福州大学城空气负离子浓度水平特征研究

2014-12-23林明水钟耀宗

海南师范大学学报（自然科学版） 2014年4期

林明水，钟耀宗

（福建师范大学旅游学院，福建福州350007）

空气作为生活环境的重要组成部分，不仅影响着当地居民的生活质量，同时也是地方发展旅游休闲的重要基础环境因素[1-3].特别是近些年来，随着城市的不断建设，城市空气质量不容乐观，人们常乐于到一个空气质量优越的地方去休闲游憩[4-6].所以空气质量的的测量评价，对地方旅游休闲的开发建设有重要的参考依据[7-11].福州大学城作为福建省人才培养、科研和学术交流中心，面积占地约2000 hm2，聚集着超过20万的人口数量，其环境质量建设和维护显得极为重要.大学城空气质量影响着人们的工作效率和精神状态.本文以福州大学城为试点研究对象，以空气负离子浓度作为控制质量的主要评价指标，尝试对大学城空气质量进行描述.

1 空气负离子概述

1.1 产生机理

空气是由氮、氧、二氧化碳、水蒸汽等分子组成的混合物，这些气体分子和原子在正常状态下，内部的正电荷与负电荷相等，表现出电中性.分子中原子的内部，电子在原子核的吸引力作用下沿电子轨道层运动.越外围的电子因为受到的原子核引力较小，其稳定性越差，当外层电子受到来自外来的能量，如光线、射线、电磁辐射、电击、撞击、生物代谢、气象活动等的影响时，容易脱离运动轨道，成为自由电子.电子带负电极性，自由电子重新与空气中其他中性分子结合，形成带负电极性的“空气离子”，即我们所说的空气负离子，它是一种空气微粒.而大地是呈负电极性的，所以正离子受到吸引容易下沉，空气中负离子浓度一般大于正离子浓度[12].

1.2 空气负离子效用

空气负离子因其具有强氧化性、弱碱性、高活性等积极性质，经理论研究和大量临床试验，人体吸入负离子后，能够加强大脑的活动过程、扩张血管、减缓血凝时间、加强呼吸系统氧的吸收、杀灭细菌病毒等，从而使人精神振奋、睡眠质量提高、改善心血管功能、增强肺功能、增强免疫力等[12].并且负离子在一定范围内对人体的作用是随着浓度的增高而加强.表1 反应了空气中负离子浓度与人体健康的关系.本文对负离子浓度的评价标准采用表1的标准[12].

表1 负离子浓度与人体健康的关系Tab.1 Relationship of negative air ions concentration and human health

2 负离子浓度的测定

范海兰等[13]和郑晓虹等[14]的相关研究均有涉及探寻大学城相关区域空气负离子浓度.前者以福州郊区为对象，描述了大学城的负离子浓度，研究区域较为宏观；后者针对福建师范大学旗山校区室内空气有害物质情况，研究区域较为微观.两者均未能较全面和有针对性地描述福州大学城区域空气负离子浓度的分布情况.

为了获得大学城各个学校整体的空气负离子水平分布，本研究以福建师范大学、协和学院、福建工程学院、福州大学、江夏学院、福建医科大学、福建中医学院、闽江大学8个院校为采样范围，采取较平均分布，考虑代表性的取点方案，共测量30处.空气负离子测量仪器选用国产DLY-6A（232）空气离子测量仪（检测范围10～40 万个离子/cm3，分辨率10 个离子/cm3），温湿度测量仪器选用博洋HTC-1型数字温湿度计.因为测量范围较大，无法在同一时间取得不同地方的数据，为了避免其他因素（如天气、温度、湿度等）对不同地点测量值的影响，笔者选择2013年1月份天气情况极为相似的14、15、16日连续3 d进行测量，时间控制于13：00～15：00.同时采用控制变量的方式，对另外一些对照组进行了测量.

因为空气中的负离子分布并不均匀，所以测量结果并非一个稳定的值，而是一个瞬间值，测量时数值在一定范围内波动.采用瞬间值记录具有较大的随机性，为了简化数据，更好地表现不同地点水平的对比，本文的负离子浓度数据记录波动范围值后取范围中间值处理.图1 显示30 个测量点的分布，表2显示各测量点测量结果.

图1 福州大学城各测量点分布示意图Fig.1 Distribution of measuring points in Fuzhou University Town

表2 福州大学城各测量点测量结果Tab.2 Measurement results of negative air ions concentration in Fuzhou University Town

3 测量结果分析

3.1 总体评价

从表2 数据得到，福州大学城空气负离子的浓度基本分布在200～900个/cm2之间，在福州大学小山上出现最大值1250 个/cm3.有9 个点分布于500～1000个/cm3之间，20个点在500个/cm3以下.对照表1的评价指标，有三分之二的测量点的负离子浓度处于不清新，处于诱发疾病的边缘.作为校园学习环境来说，总体空气质量偏差.

负离子浓度水平分布也不均匀，闽江学院因树木绿化程度高，且紧邻旗山山脉，整体水平相对较高.中医学院、医科大学、江夏学院以及福州大学教学区，因建筑较密集，同时紧邻上街镇中心商业活动中心，该区域的空气负离子水平呈现较低水平.福建师范大学和福建工程学院绿化多以草坪为主，相对临近乌龙江畔，但建筑较密集，树木绿化面积较低，空气负离子水平相对一般，处于中等水平.

3.2 空气负离子浓度与各环境因素的关系

为了说明各环境因素与空气负离子浓度的关系强度，本文取无绿化远离建筑物的空地上（测量点7、19、21、26）的四个点的平均值作为基础参照值，用字母m代替.则

m=423 个/cm3.

3.2.1 负离子浓度与人群密度的关系

1）与人群集聚度的关系.

这里的人群集聚度用建筑的密集程度来衡量，采取的是不同地点的变量对比.为了说明人群集聚度与负离子浓度的关系，这里将不同地点类型的人群集聚度进行归类，并划分为三个等级，并计算各个梯度集聚度地点的负离子浓度平均值，见表3.

表3 人群集聚度与负离子浓度的关系Tab.3 Relationship of negative air ions concentration and crowd degree

从表3不同集聚度的空气负离子浓度的平均值得出，集聚度与空气负离子的浓度呈现负相关，即人群越集聚，空气负离子的浓度相对越低.

2）与人群活动频率的关系.

人群活动频率采用的是同一地点不同活动频率的对比.这里选择地点4（福建师范大学理工楼前），进行不同活动频率的测量对比.分别测量在上午11点上课期间室外活动人群较少及中午12 点下课后活动频率高时间点，共测量3d（见表4）.

表4 人群活动频率与负离子浓度的关系Tab.4 Relationship of negative air ions concentration and crowd event frequency

由表4得出在人群活动频率低的上课时段的负离子浓度平均值为416.7 个/cm3，下课后人群活动频率大大增加，负离子浓度的平均值下降到376.7 个/cm3.可见，人群活动对空气负离子的影响呈负相关.即人群活动越频繁，空气负离子浓度也越低.这也符合我们日常的直观感受，在人多的地方空气质量一般比较差.

3.2.2 负离子浓度与绿化程度的关系

植物不仅可以光合作用释放氧气、吸附噪音、营造美丽的景观，同时它还能吸附粉尘、中和正离子、产生负离子，所以植物对空气质量的提高有着明显的作用.从表2 数据的再分析我们可以发现植物的确对空气负离子的贡献不容忽视.我们从表2 中提取以树木绿化为主的高绿化地点、以草坪绿化为主的中绿化地点以及以广场空地为代表的低绿化地点进行对比，结果见表5.

表5 绿化程度与负离子浓度的关系Tab.5 Relationship of negative air ions concentration and greening degree

福州大学城的绿化树大多为阔叶树种，且树种相对一致，所以不区分对比.由表5很清晰地看出树木能够显著地提高空气负离子的浓度，使空气保持清新，而且影响程度较草地的作用大出许多.

以低绿化的空地为基准参考值，用不同影响变量的值与基准值的比值作为影响程度的表现值：

则高绿化对负离子的作用程度

m1=925/m=2.19，

中绿化对负离子的作用程度

m2=445/m=1.05.

可见树木对负离子的作用明显强于草地的作用.

3.2.3 空气负离子与水的关系

1）静态湖水.

在所测量的八个院校中，大大小小均有建造静态水的小湖泊.湖水可以增加湿度，调节气温，营造氛围，同时有很好的观赏性.提取在湖边的测量值（见表6），对比在空地上的负离子水平，求出这个影响程度值m3.

表6 水与空气负离子浓度的关系Tab.6 Relationship of negative air ions concentration and static water

那么

m3=460/m=1.09.

说明湖水对空气负离子是有积极作用的，且作用比草地的作用稍大.

2）动态溪水.

为了研究动态水对负离子的影响程度，笔者在溪源江福建师范大学到工程学院段岸边测量了A1、A2、A3、A4四个点，结果见表6.

计算动态水对空气负离子的影响程度

m4=510/m=1.2

可见动态水优于静态水.

3）喷泉.

在大学城研究的8个院校中，福建师范大学、福州大学、医科大学、中医学院均有喷泉景观，表5 中点21、26的测量值刚好是在喷泉未开放时同样地点的测量值，所以只需测量点21、26 喷泉开放时的负离子值B21、B26，另外测量了B1（福建师范大学图书馆前喷泉）、B2（福州大学图书馆前喷泉）.B2刚好是点16的值.测量结果见表6.

计算喷泉对空气负离子的影响程度值

m5=902.5/m=2.13.

喷泉因为雾化分解了水，容易产生较多的负离子，作用明显强于静态水和动态水.

3.2.4 室内外的空气负离子水平对比

大学城校园主要有五类室内环境，教室、办公室、图书馆、宿舍以及餐厅.为了便于测量和比较，从福建师范大学选取了与五个类型室内环境对应的五个测量点，并测量就近的室外空旷处负离子值作为参照.表7描述了五个点的具体位置和测量值.

表7 室内外空气负离子浓度值Tab.7 Negative air ions concentration of indoor and outdoor

室内的负离子浓度均呈现低水平，没有达到保证健康所需要的负离子浓度，而且远低于室外的负离子浓度.空间越狭小，空气越缺乏流通，则负离子的浓度就越低.所以在条件允许的情况下，要让室内保持与室外空气的流通，同时在工作学习时间较长时，应经常到室外呼吸空气，防止因空气质量差诱发一些疾病.

3.2.5 空气负离子的日变化

空气负离子的浓度不仅在空间上分布不均匀，同一地点在不同时刻空气负离子的浓度也出现不同的值.一方面因为负离子空间分布不均匀，而空气的流动会使同一地点的空气产生变化；另一方面，一些生物也会因为太阳高度以及温度湿度等的变化而变化.为了避免人为的日常活动对日变化产生的明显影响，把研究日变化的测量点选在点29、点1、点22，分别位于闽江学院树木绿化地、福建师范大学南区操场、福建医科大学湖边.测量时间分别点29 为2012 年12 月31 日，点1 为2013 年1 月6 日，点22 为2013 年1 月14 日.时间从9：00—21：00，每2h 测量1次.测量环境均为晴天，微风.结果见图2.

图2 空气负离子的日变化Fig.2 Diurnal variation of Negative air ions concentration

从折现图（图2）可以清楚地发现，在三个测量点，均在下午15 时出现一个高点，因为测量点选择已避免人为活动的影响，所以我们可以推测午后植物的光合作用较强烈，使得空气负离子的浓度上升.因此可见光合作用的确能够使植物的代谢产生负离子.同时我们发现空气负离子浓度从17：00到21：00均表现为下降趋势，也反面证明光合作用对负离子的贡献作用.反映了白天的空气负离子浓度一般高于夜晚的空气负离子浓度.

3.2.6 天气情况与空气负离子浓度的关系

在晴空万里的时候，我们总感觉心情舒畅，而阴雨天气不仅让人心情烦闷，甚至压抑难受.当然这其中有多方面因素的结果，不过经过对不同天气空气负离子浓度的观测，发现这些情况发生的一部分原因还是因为空气中负离子浓度的变化.因为气象状况复杂多变，难以对每一种气象情况都记录.这里选择较典型的晴天、阴天、小雨天为研究对象，选择师大校园内点1（南区操场）、点3（图书馆前湖边）、点4（理工楼前）.晴天选择的时间为2013 年1 月14 日，阴天选择的时间为2013年1月17日，雨天选择2013年1月11日.测量时间均为下午14：00左右.

图3是三个测量点在不同天气测量结果绘制的柱状图，根据柱状高度的变化，我们可以直观地发现空气负离子浓度的变化规律是“晴天＞阴天＞雨天”.

图3 天气情况与空气负离子浓度的关系Fig.3 Relationship of Negative air ions concentration and weather

天气变化会引起温度、湿度、光照强度等的变化，如果不考虑温度变化对负离子浓度的影响，同时上面在日变化的研究中已经验证光照对负离子的促进作用，可以推测空气中相对湿度越大，负离子浓度越低，二者呈负相关.为了证明该推测的真实性，在测量三个地点不同天气负离子值的时候，也记录了当时的相对湿度值.因为三个地点距离较近，湿度值接近，这里只研究一个点的相关情况.另为了防止光照强度差异较大影响结果，只分析阴天与雨天，并将两种天气状况的光照强度等同看待.结果见图4.

图4 相对湿度与空气负离子浓度的关系Fig.4 Relationship of Negative air ions concentration and relative humidity

图4反映了了相对湿度与空气中负离子浓度的负相关性.这主要是因为当空气湿度增大时，空气中的水汽含量高，其半径大，导致负离子附着在水汽离子上发生沉降，使得空气中的负离子浓度降低.但是该气象变化产生的变化多样且复杂，无法做到完全控制变量，该结果是在不考虑其他影响因素的前提下得出的.

4 主要结论与建议

1）福州大学城空气质量水平一般.福州大学城位于福州远郊地带，处于旗山脚下，与市区有乌龙江隔断，故空气质量应该处于较高水平.但是城市建设脚步的加快，大学城及周边的商业区、工业地等的开发建设力度不断加大，植被不断减少，施工带来的粉尘、废气等使空气质量下降.因此，福州大学城空气的整体质量水平处于维持健康基本需要水平，并未能达到清新的状态，而且在大学城中心区，紧邻上街镇中心商业中心，空气负离子浓度更是偏低，空气不清新.

2）福州大学城急需维护和改善空气质量.空气负离子被有些学者称为“空气维生素”，它对人类健康有着多方面的积极作用，呼吸负离子浓度高的空气可以使人兴奋、稳定情绪、集中精力、防止疾病发生等；但是如果浓度很低，对人类又产生诸多不良的影响，如引起头痛、失眠、疲倦、呼吸道疾病、过敏、烦躁等.特别在大学城这样一个科研、学习、教学、学术交流的文化集中地，良好的空气质量更是人们所需要的.因此，建设部门在规划建设上要注重绿化，特别强调植树型的绿化.同时在校园内引入活水，让校园的水系统活动起来，并适当增加喷泉的开放时间，提升小环境负离子浓度，提升空气质量.

3）师生要科学选择学习工作的时间和地点.室内的空气负离子值明显低于室外的空气负离子值，并且室内空间越狭小，越缺乏通风，负离子浓度可能越低.学生在学习的时候应该避免在宿舍、人多的教室等长时间学习，应该尽量选择通风良好、空间较大的地方，同时中间应该经常到室外进行活动呼吸.在好天气的时候多到室外活动，选择草坪、树荫学习和休闲也不失为一个好的选择.

[1]李青山,刘军,狄有波,等.北戴河空气负离子浓度测定与负离子评价标准[J].中国环境管理干部学院学报,2008,18（4）:1-3.

[2]刘泽勇,支恩波,李新利,等.嵩礼县主要旅游景区空气负离子浓度及变化规律研究[J].河北林业科技,2010,174(5):10-12.

[3]郭建平,吴甫成,谢玉华,等.桂东县各旅游景区空气负离子变化研究[J].湖南师范大学学报:自然科学学报,2007,30（1）:110-114.

[4]黄建武,陶家元.空气负离子资源开发与生态旅游[J].华中师范大学学报:自然科学版,2002,36（2）:257-260.

[5]张荣健.龙岩国家森林公园云顶茶园空气负离子浓度的测定与评价[J].福建林业科技,2005,32（4）:86-89.

[6]黄芸茵,吴章文.临安周边旅游景区空气负离子浓度研究[J].企业技术开发,2006,25（1）:82-83.

[7]郭盛晖.空气负离子及其在旅游业中的应用[J].番禺职业技术学院学报,2002,1（1）:32-34.

[8]章志攀,俞益武,孟明浩,等.旅游环境中空气负离子的研究进展[J].浙江林学院学报,2006,23（1）:103-108.

[9]张清杉,贺延梅,赵建民,等.森林公园小气候空气负离子保健浓度分级评价[J].西北林学院学报,2006,21（3）:48-49.

[10]季玉凯,周永斌,米淑红,等.棋盘山风景区空气负离子浓度的研究[J].辽宁林业科技,2007(3):16-21.

[11]林冬青,金荷仙.杭州西湖景区疗养院空气负离子浓度观察[J].浙江林业科技,2010,30（2）:65-69.

[12]林金明,宋冠群.环境、健康与负氧离子[M].北京:化学工业出版社,2006:2-20.