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挥发性有机物(VOCs)是由各种人类活动和生物代谢排放到大气中的挥发性有机化合物的总称。由人类活动产生的VOCs称为人为源挥发性有机物(AVOCs),由生物代谢排放的VOCs称为生物源挥发性有机物(BVOCs)。从全球尺度来看,BVOCs的排放量远大于AVOCs,仅陆地生态系统中的植被所排放的BVOCs就高达1150TgC·a−1。[1,2]
1930年,前苏联列宁格勒大学教授B.P.Toknnh博士发现当高等植物受伤时, 会释放某种特殊物质以杀死周围环境中的原生动物或病原菌,他将这种主要成分为萜烯类的物质称为芬多精(Pythoncidere),即BVOCs的主要成分。近年来,研究发现芬多精具有降血压、杀菌、提高免疫力等方面的功效[3-6]。
随着我国康养产业迅速发展,许多学者对植物离体组织内、活体枝叶释放的芬多精进行了研究[7-11]。但植物释放的芬多精经过化学反应、环境迁移,在林分中的成分和含量必然发生变化。因此,围绕林分中存留的芬多精及其生态学过程开展相关研究显得尤为重要。本研究拟通过在不同时间测定5个林分内VOCs的成分及相对含量,揭示林分芬多精芬多精成分及相对含量的时间动态特征,为森林康养活动的开展和康养林分的优化提供数据支撑。
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主要选取成都平原和盆周山地康养基地,远离闹市、人为活动少、空气清洁、污染少的纯林小班中采样。小班边缘与几何中心点距离>100 m,在距离小班几何中心点10 m位置均匀布设3个采样点,采样高度1.5 m。选取的林分有柏木林、马尾松林、柳杉林、香樟林和苦竹林,具体分布见表1。
表 1 5个林分基本情况
Table 1. Basic Information of the five forest stands
林分类别
Forest stand小班中心点坐标
Sampling point海拔/m
Altitude/m平均树高/m
Height /m平均胸径/cm
DBH/cm平均年龄/a
Age/a柏木Cupressus funebris 龙泉驿区E104°17′35.99″, N 30°31′12.33″ 715~753 8.5 10 25 马尾松Pinus massoniana 绵阳E104°48′27.34″, N 31°33′52.14″ 558~591 10 12 28 柳杉Cryptomeria fortune 洪雅E103°11′04.06″, N 29°45′39.83″ 1 185~1 273 18 24 30 香樟Cinnamomum septentrionale 龙泉驿区E104°17′25.82″, N 30°29′56.19″ 989~1 051 20 32 40 苦竹Pleioblastus amarus 洪雅E103°13′37.95″, N 29°40′39.88″ 629~673 5 2 -
样品采集在 2018年的2月、5月、8月和11月分4次进行,选择典型晴朗无风天气采样,每个树林分在小班几何中心点进行采集,连续3天,在每日的上午9点—11点进行采样。采样日期见表2。
表 2 采样日期记录表
Table 2. Sampling time of the five forest stands
林分
Forest stand采样日期 Sampling time 2月 5月 8月 11月 柏木林 2018-02-05 2018-05-08 2018-08-06 2018-11-05 2018-02-06 2018-05-09 2018-08-07 2018-11-06 2018-02-07 2018-05-10 2018-08-08 2018-11-07 马尾松林 2018-02-08 2018-05-14 2018-08-12 2018-11-08 2018-02-09 2018-05-15 2018-08-13 2018-11-09 2018-02-10 2018-05-16 2018-08-14 2018-11-10 柳杉林 2018-02-23 2018-02-21 2018-08-16 2018-11-13 2018-02-24 2018-02-22 2018-08-17 2018-11-14 2018-02-25 2018-02-23 2018-08-18 2018-11-15 香樟林 2018-02-05 2018-05-08 2018-08-06 2018-11-05 2018-02-06 2018-05-09 2018-08-07 2018-11-06 2018-02-07 2018-05-10 2018-08-08 2018-11-07 苦竹林 2018-02-23 2018-02-21 2018-08-16 2018-11-13 2018-02-24 2018-02-22 2018-08-17 2018-11-14 2018-02-25 2018-02-23 2018-08-18 2018-11-15 -
采用Tenax管抽滤吸附法采集林分芬多精样品,具体按以下步骤进行:①将Tenax吸附管及相关附件与大气采样器相连,采样口朝向上坡方向,高度1.5 m;②设置采样程序,启动延时10 min,采样时间60 min;③系统调试完成后,操作人员立即撤离至距离采样点100 m外区域,保证采样过程无人为干扰。④采样完成后,取回Tenax吸附管贴上标签密封备测。
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热脱附条件:以高纯(99.999%)氦气为载气,流速为30 mL·min−1,预吹扫1 min;吸附管加热至300 ℃,解吸10 min;半导体冷阱捕集温度为−10 ℃,解吸温度为280 ℃,解吸5 min;传输线温度为210 ℃。
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采用美国HP GC7890/MS5975气相色谱/质谱联用仪。所用毛细管柱为HP-VOC(30 m×0.25 mm×0.25 μm)(J & W scientific,USA)。载气为高纯氦气,流速为1mL·min−1。不分流模式,进样口温度为250 ℃。柱温箱的升温程序为:40 ℃保持2 min,然后以5 ℃·min−1升至180摄氏度,保持2 min,继而以5 ℃·min−1升至240 ℃,保持5 min。电离方式EI,70 eV;质谱接口温度250 ℃,离子源温度230 ℃,电离方式EI,离子能量70 ev,质量扫描范围为35~550 u[12]。
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7890A/5975C气相色谱质谱仪,色谱柱HP-VOC 30 m×0.25 mm×0.25 μm,美国安捷伦公司。COmbi PAL气相色谱多功能自动进样器(瑞士CTC公司),所用水由Milli-Q系统(Milford, MA, USA)制得。分析天平(感量0.01g),瑞士梅特勒-托利多公司。
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以质谱谱图数据库为基础,利用计算机对样品分析生成的质谱总离子流图(TIC)进行检索,以鉴定各峰所代表的物质种类,采用面积归一化法计算各种物质的相对含量。
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按化学官能团类型将5个林分VOCs分为8个类别进行统计,包括萜烯类、醇类、酯类、醛类、酮类、烷类、胺类以及其他类。由表3可见:5个林分内VOCs主要由萜烯类和烷类组成,相对含量分别高达43.31%(马尾松林,8月)和86.02%(柳杉林,2月),萜烯类相对含量最低为4.15%(柳杉林,2月),烷类相对含量最低为12.05%(香樟林,8月)。VOCs各组分最高相对含量醇类为5.24%(香樟林,5月),酯类为6.63%(马尾松林,8月),醛类为0.72%(马尾松林,8月)、酮类为6.94%(马尾松林,5月)、胺类27.18%(香樟林,11月)。柳杉林在5月和11月未检出醛类,樟林在11月未检出醛类,柳杉林在5月未检出胺类。
表 3 5个林分不同月份VOCs的组成及其相对含量
Table 3. Chemical components and relative content of VOCs in the five forest stands
林分Forest stand 月份Month 萜烯类Terpenes/% 醇类Alcohols/% 酯类Esters/% 醛类Aldehydes/% 酮类Ketones/% 烷类Alkanes/% 胺类Amines/% 其他Others/% 柏木林 2 11.14 2.10 0.11 0.06 4.37 56.95 5.81 19.45 5 18.79 1.32 0.09 0.23 4.23 62.37 1.65 11.32 8 29.22 2.30 0.00 0.32 5.24 29.65 12.67 20.59 11 4.71 1.00 0.08 0.16 3.24 70.62 2.02 18.18 马尾松林 2 12.06 2.68 4.79 0.60 1.11 72.78 2.81 3.17 5 39.21 1.32 0.13 0.14 6.94 45.64 1.04 5.59 8 43.31 4.96 6.63 0.72 6.89 27.92 3.90 5.67 11 22.70 4.22 5.51 0.63 4.13 55.98 1.94 4.89 柳杉林 2 4.15 1.81 0.15 0.04 0.47 86.02 0.14 7.21 5 35.00 0.65 0.61 0.00 0.18 55.32 0.00 8.23 8 43.30 3.17 2.03 0.17 2.23 38.62 0.17 10.30 11 4.18 2.88 0.80 0.00 2.03 83.24 0.05 6.80 香樟林 2 11.34 0.26 6.34 0.02 3.28 69.22 2.52 7.02 5 33.38 5.24 2.62 0.02 1.32 28.50 22.92 6.00 8 40.13 4.19 6.32 0.03 3.22 12.05 25.87 8.23 11 20.72 1.11 2.13 0.00 0.70 43.44 27.18 4.72 苦竹林 2 12.89 1.32 2.19 0.23 0.80 60.69 3.05 18.82 5 36.76 0.66 1.78 0.29 3.91 48.70 0.49 7.42 8 42.31 1.88 3.72 0.56 3.33 23.47 7.41 17.32 11 16.95 2.09 0.40 0.04 3.31 67.03 0.41 9.77 -
桉油精具有解热、消炎、抗菌、防腐、平喘及镇痛等与萜烯类相似的功效,因此本研究将桉油精并入芬多精进行统计。由表4可见,共检出5种芬多精成分:桉油精、(+)-柠檬烯、桧烯、α-蒎烯、β-月桂烯。其中桉油精和(+)-柠檬烯在所有样本中均有检出,最高相对含量分别达到33.07%(柳杉林,5月)和21.83%(香樟林,5月)。桧烯在5个林分中均有检出,但检出时间只在5月或8月,2月和11月未检出,最高相对含量达到8.2%(马尾松林,5月)。α-蒎烯最高相对含量为7.1%(苦竹林,5月),但在马尾松林和香樟林中未检出。β-月桂烯最高相对含量为3.92%(苦竹林,5月),但在马尾松林和柳杉林中未检出。
表 4 5个林分芬多精成分及其相对含量
Table 4. Chemical components and relative content of terpenes in the five forest stands
林分
Forest stand月份
month芬多精相对含量/% 桉油精
eucalyptol(+)-柠檬烯
D-limonene桧烯
sabineneα-蒎烯
α-pineneβ-月桂烯
β-mycene合计
Tatol柏木林 2 1.78±0.10 6.62±3.28 1.01±0.42 1.68±0.71 11.09 5 6.22±1.30 8.12±2.43 3.29±0.44 17.63 8 14.72±3.88 11.42±3.54 3.08±1.30 29.22 11 4.04±1.36 5.59±2.34 9.63 马尾松林 2 7.22±1.36 5.57±0.66 12.79 5 23.98±11.51 12.82±3.01 8.2±1.08 45.00 8 29.42±4.69 9.00±4.22 4.9±1.32 43.31 11 6.00±1.57 6.81±1.93 12.81 柳杉林 2 3.62±1.7 5.16±2.30 8.78 5 33.07±15.79 14.82±6.52 47.89 8 24.27±10.77 13.86±3.80 2.82±0.72 2.35±1.08 43.30 11 13.26±5.87 10.22±0.14 1.61±0.28 25.09 香樟林 2 2.30±1.00 2.27±0.51 0.43±0.21 5.00 5 13.58±0.82 21.83±6.56 3.32±0.71 38.73 8 22.14±9.09 12.14±0.49 5.85±1.49 40.13 11 6.45±1.55 3.12±1.43 9.57 苦竹林 2 4.38±1.78 1.28±0.44 5.66 5 2.51±0.70 19.55±5.48 2.67±0.73 7.10±1.46 3.92±0.28 35.75 8 24.14±4.82 15.52±0.98 2.65±0.75 42.31 11 5.04±0.88 2.72±0.29 1.37±0.5 9.13 -
由图1可见,5个林分中只有桉油精和(+)-柠檬烯在每个取样月份都有检出,桉油精相对含量在苦竹林内随时间序列呈现降低-升高-降低的趋势,在其他林分均呈现升高-降低的趋势;除柳杉林桉油精相对含量峰值出现在5月外,其他4个林分均出现在8月。(+)-柠檬烯相对含量在5个林分内随时间序列均呈现升高-降低的趋势;除柏木林(+)-柠檬烯相对含量峰值出现在8月外,其他4个林分均出现在5月。桧烯、α-蒎烯和β-月桂烯偶有检出。
图 1 5个林分芬多精各组分相对含量时间动态
Figure 1. Temporal dynamics of the relative content of terpenes in the five forest stands
由图2可见,5个林分芬多精相对含量均低于50%,都随时间序列呈现先升高后降低的变化规律,其中柳杉林和马尾松林峰值出现在5月,柏木林、香樟林和苦竹林峰值出现在8月。柏木林芬多精相对含量在5月和8月明显低于其他4个林分。各林分在2月和11月芬多精相对含量较低,且差异不明显,只有柳杉林在11月还有较高的芬多精相对含量。
Temporal Dynamic Characteristics of Chemical Components and Relative Contents of Phytoncide in Five Forest Stands
More Information-
摘要: 为了解林分内芬多精成分及相对含量时间动态特征,以柏木(Cupressus funebris)、马尾松(Pinus massoniana)、柳杉(Cryptomeria fortune)、香樟(Cinnamomum septentrionale)和苦竹(Pleioblastus amarus)林分为研究对象,在2018年的2月、5月、8月和11月分别对5个林分内的VOCs进行了4次采样,采用气相色谱-质谱(GC/MS)联机法分析、鉴定林分VOCs成分及其相对含量。结果表明:内源萜烯类和外源烷类是林分VOCs的主要组成部分;所有样本均检出了芬多精主要成分桉油精和(+)-柠檬烯,其他萜烯类偶有检出;林分芬多精相对含量呈先升高再降低的趋势,在5月和8月最高;柏木林分芬多精含量在5月和8月明显低于其他林分;柳杉林分芬多精相对含量在11月份明显高于其他林分。Abstract: In order to investigate the temporal dynamic characteristics of chemical components and relative contents of phytoncide, five types of forest stands, Cupressus funebris, Pinus massoniana, Cryptomeria fortune, Cinnamomum septentrionale and Pleioblastus amarus were chosen as the research object in Sichuan province. And the VOCs from the five forest stands were sampled in February, May, August, November in 2018. Then the chemical components and their relative content in the VOCs were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS). The results showed that (1) endogenous terpenes and exogenous alkanes were the main components of VOCs in the forest stands; (2) eucalyptus oleoresin and (+)-Dipentene were the main components of phytoncide in all samples, and other terpenes were occasionally detected; (3) the relative content of phytoncide increased at first and then decreased, with the highest in May and August; (4) the relative content of phytoncide in the Cupressus funebris stand was significantly lower than that in other forest stands in May and August; (5) the relative content of phytoncide in the Cryptomeria fortune stand was significantly higher than that in other forest stands in November.
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Key words:
- Forest stands;
- VOCs;
- Phytoncide;
- Temporal dynamic characteristics
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表 1 5个林分基本情况
Tab. 1 Basic Information of the five forest stands
林分类别
Forest stand小班中心点坐标
Sampling point海拔/m
Altitude/m平均树高/m
Height /m平均胸径/cm
DBH/cm平均年龄/a
Age/a柏木Cupressus funebris 龙泉驿区E104°17′35.99″, N 30°31′12.33″ 715~753 8.5 10 25 马尾松Pinus massoniana 绵阳E104°48′27.34″, N 31°33′52.14″ 558~591 10 12 28 柳杉Cryptomeria fortune 洪雅E103°11′04.06″, N 29°45′39.83″ 1 185~1 273 18 24 30 香樟Cinnamomum septentrionale 龙泉驿区E104°17′25.82″, N 30°29′56.19″ 989~1 051 20 32 40 苦竹Pleioblastus amarus 洪雅E103°13′37.95″, N 29°40′39.88″ 629~673 5 2 表 2 采样日期记录表
Tab. 2 Sampling time of the five forest stands
林分
Forest stand采样日期 Sampling time 2月 5月 8月 11月 柏木林 2018-02-05 2018-05-08 2018-08-06 2018-11-05 2018-02-06 2018-05-09 2018-08-07 2018-11-06 2018-02-07 2018-05-10 2018-08-08 2018-11-07 马尾松林 2018-02-08 2018-05-14 2018-08-12 2018-11-08 2018-02-09 2018-05-15 2018-08-13 2018-11-09 2018-02-10 2018-05-16 2018-08-14 2018-11-10 柳杉林 2018-02-23 2018-02-21 2018-08-16 2018-11-13 2018-02-24 2018-02-22 2018-08-17 2018-11-14 2018-02-25 2018-02-23 2018-08-18 2018-11-15 香樟林 2018-02-05 2018-05-08 2018-08-06 2018-11-05 2018-02-06 2018-05-09 2018-08-07 2018-11-06 2018-02-07 2018-05-10 2018-08-08 2018-11-07 苦竹林 2018-02-23 2018-02-21 2018-08-16 2018-11-13 2018-02-24 2018-02-22 2018-08-17 2018-11-14 2018-02-25 2018-02-23 2018-08-18 2018-11-15 表 3 5个林分不同月份VOCs的组成及其相对含量
Tab. 3 Chemical components and relative content of VOCs in the five forest stands
林分Forest stand 月份Month 萜烯类Terpenes/% 醇类Alcohols/% 酯类Esters/% 醛类Aldehydes/% 酮类Ketones/% 烷类Alkanes/% 胺类Amines/% 其他Others/% 柏木林 2 11.14 2.10 0.11 0.06 4.37 56.95 5.81 19.45 5 18.79 1.32 0.09 0.23 4.23 62.37 1.65 11.32 8 29.22 2.30 0.00 0.32 5.24 29.65 12.67 20.59 11 4.71 1.00 0.08 0.16 3.24 70.62 2.02 18.18 马尾松林 2 12.06 2.68 4.79 0.60 1.11 72.78 2.81 3.17 5 39.21 1.32 0.13 0.14 6.94 45.64 1.04 5.59 8 43.31 4.96 6.63 0.72 6.89 27.92 3.90 5.67 11 22.70 4.22 5.51 0.63 4.13 55.98 1.94 4.89 柳杉林 2 4.15 1.81 0.15 0.04 0.47 86.02 0.14 7.21 5 35.00 0.65 0.61 0.00 0.18 55.32 0.00 8.23 8 43.30 3.17 2.03 0.17 2.23 38.62 0.17 10.30 11 4.18 2.88 0.80 0.00 2.03 83.24 0.05 6.80 香樟林 2 11.34 0.26 6.34 0.02 3.28 69.22 2.52 7.02 5 33.38 5.24 2.62 0.02 1.32 28.50 22.92 6.00 8 40.13 4.19 6.32 0.03 3.22 12.05 25.87 8.23 11 20.72 1.11 2.13 0.00 0.70 43.44 27.18 4.72 苦竹林 2 12.89 1.32 2.19 0.23 0.80 60.69 3.05 18.82 5 36.76 0.66 1.78 0.29 3.91 48.70 0.49 7.42 8 42.31 1.88 3.72 0.56 3.33 23.47 7.41 17.32 11 16.95 2.09 0.40 0.04 3.31 67.03 0.41 9.77 表 4 5个林分芬多精成分及其相对含量
Tab. 4 Chemical components and relative content of terpenes in the five forest stands
林分
Forest stand月份
month芬多精相对含量/% 桉油精
eucalyptol(+)-柠檬烯
D-limonene桧烯
sabineneα-蒎烯
α-pineneβ-月桂烯
β-mycene合计
Tatol柏木林 2 1.78±0.10 6.62±3.28 1.01±0.42 1.68±0.71 11.09 5 6.22±1.30 8.12±2.43 3.29±0.44 17.63 8 14.72±3.88 11.42±3.54 3.08±1.30 29.22 11 4.04±1.36 5.59±2.34 9.63 马尾松林 2 7.22±1.36 5.57±0.66 12.79 5 23.98±11.51 12.82±3.01 8.2±1.08 45.00 8 29.42±4.69 9.00±4.22 4.9±1.32 43.31 11 6.00±1.57 6.81±1.93 12.81 柳杉林 2 3.62±1.7 5.16±2.30 8.78 5 33.07±15.79 14.82±6.52 47.89 8 24.27±10.77 13.86±3.80 2.82±0.72 2.35±1.08 43.30 11 13.26±5.87 10.22±0.14 1.61±0.28 25.09 香樟林 2 2.30±1.00 2.27±0.51 0.43±0.21 5.00 5 13.58±0.82 21.83±6.56 3.32±0.71 38.73 8 22.14±9.09 12.14±0.49 5.85±1.49 40.13 11 6.45±1.55 3.12±1.43 9.57 苦竹林 2 4.38±1.78 1.28±0.44 5.66 5 2.51±0.70 19.55±5.48 2.67±0.73 7.10±1.46 3.92±0.28 35.75 8 24.14±4.82 15.52±0.98 2.65±0.75 42.31 11 5.04±0.88 2.72±0.29 1.37±0.5 9.13 -
[1] Simpson D, Winiwarter W, B6rjesson G, et a1. Inventorying emissions from nature in Europe[J]. Journal of Geophysical Research, 1999, 104(D7): 8113−8152. doi: 10.1029/98JD02747 [2] Singh H B, Zimmerman P B.Atmospheric distributions and sources of nonmethane hydrocarbons.[J]. In: Gaseous pollutants: Characterization and cycling, PP.177−235, 1992, l: 177−235. [3] 文野,潘洋刘,晏琪,刘苑秋,古新仁. 森林挥发物保健功能研究进展[J]. 世界林业研究,2017,30(06):19−23. [4] 胡绿俊. 农业生态旅游资源分类及其开发经营评价体系研究[D].中南林业科技大学, 2013. [5] 王小婧,贾黎明. 森林保健资源研究进展[J]. 中国农学通报,2010,26(12):73−80. [6] 吴楚材,郑群明. 植物精气研究[J]. 中国城市林业,2005(04):61−63. doi: 10.3969/j.issn.1672-4925.2005.04.027 [7] 刘荣家. 杭州半山国家森林公园典型常绿阔叶树种及其混交林挥发性有机物释放研究[D].中国林业科学研究院, 2018. [8] 王金凤,周琦,潘柏青,李建清,夏淑芳,陈卓梅. 永嘉四海山黄山松林挥发性有机物成分及变化研究[J]. 浙江林业科技,2019,39(02):75−80. doi: 10.3969/j.issn.1001-3776.2019.02.013 [9] 吴章文,吴楚材,陈奕洪,谭益民,郑群明. 8种柏科植物的精气成分及其生理功效分析[J]. 中南林业科技大学学报,2010,30(10):1−9. doi: 10.3969/j.issn.1673-923X.2010.10.001 [10] 吴敏. 5种杉科植物不同部位的精气成分[J]. 中南林学院学报,2006(03):82−86. [11] 粟娟,王新明,梁杰明,廖绍波,王海勇,何秋生,范黎明. 珠海市10种绿化树种“芬多精”成分分析[J]. 中国城市林业,2005(03):43−45. doi: 10.3969/j.issn.1672-4925.2005.03.017 [12] 林静,简毅,骆宗诗,何家敏,李谨宵. 5种康养植物芬多精成分及含量研究[J]. 四川林业科技,2018,39(06):13−19. [13] 邓鹏. 丁香醛和β-月桂烯的臭氧化反应机理以及动力学研究[D]. 华南理工大学, 2018. [14] 吴宇锋,吕圭源,张志茹,俞静静,颜美秋,陈素红. 贮存时间对柳叶蜡梅挥发油及桉油精含量的影响[J]. 中国中药杂志,2013,38(17):2803−2806. [15] 刘六军. 单萜烯热重排反应过程研究[D]. 北京林业大学, 2014.