永嘉四海山黃山松林揮發(fā)性有機(jī)物成分及變化研究

王金鳳，周 琦，潘柏青，李建清，夏淑芳，陳卓梅

（1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2.永嘉縣四海山林場，浙江 永嘉 325115；3.溫州市林業(yè)技術(shù)推廣總站，浙江 溫州 325000）

森林是大自然的杰作，具有清新空氣、舒爽氣候、幽靜林間和鳥語花香等特性。隨著森林旅游的興起，人們逐漸利用森林的各種保健因子開展療養(yǎng)康復(fù)，以達(dá)到增強(qiáng)體質(zhì)和防治疾病的目的，并進(jìn)一步發(fā)展成為森林康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)。森林康養(yǎng)具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、易于推廣、適應(yīng)廣泛等優(yōu)點(diǎn)[1]，關(guān)于森林生態(tài)保健因子及其療效的研究也成為相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一，吸引著來自林學(xué)、生態(tài)學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的學(xué)者。植物源揮發(fā)性有機(jī)物（Botanic Volatile Organic Compounds，BVOCs）是1930年原蘇聯(lián)列寧格勒大學(xué)的杜金教授過反復(fù)觀察植物的新陳代謝過程，發(fā)現(xiàn)植物的花、葉等組織的油腺細(xì)胞不斷分泌出一種濃香物質(zhì)，又稱芬多精（Phytoncidere）[2]，具有消炎殺菌、平喘止咳、解熱鎮(zhèn)痛、抗腫瘤、降血壓、提神醒腦等多種生理功效，是重要的森林生態(tài)保健因子之一[3-7]。關(guān)于BVOCs組分及其功效的研究多以植株、植物器官或精油為對象[8-19]。近年來，少數(shù)學(xué)者對森林環(huán)境空氣中揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）組分及濃度開展了研究，如北京鷲峰國家森林公園、樟Cinnamomum camphora林、銀杏Ginkgo biloba林、紅松Pinus koraiensi林及南京紫金山4個(gè)典型群落等[20-23]，為森林康養(yǎng)活動(dòng)的開展提供數(shù)據(jù)支撐。

黃山松Pinus taiwanensis林是我國東部亞熱帶中山地區(qū)垂直帶上特有的山地溫性針葉林，垂直分布于海拔600～700 m以上的山坡、山脊，上限可到1 750～1 900 m[24]，黃山松在高山植被恢復(fù)、固碳、水源涵養(yǎng)及應(yīng)對全球氣候變化方面具有比其他松科Pinaceae植物更為重要的價(jià)值[25]。本研究對黃山松林VOCs的成分含量和變化進(jìn)行了為期1 a的測試，旨在為黃山松林發(fā)展森林康養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支持和開發(fā)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

浙江省永嘉縣四海山林場位于該縣北部，120°43′～ 120°48′E，28°29′～ 28°34′N，面積 2 565 hm2。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤，四季分明，無霜期長，年溫差較小，雨水充沛，熱量豐富。年平均氣溫18.5℃，1月平均氣溫8.2℃，極端最低氣溫-4.8℃，7月平均氣溫28.6℃。平均無霜期281 d。年平均降水量1 743.9 mm。年平均日照1 775.7 h。主要災(zāi)害性天氣有暴雨、冰雹、干旱、臺風(fēng)、洪澇、雷電和大風(fēng)等。四海山林場森林覆蓋率94.59%。試驗(yàn)黃山松林為1970年飛播造林，面積872 hm2。林分郁閉度0.7，喬木層優(yōu)勢樹種為黃山松，伴生樹種為木荷Schima superba；灌木層主要有微毛柃Eurya hebeclados，中華繡線菊Spiraea chinensis，山礬Symplocos sumuntia等，草本層主要有里白Hicriopteris glauca，地菍Melastoma dodecandrum，芒萁Dicranopteris dichotoma等。

1.2 黃山松林空氣VOCs的采集

采樣點(diǎn)為固定采樣點(diǎn)，位于永嘉縣四海山林場四海山莊，海拔870 m。進(jìn)入氣象學(xué)意義的春、夏、秋和冬季10 d后，選擇晴朗無風(fēng)的天氣采樣，分別為2016年4月29日、8月3日、10月27日和2017年1月5日；于當(dāng)日8:00，10:00，12:00，14:00和16:00分別采樣，采用ZC-Q便攜式雙泵大氣采樣器（浙江恒達(dá)生產(chǎn)）架于距離地面1.5 m處進(jìn)行空氣樣品采集，每次采集2個(gè)平行樣品。每個(gè)樣品連續(xù)采集空氣1.5 h，采樣流量控制在1 500 mL·min-1。采用德祥熱脫附儀ENTACH 7100附帶的采樣管，填充進(jìn)口Tenax 80/100目吸附劑。

1.3 VOCs的分析測試條件

采用熱脫附-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（TDS-GC-MS）分析技術(shù)，對樣品中全部或指定成分作定性和定量的分析，大幅度減小進(jìn)樣誤差，達(dá)到理想的進(jìn)樣效果。

TDS（TD3型，德國Gerstel公司）工作條件：系統(tǒng)載氣壓力20 kPa；進(jìn)樣口溫度250℃；脫附溫度250℃（保持10 min）；冷阱溫度-100℃（保持3 min）；冷阱進(jìn)樣時(shí)溫度驟然升溫至260℃。

GC（7890A型，Agilent公司）工作條件：色譜柱為30 m×250 μm×0.25 μm的HP-5MS柱；程序升溫：初始溫度40℃（保持3 min），以6℃·min-1的速率升至112℃（保持3 min），以6℃·min-1的速率升至250℃，再以10℃·min-1的速率升至270℃（保持5 min）。

MS（5975C型，Agilent公司）工作條件：電離方式為EI；電子能量為70 eV；原子質(zhì)量范圍29-400 m·z-1；接口溫度280℃；離子源溫度為230℃；四級桿溫度150℃。

1.4 VOCs的鑒定與含量分析

通過GC/MS分析可獲得GC/MS原始數(shù)據(jù)總離子流圖（TIC），圖中各峰代表的化學(xué)信息采用Xcalibur1.2版本軟件，經(jīng)計(jì)算機(jī)檢索NIST2008譜庫，結(jié)合手工檢索，根據(jù)不同化合物的出峰順序和其它化學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)篩選，定性分析組分的質(zhì)譜數(shù)據(jù)。以色譜峰面積進(jìn)行定量分析，并計(jì)算其組分的相對含量。

相對含量 =該化合物峰面積/各化合物峰面積之和×100%。

以一天中5個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)相對含量平均值作為對應(yīng)季節(jié)的相對含量；以4個(gè)季節(jié)的相對含量平均值為年均相對含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃山松林空氣VOCs種類

黃山松林空氣VOCs種類及含量見圖1。

由圖1可看出，在黃山松林空氣樣品中共檢測到9大類69種VOCs，其中以萜烯類化合物相對含量最高，達(dá)40.92%；其次為其他類、醛類和脂類化合物，相對含量分別為12.45%，12.22%和11.00%。酮類、醇類、烷烴類和芳烴類化合物相對含量比較接近，在4%～7%之間；有機(jī)酸類化合物年均相對含量最少，僅1.31%。

圖1 黃山松林空氣各類VOCs年均相對含量Figure1 Relative content of volatile organic compounds in P.taiwanensis forest

黃山松林空氣揮發(fā)物中萜烯類化合物共15種，以α-蒎烯的年均相對含量最高，占萜烯類化合物總含量的29.84%；其次為桉樹腦和樟腦，分別占24.52%和12.31%（表1）。其他出現(xiàn)的萜烯類化合物按年均相對含量從高到低排列依次為：檸檬烯、莰烯、長葉烯、β-蒎烯、薄荷腦、3-蒈烯、雪松烯、雪松醇、羅漢柏烯、檜烯、水芹烯和α-松油醇。

黃山松林空氣揮發(fā)物中脂類化合物雖年均相對含量位居第4，年平均相對含量為11.00%，但冬季高達(dá)34.29%，位居第一。全年共有7種脂類揮發(fā)物出現(xiàn)，其中以丙烯酸丁脂含量最高，其他為醋酸丁酸、丙酸丁脂、丁酸丁脂、醋酸正丙酯、醋酸仲丁酯，均為有水果香味的揮發(fā)物。

黃山松林空氣揮發(fā)物中烷烴類揮發(fā)物共11種，以甲基環(huán)己烷、十二烷、十一烷、2,4-二甲基-庚烷和癸烷為主。芳烴類揮發(fā)物9種，以甲苯、1,3,5-三甲基苯、萘、正丙苯和1-甲基萘為主。醛類揮發(fā)物5種，主要是壬醛和己醛。酮類揮發(fā)物8種，以甲基庚烯酮、環(huán)己酮、6,10-二甲基-5,9-十一烷二烯-2-酮和苯乙酮為主。醇類揮發(fā)物2種，為乙醇和丁醇。其他類揮發(fā)物10種，以1,2-二氯乙烷、苯基馬來酸酐、1,2-二氯丙烷和氯苯為主。有機(jī)酸類揮發(fā)物僅2種，為乙酸和苯甲酸。

表1 黃山松林空氣中萜烯類化合物各組分相對含量Table1 Relative content of terpenes in the P.taiwanensis forest

2.2 黃山松林空氣VOCs的變化

2.2.1 VOCs類別的季節(jié)變化 從黃山松林空氣VOCs不同類別的季節(jié)變化來看，春季、夏季和秋季均以萜烯類化合物相對含量最高，分別占總揮發(fā)物的32.06%，52.15%和58.86%，僅冬季以酯類含量最高，達(dá)34.29%。春季和夏季居第二位的為醛類化合物，分別為20.63%和12.45%，秋季和冬季均為其他類化合物，分別為16.07%和20.66%；相對含量最低的除春季為芳烴類化合物（1.96%）以外，其他季節(jié)均為有機(jī)酸類化合物（表2、圖2）。

表2 黃山松林空氣VOCs相對含量的季節(jié)變化Table2 Seasonal change of relative content of volatile organic compounds in P.taiwanensis forest

2.2.2 各類VOCs的季節(jié)變化 從黃山松林空氣VOCs濃度隨季節(jié)的變化趨勢來看，一年當(dāng)中萜烯類化合物相對含量呈先升后降的變化趨勢，秋季達(dá)到頂峰，冬季降至最低，相對含量為20.07%。芳烴類化合物相對含量隨季節(jié)總體上呈先升后降的變化趨勢，全年僅在1.96%～9.79%間波動(dòng)。

黃山松林空氣中醛類、酮類、烷烴和有機(jī)酸類揮發(fā)物相對含量從春到冬呈逐步下降的變化趨勢，以春季最高，分別為20.63%，9.97%，9.73%和4.92%；冬季最低，分別僅7.15%，3.49%，1.19%和0。

黃山松林空氣中其他類化合物相對含量隨季節(jié)呈先降后升的變化趨勢，除夏季含量僅1.80%外，其他3個(gè)季節(jié)含量均位居各類化合物排行的第二或第三，以冬季最高（20.66%）。酯類化合物相對含量從春到冬亦呈先降后升的變化趨勢，在夏季大幅降至0.74%，冬季大幅上升至34.29%。

黃山松林空氣中醇類化合物相對含量從春到冬呈升-降-升的變化趨勢，全年波動(dòng)幅度較小，介于2.81%～9.04%之間。

圖2 黃山松林空氣VOCs相對含量的季節(jié)變化Figure2 Seasonal change of relative content of volatile organic compounds in P.taiwanensis forest

3 討論與結(jié)論

森林釋放的BVOC以萜烯類化合物為主[4,26]。只木良也研究證明，植物所釋放的單萜類與倍半萜類化合物均具有很強(qiáng)的生理功效，并將單萜和倍半萜相對峰面積之和作為衡量植物保健作用的指標(biāo)[3]。龍腦、樟腦、β-蒎烯、長葉烯、檸檬烯、石竹烯等有一定的抑菌或抗炎作用[27-28]；α-蒎烯、β-蒎烯和檸檬烯等萜類化合物和芳樟醇等醇類化合物可增強(qiáng)空氣的清新感，同時(shí)可以調(diào)節(jié)人體的神經(jīng)系統(tǒng)，對人體具有保健作用[28-31]。松油醇、丁香酚、檸檬醛、苯乙酮等具有花香；薄荷醇具有提神醒腦、活血的作用[27]。本研究中，黃山松林空氣中萜烯類化合物相對含量占VOCs的40.92%，比南京紫金山楓香樹Liquidambar formosana+六月雪Serissa japonica+麥冬Ophiopogon japonicus等4個(gè)典型群落、無錫惠山樟林和北京鷲峰國家森林公園的相對含量占比高[20-23]；萜烯類物質(zhì)中有α-蒎烯、桉樹腦和檸檬烯等，具有較強(qiáng)的殺菌抗炎、提神醒腦的功效。

BVOC的釋放呈明顯的季節(jié)變化，有些樹種在夏、秋季釋放達(dá)到高峰，如德國南部黑松Pinus thunbergii林、法國32種樹木、北京鷲峰國家森林公園人工混交林內(nèi)的油松P.tabulaeformis，側(cè)柏Platycladus orientalis，栓皮櫟Quercus variabili和五角楓Acrer mono，南京紫金山楓香樹+六月雪+麥冬等4個(gè)群落等[4,16,20-21]；而美國東南部濕地松Pinus elliottii，北美黃松P.ponderosa等在春季釋放速率最快。本研究結(jié)果顯示，黃山松林空氣中萜烯類化合物相對含量在夏季和秋季較高，分別占VOCs的52.15%和58.86%，冬季僅20.07%，而酯類化合物相對含量高達(dá)34.29%，這與南京紫金山栓皮櫟+柘樹Cudraniatri cuspidata+三穗薹草Carex tristachya群落相似[21]。冬季低溫環(huán)境條件下，空氣中有如此高含量的酯類化合物，尚待進(jìn)一步的研究。

研究顯示，四海山黃山松林空氣具有較高比例的萜烯類化合物，其殺菌、安神等保健功能較強(qiáng)，具備發(fā)展森林康養(yǎng)的植物精氣資源條件；夏季和秋季萜烯類物質(zhì)相對含量較高，比較適合戶外康養(yǎng)活動(dòng)。