马尾松和浙江楠的挥发性有机物成分及日动态.pdf
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1、DOI:10.12356/j.2096-8884.2023-0016研究论文 马尾松和浙江楠的挥发性有机物成分及日动态黄润霞1,2,钱军3,汪继斌4,张田宁1,上原巌5,周本智1*1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所,国家林草局浙江钱江源森林生态系统定位观测研究站,杭州311400;2.南京林业大学,南京210000;3.上海市金山区园林管理所,上海200540;4.浙江淳安县林业局,淳安311700;5.东京农业大学,东京156-8502摘要:【目的】探讨森林植物挥发性有机物(biogenicvolatileorganiccompounds,BVOCs)成分,丰富森林植物 BVOCs 数据
2、库,为森林康养林分树种选择和植物配置提供理论依据。【方法】选择马尾松(Pinus massoniana)和浙江楠(Phoebechekiangensis)为试验材料,利用活体植物动态顶空吸附采集的方法对马尾松和浙江楠释放的 BVOCs 进行采集,分别在同一天的 7:00、9:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00 采集,分析了马尾松和浙江楠释放 BVOCs 的主要成分以及马尾松释放的 BVOCs 日动态变化规律。【结果】浙江楠和马尾松 BVOCs 种类复杂,浙江楠释放的 BVOCs 共有 7 类 95 种,马尾松共有7 类 104 种。BVOCs 成分具有一定的普遍性
3、,2 种植物共有的 BVOCs 成分有 77 种。BVOCs 成分在树种间也存在一定的差异,检测到浙江楠具有而马尾松没有的 BVOCs 成分有 18 种,马尾松具有而浙江楠没有的 BVOCs 成分有 27 种。马尾松释放的BVOCs 具有明显的日变化规律,萜烯类、醇类和芳香族化合物具有显著的日动态变化规律;总 BVOCs 呈现“三峰两谷”的变化趋势,分别在 9:00、13:00 和 19:00 出现高峰,低峰分别出现在 11:00 和 15:00。芳香族化合物呈现“两峰两谷”的变化趋势,分别在 9:00 和 13:00 出现最高峰,在 11:00 和 15:00 出现低谷。植物释放的有益挥发物
4、成分主要为酯类、醛类、醇类和萜烯类,相对浓度较高;还可能释放对人体有害的二氯甲烷和苯系物等有害挥发物。【结论】马尾松和浙江楠释放的 BVOCs 种类丰富,BVOCs 成分在 2 个树种之间既有一致性,也具有差异性,马尾松日动态变化规律明显。本研究结果为丰富森林植物 BVOCs 数据库提供了重要数据,同时也为城市森林、康养林分等的树种选择和植物配置提供参考。关键词:浙江楠;马尾松;挥发性有机物;日动态;TD-GC-MS中图分类号:Q948文献标识码:A文章编号:20968884(2023)03005810AnalysisofBiogenicVolatileOrganicCompoundsandD
5、iurnalDynamicsinPinusmassonianaandPhoebechekiangensisHuangRunxia1,2,QianJun3,WangJibin4,ZhangTianning1,UeharaIwao5,ZhouBenzhi1*1.QianjiangyuanForestEcosystemResearchStation,ResearchInstituteofSubtropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,Hangzhou311400,China;2.NanjingForestryUniversity,Nanjing210000,
6、China;3.GardenAdministrationBureauofJinshanDistrictofShanghai,Shanghai200540,China;4.ForestBureauofChunanCounty,Chunan311700,China;5.TokyoUniversityofAgriculture,Tokyo156-8502,JapanAbstract:【Objective】Exploringthebiogenicvolatileorganiccompounds(BVOCs)componentsofforestplants,enrichestheBVOCsdatabas
7、eofforestplants,andprovidestheoreticalbasisfortreespeciesselectionandplantallocationinforesthealthforests.【Methods】TheBVOCsemittedfromPinus massonianaandPhoebe chekiangensiswerecollectedat7:00,9:00,11:00,13:00,15:00,17:00and19:00onthesamedayusingthedynamicheadspaceadsorptioncollectionmethodoflivingp
8、lants.ThemaincomponentsanddiurnaldynamicchangesofBVOCsemittedfromP.massonianaandP.chekiangensiswereanalyzed.【Results】ThecomponentsofBVOCsinP.massonianaandP.chekiangensisarecomplex,withatotalof95speciesin7kindsemittedbyP.chekiangensisand104speciesin7kindsemittedbyP.massoniana.TheBVOCscomponenthasacer
9、tainuniversality,andthereare77BVOCscomponentssharedbythetwoplants.ThecomponentsofBVOCsalsohavecertaindifferences,with18typesofBVOCsonlyemittedfromP.chekiangensisbutP.massonianadidnotemitted;and27typesofBVOCsonlyemittedfromP.massonianabutP.chekiangensisdidnotemitted.ThedailyvariationofBVOCsemittedfro
10、mP.massonianahasobviousdiurnalchanges,withsignificantdiurnaldynamicsofterpenes,alcohols,andaromatic;ThetotalBVOCsshowedatrendofthreepeaksandtwovalleys,收稿日期:2023-03-20;接受日期:2023-05-23基金项目:浙江省重点研发计划项目(2021C02005);浙江省-中国林科院省院合作林业科技项目(2020SY06)第一作者Thefirstauthor.E-mail:;*通讯作者Authorforcorrespondence.E-ma
11、il:benzhi_第3卷第3期陆地生态系统与保护学报Vol.3No.32023 年 6 月TerrestrialEcosystemandConservationJun.2023withpeaksat9:00,13:00and19:00,andvalleysat11:00and15:00,respectively.Aromaticexhibitedatrendoftwopeaksandtwovalley,withpeaksat9:00and13:00,andvalleysat11:00and15:00.Thebeneficialvolatilecomponentsemittedfromplan
12、tsaremainlyesters,aldehydes,alcohols,andterpenes,withrelativelyhighconcentrations;andtheharmfulvolatilessuchasmethylenechlorideandbenzenesthatareharmfultohumans.【Conclusion】TheBVOCsemittedfromP.massonianaandP.chekiangensiswereabundanceandhaveobviousdiurnalvariation.TheBVOCscomponentshavebothconsiste
13、ncyanddifferencesbetweenthetwotreespecies.OurresultsprovideimportantdataforenrichingtheBVOCsdatabaseofforestplants,aswellasprovidereferencefortreespeciesselectionandplantconfigurationinurbanforestsandhealthyforeststands.Keywords:Phoebe chekiangensis;Pinus massoniana;volatileorganiccompounds;diurnald
14、ynamics;TD-GC-MS植物挥发性有机物(biogenicvolatileorganiccompounds,BVOCs)是植物生长过程中释放的次生代谢物,可以引起受体生物体的转录、代谢和行为反应,通常被称为“植物语言”,作为一种化学信号在植物与其他有机体以及植物之间的交流中起着介导作用(Simpragaet al.,2016)。当植物受到胁迫时,新陈代谢的平衡会被打破,植物可能会通过调整代谢途径来适应环境的变化(Shulaevet al.,2008)。植物释放的 BVOCs 能够维持类囊体膜的完整性,起到抗氧化作用(Arabet al.,2016;Velikovaet al.,2011
15、),在抵御环境胁迫方面发挥重要的信号作用(Bourtsoukidiset al.,2014;LoretoandSchnitzler2010)。BVOCs 具有较高的化学活性,与大气中活性自由基发生反应生成二次有机气溶胶(secondaryorganicaerosols,SOA),导致光化学烟雾及灰霾的发生,促进光化学污染的形成(张学珍等,2015;李莹莹等,2011)。BVOCs 是近地层臭氧的重要前体物质(张学珍等,2015),研究表明植物释放的异戊二烯会使得区域大气产生一定浓度的臭氧(Zhanget al.,2001),大气中大约仅占 BVOCs 混合比 15%的烯烃提供了大约75%的大气
16、化学活性物质(邵敏等,2005)。BVOCs 还参与到生态系统碳循环,合成 BVOCs 的碳会通过 BVOCs 的释放重新进入生态系统中,并且在氧化过程中会消耗羟基自由基,降低大气的氧化型以延长 CH4和 CO 等温室气体的寿命,从而增强温室效应(张学珍等,2015)。因此,BVOCs 对城市空气质量和大气环境具有重要的影响。植物挥发性有机物又被称为芬多精、植物杀菌素和植物精气(DukaandArdelean2010),成分复杂,很多研究对其主要化学成分的保健功能进行了初步的认定和评价,并探讨了植物挥发物对人体健康的影响(吴楚材和郑群明,2005;郑林森等,2004;吴章文等,2010)。目前
17、主流观点认为植物挥发物中萜烯类化合物最具有保健功能(吴章文等,2010;吴楚材和郑群明,2005),如单萜(如莰烯、蒎烯、柠檬烯、水芹烯、3-蒈烯、月桂烯等)具有镇痛、杀菌消毒、抗病毒、使人镇静的功能,倍半萜(如长叶烯等)能够降低人体血压、杀菌消毒、抵抗炎症、镇痛,并使人松弛(姚雷和张少艾,2002)。柠檬烯可增强副交感神经系统活性,同时降低心率(Joung 等,2014)。樟树(Camphora officinarum)、蓝桉(Eucalyptus grobulus)、雪松(Cedrus deodara)等植物释放的挥发物具有抗菌的作用(Ueharaet al.,2014;2013;Ueha
18、raandTanaka,2012)。C8 以上的脂肪醛具有花果香气,对人体健康有益,林富平等(2013)对 4 个桂花(Osmanthus fragrans)品种叶片释放的 BVOCs 成分及其对空气微生物的影响研究发现,己醛、壬醛、癸醛、苯甲醛等 BVOCs 成分具有明显的抑菌作用;Edris 等(2003)也证明癸醛和苯甲醛具有显著的抑菌作用。部分酯、醇和酮具有花果香气,对人体健康有益,如苯乙酮具有山楂香气,十六醇具有玫瑰香气,乙酸丙酯具有柔和的水果香味,醋酸丁酯具有愉快水果香味等。有学者提出了“芳香疗法”“园艺疗法”“森林浴”等概念,通过吸入植物释放的 BVOCs 达到康养治疗的效果(丁
19、宁等,2023;唐晓燕等,2022)。森林植物释放的 BVOCs 是森林环境的重要组分,是评价森林大气质量、森林康养产品设计和研发的重要依据,研究森林植物释放的 BVOCs 对森林游憩、森林康养林分树种选择和植物的合理配置有重要意义。杨伟伟等(2010)对侧柏(Platycladus orientalis)游憩林挥发物的研究发现,春季侧柏游憩林内BVOCs 多达 160 余种,其中烷烃、酮类、醛类、酸类 4 类物质含量较高。周帅等(2011)报道了樟树花BVOCs 主要成分为萜烯类化合物。黄爱葵等(2011)对深圳市主要园林树种共计 158 种植物释放的BVOCs 研究发现,海红豆(Adena
20、nthera microsperma)、杧果(Mangifera indica)、海漆(Excoecariaagallocha)等 31 种植物具有释放异戊二烯的能力,另有鸡蛋果(Passiflora edulis)、山苍子(Litsea第3期黄润霞,等:马尾松和浙江楠的挥发性有机物成分及日动态59cubeba)、大型双子铁(Dioon spinulosum)等 52 种植物具有释放单萜烯类化合物的能力。上述研究利于了解森林植物、园林绿化树种等的 BVOCs 释放特征,但由于不同树种 BVOCs 释放具有较大差异(Calfapietraet al.,2009),并考虑到森林生态系统植物的多样性
21、,因此非常有必要开展不同植物 BVOCs释放特征的研究。浙江楠(Phoebe chekiangensis)和马尾松(Pinus massoniana)是我国亚热带地区的主要建群种之一,也是重要的用材树种,具有分布范围广、适应性强等特点。浙江楠是我国二级保护植物,也是我国特有植物,产于浙江西北部及东北部、福建北部、江西东部,生于山地阔叶林中,树干通直,端庄美观,具有较高的保护价值和观赏价值。浙江楠喜欢温暖湿润的气候和偏酸性土壤,多分布在海拔 1000m 以下的山地阔叶林中(吴初平等,2013)马尾松是松科松属乔木,广泛分布于我国热带、亚热带地区,占我国森林总面积的 3.6%,具有适应能力强、耐旱
22、能力强、抗风力强、速生丰产等特点,具有水土保持、涵养水源等生态作用(Panet al.,2020),喜光、喜温暖湿润气候,在肥润、深厚的砂质壤土上生长迅速。马尾松高大雄伟,姿态古奇,适宜山涧、谷中、池畔、道旁配置和山地造林,也适宜在庭前、亭旁、假山之间孤植,具有较高的园林观赏价值。这 2 种森林植物在未来森林游憩和森林康养产业发展中占有举足轻重地位,但是关于其释放的BVOCs 种类、浓度以及日动态变化目前都没有相关研究,所以开展马尾松和浙江楠 BVOCs 释放特征及日动态规律的研究,对于森林游憩、森林康养林分的树种选择和植物合理配置具有重要意义。鉴于此,本研究以浙江楠和针叶树种马尾松为研究对象
23、,采用 TD-GC-MS 联用技术对释放的 BVOCs 进行分析,探讨 BVOCs 的组分、浓度和日动态变化等,为丰富森林植物 BVOCs 数据库提供基础数据支撑。1材料与方法1.1试验材料以 3 年生的浙江楠(树高 H=145.939.95cm,基径 DBH=13.291.74mm)和马尾松(树高 H=165.2430.14cm,基径 DBH=14.922.53mm)幼苗为试验材料进行盆栽试验。种植花盆中土壤的初始特征如下:土壤有机碳 19.551.19gkg1,土壤全氮 1.420.13gkg1,土壤总磷 0.270.01gkg1,土壤速效磷0.630.23mgkg1,土壤有效钾 47.1
24、53.44mgkg1,pH 值 4.610.3。这些植物于 2020 年 7 月至 11 月在钱江源森林生态系统研究站(杭州富阳区,119.56E,30.06N)的温室中种植。为了了解浙江楠和马尾松释放的 BVOCs 成分,分别选取 12 棵生长情况良好的健康植株进行 BVOCs 样品采集。1.2BVOCs 的采集与分析采用活体植物动态顶空吸附采集的方法来采集植物释放的 BVOCs 样本。将植株套入 Tedlar 采样袋中,用扎带扎紧袋口,并用特氟龙管连接到 QC-1B大气采样仪的出气口,将另一端用特氟龙管连接200mgTenax-TA 吸附管(6080 目)并连接到大气采样仪的进气口,使试验
25、植物与采样装置形成1 个闭合回路。开启大气采样仪,调整流速为 400mLmin1,循环采样15min。采样结束后,立即用黄铜帽将 Tenax 吸附管的两端套上,并用扳手拧紧,贴好标签,带回实验室放在冰箱中低温保存。分别于 2020 年 8 月 31 日、9 月 11 日、9 月 24 日、10 月 11 日早上 9:0011:00 进行 BVOCs 样品采集(表 1),每次采集 3 个重复样品,共 12 个样品。本研究探讨了马尾松幼苗释放的 BVOCs 的日动态变化规律,于8 月 29 日的 7:00、9:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00 对马尾松幼苗进行 BV
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