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空气负离子是指具有负电荷的气体分子以及轻离子团的总称，能吸附空气中的悬浮污染物，具有医疗保健、净化、杀菌、降尘的作用，被称为“空气维生素”[1-2]。空气负离子可调节呼吸系统、心血管系统、神经系统等人类生理机能，并提高人体对外界环境的抵抗力[3-4]，其浓度大小是评价空气质量的重要指标[5]。空气负离子在森林、海边、瀑布等地方含量较高，其产生机制主要是植物叶片尖端放电、自然界的雷电现象、光电效应、喷泉等冲击作用[6]。目前，我国气象、林业部门等已将空气负离子浓度作为气象监测站监测的重点参数，其监测结果可作为地区空气清洁度以及生态健康性的依据，研究其变化规律及空气离子浓度的影响因素对生态评估有重要意义。
国内外学者对空气负离子浓度已经有了一定研究，目前，国外研究主要侧重空气负离子在医疗健康[7-8]和临床医学上的功用[9]、不同空气负离子浓度变化规律[10]等方面。国内对空气负离子浓度的研究也进入一个新的阶段，研究方向主要是对城市绿地及森林旅游区空气离子浓度监测[11-13]，以及不同环境因素对空气负离子浓度变化的影响[14-16]。肖红燕[17]、叶彩华[18]、邓玲[19]等研究了森林内空气负离子浓度在不同生态环境条件下的差异性以及变化规律，主要集中在气象因素、林分因素方面，结果表明，空气负离子浓度与风速、水、植物、相对湿度等外界环境因素有较为密切的关系，其中水对空气负离子浓度影响最大[20]。王晓磊[21]、段文军[22]、关蓓蓓[23]等对济南、深圳等温带、亚热带气候城市内部林分的空气负离子浓度进行观测并进行评价，研究其保健效果，主要侧重于空气负离子浓度对人居环境的改良与净化作用[24]。总体上，不同空气负离子浓度会随周边环境不同而产生差异，城市和森林生态系统空气负离子浓度存在差异，森林区的空气负离子浓度要高于城市区[25]。
目前国内外对于空气负离子浓度变化规律及影响因素仍处于探索阶段。空气负离子浓度随自然环境条件不同存在差异，且现阶段主要集中在东南地区的研究[26-27]，对北方土石山区的研究较少。张家口市是冀西北地区的中心，具有典型冀北山区特征，是连接京津的交通枢纽。崇礼区紧邻张家口市中心，更是2022年冬奥会举办地之一，该地区对空气质量有较高的要求，空气离子浓度特征具有重要研究价值。本研究通过对油松(Pinus tabulaeformis Carr.)林(PF)、白桦(Betula platyphylla Suk.)林(BF)、河北杨(Populus hopeiensis Hu et Chow)林(PHF)3种崇礼区主要林分类型的空气负离子浓度变化规律以及影响因素进行研究，为该地生态效益评估以及生态旅游规划与发展提供依据。
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崇礼区位于河北省西北部(40°47′~41°17′ N，114°17′~115°34′ E)，地处内蒙古高原与华北平原过渡地区，隶属于张家口市，属于东亚大陆性季风气候中温带亚干旱区，夏季凉爽而短促，气温比较稳定，昼夜温差较大，雨量集中，平均气温在19℃左右，是2022年冬奥会主要竞赛场地之一。崇礼区森林资源丰富，林地面积达4 500 hm2，森林覆盖率达到52.38%，常见乔木种有油松、落叶松(Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.)、白桦、河北杨等；常见灌木种有沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)、榛子(Corylus heterophylla Fisch.)等；常见草本有披碱草(Elymus dahuricus Turcz.)、碱菀(Tripolium vulgare Nees)等。
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采用日本COM 3200PRO空气负离子检测仪，测量区域内不同林分的负离子浓度，测量分辨率为10 ion·cm-3，测量范围为0~1 999 000 ion·cm-3，工作气温在5~35℃之间，工作相对湿度在85%以下。气温、相对湿度采用NK4500手持气象站同步测量，不同林分叶片光合特性采用LI-6400光合作用仪测定[23]。
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本研究观测时间为2016年8月3日到28日，选取崇礼区石窑子乡(115°15′49″~115°15′33″E，40°59′35″~40°59′10″N)河北杨(PHF)、白桦(BF)和油松(PF)3种纯林，各林分基本情况如表 1，并以开阔无林地为参照，在试验期间，选择晴朗无风(平均气温28~32℃，相对湿度35%~55%)的天气条件下观测，以每周为1组共进行3组试验，每组在天气适宜情况下测量4天，且3种林分同时测量，每个林分试验人员两名，采用3组测量结果求平均值的方法。每个林分类型在林深15 m以上选点并设立两个测点作为对照，每个测点仪器离地高度为1.5 m，测量时间为8:00— 18:00，由一名试验人员每次连续测量10 min并记录数据，每隔1 h观测1次，求得3组共12天平均值作为有效值并分析不同林分类型日变化规律及特点。同时，另一名试验人员负责使用手持气象站和LI-6400光合作用仪测量气象因素以及植物光合特性。气象因素包括林内气温、相对湿度；植物光合特性包括植物光合速率、呼吸作用速率、气孔导度以及蒸腾速率，测量时间与地点选择与空气负离子浓度测量一致。
林分类型
Stand type林龄
Age of stand /a平均树高
Mean height/m平均胸径
Mean breast high diameter/cm郁闭度
Canopy density海拔
Altitude/m坡度
Slope position/°坡向
Slope aspect密度
Density/ (n·hm-2)PHF 28 14.8 25 0.75 1 150 28 阴坡 964 BF 30 12.6 23 0.70 1 035 20 阴坡 922 PF 20 8.5 19 0.67 893 25 阴坡 1 035 Table 1. Basic situation of different forest types
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对各测点观测数据整理分类，计算各个时间段内不同林分类型空气负离子浓度平均值并列表综合比较，作对比图，分析各林分类型空气负离子浓度随时间变化的特征。
本研究筛选可能影响空气负离子浓度的主要因素，包括空气负离子浓度与气温、相对湿度、植物光合特性，并进行相关性分析，研究不同因素对空气负离子浓度的影响。相关性分析运用SPSS19数据分析软件统计。
不同林分空气质量特征是通过单极系数法以及空气质量评价系数来研究，单极系数是指空气正离子与负离子的比值，其中，n-为空气负离子浓度，n+为空气正离子浓度[19]。大多数学者经过研究后认为，q值应等于或小于1，才能带给人舒适感[24]。计算公式如下：
空气质量评价系数是以空气中离子浓度为评价因子，评价空气质量是否利于人类活动的最常用的指标[25]，其计算公式如下：
式中，CI为空气质量评价系数；q为单极系数。1 000为满足人体生物学效应最低需求的空气负离子浓度。按空气质量评价系数可以将空气质量划分为5个等级，各评价等级如表 2所示。
等级
Grade空气质量
Air quality空气质量评价系数
Air ion assessment indexA 最清洁The cleanest air ＞1 B 一般清洁Clean air 1.00.7 C 中等Moderate clean air 0.690.50 D 允许Allowable clean air 0.49~0.30 E 临界值Unclean air ＜0.291 Table 2. Criteria for classification of air quality evaluation coefficients
1.1. 研究区域概况
1.2. 研究方法
1.2.1. 试验设备
1.2.2. 试验方法
1.2.3. 数据处理方法
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选择在8:00—18:00时间范围内对不同林分类型及无林地空气负离子浓度日变化进行连续观测，分析不同林分类型空气负离子浓度变化特点。
对崇礼区3种典型林分以及无林地空气负离子浓度日变化进行观测，如图 1所示，总体来说，早上8:00开始负离子浓度随时间增加而增加，10:00左右达到第一个峰值，在13:00左右达到低谷，但随着时间的变化空气负离子浓度又重新呈增加趋势，在16:00左右达到第二个峰值后又呈逐渐降低趋势。空气负离子浓度均值从高到底依次为：河北杨(1 101 ion·cm-3)＞白桦(847 ion·cm-3)＞油松(755 ion·cm-3)＞无林地(344 ion·cm-3)。其中，河北杨纯林在16:00左右空气负离子浓度达到峰值1 479 ion·cm-3，在8:00为最低值864 ion·cm-3；白桦纯林空气负离子浓度最高的时间为16:00左右，达到1 142 ion·cm-3，最低的时间为8:00左右为674 ion·cm-3；油松纯林空气负离子浓度在10:00左右达到峰值为954 ion·cm-3，在11:00左右达到最低值为562 ion·cm-3。分析可知，生长状况相似的条件下，3种纯林变化规律总体呈“双峰型”，河北杨空气负离子浓度波动幅度最大，白桦空气负离子浓度波动幅度居中，油松空气负离子浓度波动较小，但波动幅度均值均大于无林地。不同林分空气负离子浓度均值存在较大差异，河北杨、白桦纯林空气负离子浓度要高于油松，表明阔叶林空气负离子浓度要高于针叶林，且有林地空气负离子浓度明显高于无林地，这与周斌[28]、汤秋嫄[29]等的研究结论一致。
Figure 1. Diurnal variation of negative air ion concentration in different forest types.
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不同林分空气负离子浓度不仅受外界环境的影响，还与自身植物特性有关[20]。本文选择海拔、坡度等地形因素相近、树种不同的纯林为研究对象，对影响空气负离子浓度变化的主要气象因素与植物因素进行相关性分析，研究各因素对不同林分类型空气负离子浓度变化的影响。
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空气负离子浓度受气温、相对湿度影响较大，在测量不同林分空气负离子浓度日变化时同步测量各林分气温、相对湿度日变化情况，对河北杨、白桦、油松负离子浓度与气温、相对湿度数据绘制散点图，如图 2、图 3所示，可看出各林分与气温、相对湿度呈线性相关。
Figure 2. The relationship between negative ions and temperature in different stands
Figure 3. The relationship between negative ions and humidity in different stands
通过回归分析可知，河北杨空气负离子与气温、湿度的回归方程分别为y= -43.665x+2 215.6，R2=0.583；y=18.664x+252.15，R2=0.819 8。白桦空气负离子与气温、湿度的回归方程分别为y=-86.894x+3 240.4，R2=0.527 6；y=17.947x+114.42，R2=0.637 8。油松空气负离子与气温、湿度的回归方程分别为y=-45.939x+2 020.6，R2=0.609 3；y=20.067x-123.33，R2=0.695 6。
对不同林分空气负离子浓度与气温、相对湿度进行Pearson相关性分析(表 3)。可知河北杨、白桦、油松纯林空气负离子浓度与气温均在0.01水平上呈极显著负相关；且与相对湿度在0.01水平上呈极显著正相关。表明当气温、相对湿度变化时，空气离子浓度随之发生改变。在一定范围内，气温升高，空气负离子浓度降低，呈负相关；而相对湿度升高，空气负离子浓度随之升高，呈正相关。从相关性系数可看出，各个林分类型与相对湿度的相关系数数值要大于气温，表明相对湿度对空气负离子浓度的影响作用要大于气温对空气负离子浓度的影响。
类型Stand type 负离子浓度NAI concentration 气温Temperature 相对湿度Humidity PHF -0.764** 0.905** BF -0.726** 0.799** PF -0.740** 0.834** **表示在0.01水平(双侧)上极显著相关
** Indicates an extremely significant correlation at 0.01 level (bilateral)Table 3. Correlative coefficient of negative air ion concentration and meteorological factors
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本研究选择在监测空气负离子浓度的同时，对不同树种光合特性日变化进行监测得到其变化情况，如图 4所示。3种纯林净光合速率均值从大到小依次为河北杨(8.82 μmol·m-2·s-1)＞白桦(7.05 μmol·m-2·s-1)＞油松(6.16 μmol·m-2·s-1)；蒸腾速率均值从大到小分别为油松(2.68 mm·m-2·s-1)＞河北杨(1.42 mm·m-2·s-1)＞白桦(1.36 mm·m-2·s-1)；胞间CO2浓度均值从高到低分别为河北杨(304.24 μmol·mol-1)＞白桦(274.68 μmol·mol-1)＞油松(195.37 μmol·mol-1)；气孔导度均值从大到小分别为河北杨(0.17 mol·m-2·s-1)＞白桦(0.15 mol·m-2·s-1)＞油松(0.10 mol·m-2·s-1)。可知3种林分净光合速率与蒸腾速率均有明显“午休”现象，均在12:00—13:00左右出现低谷，变化趋势较一致。河北杨与油松在13:00左右出现低谷，是温度过高导致气孔关闭造成的，而白桦在13:00左右出现一个峰值，可能由于白桦叶片对温度适应能力更强；而各林分的胞间CO2浓度变化总体呈逐渐降低的趋势并伴随波动，没有明显规律；气孔导度日变化波动不明显。
Figure 4. The relationship between negative ions and plant photosynthetic characteristics in different stands
对不同林分空气负离子浓度与各林分植物光合特性进行Pearson相关性分析，如表 4所示，发现空气负离子浓度与光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度之间存在正相关关系，但不同林分类型与各指标显著程度存在差异。河北杨纯林空气负离子与光合速率、蒸腾速率在0.05水平上呈显著正相关，相关系数分别为0.608、0.593；与气孔导度、胞间CO2浓度的相关性不显著，表明河北杨纯林空气负离子浓度主要受光合速率和蒸腾速率影响，随着其升高而升高。白桦纯林空气负离子浓度与光合速率、蒸腾速率在0.05水平上呈显著正相关，相关系数分别为0.615、0.610；与气孔导度、胞间CO2浓度的相关性不显著，与河北杨相似。油松纯林空气负离子浓度与光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度在0.05水平上呈显著正相关，相关系数分别为0.609、0.601、0.594；与气孔导度的相关性不显著，除了与光合速率、蒸腾速率呈显著正相关外，油松空气负离子浓度变化还与胞间CO2浓度呈显著正相关，可能受其针叶叶型的影响。综合分析可知，植物光合特性与空气负离子浓度呈正相关，其中光合速率、蒸腾速率对空气负离子浓度影响较大。
类型
Stand type光合速率
Photosynthesis speed蒸腾速率
Transpiration rate气孔导度
Blowhole leading胞间CO2浓度
Intercellular CO2 concentrationPHF 0.608* 0.593* 0.254 0.202 BF 0.615* 0.610* 0.218 0.129 PF 0.609* 0.601* 0.487 0.594* *表示在0.05水平(双侧)上显著相关
*Indicates an extremely significant correlation at 0.05 level (bilateral)Table 4. Correlative coefficient of negative air ion concentration and plant photosynthetic characteristics
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对3种林分空气负离子浓度监测同时对正离子浓度进行同步测量，研究该地区不同林分空气质量评价指数，得到崇礼区3种典型林分类型的空气单极系数日变化规律，如图 5所示。其中，无林地单极系数总体远高于有林地单极系数，且无林地在各个时间段内单极系数值均大于1，均值为1.37；不同林分空气单极系数变化规律总体上呈双低谷型，变化规律与空气负离子变化规律总体相反，其最大值出现的时间基本处于11:00—13:00之间，即不同空气负离子浓度最低的时间段，此时各林分单极系数总体大于等于1，不适宜人类外界活动。不同林分单极系数平均值从小到大依次为河北杨(0.92)＜油松(1.01)＜白桦(1.25)＜无林地(1.37)，单极系数越小，表明该林地舒适感越好，说明有林地更适宜室外休闲活动。
Figure 5. Diurnal variation of unipolar coefficient of different forest
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根据崇礼区3种典型林分类型的空气质量评价系数日变化规律，如图 6所示，可知无林地CI明显低于有林地，且随时间变化特征不明显。河北杨CI随时间波动较大，大部分时间段空气等级达到等级A，其最大值出现在16:00达到等级A，最低值出现在13:00为等级B；白桦与油松CI随时间变化呈双峰型，白桦在9:00达到第一个峰值达到等级B，12:00降至最低值为等级C，随后不断增加在16:00达到第二个峰值为等级A；油松在10:00达到第一个峰值为等级A，随后迅速降低达到最低值为等级D，其后时间段内变化不明显直至16:00达到第二个峰值为等级A。
Figure 6. Diurnal variation of air quality evaluation coefficient in different stand
总体分析可知，不同林分类型空气质量评价系数日变化趋势有很大不同，但其均值均达到等级B以上且明显高于无林地，表明不同林分类型对空气质量有明显改善作用，各林分空气质量评价指数从大到小依次为河北杨(1.25)＞白桦(0.85)＞油松(0.80)＞无林地(0.27)，崇礼区典型林分类型空气质量评价指数极大值出现在16:00，表示此时空气质量最好，11:00—13:00时间段的系数相对较小。
2.1. 不同林分空气负离子浓度变化规律
2.2. 空气负离子浓度影响因素
2.2.1. 气象因素的影响
2.2.2. 植物光合特性的影响
2.3. 不同林分空气质量评价参数
2.3.1. 单极系数评价
2.3.2. 空气质量系数评价
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对崇礼区3种典型林分研究表明，不同林分空气负离子浓度日变化存在明显差异，空气负离子浓度变化趋势呈双峰型，空气负离子浓度最高值一般出现在上午10:00及下午16:00左右，最低值出现在12:00—13:00点左右。分析可知，阔叶林空气负离子浓度要大于针叶林，林分对空气负离子浓度有显著调节作用，各林分类型空气负离子浓度变化规律相似并呈双峰型，且有明显午休现象，这与梁红[30]、冯鹏飞[31]等研究结果相似。但高铭聪[32]、袁相样[33]等研究发现空气负离子浓度峰值出现在上午10:00与下午14:00，最低值出现在早晨8:00、正午12:00以及下午18:00后，虽然总体都呈现双峰型，但空气负离子浓度出现峰值时间不同。经分析认为，这是由于研究地区地理条件与外界环境存在差异，且研究林分类型有所不同造成的，属于合理范围内的偏差。
根据前人研究表明，空气负离子浓度受气象因素与植物因素影响较大。空气负离子浓度与气象相关性尚未得出统一定论，本研究得出崇礼区3种典型林分空气负离子浓度与气温呈显著负相关，与湿度呈显著正相关。这与邓玲[20]、曹建新[34]等大部分学者对空气负离子水平与气象因素相关性研究成果一致，但与胡国长[35]、潘剑彬[36]、任晓旭[37]等人观点相反，可能是植被种类及生长状况、研究地气象条件、受人类影响程度以及数据量的大小等原因造成的。空气负离子浓度与植物因素的相关性研究相对较少，植物尖端放电以及光电效应是空气负离子产生机理之一，不同植物类型对空气负离子浓度有不同的影响。植物叶片是空气负离子产生的重要场所之一，具有较高研究意义[33]。本研究通过对植物生理生化特性进行研究可知，不同林分空气负离子浓度与植物光合特性呈正相关关系，其中光合速率与蒸腾速率对空气负离子浓度影响较大。区域空气负离子浓度变化机理是复杂多样的，本研究仅针对当地典型林分进行短期监测，仍然需要长期监测获得大数据量来深入研究。
崇礼区是2022年冬奥会举办地之一，且具有北方土石山区特征，其生态旅游发展规划与负氧离子浓度状况紧密相关。本研究对崇礼区3种典型林分类型空气质量状况进行评价，发现有林地单极系数明显低于无林地，空气质量系数明显高于无林地，表明林分对空气质量有明显改善作用，且阔叶林高于针叶林。16:00左右，该区域空气质量评价指数均达到一般清洁以上，可以为人类活动提供良好环境，其中河北杨纯林空气质量评价指数最高，可为造林设计提供参考并提高空气负离子水平，研究表明在下午16:00左右各林分空气质量均达到最高水平，对户外活动与旅游安排有参考作用。本研究分析崇礼区空气负离子浓度变化规律及其影响因素，首先，弥补了空气负离子浓度研究在冀北土石山地区的缺失，为地区范围内其他城市空气负离子浓度研究提供参考；其次，本研究为改善区域舒适度及空气质量提供基本数据，并有利于当地植被配置模式的改良与调整，发挥其生态旅游服务功能，有助于旅游经济与生态保护协调发展，为2022年冬奥会提供绿色健康的环境。
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(1) 崇礼区不同林分类型空气负离子日平均浓度从高到低为：河北杨(1 101 ion·cm-3)＞白桦(847 ion·cm-3)＞油松(752 ion·cm-3)＞无林地(344 ion·cm-3)，空气离子浓度变化趋势呈双峰型，空气负离子浓度最高值一般出现在上午10:00及下午16:00左右，最低值出现在12:00—13:00点左右。
(2) 影响空气负离子浓度的主要气象因素为温度与湿度，研究表明，空气负离子浓度与温度呈负相关，与湿度呈正相关，其中不同林分类型空气负离子浓度与温度、湿度均呈极显著线性关系，且相关性明显高于无林地。
(3) 影响空气负离子浓度的主要植被因素为植物光合特性以及叶片色素含量，其中，空气负离子浓度与植物光合特性呈正相关关系，且光合速率、呼吸速率对空气负离子浓度影响较大。
(4) 对崇礼区3种典型林分类型空气质量状况进行评价，不同林分单极系数从小到大依次为河北杨(0.92)＜油松(1.01)＜白桦(1.25)＜无林地(1.37)，各林分空气质量评价指数从大到小依次为河北杨(1.25)＞白桦(0.85)＞油松(0.80)＞无林地(0.27)，表明林分对空气质量有明显改善作用，且阔叶林优于针叶林，下午16:00左右更易于人类休憩娱乐。
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