吹脱再悬浮法测定植物表面PM2.5的干沉降速率的方法与流程

本发明涉及一种吹脱再悬浮法测定植物表面PM_2.5的干沉降速率的方法，属于植物表面物理技术领域。

背景技术：

在空气污染日趋严重的今天，越来越多的关注聚焦在大气污染问题上。大气中直径小于或等于2.5微米的细颗粒污染物，简称为PM_2.5，因其传播距离远，对人体健康影响大，已成为大气污染防控的首要目标。测定出实际的PM_2.5的干沉降速率，为雾霾治理和污染防控提供科学依据，已经迫在眉睫。

研究表明，植物的滞尘能力可以用单位面积植物叶片上PM_2.5的干沉降通量(F)来表示：

F(μg/m²/hr)＝V_d×C 式(1)

式中V_d为干沉降条件下植物叶片吸滞PM_2.5的速率(m/hr)，随植物种类及环境因素的不同而不同；C为当地大气中PM_2.5本底浓度(μg/m³)。

被吸滞的PM_2.5部分会被叶片所吸收，而大多数则会被暂时保留在叶片表面；当风速增大或枝叶摇曳时会再次脱离叶片返回到大气中，称为再悬浮过程(resuspension)。在不同风速下，PM_2.5有一定的再悬浮百分比(Re)。叶片上累积的PM_2.5会最终会受雨水冲刷，当降雨量(Pe in mm)大于树冠层的储水能力(Ps in mm)时，颗粒物会从叶片上落下，则Re变为0。由于吸滞和再悬浮过程的共同作用，植物在一个降雨冲刷周期内净化PM_2.5的通量(单位时间内单位叶面积上的净化量)实际为：

F’(μg/m²/hr)＝V_d×C×(1-Re)＝V_d’×C 式(2)

其中V_d’＝V_d×(1-Re) 式(3)

V_d’代表了最终在叶片上被净化的PM_2.5实际沉降速率，可称其为“表观干沉降速率(observed dry deposition velocity)”，相对应的净化通量F’则称为“表观干沉降通量”。

经过对现有技术的大量检索后发现，目前测定植物对PM_2.5的实际干沉降速率V_d’的主要方法有水洗法和风洞实验。但是水洗法仅仅适合不溶性的粗颗粒，同时称量容易产生累计误差，且不适用于细小的PM_2.5颗粒物干沉降速率的测量；而风洞实验法用NaCl或KNO₃为示踪物模拟大气中的颗粒物，不能真实地反映大气中PM_2.5的化学性质，给研究结果带来较大的不确定性，且实验成本很高。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种吹脱再悬浮法测定植物表面PM_2.5的干沉降速率的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种吹脱再悬浮法测定植物表面PM_2.5的干沉降速率的方法，其包括如下步骤：

分别制备待测样品和空白样品；

分别测定所述待测样品和空白样品上的滞尘量；

分别测量待测样品的叶面积S₁和空白样品的叶面积S₂，并查询待测样品采集地区14天的PM_2.5平均浓度C；

根据公式(I)计算待测样品的实际PM_2.5干沉降速率V_d’；

${V_d}^{\′}(m/hr)=\frac{M_1\·V-M_2\·V\·\frac{S_1}{S_2}}{S_1\·C\·14\·24}---\left(I\right);$

其中，V为人工气溶胶气候箱的腔体体积；M₁为待测样品再吹脱后PM_2.5的实测浓度；M₂为空白样品再吹脱后PM_2.5的实测浓度。

作为优选方案，所述待测样品和空白样品的制备方法分别为：

在非降雨期内，在植物的树冠上部三分之一处的向阳部位选择一个若干健康成熟叶片的细枝并做标记，用蒸馏水清洗所述细枝每个叶片上的灰尘后，在连续降雨量小于0.1mm的14天后，收集经过清洗的叶片，排除空气后在4℃条件下保鲜，作为待测样品；

在非降雨期内，按照与待测样品相同的选叶方法，采集与待测样品同种的植物鲜叶，蒸馏水进行清洗，干燥后作为空白样品。

作为优选方案，所述待测样品上的滞尘量的测定方法为：

利用人工气溶胶气候箱对待测样品进行吹脱再悬浮实验，测得待测样品实际稳定PM_2.5浓度为M₁，测得空白样品实际稳定的PM_2.5浓度为M₂，所述人工气溶胶气候箱腔体体积V，利用叶面积仪测量获得待测样品的叶面积S₁，空白样品的叶面积为S₂。可得待测样品实际滞尘量为：

$M_1\·V-M_2\·V\·\frac{S_1}{S_2}$

作为优选方案，所4述人工气溶胶气候箱包括：不锈钢外壳、密闭罐体、变速风扇、料盒、温控探头、双开式进样盒、环形空气冲洗管路、空气进气口、罐体顶盖、密封固定螺栓、预留检测口、操作面板、配电箱、内外压力平衡装置、真空泵，密闭罐体位于不锈钢外壳内，变速风扇、料盒、环形空气冲洗管路从下至上依次位于密闭罐体内，双开式进样盒位于料盒内，空气进气口、罐体顶盖、操作面板都固定在不锈钢外壳的顶端上，预留检测口位于罐体顶盖上，罐体顶盖和不锈钢外壳之间通过密封固定螺栓固定，真空泵位于不锈钢外壳内且位于密闭罐体的侧面。具体可参见专利ZL201510093611.X。

作为优选方案，所述待测样品的叶面积和空白样品的叶面积均由叶面积仪测量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明利用风力吹脱再悬浮的方法测定植物叶片表面干沉降速率，相比风洞实验降低了成本，简化了实验过程，规避了理论经验估算法的地域不确定性，可以实际测得特定地域特定环境下某一树种实际的干沉降速率，是最为直接测定植物叶片表面干沉降速率的测试方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例中气体清洗过程中各个粒径颗粒物浓度随时间的变化；

图2为实施例中实测叶片过程中各个粒径颗粒物浓度随时间的变化；

图3为某生长季四种代表植物叶片PM_2.5沉降速率。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

1、制备吹脱再悬浮所需要的实验用叶片样品：

以夏季某交通污染严重道路两旁成规模香樟行道树为实验样本，每五米至十米标记一颗健康的香樟，共计标记三棵，制作三组实验样本(待测+空白)：香樟树冠上部三分之一处的向阳部位选择一个有15～20片健康成熟叶片的细枝并做标记，用蒸馏水清洗细枝上每个叶片上的灰尘3遍。在连续未降雨(降雨量小于0.1mm)的14天之后，将做好标记的细枝剪下，收集之前洗净的叶片，放入自封袋中，排尽空气，尽快送回实验室在4℃条件下保鲜，作为待测样品。按照同样的选叶方法，另外再采集15～20片等大的香樟鲜叶，带回实验室用蒸馏水清洗三遍，自然风干后作为空白样品。

2、测量待测样品实际叶片上的滞尘量——吹脱再悬浮实验。

2.1吹脱再悬浮实验中“人工气溶胶气候箱”冲洗时间和静置稳定时间的确定。

如图1所示，当清洗过程开始，密封腔体内颗粒浓度快速下降，但是其降低的速率在减缓。10分钟左右颗粒物浓度降低至最低值，停止气体冲洗关闭进出阀门，腔体内部密闭并保持一个稳定状态，短时间内颗粒物浓度略微有所升高，但2～3分钟后再次处于稳定值，将风扇打开，此稳定值不变，约5.0ug/m³(ppb)。故设定气体清洗时间需大于等于10分钟，静置稳定时间需大于等于3分钟。

2.2吹脱再悬浮实验中高风速吹脱时间的确定。

我们将叶片放入双开料盒，关闭腔体舱盖，先清洗腔体内壁，清洗干净后(15分钟左右)，打开料盒完成叶片，同时开启风扇调至最大风扇进行吹脱，整个过程中各个粒径颗粒物浓度随时间的变化如图2所示。从清洗过程开始，腔体内的气溶胶浓度显著下降，10分钟左右关闭进出气阀门停止气体冲洗，PM_2.5达到4～5ug/m³，稳定5～8分钟左右，PM_2.5的浓度平衡在9.5ug/m³，第18分钟时开启风扇，调至最大风速，叶片上的滞尘被吹散，腔体内气溶胶浓度立刻上升，经过10分钟左右的风扇吹脱，最终不同粒径的气溶胶浓度都趋于稳定，故设定风扇吹脱时间需大于等于10分钟。

2.3待测叶片上吹脱再悬浮PM_2.5的总滞尘量的计算。

通过以上实验所需时间的确定，分别进行待测叶片和空白叶片的吹脱再悬浮实验，M₁：待测样品的实测浓度，M₂：空白样品的实测浓度，腔体体积为V，利用叶面积仪测量获得，S₁：待测样品的叶面积，S₂：空白样品的叶面积。

则待测样品上的总滞尘量可表示为：

3、测试样品的实际干沉降速率的计算。

待测样品叶面积S₁，待测样品总滞尘量：净化天数14天，通过式(1)我们可以计算出待测样品的实际干沉降速率V_d’(m/hr)。

实测某生长季常绿阔叶(香樟)、常绿针叶(龙柏)、落叶阔叶(悬铃木)和落叶针叶(水杉)所得PM_2.5实际干沉降速率V_d’数据如图3。

由图3可知，四种植物叶片的PM_2.5沉降速率由大到小的顺序为：龙柏、悬铃木、水杉和香樟。其中龙柏的叶片的PM_2.5沉降速率明显高于其他三个树种。对四个品种的沉降速率进行了方差分析以及多重比较(SSR法)，结果如下：

表1不同树种叶片PM_2.5沉降速率的方差分析

表2不同树种叶片PM_2.5沉降速率的差异显著性

注：相同字母表示相互之间无显著差异，不同字母表示相互之间具有显著差异

从表1，表2中的结果可以看出龙柏其他各品种互相之间存在显著性差异，其中龙柏与香樟，水杉之间存在极显著性差异。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。