（环境科学专业论文）西安市典型功能区空气离子分布特性及评价.pdf

a b s t r a c t a i ra n i o nc o n c e n t r a t i o nh a sn o to n l yb e e na ni m p o r t a n ti n d e xi ne v a l u a t i n gc l e a n n e s so f t h eu r b a na i rb u ta l s ob e e nan e wt o u r i s mr e s o u r c e t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n tf o r u r b a ne c o l o g i c a lp l a n n i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt oe x p l o r et h ec h a r a c t e r i s t i c so f d i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o no f a i ri o nc o n c e n t r a t i o ni nx i a nc i t y i nt h i st h e s i s ，t h ea i ri o nc o n c e n t r a t i o na tf o u rt y p i c a lu r b a nf u n c t i o n a la r e a si nx i a nc i t y w a sm e a s u r e db yu s i n gd l y - 2 ga i ri o nm o n i t o rf r o ma p r - 2 0 0 8t oj a n - 2 0 0 9 t h ee m p h a s i s h e r ew a so nt h et e m p o r a l s p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea i ri o na n dt h ea s s e s s m e n t o fa i rq u a l i t yi nx i a ne i t yf r o mt h ev i e wo ft h ea i ri o nc o n c e n t r a t i o n m o r e o v e r , t h e c o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h ea i ri o nc o n c e n t r a t i o na n dt h et e m p e r a t u r ea n dt h er e l a t i v eh u m i d i t y w e r ea l s os t u d i e dp r e l i m i n a r y f i r s t l y , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea i ri o nc o n c e n t r a t i o na t e a c hf u n c t i o n a la r e av a r i e s o b v i o u s l yd u r i n gad a y t h e r ea r es e v e r a lp a t t e r n s o fd a i l yv a r i a t i o n so fs m a l la i ri o n c o n c e n t r a t i o na td i f f e r e n tf u n c t i o n a la r e a s ，t h a ti s ，o n e - p e a kc u r v e ，d o u b l e - p e a kc u r v e ， p u l s a t i o nc a lv ea n da p p r o x i m a t es t r a i g h t l i n e t h ef i s tt w ok i n d so fc u r v ee x i s ta tt h e l a n d s c a p ea r e aw h i l et h el a s tt w oa p p e a ra tt h ew a f f l er o a da n df a c t o r yd i s t r i c t sw h e r et h ea i r p o l l u t i o ni ss e v e r e t h ec o n c e n t r a t i o no fs m a l la i ri o na tt h ec u l t u r ea n de d u c a t i o na r e a s f l u c t u a t e sf r e q u e n t l y t h ev a r i a t i o n so fs m a l la i ri o nc o n c e n t r a t i o na r ec l o s e l ya s s o c i a t e dw i t h t h ee n v i r o n m e n tf a c t o r s 、t h eq u a n t i t yo fa i rp o l l u t a n t sa n dh u m a na c t i v i t i e s t h el a r g e s tv a l u e o fs m a l la i ri o nc o n c e n t r a t i o na p p e a r sm o s t l yi nt h em o r n i n ga n da tn o o na te a c hf u n c t i o n a l a r e a t h ea i ri o nc o n c e n t r a t i o ni ns u m m e ra n ds p r i n gi so b v i o u s l yh i g h e rt h a ni na u t u n l na n d w i n t e r s e c o n d l y , t h ec o n c e n t r a t i o no fs m a l la i ri o n sa td i f f e r e n tf u n c t i o n a la r e a si sv e r yu n e v e n i ns u m m e r , t h ea v e r a g ev a l u ea tl a n d s c a p ea r e ai st h el a r g e s t ，a tw h i c ht h ec o n c e n t r a t i o n so f s m a l la n i o na n ds m a l lc a t i o na r e5 5 3i o n s c m 3a n d616i o n s e m 3r e s p e c t i v e l y , a n dt h ea n n u a l a v e r a g ei sm o r et h a n4 0 0i o n s c m 3 t h ea n n u a la v e r a g ev a l u e so fs m a l la n i o nc o n c e n t r a t i o n a tt h ec u l t u r ea n de d u c a t i o na r e a s ，t r a f f i cr o a da n df a c t o r yd i s t r i c ta r e2 2 2i o n s c m ，19 6 i o n s c m 3a n d17 7i o n s c m 3 ，r e s p e c t i v e l y , w h i l et h ev a l u e so fs m a l lc a t i o nc o n c e n t r a t i o na r e 2 61i o n s c m 3 ，2 5 5i o n s e r a 3a n d19 7i o n s c m 3 ，r e s p e c t i v e l y t h ea n n u a lm i n i m u mo ft h ef o u r f u n c t i o n a la r e a sa p p e a r sa tf a c t o r yd i s t r i c ti nt h ew i n t e r , a n dt h es m a l la n i o na n dc a t i o n c o n c e n t r a t i o n sa r eo n l y1 3 8i o n s c m 3a n d1 5 5i o n s c m 3 r e s p e c t i v e l y p e r f e c tg r e e na r e a p r o v i d e sas h a r pc o n t r a s tt ot h ei m p e r f e c tg r e e na r e ai ns m a l li o nc o n c e n t r a t i o n t h e c o n c e n t r a t i o no fa i ri o n si na nu n p o l l u t e da r e ai ss i g n i f i c a n t l yl l i 曲e rt h a nt h a ti n p o l l u t e d a r e a a d d i t i o n a l l y ，t h ea i rq u a l i t ya tt h et y p i c a lf u n c t i o n a la r e a si nx i a nc i t yh a sb e e na l s o a s s e s s e db yu s i n ga i ri o na s s e s s m e n ti n d e xb a s e do nt h ea i ri o nc o n c e n t r a t i o n f r o m m e a s u r e m e n t s i ti sf o u n dt h a tt h ea i rq u a l i t yi ns u m m e ri st h eb e s t ，i ns p r i n gi sb e t t e ra n d a u t u m na n dw i n t e rf o l l o w e db yt h ew o r s t i na l lt h ef o u r s e a s o n s ，t h ea i rq u a l i t yo ft h e l a n d s c a p ea r e ai so b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h ec u l t u r ea n de d u c a t i o na r e a s ，t r a f f i cr o a da n d f a c t o r yd i s t r i c t t h ea i rq u a l i t yo ft h ec u l t u r ea n de d u c a t i o na r e a si sal i t t l eb e t t e rt h a nt r a f f i c r o a da n df a c t o r yd i s t r i c t h o w e v e r , t h ea i rq u a l i t i e so ft h e s et h r e ef u n c t i o n a la r e a sa r en o t g o o d ，a n dt h en e c e s s a r ym e a s u r e ss h o u l db et a k e nt oi m p r o v et h ea i rq u a l i t y f i n a l l y ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h es m a l la i ri o nc o n c e n t r a t i o nh a san e g a t i v er e l a t i o nw i t h t h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei ns p r i n g ，s u m m e ra n da u t u m nw h i l e p o s i t i v er e l a t i o ni nw i n t e r i n m o s tc a s e s ，t h e r ei sap o s i t i v er e l a t i o nb e t w e e nt h es m a l la i ri o nc o n c e n t r a t i o na n dt h er e l a t i v e h u m i d i t y k e yw o r d s ：a i rs m a l li o n ，d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t y p i c a lf u n c t i o n a la r e a , a s s e s s m e n t i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弋琢蝤臣急妒7 年多月5 1 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 弓旅知防渺：7 导师签名： 力专狡 年岁月弓f 日 加7 年多月弓e l 长安大学硕士学位论文 i i 问题的提出 第一章引言 随着城市居民生活水平的不断提高，随着环境理念、环保理念的不断深入人心，人 们对环境质量的关心，已经不仅仅停留在对污染程度的关注和评价，而是对于环境安全、 环境舒适度水平的进一步要求。对于朝夕相处、置身其中的空气而言更是日益引起人们 对其质量的追问，而空气负离子被喻为空气“维生素”和“卫生警察”，其浓度水平具 有良好的环境指示作用，已成为衡量一个区域空气质量好坏的重要指标之一。研究表明 【1 1 ，空气清洁度与空气中的离子含量密切相关，污染空气的小离子含量较低，而清洁大 气中空气小离子容易积累，因而含量较高；空气大离子含量与空气中气态污染物和气溶 胶粒子及颗粒物含量和分布趋势一致。空气大离子的增加对应空气小离子的减少，它们 的含量都对空气污染程度有明确的反应。因此，近年来国内许多大城市都开展了空气离 子，特别是空气负离子方面的研究【2 5 】。但是由于城市之间地域差异、生态差异以及环 境因子对空气离子浓度交叉影响等原因，往往研究结论差异较大，不具有普遍指导性。 西安是世界著名的历史古都，拥有极其丰富的人文和自然旅游资源；同时又是国家 实施西部大开发战略的重点地区，发展潜力巨大。但是，长期以来，西安城区似乎总是 烟雾蒙蒙，尤其是秋冬季节出现大量雾、霾并存的天气，大气污染比较严重，大气质量 不容乐观。城市大气环境状况直接影响到市民的身体健康和社会的可持续发展。近年来 许多研究者对西安市的大气污染进行了大量的研究，主要内容为西安市大气污染特征及 变化规律 6 - z 、大气颗粒物污染来源【9 d o 】、大气污染对居民健康的影响以及大气污染与气 象的关系等【1 1 j3 1 。反映西安城市污染状况的p m l o 、s 0 2 、n o x 等主要大气指标，都是从 污染物本身来反映和评价城市不同功能区的受污染程度，而反映和评价其环境空气质量 的正效应指标却很少。在大气污染特征及规律、污染物来源及控制等研究并取得初步成 效的基础上开展空气质量健康程度的研究日显重要。“城市空气离子”正是近年来评价 区域空气质量优劣的主要正指标。 在这样的背景下，重视并开展对西安市空气离子的调查研究，搞清空气离子在各种 功能区的分布变化规律，揭示空气离子形成机理、数量变化原因及环境因素影响关系， 探讨空气离子浓度在评价区域空气质量方面的可能角色和功能，是十分必要的。它可以 为西安市的空气质量研究提供一种新的思路与研究方法。为提升西安城市环境的竞争力 第一章引言 做出有益的贡献。 有鉴于此，西安市科技局2 0 0 7 年度立项的“西安市科学技术计划项目( 批准号： y f 0 7 1 9 5 ) ：西安市不同功能区空气离子分布特性及其与环境因子的相关关系 启动。本 论文的工作正是这一课题的部分内容。 1 2 研究目的与意义 本实验研究旨在通过对西安市几个典型城市功能区进行空气离子实地测量，初步确 定西安不同城市功能区空气离子浓度的量化水平、时空分布特征和变化规律、影响因素 等；在离子浓度测量的基础上利用空气离子评价指数对几个典型城市功能区进行空气质 量评价，探讨空气离子作为空气质量评价要素的现实价值。 研究西安市不同功能区空气离子的意义主要体现在：从理论上讲，空气离子的相关 研究应用于城市生态评价中具有前沿性和实际意义，可以为西安市生态结构布局、功能 结构规划和环境保护提供重要的科学依据；从实际操作上讲，空气离子是对城市大气乃 至生态环境质量优劣的动态正监测指标，空气离子研究可以为城市区域大气环境质量评 价提供参考，为空气离子的进一步现实研究提供可靠的实例。 2 长安大学硕士学位论文 第二章空气离子研究进展 2 1 空气离子及其产生机理 大气中的空气分子或原子一般呈中性稳定，当受到外界条件作用，获得足够的能量 后，其原子核外围的价电子就可能脱离原子核的束缚而跃出轨道变成自由电子，失去电 子的部分变成带正电荷的离子；而逃逸出来的自由电子活性极高，容易被中性分子或原 子捕获变成带负电荷的离子。空气中各种气体分子“俘获 电子的能力有强有弱，其中 0 2 和c 0 2 较强。1 9 9 2 年，美国学者g o l d s t c i n 1 4 】通过测试电晕放电产生的空气负离子发 现，0 2 为空气负离子的主要成份，占2 0 ，比例最大，最稳定，c 0 2 仅占0 0 3 。空气 负离子主要包含：h 3 0 2 。，0 2 。( h 2 0 ) n ，o h 。( h 2 0 ) 1 1 ，c 0 4 。( i - 1 2 0 ) 2 0 2 及h 等【1 5 1 6 】，根据大 地测量学和地理物理学国际联盟大气联合委员会采用的理论，空气负离子是0 2 。，或o h ( h 2 0 ) 2 ，或c 0 4 - ( h 2 0 ) 2 1 7 - 1 9 】。 空气离子按其体积的大小可分为小离子、中离子和大离子。直径大约0 0 0 1 , - 4 ) 0 0 3 p m 的具有分子尺度大小的离子，叫小离子或轻离子；当一个空气离子周围聚集着几个中性 分子时，就形成了中等大小的离子【2 3 1 ，即中离子，直径在0 0 0 3 - 4 ) 0 3 0 1 m a ；当大气气 溶胶粒子吸附小离子并带电后就形成了大离子，其直径在o 0 3 0 1 0 i x m 。 大气中的空气离子不停的运动，当正、负离子彼此相撞、离子与地面相撞或与大气 中的气溶胶微粒和颗粒物相撞时，就会发生中和作用和沉降作用，从而使空气离子被消 耗。空气离子的生存时间一般为几十秒至数分钟。在某些特殊地域，如森林、瀑布、海 滨周围最长可达2 0 分钟左右。而在高含尘或污染严重地区离子寿命大约只有几秒钟。 研究表明，小离子具有极大的生物活性，对空气离子的大量研究也主要针对小离子， 特别是空气小负离子，因此平时所说的空气离子主要指小离子。 空气离子的产生是由于大气中存在着电离过程。大气物理学研究指出大气离子的生 成主要有三种途径：( 1 ) 大气中放射性元素( 主要是氡) 的作用【2 4 1 。大气中除含有氡，还 含有镭等微量放射性物质，它们主要来自地壳并不断发射射线产生电离作用，以a 射线 为最大，其次是d 射线和y 射线，其电离率在近地面层最高，因此大气中的放射性物质 是近地层大气的主要电离源【3 ，1 8 ，2 3 】；( 2 ) 岩石土壤中放射物质放射的各种射线。土壤中含 有的镭、铀和钍等放射性元素也不断的放射出a 、p 、丫射线，一方面使岩石土壤中的气 体电离并通过与表面气体交换释放到大气，另一方面产生的射线进入外界表层大气直接 3 第二章空气离子研究进展 使气体电离；( 3 ) 宇宙射线。宇宙射线是高能粒子流和它们在大气中产生的放射性粒素。 宇宙射线进入大气后通过碰撞使高层大气发生电离，也可能击破原子核并产生大能量的 次生粒子，引发连续的碰撞激发而形成“雪崩效应 ，但由于大气的厚度效应，宇宙射 线对底层大气的离子贡献率并不大。此外，太阳紫外线能直接使空气离子化，但由于平 流层上层臭氧的大量吸附使其对低层大气的电离作用较小。 事实上，我们通常所说的空气离子主要是指地面附近，与人类密切相关的近地层空 气中的离子。特别是在城市大气系统中，以上提到的离子源构成城市空气的基本离子背 景，而同时还具备以下可能：( 1 ) 树木、花草等尖端物的放电产生电荷【2 2 1 。蒙晋佳、张 燕等就提出晴天大气电场方向是垂直于地面的，树木释放的是负电荷，植物多的地方空 气负离子浓度较高【8 】，此外植物的呼吸作用也可直接产生离子并释放；( 2 ) 水在高速运 动中，水分子通过摩擦、碰撞等获得能量释放电子而形成离子进入空气成为空气离子。 主要有瀑布、喷泉的喷简效应、海浪推卷碰撞效应、暴雨跌失效应等；( 3 ) 电晕放电。 当有强电场存在时，处于电场内的电子或离子会受电场力作用加速运动和其他分子或离 子发生碰撞，甚至引起连续碰撞形成“电子雪崩 ，使局部空气离子浓度积累升高。尤 其在高压线、变电站附近会有所体现。 2 2 空气离子功能研究 当前，对于空气离子的功能与应用研究主要集中在空气小负离子，并在诸多方面取 得进展：( 1 ) 医疗保健功能。相关研究表明，当空气负离子浓度达到1 0 0 0 0 个c m 3 以上 可以治病，7 0 0 个e m 3 以上有益于人体健康【2 5 1 。早在1 9 0 3 年苏联学者c o k o s o ba b 就发 表了空气带电状态对机体发生影响的论文，并将空气负离子用来治疗疾病【2 6 】；1 9 5 7 1 9 5 9 年w i l s o n 和k u e g e r 分别研究发现空气负离子对人体7 个系统的3 0 多种疾病具有抑制、 缓解和辅助治疗作用【2 7 舶】；美国得克萨斯州立大学研究得出空气负离子对人体健康的有 益功效达3 3 种 3 0 】。发展到今天，诸多研究认为空气负离子可以改善大脑皮层的功能状 态，调节植物神经功能，改善心功能和心肌营养不良状态，改善肺通气和肺换气功能、 增加细胞内供氧，影响机体基本物质代谢、促进机体生长发育，降低血糖血脂、畅通血 管防治心脑血管病，促进侧支循环与细胞再生作用【3 卜3 7 1 。综合各种研究结果：空气小负 离子对人体神经系统、免疫系统、呼吸系统、循环系统等有不同程度的增益功能，当空 气小离子达到一定浓度时对某些疾病、创伤有治疗或辅助治疗作用； ( 2 ) 改善局部空间空气质量。空气中的离子能与空气中的某些物质发生作用从而影 4 长安大学硕士学位论文 响局部空气质量。小的空气正、负离子与带电及未带电的污染物相互作用、复合、扩散 而影响着污染物的变化，尤其对小至o o l i - t m 的微粒和在工业上难以除去的飘尘，有明 显的沉降去除的效果【3 & 3 9 1 ；与超氧化物自由基( o 。) 相似，带负电荷的空气离子具有生物 活性，能使活的生物细胞带负电荷，从而使病毒失去对细胞的攻击能力，在人造空气负 离子环境中，经测定空气中霉菌、细菌数可降低9 0 以上；空气负离子还能通过氧化作 用清除空气中的有机物而消除异味，起到清洁空气的作用【4 1 1 。因此，对局部微环境进 行人为的空气离子浓度调节就可能起到改善微环境的作用，资料显示：空气离子改善局 部微环境的理论和技术已经被应用于军事、建筑、农业等很多领域。为消除飞行员的疲 劳，德国空军早在二战期间就在战斗机上安装了负离子发生器；我海军部队对舰艇内输 入人工负离子，舱内空气中的负离子浓度平均值增加到原来的5 0 6 倍，细菌总数、悬浮 微粒、甲醛和二氧化碳的平均值分别降低了8 3 3 ，8 9 5 ，7 6 和3 2 ，舰艇内空气 质量得到明显改善【4 2 4 3 1 。人工空调系统所致的“空调综合症与室内缺少空气负离子有 关；空气负离子有明显改善学生大脑工作能力，防止和恢复疲劳的作用，对改善学生学 习环境有一定的应用前景【5 1 ，在教室中保证一定的空气离子含量将对教室微环境空气 质量有所提高；采用空气离子化措施，西安某地下商场空气负离子日平均浓度最大值由 空气离子化前的9 1 个c m 3 提高到3 6 5 0 0 个c m 3 ，空气中总悬浮微粒和细菌总数降低【蛔； 应用于工厂车间、矿井，可以灭菌、除尘和提高工人的精神状态【4 7 1 。农业生产上空气负 离子常被用于处理植物果实等，有利于水果、蔬菜的保鲜；在畜牧业中使用可以提高家 禽肉、蛋产量，并提高孵化率【4 8 - 5 3 1 。可见通过人工控制局部空间内空气离子浓度就会使 其空气质量得到改善，使微环境的环境功能性得到进一步提升。 ( 3 ) 生态旅游资源。空气小离子分布在地域上有着极大的不同，极高浓度的空气离 子几乎成为像奇花异草、名山怪石、珍禽异兽等自然资源一样，具有极高的生态旅游价 值。空气负离子作为一种新兴的旅游资源，其含量在风景资源评定中的比重达6 ，已 成为区域环境质量中的重要评价因子【1 8 】。同时空气负离子具有医疗保健功能，高空气负 离子含量空气健康、舒适，在极具旅游开发前景的山川、海滨、森林地带含量尤其高。 峨嵋山疗养区室外空气负离子总均值为1 8 3 7 3 个c r l l 3 ，单月最高达3 8 6 3 3 个c m 3 ；吴楚 材测定桃源洞国家森林公园的空气负离子含量比城郊或城市房内高出8 0 , - - 1 6 0 0 倍，空气 高度清洁；南岳衡山的地区不同林分中空气负离子浓度在9 0 0 - - 2 0 0 0 个c m 3 之间；杭州 西湖的丁家山疗养基地空气负离子浓度为6 7 2 个c m 3 ；黄山风景区的空气负离子浓度夏 季达到1 0 0 0 0 个e r a 3 以上，冬季的平均浓度也在1 0 0 0 个c m 3 左右【5 4 5 9 】。张璐等研究发 s 第二章空气离子研究进展 现，广东省车八岭国家级自然保护区内溪边、瀑布边以及接近水面的样点空气负离子浓 度较高，森林土壤和植被对空气负离子浓度影响的正效应明显；宗美娟等以山东蒙山等 地为例研究认为，到森林等负离子浓度高的地方旅游体闲有益于人们的健康 6 0 - 6 。厉月 桥研究发现保定清西陵旅游区森林植被生长旺盛期，环境中空气负离子平均浓度值最高 9 8 9 个c m 3 ，百里峡国家森林公园空气负离子浓度分布在6 5 0 - - - 2 3 9 4 个e r a 3 ，天生桥国家 森林公园近水体区和混交林区空气负离子浓度分别达到5 5 2 5 个c m 3 和2 2 5 6 个c m 3 【6 2 】。 可见，空气离子可能并在一定程度上成为自然生态旅游资源的新型组成部分，加强对空 气负离子资源的开发、利用和保护研究，对于生态旅游业的发展具有重要意义。在森林 及生态旅游区开发、宣传、利用空气负离子资源，不但有助于区域经济的发展，也有助 于进一步搞清空气离子的分布规律，影响因素，从而寻求城市绿化分布、结构的规划、 设计、优化的新方式。 ( 4 ) 空气质量评价指标。空气离子是空气的正常组分之一，很多调查和研究报告均 表明，空气离子状况与人体健康关系密切，它的浓度与空气的清洁度密切相关，可以作 为评价空气清洁度的指标【6 3 捌】。大量的研究显示：在人1 2 1 密集、污染严重的地区空气离 子含量较低，而在森林、生态旅游区、城市清洁区及绿化较好的地区离子含量较高；在 城市中公园、居民小区一般比商业交通地带、工厂区域空气离子浓度大，空气离子的量 化程度在一定条件下可定性反应区域空气质量。吴志萍【6 5 】等研究认为：p m 2 5 与负离子 水平的关系很大。合理布局绿地结构、增加负离子浓度，有助于降低细颗粒物和可吸入 颗粒物浓度，从而净化空气，减少颗粒物对人体的危害。戈鹤山等对某候车室研究发现 从人体生理效应和心理感觉方面，应该关注空气离子化的电环境参数，空气清洁程度的 描述不能只用可吸入颗粒物浓度【矧。可见结合区域空气离子浓度与颗粒物含量来评价空 气清洁度、舒适度比单一的污染物含量评价更准确、全面。德国利用空气离子浓度建立 了针对城市工业区的大气污染分级标准，通过空气负离子相对密度定量表征局部环境空 气质量；日本的安培则建立了空气离子评价指数体系来衡量城市生活区空气清洁度级 别，并被各地学者广泛用于区域空气清洁度分级评价；我国中南林学院森林旅游研究中 心吴楚材等对森林空气离子建立了新的分级标准，通过能反映空气中正、负离子间浓度 比和空气的清洁水平及保健功能的负离子系数来分级森林地区空气质量。由此可见，空 气离子浓度与区域空气质量有着密切的关联，在不同区域的差异性基础上进行研究总结 就可以把空气离子浓度作为衡量空气质量的一个有效指标，这对于目前以空气中污染物 含量为评价指标体系的“负”评价方式具有重要的“正补充作用，对于空气质量的健 6 长安大学硕士学位论文 康性与舒适性评价有重要的补充作用。 2 3 空气离子与环境因素相关性研究 2 3 1 气象要素相关研究 气象活动主要发生在近地面大气中，而空气中的离子也主要来源于近地空气辐射和 土壤辐射释放，因此空气离子的变化与气象因子之间就有着十分密切的联系。国内外学 者的大量研究认为：影响空气离子浓度变化的气象因素主要有空气温度、相对湿度、风、 太阳辐射、雨、雾等，而对于这些要素与空气离子浓度的确定关系并没有一致结论。 德国学者r e i t e r 认为空气负离子浓度与相对湿度呈负相关，之后的研究又发现，当天气 良好、能见度高、湿度低或干热焚风时，空气小离子浓度较高；当有大雾、空气湿度高 时，空气小离子浓度明显降低【6 7 6 8 1 。厉曙光、吴楚材、邵海荣等【6 9 , 5 7 , 7 0 1 也认为空气负离 子浓度与空气相对湿度呈负相关，与空气温度成正相关。而王继梅的研究却表明，在一 定范围内，随空气温度、湿度的增高空气负离子浓度不断增大，当温度和湿度同时变化 时，空气负离子变化率增大；而从季玉凯对棋盘山的实测结果来看，负离子浓度在 1 7 3 0 。c 范围内是与温度成负相关的，在6 0 9 6 范围内与相对湿度成正相关，段炳奇 对上海地区研究得出不同温度段内空气负离子与温度成负相关1 7 ”3 1 。可见，空气离子浓 度与环境温度及相对湿度的关系复杂多变，不同区域，不同自然环境状态下各自具有一 定的规律，这可能与环境要素之间多重作用的综合显现有关。 k e n n e t h 等认为空气负离子浓度与风向有良好的相关性( p 紫楠 银杏 毛竹，其年均值分别为1 3 3 1 个c m 3 ，1 2 2 3 个c m 3 ，9 6 0 个c m 3 和7 0 1 个c m 3 【7 9 】。杨建松等对不同植物群落空气的负离子浓度进行观测研究，结 果表明：不同群落环境空气中负离子浓度顺序为：阔叶林 混交林 草地 灌丛【8 0 】。吴际 友等对8 种园林树种周围空气负离子水平进行了研究，结果表明不同园林树种周围空气 负离子水平差异显著，其空气负离子浓度从大到小的排序为沉水樟、罗汉松、乐东拟单 性木兰、木莲、南方木莲、金叶含笑、乐昌含笑、中国鹅掌揪【8 l 】。 在人工干预生态中，刘凯昌对广卅i 市内林地，公园，居民区专用绿地内的阔叶林、 针叶林( 马尾松) 、经济林( 荔枝) 、草地内不同植被类型空气的离子浓度进行了调查测定。 结果表明，不同植被环境空气中负离子浓度大小顺序为阔叶林 针叶林 经济林 草地 【8 2 】。郭圣茂等在南昌市选择有典型特征的城市绿地的监测结果表明：城市绿地能有效的 提高空气负离子数量，其中乔、灌、草3 种不同类型的绿地中，乔木林片对提高空气负 离子浓度和改善空气质量的作用最为显著【8 3 】。王洪俊对吉林市具有代表性的不同结构类 型城市森林中的空气正负离子浓度进行了测定分析，结果表明不同结构城市森林空气负 离子水平差异极显著，以乔灌草结构的复层林中空气负离子水平最高，空气清洁度等级 最高，而草坪的各项指标最低，说明高大乔木对提高空气质量起到主导作用【8 4 1 。 在水体相关研究中发现，不同状态的水体对空气负离子浓度影响差异显著。水体的 8 长安大学硕士学位论文 运动易于造成水分子的裂解，产生空气离子，水体对负离子浓度有较大的影响。许多研 究表明，水体的大小、类型以及距离水体的远近不同，其对水体周围环境中空气负离子 浓度的影响不同。一般来讲，瀑布、喷泉附近负离子浓度最高，江河等动态水体次之， 湖泊，水塘等静态水体周围空气负离子含量相对最低，距离水体越远其空气负离子含量 越低。同时，水域的面积与空气负离子含量呈正相关。刘云国等对昆明世博园中的瀑布、 水域、草地、其他景观环境分别测定空气中负离子含量，研究结果表明园中瀑布和水域 对空气质量的贡献值最大【8 5 】。郭圣茂研究认为动态水的空气负离子浓度大于静态水；动 态水中瀑布产生的空气负离子浓度大于跌水，跌水大于溪流。瀑布旁空气负离子的数量 级为l o 个e m 3 。水域面积大小与空气负离子浓度呈正相判8 3 1 。 2 3 3 颗粒物与空气离子浓度关系 研究者普遍认为空气中的污染物，特别是颗粒物会消耗空气中的小离子。一方面带 电颗粒物与空气小离子碰撞机会增大，并在碰撞过程中与小离子中和而使其失去荷电； 另一方面不带电的颗粒物与小离子碰撞后吸附小离子带电并更容易沉降。 一 张福金研究表明【8 6 1 ，空气中总悬浮物，一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物与空气负离 子呈明显负相关，环境污染重则负离子浓度低。m i r m e a 研究发现，尽管显著性不高， 大气离子浓度与气溶胶浓度的日变化趋向一致，高浓度的大气离子浓度明显与低浓度的 气溶胶浓度一致，与气溶胶总浓度呈负相关。对于直径小于1 s n m 的小空气离子和直径 在1 8 n m 的中空气离子，在冬季其浓度的变化与气溶胶变化相反，但是没有夏季显著。 在夏季测量中，小离子浓度与总的气溶胶浓度的相关系数小于7 4 ，粒子大小在1 3 0 n m 的气溶胶与空气离子的相关性最大为7 7 。在冬季测量中，粒子直径在4 2 2 4 r i m 的颗 粒与空气离子的正相关性为2 1 3 5 ，大粒子( 2 4 0 i 】m ) 的负相关性为一2 8 t 8 7 瑚】。 段炳奇、章志攀分别对上海、天目山空气测量分析认为空气小负离子与可吸入颗粒 物p m l o 之间有着较高的负相关性 7 3 , 7 9 】；倪军也发现空气小负离子浓度与可吸入颗粒物 ( p m l o ) 浓度的负相关显著，空气大正离子浓度与p m l o 浓度正相关性显著，空气清洁度 与p m l o 浓度负相关性显著，置信度全部大于9 9 9 t 8 9 】。吴志萍等则提出空气负离子和 颗粒物受多种因素影响，且关系较复杂，仅从绿地结构和绿量大小来分析并不可靠。有 测量显示，在对不同类型绿地空气负离子浓度、空气p m l o 和p m 2 5 浓度进行比较时，植 被覆盖度和郁闭度高、绿量大的乔灌草多层复合绿地中，空气负离子浓度却低于绿量少 于它的阔叶乔草绿地、而空气p m l o 和p m 2 5 浓度却偏高【6 5 】。 9 第二章空气离子研究进展 2 4 空气离子时空分布特征研究 2 4 1 时间分布 无论是地面植被分布，植物光合作用强弱，太阳辐射量增减，以及大气运动和环境 温湿度的变化等，都会不同程度的引起环境空气离子分布与含量的变动。在时间序列上 这些因素都有着相对规律的变化曲线，因此从理论上分析，它们对于环境空气离子浓度 的影响也有一定的特征。 对大目山地区的研究【7 9 】发现空气负离子浓度有明显的日变化和年变化特征。柳杉和 紫楠群落空气小负离子浓度日变化表现为双峰曲线，银杏和毛竹群落为单峰曲线。空气 负离子浓度最大值出现在9 ：0 0 - - - 1 0 ：o o ，最小值出现在1 2 ：0 0 - 1 4 ：0 0 。 对北京地区的研究【蚓发现空气负离子浓度有明显的日、年变化特征。一天中白天空 气负离子浓度的平均值大于夜间，日变化曲线为双波形，两个峰值分别出现在凌晨和上 午。 对棋盘山地区的空气离子测量【7 2 1 后发现，一天当中空气离子浓度有两个明显的波峰 值，分别出现在早8 ：o o 和午夜0 ：o o ，另外，负离子浓度在2 0 ：0 0 - - 2 2 ：0 0 也比较高， 而最低值出现在午后1 6 ：0 0 。 以上海徐汇区为例【8 9 】，研究发现城市典型功能区空气离子浓度日变化明显。空气小 正离子和小负离子浓度的变化规律基本相似，波峰波谷相互交替，峰值出现在凌晨3 、4 点和午后3 、4 点，低值出现在早晚上下班高峰时段；空气大正离子和大负离子浓度的 变化规律基本相似，明显呈现出日间大于夜间，峰值出现在人为活动最为活跃的9 点至 1 3 点时段，低值出现在人为活动最弱的凌晨，日变化幅度大于小离子浓度。 对合肥地区的研列恻表明不同生态环境小负离子浓度的日变化都很显著，且都呈现 出各自的规律。森林公园内和近水体边( 距离水体1 5 米) 的小负离子浓度都是早晚较低， 白天较高，中午时分最高，其空气小负离子浓度的日变化幅度也最大；教学区、住宅区 和交通闹市区的小负离子浓度的日变化较为复杂，基本上都是早晨的小负离子浓度最 高，傍晚时分最低，8 点、1 2 点、1 4 点和1 8 点都处于低值状态，其余时段小负离子浓 度相对较高。工厂区内的小负离子浓度整体呈现下降趋势，早晨6 点至l l 点降幅较大。 在季节变化上，通过对自然生态区和人工改造为主的城市功能区的研究得出一个基 本一致的结论：一年四季中空气小离子浓度以夏季最高，春秋次之，冬季最低【9 卜9 3 1 ，春 秋季节空气离子浓度的关系并不十分明显。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 4 2 功能区分布 空气离子浓度在自然生态地域的分布特征在2 3 2 中有所总结，这里主要介绍其在 城市生态系统中的空间分布情况。 张清杉等【9 4 】利用模糊数学方法，将空气负离子的保健浓度分级后对华北、西北、华 东、华南地区4 个森林公园进行了评价，结果表明：华东、华南的森林公园空气负离子 保健浓度等级远高于华北、西北地区，说明华东、华南小负离子保健旅游资源优势明显。 王洪俊1 8 4 1 对吉林省吉林市具有代表性的不同结构类型城市森林中的空气正负离子浓度 进行了测定分析，结果表明不同结构城市森林空气负离子水平差异极显著，以乔灌草结 构的复层林中空气负离子水平最高，而草坪的各项指标最低。 邵海荣等【9 5 】根据北京地区3 年的空气负离子浓度时空变化的实测资料，分析表明， 从市中心向近郊、远郊，空气小离子浓度不断升高，空气清洁度逐渐变好；空气清洁度 在有林地区明显好于无林地区，阔叶林在春、夏季清洁空气的作用要好于针叶林，秋、 冬季则相反。 毛辉青瞰】对西宁地区不同功能区空气小负离子调查发现，公园游览区空气小负离子 浓度最高，平均3 5 8 个c r n 3 ；工业区最低，平均浓度2 5 9 个e m 3 ，各功能区空气小负离 子浓度明显不同，依次为公园游览区 生活居住区 商业交通繁忙区 工业区。 姚成胜等【9 7 1 在湖南岳麓山及其周边地区测定了空气负离子含量，初步研究结果表明 岳麓山空气负离子含量和空气清洁度密切相关，不同功能区的空气负离子含量和空气清 洁度差别显著，其大小依次为河岸 风景区 商业广场 办公室 交通干线 车站广场。 倪军【8 9 】认为上海徐汇区各功能区空气离子浓度差异明显。道路交通区的空气小正离 子浓度最高，园林绿化区的空气小正离子浓度最低，居住区和文教区的空气小正离子浓 度相当；园林绿化区的空气小负离子浓度最高，道路交通区的空气小负离子浓度最低， 居住区和文教区的空气小负离子浓度相当。园林绿化区的空气大离子浓度最低，道路交 通区的空气大离子浓度最高，文教区的空气大离子浓度次高，居住区的空气大离子浓度 次低。各功能区的空气清洁度有较大差异，园林绿化区清洁度最高，文教区和居住区次 之，道路交通区最低。 金梅【卿发现合肥地区不同生态环境负离子浓度分布极不均匀。森林绿地区的负离子 浓度最高，平均浓度在1 5 0 0 个c m 3 左右，近水体边的负离子浓度水平次之，教学区和 住宅区的负离子浓度更低，平均浓度分别为3 5 6 个c m 3 ，4 0 2 个c m 3 ，交通闹市区和工厂 区内的负离子浓度水平最低，均浓度仅为1 8 5 个c m 3 和1 2 5 个c m 3 。 第二章空气离子研究进展 此外，也有实验研究发现高度与空气负离子浓度的关系显著，在一定高度范围内空气小 负离子浓度及空气清洁度都是随着海拔的升高而增大，有明显的垂直变化；溪流、瀑布、 湖泊、水库等水体存在的地方空气小离子含量较多，喷泉对空气负离子浓度的贡献也极 大，一般溪流和瀑布等动态水比静水具有更大的离子贡献率：