杭州市主城區(qū)道路綠化樹(shù)種組成與VOCs成分分析*

呂 楚 嚴(yán)少君 吳 渝 魏 偉 豐 睿 吳曉華 張明如 申亞梅 羅 坤

1 浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院 杭州 311300

2 浙江大學(xué)熱能工程研究所 杭州 310027

目前,在城市環(huán)境中,揮發(fā)性有機(jī)物 (Volatile Organic Compounds,簡(jiǎn)稱VOCs)已經(jīng)成為研究重點(diǎn),其排放來(lái)源分為生物排放源 (BVOCs)和人為排放源 (AVOCs)兩種類型。植物既能進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)的VOCs的吸收和代謝,又能釋放出VOCs[1],且在全球范圍內(nèi),來(lái)自于植物釋放的BVOCs約占89%[2-3],該類物質(zhì)通常是鹵烴類、醛類、酮類、芳烴類、烯烴類、烷烴類和其他等[4],但主要以單萜烯為主[5-6],其他如丙酮、甲醇等VOCs也是植物排放的重要VOCs[7-8]。有研究發(fā)現(xiàn),芳烴類、醛類等化合物[9]具有致畸致癌作用,烷類、苯系物 (芳烴類)、醛類、酮類會(huì)危害人體健康,其中苯系物對(duì)人體呼吸系統(tǒng)有刺激并能損傷中央神經(jīng)[10]。

但是,也有眾多研究表明,植物的揮發(fā)物對(duì)人居環(huán)境具有改善作用,如雪松 (Cedrus deodara)[11]、槲樹(shù) (Quercus dentata)[12]、 文竹 (Asparagus setaceus)[13]等植物釋放的萜烯類化合物具有凈化空氣、改善都市環(huán)境的作用;金葉女貞(Ligustrum×vicaryi)、紅花檵木 (Loropetalum chinense var.rubrum)等植物的揮發(fā)性有機(jī)物對(duì)人體有一定的保健功能,可以作為綠化常用樹(shù)種[14];桂花 (Osmanthus fragrans)的鮮花揮發(fā)物和葉片揮發(fā)物可以降低林地空氣中微生物的數(shù)量,對(duì)改善空氣質(zhì)量具有顯著作用[15]。然而,城市道路是汽車尾氣排放最多的區(qū)域,在4-9月高溫、高光的天氣下,植物的VOCs與尾氣排放物質(zhì)易產(chǎn)生反應(yīng),形成次生污染[15]。已有研究顯示,釋放單萜烯的樹(shù)種主要為槭屬 (Acer)、樺屬 (Betu-Ia)、落葉松屬 (Larix)、云杉屬 (Picea)和松屬(Pinus)等[16],所以,選擇合適的綠化樹(shù)種顯得尤為重要。然而,對(duì)杭州道路樹(shù)種VOCs研究至今未見(jiàn)報(bào)道。

因此,本研究參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn) (HJ 759-2015)對(duì)杭州主城區(qū)19條代表道路主要綠化樹(shù)種葉表面區(qū)域的VOCs進(jìn)行測(cè)定,目的是從大氣污染的角度分析綠化樹(shù)種葉表面區(qū)域揮發(fā)性有機(jī)物成分及含量,通過(guò)比較分析,根據(jù)綜合揮發(fā)物質(zhì)成分?jǐn)?shù)量、濃度以及總含量的排序確定VOCs的污染影響力,從而為城市道路綠化樹(shù)種的選擇提供依據(jù),為改善城市人居環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 調(diào)查方法

2018年7月在試點(diǎn)全面踏查的基礎(chǔ)上,對(duì)19條道路的喬木、灌木的植物種類、植物豐富度進(jìn)行調(diào)查,同時(shí)通過(guò)分段比較,總結(jié)樹(shù)種出現(xiàn)頻率,歸納主要綠化喬木樹(shù)種和灌木樹(shù)種共18種,在這18種植物內(nèi)層葉片上采集氣體,以空曠地為對(duì)照,對(duì)這些樹(shù)種葉表面區(qū)域的VOCs進(jìn)行測(cè)定。相對(duì)頻度計(jì)算公式:相對(duì)頻度 (RF)=F(某個(gè)種頻度)/∑F(全部種的總頻度)×100

1.2 VOCs采集與測(cè)定

結(jié)合一天中植物光合速率最強(qiáng)的時(shí)間段,采集工作分別選擇在2018年7月8日和12日上午10∶00—11∶00進(jìn)行,利用惰硅不銹鋼環(huán)境采樣罐 (H6000-B1-V2)采集植物揮發(fā)物 (VOCs),同時(shí)在沒(méi)有綠化樹(shù)種的大氣中進(jìn)行空白采樣,并進(jìn)行記錄。

參照國(guó)家環(huán)境空氣揮發(fā)性有機(jī)物 (VOCs)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) (HJ 759-2015),采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀 (GC/MS)對(duì)所選植物的67種VOCs成分進(jìn)行測(cè)定,其中氣相色譜儀器為Agilent 6890N,質(zhì)譜分析儀5977C,毛細(xì)管柱是DB624,預(yù)濃縮儀為Entech 7200,自動(dòng)進(jìn)樣器為Entech 7016。程序升溫:35℃保持5 min,以4℃·min-1上升至170℃ (保持2 min),以10℃·min-1上升至220℃ (保持3 min),隨后以220℃運(yùn)行2 min;進(jìn)樣口溫度140℃,溶劑延遲時(shí)間為4 min,載氣流量1.0 mL·min-1;分流比1∶10;EI源接口溫度250℃,離子源溫度230℃。

1.3 數(shù)據(jù)比較分析方法

采用NIST2008譜圖庫(kù)兼顧色譜保留時(shí)間,同時(shí)結(jié)合手工檢索確定VOCs成分,利用峰面積歸一法測(cè)定各成分的百分含量。以所測(cè)結(jié)果的平均值為基準(zhǔn)值,大于平均值為含量高的樹(shù)種,小于平均值為含量低的物種。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)種與頻度分析

調(diào)查結(jié)果顯示,杭州主城區(qū)道路綠化喬木樹(shù)種9個(gè),落葉樹(shù)種有7個(gè),主要是懸鈴木 (Plata-nus orientalis)、樸樹(shù) (Celtis sinensis)、無(wú)患子(Sapindus mukorossi)、欒樹(shù) (Koelreuteria paniculata)、楓楊 (Pterocarya stenoptera)、玉蘭 (Magnolia denudata)、銀杏 (Ginkgo biloba);常綠樹(shù)種2個(gè),主要是香樟 (Cinnamomum camphora)和雪松,其中出現(xiàn)頻度由高到低的順序?yàn)橄阏?60.71%)、 懸 鈴 木 (39.29%)、 銀 杏(25.00%)、楓楊 (21.43%)、樸樹(shù) (14.29%)、無(wú)患 子 (10.71%)、欒 樹(shù) (3.57%)、雪 松(3.57%)、玉蘭 (3.57%)。灌木樹(shù)種有21個(gè)種(品種),其中落葉樹(shù)種4個(gè),出現(xiàn)頻度由高到低的順序?yàn)榧t花檵木 (53.57%)、金森女貞 (Ligustrum japonicum‘Howardii’ ) (42.86%)、 紅葉石楠(Photinia x fraseri) (39.29%)、月季 (Rosa chinensis) (28.57%)、無(wú)刺枸骨 (Ilex Corunta var.fortunei)(28.57%)、桂花 (21.43%)、紫葉李(Prunus cerasifera) (17.86%)、紫薇 (Lagerstroemia indica) (14.29%)、金邊黃楊 (Buxus megistophylla)(14.29%)。

2.2 樹(shù)種葉表面區(qū)域VOCs成分分析

基于調(diào)查結(jié)果,本研究測(cè)定了9種喬木和9種灌木葉表面區(qū)域的VOCs含量,結(jié)果顯示,喬木葉表面區(qū)域共檢測(cè)到23種VOCs,灌木葉表面共檢測(cè)到25種VOCs。VOCs成分主要分為鹵烴類、芳烴類、醛類、烷烴類、酯類、酮類、烯烴類以及其他類共8大類。

2.2.1 鹵烴類

該類物質(zhì)主要為一氯甲烷、1,2,2-三氟-1,1,2-三氯乙烷、1,2-二氯乙烷、二溴一氯甲烷、三溴甲烷、4-溴氟苯、1,3-二氯苯、對(duì)二氯苯、氯代甲苯等,其中對(duì)照中未檢測(cè)到一氯甲烷、1,2,2-三氟-1,1,2-三氯乙烷。香樟、懸鈴木、樸樹(shù)、無(wú)患子、欒樹(shù)、楓楊、玉蘭與銀杏的葉表面區(qū)域內(nèi)未檢測(cè)到 1,2,2-三氟-1,1,2-三氯乙烷,楓楊樹(shù)種葉表面未檢測(cè)1,2-二氯乙烷,欒樹(shù)與玉蘭葉表面未檢測(cè)到二溴一氯甲烷。相對(duì)于對(duì)照,懸鈴木和樸樹(shù)葉表面檢測(cè)到的1,2-二氯乙烷含量較高,其余樹(shù)種相對(duì)較低,測(cè)得二溴一氯甲烷含量與空氣中含量相近。另外,9種喬木葉表面中檢測(cè)到的4-溴氟苯、1,3-二氯苯、對(duì)二氯苯含量與對(duì)照相近,而氯代甲苯高于對(duì)照。從鹵烴類釋放的總量看,雪松葉表面區(qū)域檢測(cè)到的鹵烴類VOCs含量最高,其次是懸鈴木、楓楊、樸樹(shù)、銀杏、香樟、玉蘭,無(wú)患子最低。

9種灌木葉表面區(qū)域中均檢測(cè)到一氯甲烷與1,2-二氯乙烷,僅在紫薇葉表面中檢測(cè)到1,2,2-三氟-1,1,2-三氯乙烷。對(duì)照組中檢測(cè)到的二溴一氯甲烷、4-溴氟苯與9種灌木葉表面區(qū)域檢測(cè)到的含量相近,而對(duì)照組檢測(cè)到的1,3-二氯苯、對(duì)二氯苯以及三溴甲烷略高于9種灌木葉表面區(qū)域所檢測(cè)到的含量,另外,對(duì)照組中檢測(cè)到的氯代甲苯與桂花、金邊黃楊兩種樹(shù)種葉表面檢測(cè)到的含量相近,但低于其他7種灌木。在9種灌木中,紅葉石楠葉表面檢測(cè)到的一氯甲烷與氯代甲苯含量最高。從釋放的鹵烴類總量看,紅葉石楠葉表面區(qū)域檢測(cè)到的鹵烴類VOCs含量最高,桂花最低。

2.2.2 芳烴類

該類物質(zhì)主要為4-乙基甲苯、甲苯、1,3,5-三甲苯、1,2,4-三甲苯以及苯乙烯5種芳烴類物質(zhì),而對(duì)照組中未檢測(cè)到1,3,5-三甲苯、1,2,4-三甲苯。楓楊葉表面區(qū)域檢測(cè)到的4-乙基甲苯高于對(duì)照組以及其他8種喬木,雪松、玉蘭與銀杏葉表面區(qū)域檢測(cè)到的VOCs含量與對(duì)照接近,其余略低于對(duì)照;相對(duì)于其他物種與對(duì)照,僅楓楊樹(shù)種葉表面區(qū)域檢測(cè)到1,3,5-三甲苯,僅雪松樹(shù)種葉表面區(qū)域檢測(cè)到1,2,4-三甲苯;相對(duì)于對(duì)照,9種喬木樹(shù)種葉表面檢測(cè)到的苯乙烯低于對(duì)照。綜合比較發(fā)現(xiàn),楓楊葉表面檢測(cè)到的芳烴類物質(zhì)含量最高,其次是雪松,且二者均高于對(duì)照,其余7種均低于對(duì)照。9種灌木葉表面區(qū)域均檢測(cè)到4-乙基甲苯與苯乙烯,且均低于對(duì)照。檢測(cè)結(jié)果顯示,僅有紅葉石楠葉表面區(qū)域檢測(cè)到甲苯,但低于對(duì)照。

2.2.3 醛類

丙烯醛為唯一檢測(cè)的醛類物質(zhì)。結(jié)果顯示,雪松葉表面檢測(cè)到該物質(zhì)的含量最高,其次是紫葉李、無(wú)患子、玉蘭、銀杏、月季、楓楊、金邊黃楊 (紅葉石楠與金邊黃楊相等)、欒樹(shù)、紫薇,其中雪松與紫葉李葉表面檢測(cè)到的含量顯著高于對(duì)照,無(wú)患子葉表面檢測(cè)到的含量與對(duì)照接近,其余均低于對(duì)照。而香樟、懸鈴木、樸樹(shù)、金森女貞、紅花檵木、無(wú)刺枸骨以及桂花等樹(shù)種的葉表面區(qū)域中均未檢測(cè)到。

2.2.4 烷烴類

該類物質(zhì)主要為1,4-二戊烷。就烷烴類物質(zhì)總量來(lái)看,僅雪松略高于對(duì)照,月季與紫薇略低于對(duì)照,其余均于對(duì)照接近。結(jié)果還顯示,僅金邊黃楊葉表面檢測(cè)到正己烷,且含量與對(duì)照接近。

2.2.5 酮類

結(jié)果顯示,該類物質(zhì)在對(duì)照中只檢測(cè)到4-甲基-2-戊酮以及2-己酮,喬木樹(shù)種葉表面檢測(cè)到丙酮、2-丁酮、4-甲基-2-戊酮以及2-己酮4類酮類物質(zhì)。其中雪松葉表面區(qū)域檢測(cè)到的丙酮、2-丁酮、2-己酮的含量最高,4-甲基-2-戊酮含量最低;與對(duì)照相比,9種喬木葉表面檢測(cè)到的4-甲基-2-戊酮含量均低于對(duì)照。就酮類物質(zhì)的總量來(lái)看,紫葉李葉表面檢測(cè)到的含量最高,其中丙酮含量高于其他8種灌木;僅紅葉石楠與紫葉李葉表面中檢測(cè)到2-丁酮;金邊黃楊葉表面中檢測(cè)到4-甲基-2-戊酮,且含量與對(duì)照接近,其余均低于對(duì)照;金森女貞葉表面中檢測(cè)到2-己酮,且含量高于對(duì)照,其余均低于對(duì)照。

2.2.6 烯烴類

僅雪松和紫葉李葉表面中檢測(cè)到烯烴類——丙烯,而對(duì)照空氣中未檢測(cè)到烯烴類揮發(fā)物。

2.2.7 酯類

檢測(cè)結(jié)果顯示,對(duì)照組中并未檢測(cè)到乙酸乙酯,喬木類樹(shù)種葉表面中均檢測(cè)到乙酸乙酯,且玉蘭含量最高,其次依次為懸鈴木、雪松、香樟、樸樹(shù)、無(wú)患子、銀杏、楓楊以及欒樹(shù);灌木類只在金邊黃楊葉表面中檢測(cè)到乙酸乙酯,除此之外,金邊黃楊葉表面中還檢測(cè)到乙酸乙烯酯,且含量顯著高于對(duì)照;無(wú)刺枸骨葉表面中檢測(cè)到少量的甲基丙烯酸甲酯,而對(duì)照中并未檢測(cè)到。

2.2.8 其他類

檢測(cè)結(jié)果顯示,對(duì)照中未檢測(cè)到二硫化碳,但檢測(cè)到異丙醇。18種樹(shù)種中,欒樹(shù)、雪松、玉蘭、紅葉石楠以及紫葉李葉表面檢測(cè)到二硫化碳,且雪松檢測(cè)到的含量最高,其次是紫葉李。相對(duì)于對(duì)照,除懸鈴木外,其余8種喬木檢測(cè)到的異丙醇含量低于對(duì)照;而灌木中,金邊黃楊葉表面檢測(cè)到的異丙醇含量高于對(duì)照,紅葉石楠、無(wú)刺枸骨、紫葉李以及桂花均較低。

3 結(jié)論與討論

在杭州城區(qū)道路綠化中,18種樹(shù)種葉表面區(qū)域的VOCs有所差異,但鹵烴類物質(zhì)相對(duì)較多,且9種喬木樹(shù)種葉表面檢測(cè)到的酮類物質(zhì)含量高于9種灌木。比較結(jié)果進(jìn)一步顯示,雪松、楓楊、紫葉李、金邊黃楊等樹(shù)種葉表面的VOCs總量相對(duì)較多,香樟、樸樹(shù)、金森女貞、紅花檵木、無(wú)刺枸骨、桂花等相對(duì)較少,其中香樟葉表面的VOCs總量相對(duì)較少,這與Klinger研究結(jié)果一致[16],適合作為城市綠化的主要樹(shù)種。然而,有研究顯示,懸鈴木樹(shù)種葉表面區(qū)域的異戊二烯排放能力較高[17],但在本研究測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)中,未將異戊二烯包含在內(nèi),由此可見(jiàn),懸鈴木不適合作為城市道路綠化的主要樹(shù)種。

在華東地區(qū)大氣污染檢測(cè)中,福州市[18]共監(jiān)測(cè)出包括烷烴類、烯烴類、醇類、醛類、酮類、酸類、酯類、芳香烴類以及其他類在內(nèi)的219種VOCs。上海市于2009年在其城區(qū)共監(jiān)測(cè)出烷烴、芳香烴、烯烴和乙炔4類共56種VOCs,其中烷烴含量所占比例最高,乙炔所占比例最低[19]。本結(jié)果中,雪松葉表面區(qū)域檢測(cè)到的VOCs含量在18個(gè)樹(shù)種葉表面中相對(duì)最高,且多為單萜烯類物質(zhì)。研究顯示,溫度和光強(qiáng)對(duì)異戊二烯和單萜化合物的排放具有重要影響[20],與汽車尾氣以及其他排放物質(zhì)中的NO化合物結(jié)合產(chǎn)生O3,影響城市空氣環(huán)境[21],由此說(shuō)明,雪松不適合作為城市綠化樹(shù)種。然而有許多研究表明,松科類植物的單萜烯含量較多[14-19,22],例如油松、雪松、紅皮云杉等針葉樹(shù)種釋放的萜烯類化合物具有凈化空氣、改善都市環(huán)境的作用[23-24],對(duì)人體健康有重要作用,可以形成森林康氧休閑環(huán)境,由此又進(jìn)一步說(shuō)明,雪松可以用作園林道路之外的公園以及郊外等其他綠地綠化樹(shù)種。

盡管從個(gè)別樹(shù)種葉表面檢測(cè)得到的VOCs成分能夠與環(huán)境中的NO發(fā)生反應(yīng)生成臭氧從而對(duì)環(huán)境造成污染,但這8類VOCs還存在大部分未檢測(cè)到的對(duì)環(huán)境有益的成分。在萜類中,屬于單萜的檸檬烯、蒎烯等揮發(fā)性有機(jī)物具有鎮(zhèn)痛、抗病毒等作用;醇類中,松油醇、香葉醇等揮發(fā)性有機(jī)物具有殺菌、促進(jìn)肝臟和心臟機(jī)能的作用;在酮類中,樟腦酮、松香芹酮等物質(zhì)能夠起到抗真菌、提高免疫機(jī)能等作用;酯類中,醋酸乙酯(桃)等VOCs能夠治療抵抗炎癥等[25]。還有研究表明,陰香林,灰木蓮林,濕地松林,黧蒴錐林,尾葉桉林和闊葉混交林6種林分的體感舒適程度等級(jí)總體上均處在 “舒適”及以上水平,且均具有一定的保健作用[26];而本研究也表明,香樟、樸樹(shù)、桂花等適合作為杭州城市道路綠化主要樹(shù)種。由此可見(jiàn),雖然綠化空間中VOCs存在對(duì)環(huán)境及人體健康有害的部分,但其對(duì)環(huán)境的益處亦不可忽視,所以今后應(yīng)更加深入探討VOCs成分與城市道路環(huán)境的關(guān)系,為城市選擇更合適的綠化樹(shù)種,為城市生態(tài)、森林康養(yǎng)和造林等建設(shè)提出更系統(tǒng)更規(guī)范的依據(jù)。