在城市生活中，人们常常向往森林里清新的空气，而森林空气中的负氧离子（Negative air ions，NAIs）起着关键作用。它不仅能净化空气，还对人体健康大有益处，比如改善呼吸系统功能、增强免疫力等。然而，NAIs 浓度却受到气象、空气质量、辐射等多种因素的影响，且这些影响机制并不明确。此前关于 NAIs 动态变化的研究结果也不一致，存在诸多争议。同时，早期研究使用便携式设备收集数据存在诸多局限，如测量时间受限、传感器精度不足等，而且大多未深入探究各因素的间接影响。为了深入了解这些问题，福建农林大学、福州市气象服务中心、闽江学院等机构的研究人员，以中国福建省安溪县云中山自然保护区为研究区域，开展了一项关于 NAIs 的研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员采用了多种技术方法来开展此项研究。他们使用 Huatron-FR500 固定监测设备，从 2022 年 7 月至 2024 年 6 月对云中山森林的气象因素、紫外线辐射、空气质量因素等进行测量 。在数据处理方面，先进行异常值剔除，利用随机森林算法对异常值和缺失值进行插补。之后，通过 Z-score 标准化处理数据，运用单因素方差分析（ANOVA）、皮尔逊相关分析、广义线性混合模型（GLMM）以及结构方程模型（SEM）等方法，对数据进行深入分析。
研究结果如下：
- NAI 浓度的时间动态变化：
- 季节变化：NAI 浓度呈现夏季＞秋季＞冬季＞春季的规律。夏季平均浓度接近 15,000 ions/cm3，而春季和冬季平均约为 6000 ions/cm3。这主要是因为福建夏季高温多雨，降雨和较强的空气流通有助于清除空气中的污染物，从而使 NAI 浓度升高；而北方地区冬季因工业活动、供暖导致颗粒物排放增加，加上逆温、低湿度等因素，空气流通减弱，NAIs 更易在地面附近积累，与本研究结果不同。
- 月变化：8 月 NAI 浓度最高，接近 21,000 ions/cm3 ，5 月最低，仅约 4000 ions/cm3。7、8 月是夏季，降雨后大气中的颗粒物和污染物减少，有利于 NAI 浓度升高；5 月为春季过渡期、12 月为冬季，空气中可能存在较多颗粒物和污染物，12 月的供暖活动还会加剧空气污染，抑制 NAIs 的产生。
- 日变化：所有季节中，NAI 浓度通常在清晨和傍晚较高，中午较低。夏季波动最大，清晨至 8:00 AM 浓度最高，可达 19,466 ions/cm3 ，2:00 PM 降至 13,102 ions/cm3 ，之后傍晚又升高。这主要受温度和湿度调节，清晨低温高湿促进 NAI 产生，中午温度升高、湿度降低导致浓度下降，傍晚温湿度变化又使浓度回升。
- NAI 浓度与各因素的相关性：NAI 浓度与 NO2、气温（AT）、PM1、PM2.5和 PM10呈显著负相关，与空气湿度（AH）呈显著正相关。NO2作为强氧化剂会与 NAIs 反应使其浓度降低，颗粒物表面积大，会吸附中和 NAIs，且这些污染物还会阻碍光合作用，减少植被产生的 NAIs。而湿度增加有利于水分子与空气中其他成分反应生成更多 NAIs 。
- 不同时期 NAI 浓度的驱动因素：在季节和月尺度上，PM2.5、O3、NO2和气压（AP）对 NAI 浓度有显著负向驱动作用，空气湿度和气温有正向作用，且空气质量因素的贡献大于气象因素；在日尺度上，PM1、PM2.5、O3和气压有显著负向影响，气温和湿度有显著正向影响，此时气象因素的贡献大于空气质量因素。
- NAI 浓度与各因素的直接和间接关系：空气质量因素的潜在变量对 NAI 浓度有直接负向影响，O3、PM1和 PM2.5通过空气质量因素产生显著间接负向影响；气象因素的潜在变量对 NAI 浓度有显著正向影响，空气湿度通过气象因素产生显著间接正向影响，气温则产生显著间接负向影响；辐射因素虽对 NAI 浓度无直接显著影响，但紫外线辐射和净辐射可通过气象和空气质量因素产生显著间接正向影响。
研究结论和讨论部分表明，该研究揭示了气象、空气质量和辐射因素影响 NAI 浓度的复杂机制。发现云中山森林 NAI 浓度夏季最高，每日 8:00 AM 达到峰值；空气湿度与 NAI 浓度显著正相关，而 NO2、PM1、PM2.5、PM10和气温则有显著负向影响。长期尺度上空气质量因素影响更明显，短期尺度上气象条件作用更突出，且 NAI 浓度还受紫外线辐射和净辐射间接影响。不过，目前该领域分析还相对浅显，未来研究可深入探究不同气象条件，尤其是极端天气下对 NAI 浓度的影响机制，同时增加数据收集的频率和范围，以更好地掌握 NAI 浓度的动态变化和驱动机制。此研究为优化生态环境管理、改善空气质量、促进人体健康提供了重要的理论依据，对相关领域的发展具有重要的推动作用。
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