易縣主要景區(qū)負(fù)氧離子變化規(guī)律及影響因素分析*

隨金明 ,張 會(huì) ,劉紅坤 ,李 芝 ,崔 娜

（1.河北省易縣氣象局，河北 保定 074200；2.河北省保定市氣象局，河北 保定 071000）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，旅游日益成為人們放松身心、調(diào)劑生活的重要休閑活動(dòng)。近年來(lái)，伴隨養(yǎng)生理念的日益深入，以負(fù)氧離子為代表的一系列環(huán)境指標(biāo)在游客選擇旅游地的過(guò)程中扮演著愈發(fā)重要的角色。負(fù)氧離子指由于雷電激發(fā)、宇宙輻射、瀑布沖擊、植物光合作用、高壓靜電場(chǎng)、紫外線照射等自然或人工條件使空氣中氧氣分子獲得成對(duì)電子后形成的帶負(fù)電荷的氧氣離子[1-2]，因能與污染物中的正離子發(fā)生中和作用[3]，實(shí)現(xiàn)吸附、降解空氣中有害物質(zhì)，達(dá)到降塵、殺菌、清潔空氣、促進(jìn)新陳代謝、提高免疫力等功能[4]，因此，被人稱(chēng)為“空氣維生素”或“長(zhǎng)壽素”，并作為環(huán)境優(yōu)劣的風(fēng)向標(biāo)。

目前，針對(duì)負(fù)氧離子的研究集中于濃度變化規(guī)律與影響因素兩個(gè)方面。研究表明，在城市公園、森林公園、住宅密集區(qū)等不同生境條件下，負(fù)氧離子日濃度呈現(xiàn)較為統(tǒng)一的單峰或雙峰變化規(guī)律[5-6]；在北方的夏秋季節(jié)、南方的春夏季節(jié)，負(fù)氧離子濃度達(dá)到年內(nèi)最高值[7-8]。不同于時(shí)間變化的規(guī)律性，負(fù)氧離子濃度受到多種因素的共同制約。一方面地表不同植被類(lèi)型、差異化的植物層次結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致負(fù)氧離子濃度產(chǎn)生很大差異[9-12]。另一方面強(qiáng)降雨時(shí)的雷電過(guò)程[13]、氣溫、濕度、交通狀況、海拔、PM2.5濃度等多種氣象要素、環(huán)境要素、人類(lèi)活動(dòng)等都會(huì)對(duì)負(fù)氧離子濃度產(chǎn)生加強(qiáng)或削弱的作用[14-16]。負(fù)氧離子影響因素因時(shí)、因地存在很大差異，為更有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)負(fù)氧離子資源，通過(guò)對(duì)河北省易縣境內(nèi)主要景區(qū)負(fù)氧離子連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，在明晰各景區(qū)負(fù)氧離子濃度變化趨勢(shì)異同點(diǎn)的同時(shí)，分析氣象要素、主要空氣污染物、地表植被狀況等對(duì)負(fù)氧離子濃度的影響程度差異，為后期合理地利用負(fù)氧離子資源提供理論依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省易縣位于華北平原西北邊緣、太行山北段東麓地區(qū)（114°51′～115°37′E，39°02′～39°35′N(xiāo)），地形以山地和丘陵為主，地勢(shì)呈西北高、東南低的特點(diǎn)。氣候上易縣屬于典型的東部季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，年平均氣溫12.9 ℃，多年平均降水量553.9 mm，在季節(jié)上呈現(xiàn)春旱多風(fēng)、夏熱多雨、秋高氣爽、冬寒少雪的特征。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

以易縣境內(nèi)開(kāi)發(fā)程度較高、基礎(chǔ)設(shè)施較為完善的清西陵、易水湖、摩天嶺、狼牙山、洪崖山、千佛山景區(qū)作為研究對(duì)象，研究中所用的2018 年9 月—2019 年10 月的PM2.5、PM10、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、負(fù)氧離子濃度的日數(shù)據(jù)均來(lái)源于易縣生態(tài)環(huán)境局布設(shè)于景區(qū)內(nèi)的自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，溫度、濕度數(shù)據(jù)來(lái)源于易縣氣象局位于上述景區(qū)周邊的區(qū)域站觀測(cè)記錄。各景區(qū)月植被覆蓋情況從NASA 網(wǎng) 站（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/）下載的MOD13Q1 產(chǎn)品中提取。

對(duì)所獲得的負(fù)氧離子、PM2.5、PM10、溫度、濕度等日數(shù)據(jù)，用Excel 軟件計(jì)算月均值，對(duì)MOD13Q1 產(chǎn)品通過(guò)MRT、ENVI 軟件進(jìn)行重投影、最大值合成等操作后，提取設(shè)備點(diǎn)周邊植被情況。對(duì)所有數(shù)據(jù)在Weka 3.8.4 軟件中以自然間斷點(diǎn)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

負(fù)氧離子在大氣中的含量是空氣清潔程度的重要表征之一。部分研究認(rèn)為，當(dāng)空氣中負(fù)氧離子濃度超過(guò)700 個(gè)/cm3時(shí)，能初步滿足人體生理需求，并對(duì)健康產(chǎn)生有益的影響[17-18]。也有研究表明當(dāng)濃度大于1 000 個(gè)/cm3時(shí)，空氣才具有保健的作用，超過(guò)8 000 個(gè)/cm3則能治療某些疾病[19]。目前，對(duì)于負(fù)氧離子濃度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)尚未形成較為一致的結(jié)論。文章綜合易縣地理位置、植被組成等情況，采用彭琳玉等[3]、石強(qiáng)等[20的負(fù)氧離子濃度劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1），對(duì)易縣境內(nèi)各景區(qū)負(fù)氧離子濃度狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 負(fù)氧離子濃度分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 負(fù)氧離子濃度月變化規(guī)律

負(fù)氧離子的產(chǎn)生與消亡是時(shí)刻進(jìn)行的，但其總體表現(xiàn)出一個(gè)較為統(tǒng)一的變化規(guī)律。對(duì)易縣境內(nèi)6個(gè)景區(qū)負(fù)氧離子濃度情況進(jìn)行月變化分析，其結(jié)果如圖1 所示。易縣主要景區(qū)負(fù)氧離子濃度總體上表現(xiàn)為單峰模式，具體而言，清西陵與洪崖山、易水湖與摩天嶺，千佛山與狼牙山景區(qū)兩兩具有相似的變化規(guī)律。從各月濃度變化趨勢(shì)來(lái)看，清西陵與洪崖山的負(fù)氧離子濃度峰值出現(xiàn)在10 月份，而一年中除4 月份出現(xiàn)小幅上升外其余月份都處于一個(gè)較低的水平。對(duì)易水湖、摩天嶺、千佛山與狼牙山4 個(gè)景區(qū)而言，其負(fù)氧離子濃度均表現(xiàn)為在8 月時(shí)達(dá)到峰值，在11 月至次年3 月間保持低濃度，4 月后開(kāi)始在波動(dòng)中上升。

圖1 易縣主要景區(qū)負(fù)氧離子濃度月變化情況

從各景區(qū)月均負(fù)氧離子濃度數(shù)值分析，易水湖、摩天嶺、千佛山與狼牙山景區(qū)在11 月—次年3月的時(shí)段中負(fù)氧離子濃度保持在786.3～2 315.5 個(gè)/cm3的范圍內(nèi)，大氣情況以一般為主，部分月份為較不清新，該時(shí)間段內(nèi)保健功能總體較弱，在其他月份負(fù)氧離子濃度保持在3 000 個(gè)/cm3以上，介于3 963.4～11 932.2 個(gè)/cm3范圍內(nèi)，其最高值出現(xiàn)在8 月份，為11 932.2 個(gè)/cm3，此時(shí)段景區(qū)內(nèi)大氣情況非常清新，且對(duì)健康極有利，適宜進(jìn)行開(kāi)發(fā)。對(duì)清西陵與洪崖山景區(qū)而言，一年中僅有3 月、4 月、10 月大氣狀況能達(dá)到非常清新，其中10 月濃度可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值的3 倍以上，4 月為標(biāo)準(zhǔn)值的1～2 倍，3 月則剛剛達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，而在其他月份中負(fù)氧離子濃度均處于較低水平，大氣狀況以一般及較不清新為主。

2.2 負(fù)氧離子季節(jié)變化規(guī)律

不同季節(jié)，地表環(huán)境水熱條件差異明顯，負(fù)氧離子濃度產(chǎn)生較大波動(dòng)。選擇研究區(qū)2018 年9月—2019 年8 月為期1 年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12—2 月為冬季的標(biāo)準(zhǔn)分析負(fù)氧離子濃度季節(jié)變化規(guī)律，結(jié)果如圖2 所示。狼牙山、千佛山、摩天嶺、易水湖景區(qū)負(fù)氧離子濃度均值夏季＞秋季＞春季＞冬季，洪崖山、清西陵景區(qū)負(fù)氧離子濃度均值秋季＞春季＞夏季＞冬季。從數(shù)值分析中得出，在春、夏、秋三季中，除夏季洪崖山與清西陵出現(xiàn)負(fù)氧離子濃度低值外，其余時(shí)間各景區(qū)負(fù)氧離子濃度介于3 398.7～9 817.0個(gè)/cm3，均處于對(duì)人體健康極有利的狀態(tài)。

圖2 易縣主要景區(qū)負(fù)氧離子季節(jié)變化情況

2.3 負(fù)氧離子濃度影響因素

負(fù)氧離子濃度同時(shí)受到氣象因素、環(huán)境因素、人為活動(dòng)的影響，分析其主要影響因素有助于更好地掌握負(fù)氧離子濃度變化規(guī)律，針對(duì)性提高區(qū)域負(fù)氧離子濃度。對(duì)所獲得的溫度、濕度、臭氧、一氧化碳、二氧化氮等8 項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)及遙感影像所提取的月NDVI 值，在Weka 3.8.4 軟件下進(jìn)行離散化處理后，通過(guò)地理探測(cè)器分析各因素的影響程度差異，主要影響因素結(jié)果，見(jiàn)表2。由表中結(jié)果可知，NDVI 與溫度是影響易縣各景區(qū)負(fù)氧離子濃度變化的首要因素，其中洪崖山、摩天嶺、易水湖景區(qū)NDVI 對(duì)負(fù)氧離子濃度影響最大，其q 值為0.967、0.909、0.904，對(duì)于清西陵、狼牙山、千佛山景區(qū)，溫度因素是景區(qū)負(fù)氧離子濃度變化的首要影響因素，其q 值分別為0.936、0.873、0.871。進(jìn)一步分析各景區(qū)影響負(fù)氧離子濃度的次要因素得出，洪崖山、摩天嶺景區(qū)為溫度，清西陵、狼牙山、千佛山景區(qū)為NDVI，易水湖由于其特殊的環(huán)境使得濕度成為景區(qū)負(fù)氧離子濃度的次要因素。綜合而言，易縣景區(qū)負(fù)氧離子濃度主要受溫度、濕度因素的影響。

表2 負(fù)氧離子濃度影響因素q 值表

負(fù)氧離子濃度變化是多種因素共同影響的結(jié)果，各因素之間相互作用分析有助于進(jìn)一步理清各負(fù)氧離子影響因素間的差異性。通過(guò)地理探測(cè)器交互檢測(cè)器功能，探究負(fù)氧離子各影響因素之間的相互關(guān)系，結(jié)果表明各影響因素兩兩間均對(duì)負(fù)氧離子濃度存在加強(qiáng)作用。其中，洪崖山景區(qū)臭氧與濕度因素，二氧化硫與PM2.5、二氧化氮、濕度因素均表現(xiàn)為非線性的增強(qiáng)作用；狼牙山景區(qū)各影響因素間無(wú)非線性的增強(qiáng)作用；摩天嶺景區(qū)僅有一氧化碳與濕度因素表現(xiàn)為非線性的增強(qiáng)作用；千佛山景區(qū)中一氧化碳與二氧化硫、臭氧因素表現(xiàn)為非線性的增強(qiáng)作用；清西陵景區(qū)表現(xiàn)為濕度與二氧化硫、一氧化碳因素，PM2.5與二氧化硫因素呈現(xiàn)非線性的增強(qiáng)作用；易水湖景區(qū)內(nèi)PM10與一氧化碳因素表現(xiàn)為非線性的增強(qiáng)作用。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

（1）在負(fù)氧離子濃度的時(shí)間變化方面，研究表明，負(fù)氧離子濃度呈現(xiàn)出較為統(tǒng)一的季節(jié)變化規(guī)律，即夏季最高，冬季最低，春秋兩季負(fù)氧離子濃度根據(jù)研究區(qū)所處地理位置、研究對(duì)象的差異而存在不同[21]，而在濃度峰值出現(xiàn)月份上則因地表植被類(lèi)型差異等原因尚未形成較一致的結(jié)論。本研究中，狼牙山、千佛山、摩天嶺、易水湖景區(qū)負(fù)氧離子濃度變化規(guī)律與當(dāng)前研究結(jié)論相同，都表現(xiàn)為夏季最高、秋季次之、冬季最低的規(guī)律，而對(duì)于洪崖山、清西陵景區(qū)而言，其負(fù)氧離子濃度變化呈現(xiàn)秋季最高、春季次之、冬季最低的規(guī)律，這與厲月橋[17]的研究結(jié)論不完全一致，產(chǎn)生這種情況原因在于觀測(cè)儀器安裝在人為活動(dòng)頻繁的旅游區(qū)內(nèi)，氣溶膠的濃度大，另外，周邊觀測(cè)點(diǎn)的地表植被與之前研究存在差異。

（2）在負(fù)氧離子濃度影響因素方面，負(fù)氧離子濃度是多種因素耦合的共同結(jié)果，對(duì)易縣景區(qū)而言，以NDVI 為代表的地表植被覆蓋度及溫度是易縣景區(qū)負(fù)氧離子濃度的主要影響因素，其原因在于一方面植被的尖端放電能夠產(chǎn)生負(fù)氧離子。另一方面水熱同期的地理環(huán)境決定溫度在影響地表植被生長(zhǎng)中作用更加明顯，兩種因素疊加對(duì)負(fù)氧離子的濃度形成持續(xù)影響，這與李坤等[9]、張建國(guó)等[22]研究的結(jié)果相似。對(duì)易水湖而言，因其水域面積廣闊，濕度因素是僅次于NDVI 的影響因素，該結(jié)論與譚靜等[23]研究的相同，即當(dāng)水域面積廣泛時(shí)，負(fù)氧離子對(duì)周?chē)匀画h(huán)境（河流、湖泊等）更為敏感。易水湖景區(qū)濕度因素并未成為主要影響因素的原因在于易水湖湖水流動(dòng)性較弱，水的裂解作用不明顯，未能大量產(chǎn)生負(fù)氧離子，這與劉和俊[24]、曾曙才等[25]對(duì)不同流動(dòng)狀態(tài)下水域負(fù)氧離子濃度變化結(jié)論相似。

3.2 結(jié)論

（1）易縣境內(nèi)各景區(qū)月負(fù)氧離子濃度變化呈現(xiàn)單峰模式，易水湖、摩天嶺、千佛山與狼牙山4 個(gè)景區(qū)濃度峰值出現(xiàn)在8 月，清西陵與洪崖山景區(qū)濃度峰值出現(xiàn)在10 月。

（2）狼牙山、千佛山、摩天嶺、易水湖景區(qū)負(fù)氧離子濃度夏季＞秋季＞春季＞冬季，洪崖山、清西陵景區(qū)負(fù)氧離子濃度秋季＞春季＞夏季＞冬季。春、夏、秋三季中，除夏季洪崖山與清西陵外，其他時(shí)間各景區(qū)大氣均處于對(duì)人體健康極有利的狀態(tài)。

（3）影響易縣景區(qū)負(fù)氧離子濃度變化的主要因素是NDVI、溫度、濕度，對(duì)各大氣污染物而言，其影響程度總體較低。