不同綠地類型下城市綠化樹種BVOCs排放特征

張 倩, 李洪遠, 呂鈴鑰, 楊佳楠

(南開大學 環境科學與工程學院, 天津 300350)

不同綠地類型下城市綠化樹種BVOCs排放特征

張 倩, 李洪遠, 呂鈴鑰, 楊佳楠

(南開大學 環境科學與工程學院, 天津 300350)

[目的] 探討天津市綠化樹種在不同綠地生境條件下植物源揮發性有機物(BVOCs)的排放特征，為城市園林綠地樹種的篩選提供依據。[方法] 采用動態頂空套袋法和熱脫附—氣相色譜/質譜聯用技術，分析了不同綠地類型下對檜柏(Juniperuschinensis)、絳柳(Salixmatsudana)、西府海棠(Malusmicromalus)和國槐(Sophorajaponica)4種城市常見綠化樹種BVOCs排放特征。[結果] (1) 不同生境條件下檜柏、絳柳、西府海棠和國槐釋放BVOCs數量和成分均不同。4種樹種在濱水綠地、道路綠地、公園綠地和校園綠地4種不同綠地類型下分別共鑒定出69種、84種、20種和36種揮發性有機物。4種綠地類型下4種樹木釋放烯烴類物質的相對含量顯著高于其他類型物質，且其相對含量均按道路綠地>校園綠地>公園綠地>濱水綠地的順序依次遞減，而酯類和烷烴類物質恰與其相反，二者相對含量均在濱水綠地類型下顯著較高。 (2) 絳柳釋放的醇類和酮類物質與4種綠地類型下的光照強度，檜柏釋放的烯烴類、烷烴類、醇類、酯類和酮類物質、西府海棠釋放的烷烴類和酯類物質、國槐釋放的烯烴類和酯類物質與4種綠地類型下的相對濕度，檜柏和絳柳釋放的醇類和酮類物質、國槐釋放的烯烴類物質與4種綠地類型下的溫度分別呈顯著相關。[結論] 綠地生境條件的差異影響綠化樹種排放BVOCs的成分和含量，且僅有部分類型揮發物與環境因子呈顯著性相關。

揮發性有機物; 綠化樹種; 綠地類型; 環境因子

文獻參數： 張 倩, 李洪遠, 呂鈴鑰, 等.不同綠地類型下城市綠化樹種BVOCs排放特征[J].水土保持通報，2017,37(3)：22-27.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.004； Zhang Qian, Li Hongyuan, Lü Lingyue, et al. Emission characteristics of BVOCs from urban greening tree species in different greenbelt [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：22-27.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.004

京津冀地區是中國PM2.5的高發區，而PM2.5的來源有多種途徑，大氣中的二次有機氣溶膠(SOA)是其重要組成部分，平均占PM2.5有機組分質量的20%～50%[1]，在光化學煙霧條件下，其含量甚至可達70%以上[2]。而SOA主要借助大氣中的揮發性有機物(VOCs)形成。VOCs按其來源可分為天然源(BVOCs)和人為源(AVOCs)，并且天然源VOCs主要來自植被的排放[3]。由于BVOCs的反應活性較高，不僅可以與空氣中的NOx經光化學反應產生臭氧[4]，同時也可以氧化成二次有機氣溶膠和過氧酰基酸酯[5-6]。這些對PM2.5，城市光化學煙霧及灰霾的形成都具有重要貢獻[7]。據統計，全球植物源VOCs的釋放量約為1.15×109t/a[8]，占全球VOCs釋放總量的90%以上，遠大于人為源VOCs[3]。

近年來，城市空氣污染問題隨城市化水平的提高而愈發嚴峻。城市綠地作為城市生態系統中的重要組成部分，在發揮固碳釋氧、抑菌滯塵、調節氣候等功能的同時，綠地植物也向環境中釋放VOCs。可見，城市綠地作為一把雙刃劍，其VOCs的排放對大氣環境質量造成的負面影響也不容忽視。謝揚飏等[9]研究發現北京市園林植物VOCs年總排放量約為3.85×104t，與北京市人為源VOCs的排放量大體一致。因此，減少綠地VOCs的排放在城市園林綠化工作中是非常必要的。

目前對城市綠化樹種僅限于不同樹種的排放特征和排放速率的研究[10-12]。不同綠地生境條件對樹種VOCs排放影響的研究還很少。本研究擬選取天津市典型的4種綠化樹種檜柏(Juniperuschinensis)、絳柳(Salixmatsudana)、西府海棠(Malusmicromalus)和國槐(Sophorajaponica)作為研究對象，采用動態頂空套袋法和熱脫附—氣相色譜/質譜聯用技術(TDS/GC/MS)分析在不同綠地生境條件下4種城市綠化樹種揮發性有機物的排放特征及其與不同環境因子的相關性，以期為城市園林綠地樹種的篩選配置及其管理提供新的理論參考依據，實現景觀功能和生態功能的統一，并且對區域空氣環境質量的改善有重要的現實意義。

1 試驗地區與試驗方法

1.1 試驗區概況

天津市地理坐標為116°43′—118°04′E,38°34′—40°15′N,地處中緯度亞歐大陸東岸,屬溫暖帶半濕潤季風氣候,四季分明,因臨近渤海灣,受海洋氣候影響明顯。年平均氣溫在11.4～12.9 ℃,平均溫差30.7 ℃,極端最高氣溫40.3 ℃,極端最低氣溫-20.3 ℃;無霜期206 d;全年平均降水量為584.5 mm,主要集中于夏季(6,7,8月),約占全年降水量的75%,最大日降水量為240.3 mm;年蒸發量為1 469.1 mm,是降水量的2.4倍,蒸發量以5月最大,為184.6 mm,12月最小28.5 mm。

1.2 采集方法

采用動態頂空套袋法，于2015年7月11日，選擇晴朗無風的天氣，分別在天津市水上公園內濱水綠地、南翠屏公園內公園綠地、南開大學校園綠地和復康路兩側道路綠地4種綠地生境下選擇健康、長勢基本相同的檜柏、絳柳、西府海棠和國槐4種樹種向陽背風面中部健康無缺刻的枝葉進行樣品采集。每個樹種選取樹齡相同、長勢一致的3個單株作為采樣標準株進行BVOCs的采集，每次3個重復，每次采樣40 min。同時進行空白采樣，扣除環境本底濃度。并且利用小氣候監測儀監測太陽輻射強度、溫度和空氣相對濕度3個參數，并進行記錄。

1.3 分析方法

植物揮發性有機物的分析鑒定主要利用熱脫附—氣相色譜/質譜聯用法分析，所使用的儀器型號為PerkinElmer生產的ATD350-Clarus600 GC MS。

(1) TDS條件。系統壓力：20 kPa，干溫度：250 ℃(10 min)，冷阱溫度：260 ℃。

(2) GC工作條件。DB-5 Low Bleed/MS(60 m×0.320 mm×0.5 μm)色譜柱，通過液氮脫附進樣，He載氣。程序升溫：40 ℃(3 min)-6 ℃/min-270 ℃(5 min)-280 ℃(5 min)。

(3) MS工作條件。電離方式：EI；離子能：70 eV；質量范圍：29～350 amu；接口溫度：250 ℃，離子源溫度：200 ℃。

1.4 數據分析

通過TurboMass軟件分析可獲得GC/MS原始數據總離子流圖(TIC)，圖中各峰所代表的化學信息經計算機檢索NIST 2008 Libraries確認并篩選，以此對檜柏和絳柳釋放的揮發性有機物成分進行定性。通過面積歸一化法對各類揮發物的相對含量進行定量。通過Excel 2010和Origin 8.5進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同綠地類型下4種綠化樹種揮發性物質分析

2.1.1 不同綠地類型下檜柏釋放BVOCs成分分析 檜柏在濱水綠地、道路綠地、公園綠地和校園綠地4種不同綠地類型下共鑒定出69種揮發性有機物。其中有17種化合物均在4種綠地類型下釋放，包括3-側柏烯、蒎烯等9種烯烴類化合物，己醛、壬醛、癸醛3種醛類化合物，乙酸葉醇酯、乙酸冰片酯2種酯類化合物，新薄荷醇、α-松油醇2種醇類化合物和異佛爾酮1種酮類化合物。丙烯酸異丙酯、正十三烷、側柏醇等11種化合物僅在濱水綠地類型下釋放，脫氫橙花叔醇、氧化石竹烯等5種化合物僅在道路綠地類型下釋放，波斯菊萜、花生四烯酸甲酯和月桂醛3種化合物僅出現在公園綠地，月桂烯、α-水芹烯、檸檬烯等10種化合物僅在校園綠地釋放。但不同生境下檜柏釋放BVOCs成分不同。檜柏在校園綠地類型下釋放的揮發物種類遠大于公園綠地。

不同綠地類型下檜柏釋放BVOCs中各類物質相對含量存在一定差異(圖1)。檜柏釋放BVOCs中烯烴類和醇類物質相對含量的變化趨勢相同，均表現為道路綠地>校園綠地>公園綠地>濱水綠地，濱水綠地下烯烴類物質相對含量與其他生境差別較大。烷烴類和酯類物質相對含量的變化趨勢與烯烴類和醇類物質相反，但烷烴類物質在道路綠地類型下的相對含量遠低于其他綠地類型。醛類物質在濱水綠地類型下的相對含量顯著較高，表現為:濱水綠地>道路綠地>公園綠地>校園綠地。酮類物質在不同綠地類型下的相對含量則表現為：濱水綠地>校園綠地>公園綠地>道路綠地。

圖1 天津市檜柏不同揮發物種類相對含量的生境差異

2.1.2 不同綠地類型下絳柳釋放BVOCs成分分析 絳柳在4種不同綠地類型下共鑒定出84種揮發性有機物。其中有19種化合物均在4種綠地類型下釋放，包括異戊二烯、丁酸丁酯等化合物。己醛、月桂烯等9種化合物僅在濱水綠地類型下釋放，萜品油烯、乙酸庚酯等13種化合物僅在道路綠地類型下釋放，茉莉酮、側柏醇等13種僅在公園綠地下釋放，正辛醛、羅勒烯等11種化合物僅在校園綠地下釋放。絳柳在濱水綠地和道路綠地類型下釋放的揮發物種類最多，與釋放揮發物種類最少的公園綠地差異較小。

不同綠地類型下絳柳釋放BVOCs中各類物質相對含量存在一定差異(圖2)。不同綠地類型下絳柳釋放BVOCs中烯烴類物質相對含量按：道路綠地>校園綠地>公園綠地>濱水綠地的順序依次遞減，濱水綠地類型下烯烴類物質的相對含量顯著較低。烷烴類和酯類物質相對含量在不同綠地類型下的變化趨勢與烯烴類物質相反。醛類物質相對含量在公園綠地類型下最高，道路綠地下最低，其極差較大。而醇類物質的相對含量的變化趨勢表現為:道路綠地>公園綠地>校園綠地>濱水綠地。酮類物質相對含量的變化趨勢與醇類物質相反。

圖2 天津市絳柳不同揮發物種類相對含量的生境差異

2.1.3 不同綠地類型下西府海棠釋放BVOCs成分分析 西府海棠在4種不同綠地類型下共鑒定出20種揮發性有機物。與檜柏、絳柳和國槐相比，其在4種綠地類型下鑒定出的揮發性有機物最少。其中有10種化合物均在4種綠地類型下釋放，包括α-法尼烯、α-松油醇等化合物。梨醇酯、1-庚烯-3-酮、3,3,5-三甲基環己酮3種化合物僅在道路綠地類型下釋放；順-3-己烯醛、1-己基乙酸萘酯2種化合物僅在公園綠地類型下釋放。但相比于檜柏和絳柳，西府海棠在4種綠地類型下釋放的揮發性有機物種類明顯較少，其在道路綠地類型下釋放的揮發物種類最多，但也僅為17種。

西府海棠在不同綠地類型下釋放的BVOCs中各類物質相對含量不同(圖3)。烯烴類物質的相對含量較其他類型物質的相對含量顯著較高。且其相對含量按道路綠地>校園綠地>公園綠地>濱水綠地的順序依次遞減，而烷烴類和酯類物質的變化趨勢則與之相反。二者在公園綠地和校園綠地下的相對含量差異較小，但酯類物質在濱水綠地類型下的相對含量明顯高于其他綠地類型。而醛類物質的相對含量的變化趨勢表現為：道路綠地>濱水綠地>校園綠地>公園綠地。醇類和酮類物質相對含量均在公園綠地出現最高值，道路綠地出現最低值。

圖3 天津市西府海棠不同揮發物種類相對含量的生境差異

2.1.4 不同綠地類型下國槐釋放BVOCs成分分析 國槐在4種不同綠地類型下共鑒定出36種揮發性有機物。有8種化合物均在4種綠地類型下釋放，大多數為如異戊二烯、α-蒎烯等烯烴類化合物。丙酸丁酯、二氫月桂烯醇、乙酸異龍腦酯3種化合物僅在道路綠地類型下釋放，(Z)-丁酸-3-己烯酯、丙酸異戊酯、酞酸二甲酯3種化合物僅在公園綠地類型下釋放。

此外，國槐釋放揮發性有機物種類的數量在道路綠地和公園綠地類型下出現最大值和最小值，分別為26，20種。

國槐在不同綠地類型下釋放的BVOCs中各類物質相對含量差異顯著(圖4)。在不同綠地類型下國槐釋放BVOCs中烯烴類物質相對含量按道路綠地>校園綠地>公園綠地>濱水綠地的順序依次遞減，其在濱水綠地類型下的相對含量顯著較低。烷烴類和酯類物質相對含量的變化趨勢恰與烯烴類物質相反。二者在濱水綠地類型下的相對含量與其它綠地類型差異顯著。醛類物質相對含量的變化趨勢則表現為：濱水綠地>校園綠地>道路綠地>公園綠地，道路綠地和公園綠地類型下的相對含量差異甚小。醇類物質的相對含量則按：公園綠地>濱水綠地>道路綠地>校園綠地的順序遞減。酮類物質在校園綠地類型下的相對含量最高，在道路綠地類型下最低。

圖4 天津市國槐不同揮發物種類相對含量的生境差異

2.2 不同綠地類型下環境因子對4種綠化樹種VOCs排放的影響

在植物生活的小生境中，任何環境因子都可導致BVOCs 的排放發生變化[13]。對不同綠地類型下太陽輻射、溫度、空氣相對濕度等環境因子對兩樹種釋放各類揮發性有機物相對含量的影響進行分析。表1為不同綠地類型下環境因子的差異。

表1 天津市不同綠地類型下環境因子差異

不同綠地類型下檜柏釋放的醇類和酮類揮發性有機物相對含量與溫度呈顯著相關，但酮類物質相對含量隨溫度的升高而降低。而烯烴類和酯類相對含量與空氣相對濕度呈極顯著相關，烷烴類、醇類和酮類與相對濕度呈顯著相關，但隨空氣相對濕度增加，烯烴類和醇類物質相對含量降低。絳柳釋放的醇類揮發性有機物相對含量與太陽輻射強度和溫度均呈顯著正相關，而酮類則與其相反，隨太陽輻射強度和溫度的升高而降低。西府海棠釋放烷烴類和酯類揮發物均與空氣相對濕度呈顯著相關，但酯類與相對濕度的相關性較高，其相對含量對相對濕度的變化更為敏感。國槐釋放的烯烴類揮發物與溫度和相對濕度的相關性均較高，但其相對含量隨溫度的升高而增加，隨相對濕度的升高而降低。而酯類物質相對含量與空氣相對濕度呈顯著正相關。4種喬木釋放的其余各類型揮發性有機物與環境因子間相關性較弱，無顯著相關性(表2)。可能由于不同生境下，影響植物釋放揮發性有機物的外界環境因素和植物本身的內部因素較多，從而導致4種樹種釋放的某些揮發性有機物種類相對含量與不同生境下的環境因子相關性不顯著。

表2 天津市不同綠地類型下4種樹種釋放各類揮發性有機物相對含量與環境因子的相關性

注：*表示在0.05水平上差異顯著； **表示在0.01水平上差異顯著。

3 討 論

不同植物釋放的揮發性有機物組成成分具有顯著的差異性和時間變化特征。外界環境條件的改變直接影響植物的生理代謝活動，進而影響植物揮發性有機物的形成和釋放。檜柏、絳柳、西府海棠和國槐在4種綠地類型下釋放烯烴類物質的相對含量均較高，原因在于溫度和植物葉綠體內ATP或DMAPP的濃度可直接或間接控制揮發性成分合成酶的活性，異戊二烯的釋放速率與溫度和光合有效輻射有關，而單萜釋放速率與溫度變化呈較好的指數關系[14]，夏季溫度升高，植物的單萜釋放速率會迅速增大。另外，對BVOCs的釋放機制所提出的碳素/營養平衡(CNB)假說認為植物以碳為基礎的次生代謝物質與植物體內的C/N比呈正相關[15]。而在光照充足條件下，光合作用增強，植物體內C/N比升高，將直接導致萜烯類、酚類等不含N的次生代謝物質含量增加。這也是4種城市綠化樹種釋放萜烯類物質在夏季含量較高的原因之一。值得注意的是，濱水綠地空氣相對濕度明顯高于其他3種綠地類型，檜柏和西府海棠釋放的酯類物質與相對濕度呈極顯著正相關，檜柏釋放的烯烴類物質與相對濕度呈極顯著負相關。且檜柏和西府海棠釋放酯類物質的相對含量在濱水綠地類型中最高；檜柏釋放烯烴類物質的相對含量在濱水綠地類型中最低。這一現象可說明相對濕度也是影響植物VOCs釋放的主要因素之一，且不同樹種BVOCs濃度對相對濕度的敏感性不同。相關研究也表明，增加周圍環境濕度可以加快挪威云杉(Piceaabies)和歐洲赤松(Pinussylvestris) BVOCs的釋放，也可改變樹木釋放的VOCs組分[16]。陳靜等[17]研究指出，油松釋放的單萜烯濃度與溫度呈極顯著正相關，與相對濕度及光合有效輻射相關性不顯著。對于揮發量較大的α-蒎烯，其與溫度和相對濕度相關性顯著，而檸檬烯則與溫度相關性極顯著。而側柏釋放的單萜烯、α-蒎烯、檸檬烯均與溫度呈極顯著正相關，單萜烯、α-蒎烯與相對濕度呈顯著負相關。這與本研究中檜柏和絳柳在不同綠地類型下釋放的烯烴類物質濃度與環境因子間的相關性存在相似之處。對于特定的烯烴類化合物與環境因子之間的相關性可在今后做進一步研究。除了光照、溫度和相對濕度外，CO2濃度、O3濃度等環境因子和N素、樹齡、葉齡、發育部位、脅迫等非環境因子也同樣影響BVOCs的釋放[18-21]。

BVOCs排放隨著氣候及環境條件的不同會有顯著的空間差異[22-23]。不同綠地類型下的植物種類和種植密度等因素會造成較大的不同綠地生境下BVOCs的排放差異[24]，使本研究中檜柏、絳柳、西府海棠和國槐在不同生境下釋放BVOCs數量和成分均不同。常杰等[25]研究表明，由于臺州街道及河道旁種植了大量高BVOCs排放潛力樹種且種植密度大于公園及居民區綠地，故前者BVOCs排放總量約為后者的2倍左右。另外，從景觀類型的角度而言，杭州市區塊狀綠地的BVOCs排放強度較帶狀綠地大，帶狀綠地有較大的植被面積和更好的光照，總排放量較大[26]。因此，在城市綠化樹種的選擇上應盡量選用排放量少的樹種。

此外，植物揮發性有機物有多種生理功能。植物釋放的酯類、萜烯類化合物有利于緩解緊張情緒[27]，適量吸入醇類化合物使人感到清新和振奮[28]。單萜烯可使周圍環境空氣增加清新感，并且具有抑制空氣微生物生長和促進支氣管和腎臟系統活動的功能[29]。而單萜類與倍半萜類化合物的相對峰面積之和可作為衡量植物保健作用的指標[30]。本研究中的4種樹種釋放的BVOCs主要為萜烯類化合物，說明檜柏、絳柳、西府海棠和國槐均是理想的保健樹種。并且長葉烯、芳樟醇等10余種具有抑菌作用物質均在4種樹木中被檢測到，因此可多種植于環境質量較差的道路綠地，進而改善道路環境。

4 結 論

(1) 不同生境條件下檜柏、絳柳、西府海棠和國槐釋放BVOCs數量和成分均不同。4種樹種在濱水綠地、道路綠地、公園綠地和校園綠地4種不同綠地類型下分別共鑒定出69，84，20和36種揮發性有機物。4種綠地類型下檜柏、絳柳、西府海棠和國槐釋放烯烴類物質的相對含量均較其他類型物質顯著較高，且其相對含量均按道路綠地>校園綠地>公園綠地>濱水綠地的順序依次遞減，而酯類和烷烴類物質與其相反，二者相對含量均在濱水綠地類型下顯著較高。而4種樹種釋放的醇類、醛類和酮類物質在不同綠地類型下相對含量的大小順序不盡相同。

(2) 絳柳釋放的醇類和酮類物質與4種綠地類型下的光照強度，檜柏釋放的烯烴類、烷烴類、醇類、酯類和酮類物質、西府海棠釋放的烷烴類和酯類物質、國槐釋放的烯烴類和酯類物質與4種綠地類型下的相對濕度，檜柏和絳柳釋放的醇類和酮類物質、國槐釋放的烯烴類物質與4種綠地類型下的溫度分別呈顯著相關。其余各類型揮發物與這3種環境因子的相關性均較差。

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Emission Characteristics of BVOCs from Urban Greening Tree Species in Different Greenbelt

ZHANG Qian, LI Hongyuan, Lü Lingyue, YANG Jianan

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NankaiUniversity,Tianjin300350,China)

[Objective] To explore the emission characteristics of biogenic volatile organic compounds(BVOCs) from greening tree species in different greenbelts in Tianjin City, and to provide the basis for selecting of the green tree species in urban gardens. [Methods] Four urban greening tree species likeJuniperuschinensis,Salixmatsudana,MalusmicromalusandSophorajaponicawere sampled for collecting and measuring BVOCs by dynamic bagging headspace and the thermal desorption-gas chromatography/mass spectrometry(TDS-GC/MS) technology. [Results] (1) Totally 69, 84, 20 and 36 types of BVOCs were detected respectively fromJ.chinensis,S.matsudana,M.micromalusandS.japonica. But the quantity and composition of the BVOCs released by the four urban greening trees varied in different habitats. For all the species, relative contents of olefin compounds were significantly higher than the corresponding values of other types of components. Relative contents of olefin in the four greenbelts had a rank as: road greenbelt>campus greenbelt>park greenbelt> waterfront greenbelt. On the contrary, for the contents of ester and alkane volatiles, their relatives content were obviously higher in waterfront greenbelt than the ones in other greenbelts. (2) The contents of alcohols and ketones released byS.matsudanawere significantly correlated with light intensity. Relative humidity was significantly correlated with the relative contents of olefins, alkanes, alcohols, esters and ketones released byJ.chinensis, the contents of alkanes and esters released byM.micromalus, the contents of olefins and esters released byS.japonica; whereas, temperature was significantly correlated with the contents of alcohols and ketones released by bothJ.chinensisandS.matsudana, the content of olefins released byS.japonica. [Conclusion] Greenbelt habitat condition can influence the composition and content of BVOCs released by greening tree species, but only some types of volatiles were significantly correlated with some enviromental factors.

volatile organic compounds; greening trees; greenbelt habitat; environmental factors

2016-07-18

2016-11-04

國家自然科學資助項目“不同生境下城市綠化樹種VOCs排放影響機制及估算模型研究”(31370700)

張倩(1992—),女(漢族),黑龍江省哈爾濱市人,碩士研究生,研究方向為環境生態學。E-mail:zhangqian921204@163.com。

李洪遠(1963—),男(漢族),天津市武清區人,博士,教授,博士生導師，主要從事恢復生態學與城市綠地生態學研究。E-mail:econklee@126.com。

A

1000-288X(2017)03-0022-06

X173， Q948