人工氣溶膠煙霧箱的研發與應用

孫寧驍，劉春江，朱鵬華，呂俊瑤，章旭毅，殷 杉

（上海交通大學a.農業與生物學院；b.上海長三角區域生態環境變化與綜合治理國家野外科學觀測研究站；c.國家林業和草原局上海城市森林生態系統國家定位觀測研究站，上海 200240）

0 引言

隨著城市化水平提高和城市規模不斷擴大，城市大氣污染愈發嚴重，空氣質量狀況進一步惡化［1］。特別是大氣中直徑≤2.5 μm的細顆粒物（PM2.5）會導致許多疾病的產生，影響人類身體健康［2-6］。據報道，大氣顆粒物可以通過肺部進入血液，誘發炎癥或者毒理學反應［7-9］。

植物葉片作為空氣中顆粒物的天然受體，可以將大氣顆粒物滯納在其表面，從而起到凈化大氣的作用。研究表明，干沉降是植被凈化大氣顆粒物的主要機制［10-11］，而干沉降速率vd的大小直接決定了植物對大氣顆粒物的干沉降能力，即植物對PM2.5的凈化能力。由此可見，干沉降速率是植被滯塵微觀過程的基礎和研究重點。

近年來，已有國內外學者采用風洞試驗法［12］、經驗公式法［13］、洗脫法［14］、吹脫法［15］對PM2.5干沉降速率開展了相關研究，但都存在一些不足［16］，難以反映現實條件下PM2.5的實際組成，對干沉降影響因素的探討受到了局限。因此，需要開發一種新型的設備和方法，能夠更簡單、有效、準確地測定野外實際條件下植物葉片上PM2.5的干沉降速率，為深入了解植被滯塵機制、提高植被的滯塵效果提供基礎。“人工氣溶膠煙霧箱”就是在這樣的背景下研發的。

1 實驗裝置設計

1.1 裝置基本結構

人工氣溶膠煙霧箱外形為長方體，長1 000 mm，寬1 150 mm，高600 mm，其平面示意如圖1 所示。

圖1 人工氣溶膠煙霧箱平面示意圖

設備外觀如圖2 所示，內部為密閉環境，采用氮氣作為填充氣體引入腔體內，通過內壁環形鋼圈通入腔體，使內壁上吸附的氣溶膠顆粒被吹脫。

圖2 人工氣溶膠煙霧箱外觀

設備內部構件如圖3 所示，料盒位于裝置內部。氮氣沖洗前，將葉片樣品放入密閉料盒，固定在料盒內的夾子上，沖洗結束后，通過控制按鈕將料盒底部打開，葉片樣品隨之被固定成一定角度，以滿足實驗要求。其底部風扇風速可控，最高風速10 m／s，并采用靜音無塵設計，有效降低氣溶膠損失。

圖3 人工氣溶膠煙霧箱內部構件示意圖

人工氣溶膠煙霧箱實現電路控制，通過按鈕控制其在不同環境下的需求。實現可控的參數包括：溫度、加溫時間、風扇風速、風扇運行時間、料盒開關、沖洗開關、沖洗時間、腔體氣壓平衡等。

1.2 人工氣溶膠煙霧箱對PM2.5的最低檢測限

根據設備的運行原理，采用了純氮氣沖洗，使人工氣溶膠煙霧箱中的氣溶膠背景值達到極低水平。最終箱體內可穩定存在的PM2.5最低檢出濃度稱為該設備的最低檢測限（或最低檢出限）。

整個試驗過程中，儀器監測到的PM10、PM2.5和PM1.0的變化情況如圖4 所示。試驗當天PM2.5的背景濃度為90 μg／m3，屬于輕度污染。由圖4 可知，當清洗開始，密封腔體內顆粒濃度快速下降，但是其降低的速率減緩。經過10 min左右，箱體內顆粒物濃度達到最低值。此時將抽氣泵、進氣閥與風扇同時關閉，使內部保持一個穩定狀態。可以發現，腔體內顆粒物濃度略微有所升高，但經過2～3 min后即達到穩定值。此時將風扇打開，此穩定值不變，為5.0 μg／m3。

圖4 箱體內氣溶膠濃度變化

通過該試驗得到以下結論：

（1）清洗約10 min 后，PM2.5濃度達到最低值，約為2.0～2.5 μg／m3，因此設備的沖洗時間可設為10 min；

（2）關閉閥門與風扇，數值開始回升，經過約5 min，PM2.5濃度即達到穩定值，約為5.0 μg／m3，此后10 min之內，腔體內濃度一直保持穩定，因此該設備對PM2.5的最低檢測限可設為5.0 μg／ m3。

1.3 葉片滯納顆粒物質量

測出產品最低檢測限后，根據產品的檢測原理設計了如下的測定葉片上顆粒物質量的方式：

（1）葉片放入料盒中；

（2）清洗腔體，料盒放入腔體，關閉腔體蓋，鎖緊旋鈕；

（3）將腔體內顆粒物濃度降到最低檢測限C0；

（4）用電子控制裝置打開料盒，使葉片掉入簍內；

（5）打開風扇，模擬自然風，將葉片上黏附的顆粒物吹離葉片，與氣體混勻；

（6）調節風力大小使葉片上顆粒物全部被吹離；

（7）待檢測器數值穩定后，讀取此時腔內顆粒物濃度C1；

（8）以C0、C1、腔體體積V等數值可測定葉片上顆粒物質量。

應用上述步驟，對一個葉片樣品進行了其表面滯塵量的測定，由粒徑譜儀記錄下腔體內PM10、PM2.5和PM1.0的濃度變化如圖5 所示。

圖5 箱體內顆粒物濃度變化

由圖5 可知，從充氣沖洗開始，箱體內的氣溶膠濃度顯著下降，運行10 min 后達到4～5 μg／m3。穩定5～8 min左右，PM2.5濃度穩定在9.5 μg／m3。從第18 min時開啟風扇，將葉片上的滯塵吹散至箱體內空氣中，發現箱體內的氣溶膠濃度又立刻上升，其中PM10釋放更快。經過10 min左右的吹脫，最終不同粒徑的氣溶膠濃度都趨于穩定，此時可以通過儀器讀出箱體內空氣中PM10、PM2.5和PM1的濃度，即可換算為該葉片上的滯塵量。

通過該試驗得到以下結論：

（1）清洗過程后，約10 min PM2.5濃度達到最低值，因此將10 min設為設備的沖洗時間。

（2）關閉閥門與風扇后，數值開始回升，經過約5 min，PM2.5濃度即達到穩定值。因此，每次沖洗結束，葉片吹風之前，腔體內空氣的穩定時間設為5 min。

（3）經過10 min左右強風的吹洗，葉片上的氣溶膠基本被全部吹脫，腔體里的氣溶膠濃度達到穩定，因此測定葉片滯塵量試驗的吹洗時間，可設為10 min。

2 功能實踐

使用本文的方法測定了水杉、龍柏、樟樹、懸鈴木4 種植物在生長季中PM2.5的干沉降速率。

2.1 不同樹種葉片表面PM2.5干沉降速率測定方法

植物葉片表面PM2.5干沉降速率是用來表示植物葉片對顆粒物的捕獲能力，被定義為顆粒物沉降在葉片表面的通量（μg·cm-2·s-1）與顆粒物在大氣中平均濃度（μg·cm-3）的比值，單位為cm／s。測定方法通常為在一段時間內某株植物單位葉面積滯塵量的差值，除以這段時間內大氣中顆粒物濃度的平均值。

本文通過植物生長季（5 月）的非降雨期內，選取生長良好的樹種各5 株，在其樹冠上部1／3 處的向陽部位選擇1 個有5～10 片健康成熟葉片的細枝并做標記，用蒸餾水清洗細枝3 遍。在連續未降雨（降雨量小于0.1 mm）的5 d后，將做好標記的細枝剪下，洗凈葉片，按樹種放入自封袋中，排盡空氣，盡快送回實驗室在4 ℃條件下保鮮。按照同樣的選葉方法，每個樹種另外再采集20～30 片左右的鮮葉，帶回實驗室用蒸餾水清洗3 遍，自然風干后作為實驗空白待測。

對采集回來的葉片使用人工氣溶膠煙霧箱進行測定。將葉片上吸附的大氣顆粒物重新釋放出來，形成穩定、均勻的氣溶膠，繼而測定氣溶膠中PM2.5的濃度值，再基于氣溶膠體積和葉面積，測算出單位葉面積上吸附的PM2.5的質量。結合實驗時間段內的大氣顆粒物平均濃度，計算得出不同植物葉片的沉降速率。

設經14 d 吸塵作用的葉片總葉面積為S1（m2），其經吹脫釋放后容器內PM2.5的濃度為M1（μg／m3）；而作為空白采回洗凈的葉片總葉面積為S2（m2），其經吹脫釋放后容器內PM2.5的濃度為M2（μg／m3）；容器容積為V（m3），14 d內當地大氣中PM2.5本底濃度為C（μg／m3），則該樹種葉片對PM2.5的表觀干沉降速率v'd（m／h）的計算公式可表示為

2.2 不同樹種葉片表面PM2.5干沉降速率測定

通過上述方法，測定了龍柏、水杉、樟樹、懸鈴木4種樹種葉片PM2.5的干沉降速率vd，結果如圖6 所示。

由圖6 可知，4 種植物葉片的PM2.5干沉降速率由大到小的順序為：龍柏＞懸鈴木＞水杉＞樟樹。其中龍柏葉片的PM2.5干沉降速率顯高于懸鈴木、水杉和樟樹（P＜0.05）。其原因可能是龍柏為常綠針葉樹種，小葉數量多，與大氣中顆粒物接觸的面積也較大，從而使得龍柏葉片有較高的PM2.5沉降速率。

圖6 生長季各植物葉片PM2.5干沉降速率的比較

3 結語

自主研制的人工氣溶膠煙霧箱能夠較好地測定野外實際條件下植物葉片上PM2.5的干沉降速率。利用強力風扇將植物葉片樣品上截留的顆粒物再次釋放到空氣中，在密閉罐體內形成穩定、均勻的氣溶膠，保證測定的準確性。該設備對于深入了解植被滯塵機制、提高植被的滯塵效果等科學研究具有重要意義。