萬 花,沈營珠,陳彩霞,高志偉

[1.南澗彝族自治縣氣象局,云南 南澗 675700;2.大理白族自治州氣象局,云南 大理671000;3.大理國家氣候觀象臺,云南 大理 671000;4.中國氣象局橫斷山區(qū)(低緯高原)災害性天氣研究中心,云南 昆明 650034]

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人們對旅游的質量要求日益增高,生態(tài)旅游、康養(yǎng)旅游逐漸興起成為大眾關注的熱點[1-3]。以負氧離子為代表的一系列環(huán)境指標在游客選擇旅游地的過程中扮演著愈發(fā)重要的角色[4]?？諝庵胸撗蹼x子濃度成為旅游度假區(qū)規(guī)劃中衡量空氣質量好壞的重要參數(shù),其濃度是當前國際上表征空氣清新程度的評價指標之一。

空氣負氧離子是指帶負電荷的小粒徑氧分子,其遷移率K≥0.4 cm2/(V.s)[5],自然界中的空氣負氧離子來源主要有空氣分子在大氣上層的電離現(xiàn)象,水分子的裂解,植物尖端放電和綠色植物光合作用產生的光電效應,以及雷雨、閃電、火山爆發(fā)等大氣中很多物理過程[6-7]?？諝庳撾x子被譽為“空氣維生素”“長壽素”,具有清潔空氣、殺菌和降塵等功效[8-9]。負氧離子對人體具有很好的保健作用,大量醫(yī)學研究結果表明,能調節(jié)人體生理機能、改善心腦血管疾病、降血壓、增進人的食欲、消除疲勞、改善睡眠、預防呼吸道疾病、防衰老等[10]。

負氧離子濃度受自然環(huán)境、地理空間位置、植被覆蓋、人類活動等多個方面的影響。近年來,國內外學者對不同地區(qū)空氣負氧離子的分布及變化規(guī)律、影響因子等開展了一些研究,主要包括負氧離子濃度的年、季、月、日變化特征以及氣象因素、不同植被類型、環(huán)境狀況等對空氣負氧離子濃度的影響。因此,在不同條件下空氣負氧離子的濃度會有顯著差異,各學者得出的研究結論也不盡相同。叢菁等、李偉等研究認為影響空氣負氧離子濃度的氣象因子有風速、太陽輻射、相對濕度等,空氣負氧離子濃度與日平均風速、太陽輻射正相關,與相對濕度負相關[11-12]。鄔昀認為風速、相對濕度與負離子濃度呈正相關,氣溫與負離子濃度呈負相關[13]。唐春燕等認為在陣雨、間歇性小雨和雷暴天氣過后,負離子濃度明顯升高。負離子濃度與相對濕度、風速、云量、日照、降水量的相關性均不明顯[14]。葉彩華等提出負氧離子與風速和太陽直接輻射成正比,與非雨日和非雨后相對濕度成反比[15]。顧小麗等研究得到寧波市空氣負離子濃度有市中心附近低、郊區(qū)高的地域分布特征,夜晚到清晨高、白天低,夏季高、冬季低的變化規(guī)律[16]。曾曙才等、何博翰等、尚媛媛等分析出有植被地區(qū)或植被覆蓋率高的地區(qū)大氣負氧離子濃度高于無植被地區(qū)或植被覆蓋率低的地區(qū),且植被群落的生物多樣性越高,大氣負氧離子濃度越高[17-19]。

目前,還未有人對復雜地形下立體氣候特征明顯的山區(qū)負氧離子濃度變化特征及影響因素做過系統(tǒng)研究。本研究擬利用南澗縣3個負氧離子監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)資料,研究其基本變化規(guī)律、空氣負氧離子濃度與氣溫、相對濕度、風速等氣象要素的關系、以及通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究空氣負氧離子濃度與植被覆蓋度的關系,從生態(tài)氣象、旅游氣象的角度進一步認識南澗縣負氧離子變化規(guī)律,拓展氣象服務領域和服務內容,以期為未來以負氧離子為代表的“氣象+旅游+康養(yǎng)”生態(tài)氣候資源開發(fā)利用及站點布設選址提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南澗縣位于云南省西部、大理白族自治州南端,地處亞熱帶向北溫帶過渡帶,云嶺余脈的無量山、哀牢山結合部,全縣國土面積1 738.82 km2,其中山區(qū)面積占99.3%,森林覆蓋率達66.7%,生態(tài)環(huán)境良好,自然資源豐富、民族風情濃郁,是“中國民間跳菜藝術之鄉(xiāng)”,也是國家重點生態(tài)功能區(qū)。年平均降水量 740.4 mm,年平均氣溫 19.3℃,年平均相對濕度63%。轄區(qū)設5鎮(zhèn)3鄉(xiāng)、81個村(居)委會、1 156個自然村、1 610個村(居)民小組。2022年末,全縣戶籍總人口226 767人,少數(shù)民族人口124 102人,占總人口的54.73%,其中:彝族人口114 098人,占總人口的50.32%。2022年南澗縣實現(xiàn)地區(qū)生產總值939 512萬元,非公經(jīng)濟增加值完成487 393萬元。近年來,南澗縣委、縣人民政府認真貫徹習近平生態(tài)文明思想,深入貫徹落實州委、州政府“綠色茶區(qū)、農旅融合發(fā)展示范縣”的發(fā)展定位,大力實施“生態(tài)立縣”戰(zhàn)略,打造“國家生態(tài)文明建設示范區(qū)”,大力推動“6+X”高原特色生態(tài)農業(yè)、生態(tài)文化旅游業(yè)、大健康產業(yè)、綠色能源產業(yè)等發(fā)展,不斷擦亮生態(tài)底色,大力發(fā)展綠色經(jīng)濟,實現(xiàn)了“荒山披綠變青山,青山富民變金山”的美麗嬗變,奮力闖出了一條貧困山區(qū)生態(tài)引領的綠色發(fā)展之路,為南澗天然氧吧的成功創(chuàng)建夯實了生態(tài)基礎。

2 資料與方法

2.1 資料來源

本研究觀測儀器采用北京東創(chuàng)旭新測控技術有限公司生產的高精度空氣離子測量儀,型號為IM800,全自動、全智能、免干擾觀測傳輸,完全免去人工觀測所帶來的誤差。3個負氧離子監(jiān)測站分別是南澗縣土林公園(25.03°N,100.52°E),所屬區(qū)域類型為居住區(qū),無量藥谷(24.85°N,100.60°E)、無量山櫻花谷(24.77°N,100.52°E),所屬區(qū)域類型為景區(qū)。資料來源于3個負氧離子監(jiān)測儀對負氧離子濃度和氣象要素2022年5月-2023年4月的實時觀測資料,監(jiān)測結果已對異常數(shù)據(jù)進行處理,負氧離子數(shù)據(jù)剔除異常值后,采用算術平均值方法對各站小時均值、月均值等進行統(tǒng)計分析,氣象資料使用同時、同一地點的氣象觀測資料。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源于云南省大理州祥云氣象衛(wèi)星省級利用站所接收的TERRA衛(wèi)星數(shù)據(jù)—EOS/MODIS波段1(0.620～0.670 μm)、波段2(0.841～0.876 μm),時間為2016—2019年。對研究時段內所有可獲取的衛(wèi)星資料進行初步篩選,剔除無效及損壞的數(shù)據(jù)文件,再根據(jù)通道1、2太陽反射率分布狀況,以及大理國家氣候觀象臺的云量資料進一步篩選,共選出晴空少云條件36幅250 m分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),影像清晰、質量好,影像中植被覆蓋信息具有代表性。

2.2 方法

2.2.1 負氧離子等級標準

根據(jù)世界衛(wèi)生組織規(guī)定及參照《中國天然氧吧評價技術規(guī)范(2022年修訂)》文件規(guī)定等級標準,負氧離子濃度與空氣清新等級對應關系如表1。

表1 負氧離子濃度與空氣清新等級對應關系

2.2.2 利用歸一化植被指數(shù)NDVI估算植被覆蓋度(FVC)

許多學者對不同地方的研究表明,歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植被覆蓋度遙感估算方法中最常見、最經(jīng)典的植被指數(shù)。計算公式為:

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中:NIR為近紅外波段;R為紅波段。

目前已經(jīng)發(fā)展了很多利用遙感測量植被覆蓋度的方法,較為實用的方法是利用植被指數(shù)近似估算植被覆蓋度,常用的植被指數(shù)為NDVI,本研究植被覆蓋度(FVC)采用李苗苗[20]等在像元二分模型的基礎上研究的模型,適用性好。計算公式為:

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式中:NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值;NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值,即純植被像元的NDVI值。兩個值的計算公式為:

NDVIsoil=(FVCmax×NDVImin-FVCmin×NDVImax)/

(FVCmax-FVCmin)

(3)

NDVIveg=((1-FVCmin)×NDVImax-(1-FVCmax)×

NDVImin)/(FVCmax-FVCmin)

(4)

NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內最大和最小的NDVI值。由于不可避免存在噪聲,NDVIveg和NDVIsoil一般取一定置信度范圍內的最大值與最小值,置信度的取值分別取為5%～95%。

植被覆蓋度(FVC)計算的結果,劃分為5個等級,分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,依次表示低覆蓋度、較低覆蓋度、中等覆蓋度、較高覆蓋度和高等覆蓋度(表2)。

表2 植被覆蓋度(FVC)等級劃分

3 結果與分析

3.1 空氣負氧離子濃度的時間分布特征

3.1.1 日變化特征

為了研究南澗空氣負氧離子濃度的日變化特征,分別計算3個站點資料統(tǒng)計時段內的逐小時平均值。從圖1(a)、(b)、(c)可以看出,3個站點負氧離子濃度都有較明顯的日變化特征,變化趨勢較為一致,大體上呈現(xiàn)一個峰值和一個谷值,即夜間的負氧離子濃度要小于白天,但不同的站點峰谷值出現(xiàn)時間略有區(qū)別,大致集中在12∶00-16∶00之間。南澗土林公園峰值出現(xiàn)在13∶00左右,無量藥谷和無量山櫻花谷峰值出現(xiàn)在的15∶00附近。南澗土林公園負氧離子濃度最小值出現(xiàn)在22∶00左右,無量藥谷和無量山櫻花負氧離子濃度最小值分別出現(xiàn)在00∶00和04∶00時左右。

(a)南澗縣土林公園負氧離子濃度日變化

總的來說,3個站點負氧離子濃度日變化整體上白天高于夜間,這與胡猛等對揭西縣空氣負氧離子濃度的時空特征分析研究結果基本一致[8]。無量藥谷負氧離子濃度日較差較大,這應該與站點布設在海拔較高的區(qū)域有很大的關系,土林公園次之,無量山櫻花谷最小。負氧離子含量超過空氣清新度5級標準,非常清新,對人體健康極為有利。白天大氣中紫外輻射、植物光合作用不斷增強,電離產生大量的自由電子,促使負氧離子濃度逐漸增大,在12∶00-16∶00時會達到最高值;但到光強最強的午后,負氧離子反而會逐漸下降。

3.1.2 月變化特征

從圖2可以看出,南澗土林公園各月負氧離子濃度變化較大,有明顯的月際變化波動,月平均濃度2 494個/cm3,全年低值出現(xiàn)在4月;無量藥谷負氧離子濃度具有明顯的月際變化特征,最高值出現(xiàn)在9月,為2 960個/cm3,最小值出現(xiàn)在2月,為1 881個/cm3,全年有10個月負氧離子濃度高于2 000個/cm3;無量山櫻花谷月變化負氧離子濃度整體較高,月平均濃度2 730個/cm3,全年各月負氧離子濃度均大于2 000個/cm3,空氣非常清晰,有利于人體健康,負氧離子濃度峰值出現(xiàn)在6月,為3 373個/cm3。

圖2 南澗縣3個監(jiān)測站點負氧離子濃度月變化

3.1.3 季節(jié)變化

從圖3可以看出,南澗縣空氣負氧離子濃度夏季最高,平均達2 668個/cm3,秋季次之,平均為2 569個/cm3;冬季高于春季,平均為2 522個/cm3;春季最低,平均為2 273個/cm3。夏、秋季負氧離子濃度高,是由于南澗夏、秋季強降水、雷雨天氣出現(xiàn)頻繁,植物生長旺盛,光合作用強,大氣紫外線照射強烈;冬、春季天氣寒冷干燥,多霧,植物凋零,植物光合作用弱,空氣污染相對嚴重,空氣中的懸浮顆粒物較多,使得負氧離子濃度較低。其中,南澗土林公園和無量山櫻花谷負氧離子濃度季變化與全縣趨勢一致,無量藥谷略有不同,表現(xiàn)為冬季>春季>秋季>夏季,但濃度相差不大。

圖3 南澗縣3個監(jiān)測站點負氧離子濃度季變化

3.2 空氣負氧離子濃度與氣象要素

3.2.1 負氧離子濃度與溫度

從圖4(a)可以看出南澗土林公園在07時氣溫達14℃左右后,負氧離子開始增加,變化趨勢與溫度變化趨勢大體一致呈單峰型,在中午13時達到最高值后負氧離子濃度逐漸減小;從圖4(b)得知無量藥谷從08時氣溫達9℃左右起溫度與負氧離子濃度同步增加,最大值出現(xiàn)在13時;從圖4(c)看出無量山櫻花谷在01時氣溫達13℃左右負氧離子開始增加,日出后負氧離子濃度迅速增大,在15時達到最大值,之后同步減小。

(a)南澗縣土林公園負氧離子濃度與溫度的關系

通過對小時平均負氧離子濃度與小時平均氣溫進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),南澗縣3個站點負氧離子濃度與溫度總體呈正相關變化特征,即隨著氣溫的升高,空氣負離子濃度增多,反之減少。與彭燦等對衡陽市負氧離子研究結論一致,在光合作用下氣溫較高時植物會產生較強的尖端放電,負氧離子濃度也相應的增加[21]。日照時數(shù)長,紫外輻射強烈、植被光合作用時間長,有助于空氣分子電離產生自由電子,增加負離子濃度。

3.2.2 負氧離子濃度與相對濕度

從圖5(a、c)可以看出南澗土林公園、無量山櫻花谷負氧離子濃度變化與濕度變化趨勢呈現(xiàn)夜間和白天兩個不同變化特征,在夜間(主要集中在凌晨)負氧離子濃度隨著濕度的增加而增加,但負氧離子濃度較白天低。在白天(主要是日出后)3個站點負氧離子濃度隨著濕度的降低而增加到最大值,無量山櫻花谷和無量藥谷負氧離子濃度最大值出現(xiàn)時間較南澗土林公園推遲2-3小時。受諸多因素影響,白天溫度高太陽輻射強,植物光合作用強,負氧離子濃度升高;夜間太陽輻射減弱,濕度升高,空氣負氧離子多為負電子依附在分子或者原子上,當相對濕度增加時空氣中的水分子也相應增加,從而導致帶電負電荷的分子與水分子結合效率提高使得空氣負離子濃度相應地增加。

(a)南澗縣土林公園負氧離子濃度與濕度的關系

通過對小時平均負氧離子濃度與小時平均相對濕度進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),南澗縣3個站點負氧離子濃度與相對濕度白天總體呈負相關變化特征。即隨著濕度的降低,空氣負離子濃度增大,反之減少。這與邵海榮和德國Reiter的研究結論一致[22-23]。夜間,南澗土林公園、無量山櫻花谷負氧離子濃度與相對濕度呈正相關變化特征,這與眾多學者研究結果一致。

3.2.3 負氧離子濃度與風速

風速的大小是決定空氣清潔度的關鍵因子,而空氣清潔度與空氣負離子的存活關系密切。對3個站點小時平均負氧離子濃度與小時平均風速進行統(tǒng)計分析,從圖6可以看出,南澗縣3個站點負氧離子濃度與風速總體呈正相關變化特征。負氧離子濃度隨著風速的增大而增大,在風速達到一定大小時負氧離子濃度會逐漸下降。南澗縣土林公園9∶00-16∶00風速增大,白天負氧離子濃度隨著風速的增加而增加,13∶00負氧離子濃度達到最高。13∶00-16∶00風速有增加,但負氧離子濃度變化不大,之后負氧離子濃度和風速都減小。無量藥谷白天負氧離子濃度隨著風速的增加而增加,風速從07∶00開始變大負氧離子濃度開始增長。無量山櫻花谷負氧離子濃度與風速變化特征沒有其他站點明顯,但總體上是隨著風速的增加而增加。這與葉彩華等、吳志湘等的實驗結果相同,由于空氣的持續(xù)流動,增多了空氣分子彼此之間的摩擦,加速了空氣分子的正負電離,從而增加了負氧離子的產生[15,24]。

(a)南澗縣土林公園負氧離子濃度與風速的關系

3.3 負氧離子濃度與植被覆蓋度(FVC)

通過遙感軟件分別對南澗縣2016—2019年衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行NDVI計算、NDVI最大合成值計算,最終估算植被覆蓋度FVC,將南澗縣植被覆蓋情況由高到低劃分為5個等級。從圖7(a、b、c、d)可以看出,4年里南澗縣植被分布情況變化不大,植被分布作為基態(tài)(常態(tài))因子,近幾年并無大的林地開采征用,因此2019年的植被分布情況能一定程度上代表2022—2023年的植被分布情況,結果顯示:無量山櫻花谷植被覆蓋度最好為Ⅴ級、無量藥谷次之為Ⅳ級、土林公園最差為Ⅰ級。即植被覆蓋度(FVC)為無量山櫻花谷(0.7～1)>無量藥谷(0.5～0.7)>南澗縣土林公園(0～0.1)。3個站點負氧離子濃度大小為:無量山櫻花谷最高,南澗土林公園略高于無量藥谷。結果表明:負氧離子濃度分布與植被覆蓋度密切相關,植被覆蓋度高的區(qū)域一般負氧離子濃度高于植被覆蓋度低的區(qū)域,同時也受該區(qū)域植被類型等其他因素的影響。

(a)2016年南澗縣植被覆蓋度

無量山櫻花谷和無量藥谷位于南澗無量山國家級自然保護區(qū),獨特的自然山水景觀和豐富的野生動植物資源,是“地球原貌的再現(xiàn)”化身。其森林覆蓋率分別達到96.2%和91%。無量山櫻花谷站附近植被類型以原始林、云南松等針闊混交林為主,無量藥谷站附近以密灌叢及草甸植被類型為主。大量研究表明,通過植物的尖端放電、光合作用等光電效應產生空氣負氧離子,因此森林空氣中含有大量的空氣負氧離子[17,25-27]。植物還具有滯留、附著大氣懸浮顆粒物的作用,增加了自由電子附著氣體分子的幾率[28]。南澗土林公園站位于居住區(qū)附近,森林覆蓋率相對低且多為人工林,植被類型以云南松及灌木叢為主,該區(qū)域人類活動頻繁,煙霧、粉塵、噪聲等數(shù)量多,增加了大氣中懸浮顆粒物含量,這些物質可吸附負離子并沉降;另外,路面多為水泥、瀝青等,阻斷了來自土壤的自由電子使負氧離子產生源銳減[29]。同時眾多研究發(fā)現(xiàn),植被類型對負氧離子濃度也存在影響,不同樹種群落中,負氧離子濃度差異明顯。一般來說,樹葉呈針狀等曲率半徑較小的樹種,具有尖端放電的功能,針闊混交林或針葉林負氧離子濃度高于灌叢、草甸[30]。因此無量藥谷植被覆蓋度雖比南澗土林公園稍高,但植被類型屬于產生負氧離子稍少類型。

4 結論與討論

4.1 結論

(1)南澗縣負氧離子濃度有明顯的日變化特征,整體上白天高于夜間。南澗負氧離子濃度夏季最高,秋季次之,冬季略高于春季。各類氣象要素對負氧離子濃度的影響不同。整體上負氧離子濃度與氣溫、風速呈正相關特征;白天與相對濕度呈負相關特征,夜間與相對濕度呈正相關特征。

(2)南澗土林公園各月負氧離子濃度變化較大,月平均濃度2 494個/cm3,全年低值出現(xiàn)在4月;無量藥谷負氧離子濃度具有明顯的月變化特征,最高值出現(xiàn)在9月,為2 960個/cm3,最小值出現(xiàn)在2月,為1 881個/cm3;無量山櫻花谷月變化負氧離子濃度整體較高,月平均濃度2 730個/cm3,全年各月負氧離子濃度均大于2 000個/cm3,負氧離子濃度峰值出現(xiàn)在6月,為3 373個/cm3。

(3)負氧離子濃度主要由基態(tài)和動態(tài)兩者共同決定。基態(tài)由生態(tài)決定,負氧離子濃度是表征生態(tài)質量好壞的重要手段。對南澗縣而言,植被覆蓋度是南澗縣負氧離子濃度的主要影響因素之一。植被覆蓋度高的區(qū)域一般負氧離子濃度高于植被覆蓋度低的區(qū)域?；谶b感衛(wèi)星的植被覆蓋度可為負氧離子站點布設選址提供更便捷、準確的科學依據(jù)。

(4)南澗縣有著豐富的負氧離子資源,3個站點年平均負氧離子含量均高于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的清新空氣負氧離子標準濃度(不低于1 000～1 500個/cm3),并對應空氣清新等級為5級,處于空氣非常清新的等級中,對人體健康很有利,說明南澗是一個真正的“天然氧吧”。

4.2 討論

(1)本研究進一步了解了南澗縣空氣負氧離子資源分布特征,有助于下一步更好地為南澗以負氧離子為代表的“氣象+旅游+康養(yǎng)”生態(tài)氣候資源開發(fā)利用及利用衛(wèi)星遙感開展站點布設選址提供科學依據(jù);同時對拓展氣象與文旅、環(huán)保、林草等行業(yè)間服務合作領域具有重要的意義。

(2)負氧離子濃度受自然環(huán)境、地理空間位置、植被覆蓋、人類活動和儀器自身性能等多個方面的影響。在不同條件下空氣負氧離子的濃度會有顯著差異,得出的研究結論也不盡相同。由于研究時間、人力有限,本研究僅針對南澗空氣負氧離子日、月、季濃度的變化、與氣象要素溫度、濕度、風速及其與植被覆蓋度的關系進行初步探討。然而,影響空氣負氧離子濃度的可能因素還有很多,如雷電、降雨、水體、光照強度、植物、海拔高度等,需進一步深入探索。