福建柏游憩林內揮發(fā)物成分春季日變化規(guī)律研究

王茜 王成 任彬彬 張中霞 段敏杰 戴子云

摘 要：采用動態(tài)頂空法，于2015年春季對福建柏林內揮發(fā)物進行采集并分析，結果表明：春季福建柏林內共檢測出170多種物質，鑒定出163種，另有9種物質未鑒定出;烷烴、烯烴、醇類、酮類物質較其他類物質時濃度高，是福建柏林內揮發(fā)物的主要成分;福建柏林中烯烴類化合物大部分是萜烯類，環(huán)境因素如光照強度、溫濕度等對植物揮發(fā)物的釋放起著決定性作用。

關鍵詞：春季;福建柏;揮發(fā)物;日變化

中圖分類號 S79文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）16-0020-03

植物揮發(fā)性有機化合物（簡稱VOCs）不僅是植物釋放出來的，具有芳香氣味或對人體有保健作用的化學物質，也是重要的化學信息傳遞物質，在抑制空氣微生物的生長、對環(huán)境的氧化還原狀態(tài)的改變，以及對空氣對流層化學成分的改變以及全球碳循環(huán)等方面均具有重要的作用[1-3]。福建柏是南方常見的綠化樹種之一，為我國特有的單種屬植物，在研究柏科植物系統(tǒng)發(fā)育方面具有重要意義。因其樹形美觀、樹干通直、適應性強、材質優(yōu)良等優(yōu)點，已成為我國南方地區(qū)重要的用材樹種，同時也是庭院綠化的首選樹種[3-5]。對其保健功能尤其是釋放有機揮發(fā)物的研究，為福建柏的合理應用和配置，充分發(fā)揮植物揮發(fā)有益VOCs的保健功能，豐富城市常見綠化樹種的生態(tài)美、促進視覺美和嗅覺美的統(tǒng)一等都具有重要的現實意義。春季是植物釋放VOCs數量和濃度較高的時期，為此，本研究以春季福州旗山森林公園福建柏為試驗對象，采用動態(tài)頂空吸附法對其林內釋放的揮發(fā)物進行24h采集，對揮發(fā)物數量和濃度的日變化規(guī)律進行了分析。

1 研究地概況

研究區(qū)選擇在福州旗山森林公園內，公園總面積約3600hm2，氣溫年均值在15～24℃，日照數年均值在1800～2180h，降水量年均值在800～2300mm，夏季降水量占全年的46%，相對濕度年均值在75%～88%，屬于暖濕的亞熱帶氣候。福建柏林地位于公園西南方向，面積約35hm2，夏季郁閉度0.8，林齡10年，平均樹高8m，平均胸徑10.2cm，平均枝下高1.5m，林下植被有野草莓、山杜鵑、杜莖山等[3]。

2 研究方法

2.1 采集和測定方法 本實驗于2015年4月上、中、下旬，分別選擇晴朗無風或微風的天氣3d，每天從早7∶00至次日5：00，每隔2h采用開放式動態(tài)頂空吸附采集法，對福建柏林內的向陽背風面、健康無殘缺的枝葉進行揮發(fā)物采集。重復3次，每次采樣1h，氣體流量設置為100mL/min，采樣高度為1.5m人體平均呼吸高度。本實驗大氣采樣儀是由北京市勞動保護所提供的QC-1型采樣儀，采用管選用美國進口的TCT金屬采用管[3-4]。

2.2 分析方法 揮發(fā)物的分析鑒定采用自動熱脫附（ATD）-氣相色譜（GC）/質譜聯用（MS）技術，ATD-GC/MS型號：TurboMatrix650ATD、Clarus 600TGC、Clarus 600T MS，均由美國VARIAN公司生產[3-4]。ATD工作條件：溫度—樣品管脫附溫度260℃，閥溫230℃，傳輸線250℃，捕集阱-25℃～300℃，升溫速率40℃/s。流速—脫附25mL/min，色譜柱流量1.5mL/min，出口分流15mL/min，入口分流0mL/min，注入9.3%。干吹時間31min，脫附時間10min[3-4]。GC工作條件：Elite-5/MS柱（30m×0.36mm×0.25μm）的色譜柱，進樣通過液氮脫附，He為載氣;程序升溫過程為：40℃保持2min，然以5℃/min升溫速率升至270℃保持3min[3-4]。MS工作條件：EI源，電子能量為70ev，質量范圍為29～350amu;GC/MS接口溫度為250℃，離子源溫度為190℃，發(fā)射電流為100μA，檢出電壓為400v，質譜掃描范圍為19～430m/z[3-4]。利用TM Software4.0得到總離子流圖，通過計算機檢索NIST2008譜庫進行確認和篩選各峰代表的化學信息，并查閱相關化工辭典或參考相關資料進行最后確認及篩選，確定揮VOCs成分，同時計算各成分的相對濃度等。

2.3 試驗數據計算 采用面積歸一化法計算各成分在樣品氣體中的濃度（%），公式如下[3-4]：

測到該物質的樣管數目/該日樣管的總數目=某物質出現的概率; （1）

植物釋放的所有氣體峰面積之和/樣品所有氣體峰面積之和=樣品氣體中總揮發(fā)物的濃度（%） （2）

3 結果與分析

3.1 福建柏林內的揮發(fā)物成分 福建柏林內共檢測出170多種揮發(fā)物質，鑒定出163種，另有9種物質未鑒定出。由圖1可知，VOCs的數量的日變化呈倒“V”型，15∶00揮發(fā)物的數量最多，1∶00最少，用單因素方差分析得出15∶00與1∶00差異極顯著（P<0.01）。福建柏林內揮發(fā)物共10種，包括烷烴、烯烴、醛、酮、酸、脂、芳香烴等其他類化合物。其中，烷烴、烯烴、醛、酮、芳香烴在總揮發(fā)物中含量較高，尤其是烷烴共檢測出47種物質，占總揮發(fā)物物質數量的28.81%，而酸類物質最少，僅5種，占總揮發(fā)物物質數量的3.06%。烯烴類物質的數量次之，在本研究的開放狀態(tài)下檢測出26種物質，包括а-蒎烯、β-蒎烯、長葉烯、月桂烯、石竹烯、檸檬烯、水芹烯、а-金合歡烯和香芹烯等。

3.2 福建柏林內揮發(fā)物濃度 福建柏林內VOCs的濃度的日變化呈“M”型。從凌晨1∶00開始一直升高，直至15∶00達到全天的最高峰，之后直到21∶00濃度逐漸下降，但23∶00左右揮發(fā)物濃度又稍有反彈，隨后直1∶00又開始下降，總體來看，白天的濃度高于夜間。對不同時間段揮發(fā)物濃度進行方差分析得出，15∶00與1∶00差異極顯著（P<0.01），15∶00與3∶00、5∶00、7∶00、9∶00時間段差異顯著（P<0.05），與其他時間段差異不顯著。從圖1可以看出，隨著溫度的升高，揮發(fā)物的濃度基本變大;隨著相對濕度的增大，濃度降低。說明VOCs與空氣溫度呈正比，與相對濕度呈反比（1∶00—3∶00時間段除外）。

3.3 福建柏林內主要揮發(fā)物濃度 對福建柏林內各種揮發(fā)物進行鑒定后，結果表明：烷烴、烯烴、醇類、酮類物質較其他類物質濃度較高，是福建柏林內揮發(fā)物的主要成分（圖2）。

3.3.1 烷烴濃度日變化 從圖2可以看出，烷烴濃度日變化呈“N”型，3∶00—7∶00時間段濃度差異不明顯，而11∶00之后，烷烴濃度開始迅速上升至15∶00時最高，濃度為11.5%，之后濃度開始下降一直到23∶00出現全天的最低谷，值僅為2%左右，隨后至9∶00濃度緩慢回升，且夜間濃度低于白天。對全天各個時段揮發(fā)物濃度值進行多重比較單因素方差分析結果表明：15∶00與23∶00差異極顯著（P<0.01），與其他監(jiān)測時間段除13∶00外均差異顯著（P<0.05）。

3.3.2 烯烴濃度日變化 烯烴濃度的日變化呈“三峰兩谷”型，3個高峰出現在7∶00、21∶00、5∶00，2個低谷期出現在13∶00和3∶00，全天來看濃度變化波動較大。7∶00第1個小高峰之后，揮發(fā)物濃度開始下降，到13∶00降到全天的最低值，之后濃度開始反彈一直升高，至夜間21∶00出現全天的第2個高峰，隨后由于溫度、濕度等環(huán)境的影像濃度又開始回落至3∶00前后降到第2個低谷。從多重比較單因素方差分析結果看出，高峰期7∶00、21∶00、5∶00與低谷期13∶00、3∶00差異極顯著（P<0.01），與其他時間段9∶00、17∶00-19∶00和23∶00差異不顯著，與11∶00、15∶00差異顯著（P<0.05）。

3.3.3 醇類物質日變化 醇類物質濃度的日變化呈“W”型，5∶00、7∶00和17∶00出現全天的3個高峰，13∶00和23∶00出現全天的2個低谷，具體的日變化規(guī)律與烯烴相似，只是出現第2個高峰個第2個低谷的時間比烯烴滯后2h。用多重比較單因素方差分析結果顯示，3個高峰期分別與2個低谷期濃度值差異極顯著（P<0.01），而3個高峰期5∶00、7∶00和17∶00之間濃度差異不顯著，13∶00和23∶00這2個低谷值之間濃度差異不顯著。

3.3.4 酮類日變化 酮類物質的日變化呈單峰曲線，早7∶00濃度開始逐漸升高，13∶00左右基本保持平緩的趨勢升高，但是13∶00—17∶00揮發(fā)物濃度直線上升并出現全天的峰值，之后隨著溫度的降低，光照的減弱至21∶00前后一直處于下降狀態(tài)，21∶00后濃度開始趨于平緩，基本保持在1%左右。用多重比較單因素方差分析結果顯示，17∶00與全天其他時刻差異均顯著，說明17∶00受天氣條件等外界因素的綜合影響促使酮類揮發(fā)物的釋放。

4 結論與討論

（1）春季福建柏林內共檢測出170多種物質，鑒定出163種，另有9種物質未鑒定出。VOCs的數量的日變化呈倒“V”型，15∶00揮發(fā)物的數量最多，1∶00最少，用單因素方差分析得出15∶00與1∶00差異極顯著（P<0.01）。VOCs的濃度的日變化呈“M”型，從凌晨1∶00開始一直升高，直至15∶00達到全天的最高峰，之后直到21∶00濃度逐漸下降，但23∶00左右揮發(fā)物濃度又稍有反彈，隨后1∶00又開始下降，總體來看，白天的濃度高于夜間。說明春季福建柏生理活動旺盛，揮發(fā)物的數量和濃度均較高[5-6]。

（2）烷烴、烯烴、醇類、酮類物質較其他類物質濃度較高，是福建柏林內揮發(fā)物的主要成分。烷烴濃度的日變化呈“N”型，烯烴濃度的日變化呈“三峰兩谷”型，3個高峰出現在7∶00、21∶00、5∶00，2個低谷期出現在13∶00和3∶00，醇類物質濃度的日變化呈“W”型，5∶00、7∶00和17∶00出現全天的3個高峰，13∶00和23∶00出現全天的2個低谷，而酮類物質的日變化呈單峰曲線。

（3）福建柏林中烯烴類化合物大部分是萜烯類，研究發(fā)現，它的產生是儲存在特定的組織結構中，而不是立刻釋放出來的，一般是到儲存量最大時，使萜烯類分壓保持恒定，一旦氣孔開放，萜烯類等化合物就立刻被釋放出來[7-8]。可見，外界因素如光照強度、溫濕度等對植物揮發(fā)物的釋放起著決定性作用。因此，今后要加強對氣候因子與其關系的研究，更加深入全面的研究揮發(fā)物的釋放機理[9-10]。

參考文獻

[1]文野，潘洋劉，晏琪，等.森林揮發(fā)物保健功能研究進展[J].世界林業(yè)究，2017，30（6）：19-23.

[2]王春玲，胡增輝，沈紅，等.芳香植物揮發(fā)物的保健功效[J].北方園藝，2015（15）：171-177.

[3]王茜.福州旗山森林公園毛竹游憩林生態(tài)保健功能研究[D].北京：中國林業(yè)科學研究院，2015.

[4]張晶.無錫惠山地區(qū)秋季毛竹游憩林生態(tài)保健功能研究[D].北京：中國林業(yè)科學研究院，2012.

[5]張志永，葉兵，楊軍，等.杭州市城市森林生態(tài)保健功能動態(tài)變化監(jiān)測[J].西北林學院報，2014（05）：267-272.

[6]郭二果，王成，郄光發(fā)，等.城市森林生態(tài)保健功能表征因子之間的關系[J].生態(tài)學雜志，2013（11）：1789-1792.

[7]杜永均，嚴福順.植物揮發(fā)性次生物質在植食性昆蟲、寄生植物和昆蟲天敵關系中的作用機理[J].昆蟲學報，1994（2）：134-141.

[8]陳智明，鄧真，過賦文，等.3種棕櫚科植物揮發(fā)物成分分析[J].安徽農業(yè)科學，2017，45（35）：152-154.

[9]任紅劍，豐震，王超.元寶楓花的揮發(fā)成分研究[J].天津農業(yè)科學，2016，22（10）：7-14.

[10]賈曉軒，北京地區(qū)銀杏、紅松純林揮發(fā)性有機物釋放研究[D].北京：中國林業(yè)科學研究院，2016.

（責編：張宏民）