谢小洋，冯永忠，王得祥，吕　迪

(西北农林科技大学 a 林学院，b 农学院，陕西 杨凌 712100)



我国西北地区夏季油松挥发物成分日变化及其影响因子研究

谢小洋a，冯永忠b，王得祥a，吕迪a

(西北农林科技大学 a 林学院，b 农学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】 探究我国西北地区夏季油松挥发物的主要成分、日变化规律及其影响因子，为构建生态保健型城市森林和人们合理选择游憩时间提供参考依据。【方法】 于7月上、中、下旬选择晴朗无风的天气，连续3 d在08:30，10:00，11:30，13:00，14:30，16:00和17:30，采用动态顶空吸附法采集样品，用气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术对油松释放的挥发性有机物(VOCs)进行鉴定，分析其日变化动态；同时利用LI-6400XT光合仪测定其净光合速率、气孔导度、蒸腾速率并记录温度、湿度和光照强度，分析油松总挥发物(TVOC)含量与上述光合生理指标和气象因子的相关性。【结果】 (1)油松挥发物成分包括8类62种，对人体健康有益的萜烯类化合物是其主要挥发物成分。(2)夏季油松总挥发物含量日变化曲线呈“两峰三谷”型：13:00和16:00出现高峰，08:30、14:30和17:30出现低谷；一天中，对人体健康有益的萜烯类成分含量下午高于上午，对人体有害的芳香烃化合物主要出现在08:30-10:00和13:00-14:30，但含量较低。(3)温度高、湿度低且光照强时油松释放的挥发物总量较大，反之挥发物总量较小；净光合速率、气孔导度及蒸腾速率的日变化规律与总挥发物含量的日变化一致性较强；总挥发物含量变化与温度、光照和湿度的相关性不显著，与气孔导度相关性显著，与净光合速率和蒸腾速率相关性极显著。【结论】 夏季一天不同时段中，由于气象因子改变引起油松生理活动发生变化，进而导致其释放的总挥发物量不同，具体成分及相对含量也存在一定差异，但各时段主要成分皆为萜烯类化合物。

油松；有机挥发物；光合生理指标；气象因子；西北地区

随着国民经济的迅速发展，人类的保健意识日益增强，城市居民开始重视城市森林对人体的生态保健功能。城市森林通过其形成的内环境对人们的身心健康产生影响，因此组成林分的树种非常重要。油松树姿优美、材质优良且富含松脂，同时根系发达、抗瘠薄，为中国特有树种。在我国西北地区，油松不仅是重要的防风固沙和水土保持树种，也是主要园林绿化和观赏树种，在优化城市景观、改善人们居住环境等方面发挥着非常重要的作用[1]。

有机挥发物(VOCs)是植物在生长发育过程中向周围空气释放的低沸点、易挥发的代谢产物。大量研究表明，植物VOCs在地球生态系统以及医疗保健方面都发挥着重大作用，其不仅能调节植物生长发育、传递重要化学信息物质、增强植物抗性，而且具有杀菌抑菌、净化空气、缓解情绪和消除疲劳等功效[2-4]。夏季是油松有机挥发物释放速率最高的时期[5]，对夏季油松挥发物的日变化规律及其影响因子进行研究，对构建生态保健型城市森林、改善城市空气质量以及保障人们身心健康具有重大的意义。目前，国内关于油松挥发物方面的研究较多，但研究地点多集中在华东、华北等地区，且研究对象多局限于树木单体或枝叶[6-8]，而对于我国西北地区油松挥发物的释放特点及动态变化的研究鲜见报道。本研究通过动态顶空循环吸附采集法和气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术对生长在西北地区的主要园林树种油松挥发物的日动态变化进行研究，并分析了温度、湿度、光照强度等气象因子和净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等主要光合因子与其挥发物释放动态之间的关系，以期为西北地区以油松为主的城市森林建设提供依据，并为人们合理开展油松林游憩活动提供一定的指导。

1　材料与方法

1.1试验材料

供试树木为西北农林科技大学南校区校园内的3株生长环境一致的油松，其平均树高8.2 m，平均胸径16.4 cm，平均冠幅4 m×4.3 m，平均枝下高1.6 m，树龄均在30 a左右。

1.2采集和测定方法

本试验采用动态顶空吸附-溶剂洗脱法对油松的挥发物进行采集和处理。于2014年7月的上、中、下旬分别选择晴朗无风的天气连续3 d对油松挥发物进行采集，每日采样时间为08:30-17:30，每1.5 h采样1次，共7个样品，采样部位为树冠向阳背风面中部健康无病虫害枝叶。采集时先用惰性特氟龙袋罩住树枝，用大气采样仪迅速抽空袋内气体，再泵入经活性炭和国产吸附剂GDX-101双重净化过滤的空气，密闭系统并静置30 min后进行循环采气。将挥发性物质吸入填充Porapak Q吸附剂的吸附管中。采气流量为0.25 L/min，每个样品持续时间60 min。试验同时收集空白样品。采气结束后立即对吸附管进行洗脱，并将洗脱液于-20 ℃条件下保存备用[9-10]。

采集气体样品的同时记录空气温度、湿度以及光照强度，并利用LI-6400XT便携式光合仪测定油松净光合速率、气孔导度以及蒸腾速率。测定方法为在挥发物采样同一部位选择完全伸展的、长势相似的完整叶子重复测定，每5 min测1组数据，重复记录10组数据，结果取平均值。

1.3分析方法

采用TRACE ISQ 1310型气相色谱-质谱(GC-MS)联用仪分析油松的挥发物样品成分。GC工作条件：HP-5MS UI(30 m×0.32 mm×0.25 μm)色谱柱；载气为氦气，不分流进样；升温程序：初始温度40 ℃，保持4 min后以10 ℃/min的速率升温至240 ℃，保持8 min 后再以15 ℃/min的速率升温至300 ℃，保持5 min。MS工作条件：EI源；质量范围33～500 amu；接口温度250 ℃；离子源温度280 ℃；全扫描，扫描间隔0.2 s。

1.4数据处理

通过GC-MS分析可获得油松挥发物成分的总离子流图(TIC)，利用计算机检索NIST 11标准谱库兼顾色谱保留时间(RT)，同时结合文献检索和手工解析进行筛选及确认，以此对油松挥发物成分进行鉴定。利用峰面积归一化法计算油松各成分在总有机挥发物中的相对含量。本研究采用 Microsoft Excel 2010和SPSS Statistics 19.0 软件对测得的试验数据进行统计分析和相关性分析。

2　结果与分析

2.1夏季油松挥发物的成分

采用GC-MS技术得到夏季油松挥发物的总离子流图(图1)，扣除本底空气杂质后全天共检测出8类62种化合物，具体结果见表1。

图 1　夏季油松挥发物总离子流图Fig.1　TIC of VOCs from Pinus tabuliformis in summer表 1　夏季油松挥发物成分的日变化Table 1　Diurnal variation of VOCs from Pinus tabuliformis in summer

种类Category保留时间/minRetentiontime化合物Component相对含量/%Relativecontent08:3010:0011:3013:0014:3016:0017:30烷烃类Alkanes14.00α-环氧蒎烷α-pineneoxide-0.060.060.050.060.020.0216.50甘菊环Azulene1.120.270.220.090.270.02-萜烯类Terpenes8.18三环萜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-柠檬烯D-limonene8.071.991.470.431.6015.2814.5612.193,6,6-三甲基-双环[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--0.050.040.090.1220.12二环[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(续)　Continued table 1

注：-.未检测到化合物。Note:-.Not detected.

油松挥发物中，萜烯类物质种类最多、所占比例最大，共包含28种化合物，且各时段含量均达到挥发物总量的85%以上。其中，α-蒎烯相对含量最大，达38.57%～83.15%；β-蒎烯次之，相对含量为4.13%～28.72%；D-柠檬烯(0.43%～15.28%)、月桂烯(0.45%～10.57%)和莰烯(4.57%～4.99%)等化合物的相对含量也较高。近年来的研究表明，这些萜烯类化合物对人体健康有利：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-柠檬烯能治疗胆结石，同时也能有效缓解高血压[12]；莰烯具有抗高血脂、增强免疫力的作用[13]；石竹烯具有平喘的功效[11]；水芹烯因气味温和可作祛痰剂，还具有提神的作用[14]。

油松挥发物中醇类物质的种类和数量仅次于萜烯类物质，包含10种化合物，其中芳樟醇可以增强空气清新感，进而调节人体的神经系统，具有显著的镇静作用，也能减少ABTS自由基对人体组织细胞的损伤，利于预防和治疗老年退行性疾病[15]，该物质在一天各时段中均能检测到。芳烃类化合物有6种，其中乙烷基苯是主要成分，其对人体健康有害，能使人头眩恶心、步态不稳[16]。醛类物质也有6种化合物，其中壬醛和癸醛具有芳香味，能起到一定程度的芳香疗法作用，并且能明显抑制细菌的生长[17]，但仅有4个时段能检测到。酮类化合物有5种，左旋樟脑、3,4-二甲基苯乙酮和3-乙基苯乙酮在6个以上时段均可检测到。酯类物质有3种化合物，其中具有水果香味的乙酸龙脑酯含量较高[16]，最高时达到挥发物总量的7.47%。烷烃类和酸类物质各有2种化合物，其相对含量均较低。

夏季油松在一天不同时段释放的有机挥发物的具体成分和相对含量也存在一定差异(表1)。10:00、16:00和08:30挥发物种类最多(分别为41，41和40种)，13:00和17:30次之(均有39种化合物)，11:30挥发物种类较少(38种)，此6个时段的挥发物均以萜烯类、酯类和醇类化合物较多；14:30挥发物种类最少(仅28种物质)，挥发物以萜烯类、酮类和醇类物质为主。从总体来看，油松在夏季一天各时段不同类型化合物所呈现出的变化规律各异，其生成和释放机理有待进一步研究。

2.2夏季油松挥发物的日变化动态

由表2可以看出，油松总挥发物(TVOC)含量夏季日变化动态非常明显，其变化曲线为“两峰三谷”型，早晨从08:30开始TVOC含量逐渐升高，到中午13:00出现第1个高峰，下午14:30有所下降，到16:00再次升高，达到一天中的最大值，傍晚17:30出现低谷；TVOC含量整体表现为上午低于下午。油松挥发物中萜烯类物质所占比例最大，最低比例为87.22%，出现在早晨08:30；之后逐渐增大，到下午16:00达到最大，为99.22%；傍晚17:30稍微有所下降；总体来看，萜烯类物质的含量下午高于上午。其次是酯类物质，其日变化规律与萜烯类相反，其相对含量在08:30达最大值，为7.60%；之后持续下降，至14:30降为0；但16:00又有少量酯类物质释放，傍晚17:30相对含量升高到0.38%；酯类物质总体表现为上午含量高、下午含量低。其余各类化合物相对含量较低，在有些时间点检测不出，其中烷烃类化合物在08:30相对含量最高，14:30 出现第2个小高峰，傍晚时相对含量接近0。醇类和酮类物质在上午08:30-10:00相对含量较高，其余时段含量相对均较低。醛类化合物在08:30和14:30分别出现1个小高峰，13:00和16:00为2个低谷时段，其整体相对含量不高。芳烃类物质变化趋势与醛类物质类似，但第1个低谷出现时间有所提前，在11:30 出现，因此芳烃类化合物主要在 08:30-10:00和13:00-14:30 两个时段出现，且相对含量较低。酸类物质仅在13:00，14:30和17:30这3个时段可检测到，但相对含量较低，且上午没有发现酸类化合物。

表 2　夏季油松总挥发物(TVOC)含量及各类挥发物相对含量的日变化Table 2　Diurnal variation of TVOC concentrations and the components from Pinus tabuliformis in summer　%

2.3影响油松挥发物释放的主要因素

从图2可以看出，夏季油松在一天不同时段的总挥发物量受温度、湿度、光照强度、净光合速率、气孔导度以及蒸腾速率的影响较大，温度高、湿度低且光照强时挥发物释放量总体较大，净光合速率、气孔导度及蒸腾速率的日变化规律与挥发物释放量的日变化具有较强的一致性。从早晨08:30以后，随着温度的升高、光照的增强，油松生理活动逐渐增强，13:00时温度达到日间最高值，此时光照强度也达到较高值，光合作用和蒸腾作用较强，气孔导度也较大，伴随的次生代谢产物较多，此时总挥发物含量达到第1个高峰；13:00以后，虽然温度和光照强度有所下降，但由于较长时间处于高温、强光照环境下，油松逐渐处于水分亏缺状态，保卫细胞失水严重，气孔关闭，导致蒸腾作用减弱，光合作用也随之降低，因此总挥发物含量降低；下午14:30以后，油松水分亏缺状态得到缓解，光合作用和蒸腾作用明显增强，气孔导度增大，尽管外界气象条件有所波动，但释放的总挥发物逐渐增多，其含量在16:00达到一天中的最大值；自16:00至傍晚17:30，光照逐渐减弱，温度降低，湿度也随之增大，油松光合作用和蒸腾作用逐渐减弱，气孔导度变小，油松的总挥发物含量逐渐降低。

图 2　油松总挥发物(TVOC)含量与光合生理指标和气象因子的关系Fig.2　Changes in TVOC concentrations and physiological characteristics and meteorological factors of Pinus tabuliformis

对夏季油松总挥发物含量与各影响因子进行相关性分析，结果显示，油松在夏季的总挥发物含量与净光合速率、蒸腾速率极显著正相关(相关系数分别为0.892和0.883)，与气孔导度显著正相关(相关系数为0.865)，说明净光合速率、蒸腾速率和气孔导度是影响油松总挥发物含量的主要因子。夏季油松的总挥发物含量与温度和光照强度不显著正相关(相关系数分别为0.570和0.418)，与湿度则不显著负相关(相关系数为-0.560)，说明温度、光照强度和湿度在油松挥发物释放过程中起一定作用，总挥发物含量随温度和光照的增大而增大，随环境湿度的增加而减小。

3　讨　论

夏季油松挥发物的组成成分有62种，分属烷烃类、萜烯类、醇类、酯类、酮类、醛类、酸类和芳烃类等8类化合物。其中，萜烯类化合物的种类最多，相对含量最大，因此萜烯类物质是夏季油松的主要挥发物。检测成分中对人体有益的萜烯类化合物相对含量最高，乙苯等对人体健康不利的化合物相对含量较低。陈霞等[18]采用水蒸气蒸馏法对秦岭油松针叶挥发物进行采集，通过GC-MS方法分析后得到65种成分，其中萜烯类化合物含量为79.39%；高岩[19]采用动态顶空采集法并结合热脱附-气质联用技术(TCT-GC-MS)从油松枝叶中鉴定出22种化合物，其中萜烯类物质的含量达到油松挥发物总量的94%以上；王鸿斌等[20]对健康油松生长季中不同月份的挥发物进行鉴定，共得到25种基本成分，其中萜烯类成分占97.2%～98.1%。以上研究与本研究结果类似，得出油松释放的挥发物主要成分皆为萜烯类化合物，但是含量有一定差别，这可能是采集方法、分析技术、树木生长环境和测定地点气象因素等差异引起的。

夏季油松总挥发物含量日变化曲线呈“两峰三谷”型，13:00和16:00出现高峰，08:30、14:30和17:30出现低谷。此结果与其他学者对针叶树种有机挥发物释放日变化规律的研究结果一致[16,21-22]，其在正午前后必定出现1个高峰，且挥发物在上午的释放量总体低于下午。本研究还发现，一天中对人体健康有利的萜烯类成分相对含量下午高于上午，对人体有害的芳香烃化合物主要出现在 08:30-10:00和13:00-14:30，但相对含量很低。油松释放的挥发物成分比较复杂，进入到周围大气中多是微量甚至痕量成分，其含量达到何种程度才会对人体产生影响还需要深入而细致的研究。油松挥发物中不同类型化合物由于产生和释放机理不同而表现出不同的变化规律，其原因也有待进一步研究。

本研究发现，内在因素净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的日变化规律与油松挥发物释放量具有较强的一致性，前两者与总挥发物含量的相关性均达极显著水平，后者达显著水平。原因在于挥发性物质是油松的次生代谢产物，其通过受光合作用和蒸腾作用调节开闭的气孔而释放到空气中，故净光合速率、蒸腾速率和气孔导度对油松总挥发物的释放会产生直接影响。当温度高、湿度低且光照强时，油松的总挥发物含量总体较大，但分析结果中3个气象因子与油松总挥发物含量的相关性不显著，其原因在于这些外在因素是通过影响油松的生理变化来间接影响其有机挥发物的释放。

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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

网络出版时间:2016-07-1208:4510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.08.017

2015-01-16

国家林业局948项目“森林对大气质量影响评价模型应用技术引进”(2013-4-56)

谢小洋(1991-),女,山西永济人,在读硕士,主要从事城市森林生态研究。E-mail:xiexiaoyang1519@163.com

王得祥(1966-),男,青海乐都人,教授,博士生导师,主要从事森林生态与森林可持续经营研究。

E-mail:wangdx66@126.com

S731.2

A

1671-9387(2016)08-0111-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160712.0845.034.html