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孙宁骁，刘春江，朱鹏华，吕俊瑶，章旭毅，殷 杉
（上海交通大学a.农业与生物学院；
b.上海长三角区域生态环境变化与综合治理国家野外科学观测研究站；
c.国家林业和草原局上海城市森林生态系统国家定位观测研究站，上海 200240）
随着城市化水平提高和城市规模不断扩大，城市大气污染愈发严重，空气质量状况进一步恶化［1］。特别是大气中直径≤2.5 μm的细颗粒物（PM2.5）会导致许多疾病的产生，影响人类身体健康［2-6］。据报道，大气颗粒物可以通过肺部进入血液，诱发炎症或者毒理学反应［7-9］。
植物叶片作为空气中颗粒物的天然受体，可以将大气颗粒物滞纳在其表面，从而起到净化大气的作用。研究表明，干沉降是植被净化大气颗粒物的主要机制［10-11］，而干沉降速率vd的大小直接决定了植物对大气颗粒物的干沉降能力，即植物对PM2.5的净化能力。由此可见，干沉降速率是植被滞尘微观过程的基础和研究重点。
近年来，已有国内外学者采用风洞试验法［12］、经验公式法［13］、洗脱法［14］、吹脱法［15］对PM2.5干沉降速率开展了相关研究，但都存在一些不足［16］，难以反映现实条件下PM2.5的实际组成，对干沉降影响因素的探讨受到了局限。因此，需要开发一种新型的设备和方法，能够更简单、有效、准确地测定野外实际条件下植物叶片上PM2.5的干沉降速率，为深入了解植被滞尘机制、提高植被的滞尘效果提供基础。“人工气溶胶烟雾箱”就是在这样的背景下研发的。
1.1 装置基本结构
人工气溶胶烟雾箱外形为长方体，长1 000 mm，宽1 150 mm，高600 mm，其平面示意如图1 所示。
图1 人工气溶胶烟雾箱平面示意图
设备外观如图2 所示，内部为密闭环境，采用氮气作为填充气体引入腔体内，通过内壁环形钢圈通入腔体，使内壁上吸附的气溶胶颗粒被吹脱。
图2 人工气溶胶烟雾箱外观
设备内部构件如图3 所示，料盒位于装置内部。氮气冲洗前，将叶片样品放入密闭料盒，固定在料盒内的夹子上，冲洗结束后，通过控制按钮将料盒底部打开，叶片样品随之被固定成一定角度，以满足实验要求。其底部风扇风速可控，最高风速10 m／s，并采用静音无尘设计，有效降低气溶胶损失。
图3 人工气溶胶烟雾箱内部构件示意图
人工气溶胶烟雾箱实现电路控制，通过按钮控制其在不同环境下的需求。实现可控的参数包括：温度、加温时间、风扇风速、风扇运行时间、料盒开关、冲洗开关、冲洗时间、腔体气压平衡等。
1.2 人工气溶胶烟雾箱对PM2.5的最低检测限
根据设备的运行原理，采用了纯氮气冲洗，使人工气溶胶烟雾箱中的气溶胶背景值达到极低水平。最终箱体内可稳定存在的PM2.5最低检出浓度称为该设备的最低检测限（或最低检出限）。
整个试验过程中，仪器监测到的PM10、PM2.5和PM1.0的变化情况如图4 所示。试验当天PM2.5的背景浓度为90 μg／m3，属于轻度污染。由图4 可知，当清洗开始，密封腔体内颗粒浓度快速下降，但是其降低的速率减缓。经过10 min左右，箱体内颗粒物浓度达到最低值。此时将抽气泵、进气阀与风扇同时关闭，使内部保持一个稳定状态。可以发现，腔体内颗粒物浓度略微有所升高，但经过2～3 min后即达到稳定值。此时将风扇打开，此稳定值不变，为5.0 μg／m3。
图4 箱体内气溶胶浓度变化
通过该试验得到以下结论：
（1）清洗约10 min 后，PM2.5浓度达到最低值，约为2.0～2.5 μg／m3，因此设备的冲洗时间可设为10 min；
（2）关闭阀门与风扇，数值开始回升，经过约5 min，PM2.5浓度即达到稳定值，约为5.0 μg／m3，此后10 min之内，腔体内浓度一直保持稳定，因此该设备对PM2.5的最低检测限可设为5.0 μg／ m3。
1.3 叶片滞纳颗粒物质量
测出产品最低检测限后，根据产品的检测原理设计了如下的测定叶片上颗粒物质量的方式：
（1）叶片放入料盒中；
（2）清洗腔体，料盒放入腔体，关闭腔体盖，锁紧旋钮；
（3）将腔体内颗粒物浓度降到最低检测限C0；
（4）用电子控制装置打开料盒，使叶片掉入篓内；
（5）打开风扇，模拟自然风，将叶片上黏附的颗粒物吹离叶片，与气体混匀；
（6）调节风力大小使叶片上颗粒物全部被吹离；
（7）待检测器数值稳定后，读取此时腔内颗粒物浓度C1；
（8）以C0、C1、腔体体积V等数值可测定叶片上颗粒物质量。
应用上述步骤，对一个叶片样品进行了其表面滞尘量的测定，由粒径谱仪记录下腔体内PM10、PM2.5和PM1.0的浓度变化如图5 所示。
图5 箱体内颗粒物浓度变化
由图5 可知，从充气冲洗开始，箱体内的气溶胶浓度显著下降，运行10 min 后达到4～5 μg／m3。稳定5～8 min左右，PM2.5浓度稳定在9.5 μg／m3。从第18 min时开启风扇，将叶片上的滞尘吹散至箱体内空气中，发现箱体内的气溶胶浓度又立刻上升，其中PM10释放更快。经过10 min左右的吹脱，最终不同粒径的气溶胶浓度都趋于稳定，此时可以通过仪器读出箱体内空气中PM10、PM2.5和PM1的浓度，即可换算为该叶片上的滞尘量。
通过该试验得到以下结论：
（1）清洗过程后，约10 min PM2.5浓度达到最低值，因此将10 min设为设备的冲洗时间。
（2）关闭阀门与风扇后，数值开始回升，经过约5 min，PM2.5浓度即达到稳定值。因此，每次冲洗结束，叶片吹风之前，腔体内空气的稳定时间设为5 min。
（3）经过10 min左右强风的吹洗，叶片上的气溶胶基本被全部吹脱，腔体里的气溶胶浓度达到稳定，因此测定叶片滞尘量试验的吹洗时间，可设为10 min。
使用本文的方法测定了水杉、龙柏、樟树、悬铃木4 种植物在生长季中PM2.5的干沉降速率。
2.1 不同树种叶片表面PM2.5干沉降速率测定方法
植物叶片表面PM2.5干沉降速率是用来表示植物叶片对颗粒物的捕获能力，被定义为颗粒物沉降在叶片表面的通量（μg·cm-2·s-1）与颗粒物在大气中平均浓度（μg·cm-3）的比值，单位为cm／s。测定方法通常为在一段时间内某株植物单位叶面积滞尘量的差值，除以这段时间内大气中颗粒物浓度的平均值。
本文通过植物生长季（5 月）的非降雨期内，选取生长良好的树种各5 株，在其树冠上部1／3 处的向阳部位选择1 个有5～10 片健康成熟叶片的细枝并做标记，用蒸馏水清洗细枝3 遍。在连续未降雨（降雨量小于0.1 mm）的5 d后，将做好标记的细枝剪下，洗净叶片，按树种放入自封袋中，排尽空气，尽快送回实验室在4 ℃条件下保鲜。按照同样的选叶方法，每个树种另外再采集20～30 片左右的鲜叶，带回实验室用蒸馏水清洗3 遍，自然风干后作为实验空白待测。
对采集回来的叶片使用人工气溶胶烟雾箱进行测定。将叶片上吸附的大气颗粒物重新释放出来，形成稳定、均匀的气溶胶，继而测定气溶胶中PM2.5的浓度值，再基于气溶胶体积和叶面积，测算出单位叶面积上吸附的PM2.5的质量。结合实验时间段内的大气颗粒物平均浓度，计算得出不同植物叶片的沉降速率。
设经14 d 吸尘作用的叶片总叶面积为S1（m2），其经吹脱释放后容器内PM2.5的浓度为M1（μg／m3）；
而作为空白采回洗净的叶片总叶面积为S2（m2），其经吹脱释放后容器内PM2.5的浓度为M2（μg／m3）；
容器容积为V（m3），14 d内当地大气中PM2.5本底浓度为C（μg／m3），则该树种叶片对PM2.5的表观干沉降速率v"d（m／h）的计算公式可表示为
2.2 不同树种叶片表面PM2.5干沉降速率测定
通过上述方法，测定了龙柏、水杉、樟树、悬铃木4种树种叶片PM2.5的干沉降速率vd，结果如图6 所示。
由图6 可知，4 种植物叶片的PM2.5干沉降速率由大到小的顺序为：龙柏＞悬铃木＞水杉＞樟树。其中龙柏叶片的PM2.5干沉降速率显高于悬铃木、水杉和樟树（P＜0.05）。其原因可能是龙柏为常绿针叶树种，小叶数量多，与大气中颗粒物接触的面积也较大，从而使得龙柏叶片有较高的PM2.5沉降速率。
图6 生长季各植物叶片PM2.5干沉降速率的比较
自主研制的人工气溶胶烟雾箱能够较好地测定野外实际条件下植物叶片上PM2.5的干沉降速率。利用强力风扇将植物叶片样品上截留的颗粒物再次释放到空气中，在密闭罐体内形成稳定、均匀的气溶胶，保证测定的准确性。该设备对于深入了解植被滞尘机制、提高植被的滞尘效果等科学研究具有重要意义。
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