謝小洋，馮永忠，王得祥，呂　迪

(西北農(nóng)林科技大學 a 林學院，b 農(nóng)學院，陜西 楊凌 712100)

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我國西北地區(qū)夏季油松揮發(fā)物成分日變化及其影響因子研究

謝小洋a，馮永忠b，王得祥a，呂迪a

(西北農(nóng)林科技大學 a 林學院，b 農(nóng)學院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 探究我國西北地區(qū)夏季油松揮發(fā)物的主要成分、日變化規(guī)律及其影響因子，為構(gòu)建生態(tài)保健型城市森林和人們合理選擇游憩時間提供參考依據(jù)。【方法】 于7月上、中、下旬選擇晴朗無風的天氣，連續(xù)3 d在08:30，10:00，11:30，13:00，14:30，16:00和17:30，采用動態(tài)頂空吸附法采集樣品，用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用技術(shù)對油松釋放的揮發(fā)性有機物(VOCs)進行鑒定，分析其日變化動態(tài)；同時利用LI-6400XT光合儀測定其凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率并記錄溫度、濕度和光照強度，分析油松總揮發(fā)物(TVOC)含量與上述光合生理指標和氣象因子的相關(guān)性。【結(jié)果】 (1)油松揮發(fā)物成分包括8類62種，對人體健康有益的萜烯類化合物是其主要揮發(fā)物成分。(2)夏季油松總揮發(fā)物含量日變化曲線呈“兩峰三谷”型：13:00和16:00出現(xiàn)高峰，08:30、14:30和17:30出現(xiàn)低谷；一天中，對人體健康有益的萜烯類成分含量下午高于上午，對人體有害的芳香烴化合物主要出現(xiàn)在08:30-10:00和13:00-14:30，但含量較低。(3)溫度高、濕度低且光照強時油松釋放的揮發(fā)物總量較大，反之揮發(fā)物總量較小；凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率的日變化規(guī)律與總揮發(fā)物含量的日變化一致性較強；總揮發(fā)物含量變化與溫度、光照和濕度的相關(guān)性不顯著，與氣孔導度相關(guān)性顯著，與凈光合速率和蒸騰速率相關(guān)性極顯著。【結(jié)論】 夏季一天不同時段中，由于氣象因子改變引起油松生理活動發(fā)生變化，進而導致其釋放的總揮發(fā)物量不同，具體成分及相對含量也存在一定差異，但各時段主要成分皆為萜烯類化合物。

油松；有機揮發(fā)物；光合生理指標；氣象因子；西北地區(qū)

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人類的保健意識日益增強，城市居民開始重視城市森林對人體的生態(tài)保健功能。城市森林通過其形成的內(nèi)環(huán)境對人們的身心健康產(chǎn)生影響，因此組成林分的樹種非常重要。油松樹姿優(yōu)美、材質(zhì)優(yōu)良且富含松脂，同時根系發(fā)達、抗瘠薄，為中國特有樹種。在我國西北地區(qū)，油松不僅是重要的防風固沙和水土保持樹種，也是主要園林綠化和觀賞樹種，在優(yōu)化城市景觀、改善人們居住環(huán)境等方面發(fā)揮著非常重要的作用[1]。

有機揮發(fā)物(VOCs)是植物在生長發(fā)育過程中向周圍空氣釋放的低沸點、易揮發(fā)的代謝產(chǎn)物。大量研究表明，植物VOCs在地球生態(tài)系統(tǒng)以及醫(yī)療保健方面都發(fā)揮著重大作用，其不僅能調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育、傳遞重要化學信息物質(zhì)、增強植物抗性，而且具有殺菌抑菌、凈化空氣、緩解情緒和消除疲勞等功效[2-4]。夏季是油松有機揮發(fā)物釋放速率最高的時期[5]，對夏季油松揮發(fā)物的日變化規(guī)律及其影響因子進行研究，對構(gòu)建生態(tài)保健型城市森林、改善城市空氣質(zhì)量以及保障人們身心健康具有重大的意義。目前，國內(nèi)關(guān)于油松揮發(fā)物方面的研究較多，但研究地點多集中在華東、華北等地區(qū)，且研究對象多局限于樹木單體或枝葉[6-8]，而對于我國西北地區(qū)油松揮發(fā)物的釋放特點及動態(tài)變化的研究鮮見報道。本研究通過動態(tài)頂空循環(huán)吸附采集法和氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用技術(shù)對生長在西北地區(qū)的主要園林樹種油松揮發(fā)物的日動態(tài)變化進行研究，并分析了溫度、濕度、光照強度等氣象因子和凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率等主要光合因子與其揮發(fā)物釋放動態(tài)之間的關(guān)系，以期為西北地區(qū)以油松為主的城市森林建設提供依據(jù)，并為人們合理開展油松林游憩活動提供一定的指導。

1　材料與方法

1.1試驗材料

供試樹木為西北農(nóng)林科技大學南校區(qū)校園內(nèi)的3株生長環(huán)境一致的油松，其平均樹高8.2 m，平均胸徑16.4 cm，平均冠幅4 m×4.3 m，平均枝下高1.6 m，樹齡均在30 a左右。

1.2采集和測定方法

本試驗采用動態(tài)頂空吸附-溶劑洗脫法對油松的揮發(fā)物進行采集和處理。于2014年7月的上、中、下旬分別選擇晴朗無風的天氣連續(xù)3 d對油松揮發(fā)物進行采集，每日采樣時間為08:30-17:30，每1.5 h采樣1次，共7個樣品，采樣部位為樹冠向陽背風面中部健康無病蟲害枝葉。采集時先用惰性特氟龍袋罩住樹枝，用大氣采樣儀迅速抽空袋內(nèi)氣體，再泵入經(jīng)活性炭和國產(chǎn)吸附劑GDX-101雙重凈化過濾的空氣，密閉系統(tǒng)并靜置30 min后進行循環(huán)采氣。將揮發(fā)性物質(zhì)吸入填充Porapak Q吸附劑的吸附管中。采氣流量為0.25 L/min，每個樣品持續(xù)時間60 min。試驗同時收集空白樣品。采氣結(jié)束后立即對吸附管進行洗脫，并將洗脫液于-20 ℃條件下保存?zhèn)溆肹9-10]。

采集氣體樣品的同時記錄空氣溫度、濕度以及光照強度，并利用LI-6400XT便攜式光合儀測定油松凈光合速率、氣孔導度以及蒸騰速率。測定方法為在揮發(fā)物采樣同一部位選擇完全伸展的、長勢相似的完整葉子重復測定，每5 min測1組數(shù)據(jù)，重復記錄10組數(shù)據(jù)，結(jié)果取平均值。

1.3分析方法

采用TRACE ISQ 1310型氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用儀分析油松的揮發(fā)物樣品成分。GC工作條件：HP-5MS UI(30 m×0.32 mm×0.25 μm)色譜柱；載氣為氦氣，不分流進樣；升溫程序：初始溫度40 ℃，保持4 min后以10 ℃/min的速率升溫至240 ℃，保持8 min 后再以15 ℃/min的速率升溫至300 ℃，保持5 min。MS工作條件：EI源；質(zhì)量范圍33～500 amu；接口溫度250 ℃；離子源溫度280 ℃；全掃描，掃描間隔0.2 s。

1.4數(shù)據(jù)處理

通過GC-MS分析可獲得油松揮發(fā)物成分的總離子流圖(TIC)，利用計算機檢索NIST 11標準譜庫兼顧色譜保留時間(RT)，同時結(jié)合文獻檢索和手工解析進行篩選及確認，以此對油松揮發(fā)物成分進行鑒定。利用峰面積歸一化法計算油松各成分在總有機揮發(fā)物中的相對含量。本研究采用 Microsoft Excel 2010和SPSS Statistics 19.0 軟件對測得的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和相關(guān)性分析。

2　結(jié)果與分析

2.1夏季油松揮發(fā)物的成分

采用GC-MS技術(shù)得到夏季油松揮發(fā)物的總離子流圖(圖1)，扣除本底空氣雜質(zhì)后全天共檢測出8類62種化合物，具體結(jié)果見表1。

圖 1　夏季油松揮發(fā)物總離子流圖Fig.1　TIC of VOCs from Pinus tabuliformis in summer表 1　夏季油松揮發(fā)物成分的日變化Table 1　Diurnal variation of VOCs from Pinus tabuliformis in summer

種類Category保留時間/minRetentiontime化合物Component相對含量/%Relativecontent08:3010:0011:3013:0014:3016:0017:30烷烴類Alkanes14.00α-環(huán)氧蒎烷α-pineneoxide-0.060.060.050.060.020.0216.50甘菊環(huán)Azulene1.120.270.220.090.270.02-萜烯類Terpenes8.18三環(huán)萜Tricyclene2.282.622.492.403.031.581.438.442-崖柏烯2-thujene-0.090.180.170.210.380.298.60α-蒎烯α-pinene53.0264.5368.8374.9183.1538.5738.839.08莰烯Camphene4.574.744.814.794.864.994.929.302,4(10)-雪松二烯2,4(10)-thujadiene-0.06-0.040.050.02-10.01β-蒎烯β-pinene6.1713.1314.5411.964.1327.2428.7210.65月桂烯Myrcene0.741.101.240.490.4510.578.7610.98α-水芹烯α-phellandrene-----0.01-11.78D-檸檬烯D-limonene8.071.991.470.431.6015.2814.5612.193,6,6-三甲基-雙環(huán)[3,1,1]庚-2-烯3,6,6-trimethyl-bicyclo[3.1.1]hept-2-ene-----0.020.0212.80γ-松油烯γ-terpinene0.13--0.050.040.090.1220.12二環(huán)[4.4.1]十一碳-1,3,5,7,9-五烯Bicyclo[4.4.1]undeca-1,3,5,7,9-pentaene--0.04----

表 1(續(xù))　Continued table 1

注：-.未檢測到化合物。Note:-.Not detected.

油松揮發(fā)物中，萜烯類物質(zhì)種類最多、所占比例最大，共包含28種化合物，且各時段含量均達到揮發(fā)物總量的85%以上。其中，α-蒎烯相對含量最大，達38.57%～83.15%；β-蒎烯次之，相對含量為4.13%～28.72%；D-檸檬烯(0.43%～15.28%)、月桂烯(0.45%～10.57%)和莰烯(4.57%～4.99%)等化合物的相對含量也較高。近年來的研究表明，這些萜烯類化合物對人體健康有利：α-蒎烯、β-蒎烯和月桂烯具有祛痰止咳、抗炎抗真菌的作用[11]；D-檸檬烯能治療膽結(jié)石，同時也能有效緩解高血壓[12]；莰烯具有抗高血脂、增強免疫力的作用[13]；石竹烯具有平喘的功效[11]；水芹烯因氣味溫和可作祛痰劑，還具有提神的作用[14]。

油松揮發(fā)物中醇類物質(zhì)的種類和數(shù)量僅次于萜烯類物質(zhì)，包含10種化合物，其中芳樟醇可以增強空氣清新感，進而調(diào)節(jié)人體的神經(jīng)系統(tǒng)，具有顯著的鎮(zhèn)靜作用，也能減少ABTS自由基對人體組織細胞的損傷，利于預防和治療老年退行性疾病[15]，該物質(zhì)在一天各時段中均能檢測到。芳烴類化合物有6種，其中乙烷基苯是主要成分，其對人體健康有害，能使人頭眩惡心、步態(tài)不穩(wěn)[16]。醛類物質(zhì)也有6種化合物，其中壬醛和癸醛具有芳香味，能起到一定程度的芳香療法作用，并且能明顯抑制細菌的生長[17]，但僅有4個時段能檢測到。酮類化合物有5種，左旋樟腦、3,4-二甲基苯乙酮和3-乙基苯乙酮在6個以上時段均可檢測到。酯類物質(zhì)有3種化合物，其中具有水果香味的乙酸龍腦酯含量較高[16]，最高時達到揮發(fā)物總量的7.47%。烷烴類和酸類物質(zhì)各有2種化合物，其相對含量均較低。

夏季油松在一天不同時段釋放的有機揮發(fā)物的具體成分和相對含量也存在一定差異(表1)。10:00、16:00和08:30揮發(fā)物種類最多(分別為41，41和40種)，13:00和17:30次之(均有39種化合物)，11:30揮發(fā)物種類較少(38種)，此6個時段的揮發(fā)物均以萜烯類、酯類和醇類化合物較多；14:30揮發(fā)物種類最少(僅28種物質(zhì))，揮發(fā)物以萜烯類、酮類和醇類物質(zhì)為主。從總體來看，油松在夏季一天各時段不同類型化合物所呈現(xiàn)出的變化規(guī)律各異，其生成和釋放機理有待進一步研究。

2.2夏季油松揮發(fā)物的日變化動態(tài)

由表2可以看出，油松總揮發(fā)物(TVOC)含量夏季日變化動態(tài)非常明顯，其變化曲線為“兩峰三谷”型，早晨從08:30開始TVOC含量逐漸升高，到中午13:00出現(xiàn)第1個高峰，下午14:30有所下降，到16:00再次升高，達到一天中的最大值，傍晚17:30出現(xiàn)低谷；TVOC含量整體表現(xiàn)為上午低于下午。油松揮發(fā)物中萜烯類物質(zhì)所占比例最大，最低比例為87.22%，出現(xiàn)在早晨08:30；之后逐漸增大，到下午16:00達到最大，為99.22%；傍晚17:30稍微有所下降；總體來看，萜烯類物質(zhì)的含量下午高于上午。其次是酯類物質(zhì)，其日變化規(guī)律與萜烯類相反，其相對含量在08:30達最大值，為7.60%；之后持續(xù)下降，至14:30降為0；但16:00又有少量酯類物質(zhì)釋放，傍晚17:30相對含量升高到0.38%；酯類物質(zhì)總體表現(xiàn)為上午含量高、下午含量低。其余各類化合物相對含量較低，在有些時間點檢測不出，其中烷烴類化合物在08:30相對含量最高，14:30 出現(xiàn)第2個小高峰，傍晚時相對含量接近0。醇類和酮類物質(zhì)在上午08:30-10:00相對含量較高，其余時段含量相對均較低。醛類化合物在08:30和14:30分別出現(xiàn)1個小高峰，13:00和16:00為2個低谷時段，其整體相對含量不高。芳烴類物質(zhì)變化趨勢與醛類物質(zhì)類似，但第1個低谷出現(xiàn)時間有所提前，在11:30 出現(xiàn)，因此芳烴類化合物主要在 08:30-10:00和13:00-14:30 兩個時段出現(xiàn)，且相對含量較低。酸類物質(zhì)僅在13:00，14:30和17:30這3個時段可檢測到，但相對含量較低，且上午沒有發(fā)現(xiàn)酸類化合物。

表 2　夏季油松總揮發(fā)物(TVOC)含量及各類揮發(fā)物相對含量的日變化Table 2　Diurnal variation of TVOC concentrations and the components from Pinus tabuliformis in summer　%

2.3影響油松揮發(fā)物釋放的主要因素

從圖2可以看出，夏季油松在一天不同時段的總揮發(fā)物量受溫度、濕度、光照強度、凈光合速率、氣孔導度以及蒸騰速率的影響較大，溫度高、濕度低且光照強時揮發(fā)物釋放量總體較大，凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率的日變化規(guī)律與揮發(fā)物釋放量的日變化具有較強的一致性。從早晨08:30以后，隨著溫度的升高、光照的增強，油松生理活動逐漸增強，13:00時溫度達到日間最高值，此時光照強度也達到較高值，光合作用和蒸騰作用較強，氣孔導度也較大，伴隨的次生代謝產(chǎn)物較多，此時總揮發(fā)物含量達到第1個高峰；13:00以后，雖然溫度和光照強度有所下降，但由于較長時間處于高溫、強光照環(huán)境下，油松逐漸處于水分虧缺狀態(tài)，保衛(wèi)細胞失水嚴重，氣孔關(guān)閉，導致蒸騰作用減弱，光合作用也隨之降低，因此總揮發(fā)物含量降低；下午14:30以后，油松水分虧缺狀態(tài)得到緩解，光合作用和蒸騰作用明顯增強，氣孔導度增大，盡管外界氣象條件有所波動，但釋放的總揮發(fā)物逐漸增多，其含量在16:00達到一天中的最大值；自16:00至傍晚17:30，光照逐漸減弱，溫度降低，濕度也隨之增大，油松光合作用和蒸騰作用逐漸減弱，氣孔導度變小，油松的總揮發(fā)物含量逐漸降低。

圖 2　油松總揮發(fā)物(TVOC)含量與光合生理指標和氣象因子的關(guān)系Fig.2　Changes in TVOC concentrations and physiological characteristics and meteorological factors of Pinus tabuliformis

對夏季油松總揮發(fā)物含量與各影響因子進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，油松在夏季的總揮發(fā)物含量與凈光合速率、蒸騰速率極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.892和0.883)，與氣孔導度顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.865)，說明凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度是影響油松總揮發(fā)物含量的主要因子。夏季油松的總揮發(fā)物含量與溫度和光照強度不顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.570和0.418)，與濕度則不顯著負相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.560)，說明溫度、光照強度和濕度在油松揮發(fā)物釋放過程中起一定作用，總揮發(fā)物含量隨溫度和光照的增大而增大，隨環(huán)境濕度的增加而減小。

3　討　論

夏季油松揮發(fā)物的組成成分有62種，分屬烷烴類、萜烯類、醇類、酯類、酮類、醛類、酸類和芳烴類等8類化合物。其中，萜烯類化合物的種類最多，相對含量最大，因此萜烯類物質(zhì)是夏季油松的主要揮發(fā)物。檢測成分中對人體有益的萜烯類化合物相對含量最高，乙苯等對人體健康不利的化合物相對含量較低。陳霞等[18]采用水蒸氣蒸餾法對秦嶺油松針葉揮發(fā)物進行采集，通過GC-MS方法分析后得到65種成分，其中萜烯類化合物含量為79.39%；高巖[19]采用動態(tài)頂空采集法并結(jié)合熱脫附-氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)(TCT-GC-MS)從油松枝葉中鑒定出22種化合物，其中萜烯類物質(zhì)的含量達到油松揮發(fā)物總量的94%以上；王鴻斌等[20]對健康油松生長季中不同月份的揮發(fā)物進行鑒定，共得到25種基本成分，其中萜烯類成分占97.2%～98.1%。以上研究與本研究結(jié)果類似，得出油松釋放的揮發(fā)物主要成分皆為萜烯類化合物，但是含量有一定差別，這可能是采集方法、分析技術(shù)、樹木生長環(huán)境和測定地點氣象因素等差異引起的。

夏季油松總揮發(fā)物含量日變化曲線呈“兩峰三谷”型，13:00和16:00出現(xiàn)高峰，08:30、14:30和17:30出現(xiàn)低谷。此結(jié)果與其他學者對針葉樹種有機揮發(fā)物釋放日變化規(guī)律的研究結(jié)果一致[16,21-22]，其在正午前后必定出現(xiàn)1個高峰，且揮發(fā)物在上午的釋放量總體低于下午。本研究還發(fā)現(xiàn)，一天中對人體健康有利的萜烯類成分相對含量下午高于上午，對人體有害的芳香烴化合物主要出現(xiàn)在 08:30-10:00和13:00-14:30，但相對含量很低。油松釋放的揮發(fā)物成分比較復雜，進入到周圍大氣中多是微量甚至痕量成分，其含量達到何種程度才會對人體產(chǎn)生影響還需要深入而細致的研究。油松揮發(fā)物中不同類型化合物由于產(chǎn)生和釋放機理不同而表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，其原因也有待進一步研究。

本研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)在因素凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度的日變化規(guī)律與油松揮發(fā)物釋放量具有較強的一致性，前兩者與總揮發(fā)物含量的相關(guān)性均達極顯著水平，后者達顯著水平。原因在于揮發(fā)性物質(zhì)是油松的次生代謝產(chǎn)物，其通過受光合作用和蒸騰作用調(diào)節(jié)開閉的氣孔而釋放到空氣中，故凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度對油松總揮發(fā)物的釋放會產(chǎn)生直接影響。當溫度高、濕度低且光照強時，油松的總揮發(fā)物含量總體較大，但分析結(jié)果中3個氣象因子與油松總揮發(fā)物含量的相關(guān)性不顯著，其原因在于這些外在因素是通過影響油松的生理變化來間接影響其有機揮發(fā)物的釋放。

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Diurnal variation and influencing factors of volatile organic compounds fromPinustabuliformisin summer in Northwest area of China

XIE Xiaoyanga,FENG Yongzhongb,WANG Dexianga,Lü Dia

(aCollegeofForestry,bCollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 Components,diurnal variation and influencing factors of volatile organic compounds (VOCs) fromPinustabuliformisin summer in northwest area of China were analyzed to provide theoretical basis for selecting ecological trees for urban greening and choosing suitable recreational time.【Method】 VOCs fromPinustabuliformisin summer were collected by dynamic headspace air-circulation method at 08:30,10:00,11:30,13:00,14:30,16:00 and 17:30 in 3 sunny and windless days in early,middle and late July,respectively.Samples were identified using gas chromatography-mass spectrometer (GC-MS) to analyze their diurnal changes.Physiological characteristics including net photosynthetic rate,stomatal conductance and transpiration rate and meteorological factors including temperature,humidity and illumination were also measured to analyze correlation between total VOCs (TVOC) and influencing factors.【Result】 (1) There were 62 kinds of VOCs belonging to 8 categories emitted fromPinustabuliformis,among which terpenes were the main component.(2) The diurnal variation of TVOC appeared in a shape of “two peaks and three vales” with peaks at 13:00 and 16:00 and vales at 08:30,14:30 and 17:30.The content of terpenes in the afternoon was higher than that in the morning,and aromatic compounds were low with peak values at 08:30-10:00 and 13:00-14:30.(3) TVOC fromPinustabuliformiswas high when temperature was high,illumination was strong and humidity was low.The diurnal variation of TVOC accorded with that of net photosynthetic rate,stomatal conductance and transpiration rate.The correlation between TVOC and meteorological factors was not significant.TVOC was significantly correlated with stomatal conductance and very significantly correlated with net photosynthetic rate and transpiration rate.【Conclusion】 Due to change in physiological activity ofPinustabuliformiscaused by meteorological conditions in summer day, concentrations and components of TVOC varied significantly.Terpenes were the main components for all periods.

Pinustabuliformis;volatile organic compounds(VOCs);physiological characteristics;meteorological factors;Northwest area

網(wǎng)絡出版時間:2016-07-1208:4510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.08.017

2015-01-16

國家林業(yè)局948項目“森林對大氣質(zhì)量影響評價模型應用技術(shù)引進”(2013-4-56)

謝小洋(1991-),女,山西永濟人,在讀碩士,主要從事城市森林生態(tài)研究。E-mail:xiexiaoyang1519@163.com

王得祥(1966-),男,青海樂都人,教授,博士生導師,主要從事森林生態(tài)與森林可持續(xù)經(jīng)營研究。

E-mail:wangdx66@126.com

S731.2

A

1671-9387(2016)08-0111-08

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