城市绿地在提升空气负离子浓度方面的研究进展

华中农业大学 朱婧 裘鸿菲 朱春阳

摘要：空气负离子（NAI，negative air ion）在空气净化、城市微气候等方面有调节作用，其浓度是城市空 气质量评价的重要指标之一。本文对空气负离子的基本概念进行了概述，通过对 NAI 的产生机理进行归纳，对 NAI 的测定方法与评价方法进行总结，总结得出城市绿地对 NAI 浓度的影响研究主要集中于自然环境要素和人 工环境要素方面，主要的影响因素有气候、土壤、地形、水体、植物单体、植物群落以及人类活动。目前的研究 大多针对于单个影响因素对 NAI 浓度的影响，对于各个因素之间的主导协同关系的研究还较为匮乏，且城市绿 地在提升 NAI 浓度方面的大多数研究存在研究结果可比性不强的情况。

关键词 : 空气负离子浓度；城市绿地；影响因素

随着城市园林绿化的迅速发展，居民对美好环境的需求愈发迫切，在关注城市公园绿地美学的基 础上，相关学者逐渐开始研究绿地与人体健康的关系[1]。空气负离子 （NAI：negative air ion）被广泛赞誉为“空气维生素和生长素”， 它不仅能够对人体的血氧输送、吸收和利用中产生较大的作用，还可以促进人体的新陈代谢，提高人体 免疫能力，调节机体功能平衡[2]。 现如今，NAI 的浓度已经成为衡量空气质量的重要指标之一 [3]，它的重要来源就是绿地中的植物叶片尖端放电、光电效应和光合生理等方式 [2]。学者们通过研究城市绿地与空气负离子浓度的影响，不仅可以为更好的改善城市空气质量提出解决思路，还可以为今后设计出更为健康适宜的城市绿地提供科学依据和设计思路。

1. NAI 基本概念及产生机理

1.1 基本概念

在一定的条件下，空气里的气体分子会被电解，成为带正电荷或者负电荷的离子，其中带负电荷的单个气体分子和轻离子形成的 原子团就被总称为空气负离子 [4]。 NAI 则因为它自身带电的特征，可以吸附空气里漂浮的污染物和细菌，并达到灭菌、降尘、净化空气 的作用，影响人体的新陈代谢，改善肺部功能。

1.2 产生机理

空气电离产生NAI 所需要的外界条件一般有：1）放射性物质 或宇宙射线的辐射；2）紫外线辐 射及光电效应；3）瀑布效应；4） 植物“尖端放电”；5）土壤内外 空气分子的交流作用；6）萜烯类、芳香类物质；7）自然或人为的放电。

2. 研究方法

NAI 浓度指的是在单位体积下 空气中含有的 NAI 的个数，一般以 1m³ 的空气中所含 NAI 数量来表 示，其单位为“个 /m³”。2017 年， 中国气象局将 NAI 的浓度从高到 低分为了四个等级（表 1）

表 1 NAI 浓度等级表

2.1 NAI 的测定方法

2.1.1 检测仪器

负离子浓度测量仪是测量负离子浓度的专用仪器，根据其离子收集器结构的区别，大体可以将其分为两类。一种是采用平行电板结构的电极式传感器，另一种是采用电容式冷凝管的圆筒式传感器（表 2）。

表 2 离子收集器优缺点对比

2.1.2 检测方法

NAI的浓度检测方法一般分为人工观测法以及长期定位观测法。因为 NAI 具有瞬时变化大的特征，因而观测时会选取多个地点对照观察，为了提高检测的准确性和实验的可靠性，会对观测点的不同方位进行测量，还会使用仪器自动存储的数据进行分析并提取均值。

2.2 NAI 的评价方法

目前，在实际研究中最为常用的NAI的评价标准是单极系数、 安倍空气离子评价模型以及森林空气离子评价模型。

2.2.1 单极系数

一般情况下，空气中正、负离子浓度会有一定的差异，这也被称之为大气的单极性。空气的单极性一般会使用空气中的正、负离子的比值来表示，因而这个值也被称之为单极系数，即：

 单极系数越小的时候，空气中负离子浓度也就越高，对人体也会越有利 [5]。研究表明，当 n- ＞ 1000 个 /m³，且 q ≤ 1 时，空气清洁舒适，对人体健康有益。

2.2.2 安倍空气离子评价模型日本学者安倍在居民生活区的 NAI浓度的研究基础上，建立了安倍空气离子评价指数 [6]，其表达式为：

式中 : CI 为空气离子评价指 数；n+ 和 n- 分别为空气中的正离子数和负离子数 ( 个 /m³)；q 为单极系数。

2.2.3 森林空气离子评价模型

后来，在安倍空气离子评价模型的基础上 , 国内的学者提出了森林空气负氧离子评价模型。其森林空气负氧离子评价指数：

式 中：p 为 空 气 负 离 子 系数 ,p=n- /( n-+n+ )；n+、n- 分别为空气中正离子浓度和负离子浓度；1000 为人体生物学效应最低负离子浓度。

0.5 是清洁空气与污浊空气的负离子系数临界值：大于 0.5 为清洁空气 , 小于 0.5 为污浊空气。

3. 城市绿地对 NAI 浓度的影响研究

目前已经有大量的研究表明，城市绿地在提升 NAI 浓度上起到了关键的作用，NAI 浓度的提升与城市绿地的自然环境要素和人工环境要素密切相关。

3.1 自然环境要素

3.1.1 大气对 NAI 浓度的影响研究

目前针对城市绿地的大气对NAI 浓度的影响主要集中在绿地的温湿度、季相、风速以及光照强度（表 3）。从上表可以来看，NAI 浓度和相对湿度存在着明显的正相关关系，但是从 NAI 浓度与温度的关系可以看出，在一定温度条件下，是存在正相关关系，但从NAI 浓度的年变化特征与温度不存在相关关系；对于季相来说，夏季的 NAI 浓度是最高的季节是相关研究中比较普遍存在的结论；风速可以通过空气的摩擦而有效增加NAI 的浓度，但是同时也会促进空气中的离子与空气中的颗粒物发生沉降，目前对于风速与 NAI 浓度的关系，各位学者结论不一，还需要进一步论证；光照通过影响植物的光合作用的速率和强度影响 NAI浓度 [17]，研究还发现光照强度与NAI 浓度的关系存在着季相的影响，通常情况下夏季的光照强度与NAI 浓度呈负相关，而春秋冬则呈正相关关系。

3.1.2 土壤对 NAI 浓度的影响研究

土壤与 NAI 浓度的研究目前较少（表 4），有学者通过实验对土壤施加脉冲电刺激，使植物产生非常显著的 NAI 倍增效应；还有学者通过实地测量发现土壤对 NAI浓度最主要的影响因素有两个，一个是土壤的结构通过间接的影响土壤中的微生物或者树根与空气的NAI 交换，另一个是土壤的理化性质影响植物的生长发育等生理状态，通过影响植被气孔的开放，进而影响 NAI 的浓度；还有专家认为土壤辐射可以增加 NAI 浓度。这表明土壤对 NAI 浓度是存在着影响的，因此这一部分的研究有待进一步的深入。

3.1.3 地形对 NAI 浓度的影响研究

大部分的研究显示（表 5），NAI 的浓度会随着海拔高度的增加，先升高后下降，呈现出明显的垂直变化现象。有学者认为这个“拐点”的海拔在 450m 左右，还有学者提出冬季的 NAI 浓度与海拔没有相关关系，关于海拔对 NAI浓度的影响还需要后续的进一步研究。在 NAI 浓度的影响与坡向和坡度的关系这一方面，相关的研究较少，仅有少量的研究表明坡度与NAI 浓度呈显著的正相关关系，有坡度的地形会影响林下光照条件、水分截留状况，通过间接影响植物群落的微气候环境效益进而影响 NAI 浓度。而坡向对 NAI 浓度影响则存在着争议。有研究显示夏季的阳坡NAI浓度显著高于阴坡，但也有研究显示，阴坡的 NAI 浓度显著高于阳坡，这个结果被认为是因为阴坡湿度较大，间接的影响了 NAI 的浓度。

表 3 大气对NAI 浓度的影响研究

表 4 土壤对NAI 浓度的影响研究

表 5 地形对NAI 浓度的影响研究

3.1.4 水体对 NAI 浓度的影响研究

水体对 NAI 浓度的影响研究目前主要集中于水体距离、状态以及面积（表 6），大量研究表明，水体能够显著提升 NAI 浓度，学者分析，其主要原因是 NAI 依赖水分子而存在，而水体能够显著提升空气中的湿度；而动态水的NAI 浓度显著高于静态水，是由于Lenard 效应，动态水产生的水雾带负电荷，容易被空气流动带走形成 NAI，而且动态水能够对周围的空气起到淋洗的作用，大大降低了空气颗粒物吸附 NAI 的可能。

3.1.5 生物对 NAI 浓度的影响研究

3.1.5.1 植 物 群 落 对 NAI 浓度的影响对于群落类型来说（表 7），虽然有研究表明针叶植物由于其针状树叶的形状，具有“尖端放电”的功能，可以促使空气发生电离从而增加 NAI 浓度，除此之外，有些常绿针叶树种还能够产生的有芳香气息的挥发物质也能够对 NAI的产生做出贡献，但仍然有研究呈现出阔叶林的 NAI 浓度高于针叶林的情况，甚至还有研究表明针叶林和阔叶林的 NAI 平均浓度并没有差别。因此，对于针叶林和阔叶林的研究还需要更为具体的实验去探究它们对 NAI 浓度的影响是否存在差异，且差异是否明显。虽然针叶林和阔叶林对 NAI 的贡献还存在着争议，但是从这些研究可以看出，针阔混交林对 NAI的影响通常都是介于两者之间的。关于群落结构，普遍的观点都是复杂的群落结构对 NAI 的影响是明显高于单一群落结构的。双层的植物群落（尤其是乔 - 草结构）对 NAI 的影响最大；群落结构的复杂性与负离子的变异性呈负相关关系。不同的群落结构的 NAI浓度有明显差异，但同时相同群落结构内的 NAI 浓度也存在一定的差异，这个差异可能与郁闭度有关。NAI 浓度在一定范围内会随着绿地郁闭度的增加而升高，但有研究认为，郁闭度对 NAI 的影响存在一个阈值，当超出这个阈值后，阳光可能无法穿透林冠层照射到底层植物的叶片，以至于叶片无法进行光电反应。

3.1.5.2 植物单体对 NAI 浓度的影响

学者们对植株的种类、植物特性以及植物类型和 NAI 的关系展开了一定的研究（表 8）。研究表明，植物的种类与类型存在的差异，对 NAI 的影响也产生着差异；植株高度、盖度、树龄都与 NAI浓度呈现出正相关关系。

3.2 人为环境要素

人为环境要素对 NAI 浓度的影响主要与人的活动以及汽车尾气相关（表 9）。研究表明，人流量和车流量都与 NAI 的浓度呈显著负相关，这可能是人的活动和汽车尾气所导致的，这不仅会使空气中的颗粒物如粉尘和烟等增加，还会让 CO2 浓度得到提升，NAI 离子会中和掉产生的一部分带正电的离子，还有一些大气溶胶粒子则会吸附 NAI 形成重离子后沉降，因而导致 NAI 浓度降低 [48]。

表 6 水体对NAI 浓度的影响研究

表 7 植物群落对NAI 浓度的影响研究

表 8 植物单体对NAI 浓度的影响研究

表 9 人为环境要素对NAI 浓度的影响研究

4. 结论

目前国内的学者对城市绿地影响 NAI 浓度的各种因子做了大量的研究，证实了城市绿地确实能够通过各种因子的相互作用来提升 NAI 浓度。但不同地区的地理环境和植被类型存在差异，人为活动强度也不同，在实验过程中又存在仪器、检测方法和分析方法不同，因而导致NAI 浓度的影响结论各异，并且还存在研究结果差异的可比较性不强，使得一部分研究缺少同一且明确的定论，甚至还会出现完全对立的结论。除此之外，目前的研究的基本上都是植物某种或少数某几种特征因子对 NAI浓度的影响，或者是微气候因子对 NAI 浓度的影响，很少将两者结合起来进行分析探讨，但毕竟在城市绿地中影响 NAI 浓度的不仅仅只是某个因子，而是多因子交互作用影响的结果，因此在未来的研究中，希望能够综合考虑各个因子之间的主导协同关系，合理选取研究对象和指标进行更加系统全面的研究。

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作者信息

第一作者：朱婧（1996—），女，华中农业大学在读硕士研究生，研究方向为风景园林规划设计与理论。

通信作者：裘鸿菲（1962—），女，博士，华中农业大学教授，博 士 生 导 师，研究方向为风景园林规划设计与理论。

第二作者：朱春阳 (1983-), 男，博士，华中农业大学副教授，研究方向为园林植物景观与绿地规划。