我国森林空气负离子研究进展

我国森林空气负离子研究进展摘要:空气负离子被誉为空气维生素,其浓度是评价空气质量的重要指标。笔者综述了我国森林空气负离子研究方面的主要进展,重点介绍了负离子的检测仪器、研究方法、浓度评价系数、森林环境中空气负离子的日变化和年变化规律及林分因子、气象因子、水体等对森林空气负离子的影响,并探讨了空气负离子研究的主要问题和研究方向。关键词:森林;空气负离子;影响因子;研究进展中图分类号:S718文献标识码:A文章编号:1000-2006(2006)05-0107-05德国科学家Elster和Geital于1889年首先发现了空气负离子的存在,1902年,Aschkinass等肯定了空气负离子的生物学意义,1931年一位德国医生发现空气负离子对人体的生理影响[1],1932年,美国CRA公司的汉姆逊发明了世界上第一台医用空气负离子发生器。数十年来国外一些发达国家对负离子的医疗保健作用做了大量研究工作,并取得了许多研究成果。我国对空气负离子的研究始于1978年,经历了20世纪80年代初和90年代初两个负离子的研究发展高潮[1]。目前,我国关于空气负离子方面的研究,主要侧重在人为干扰环境和自然环境中空气负离子浓度水平、空气负离子在医疗保健中的作用及其机理、空气负离子资源的开发利用等。在生态环境评价中空气负离子浓度被列为衡量空气质量的重要指标,在旅游区,空气负离子是一种宝贵的旅游资源[10]。笔者综述了我国森林空气负离子状况,以期为我国空气负离子研究提供参考。1、森林空气负离子及其主要功能森林能产生空气负离子。森林的树冠、枝叶的尖端放电以及光合作用过程的光电效应均会促使空气电解,产生大量的空气负离子。植物释放的挥发性物质如植物精气(又叫芬多精)等也能促进空气电离,从而增加空气负离子浓度。北京郊区的植被使北京地区的空气负离子浓度增加了近一倍[1],室内摆放绿色植物，空气负离子浓度显著提高，且植物越多，空气负离子浓度越高。空气负离子能吸附、聚集和沉降空气中的污染物和悬浮颗粒,使空气得到净化[13]。空气正、负离子与未带电荷的污染物相互作用、复合,尤其对小于0.101μm的微粒和在工业上难以除去的飘尘有明显的沉降效果。空气离子同时有抑菌杀菌和抑制病毒的作用。空气负离子结构与超氧化物自由基(O2-)相似,因此具有相似的生物活性,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。负离子对大肠杆菌、绿脓杆菌也有抑制和杀灭作用[14]。空气负离子还能与空气中的有机物起氧化反应而清除产生的异味,因而具有去除臭味的作用。空气负离子对人体具有保健作用,主要表现在调节神经系统和大脑皮层功能,加强新陈代谢,促进血液循环,改善心、肺、脑等器官的功能等[9]。2、空气负离子检测方法与评价系数目前我国测定空气负离子的仪器主要有DLY型大气离子浓度测量仪(包括DLY-I型、DLY-IA型、DLY-II型、DLY-25型、DLY-3型、DLY-3F型、DLY-3G型)、SD-8003型大气离子浓度测定仪、Beckett型空气离子测定仪、CNF1型和CNF2型空气离子测定仪、AIC1000型空气离子测量仪(美国Alphalab公司产)等。其中比较常用的是DLY型森林大气离子测量仪。该类仪器是依据国际著名空气离子专家Beckett所推荐的Wesix平行板式空气离子收集器原理设计的,是测量大气中气体离子的专用仪器,可用于测量空气离子本底值及各种空气离子发生器所产生的各种正、负离子,其测量准确,灵敏度高,抗潮能力强,使用方便。DLY-3G型大气离子测量仪具有特强的抗潮湿能力,可在滨海、森林、河边等潮湿地带工作。研究者一般是在相关测点选取具有代表性的地段进行测量,每个测点取2～4个方向,每个方向读取3～5个峰值,分析时取平均值。目前,国内外对空气负离子的评价还没有统一标准,文献中出现的空气负离子评价指标有单极系数、安培空气质量评价系数、重离子与轻离子比、空气离子相对密度、空气负离子系数和森林空气离子评价指数等,其中应用最广的是单极系数和安培空气质量评价系数。(1)单极系数单极系数q=n/n,其中n为空气正离子浓度,n为空气负离子浓度。在低层大气中q值一般小于112,在高山上q值可低至0153(q≤1时,才能给人舒适感)。(2)安培空气质量评价系数安培空气质量评价系数CI=n-/1000q,其中q=n+/n-。CI110时为A级,此时空气最清洁,CI在110～0170之间为B级,空气为清洁,CI在0169～0150之间为C级,空气中度清洁,CI在0149～0130之间为D级,属允许范围(CI≤0129为临界值)[7]。(3)重离子与轻离子比重离子与轻离子比N/n,其中N为重离子浓度,n为轻离子浓度。良好的空气环境,空气中的重、轻离子比值≤50。该指标的缺陷是没有考虑空气正、负离子的构成。(4)空气离子相对密度(Da)空气离子相对密度是指某一地区(一般为工业污染区)空气离子密度与对照区(一般为相对清洁区)空气离子密度之比。空气离子相对密度可对工业区大气污染状况进行评价,但相对清洁区应远离污染源,两区之间应具有可比性。(5)空气负离子系数有学者发现单极系数和安培空气质量评价系数不适合用来评价森林空气负离子。根据实际观察和实验,他们提出了空气负离子系数的概念,并将其定义为大气离子中的负离子比率,即:p=n/(n+n)。负离子系数的大小与空气负离子的保健功能和空气清洁度的大小成正相关。负离子系数大于0.15时,空气清洁度高,对人体有益。负离子系数越大,空气清洁度越高,空气负离子的保健功能越强。(6)森林空气离子评价指数石强等根据森林环境空气离子的特性,结合人们旅游的需要,提出了森林空气离子评价指数FCI,FCI=n-/1000×p,其中,p为空气负离子系数,n-为负离子浓度,1000为人体生物学效应最低负离子浓度。3、森林环境中的空气负离子3、1森林空气负离子含量水平在森林环境中,空气负离子浓度会比其他地方高,这是由于林下土壤疏松,岩石和土壤中的放射性元素容易逸出土壤而进入空气,太阳光照射到森林植物枝叶上会发生光电效应,树木释放出的芳香挥发性物质等能使林中空气发生电离,加上树木有除尘作用,使林区的负离子不仅浓度高,而且寿命较长。有资料表明,森林的空气负离子浓度比城市室内可高出80～1600倍[7],森林环境中高浓度的空气负离子已成为一种宝贵的旅游资源。3、2森林空气负离子日变化和年变化特征据许多学者研究,空气负离子浓度会表现出昼夜变化和季节变化特征。王洪俊测得阔叶林和针阔混交林中的空气负离子浓度均在12:00左右出现最低值,但最高值的出现则有差异,阔叶林最大值出现在6:00左右,而针阔混交林出现在23:00左右。邵海荣等测得,空气负离子最大值出现在9:00～11:00,次大值出现在4:00～5:00,最小值出现在23:00前后。吴际友等在沉水樟林分中发现7:00～9:00和23:00～01:00两个时段空气负离子出现峰值。吴楚材等发现负离子浓度在7:00～9:00和22:00～24:00出现峰值,而且19:00～21:00时也比较高。还有研究表明,同一地段不同天气条件负离子浓度日变化特征不同。在晴天,空气负离子15:00和19:00时达到最大,凌晨1:00处于最低,多云天气则是8:00和12:00时达到最大,其他时间平稳。由此看来,空气负离子的日变化特征随季节、地区和天气条件不同而异。一年当中,空气负离子浓度夏、秋高于冬、春,且夏季最高,冬季最低。夏季负离子浓度高与该季节内空气相对清洁、湿度大、植物生长茂盛、代谢功能强、太阳紫外线照射强烈等因素有关,冬季浓度较小主要由于冬季植物光合作用微弱,空气污染相对严重,风沙大,雾多。3、3影响空气负离子浓度的因子(1)林分因子同一林分类型,郁闭度、树龄不同,负离子浓度不同。林分的生命力越旺盛、代谢功能越强烈,其空气负离子浓度越高。关于树种对空气负离子的影响,不同研究得出的结论不同。吴楚材等发现针叶林负离子浓度高于阔叶林,并认为主要原因是针叶树树叶呈针状,等曲率半径较小,具有“尖端放电”功能,使空气发生电离,从而提高空气中的负离子水平。邵海荣在北京地区的研究表明,针叶林中的空气负离子年平均浓度高于阔叶林,但春夏季阔叶林的浓度比针叶林高,秋冬季则针叶林高于阔叶林。王洪俊发现,相似层次结构的针叶树人工林和阔叶树人工林的平均空气负离子浓度并无显著差异,只是负离子浓度高峰的出现时间不同。刘凯昌等对不同林分空气负离子浓度进行测定发现,c(阔叶林)c(针叶林)c(经济林)c(草地)c(居民区)。所以,关于针叶树和阔叶树对空气负离子的影响,目前还没有一致的结论,这可能与测定季节、林分年龄、林分长势、林分结构等因素不同有关。关于具体树种之间的比较,目前还少有报道,今后应加强这方面的研究。不同的森林层次结构负离子浓度不同。同一树种的纯林,仅有乔木层的林分比有下木和地被物的林分负离子浓度低,乔灌草复层结构显著高于灌草结构和草坪。在双层绿化结构中,负离子浓度为乔灌结合型较高,乔草结合型次之,灌草结合型较低,在单层绿化结构中,负离子浓度以单层乔木较高,单层灌木次之,单层草被较低。此外,在城市绿地系统中,生物多样性和森林覆盖率越高,空气负离子浓度也高。(2)气象因子不同天气条件下,大气物理特性(如产生空气负离子的紫外线、宇宙射线、放射性物质等)不同,空气中的负离子浓度也不同。气候不同还影响生物的生命活动过程,从而影响空气负离子浓度。阴天的空气负离子含量明显低于晴天。原因是晴天太阳光强烈,丰富的紫外线有助于空气负离子的产生,同时,植物的光合作用也比较强烈。雨过天晴,空气负氧离子浓度明显高于晴天干燥时,原因是下雨过后,空气湿度大,空气中尘埃少,植物光合作用强烈。阵风与空气负离子浓度的关系也很密切,空气负离子浓度在有阵风时比无风时高。但一般认为风速、风向与空气负离子浓度无关。许多研究认为,空气负离子与空气温度成显著负相关,与空气相对湿度成显著正相关,即空气负离子浓度随温度升高而降低,随空气相对湿度升高而增加。但也有人提出相反的观点,即空气负离子浓度与空气温度成正相关,而与相对湿度成负相关。据笔者观测,温度高时,空气负离子浓度较高,空气潮湿的天气负离子浓度低一些。雾对空气负离子也有显著影响。雾越大,空气负离子浓度越低,二者呈负相关关系。原因是空气中的小离子以雾的凝结核为中心聚集成大离子而沉降。另外,雨后天晴时空气负离子比干燥晴天要高,笔者在广州白云山观测时也发现了类似规律性。(3)水体不同状态的水体周围空气负离子浓度有显著差异。许多研究证实,动态水能明显增加周围空气负离子浓度。瀑布周围的空气负离子浓度最高,如鼎湖山飞水潭瀑布空气负离子浓度达98100个/cm,昆明世博园人造瀑布空气负离子浓度达12175个/cm。随着离水体距离的增加,空气负离子浓度显著下降。动态水增加空气负离子的原因是,高速运动的水滴会破碎,失去电子而带正电荷,而水体周围空气捕获了电子成为负离子;同时,动态水在喷溅过程中对周围空气起到淋洗清洁作用,减少了空气中凝结核的数量,并增加了空气湿度。静态水附近空气负离子浓度明显下降,一般每立方厘米空气中只有几百个。(4)人为活动及环境污染人群密集的地方,尤其是吸烟环境中,空气负离子浓度明显降低,这是因为人群密集的地方空气污染,二氧化碳、烟雾和尘埃数量多,而这些物质对负氧离子有吸附作用,吸附后连同污秽物形成重离子而沉降。北京地区空气负离子浓度由市中心往郊区方向逐渐增加,至远郊区达到最大,说明人为活动和环境污染降低了空气负离子浓度。(5)土壤、母岩、海拔高度海拔高度、土壤性质、母岩类型等都会影响空气负离子浓度。一般认为,随着海拔高度增加,空气负离子浓度升高,但笔者在广州帽峰山观测的结果则与此相反。关于土壤性质和母岩类型对空气负离子的影响,目前还少有具体的研究。(6)建筑材料建筑材料也影响空气负离子含量。吴楚材等测定了广西金秀大瑶山风景区内不同料建成的森林小屋内空气负离子浓度,发现小竹屋的空气负离子含量高于森林小木屋,而小木屋高于石质小屋。这一研究结果对