樟树叶片挥发性有机物释放季节动态和日动态变化规律

周琦 王金凤 徐永勤 夏淑芳 沈凤强 徐卢雨 陈卓梅

摘 要：采用动态顶空采集法和热脱附-气质联用技术，对不同季节和一天内不同时间点樟树叶片释放的挥发性有机物（VOCs）成分含量及其变化规律进行了分析。结果表明：全年樟树叶片释放的VOCs共计78种，其中萜烯类（19种）和烷烃类（18种）化合物种类较多;32种樟树叶片释放的挥发性成分相对含量在不同季节存在显著差异（P<0.05）;3月份释放的VOCs种类最为丰富，萜烯类化合物相对含量最高（43.49%），主要为1-石竹烯、D-柠檬烯和α-蒎烯，其他月份释放的VOCs则以烷烃类和醇类为主;春季，樟树叶片在绝大多数时间点释放VOCs以萜烯类化合物为主，且早上8：00释放的萜烯類化合物相对含量最大。综上结果认为，樟树是营造保健型生态园林的理想树种，其叶片释放的VOCs中富含多种对人体健康有益的萜烯类化合物，春季的早晨是进行森林康养活动的最佳时间。

关键词：樟树，叶片，挥发性有机物，季节动态，日动态

中图分类号：Q945

文献标识码：A

文章编号：1000-3142（2020）07-1021-12

Abstract：Volatile organic compounds （VOCs） were collected in different seasons and different times of the day by dynamic headspace air-circulation method，and the relative contents and the change laws were also analyzed using the thermal desorption system gas chromatography/mass spectrum （GC-MS）. The results were as follows：Cinnamomum camphora leaves released 78 types of VOCs during the whole year，and the types of terpenes （19） and alkanes （18） were more abundant than those of other compounds; The relative contents of 32 types of VOCs had significant differences （P<0.05） among different seasons; The number of types in March was the most abundant，and the relative contents of terpenes reached 43.49%，including 1-Caryophyllene，D-Limonene and α-pinene，and the types of VOCs released from C. camphora leaves in other months were mainly of alkanes and alcohols; In spring，the relative contents of VOCs released at most of the time were all mainly of terpenes，and the relative contents of terpenes released at 8：00 am were the highest. Therefore，C. camphora is an ideal species for ecological and heathy landscape，and the VOCs released from C. camphora leaves are rich in kinds of terpenes compounds，which are beneficial for human health，and spring and morning are the best time for forest recreation.

Key words：Cinnamomum camphora，leaves，volatile organic compounds（VOCs），seasonal change，diurnal change

植物挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）是一种由植物次生代谢产生，且在常温下主要以液态形式存在的有机物质（陈洪伟等，2001;陈静，2016）。不同植物的合成与释放部位有所不同，对于绝大多数开花植物而言，花釋放出VOCs的量最大、种类最为丰富（Knudsen et al.，2006），营养组织（如叶和茎）是针叶树、草本植物的VOCs主要来源（McConkey et al.，2000; Vasso et al.，2006）。自然界中的VOCs组成十分丰富，种类在10 000种以上（杨小琴，2006），按结构特点大致可分为萜烯类、烷烃类、芳香烃类、醛类、酮类、醇类、酯类、有机酸类和其他类型（Atkinson & Arey，2003; Chen & Cao，2005）。这些植物源VOCs不仅具有吸引传粉者（Raguso，2008）、防御天敌（Degenhardt et al.，2009; Unsicker et al.，2009; Ali et al.，2012）、杀菌抑菌（Huang et al.，2012）、抵御非生物胁迫（Dudareva et al.，2006; Vickers et al.，2009）、促进植物间信息交流（Cojocariu et al.，2004;Baldwin et al.，2006）、改变大气组成（洪蓉，2002;Kaplan et al.，2006; Bao et al.，2010）等重要生物生态学作用，而且具有缓解疲劳、强身健体（房城等，2010;Zhang et al.，2015）、调节精神（Cruz-López et al.，2001;佟棽棽和姚雷，2009; Papiez et al.，2009）等保健作用。此外，一些VOCs会对环境造成一定负面影响（Renner & Münzenberg，2003）。由于温度、湿度、光照等环境因子以及植物自身的生理状态均会对部分VOCs释放产生影响，使得植物源VOCs的释放具有较强的季节和日变化动态性（Padhy & Varshney，2005;邓小勇，2009）。深入研究植物VOCs释放特征和变化规律，可为大气环境质量预报提供科学的参考数据，对合理的园林植物配置及其保健效果的预测具有重要意义。

樟树（Cinnamomum camphora）是樟科（Lauraceae）樟属（Cinnamomum）常绿乔木，为亚热带常绿阔叶林的代表树种;其枝叶繁茂，树冠广展，是优良的绿化树、行道树、庭荫树及保健树（李勇鹏等，2015）。樟树各部位均具有不同的应用价值，木材、根、枝、叶可提取樟脑和樟油，用于医疗与香料工业;果核富含的天然色素和精油可供纺织品染色等工业用;同时，根、果、枝和叶可入药，有祛风散寒、强心镇痉和杀虫等功效。近些年，对樟树的研究主要集中在组织培养快繁体系（杜丽，2005）、精油提取技术（黄婷，2016）、杀虫抑菌特性（Liu et al.，2006）、分子生物学（Yang et al.，2002;Kameyama，2012）等领域。作为含有大量具特殊香味有机物的樟树，吴楚材等（2006）和邓小勇（2009）对其离体叶片释放的VOCs成分进行研究，任露洁等（2012）对以樟树为主的典型群落中VOCs释放日动态进行探究。然而，樟树叶片VOCs释放的季节动态和日动态变化可以为人们选择适宜的季节和时间开展森林康养提供依据，但该部分的研究却尚未见报道。本研究采用动态顶空采集法对樟树叶片不同季节和一天内不同时间释放的VOCs进行采集，结合热脱附-气质联用技术对其组成和相对含量进行检测与分析，揭示樟树叶片VOCs释放的年动态变化和日动态变化规律，为合理利用樟树的园林绿化与保健功能提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验样地是浙江省杭州市余杭区国营长乐林场（119°50′ E、30°22′ N）。该林场位于浙江省杭州市，属亚热带季风气候，全年平均气温15.8 ℃，年降雨量1 350 mm，无霜期232 d。试验植株来自林场内的天然樟树林，生长健康，无病虫害。

1.2 VOCs采集

分别在2017年3月、6月、9月和12月选择晴朗无风的天气，于上午8：00—16：00间每2 h取一次样，选择同一位置生长健康、枝叶繁茂且向阳的枝条。利用ZC-Q便携式双泵大气采样器（浙江恒达），采用动态顶空气体循环采集法进行样品采集。采气袋容积为0.1 m3，流量0.1 m3·min-1，采集时间为30 min，重复3次。同时，每季节所取样品中增加3个空白对照，不进行VOCs采集，其他均为相同处理，用于校正本底影响。

1.3 VOCs成分测定

采用热脱附-气相色谱/质谱联用法（Thermo Desorption System/Gas Chromatography/Mass Spectirm，TDS-GC/MS）完成植物VOCs成分的测定。

色谱条件（7890A型，Agilent公司）：HP-5MS弹性石英毛细管柱（30 m × 250 μm × 0.25 μm）;载气为高纯氦气;进样不分流;体积流量为1.0 mL·min-1;色谱柱初始温度为40 ℃，保持3 min，先以6 ℃·min-1的速率升至112 ℃，保持3 min，再依次以6 ℃·min-1的速率升至250 ℃和以10 ℃·min-1的速率升至270 ℃，保持5 min。

质谱条件（5975A型，Agilent公司）：电子轰击（EI）离子源，电子能量为70 eV;扫描质量数范围为29～400 amu;离子源温度为230 ℃;接口温度为280 ℃;四级杆温度为150 ℃。

热脱附条件（TD3型，德国Gerstel公司）：系统载气压力20 kPa;进样口温度250 ℃;脱附温度250 ℃，保持10 min;冷阱温度-100 ℃，保持3 min;冷阱进样时温度迅速升温至260 ℃。

1.4 数据分析

對于GC/MS分析所获得的VOCs成分GC/MS原始数据总离子流图（TIC），其各峰对应的化学物质信息利用Xcalibur 1.2软件，经检索质谱数据库（NIST2008谱库）后，结合人工校对和解析，最终确定各VOCs成分。最后，采用面积归一法计算各成分的相对含量。

相对含量=（某物质峰面积/该物质所在样品中所有物质的峰面积总和）×100%。

利用SPSS 22.0软件对不同季节检测到各成分相对含量进行单因素方差分析和Duncan多重比较（P<0.05），未检测到的成分分析时以0表示。方差分析前，先对数据进行正态分布（Shapiro-Wilk W test）和方差齐性（Levenes test）检验，对非正态的数据集进行Z-score标准化。利用Excel 2013和Origin 8.5软件完成图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 樟树叶VOCs成分和相对含量的季节动态变化

从樟树叶片不同季节释放的VOCs中鉴定出78种化合物（表1）。其中，检测到的萜烯类和烷烃类化合物的种类最多，分别为19种、18种，共占检测到所有化合物种类的47.44%;而检测到的芳烃类、醛类、酮类、醇类、酯类、有机酸类和其他类化合物的种类为4～9种不等。各类化合物在不同季节的释放情况有所不同，其中32种化合物在不同季节的相对释放量存在显著差异（P<0.05），烷烃类13种、萜烯类4种、芳烃类3种、醛类3种、酯类2种、酮类2种、醇类2种、有机酸类2种和其他类化合物1种。

对上述32种化合物的相对含量进行Duncan多重比较，结果表明樟树叶片所释放的萜烯类化合物中，α-蒎烯、莰烯和樟脑在3月份的相对含量均显著高于其他月份;L-薄荷醇仅在9月份检测到，但相对含量较低（2.30%）。樟树叶片的烷烃类化合物释放量在不同季节间变化最大，共13种化合物的相对含量差异达到显著水平;壬烷在12月份的相对含量显著低于其他月份，癸烷在12月份的相对含量同样显著高于其他月份;2，2，4，4-四甲基辛烷和2，2，4，6，6-五甲基庚烷在6月和9月的相对含量显著高于其他2个月份;此外，3月、9月和12月分别检测到6种（2，4-二甲基庚烷、2，5-二甲基壬烷、4-甲基辛烷、4-甲基壬烷、2，6-二甲基壬烷、4-甲基癸烷）、2种（2，7，10-三甲基十二烷、3，5-二甲基辛烷）和1种（萘烷）特有的烷烃类化合物。芳烃类化合物在9月份的释放量较为丰富，有3种芳烃类化合物（正丙苯、异丙苯、α-甲基苯乙烯）的相对含量显著高于其他月份。同样，樟树叶片所释放的3种醛类、2种酮类、2种醇类和1种其他类化合物在3月份的相对含量均要高于其他月份，且多数情况下达显著水平。2种酯类化合物的相对含量则分别在3月（醋酸丁酯）、6月最高（磷酸三乙酯）。

各季节检测到的樟树叶片释放的VOCs种类和相对含量变化情况如图1所示。从图1可以看出，4个季节释放的VOCs种类均以萜烯类为主，其次是烷烃类。3月份检测到的VOCs种类最多（54种），其中萜烯类化合物有17种，占种类总数的31.48%;6月、9月和12月分别检测到27种、27种和25种VOCs，萜烯类化合物种类数分别占总数的25.93%（7种）、29.63%（8种）和20.00%（5种）。此外，3月份检测到的烷烃类和酮类化合物种类明显多于其他月份，其中酮类化合物在3月份共检测到7种，而其他月份仅检测到1种。

樟树叶片释放的各类VOCs相对含量的季节间变化规律与种类变化规律有所不同。总体来看，3月—12月，萜烯类和酮类化合物的相对含量有降低趋势，醇类化合物的相对含量有升高趋势;烷烃类、芳烃类和其他类化合物的相对含量则总体呈先升高后降低的趋势，酯类和有机酸类化合物的相对含量则总体呈先降低后升高的趋势。3月份的VOCs中相对含量最高的为萜烯类化合物，占总量的43.39%，远高于其他8类化合物，其主要物质为1-石竹烯（11.66%）、α-蒎烯（10.70%）和D-柠檬烯（7.25%）;其次是醇类和烷烃类化合物，分别占14.51%、11.99%。6月和9月检测到的VOCs中，烷烃类化合物的相对含量均为当月最高，分别为29.23%、36.35%，其主要化合物均为2，2，4，6，6-五甲基庚烷。12月检测到的VOCs中，最高的为醇类化合物，占当季节检测到挥发物总量的37.41%，主要为2-乙基己醇（26.95%）和丁醇（10.46%）。

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（责任编辑 何永艳）