杭州市主城區道路綠化樹種組成與VOCs成分分析*

呂 楚 嚴少君 吳 渝 魏 偉 豐 睿 吳曉華 張明如 申亞梅 羅 坤

1 浙江農林大學風景園林與建筑學院 杭州 311300

2 浙江大學熱能工程研究所 杭州 310027

目前,在城市環境中,揮發性有機物 (Volatile Organic Compounds,簡稱VOCs)已經成為研究重點,其排放來源分為生物排放源 (BVOCs)和人為排放源 (AVOCs)兩種類型。植物既能進行細胞內的VOCs的吸收和代謝,又能釋放出VOCs[1],且在全球范圍內,來自于植物釋放的BVOCs約占89%[2-3],該類物質通常是鹵烴類、醛類、酮類、芳烴類、烯烴類、烷烴類和其他等[4],但主要以單萜烯為主[5-6],其他如丙酮、甲醇等VOCs也是植物排放的重要VOCs[7-8]。有研究發現,芳烴類、醛類等化合物[9]具有致畸致癌作用,烷類、苯系物 (芳烴類)、醛類、酮類會危害人體健康,其中苯系物對人體呼吸系統有刺激并能損傷中央神經[10]。

但是,也有眾多研究表明,植物的揮發物對人居環境具有改善作用,如雪松 (Cedrus deodara)[11]、槲樹 (Quercus dentata)[12]、 文竹 (Asparagus setaceus)[13]等植物釋放的萜烯類化合物具有凈化空氣、改善都市環境的作用;金葉女貞(Ligustrum×vicaryi)、紅花檵木 (Loropetalum chinense var.rubrum)等植物的揮發性有機物對人體有一定的保健功能,可以作為綠化常用樹種[14];桂花 (Osmanthus fragrans)的鮮花揮發物和葉片揮發物可以降低林地空氣中微生物的數量,對改善空氣質量具有顯著作用[15]。然而,城市道路是汽車尾氣排放最多的區域,在4-9月高溫、高光的天氣下,植物的VOCs與尾氣排放物質易產生反應,形成次生污染[15]。已有研究顯示,釋放單萜烯的樹種主要為槭屬 (Acer)、樺屬 (Betu-Ia)、落葉松屬 (Larix)、云杉屬 (Picea)和松屬(Pinus)等[16],所以,選擇合適的綠化樹種顯得尤為重要。然而,對杭州道路樹種VOCs研究至今未見報道。

因此,本研究參照國家環境保護標準 (HJ 759-2015)對杭州主城區19條代表道路主要綠化樹種葉表面區域的VOCs進行測定,目的是從大氣污染的角度分析綠化樹種葉表面區域揮發性有機物成分及含量,通過比較分析,根據綜合揮發物質成分數量、濃度以及總含量的排序確定VOCs的污染影響力,從而為城市道路綠化樹種的選擇提供依據,為改善城市人居環境奠定基礎。

1 研究方法

1.1 調查方法

2018年7月在試點全面踏查的基礎上,對19條道路的喬木、灌木的植物種類、植物豐富度進行調查,同時通過分段比較,總結樹種出現頻率,歸納主要綠化喬木樹種和灌木樹種共18種,在這18種植物內層葉片上采集氣體,以空曠地為對照,對這些樹種葉表面區域的VOCs進行測定。相對頻度計算公式:相對頻度 (RF)=F(某個種頻度)/∑F(全部種的總頻度)×100

1.2 VOCs采集與測定

結合一天中植物光合速率最強的時間段,采集工作分別選擇在2018年7月8日和12日上午10∶00—11∶00進行,利用惰硅不銹鋼環境采樣罐 (H6000-B1-V2)采集植物揮發物 (VOCs),同時在沒有綠化樹種的大氣中進行空白采樣,并進行記錄。

參照國家環境空氣揮發性有機物 (VOCs)的檢測標準 (HJ 759-2015),采用氣相色譜質譜聯用儀 (GC/MS)對所選植物的67種VOCs成分進行測定,其中氣相色譜儀器為Agilent 6890N,質譜分析儀5977C,毛細管柱是DB624,預濃縮儀為Entech 7200,自動進樣器為Entech 7016。程序升溫:35℃保持5 min,以4℃·min-1上升至170℃ (保持2 min),以10℃·min-1上升至220℃ (保持3 min),隨后以220℃運行2 min;進樣口溫度140℃,溶劑延遲時間為4 min,載氣流量1.0 mL·min-1;分流比1∶10;EI源接口溫度250℃,離子源溫度230℃。

1.3 數據比較分析方法

采用NIST2008譜圖庫兼顧色譜保留時間,同時結合手工檢索確定VOCs成分,利用峰面積歸一法測定各成分的百分含量。以所測結果的平均值為基準值,大于平均值為含量高的樹種,小于平均值為含量低的物種。

2 結果與分析

2.1 樹種與頻度分析

調查結果顯示,杭州主城區道路綠化喬木樹種9個,落葉樹種有7個,主要是懸鈴木 (Plata-nus orientalis)、樸樹 (Celtis sinensis)、無患子(Sapindus mukorossi)、欒樹 (Koelreuteria paniculata)、楓楊 (Pterocarya stenoptera)、玉蘭 (Magnolia denudata)、銀杏 (Ginkgo biloba);常綠樹種2個,主要是香樟 (Cinnamomum camphora)和雪松,其中出現頻度由高到低的順序為香樟(60.71%)、 懸 鈴 木 (39.29%)、 銀 杏(25.00%)、楓楊 (21.43%)、樸樹 (14.29%)、無患 子 (10.71%)、欒 樹 (3.57%)、雪 松(3.57%)、玉蘭 (3.57%)。灌木樹種有21個種(品種),其中落葉樹種4個,出現頻度由高到低的順序為紅花檵木 (53.57%)、金森女貞 (Ligustrum japonicum‘Howardii’ ) (42.86%)、 紅葉石楠(Photinia x fraseri) (39.29%)、月季 (Rosa chinensis) (28.57%)、無刺枸骨 (Ilex Corunta var.fortunei)(28.57%)、桂花 (21.43%)、紫葉李(Prunus cerasifera) (17.86%)、紫薇 (Lagerstroemia indica) (14.29%)、金邊黃楊 (Buxus megistophylla)(14.29%)。

2.2 樹種葉表面區域VOCs成分分析

基于調查結果,本研究測定了9種喬木和9種灌木葉表面區域的VOCs含量,結果顯示,喬木葉表面區域共檢測到23種VOCs,灌木葉表面共檢測到25種VOCs。VOCs成分主要分為鹵烴類、芳烴類、醛類、烷烴類、酯類、酮類、烯烴類以及其他類共8大類。

2.2.1 鹵烴類

該類物質主要為一氯甲烷、1,2,2-三氟-1,1,2-三氯乙烷、1,2-二氯乙烷、二溴一氯甲烷、三溴甲烷、4-溴氟苯、1,3-二氯苯、對二氯苯、氯代甲苯等,其中對照中未檢測到一氯甲烷、1,2,2-三氟-1,1,2-三氯乙烷。香樟、懸鈴木、樸樹、無患子、欒樹、楓楊、玉蘭與銀杏的葉表面區域內未檢測到 1,2,2-三氟-1,1,2-三氯乙烷,楓楊樹種葉表面未檢測1,2-二氯乙烷,欒樹與玉蘭葉表面未檢測到二溴一氯甲烷。相對于對照,懸鈴木和樸樹葉表面檢測到的1,2-二氯乙烷含量較高,其余樹種相對較低,測得二溴一氯甲烷含量與空氣中含量相近。另外,9種喬木葉表面中檢測到的4-溴氟苯、1,3-二氯苯、對二氯苯含量與對照相近,而氯代甲苯高于對照。從鹵烴類釋放的總量看,雪松葉表面區域檢測到的鹵烴類VOCs含量最高,其次是懸鈴木、楓楊、樸樹、銀杏、香樟、玉蘭,無患子最低。

9種灌木葉表面區域中均檢測到一氯甲烷與1,2-二氯乙烷,僅在紫薇葉表面中檢測到1,2,2-三氟-1,1,2-三氯乙烷。對照組中檢測到的二溴一氯甲烷、4-溴氟苯與9種灌木葉表面區域檢測到的含量相近,而對照組檢測到的1,3-二氯苯、對二氯苯以及三溴甲烷略高于9種灌木葉表面區域所檢測到的含量,另外,對照組中檢測到的氯代甲苯與桂花、金邊黃楊兩種樹種葉表面檢測到的含量相近,但低于其他7種灌木。在9種灌木中,紅葉石楠葉表面檢測到的一氯甲烷與氯代甲苯含量最高。從釋放的鹵烴類總量看,紅葉石楠葉表面區域檢測到的鹵烴類VOCs含量最高,桂花最低。

2.2.2 芳烴類

該類物質主要為4-乙基甲苯、甲苯、1,3,5-三甲苯、1,2,4-三甲苯以及苯乙烯5種芳烴類物質,而對照組中未檢測到1,3,5-三甲苯、1,2,4-三甲苯。楓楊葉表面區域檢測到的4-乙基甲苯高于對照組以及其他8種喬木,雪松、玉蘭與銀杏葉表面區域檢測到的VOCs含量與對照接近,其余略低于對照;相對于其他物種與對照,僅楓楊樹種葉表面區域檢測到1,3,5-三甲苯,僅雪松樹種葉表面區域檢測到1,2,4-三甲苯;相對于對照,9種喬木樹種葉表面檢測到的苯乙烯低于對照。綜合比較發現,楓楊葉表面檢測到的芳烴類物質含量最高,其次是雪松,且二者均高于對照,其余7種均低于對照。9種灌木葉表面區域均檢測到4-乙基甲苯與苯乙烯,且均低于對照。檢測結果顯示,僅有紅葉石楠葉表面區域檢測到甲苯,但低于對照。

2.2.3 醛類

丙烯醛為唯一檢測的醛類物質。結果顯示,雪松葉表面檢測到該物質的含量最高,其次是紫葉李、無患子、玉蘭、銀杏、月季、楓楊、金邊黃楊 (紅葉石楠與金邊黃楊相等)、欒樹、紫薇,其中雪松與紫葉李葉表面檢測到的含量顯著高于對照,無患子葉表面檢測到的含量與對照接近,其余均低于對照。而香樟、懸鈴木、樸樹、金森女貞、紅花檵木、無刺枸骨以及桂花等樹種的葉表面區域中均未檢測到。

2.2.4 烷烴類

該類物質主要為1,4-二戊烷。就烷烴類物質總量來看,僅雪松略高于對照,月季與紫薇略低于對照,其余均于對照接近。結果還顯示,僅金邊黃楊葉表面檢測到正己烷,且含量與對照接近。

2.2.5 酮類

結果顯示,該類物質在對照中只檢測到4-甲基-2-戊酮以及2-己酮,喬木樹種葉表面檢測到丙酮、2-丁酮、4-甲基-2-戊酮以及2-己酮4類酮類物質。其中雪松葉表面區域檢測到的丙酮、2-丁酮、2-己酮的含量最高,4-甲基-2-戊酮含量最低;與對照相比,9種喬木葉表面檢測到的4-甲基-2-戊酮含量均低于對照。就酮類物質的總量來看,紫葉李葉表面檢測到的含量最高,其中丙酮含量高于其他8種灌木;僅紅葉石楠與紫葉李葉表面中檢測到2-丁酮;金邊黃楊葉表面中檢測到4-甲基-2-戊酮,且含量與對照接近,其余均低于對照;金森女貞葉表面中檢測到2-己酮,且含量高于對照,其余均低于對照。

2.2.6 烯烴類

僅雪松和紫葉李葉表面中檢測到烯烴類——丙烯,而對照空氣中未檢測到烯烴類揮發物。

2.2.7 酯類

檢測結果顯示,對照組中并未檢測到乙酸乙酯,喬木類樹種葉表面中均檢測到乙酸乙酯,且玉蘭含量最高,其次依次為懸鈴木、雪松、香樟、樸樹、無患子、銀杏、楓楊以及欒樹;灌木類只在金邊黃楊葉表面中檢測到乙酸乙酯,除此之外,金邊黃楊葉表面中還檢測到乙酸乙烯酯,且含量顯著高于對照;無刺枸骨葉表面中檢測到少量的甲基丙烯酸甲酯,而對照中并未檢測到。

2.2.8 其他類

檢測結果顯示,對照中未檢測到二硫化碳,但檢測到異丙醇。18種樹種中,欒樹、雪松、玉蘭、紅葉石楠以及紫葉李葉表面檢測到二硫化碳,且雪松檢測到的含量最高,其次是紫葉李。相對于對照,除懸鈴木外,其余8種喬木檢測到的異丙醇含量低于對照;而灌木中,金邊黃楊葉表面檢測到的異丙醇含量高于對照,紅葉石楠、無刺枸骨、紫葉李以及桂花均較低。

3 結論與討論

在杭州城區道路綠化中,18種樹種葉表面區域的VOCs有所差異,但鹵烴類物質相對較多,且9種喬木樹種葉表面檢測到的酮類物質含量高于9種灌木。比較結果進一步顯示,雪松、楓楊、紫葉李、金邊黃楊等樹種葉表面的VOCs總量相對較多,香樟、樸樹、金森女貞、紅花檵木、無刺枸骨、桂花等相對較少,其中香樟葉表面的VOCs總量相對較少,這與Klinger研究結果一致[16],適合作為城市綠化的主要樹種。然而,有研究顯示,懸鈴木樹種葉表面區域的異戊二烯排放能力較高[17],但在本研究測定標準中,未將異戊二烯包含在內,由此可見,懸鈴木不適合作為城市道路綠化的主要樹種。

在華東地區大氣污染檢測中,福州市[18]共監測出包括烷烴類、烯烴類、醇類、醛類、酮類、酸類、酯類、芳香烴類以及其他類在內的219種VOCs。上海市于2009年在其城區共監測出烷烴、芳香烴、烯烴和乙炔4類共56種VOCs,其中烷烴含量所占比例最高,乙炔所占比例最低[19]。本結果中,雪松葉表面區域檢測到的VOCs含量在18個樹種葉表面中相對最高,且多為單萜烯類物質。研究顯示,溫度和光強對異戊二烯和單萜化合物的排放具有重要影響[20],與汽車尾氣以及其他排放物質中的NO化合物結合產生O3,影響城市空氣環境[21],由此說明,雪松不適合作為城市綠化樹種。然而有許多研究表明,松科類植物的單萜烯含量較多[14-19,22],例如油松、雪松、紅皮云杉等針葉樹種釋放的萜烯類化合物具有凈化空氣、改善都市環境的作用[23-24],對人體健康有重要作用,可以形成森林康氧休閑環境,由此又進一步說明,雪松可以用作園林道路之外的公園以及郊外等其他綠地綠化樹種。

盡管從個別樹種葉表面檢測得到的VOCs成分能夠與環境中的NO發生反應生成臭氧從而對環境造成污染,但這8類VOCs還存在大部分未檢測到的對環境有益的成分。在萜類中,屬于單萜的檸檬烯、蒎烯等揮發性有機物具有鎮痛、抗病毒等作用;醇類中,松油醇、香葉醇等揮發性有機物具有殺菌、促進肝臟和心臟機能的作用;在酮類中,樟腦酮、松香芹酮等物質能夠起到抗真菌、提高免疫機能等作用;酯類中,醋酸乙酯(桃)等VOCs能夠治療抵抗炎癥等[25]。還有研究表明,陰香林,灰木蓮林,濕地松林,黧蒴錐林,尾葉桉林和闊葉混交林6種林分的體感舒適程度等級總體上均處在 “舒適”及以上水平,且均具有一定的保健作用[26];而本研究也表明,香樟、樸樹、桂花等適合作為杭州城市道路綠化主要樹種。由此可見,雖然綠化空間中VOCs存在對環境及人體健康有害的部分,但其對環境的益處亦不可忽視,所以今后應更加深入探討VOCs成分與城市道路環境的關系,為城市選擇更合適的綠化樹種,為城市生態、森林康養和造林等建設提出更系統更規范的依據。