通常用O2-(H2O)n，或者OH-(H2O)n，或者CO4-(H2O)n[3]（图7）。

图7 空气负氧离子在形成过程中可能发生的化学反应

在环境因素中总辐射增大，会加快反应Ⅰ的进行，促使空气中产生更多的自由电子，从而造成空气负氧离子浓度的增加。温度升高会使大部分化学速率加快，温度升高空气中更多的负氧离子电离以及聚集反应过程中速率更快，从而造成了空气中的负氧离子浓度升高。湿度的增加，会使更多的自由电子在反应Ⅱ以及反应Ⅲ中与空气中的水蒸气发生吸附以及聚集反应，从而引起空气负氧离子浓度的升高。总固碳量的升高以及NDVI的升高，在一定程度上增加了空气中氧气的含量水平，因此造成了更多的氧气发生了反应Ⅱ，从而形成了更多的吸附空气中的自由电子，使空气中的负氧离子含量上升。

4.2 空气中负氧离子浓度与空气污染物浓度影响

空气中污染物浓度在一定程度上对于空气负氧离子浓度有影响，从图6～9可以看出氮氧化物以及二氧化硫浓度在一年内基本上呈现三个区间，第一个区间为1～6月份，整体浓度维持在低含量范围；
7～9月份，数据维持在一个浓度值区间；
10～12月数据维持在一个较高浓度区间。

从表3可以看出，大气污染物浓度相对于空气负氧离子浓度要高出很多，因此空气中高浓度的污染物对于负氧离子浓度有一定的影响关系。当空气中NO浓度升高时，由于部分NO气体与O2发生化学反应，因此空气中的氧气含量会降低，减少了空气中电离出的负氧离子吸附在氧气上的概率，从而造成了空气中负氧离子浓度有所降低，因此两者之间呈现负相关性。空气中NO2浓度升高时，由于部分NO2气体与H2O发生化学反应，减少了负氧离子形成过程中的离子化以及附着概率，从而影响了负氧离子浓度，因此两者也呈现负相关关系。空气中SO2浓度升高时，会消耗一定的空气中的O2以及H2O与其发生反应，从而造成了空气中负氧离子的浓度降低，两者之间存在的相关关系为负相关。

表3 各污染物浓度情况与空气负氧离子的数量个/m3

大气中由于颗粒物的存在，更多的负氧离子可以吸附在这些颗粒上，因此会一定程度增加负氧离子浓度，但是由于大气中颗粒物大多数是带有正电荷[12-15]，因此吸附在颗粒物上的负氧离子部分正负电荷相互作用形成中性粒子，从而降低了空气中负氧离子浓度，因此颗粒物浓度对于负氧离子浓度的相互关系比较复杂，两者之间的相关关系取决于在颗粒物中吸附的负氧离子多还是被中和的负氧离子多，两者之间并不是单的正相关或者负相关关系。