5 個林分內(nèi)芬多精成分和相對含量的時間動態(tài)特征

簡毅, 林靜*, 劉偲, 李謹(jǐn)宵, 何家敏, 駱宗詩

1. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081；

2. 四川省林業(yè)和草原科學(xué)技術(shù)推廣總站，四川 成都 610081

揮發(fā)性有機物（VOCs）是由各種人類活動和生物代謝排放到大氣中的揮發(fā)性有機化合物的總稱。由人類活動產(chǎn)生的VOCs 稱為人為源揮發(fā)性有機物（AVOCs），由生物代謝排放的VOCs 稱為生物源揮發(fā)性有機物（BVOCs）。從全球尺度來看，BVOCs的排放量遠(yuǎn)大于AVOCs，僅陸地生態(tài)系統(tǒng)中的植被所排放的BVOCs 就高達(dá)1150TgC·a-1。[1,2]

1930 年，前蘇聯(lián)列寧格勒大學(xué)教授B.P.Toknnh博士發(fā)現(xiàn)當(dāng)高等植物受傷時, 會釋放某種特殊物質(zhì)以殺死周圍環(huán)境中的原生動物或病原菌，他將這種主要成分為萜烯類的物質(zhì)稱為芬多精（Pythoncidere），即BVOCs 的主要成分。近年來，研究發(fā)現(xiàn)芬多精具有降血壓、殺菌、提高免疫力等方面的功效[3-6]。

隨著我國康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，許多學(xué)者對植物離體組織內(nèi)、活體枝葉釋放的芬多精進(jìn)行了研究[7-11]。但植物釋放的芬多精經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)、環(huán)境遷移，在林分中的成分和含量必然發(fā)生變化。因此，圍繞林分中存留的芬多精及其生態(tài)學(xué)過程開展相關(guān)研究顯得尤為重要。本研究擬通過在不同時間測定5 個林分內(nèi)VOCs 的成分及相對含量，揭示林分芬多精芬多精成分及相對含量的時間動態(tài)特征，為森林康養(yǎng)活動的開展和康養(yǎng)林分的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣地點

主要選取成都平原和盆周山地康養(yǎng)基地，遠(yuǎn)離鬧市、人為活動少、空氣清潔、污染少的純林小班中采樣。小班邊緣與幾何中心點距離＞100 m，在距離小班幾何中心點10 m 位置均勻布設(shè)3 個采樣點，采樣高度1.5 m。選取的林分有柏木林、馬尾松林、柳杉林、香樟林和苦竹林，具體分布見表1。

1.2 樣品采集

1.2.1 采集時間

樣品采集在 2018 年的2 月、5 月、8 月和11 月分4 次進(jìn)行，選擇典型晴朗無風(fēng)天氣采樣，每個樹林分在小班幾何中心點進(jìn)行采集，連續(xù)3 天，在每日的上午9 點—11 點進(jìn)行采樣。采樣日期見表2。

1.2.2 采樣方法

采用Tenax 管抽濾吸附法采集林分芬多精樣品，具體按以下步驟進(jìn)行：①將Tenax 吸附管及相關(guān)附件與大氣采樣器相連，采樣口朝向上坡方向，高度1.5 m；②設(shè)置采樣程序，啟動延時10 min，采樣時間60 min；③系統(tǒng)調(diào)試完成后，操作人員立即撤離至距離采樣點100 m 外區(qū)域，保證采樣過程無人為干擾。④采樣完成后，取回Tenax 吸附管貼上標(biāo)簽密封備測。

表 1 5 個林分基本情況Tab. 1 Basic Information of the five forest stands

表 2 采樣日期記錄表Tab. 2 Sampling time of the five forest stands

1.3 樣品測定

1.3.1 樣品前處理方法

熱脫附條件：以高純（99.999%）氦氣為載氣，流速為30 mL·min-1,預(yù)吹掃1 min；吸附管加熱至300 ℃，解吸10 min；半導(dǎo)體冷阱捕集溫度為-10 ℃，解吸溫度為280 ℃，解吸5 min；傳輸線溫度為210 ℃。

1.3.2 氣相色譜質(zhì)譜（GC/MS）條件

采用美國HP GC7890/MS5975 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀。所用毛細(xì)管柱為HP-VOC(30 m×0.25 mm×0.25 μm)(J & W scientific，USA)。載氣為高純氦氣，流速為1mL·min-1。不分流模式，進(jìn)樣口溫度為250 ℃。柱溫箱的升溫程序為：40 ℃保持2 min，然后以5 ℃·min-1升至180 攝氏度，保持2 min，繼而以5 ℃·min-1升至240 ℃，保持5 min。電離方式EI，70 eV；質(zhì)譜接口溫度250 ℃，離子源溫度230 ℃，電離方式EI，離子能量70 ev，質(zhì)量掃描范圍為35～550 u[12]。

1.3.3 儀器與設(shè)備

7890A/5975C 氣相色譜質(zhì)譜儀，色譜柱HP-VOC 30 m×0.25 mm×0.25 μm，美國安捷倫公司。COmbi PAL 氣相色譜多功能自動進(jìn)樣器(瑞士CTC 公司)，所用水由Milli-Q 系統(tǒng)(Milford, MA, USA)制得。分析天平(感量0.01g)，瑞士梅特勒-托利多公司。

1.4 數(shù)據(jù)處理

以質(zhì)譜譜圖數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用計算機對樣品分析生成的質(zhì)譜總離子流圖（TIC）進(jìn)行檢索，以鑒定各峰所代表的物質(zhì)種類，采用面積歸一化法計算各種物質(zhì)的相對含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 5 個林分VOCs 組成及含量

按化學(xué)官能團(tuán)類型將5 個林分VOCs 分為8 個類別進(jìn)行統(tǒng)計，包括萜烯類、醇類、酯類、醛類、酮類、烷類、胺類以及其他類。由表3 可見：5 個林分內(nèi)VOCs 主要由萜烯類和烷類組成，相對含量分別高達(dá)43.31%（馬尾松林，8 月）和86.02%（柳杉林，2 月），萜烯類相對含量最低為4.15%（柳杉林，2 月），烷類相對含量最低為12.05%（香樟林，8 月）。VOCs 各組分最高相對含量醇類為5.24%（香樟林，5 月），酯類為6.63%（馬尾松林，8 月），醛類為0.72%（馬尾松林，8 月）、酮類為6.94%（馬尾松林，5 月）、胺類27.18%（香樟林，11 月）。柳杉林在5 月和11 月未檢出醛類，樟林在11 月未檢出醛類，柳杉林在5 月未檢出胺類。

表 3 5 個林分不同月份VOCs 的組成及其相對含量Tab. 3 Chemical components and relative content of VOCs in the five forest stands

2.2 5 個林芬多精成分及含量

桉油精具有解熱、消炎、抗菌、防腐、平喘及鎮(zhèn)痛等與萜烯類相似的功效，因此本研究將桉油精并入芬多精進(jìn)行統(tǒng)計。由表4 可見，共檢出5 種芬多精成分：桉油精、(+)-檸檬烯、檜烯、α-蒎烯、β-月桂烯。其中桉油精和(+)-檸檬烯在所有樣本中均有檢出，最高相對含量分別達(dá)到33.07%（柳杉林，5 月）和21.83%（香樟林，5 月）。檜烯在5 個林分中均有檢出，但檢出時間只在5 月或8 月，2 月和11 月未檢出，最高相對含量達(dá)到8.2%（馬尾松林，5 月）。α-蒎烯最高相對含量為7.1%（苦竹林，5 月），但在馬尾松林和香樟林中未檢出。β-月桂烯最高相對含量為3.92%（苦竹林，5 月），但在馬尾松林和柳杉林中未檢出。

2.3 5 個林分芬多精相對含量動態(tài)

由圖1 可見，5 個林分中只有桉油精和(+)-檸檬烯在每個取樣月份都有檢出，桉油精相對含量在苦竹林內(nèi)隨時間序列呈現(xiàn)降低-升高-降低的趨勢，在其他林分均呈現(xiàn)升高-降低的趨勢；除柳杉林桉油精相對含量峰值出現(xiàn)在5 月外，其他4 個林分均出現(xiàn)在8 月。(+)-檸檬烯相對含量在5 個林分內(nèi)隨時間序列均呈現(xiàn)升高-降低的趨勢；除柏木林(+)-檸檬烯相對含量峰值出現(xiàn)在8 月外，其他4 個林分均出現(xiàn)在5 月。檜烯、α-蒎烯和β-月桂烯偶有檢出。

由圖2 可見，5 個林分芬多精相對含量均低于50%，都隨時間序列呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律，其中柳杉林和馬尾松林峰值出現(xiàn)在5 月，柏木林、香樟林和苦竹林峰值出現(xiàn)在8 月。柏木林芬多精相對含量在5 月和8 月明顯低于其他4 個林分。各林分在2 月和11 月芬多精相對含量較低，且差異不明顯，只有柳杉林在11 月還有較高的芬多精相對含量。

表 4 5 個林分芬多精成分及其相對含量Tab. 4 Chemical components and relative content of terpenes in the five forest stands

3 討論

3.1 林分VOCs 來源分析

森林生態(tài)系統(tǒng)中植物、動物、土壤、微生物等的氣體交換作用，導(dǎo)致森林空氣成分及含量與林外空氣存在差異。林分VOCs 的組成包括兩個部分：一是外源輸入，包括隨大氣流動遷移的環(huán)境VOCs、人為干擾產(chǎn)生的AVOCs 等；二是內(nèi)源輸入，包括植物、動物、土壤、微生物等生理生活過程釋放的VOCs。外源輸入使森林空氣VOCs 成分及相對含量特征更接近于外界環(huán)境，內(nèi)源輸入則反之，兩種輸入相互制約。本研究發(fā)現(xiàn)，林分VOCs 相對含量較高的有萜烯類和烷類，因為萜烯類主要由植物揮發(fā)產(chǎn)生，烷類主要來源為化石燃料燃燒，據(jù)此我們認(rèn)為BVOCs 萜烯類是內(nèi)源輸入的代表，而化學(xué)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的烷類（C6-C19）是外源輸入的代表。

醇類、酯類、醛類、酮類和胺類包括了內(nèi)源輸入的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，以及外源輸入的環(huán)境VOCs 本底；且這5 類物質(zhì)相對含量較低，對林分VOCs 成分和相對含量影響能力較弱。本研究暫不作詳細(xì)論述。

3.2 林分芬多精生態(tài)學(xué)過程

本研究檢出的萜烯類物質(zhì)有：(+)-檸檬烯、檜烯、α-蒎烯和β-月桂烯4 種。只有(+)-檸檬烯在所有樣本中均有檢出，相對含量最高為21.83%（香樟林，5 月）。其他3 種萜烯類在樣本中偶有檢出，最高相對含量都低于10%。有研究表明，植物枝葉釋放的BVOCs 主要成分為萜烯類物質(zhì)，其相對含量高達(dá)70%以上[12]；那么這些萜烯類物質(zhì)揮發(fā)到林分空氣中必然發(fā)生了逸散、分解、化合等過程，導(dǎo)致林分空氣中萜烯類物質(zhì)相對含量的降低。

萜烯類能與大氣中的氧化劑，如OH、NO3和O3發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成更高氧化態(tài)的化合物，萜烯類（C10H16）經(jīng)氧化生成化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的桉油精（C10H16O），能長時間存留在環(huán)境中[13,14]。本研究發(fā)現(xiàn)桉油精的相對含量在5 個林分VOCs 中（1.78—33.07%）明顯高于林木揮發(fā)的BVOCs 中（0.58—3.53%）[12]，說明林分中的萜烯類發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了桉油精。桉油精具有解熱、消炎、抗菌、防腐、平喘及鎮(zhèn)痛等功效，主要來源于植物揮發(fā)和萜烯類的氧化，且能在林分空氣中較穩(wěn)定的存留，因此林分空氣桉油精研究將成為今后森林康養(yǎng)研究的重點方向。

有研究表明α-蒎烯、β-蒎烯等不穩(wěn)定的萜烯類可通過重排反應(yīng)生成較穩(wěn)定的(+)-檸檬烯[15]。已有研究表明林木揮發(fā)的芬多精中α-蒎烯相對含量（13.64—42.63%）明顯高于(+)-檸檬烯（0.22—2.56%）[12]，但本研究每個樣本都檢出了較高相對含量的(+)-檸檬烯（1.28—21.83%），而α-蒎烯僅偶有檢出，且含量很低（1.01—7.10%），說明林木釋放的α-蒎烯在林分內(nèi)發(fā)生了重排反應(yīng)生成了較穩(wěn)定的(+)-檸檬烯。(+)-檸檬烯具有良好的鎮(zhèn)咳、祛痰、抑菌作用，是α-蒎烯、β-蒎烯等萜烯類的重排反應(yīng)產(chǎn)物，在森林康養(yǎng)方面具有較高研究價值。

圖 1 5 個林分芬多精各組分相對含量時間動態(tài)Fig. 1 Temporal dynamics of the relative content of terpenes in the five forest stands

圖 2 芬多精相對含量時間動態(tài)Fig. 2 Temporal dynamics of the relative content of phytoncide in the five forest stands

3.3 林分芬多精相對含量時間動態(tài)特征

本研究選擇2 月、5 月、8 月和11 月進(jìn)行采樣分析，結(jié)果表明：林分芬多精相對含量隨月份變化而變化，變化規(guī)律為按時間序列先升高后降低；這種規(guī)律與林木生理生活過程相關(guān)性明顯，2 月份林木還處于休眠期，生理活動弱，林分芬多精相對含量低；5 月份隨著溫度、水分環(huán)境的改變，林木進(jìn)入生理活動旺盛期，芬多精相對含量升高，部分林分（馬尾松、柳杉）達(dá)到峰值；8 月份林分芬多精相對含量也較高，但有部分林分低于5 月，這可能與過高的溫度抑制了林木生理活動有關(guān)；11 月份隨著溫度降低，林木進(jìn)入休眠期，芬多精相對含量降低，但柳杉林仍然較高，這可能與柳杉具有較長的生長期有關(guān)。柏木生長緩慢，植物生理過程較弱，是導(dǎo)致其林分芬多精相對含量在5 月和8 月明顯低于其他4 個林分的原因。

4 結(jié)論

林分VOCs 成分及相對含量主要受內(nèi)部輸入和外部輸入的影響，兩種輸入途徑相互制約，林分內(nèi)部和外界環(huán)境中的VOCs 互為源匯。桉油精、(+)-檸檬烯可通過植物揮發(fā)產(chǎn)生，同時也是萜烯類的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，具有較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，是林分芬多精的主要組成部分，在森林康養(yǎng)方面具有較高利用價值。5 個林分芬多精相對含量變化與林木生理活動關(guān)系密切，峰值都出現(xiàn)在5 月和8 月；建議在該時段充分利用林分芬多精開展相關(guān)森林康養(yǎng)活動，柳杉林時間可適當(dāng)延長。