《空气负离子时空特征及其生态效应研究——以黑龙江省为例》以黑龙江省为研究区，通过大量空气负离子观测数据，分别介绍城市公园森林、湿地环境、大兴安岭针叶林空气负离子浓度变化特征，以及黑龙江省空气负离子空间分布特征，阐述空气负离子与关键环境因子之间的关系，揭示空气负离子时空动态变化规律。

第1章 绪论
1.1 空气负离子的定义及来源
空气负离子是空气中带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称（张双全等，2015；Terman et al.，1995），其成分包括 O2-(H2O)n、OH-(H2O)n及 CO4-(H2O)2，因为氧气是空气的主要成分且容易获得电子，所以 O2-(H2O)n是空气负离子的主要存在形式（吴仁烨等，2017；丁慈文等，2016；钟林生等，1998）。如果将空气负离子按直径进行分类，通常可以分为小、中、大离子三类（赵雄伟等，2007；章志攀等，2006；邵海荣等，2000）：一般直径范围在0.001～0.003.m为小离子；中离子是通过一个个离子与周围几个中性分子相结合而形成的，通常中离子的直径为0.003～0.030.m；大离子的直径一般在0.030～0.100.m，是由小离子附着在尘埃颗粒上形成的。大离子由于体积较大，很容易被带异性电荷的离子中和而失去电性，所以大离子寿命很短，因此我们平时所说的空气负离子指的是具有**生物活性的小离子。一般情况下，空气中的负离子的浓度略低于正离子浓度，通常比值为1.00∶1.15（李少宁等，2009）。自然界空气负离子主要通过三种形式产生：一是放射性物质、雷电、紫外线等充当电离剂使空气发生电离，产生空气负离子；二是植物产生的萜烯类物���会促使空气电离，此外植物的**放电及光合作用过程也会促进负离子产生；三是水的雷纳德效应，高速运动的水体在重力的作用下发生裂解，产生大量空气负离子（陈欢等，2010）。
随着工业和城镇的飞速发展，工业煤烟和汽车尾气的排放量也不断增长，震惊世界的马斯河谷烟雾事件、伦敦烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾事件、日本四日市哮喘事件及多诺拉烟雾事件为空气质量的保护敲响了警钟。近年来频发的雾霾更是将人们笼罩在白色的恐惧之中，人们出行往往都要带着厚厚的口罩，但是仍很难忍受刺眼的烟尘。种种迹象表明城市的发展过程中，空气污染似乎成了很难治愈的顽疾，这使得城市的发展与人们追求的舒适安逸生活相违背。面对空气污染的种种问题，国内外众多学者掀起了空气质量检测与治理的热潮，空气负离子作为空气清洁度评价的一项重要指标，与人类的生活息息相关，亦被众多学者所关注。
1.2 研究意义
健康的大自然是人类*重要的生存环境，也是*好的物质基础和平台。空气负离子被誉为“空气维生素和生长素”（Jovani et al.，2001；Ryushi et al.，1998），它是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称，其浓度是评价空气质量的重要指标，森林环境中高浓度的空气负离子已成为一种宝贵的环境保健资源（王淑娟等，2008）。在外界某种条件作用下，呈电中性的空气气体分子外层电子脱离原子核的束缚从轨道中逸出，使部分气体带正电荷，这些正电荷和逸出的电子与某些中性分子或原子结合成为阳离子或阴离子，即空气正离子和空气负离子。在现代居住环境中受到环境污染物，如汽车排放的废气、工厂的煤烟、大量使用的农药和化学物质等的影响，使得空气中负离子大量减少，而空气负离子具有降尘、**等净化空气的作用和健康保健等多种功能，近几年空气负离子已成为世界各国研究的焦点（李少宁等，2009）。
森林的树木、叶枝**放电及绿色植物光合作用形成的光电效应，使空气电离而产生负离子。许多植物的茎、皮、叶等器官或组织分化成针状结构，这种曲率较小的针状结构会发生“**放电”作用而诱导空气产生负离子，因而针叶树种分布越多，其周围大气的负离子浓度就越高；植物在光合作用的光反应中，水的光解产生氧气和电子，氧气经过气孔释放到空气的过程中，氧气与产生的电子结合生成负氧离子；植物释放的挥发性物质，如植物精气（又称芬多精）等也能促进空气电离，从而增加空气负离子浓度（林忠宁，1999）；另外，森林环境中造就的特殊气候因子也是产生和维持负离子的重要因素，同时由于森林具有涵养水源的作用，森林中空气湿度较大，还可能产生山泉、瀑布等负离子发生源。
在围绕治理与保护生态环境问题的研究中，人们发现在远离人类活动范围的水体环境中，由于水体运动产生的游离在空气中的负氧离子和负水离子的浓度指数相较于人类活动频繁区域均处于较高水平（邓亚东等，2005）。通过对此类离子（即空气负离子）的研究发现，空气负离子对人体健康有利（何彬生等，2016）。空气负离子具有降低污染物浓度、杀灭细菌、分解中和挥发性有害物质的作用。空气负离子与大气环境污染物有着显著的负相关性，通过监测空气负离子浓度可以直观有效地反映监测区的空气清洁程度，因此空气负离子不仅是评价环境空气质量的重要指标，对于生态旅游区的开发和人居环境的选址也都有着非常重要的指导意义。
通过研究水体环境空气负离子浓度，可以在城市环境规划建设中不过于片面着重于植被绿化，而是将绿地建设与瀑布、跌水、湖泊、溪流等水体环境综合开发利用，既利于城市环境空气质量的改善与提高，也利于城市景观特色的体现。掌握空气负离子生态效应在定量水平上的特征和规律具有重要意义，主要体现在：①生态环境质量的量化评价。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评价指标。国内外对空气负离子的评价还没有统一标准，空气负离子评价指标有单极系数、重离子与轻离子比、空气离子相对密度、安倍空气负离子评价指数、空气负离子系数和森林空气离子评价指数等（曾曙才等，2006）。不同环境条件下的空气离子水平差异很大，因而评价标准也不同（吴楚材等，2001；邵海荣等，2000；钟林生等，1998；李安伯，1988）。②生态旅游。森林中之所以空气清新、洁净，主要原因之一是森林空气中含有高浓度的空气负离子，空气负离子对于生命必不可少，对人体健康十分有益（Jovanic et al.，2001； Ryushi et al.，1998）。随着国内外森林公园的建立和生态旅游的蓬勃发展，空气负离子浓度水平成为评价森林旅游区空气质量的一个重要指标。空气中的负离子达到一定浓度时，它和山川湖泊、海滨沙滩、森林草原等自然资源一样，是自然旅游资源的组成部分，但它是看不见、摸不着的自然旅游资源。作为一种重要的新兴森林旅游资源，空气负离子以科技含量高、形态的无形性和保健价值高迎合了人们追求生态、健康的旅游心理。
但是国内关于空气负离子的研究基本是对一定环境的空气负离子浓度进行测定，然后分析其动态变化及其与周围环境因子的关系，机理方面还有待深入研究。国内研究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（2000）发现针叶林空气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“**放电”功能，使空气发生电离，从而提高空气中的负离子水平。邵海荣等（2005）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（2004）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（2002）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。
德国科学家埃尔斯特（Elster）和格特尔（Geital）于1889年首先发现了空气负离子的存在。1902年，阿沙马斯（Aschkinass）等肯定了空气负离子的生物学意义（邵海荣等，2005）。1903年，俄罗斯学者**发表了用空气负离子**疾病的学术论文。1931年一位德国医**现空气负离子对人体的生理影响。1932年，美国发明了世界上**台医用空气负离子发生器。从此，空气负离子研究在欧洲各国、美国、日本等国开始普及。同时，空气负离子的保健作用一直是欧洲各国、美国、日本等国积极研究的课题（Hideo et al.，2002；Ryushi et al.，1998；Daniell et al.，1991；Krueger，1985）。半个多世纪以来，空气负离子研究在欧洲各国、美国、日本等国都经历了很长的发展、应用阶段：20世纪30年代德国人 Dessauer开创了大气正、负离子生物效应的研究，从此形成了关于空气负离子生物效应的**次研究高潮；第二次世界大战后，美国加州大学的 Albeter Pani Kragan教授和他的研究小组开创了空气负离子生物效应的微观研究与实验，把对空气负离子的研究推向了第二次开发与应用的高潮；20世纪70年代掀起了对空气负离子研究的第三次浪潮（李安伯，1988）。
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年代初两个空气负离子研究的发展高潮（邵海荣等，2005）。目前，我国关于空气负离子方面的研究，主要侧重于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**保健中的作用及其机理、空气负离子资源的开发利用等（吴楚材等，2001；邵海荣等，2000）。
1.2.1 空气负离子评价
国外学者以城市工业区和居民生活区空气负离子为研究对象，建立了一系列空气负离子评价模型，取得了一些重要的研究成果，其中以联邦德国和日本的研究人员取得的成绩*为显著。
联邦德国研究人员在同时测定国内大量工厂、车间空气中负离子含量的基础上，建立了空气负离子相对浓度模型：
式中，分别为空气正、负离子浓度； n0+、n0-分别为空气正、负离子标准浓度。该模型是以城市工业区空气离子为研究对象。其评价结果反映出空气中离子实际监测值与环境标准间的数量关系，能较好地表现工业区的空气污染程度，但不能很好地表示负离子的状况。且此模型的适用范围较小，在较为清洁的地区不宜用此模型。日本学者安倍通过对城市居民生活区空气负离子的研究，建立了空气负离子评价指数（air ion assessment index，CI）模型（钟林生等，1998）：
式中，n.为空气负离子浓度；q为单极系数；1000为满足人体生物学效应**需求的空气负离子浓度。
单极系数 q也是评价空气离子的重要指标。计算公式为
qn n式中，n+表示空气正离子浓度。当 q小于1时，人们会有舒适感。 CI指标已在国外城市空气离子评价中成功应用，目前是国际上通行的空气清洁度评价标准。CI值越大，空气质量越好。其评价标准见表1-1。
表1-1 空气清洁度评价标准
安倍空气负离子评价指数模型以城市居民生活区为研究对象，对城市居民区负离子状况的评价结果较好，该系数能够反映出负离子在空气中的状况。由于森林中负离子数量大，单极系数的取值范围较大，分布很散，若用其对森林旅游区进行评价，会对评价结果的数据处理带来一定的影响，故其不适用负离子浓度大的区域。
石强等（2004）基于安倍空气负离子评价指数模型，根据森林环境中空气离子的特性，结合人们开展森林旅游的目的，提出了森林空气离子评价指数（forest aeroion assessment index，FCI）模型：
式中，FCI为森林空气离子评价指数；P为空气负离子系数；n为空气负离子浓度；1000表示人体生物学效应**负离子浓度。空气负离子系数 P为大气离子中的负离子比率，即。该模型更为突出负离子在空气中的作用，并且通过适当的数学处理将 FCI值限制在较为集中的范围内，在一定程度上能够反映出森林中的负离子状况。
石强等（2004）通过分析国内10个森林旅游区空气离子测定数据，采用标准

目录 前言 第1章 绪论 1 1.1 空气负离子的定义及来源 1 1.2 研究意义 2 1.2.1 空气负离子评价 5 1.2.2 空气负离子浓度分布规律研究 7 1.2.3 森林空气负离子开发利用研究 9 第2章 研究区概况与基础数据 11 2.1 研究区概况 11 2.2 空气负离子数据获取 13 2.2.1 采样点选取 13 2.2.2 实地测量方法 14 第3章 城市公园森林空气负离子浓度变化特征 16 3.1 研究技术路线 16 3.2 空气负离子数据获取及评价方法 17 3.2.1 样地选取 17 3.2.2 实地测量方法 18 3.2.3 内业数据源获取与处理 19 3.2.4 评价方法 19 3.3 空气正、负离子时间分布分析 20 3.3.1 空气正、负离子浓度日变化分布 20 3.3.2 空气正、负离子浓度月变化分布 23 3.3.3 空气正、负离子浓度季节变化分布 25 3.4 空气负离子空间分析 26 3.4.1 空气负离子空间分布 26 3.4.2 空气负离子等距离分析 33 3.5 小结与讨论 36 第4章 湿地环境空气负离子分布研究 39 4.1 野外数据获取与处理 39 4.2 遥感数据获取与处理 40 4.3 水体空气负离子空间分布分析 41 4.3.1 太阳岛风景区—斯大林公园研究区空气负离子分布 41 4.3.2 呼兰河口湿地公园—滨江湿地公园研究区空气负离子分布 42 4.3.3 哈尔滨师范大学研究区空气负离子分布 43 4.4 水体环境空气负离子空间分析 44 4.4.1 湖泊 45 4.4.2 沼泽湿地 45 4.4.3 河流 46 4.4.4 瀑布 47 4.5 水体空气负离子预测模型构建 48 4.5.1 水体空气负离子影响因子 48 4.5.2 水体空气负离子影响因子相关性分析 50 4.5.3 多元逐步回归分析 54 4.5.4 误差检验 57 4.6 小结与讨论 57 第5章 大兴安岭针叶林空气负离子浓度变化特征及其生态效益评价 59 5.1 漠河针叶林空气负离子浓度日变化特征研究 59 5.1.1 针叶林空气负离子浓度的日变化规律 59 5.1.2 针叶林空气负离子浓度与环境因子的关系 62 5.2 漠河空气负离子空间分布特征研究 66 5.2.1 空气负离子空间分布分析 66 5.2.2 空气负离子插值模拟 67 5.3 基于TM数据的漠河市森林空气负离子反演研究 69 5.3.1 野外数据获取与处理 69 5.3.2 内业实验数据处理 70 5.3.3 影响因子分析及植被指数提取 70 5.3.4 地表温度反演过程 75 5.3.5 地表温度反演参数计算 80 5.3.6 空气负离子浓度反演 88 5.4 小结与讨论 96 第6章 黑龙江省空气负离子浓度空间分布特征研究 99 6.1 黑龙江省空气负离子浓度空间分布预测 99 6.1.1 研究数据 99 6.1.2 研究方法 100 6.1.3 检验方法 101 6.1.4 结果与分析 102 6.2 黑龙江省不同景观空气负离子浓度空间格局分析 107 6.2.1 数据来源与处理 107 6.2.2 结果与分析 110 6.3 小结与讨论 115 参考文献 117 彩图