木荷枝葉揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的季節(jié)差異及春季日變化

王金鳳， 周 琦， 陳卓梅

(浙江省林業(yè)科學(xué)研究院， 浙江 杭州 310023)

木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ.)為山茶科(Theaceae)木荷屬(SchimaReinw.)常綠闊葉大喬木，樹冠濃密，樹形優(yōu)美。木荷的花呈白色，單獨腋生或頂生成短的總狀花序，開花時白花與綠葉互相輝映，香氣淡雅；根皮和葉中含有鞣質(zhì)，可入藥，具有攻毒消腫、殺蟲催吐的作用[1]；葉革質(zhì)，耐火性強(qiáng)，不易燃燒[2]；樹干通直，木材堅實致密、力學(xué)性質(zhì)好[3]。因此，木荷是兼具觀賞、藥用、材用、生態(tài)景觀及生物防火等性能的優(yōu)良樹種，在園林綠化中被廣泛應(yīng)用。

近年來，隨著人們生活水平的提高及其對森林康養(yǎng)認(rèn)識的提升，人們對園林綠化樹種配置的要求越來越高。除綠化和美化效果外，人們更加關(guān)注植物配置的康養(yǎng)保健作用。植物的揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds，VOCs)是植物在次生代謝過程中產(chǎn)生的低沸點、易揮發(fā)的小分子化合物[4，5]，是十分重要的森林康養(yǎng)因子。目前關(guān)于木荷VOCs的研究較少，僅見吳楚材等[6]采用靜態(tài)封閉式采樣法對木荷枝葉及木材的芳香揮發(fā)物進(jìn)行了分析，袁興華等[2]及謝惜媚等[7]采用固相微萃取技術(shù)對木荷的花香成分進(jìn)行了初探。然而，植物各部位合成與釋放的VOCs有所不同[8]，且封閉式采樣的實驗結(jié)果存在較大誤差[9]。枝葉是木荷釋放VOCs的主要部位[6]，因此，對木荷枝葉VOCs的動態(tài)變化進(jìn)行研究對了解木荷的康養(yǎng)保健作用具有重要意義。

鑒于此，本研究采用動態(tài)頂空采集法和熱脫附-氣質(zhì)聯(lián)用(TDS-GC-MS)技術(shù)[10-12]對春、夏、秋、冬4個季節(jié)木荷枝葉VOCs的成分組成和相對含量進(jìn)行了比較，并對春季木荷枝葉VOCs的成分組成和相對含量的日變化進(jìn)行了比較，以期揭示木荷枝葉VOCs的成分組成和含量的動態(tài)變化規(guī)律，為保健型園林景觀樹種的選擇提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究選擇的木荷樣株生長在浙江省杭州市西湖區(qū)午潮山林場內(nèi)的天然木荷林中。該林場位于東經(jīng)120°00′13.71″、北緯30°11′46.21″，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.8 ℃，年平均空氣相對濕度70.3%，年平均降水量1 454 mm。

1.2 方法

1.2.1 木荷枝葉VOCs的采集 在午潮山林場天然木荷林內(nèi)隨機(jī)選取1株株齡8 a、生長健康且無病蟲害的木荷植株，做好標(biāo)記。于春季、夏季、秋季和冬季各選擇1個晴朗無風(fēng)日(分別為2018年4月27日、2018年8月24日、2018年10月26日和2019年1月24日)，在8：00至16：00間，每2 h取1次樣。每次取樣時在植株上選擇樹冠中部同一生長高度不同伸展角度長勢旺盛、健康且向陽的3個枝條(含葉片)，作為3個重復(fù)。用采樣袋(即Reynolds微波率袋，體積0.1 m3，美國Rennolds Metals公司)套住枝條后，立即用ZC-Q便攜式雙泵大氣采樣器(浙江恒達(dá)儀器儀表股份有限公司)將采樣袋內(nèi)空氣抽盡，形成瞬時真空；隨后，采用動態(tài)頂空采集法[13]進(jìn)行VOCs采集。采樣器流量0.1 m3·min-1，采集時間30 min。同時，在每個季節(jié)樣品中設(shè)3個空白對照(即采樣管不進(jìn)行VOCs采集，其他處理相同)，用于校正本底影響。

1.2.2 木荷枝葉VOCs的檢測 木荷枝葉VOCs的成分組成和相對含量測定采用熱脫附-氣質(zhì)聯(lián)用(TDS-GC-MS)技術(shù)，使用的儀器有TDU熱脫附裝置(德國Gerstel公司)、7890A氣相色譜儀(美國Agilent公司)和5975C質(zhì)譜儀(美國Agilent公司)。具體檢測條件參照文獻(xiàn)[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

將GC-MS分析獲得的原始數(shù)據(jù)總離子流圖(TIC)在NIST2008譜庫中進(jìn)行檢索，結(jié)合色譜保留時間和匹配度鑒定化合物。采用色譜峰面積歸一化法[11，13]計算各化合物的相對含量。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同季節(jié)木荷枝葉VOCs的比較

對春、夏、秋、冬4個季節(jié)木荷枝葉VOCs的成分組成和相對含量進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。統(tǒng)計結(jié)果顯示：從不同季節(jié)木荷枝葉VOCs中共鑒定出53種化合物，包括11種萜烯類化合物、3種烷烴類化合物、5種芳烴類化合物、7種醛類化合物、5種酮類化合物、3種醇類化合物、5種酯類化合物、5種有機(jī)酸類化合物及9種其他化合物。

表1 不同季節(jié)木荷枝葉揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的成分組成和相對含量

春季木荷枝葉VOCs中共鑒定出26種化合物，包括7種萜烯類化合物、1種烷烴類化合物、3種芳烴類化合物、5種醛類化合物、2種酮類化合物、1種醇類化合物、1種酯類化合物、1種有機(jī)酸類化合物及5種其他化合物。其中，萜烯類化合物種類最多，總相對含量最高(58.03%)。春季木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物長葉烯、龍腦和樟腦的相對含量均較高，分別為26.93%、18.19%和8.74%；其他化合物中甲氧基苯基肟的相對含量也較高，為9.36%。除萜烯類化合物外，春季木荷枝葉VOCs中醛類化合物的總相對含量也較高，為14.69%。春季木荷枝葉VOCs中特有成分有15種，包括4種萜烯類化合物、1種烷烴類化合物、3種芳烴類化合物、2種醛類化合物、1種酮類化合物、1種酯類化合物及3種其他化合物，這些特有成分的相對含量均低于5%。

夏季木荷枝葉VOCs中共鑒定出21種化合物，包括5種萜烯類化合物、2種醛類化合物、2種酮類化合物、1種醇類化合物、4種酯類化合物、3種有機(jī)酸類化合物及4種其他化合物，缺少烷烴類和芳烴類化合物。與春季相同，夏季木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物的種類最多，總相對含量最高(58.95%)。夏季木荷枝葉VOCs中相對含量排在前3位的同樣是萜烯類化合物長葉烯、龍腦和樟腦，相對含量分別為30.23%、13.32%和12.58%。除萜烯類化合物外，夏季木荷枝葉VOCs中其他化合物的總相對含量也較高(14.28%)。夏季木荷枝葉VOCs中特有成分有7種，包括1種萜烯類化合物、1種酮類化合物、3種酯類化合物、1種有機(jī)酸類化合物及1種其他化合物，這些特有成分的相對含量多在2%以下，僅3，5，5-三甲基-2-環(huán)已烯-1-酮的相對含量高于5%。

秋季木荷枝葉VOCs中共鑒定出18種化合物，包括4種萜烯類化合物、3種醛類化合物、1種酮類化合物、3種醇類化合物、1種酯類化合物、3種有機(jī)酸類化合物及3種其他化合物，缺少烷烴類和芳烴類化合物。與春季和夏季相同，秋季木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物種類仍然最多，總相對含量最高(42.24%)。秋季木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物樟腦、長葉烯和龍腦的相對含量均較高，分別為18.98%、11.56%和10.45%；醛類化合物2-乙基己醛和醇類化合物α，α-二甲基芐醇的相對含量也較高，分別為15.70%和10.88%。除萜烯類化合物外，秋季木荷枝葉VOCs中醛類化合物、醇類化合物和有機(jī)酸類化合物的總相對含量也較高，分別為24.70%、13.86%和10.87%。秋季木荷枝葉VOCs中特有成分有4種，包括1種醇類化合物、2種有機(jī)酸類化合物及1種其他化合物，這些特有成分的相對含量均低于5%。

冬季木荷枝葉VOCs中共鑒定出17種化合物，包括5種萜烯類化合物、2種烷烴類化合物、2種芳烴類化合物、5種醛類化合物、2種酮類化合物及1種其他化合物，缺少醇類化合物、酯類化合物和有機(jī)酸類化合物。冬季木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物和醛類化合物的種類同樣多且最多，但萜烯類化合物的總相對含量最高(58.69%)。冬季木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物D-檸檬烯、長葉烯和樟腦以及醛類化合物2-乙基己醛的相對含量均較高，分別為33.00%、9.79%、8.56%和8.73%。除萜烯類化合物外，冬季木荷枝葉VOCs中醛類化合物和酮類化合物的總相對含量也較高，分別為18.56%和12.74%。冬季木荷枝葉VOCs中特有成分有10種，包括2種萜烯類化合物、2種烷烴類化合物、2種芳烴類化合物、1種醛類化合物、2種酮類化合物及1種其他化合物，其中，萜烯類化合物D-檸檬烯及酮類化合物環(huán)己酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮的相對含量均在5%以上，尤其是D-檸檬烯，在鑒定出的17種化合物中相對含量最高。

總體來看，4個季節(jié)木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物的總相對含量均最高，該類化合物以長葉烯、龍腦和樟腦為主，冬季木荷枝葉VOCs中還含有相對含量很高的D-檸檬烯。4個季節(jié)間，夏季木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物的總相對含量最高，接下來依次為冬季、春季、秋季，且夏季與春季和冬季木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物的總相對含量十分接近。值得注意的是，雖然秋季木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物的總相對含量在4個季節(jié)中最低，但仍遠(yuǎn)高于秋季木荷枝葉VOCs中其他類型化合物。比較發(fā)現(xiàn)，在春季木荷枝葉VOCs中鑒定出的化合物及特有成分的種類均最多；而在冬季木荷枝葉VOCs中鑒定出的化合物種類雖然最少，但特有成分的種類卻較多。

2.2 春季木荷枝葉VOCs的日變化

由于在春季木荷枝葉VOCs中鑒定出的化合物種類最多，且其中對人體有益的萜烯類化合物相對含量較高，故對春季木荷枝葉VOCs的成分組成和相對含量的日變化進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 春季木荷枝葉揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的成分組成和相對含量的日變化

在8：00，木荷枝葉VOCs中共鑒定出10種化合物，包括5種萜烯類化合物、2種醛類化合物及3種其他化合物。其中，萜烯類化合物的總相對含量最高(64.69%)，相對含量排前3位的化合物由高到低依次為長葉烯(36.67%)、龍腦(18.07%)、樟腦(4.46%)。其他化合物的總相對含量較高(29.92%)，其中，甲氧基苯基肟和苯胺的相對含量較高，分別為17.29%和10.31%。

在10：00，木荷枝葉VOCs中共鑒定出8種化合物，包括6種萜烯類化合物、1種醛類化合物及1種其他化合物。其中，萜烯類化合物的總相對含量高達(dá)84.64%，相對含量排前3位的化合物由高到低依次為長葉烯(32.69%)、龍腦(31.06%)、樟腦(11.50%)。其他化合物中，甲氧基苯基肟的相對含量仍較高，達(dá)到13.22%。

在12：00，木荷枝葉VOCs中共鑒定出8種化合物，包括4種萜烯類化合物、1種醛類化合物、1種醇類化合物及2種其他化合物。其中，萜烯類化合物的總相對含量為67.81%，相對含量排前3位的化合物由高到低依次為長葉烯(39.35%)、龍腦(20.88%)、樟腦(5.54%)。其他化合物的總相對含量較高(22.05%)，甲氧基苯基肟和苯胺的相對含量分別為16.28%和5.77%。醇類化合物α，α-二甲基芐醇的相對含量也較高，達(dá)到6.50%。

在14：00，木荷枝葉VOCs中共鑒定出11種化合物，包括4種萜烯類化合物、1種烷烴類化合物、2種醛類化合物、2種酮類化合物、1種酯類化合物及1種其他化合物。其中，萜烯類化合物的總相對含量最高(62.85%)，相對含量排前3位的化合物由高到低依次為長葉烯(25.92%)、龍腦(20.96%)、樟腦(13.20%)。醛類化合物的總相對含量較高(24.18%)，壬醛和己醛的相對含量分別為13.74%和10.44%。酯類化合物三乙基磷酸酯的相對含量也較高，達(dá)到8.07%。

在16：00，木荷枝葉VOCs中共鑒定出16種化合物，包括2種萜烯類化合物、3種芳烴類化合物、4種醛類化合物、2種酮類化合物、1種酯類化合物、1種有機(jī)酸類化合物及3種其他化合物。其中，醛類化合物的總相對含量最高(38.14%)，相對含量排前3位的化合物由高到低依次為己醛(16.43%)、壬醛(13.01%)、辛醛(6.02%)。酯類化合物、其他化合物、芳烴類化合物和萜烯類化合物的總相對含量接近，分別為16.66%、15.04%、11.40%和10.15%。

總體來看，在8：00至16：00木荷枝葉VOCs中，萜烯類化合物的總相對含量呈先升高后降低的變化趨勢，在10：00達(dá)到峰值；醛類化合物的總相對含量的變化趨勢正好相反，呈先降低后升高的變化趨勢；其他化合物的總相對含量則呈波動變化。比較發(fā)現(xiàn)，木荷枝葉VOCs在8：00未鑒定出特有成分，在10：00和14：00各鑒定出1種特有成分〔分別為(S)-順式-馬鞭草烯醇和2，6，10-三甲基十四烷〕，在12：00鑒定出十四烷醛和α，α-二甲基芐醇2種特有成分，在16：00鑒定出8種特有成分，包括1種萜烯類化合物(雪松醇)、3種芳烴類化合物(鄰乙基甲苯、1，3，5-三甲基苯和甘菊環(huán))、1種醛類化合物(辛醛)、1種有機(jī)酸類化合物(正壬酸)和2種其他化合物(四氯乙烯和1，2-二氯-4-甲苯)。

3 討論和結(jié)論

相關(guān)研究結(jié)果表明：植物VOCs的種類和含量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化規(guī)律[14-17]，有些植物VOCs的種類和含量在夏季或秋季達(dá)到高峰[8，18-20]，還有些植物VOCs的種類和含量在春季較高[8，21-23]，據(jù)此推斷不同植物VOCs的高峰期存在較大差異，任何季節(jié)都可能是植物VOCs的高峰期。本研究結(jié)果表明：春季木荷枝葉VOCs中化合物種類最多(26種)，夏季、秋季和冬季木荷枝葉VOCs中化合物種類逐漸減少。4個季節(jié)木荷枝葉VOCs均以萜烯類化合物為主，且萜烯類化合物的總相對含量在春季、夏季和冬季木荷枝葉VOCs中較為接近，但在秋季木荷枝葉VOCs中相對較低。有研究發(fā)現(xiàn)，植物VOCs受到植物自身[14，24，25]及環(huán)境因子的綜合影響[26-28]。為了更好地進(jìn)行自我防御、抵抗病蟲害的侵襲，植物嫩葉往往含有豐富的VOCs[29]。本研究的春季采樣時間為4月下旬，此時正處于木荷的抽芽展葉伸枝階段[30]，此時枝葉VOCs中特有成分的種類最多(15種)，推測這可能是木荷植株為了避免幼嫩枝葉遭受蟲害等損傷而合成并釋放出大量的特有成分。除植物自身生長的影響外，光強(qiáng)和溫度也是影響植物VOCs特別是單萜類化合物的主要因子[8，28]。木荷在春季生長旺盛[30]，VOCs中化合物種類較多，但在冬季卻生長緩慢[30]，VOCs中化合物種類最少。研究發(fā)現(xiàn)，在一定的溫度范圍內(nèi)，植物VOCs的釋放能力隨著外界溫度的升高而增強(qiáng)[8，14，28]。多數(shù)溫帶和熱帶植物VOCs中化合物的含量約在40 ℃條件下最高，但在超過40 ℃后則隨溫度升高而降低[31，32]。本研究中，盡管夏季木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物的總相對含量最高，但基本與春季和冬季持平，且VOCs中化合物種類以春季最多，推斷這可能是因為木荷植株受到夏季強(qiáng)光和高溫的影響。相關(guān)研究結(jié)果表明：植物體內(nèi)揮發(fā)物的釋放主要通過葉片上的氣孔來完成[33]。在一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，氣孔開度隨著光照強(qiáng)度升高而增大，通過氣孔釋放的VOCs隨之增加；但當(dāng)光照強(qiáng)度超過一定閾值后，氣孔開度變小，通過氣孔釋放的VOCs也隨之降低。推測當(dāng)夏季溫度較高時，木荷葉片的氣孔變小或關(guān)閉，從而阻礙VOCs的釋放。

植物VOCs有明顯的日變化特征，一般表現(xiàn)為白天高于夜間，下午高于上午[17]。本研究中，春季木荷枝葉VOCs中化合物種類在16：00最多(16種)，在10：00和12：00種類同樣多且最少(8種)。并且，木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物的總相對含量呈先升高后降低的變化趨勢，在10：00達(dá)到峰值，與春季木荷葉片凈光合速率日峰值的時間[34]基本吻合，據(jù)此推測木荷枝葉VOCs中萜烯類化合物含量可能與其自身的光合作用相關(guān)，具體原因有待進(jìn)一步研究。

植物VOCs對于大氣環(huán)境和人體健康都十分重要，特別是萜烯類化合物，具有很強(qiáng)的保健作用。不但可增強(qiáng)空氣清新感、調(diào)節(jié)人體神經(jīng)系統(tǒng)，而且能抑菌、凈化環(huán)境[35]。結(jié)合本研究及相關(guān)研究結(jié)果[2，6，7]，認(rèn)為木荷的枝葉、木材和花均可釋放大量對人體有益的萜烯類化合物。從VOCs角度看，木荷是一種優(yōu)良的保健型生態(tài)樹種，其枝葉在一年四季尤其是春季白天的大部分時間可釋放大量對人體有益的萜烯類化合物，可作為營建保健型園林景觀的樹種。