李少寧,陶雪瑩,李慧敏,趙 娜,徐曉天,魯紹偉,*

1 北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所,北京燕山森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測研究站,北京 100093

2 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué),沈陽 110866

植物揮發(fā)性有機(jī)物(Biogenic Volatile Organic Compounds,BVOCs)[1]的化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成非常多樣,主要包括烯烴類、酯類、醛類、酮類、醇類、有機(jī)酸和其他類化合物[2—3]。BVOCs是植物體內(nèi)合成的化合物,其特點是具有較低的沸點和相對較小的分子量[4]。這些揮發(fā)性有機(jī)物在植物體內(nèi)產(chǎn)生并通過氣孔釋放到周圍環(huán)境中。研究表明,植物通過釋放BVOCs對自身和人體健康具有積極的作用。首先,BVOCs能夠幫助植物抵御病蟲侵害,通過釋放具有殺菌和驅(qū)蟲作用的化合物,保護(hù)自身免受病害和蟲害的侵害[5—7]。其次,BVOCs還能夠提神醒腦,具有振奮精神和改善心境的效果[8]。此外,這些有機(jī)物還對人體的健康具有正面影響,包括增強(qiáng)免疫力、促進(jìn)新陳代謝、調(diào)節(jié)血壓和心率等方面的作用[9—10]。另外,植物釋放的BVOCs還能夠凈化大氣環(huán)境,吸附空氣中的有害物質(zhì),如揮發(fā)性有機(jī)化合物和氮氧化物等,從而改善空氣質(zhì)量,并減少空氣污染對人類健康的影響[11—12]。

研究發(fā)現(xiàn),不同植物的揮發(fā)性有機(jī)物(BVOCs)釋放時間具有特異性。例如,毛竹(Phyllostachysheterocycla)、側(cè)柏和垂柳等植物在不同的時間點達(dá)到特定成分的峰值釋放[13—14]。這意味著不同植物對環(huán)境的適應(yīng)性和調(diào)節(jié)機(jī)制存在差異,它們通過在特定時間釋放特定成分來響應(yīng)和適應(yīng)外界環(huán)境[15]。此外,研究還發(fā)現(xiàn)不同植物和林分類型的季節(jié)性變動差異較大。植物的BVOCs成分在不同的季節(jié)中會有顯著的變化。這表明季節(jié)對于植物揮發(fā)性有機(jī)物的合成和釋放具有重要影響[16]。植物可能在不同季節(jié)中調(diào)整其BVOCs的組成,以適應(yīng)季節(jié)性變化和環(huán)境的不同需求[17]?？偨Y(jié)而言,不同植物的BVOCs釋放時間具有特異性,這反映了它們對環(huán)境的適應(yīng)性和調(diào)節(jié)機(jī)制的差異。不同植物和林分類型的季節(jié)性變動存在明顯的差異,有益成分的季節(jié)變化也是顯著的。這些發(fā)現(xiàn)更深入地理解植物的生理和生態(tài)過程提供了重要線索,并揭示了植物與周圍環(huán)境的相互作用的復(fù)雜性。季節(jié)對植物釋放的揮發(fā)性有機(jī)物(BVOCs)的組成和含量具有顯著影響,不同季節(jié)下植物釋放的有益成分會有所變化。為了探索這些植物釋放的有益BVOCs對人體和環(huán)境的影響機(jī)制,本研究以北京市的側(cè)柏和垂柳為研究對象,通過采樣、分析和鑒定它們釋放的有益BVOCs成分和相對含量,比較分析了它們的日動態(tài)變化特征[18—19]?？偨Y(jié)而言,植物通過釋放BVOCs對自身和人體健康產(chǎn)生積極影響。不同植物和季節(jié)下的BVOCs釋放具有特異性,對人體和環(huán)境具有重要意義。本研究以北京市的側(cè)柏和垂柳為研究對象,通過分析它們的BVOCs成分和相對含量,揭示了其日動態(tài)變化特征,這些研究結(jié)果對于促進(jìn)城市生態(tài)健康發(fā)展和提高居民生活質(zhì)量具有重要意義。

1 研究材料與研究方法

1.1 試驗材料

研究地點位于順義區(qū)高麗營試驗基地(40°11′08″N,116°29′41″E),該基地緊鄰京承高速公路,屬于暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候,平均氣溫為11.5℃,年均降雨量為625 mm,無霜期為195d。研究選擇了北京市常見的綠化樹木,側(cè)柏和垂柳作為研究對象,側(cè)柏的平均樹高為3.2 m,平均胸徑為9.1 cm,平均樹齡約為8年左右,而垂柳的平均樹高為5.8 m,平均胸徑為14.5 cm,平均樹齡也約為8年左右[20]。為后續(xù)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考,使研究結(jié)果更具代表性和可比性。

1.2 實驗方法

1.2.1植物揮發(fā)物樣品采集

在2019年4月、6月、9月,分別在每月上、中、下旬各選晴朗無風(fēng)或微風(fēng)天氣1d共9d,選取樹齡相同、長勢一致3個單株樹種作為平行樣,于8:00—18:00對供試樹種釋放BVOCs進(jìn)行采集,利用動態(tài)頂空套袋技術(shù)完成活體植物BVOCs氣體樣品采集:

(1)抽氣:選擇一健康、長勢良好枝條套上采樣袋,袋口系緊,上下兩端各開一小口連接硅橡膠管,借助QC-1S型大氣采樣儀與干燥塔完成抽氣工作。

(2)充氣:將干燥塔上端與大氣采樣儀和QC-1S型大氣采樣儀相連,完成充氣工作。

(3)循環(huán)采樣:需要進(jìn)行多次的抽氣和充氣步驟,通常是三次循環(huán)采樣。然后在最后一次充氣操作完成后,將大氣采樣儀進(jìn)行復(fù)位,即將其恢復(fù)到初始狀態(tài)。同時,讓采樣儀靜置10 min。

(4)采集樣品:使用事先活化好的吸附管、干燥塔和大氣采樣儀來與供試植物的枝條形成閉合回路。

采樣完成后,需要將吸附管進(jìn)行包裹,并記錄以下信息:采樣時間、采樣地點、樹種和吸附管編號、環(huán)境溫濕度、瞬時風(fēng)速等相關(guān)信息。這些記錄信息將有助于后續(xù)在實驗室進(jìn)行分析鑒定。將采集到的樣品帶回實驗室后,可以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和鑒定工作。

1.2.2植物揮發(fā)物樣品分析鑒定

實驗儀器:采用自動熱脫附-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(TCT/GC/MS)。

TCT部分,冷阱首先被冷卻至-25℃,隨后升溫至300℃,進(jìn)行脫附吸附管的揮發(fā)物。脫附完成后,揮發(fā)物通過傳輸線進(jìn)入與質(zhì)譜相連的氣相色譜系統(tǒng)。GC部分,氦氣被用作載氣,并以1.0 mL/min的流速進(jìn)行實驗。色譜柱按照預(yù)設(shè)的升溫程序進(jìn)行操作。在MS部分,使用電子轟擊離子源對樣品進(jìn)行電離。離子化的化合物將在質(zhì)譜中進(jìn)行分析,并在質(zhì)量范圍為29—350 m/z之間進(jìn)行檢測。接口溫度被設(shè)定為250℃。

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過分析得原始數(shù)據(jù),圖中各峰代表的化學(xué)信息經(jīng)Nist 2008標(biāo)準(zhǔn)譜庫進(jìn)行確認(rèn)和篩選[21]。查閱文獻(xiàn)資料甄別有益成分,各有益成分在樣品中的相對百分含量采用面積歸一化法, 計算公式為:

相對含量=(該物質(zhì)峰面積/樣品所有氣體峰面積之和)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 側(cè)柏釋放有益BVOCs組分的日變化特征

2.1.1側(cè)柏釋放有益BVOCs組分相對含量和種類數(shù)量日變化

側(cè)柏植物在一天中的BVOCs釋放呈現(xiàn)出特定的日變化趨勢(圖1)。具體而言,有益BVOCs的相對含量在側(cè)柏中呈現(xiàn)出“N”型的日變化趨勢。該趨勢表明,側(cè)柏在下午和傍晚釋放的有益BVOCs含量最高,而早晨的含量最低。有益BVOCs在側(cè)柏中的主要成分包括檜烯、β-蒎烯、(1R)-(+)-α-蒎烯、右旋萜二烯等。這些化合物在側(cè)柏的BVOCs中起到重要的作用。在一天中的特定時間點,有益BVOCs的相對含量呈現(xiàn)出兩個峰值,分別在14:00和18:00。這意味著在這些時間點,側(cè)柏釋放的有益BVOCs含量最高。此外,側(cè)柏在中午時段釋放的有益BVOCs成分種類最多。這表明側(cè)柏在不同時間段釋放的BVOCs成分具有差異性,中午時段的種類最為豐富。另外,側(cè)柏在春季釋放的有益BVOCs表現(xiàn)出明顯的變化,并且具有顯著的日變化趨勢?？偨Y(jié)而言,側(cè)柏植物在不同時間段釋放有益BVOCs含量和種類數(shù)量存在差異,下午和傍晚時段釋放的含量最高,中午時段釋放的種類最多。這些研究結(jié)果有助于更好地了解側(cè)柏植物的生物活性和對環(huán)境的影響。

如圖1,夏季有益BVOCs的相對含量呈現(xiàn)出倒“V”型的日變化趨勢,與春季不同,夏季側(cè)柏在下午和傍晚釋放的有益BVOCs含量最高,而早晨的含量較低。夏季有益BVOCs的主要成分包括3-蒈烯、松油烯和右旋萜二烯等。這些化合物是夏季側(cè)柏?fù)]發(fā)過程中的關(guān)鍵組分,具有對環(huán)境和人類健康有益的特性。在一天中的特定時間點,有益BVOCs的相對含量達(dá)到峰值的時間為16:00,含量最高達(dá)到79.0%。相比之下,18:00和08:00的含量較低,分別為64.0%和46.1%。這意味著夏季側(cè)柏在下午釋放的有益BVOCs含量最高。一天中不同時間點,側(cè)柏釋放的有益BVOCs成分種類的總數(shù)量大小排序為18:00>10:00=14:00>12:00>08:00=16:00。其中,18:00的種類最多,共有23種不同的有益BVOCs成分,而16:00僅有12種。這意味著夏季側(cè)柏在傍晚釋放的有益BVOCs成分種類最為豐富。夏季有益BVOCs的含量呈現(xiàn)出“倒V”型的日變化趨勢,下午和傍晚釋放的含量最高,而早晨較低。3-蒈烯、β-蒎烯、右旋萜二烯等化合物是夏季有益BVOCs的主要成分。夏季側(cè)柏在傍晚釋放的有益BVOCs含量最高且種類最多,這些研究結(jié)果有助于更深入地了解夏季側(cè)柏植物的生物活性和對環(huán)境的影響。

如圖1,秋季有益BVOCs的相對含量呈現(xiàn)出“M”型的日變化趨勢,與春季和夏季相比,秋季側(cè)柏在上午釋放的有益BVOCs含量較高,而傍晚和早晨的含量較低。秋季有益BVOCs的主要成分包括3-蒈烯、α-蒎烯和β-蒎烯等。這些化合物是秋季側(cè)柏?fù)]發(fā)過程中的關(guān)鍵組分,具有對環(huán)境和人類健康有益的特性。在一天中的特定時間點,有益BVOCs的相對含量達(dá)到峰值的時間為10:00和16:00,分別達(dá)到89.1%和84.8%。相比之下,08:00以及14:00和18:00的含量較低,其中08:00的相對含量最低,僅為63.4%。這表明秋季側(cè)柏在上午釋放的有益BVOCs含量最高。一天中不同時間點,側(cè)柏釋放的有益BVOCs成分種類的總數(shù)量大小排序為08:00=16:00>10:00>18:00>14:00>12:00。其中,16:00釋放的種類數(shù)量最多,共有16種不同的有益BVOCs成分,而12:00和14:00的種類數(shù)量相同,均為最小值11種。這意味著秋季側(cè)柏在傍晚釋放的有益BVOCs成分種類最為豐富。綜上所述,秋季側(cè)柏釋放的有益BVOCs成分的相對含量和種類數(shù)量呈現(xiàn)出與春季和夏季截然不同的日變化趨勢。上午是有益BVOCs含量較高的時段,而傍晚和早晨的含量較低。3-蒈烯、β-蒎烯、右旋萜二烯等化合物是秋季有益BVOCs的主要成分。在上午的峰值時間點,有益BVOCs的含量最高,而傍晚和早晨的含量較低。此外,傍晚釋放的有益BVOCs成分種類最為豐富。這些研究結(jié)果有助于進(jìn)一步了解秋季側(cè)柏植物的生物活性和對環(huán)境的影響。

綜上所述,側(cè)柏釋放的有益BVOCs成分的相對含量和種類數(shù)量在不同季節(jié)和時間點呈現(xiàn)出差異。季節(jié)對側(cè)柏BVOCs的釋放具有顯著影響,并且可能存在其他因素影響其釋放和組成。這些研究結(jié)果對于進(jìn)一步理解植物BVOCs的釋放機(jī)制和生態(tài)功能具有重要意義。

2.1.2側(cè)柏釋放有益BVOCs各組分含量日變化

在側(cè)柏春季的一天中的不同時段,烯烴類化合物是主要的有益成分,共有13種(圖2,圖3)。其中,(1R)-(+)-α-蒎烯是平均含量最高的成分,達(dá)到23.84%。其他重要的烯烴類化合物包括右旋萜二烯(7.90%)、β-蒎烯(8.41%)、檜烯(7.04%)、α-蒎烯(2.30%)、萜品油烯(2.60%)和檸檬烯(2.58%)等。這些烯烴類化合物在側(cè)柏春季釋放的有益BVOCs中起到重要作用,其相對含量較高,種類數(shù)量也較多。醛類化合物共有3種,相對含量較低。具體成分和含量未提供,因此無法對其詳細(xì)特征進(jìn)行描述。酯類和醇類化合物各有2種,相對含量也較低。具體成分和含量未提供,因此對它們的具體特征無法提供更多信息。酮類和其他類化合物各有1種,相對含量較低。具體成分和含量未提供,因此對它們的詳細(xì)特征也無法提供更多信息。這些結(jié)果有助于進(jìn)一步了解側(cè)柏在春季釋放的有益揮發(fā)物的特征。然而,為了更全面地了解側(cè)柏春季釋放的有益BVOCs,要獲得其他類化合物的具體成分和含量,以及它們在整體釋放中的作用。

圖2 側(cè)柏春季釋放有益BVOCs組分含量Fig.2 Content of beneficial BVOCs components released by Platycladus orientalis in spring

圖3 側(cè)柏春季釋放有益BVOCs相對組分含量Fig.3 Relative Component Content of Beneficial BVOCs Released by Platycladus orientalis in Spring

研究結(jié)果顯示,在側(cè)柏夏季的六個時段中,烯烴類化合物是主要的有益成分,其釋放量和種類數(shù)量最多(圖4,圖5)。這意味著側(cè)柏在夏季主要通過釋放烯烴類化合物來發(fā)揮其有益作用。烯烴類化合物的相對含量變化趨勢與總有益BVOCs成分的相對含量變化趨勢一致,呈現(xiàn)出“N”型曲線。在夏季的14:00時段,烯烴類化合物的相對含量達(dá)到最高峰值,占總有益BVOCs的84.27%。其中,(1R)-(+)-α-蒎烯是六個時段中平均相對含量最高的化合物,達(dá)到23.84%。另外,盡管醛類化合物的含量較少,但除了烯烴類化合物之外,它是在全天都能檢測到的另一類化合物。醛類化合物的相對含量變化呈現(xiàn)“M”型曲線。在夏季,只檢測到了天然壬醛(1.43%)、己醛(0.96%)和癸醛(0.70%)這三種醛類化合物。此外,其他四類化合物的相對含量較低,甚至只在特定時刻檢測到一種化合物。例如,酯類化合物僅在8:00和18:00各檢測到一種化合物,分別是乙酸乙酯(0.07%)和乙酸松油酯(0.25%);酮類化合物僅在10:00至16:00期間檢測到甲基庚烯酮(平均含量0.48%);醇類化合物僅在8:00至14:00期間檢測到左薄荷腦(0.05%)和松油醇(0.01%);此外,在8:00時刻檢測到了甘菊藍(lán)(0.01%)。總體來說,(1R)-(+)-α-蒎烯、萜品油烯和天然壬醛是夏季全天各時段均能檢測到的有益BVOCs成分。這些結(jié)果有助于進(jìn)一步了解側(cè)柏在夏季釋放的有益揮發(fā)物的特征,提供了對其化學(xué)組成和釋放模式的詳細(xì)了解。對于深入研究側(cè)柏植物的生態(tài)行為、環(huán)境適應(yīng)性以及其對生態(tài)系統(tǒng)的影響,這些成分的釋放具有重要意義。

圖5 側(cè)柏夏季釋放有益BVOCs相對含量Fig.5 Relative content of beneficial BVOCs released by Platycladus orientalis in summer

在整個夏季的時間段中,除了16:00時段外,烯烴類化合物在相對含量和種類數(shù)量上都表現(xiàn)出最高的水平。主要的烯烴類化合物包括α-蒎烯(平均含量為9.82%)、(S)-(-)-檸檬烯(6.98%)、羅勒烯(6.09%)、乙酸葉醇酯(5.15%)、月桂烯(4.79%)等多種物質(zhì)。這些成分的釋放對于進(jìn)一步了解側(cè)柏在夏季釋放的有益揮發(fā)物具有重要意義,為深入了解側(cè)柏植物的生態(tài)行為和環(huán)境適應(yīng)性提供了有價值的信息。

不同類別的化合物在不同時段表現(xiàn)出不同的變化趨勢,其中烯烴類、醛類、酮類和酯類化合物是持續(xù)存在的主要成分。側(cè)柏在秋季一天中釋放的有益BVOCs可以分為醛類、酮類、酯類和烯烴類等化合物。烯烴類化合物在12:00達(dá)到最高峰值,相對含量達(dá)到50.95%。主要成分包括α-蒎烯、月桂烯和(S)-(-)-檸檬烯羅勒烯等。主要的醛類化合物包括己醛、天然壬醛和癸醛;酮類化合物只檢測到甲基庚烯酮。有機(jī)酸類和其他類化合物僅有一種物質(zhì),且含量較低。在16:00檢測到油酸(0.11%),而左旋樟腦在10:00到14:00期間可檢測到,日均含量為0.18%。這些研究結(jié)果提供了側(cè)柏植物在秋季釋放的有益BVOCs的詳細(xì)成分和日變化趨勢。進(jìn)一步的研究可以進(jìn)一步探索這些化合物的生理作用和對環(huán)境的影響,從而更深入地了解側(cè)柏植物在秋季釋放有益BVOCs的特征。這些結(jié)果對于理解植物的生長和適應(yīng)策略,并為環(huán)境保護(hù)和生態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)具有重要意義。

如圖6—圖7,側(cè)柏在秋季一天中的不同時段釋放的有益BVOCs成分,成烯烴類化合物在種類數(shù)量和相對含量上占據(jù)主導(dǎo)地位。這些烯烴類化合物包括3-蒈烯(平均含量為44.71%)、β-蒎烯(12.21%)、右旋萜二烯(9.70%)、α-蒎烯(5.35%)、松油烯(1.41%)、石竹烯(1.32%)和莰烯(1.10%)等物質(zhì)。這些烯烴類化合物在秋季側(cè)柏釋放的有益BVOCs中起到重要作用。它們的相對含量最高,且種類數(shù)量最多。這些結(jié)果對于進(jìn)一步了解側(cè)柏在秋季釋放的有益揮發(fā)物具有重要意義,有助于深入研究側(cè)柏植物在不同季節(jié)的揮發(fā)性有機(jī)化合物的釋放規(guī)律及其環(huán)境效應(yīng)。

圖6 側(cè)柏秋季釋放有益BVOCs組分含量Fig.6 Content of beneficial BVOCs components released by Platycladus orientalis in autumn

圖7 側(cè)柏秋季釋放各類有益BVOCs相對含量Fig.7 Relative content of beneficial BVOCs released by Platycladus orientalis in autumn

垂柳的有益BVOCs中不同類別的化合物在一天中的釋放呈現(xiàn)不同的日變化趨勢。首先,除了烯烴類化合物外,其他五類化合物的相對含量都很低。烯烴類、醛類和醇類化合物在各個時段都有釋放。烯烴類化合物的日動態(tài)變化趨勢呈倒“V”型。其中,在10:00時達(dá)到最高峰值,相對含量為86.22%。主要的烯烴類化合物包括3-蒈烯、松油烯、β-蒎烯和右旋萜二烯等物質(zhì)。醛類和醇類化合物的變化規(guī)律相似。它們在08:00至12:00時呈下降趨勢,12:00后逐漸上升,在14:00至18:00又呈下降趨勢。兩者在14:00時達(dá)到相對含量的最高峰值,醛類為2.14%,醇類為0.65%。主要的醛類成分包括癸醛和天然壬醛,而醇類成分包括薄荷醇和植物醇。酯類化合物在08:00至12:00時呈下降趨勢,在14:00未釋放,而在16:00至18:00時呈大幅度下降趨勢。主要的有益酯類成分包括乙酸冰片酯和乙酸松油酯。酮類和其他類化合物只檢測到一種物質(zhì)。樟腦只在10:00和14:00至16:00時釋放,而甘菊藍(lán)僅在08:00時釋放。綜上所述,垂柳的有益BVOCs中不同類別的化合物在一天中的釋放呈現(xiàn)不同的日變化趨勢。烯烴類化合物在10:00時達(dá)到高峰,醛類和醇類在14:00時達(dá)到高峰,酯類在14:00未釋放,而酮類和其他類化合物的釋放相對較少且時間點有限。這些研究結(jié)果對于深入了解垂柳植物在春季釋放的有益揮發(fā)性有機(jī)化合物的動態(tài)變化有重要的參考價值。

2.2 垂柳釋放有益BVOCs組分的日變化特征

2.2.1垂柳釋放有益BVOCs相對含量和種類數(shù)量日變化

根據(jù)圖8的數(shù)據(jù)顯示,垂柳在春季釋放的有益揮發(fā)性有機(jī)化合物(BVOCs)成分的相對含量和種類數(shù)量在一天中呈現(xiàn)較大的差別。具體而言,垂柳春季釋放的有益BVOCs的相對含量在一天中的日變化趨勢呈現(xiàn)倒“V”型。主要的有益成分包括(1R)-(+)-α-蒎烯、檸檬烯、乙酸葉醇酯、天然壬醛、癸醛、乙酸乙酯和順-3-己烯-1-醇等物質(zhì)。此外,垂柳春季釋放的有益BVOCs的種類數(shù)量在一天中也有所變化。具體而言,12:00時種類數(shù)量最多,共有15種有益BVOCs釋放,而16:00時種類數(shù)量最少,僅有11種釋放。因此,可以得出結(jié)論,垂柳春季釋放的有益BVOCs在一天中的相對含量和種類數(shù)量存在明顯的日變化趨勢。其中,14:00是高峰期,而08:00和18:00是低谷期。同時,不同時間段也會影響有益BVOCs的種類數(shù)量。這些研究結(jié)果對于深入了解垂柳植物在春季釋放的有益揮發(fā)性有機(jī)化合物的動態(tài)變化具有重要意義。進(jìn)一步研究可以探索這些變化背后的生理和環(huán)境因素,以及其對大氣化學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制。

圖8 垂柳生長季釋放有益BVOCs成分總相對含量和種類數(shù)量變化Fig.8 Changes in the total relative content and species quantity of beneficial BVOCs released during the growth season of Salix babylonica

如圖8,夏季垂柳釋放有益BVOCs成分相對含量和種類數(shù)量日變化趨勢基本一致,大體為倒“V”型。有益成分主要有乙酸葉醇酯、順-3-己烯-1-醇、癸醛、異佛爾酮、天然壬醛、己醛和左薄荷腦。一天中的高峰值出現(xiàn)在12:00,含量為34.14%;低谷值出現(xiàn)在08:00和18:00,以08:00相對含量最低(8.47%)。垂柳夏季釋放有益BVOCs的種類在一天中不同時間點總數(shù)量大小排序為14:00>12:00>10:00>16:00>08:00=18:00。14:00種類最多,為16種;08:00和18:00種類最少,均只釋放8種。如圖8,秋季垂柳釋放有益BVOCs成分相對含量和種類數(shù)量日變化趨勢有較大差別。垂柳在秋季釋放的有益成分相對含量日變化趨勢近似“N”型,有益成分主要有順-3-己烯-1-醇、乙酸葉醇酯、癸醛、天然壬醛、己醛、3-蒈烯和乙酸乙酯。高峰值出現(xiàn)在12:00,含量為63.90%;低谷值出現(xiàn)在16:00,相對含量為33.76%。垂柳秋季釋放有益BVOCs種類在一天中不同時間點總數(shù)量大小排序為10:00>12:00>08:00>18:00>16:00>14:00。以10:00種類最多,釋放出13種;14:00種類最少,僅7種。

垂柳在春夏秋三個季節(jié)中釋放的有益揮發(fā)性有機(jī)化合物(BVOCs)在12:00至14:00之間達(dá)到高峰期,而在上午或下午則出現(xiàn)低谷期。不同季節(jié)的有益BVOCs相對含量和種類數(shù)量的日變化趨勢各不相同,并且它們之間的相關(guān)關(guān)系并不明顯。垂柳在不同季節(jié)的有益BVOCs釋放表現(xiàn)出晝夜變化的規(guī)律,但各季節(jié)之間的變化趨勢和相關(guān)關(guān)系存在差異。這些研究結(jié)果對于深入了解垂柳植物在不同季節(jié)釋放的有益揮發(fā)性有機(jī)化合物的動態(tài)變化具有重要意義。進(jìn)一步的研究可以探索這些變化背后的生理和環(huán)境因素,以及其對大氣化學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制。這些研究結(jié)果有助于更好地理解植物的生長和適應(yīng)性策略,并為環(huán)境保護(hù)和生態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)。通過了解垂柳植物在不同季節(jié)釋放的有益BVOCs的動態(tài)變化,我們可以更好地評估其對大氣質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,并制定相應(yīng)的管理和保護(hù)措施。

2.2.2垂柳釋放有益BVOCs各組分含量日變化

春季1天中垂柳釋放有益BVOCs包括烯烴類10種、酯類5種、醛類和醇類各3種、酮類和其他類各1種(圖9,圖10)。總體看來,各時段垂柳釋放有益BVOCs均以烯烴類化合物為主,酯類和醛類次之。主要成分為(1R)-(+)-α-蒎烯(平均含量14.92%)、檸檬烯(6.99%)、乙酸葉醇酯(5.52%)、天然壬醛(5.00%)、癸醛(2.41%)、乙酸乙酯(2.33%)和順-3-己烯-1-醇(2.24%)等物質(zhì)。

圖9 垂柳春季釋放有益BVOCs組分含量Fig.9 Content of beneficial BVOCs components released by Salix babylonica in spring

圖10 垂柳春季釋放各類有益BVOCs相對含量Fig.10 Relative content of beneficial BVOCs released by Salix babylonica in spring

除其他類化合物,其余5類化合物在1天中6個時段均有釋放,各類化合物變化趨勢不同。垂柳釋放烯烴類化合物在全天各時段相對含量均最高,動態(tài)變化呈倒“N”型曲線,12:00出現(xiàn)最高值,為43.44%,主要成分為(1R)-(+)-α-蒎烯、檸檬烯、β-蒎烯(2.17%)、柏木烯(1.45%)、右旋萜二烯(1.39%)和(S)-(-)-檸檬烯(1.38%)。酯類和酮類變化規(guī)律較一致,08:00—16:00呈上升趨勢,16:00之后逐漸下降,二者相對含量均在16:00出現(xiàn)高峰值,酯類化合物為19.45%,酮類化合物為2.04%。主要酯類成分有乙酸葉醇酯、乙酸乙酯和乙酸松油酯(1.41%),醇類化合物08:00—14:00呈上升趨勢,14:00相對含量最高,值為8.70%,14:00—16:00逐漸下降,之后緩慢上升,順-3-己烯-1-醇為主要有益醇類物質(zhì)。垂柳僅在18:00釋放甘菊藍(lán)(1.37%)一種其他類化合物,含量較低。

垂柳在夏季1天中各時段釋放有益BVOCs共鑒定出23種,6類化合物,其中醇類7種,烯烴類和酯類各4種,醛類和酮類各3種,其他類2種(圖11,圖12)。總體看來,垂柳在各時段釋放有益BVOCs中醛類化合物相對含量較高(圖13,圖14),主要成分為乙酸葉醇酯(平均含量4.73%)、順-3-己烯-1-醇(2.82%)、癸醛(2.79%)、異佛爾酮(2.76%)、天然壬醛(2.41%)、己醛(1.63%)和左薄荷腦(1.07%)等物質(zhì)。

圖11 垂柳夏季釋放有益BVOCs組分含量Fig.11 Content of beneficial BVOCs components released by Salix babylonica in summer

圖12 垂柳夏季釋放各類有益BVOCs相對含量Fig.12 The relative content of various beneficial BVOCs released by Salix babylonica in summer

圖13 垂柳秋季釋放有益BVOCs組分含量Fig.13 Content of beneficial BVOCs components released by Salix babylonica in autumn

圖14 垂柳秋季釋放各類有益BVOCs相對含量Fig.14 Relative content of beneficial BVOCs released by Salix babylonica in autumn

1天中6個時段,6類有益化合物變化趨勢不很一致,醇類、酯類、醛類和酮類化合物在各時段均能檢測到。醛類和酮類化合物相對含量日變化趨勢均呈“N”型曲線。醛類在10:00出現(xiàn)最高值,為9.07%,主要成分有癸醛、天然壬醛和己醛;酮類化合物最高值出現(xiàn)在14:00,為5.89%,釋放主要成分有異佛爾酮和甲基庚烯酮(0.90%)。醇類在08:00—14:00逐漸上升,14:00出現(xiàn)最高值,為7.71%,之后開始下降,主要成分有順-3-己烯-1-醇和左薄荷腦。酯類化合物動態(tài)變化與總有益BVOCs成分相對含量變化趨勢一致,均在12:00相對含量最高,值為13.92%,成分主要為乙酸葉醇酯。烯烴類和其他類化合物相對含量較低。烯烴類僅在08:00—14:00釋放,08:00—10:00緩慢下降,之后逐步上升至14:00,最高值為2.54%,主要成分為長葉烯和(1R)-(+)-α-蒎烯;其他類僅在08:00—16:00釋放,主要成分為左旋樟腦和甘菊藍(lán)。

垂柳在秋季一天中釋放了19種有益揮發(fā)性有機(jī)化合物(BVOCs),這些化合物涵蓋了6類不同的化合物。秋季垂柳釋放的有益BVOCs主要以醇類化合物的相對含量較高。其中,順-3-己烯-1-醇是主要成分之一,平均含量達(dá)到17.78%。其他重要成分包括乙酸葉醇酯(5.04%)、癸醛(2.98%)、天然壬醛(2.98%)、己醛(2.95%)、3-蒈烯(2.45%)和乙酸乙酯(2.17%)等。根據(jù)這些結(jié)果,可以得出結(jié)論:垂柳在秋季釋放的有益BVOCs主要以醇類化合物為主,其中順-3-己烯-1-醇是主要成分之一。這些化合物可能對環(huán)境和人體健康產(chǎn)生積極的影響。然而,為了更全面地了解這些化合物的具體功效和影響,還需要進(jìn)一步深入研究。這將有助于更好地理解垂柳秋季釋放的有益BVOCs對環(huán)境和人體健康的潛在作用,并為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1天中6個時段,6類有益化合物相對含量日變動趨勢各不相同,其中醇類、醛類和烯烴類化合物在各時段均有釋放。醛類化合物日動態(tài)呈“W”曲線,谷值出現(xiàn)在12:00和16:00,最高值(12.99%)出現(xiàn)在08:00,主要成分為癸醛、天然壬醛和己醛。烯烴類化合物在各時段波動較大,10:00出現(xiàn)相對含量最高值(13.50%),主要有益成分為3-蒈烯和(1R)-(+)-α-蒎烯(1.73%)。酯類化合物僅在08:00—12:00和18:00出現(xiàn),在08:00—12:00呈上升趨勢,12:00相對含量最高,值為39.51%,主要成分有乙酸葉醇酯和乙酸乙酯。酮類化合物在10:00和16:00未釋放,最高值出現(xiàn)在14:00,相對含量為5.77%,主要成分有異佛爾酮(1.66%)和樟腦(0.57%)。垂柳僅在10:00釋放甘菊藍(lán)一種其他類化合物,日均含量(0.43%)較低。

3 討論

一天中,植物BVOCs合成和釋放與自身生長調(diào)節(jié)機(jī)制及光照、溫度、空氣相對濕度等周圍環(huán)境因子變化關(guān)系密切,且不同樹種枝葉間揮發(fā)物存儲、輸送、合成機(jī)理不同,有益BVOCs作為其重要組分亦受上述因子綜合作用[22]。本研究側(cè)柏和垂柳枝葉有益BVOCs相對含量和種類數(shù)量表現(xiàn)一定日變化節(jié)律。

研究表明,側(cè)柏在春、夏、秋三個季節(jié)一天中釋放的有益揮發(fā)物類別的日變化趨勢不同,主要以烯烴類化合物為主[23]。具體而言,烯烴類化合物的相對含量在不同時間段有所差異,但總體上呈現(xiàn)出春季呈“N”型,夏季呈倒“V”型,秋季呈“M”型的變化趨勢。結(jié)論顯示,側(cè)柏在一天中不同時間段釋放的有益揮發(fā)物類別和含量呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化,受到光照和溫度等因素的影響[24—25]。揮發(fā)物的釋放與氣孔導(dǎo)度和揮發(fā)性組分的儲存量密切相關(guān),同時也受到枝葉生長損傷程度和環(huán)境條件的影響[26]。然而,在實際操作過程中,氣候特殊性、天氣條件、人為誤差以及植物生理差異等因素可能對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響[27]。此外,非主要組分也可能對總有益揮發(fā)物的日變動產(chǎn)生綜合作用。這些研究結(jié)果對于深入了解側(cè)柏植物的生長特性以及揮發(fā)物釋放機(jī)制具有重要意義。進(jìn)一步的研究可以幫助更好地了解植物對環(huán)境變化的響應(yīng),并為植物生長管理和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

研究發(fā)現(xiàn),垂柳和側(cè)柏在不同季節(jié)的生長過程中,釋放的有益揮發(fā)物的相對含量差異并不大。然而,垂柳在春、夏、秋三個季節(jié)的相對含量呈現(xiàn)出有規(guī)律的單峰曲線。具體來說,在12:00和14:00之間,垂柳釋放的有益揮發(fā)物達(dá)到高峰期。值得注意的是,不同季節(jié)的高峰期主要組分有所不同,但整體而言,酯類是其中的主要組分之一[28]。綜合上述觀察結(jié)果,可以得出結(jié)論:垂柳的有益揮發(fā)物釋放受到光照和溫度的影響,并呈現(xiàn)出晝夜變化的特點。此外,揮發(fā)物的釋放和當(dāng)日光合速率變化趨勢之間存在正向相關(guān)關(guān)系。以上研究結(jié)果對于了解垂柳植物的生長特性以及其與環(huán)境因素之間的相互作用具有重要意義[29—31]。這些發(fā)現(xiàn)有助于深入研究植物的揮發(fā)物釋放機(jī)制,并為環(huán)境保護(hù)和植物生長調(diào)控提供一定的參考依據(jù)。

本研究選擇與王君怡[15]采樣時期比較接近的春季和夏季比較分析兩實驗中側(cè)柏與垂柳揮發(fā)物日釋放動態(tài)。一天中側(cè)柏釋放揮發(fā)物與有益BVOCs均以烯烴類化合物相對含量最高,烯烴類日變化趨勢自08:00逐漸上升至18:00,但各組分變化與此存在差異(在全天各時段均可能出現(xiàn)釋放高峰期)。研究發(fā)現(xiàn)春季一天中垂柳釋放烯烴類、酯類、醛類和醇類有益類別含量較高,主要有益組分包括(1R)-(+)-α-蒎烯、乙酸葉醇酯、天然壬醛等,各有益類別日變化趨勢大體相同,均在午后。揮發(fā)物與有益揮發(fā)物之間各類別和組分日變動存在一定相似和差異性,這與揮發(fā)物間交互作用、植物自身及外界環(huán)境因子影響機(jī)制密不可分。

側(cè)柏和垂柳是兩種樹種,它們在不同季節(jié)釋放有益揮發(fā)性有機(jī)化合物(BVOCs),這些化合物對人體健康功能可能產(chǎn)生影響,但目前仍存在不確定性[32—34]。側(cè)柏和垂柳樹種在三個季節(jié)的BVOCs釋放動態(tài)表現(xiàn)有一定共通性,但具體含量和趨勢在不同季節(jié)有所變化。在春夏兩季,BVOCs的含量在下午較高,而在秋季則相反,在下午較低。研究顯示,側(cè)柏和垂柳在春季和夏季的相對BVOCs含量較低,特別是在早上8點時較為明顯。然而,目前的研究主要關(guān)注相對BVOCs的含量,并且這些含量相對較低,因此無法確定其對人體健康功能的影響程度較小。此外,目前還沒有文獻(xiàn)支持有益BVOCs的含量越高,其保健效果就越強(qiáng)的結(jié)論。因此,未來的研究需要深入探究有益BVOCs的理化性質(zhì)和組成含量,以進(jìn)一步了解它們對人體健康的影響。這將有助于更好地理解側(cè)柏和垂柳樹種釋放的BVOCs對人體健康的潛在作用,并為相關(guān)保健效果提供更多科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)在春季、夏季和秋季的生長季,側(cè)柏和垂柳在一天中釋放的有益BVOCs成分主要包括烯烴類、酯類、醛類、酮類、醇類和其他類共6類化合物。夏季的側(cè)柏BVOCs釋放中還存在微量的有機(jī)酸成分,與其他季節(jié)有所不同?？傮w而言,側(cè)柏在一天中釋放的有益BVOCs的相對含量高于垂柳。

(2)側(cè)柏和垂柳在生長季中釋放的總有益揮發(fā)物種數(shù)和相對含量表現(xiàn)出一定的共性,并呈現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律。首天中的總有益揮發(fā)物釋放呈現(xiàn)出高峰期和低谷期。高峰期多出現(xiàn)在正午前后,而低谷期則在高峰期前后出現(xiàn)。在春夏季節(jié),側(cè)柏和垂柳的總有益揮發(fā)物相對含量下午高于上午。在秋季,側(cè)柏和垂柳的總有益揮發(fā)物相對含量在下午低于上午。

(3)生長季,側(cè)柏和垂柳釋放總有益揮發(fā)物日變化存在變動差異性。側(cè)柏有益BVOCs春季日變化波動較大,呈“N”型,秋季側(cè)柏和垂柳日變化波動較小,呈“M”型,相對含量在10:00—16:00較高。垂柳在三季一天中相對含量均呈有規(guī)律單峰曲線。