我国森林空气负离子研究进展

邹慧儒 彭友贵 唐刚

摘要  空气负离子具有净化空气和康养保健的重要功能，是監测空气质量的重要指标。森林为空气负离子产生提供了良好环境。根据相关研究文献，探讨了森林空气负离子的产生机理、森林空气负离子浓度的变化规律和影响因素以及分级评价标准。森林空气负离子浓度具有明显的日变化特征和季节变化规律，一般为早晨和傍晚浓度较高，中午浓度较低，夏秋季浓度高于冬春季；空气负离子浓度总体趋势随着纬度的增加而降低，在较大的海拔垂直梯度上表现为先升后降趋势；而温度、湿度、林分类型、人为活动等因素也会对空气负离子浓度产生不同的影响。

关键词  森林；空气负离子；时空分布；影响因素

中图分类号  S718.5   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2024）07-0015-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.004

Research Progress on Forest Negative Air Ions in China

ZOU Huiru1，PENG Yougui1，TANG Gang2

（ 1.College of Forestry and Landscape Architecture，South China Agricultural University，Guangzhou，Guangdong  510642;2.Administration of Bandong Provincial Nature Reserve，Liannan，Guangdong 513300）

Abstract  Negative air ion has the important function of cleaning air and maintaining health care，and is an important indicator for monitoring air quality.The forest provides a favourable environment for the production of negative air ion.According to the relevant research literature，the production mechanism of negative air ion in forest，the change pattern and influencing factors of its concentration and the grading evaluation criteria were discussed.There were obvious diurnal and seasonal variation characteristics for negative air ion in forest.The concentration of negative air ion in forest was generally high in the morning and evening，but low at noon in a day，and higher in summer and autumn than in winter and spring.The general trend of negative air ion concentration decreased with the increase of latitude，and within a large vertical gradient of altitude it rose first and then decreased.Temperature，humidity，stand types，human activities and other factors also had different effects on the negative air ion concentration in forest.

Key words  Forest;Negative air ion;Spatial and temporal distribution;Influencing factors

空气负离子（negative air ion，以下简称NAI）是带负电荷的单个气体分子及其轻离子团的总称［1］，空气负离子主要由负氧离子组成，也称为空气负氧离子。人们从十九世纪末开始了NAI研究［2］。NAI不仅对环境有清洁细菌、降尘和净化空气的重要作用，还对人体健康具有保健功能，能够调节人体神经系统、加强新陈代谢和提高器官功能作用等［3-5］。而森林以其特有的森林小气候成为产生NAI的良好环境，森林中含有高浓度NAI已经被多方研究证实［6］。目前，中国气象、林业等部门已将空气负离子浓度（air negative ion concentration，以下简称NAIC）作为监测空气质量的重要指标［7］。

国内学者从多方面对森林中的NAI开展了大量研究，如森林中NAIC的时间变化规律、水平和垂直分布特征，环境因子如温度、湿度、风速等对NAIC的影响，不同林分NAIC的变化规律等［8-10］。该研究对森林中NAIC的最新研究成果进行总结归纳，分析NAIC的时空分布特征及其影响因素，为后续研究以及森林康养利用提供参考。

1 空气负离子的产生机理

在自然状态下，NAI的主要来源有：①电离作用。大气层中的大气分子受宇宙射线、太阳辐射激发而产生电离，释放的电子被地球吸收后再释放，它们特别容易附着在氧和水分子上，结合形成 NAI［11］。②Lenard效应。1915年德国物理学家Lenard研究发现当水滴受到外界物理冲击作用时，会产生带有负电荷的小水滴，最后形成带有结晶水的负离子释放到空气中，所以在瀑布周围和降雨的水环境中NAIC较高［12］。③植物的尖端放电和光电效应。植物在自然状态下枝叶的尖端放电释放负离子，即在光合作用过程中的光电效应也会促使空气电解，产生大量负离子［13-14］。

2 森林空气负离子浓度的时空分布规律

2.1 森林空气负离子浓度的时间变化规律

研究表明，森林中NAI具有明显的日变化特征，但不同学者监测到的NAIC峰谷值出现的时间有一定差异，一般为早晨和傍晚浓度较高，中午浓度较低。毛成忠等［15］监测结果为，NAIC在清晨（01：00—09：00）较高，最高值出现在凌晨（04：00），中午到傍晚前后浓度较低，日平均最小值出现在13：00。姚益平等［16］的研究显示，NAIC午后（13：00—16：00）较低，夜间和早晨（22：00—07：00）浓度较高。彭琳玉等［17］对江西省九连山国家森林公园NAIC的日变化研究发现，清晨为高值区，最大值出现在08：00左右；中午到下午时段NAIC较低，最小值出现在14：00，傍晚之后出现回升。郭绪兵等［18］研究发现，上午（07：00—11：00）和傍晚（17：00—19：00）属于NAIC较高水平的时间段，中午（11：00—14：00）为最低。石彦军等［19］研究发现，NAIC日变化存在2个峰谷值，分别在09：00和16：00前后，但第1个峰值远高于第2个峰值，谷值出现在13：00—14：00和18：00—19：00 2个时间段。综合现有研究结果来看，主要表现为NAIC在清晨和上午较高，中午最低。而冯鹏飞等［20］对北京地区阔叶林、针阔混交林、针叶林和灌木林等不同植被类型的NAIC的测定结果显示，峰谷值出现时段具有相似性，最高值出现在18：00，最低值出现在11：00—12：00。不同学者监测到的NAIC日变化的峰谷值不同，可能与监测时天气以及环境因素影响有关。

一年中不同季节NAIC存在差异，研究普遍认为夏、秋季较高，冬、春季较低。彭辉武等［21］对珠海淇澳岛红树林群落NAIC研究发现，夏、秋季高于冬、春季，夏季最高，春季最低。灵鹫山国家森林康氧基地对NAIC监测也得出了夏季最高的结论，但是最低值出现在冬季［22］。王一荃等［23］对不同热带雨林NAIC研究表明，雨季（5—10月）的浓度明显高于旱季（11月至次年4月），最高值出现在5月，最低值出现在11月。夏季NAIC可能是由于该季节温湿度大，植物生长旺盛，太阳紫外线强烈等因素影响。

2.2 森林空气负离子浓度的空间分布特征

NAIC总体趋势随着纬度的增加而降低（表1），原因可能是热带与亚热带具有充足的日照、丰富的降水，植被生长旺盛，负离子释放多，而在温带地区，因其寒冷的冬季，部分树种会降低生物活性，从而降低了负离子的产生。

NAIC随海拔梯度的分布特征有不同的研究结果，整体上表现为在较大的海拔垂直梯度上表现为先升后降趋势。薛兴燕等［32］对河南老君山风景区NAIC进行测定发现，不同海拔NAIC具有显著差异，从海拔871至2 153 m NAIC表现出随着海拔的上升出现先升后降的趋势，在海拔1 500 m达到最大值。王顺利等［33］选择甘肃省7个代表性林区的14种林分类型进行了为期2年的NAIC测定与研究发现，与海拔在1 260～3 370 m呈现出一定负相关，这与前述研究结论基本一致。杜田恬等［34］研究陕西红河谷森林公园夏季环境舒适度，选取海拔900、1 300、1 700和2 200 m的森林植被进行监测，随海拔升高NAIC呈现“N”字型变化，在1 700 m处出现最低值，2 200 m处达到最高值。在天目山不同海拔高度山麓（360 m）、山中（820 m）和山顶（1 060 m）的柳杉林，NAIC随着海拔高度增加呈上升趋势，且山顶、山中较高海拔的柳杉群落NAIC显著高于山麓［35］。而孟祥江等［25］的研究结果显示，NAIC与海拔高度（600～1 230 m）存在负相关，即随着海拔高度的升高，NAIC逐渐下降。NAIC在垂直空间上的分布变化与海拔绝对高度、环境因素和林分类型等有关，其变化规律表现出较大差异。

NAI的产生原因较为复杂，在不同的环境中NAIC不同。大多研究表明，NAIC从城市中心—郊区—林区逐渐升高。郭绪兵等［18］对南雄自然保护区—城乡梯度NAIC的对比研究发现，离市区较远的自然保護区森林中NAIC最高，分别是乡镇和城区的1.5和2.8倍，森林植被分布和人为活动干扰程度是影响NAIC的主要因素。毛成忠等［15］对典型城市区域和森林区域NAIC的比较研究也得出类似结论，森林区高于城市区，其平均浓度高于城市区5～6倍。邻近水体的NAIC更高，关蓓蓓等［36］对崇明岛不同生态用地NAI的研究表明，湿地NAIC要显著高于林地。

3 森林空气负离子浓度的影响因素

3.1 环境因子

NAIC受环境影响，但目前各环境因素与NAIC的相关性研究结果不统一。王磊等［37］对南京城郊森林中NAIC的研究表明，温度对于NAIC的影响较小，与相对湿度呈正相关，与风速呈一定的正相关，与空气PM2.5含量呈负相关。关蓓蓓等［38］对城市人工林NAIC研究得出不同的结论，林分内NAIC与相对湿度呈正相关，与温度和风速呈负相关。朱舒欣等［39］的研究表明，不同季节NAIC受环境因子的影响也不同，温度在春夏季与NAIC呈正相关关系，在秋冬季则呈负相关关系；相对湿度与NAIC呈负相关关系，与风速在春、冬和秋季总体呈负相关关系，在夏季呈正相关关系。

天气状况对NAIC有影响，一般情况下为雨后＞晴天＞阴天。雨后特别是雷雨过后，NAIC会有明显的增加，一是湿度增大，二是闪电也会释放NAI。晴天太阳强烈，辐射强，有助于NAI的产生和植物的光合作用［40］。

3.2 林分特征

NAIC受林分密度、林分类型和结构的影响，但目前相关详细研究较少，已有的研究表明，在林分密度大，林分结构越复杂，NAIC越高。周斌等［41］的研究显示，NAIC与林分密度呈正相关，密度大的林分，降温保湿效果好，单位面积内生物量较大、叶面积指数较高，从而有利于NAI的产生。 王一荃等［23］对海南尖峰岭4种典型森林类型的研究表明，不同林分NAIC差异显著，从高到低依次为：热带山地雨林原始林＞热带山地雨林次生林＞鸡毛松人工林＞加勒比松人工林＞空旷地。李继育［42］通过对不同林分结构进行对比分析发现，得出NAIC为乔灌草结构＞乔草结构＞灌草结构＞草地＞对照（无植被裸地），林分结构越复杂，NAIC越高。

不同的树种对NAIC有显著影响，有研究认为针叶林中的NAIC高于阔叶林，可能原因为针叶树种的针叶尖数多于阔叶树种，其尖端放电产生NAI效应更明显［43］。而有的研究结论相反，阔叶林中的NAIC高于针叶林，阔叶树种的叶面积大，其光合效率高，又因植物的光合作用有利于NAI的产生，所以在阔叶林中NAIC更高［44］。也有研究认为，芳香类植物对NAIC有影响，植物精气中的主要成分为中性气体分子，在空气中一系列作用后，转变为NAI［45］。3.3 人为因素

人类活动对自然环境会产生影响，人口数量、车辆污染物质排放量的多少都直接影响室外NAIC，城市人口密集区、工矿企业等地NAIC明显偏低。有试验研究表明，在人群拥挤和空气流通不畅的地方，灰尘等空气污染物比较多，负氧离子吸附污染物形成重离子而沉降，从而导致NAIC降低［14］。

4 森林空气负离子浓度分级评价

关于NAIC的分级评价，国内外尚未有统一的标准和方法。世界卫生组织（WHO）将NAIC分为6级（表2），NAIC低于500个/cm3为不清新空气，高于1 200个/cm3为清新空气［46］。

石强等［47-48］在以往常用的单极性系数 q（q = n+/n-，n+为正离子浓度，n-为负离子浓度）［49］和安倍空气离子评价系数（CI=n-/1 000 q）［50］的基础上，提出了空气负离子系数概念p=n-/（n-+ n+）和适于森林空气负离子评价的指数模型FCI=n- /1 000 p，结合大量的森林环境NAIC实测数据分析， 提出了NAI分级标准及评价指数分级标准（表3）；并根据NAI对人体的生理效应将森林NAIC划分为临界浓度（400个/cm3）、允许浓度（>400～1 000个/cm3）和保健浓度（>1 000个/cm3），NAIC低于临界范围时，说明空气质量低，不利于人体健康，NAIC达到1 000个/cm3以上，具有保健作用。

5 展望

目前国内学者对NAI做了大量研究。由于NAI颗粒直径小、存活时间短，以及各种环境因素的影响和监测过程中使用的仪器灵敏度差别，其理化过程通常较难观察。因此现有NAI研究多为现象观测，缺少对其结果机理解释。森林环境中NAIC的时间变化规律，日变化一般为早晨和傍晚较高，中午较低；其季节变化规律，有学者认为夏季高于冬季，而有些学者的研究结论却存在差异，仍然需要大量和长期的监测数据来而分析季节变化规律特征。在空间分布特征的研究中，NAIC总体趋势随着纬度的增加而降低，在较大的海拔垂直梯度上表现为先升后降趋势，在森林环境中对于林分内部与边缘、水平与垂直方向空间分布特征的研究较少。

NAIC受森林环境因子的影响较为复杂，目前主要集中于温度、湿度、风速对空气负离子的影响。不同季节中环境因子对NAIC的影响可能存在差异，环境因子对NAIC的影响有直接的和间接的，应区分直接影响和间接影响，综合探讨NAIC的影响因素。林分对NAIC的影响较为明显，但由于林分结构复杂，树种组成、郁闭度与林龄均可能对NAIC产生不同的影响。

森林NAI研究在以下几个方面有待加强：在森林环境中NAI的产生机理研究，以便于更准确了解其产生变化规律；建立NAI的长期定位监测站，统一监测方法和评价标准，更准确确定NAIC的主要影响因子及影响程度；森林游憩区NAI资源的保健功效及其合理利用。

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基金项目   广东省生态林业建设资金项目 （粤财资环〔2021〕15）。

作者简介   邹慧儒（1998—） ，女，福建龙岩人，硕士研究生，研究方向：自然保护地。* 通信作者，工程师，从事森林生态与自然保护区管理研究。