全 文 ：林 业科 学研 究 2010, 23( 3) : 462 ～ 466
Forest Research
文章编号: 1001-1498( 2010) 03-0462-05
北京西山春季侧柏游憩林内挥发物成分及其日变化规律
杨伟伟, 王 成* , 郄光发, 郭二果
( 中国林业科学研究院林业研究所 , 国家林业局森林培育重点实验室 , 国家林业局城市林业研究中心 , 北京 100091)
关键词: 北京; 侧柏; 游憩林; 挥发物成分; 日变化; 春季
中图分类号: S791.38 文献标识码: A
收稿日期 : 2008-01-11 修回日期 : 2009-12-23
基金项目 : 国家“十一五”科技支撑计划重大项目课题 ( 2006BAD03A06 - 3 和 2006BAD03A17 - 2 ) 和国家科技部科研院所社会公益研
究专项 ( 2004DIB1J031)
作者简介 : 杨伟伟 ( 1982— ) , 女 , 山东德州人 , 硕士 , 主要从事城市林业研究 ; E-mail: 2008yww@ 163. com
* 通讯作者 : 王成 , 研究员 , E-mail: wangcheng@ caf. ac. cn
Compounds and Diurnal Variation of VOCs of Platycladus orientalis
Recreation Forest in Beijing Western Hills in Spring
YANG Wei-wei, WANG Cheng, QIE Guang-fa, GUO Er-guo
( Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry; Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry Administration;
Research Centre of Urban Forestry, State Forestry Administration; Beijing 100091, China)
Abstract: The research adopts open sampling method and TCT-GC/MS ( Thermodesorption Cold Trap-Gas
Chromatography/ Mass Spectrometery) apparatus to collect and analyze the volatile organic compounds( VOCs) of
Platycladus orientalis forest, with the intention of researching the compounds and diurnal variation of VOCs of P.
orientalis forest in natural state in Beijing Western Hills in spring. The results are as follows: ( 1) There are 160
kinds ( 11 categories) of volatile organic compounds, containing Alkyl Hydrocarbon, Ketone, Alcohol, Acid,
Aldehyde, Alkene, Ester, Aromatic hydrocarbon, Ether, Hydroxybenzene and Amide. The content of Alkyl
Hydrocarbon, Ketone, Acid and Aldehyde occupy a greater percentage among all compounds. ( 2) The diurnal
variation curve of total volatile organic compounds ( TVOC) is characterized as “one peak at 11: 00( 36. 44% ) and
one vale at 3: 00( 12. 76% ) ”. Generally, the concentration at daytime is higher than that of night, and higher in
morning than in afternoon, with the maximum at noon. ( 3) The change of Alkyl Hydrocarbon concentration is
greater in the morning and about midday, less in the afternoon and night. The diurnal variation curve of Ketone
concentration appears as “three peaks and three vales”. 1: 00, 5: 00—7: 00 and 11: 00 are peak time, 3: 00, 9: 00
and 17: 00 are vale time. As to Acid, its concentration appears two obvious phases: the higher phase is from 9: 00
to 17: 00, with the maximum at 11: 00, and the lower phase is from 19: 00 to 7: 00, with the minimum at 5: 00.
Concerning Aldehyde concentration, 17: 00 and 19: 00 are the higher phases and also has obvious difference with
other time, while the lower phrase has no obvious difference with each other. ( 4) Alkene is the most important
compound to human health. Its concentration appears as “one peak”at 15: 00, which has obvious difference with
other time. Totally, its content at daytime is higher than that at night, and higher in afternoon than in morning.
Key words: Beijing; Platycladus orientalis; recreation forest; volatile organic compounds; diurnal variation; spring
第 3 期 杨伟伟等: 北京西山春季侧柏游憩林内挥发物成分及其日变化规律
近年来, 随着生态旅游的发展, 人们越来越重视
游憩林的人体保健功能。游憩林主要通过森林形成
的内环境对游人的身心健康发挥作用, 因此组成林
分的主要树种非常重要。侧柏( Platycladus orientalis
( L. ) Franco) 是我国北方城市绿化中常见树种之
一, 也是华北地区山地的主要造林树种, 其释放的挥
发性物质( VOCs) 具有重要的生态保健功能, 可以有
效地抑制细菌和病毒活性, 降低空气中细菌病毒的
浓度, 创造清新洁净的环境 [ 1 - 3 ] , 使行走于林中的游
人感觉心情舒畅, 起到调节精神、缓解疲劳、改善人
体健康的作用。目前, 对侧柏挥发物的研究多采用
水蒸汽蒸馏等化学提取的方法 [ 4 - 5 ] , 研究重点多集
中于精油成分测定、抗菌性能及病虫害防治等方
面 [ 6 - 7 ] , 研究对象也多限于侧柏单体或枝叶在人工
控制状态下其自身的挥发物测定, 而关于自然状态
下侧柏林挥发物释放情况及动态变化研究报道较
少。北京周边地区的山地游憩林中, 侧柏林占有很
高的比重, 以自然状态下的侧柏林为对象开展挥发
物研究, 了解自然状态下侧柏林内 VOCs 的存在状
况、变化规律, 有助于全面了解侧柏林的保健功能,
为北京乃至华北地区以侧柏林为主的城郊游憩林的
科学经营提供依据, 并为游人合理利用侧柏林开展
森林游憩活动提供一定的指导。
1 研究区概况
研究区选择北京西山的百望山森林公园, 位于 40°
01′47. 9″N,116°15′31. 2″E, 属温带大陆性气候, 年均气温
11.8 ～ 12. 0 ℃,年平均降水量 638. 8 mm, 土壤为褐土。
公园面积 200 hm2, 森林覆盖率达 95% , 主要游憩林树
种为侧柏、黄栌( Cotinus coggygria Scop. ) 。
选择观测的侧柏林面积为 3 000 m2, 林分郁闭
度 0. 8, 林内树木生长健康, 树龄 40 a, 平均树高 7. 5
m, 平均胸径 12. 6 cm, 平均枝下高 1. 6 m。林下植被
有黄栌、荆条 ( Vitex negundo L. var. heterophylla Re-
hd. ) 、构树 ( Broussonetia papyrifera ( L. ) L Her. ex
Vent. ) 、酸枣( Zizyphus jujuba Mill. var. spinosa. ) 、葎
草( Humulus scandens Merr. ) 等。
2 研究方法
本实验采用开放式采样, 选择在天气晴好无风
的一天内进行, 实验中将大气采样仪呈品字型放置
于林内, 采样仪两两间隔 3 m以上。本实验从 2008
年 4 月 15 日 9: 00 至次日 7: 00, 每隔 1 h 采样 1 次,
每次 3 个重复, 采样时间 60 min, 气体流量为 100 mL
·min - 1 , 采样高度接近人体呼吸高度约 1. 5 m。
本实验所用采样仪是由北京劳动保护所生产的
QC-1 型大气采样仪, 采样管为美国 Varian公司生产
的 TCT采样管, 管内装入 0. 12 g 处理过的 Tenax-TA
吸附剂。
样品采用热脱附 - 气相色谱 /质谱联用仪( TCT-
GC/ MS) 进 行 处 理, TCT-GC/MS 的 型 号 为: CP-
4010PTI/ TCT( CHROMPACK 产品, 现 属 Varian 公
司 ) 、TRACETM GC2000 ( CE INSTRUMENT 公司 ) 、
V0YAGER MASS( FINNIGAN公司) 。
TCT 工作条件: 载气为 N2 , 压力为 20 kPa。先
将冷阱用液氮冷却至 - 120 ℃, 然后加热炉在 10
min内逐渐升温至 250 ℃, 使吸附管中不同沸点的
挥发物被逐步脱附, 并被载气携带至冷阱中富集, 脱
附完成后, 冷阱在数秒钟内迅速升温至 260 ℃, 使冷
阱中富集的挥发物进行 2 次脱附后直接进入到与质
谱相连的气相色谱柱头。
GC 工作条件: DB-5 Low Bleed /Ms( 60 m ×0. 25
mm×0. 5 μm) 色谱柱, 通过液氮脱附、无分流进样,
He 做为载气, 压力为 20 kPa。程序升温: 初始温度
40 ℃保持 4 min, 然后以 6 ℃·min - 1的速率升温至
270 ℃, 保持 5 min。
MS工作条件: EI 源, 电子能量 70 eV, 质量范围
29 ～ 350 amu, GC/MS接口温度 250 ℃, 离子源温度
190 ℃, 发射电流 150 μA, 检出电压 350 V, 扫描速
度 0. 4 sPscan, 质谱扫描范围 m/ z19-435 。
在所得的总离子流图中, 各峰代表的化学信息
经检索 NIST98 标准谱库进行确认和筛选( 相似度达
到 85% 以上 ) 。气体浓度计算采用面积归一化法,
计算公式为:
气体浓度 = ( 该物质峰面积 /样品所有气体峰面
积之和) ×100% 。
3 结果与分析
3.1 侧柏林内的挥发物成分
侧柏林内采集的气体样品共检测出 160 余种物
质, 鉴定出 156 种, 另有 7 种未鉴定出。挥发物总体
变化趋势和具体情况见图 1、表 1。
侧柏林内空气中的挥发物种类繁多, 包括烷烃、
烯烃、酸、醛、酮、醇等 10 余类, 其中烷烃、酮、酸、醛
在总挥发物中的含量相对较高。有关侧柏本身挥发
物的研究表明, 侧柏释放的萜烯类物质较多 [ 4, 8 ] , 本
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林 业 科 学 研 究 第 23 卷
研究在野外开放状态下的侧柏林内所检测到的萜烯
类有 8 种单萜和 2 种倍半萜, 分别为 1R-α-蒎烯、水
芹烯、月桂烯、3-蒈烯、反-罗勒烯、D-柠檬烯、顺-罗勒
烯、对-薄荷-1, 4( 8) -孟二烯、石竹烯、雪松烯。
图 1 侧柏林内挥发物总离子流图
表 1 侧柏林内的挥发物
物质种类
数量 /
种
浓度 /% 组成成分
烷烃 30 1.03 ～ 87. 93 C6 ～ C21 的直链及支链烷烃、卤代烃
酮 22 1.01 ～ 7. 65 C3 ～ C8 的酮类 , 丙酮、2 - 丁酮环己
酮、2, 3 - 丁二酮等含量较高
酸 16 1.39 ～ 9. 35
C2 ～ C16 的羧酸 , 十二烷酸、十四烷
酸、十六烷酸、苯甲酸等含量较高
醛 18 1.80 ～ 5. 58
C4 ～ C14 的醛类 , C10 以下的醛类,
如癸醛、壬醛、苯甲醛等含量较高
醇 17 0.54 ～ 4. 07
有 C10 以下丙醇、癸醇等 , 也有 C15 以
上的十五醇、十六醇等
烯烃 16 0.43 ～ 4. 48
8 种 C10 的单萜 ,2 种 C15 的倍半萜, 6
种普通烯烃
芳烃 16 0.71 ～ 6. 10 C6 ～ C15 的苯及其同系物、卤代苯、
双环芳烃等
酯 7 0.15 ～ 9. 49 C3 ～ C8 的酯类
其他 14 0.05 ～ 0. 97 醚、酚及酰胺类
3.2 侧柏林内总挥发物( TVOC) 浓度的日变化
TVOC 浓度日变化曲线为“单峰单谷”型 ( 图
2) 。从凌晨 3: 00 开始升高, 上午 11: 00 浓度达到最
大, 11: 00 后开始降低, 这种降低趋势一直持续到
17: 00, 此后浓度出现不同程度的升降, 但波动幅度
不大, 凌晨 3: 00 浓度最小。
为了探究不同时间 TVOC 浓度的差异, 对 TVOC
浓度日变化进行方差分析, 除上午 11: 00 TVOC 浓
度与 9: 00、13: 00 的差异不显著外, 与其他时间的差
异均极显著, 9: 00—13: 00 是浓度较高时段; 3: 00 浓
图 2 侧柏林内总挥发物 ( TVOC) 浓度及环境因子的日变化
度最低, 并与上午的差异极显著, 与下午及夜晚的差
异不显著。总体看来, TVOC 浓度白天高于夜晚, 上
午高于下午, 9: 00—13: 00 时段浓度较高, 中午前后
达到最大。
植物释放挥发物受植物生长状态以及外界环境
因素影响比较大。随早上 6: 00 左右光照的增强, 林
内温度也开始升高, 植物光合作用增强, 上午 11: 00
林内温度接近光合作用的最适温度, 植物的生理活
动最强, 产生和释放的代谢物质最多, 适宜的环境条
件使得气孔导度比较大, 因此释放到大气中的挥发
物较多。15: 00 以后随着光照的减弱与温度的降
低, 植物的光合作用与新陈代谢减弱, 挥发物随之
减少。
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第 3 期 杨伟伟等: 北京西山春季侧柏游憩林内挥发物成分及其日变化规律
3. 3 侧柏林内主要挥发物浓度的日变化
在对不同时间的挥发物成分出现的频率及相对
含量进行统计后发现, 烷烃、酮、酸、醛 4 类物质在这
两个方面都比较高, 是侧柏林内挥发物的主要成分。
烯烃含量比烷烃、酮、醛的低, 但鉴于其化学活性及
某些成分的保健功能 [ 9 ] , 这里也对其变化规律进行
分析, 该 5 类物质的浓度变化曲线见图 3。
图 3 侧柏林内主要挥发物浓度的日变化
3. 3. 1 烷烃浓度的日变化 由图 3 可以看出:
5: 00—7: 00 的烷烃浓度最高, 11: 00 时烷烃浓度次
之, 其它时段浓度均较低。对不同时段烷烃浓度进
行的多重比较结果表明: 5: 00 与 7: 00 的差异不显
著, 与其它监测时段均存在极显著差异, 11: 00 与其
它所有时段也均存在极显著差异, 即 11: 00 烷烃浓
度明显低于 5: 00、7: 00, 又明显高于其它时段。总
体看来, 清晨与正午前后烷烃浓度较高, 下午与夜晚
浓度较低。
3. 3. 2 酮类物质浓度的日变化 图 3 表明: 酮类物
质浓度呈现明显的“三峰三谷”型变化曲线, 浓度波
动比较大。3: 00 出现第 1 个低谷, 随后急剧升高,
5: 00—7: 00 出现第 1 个高峰, 然后浓度下降, 上午
9: 00 出现第 2 个低谷, 直到 11: 00 浓度再次回升出
现第 2 个高峰后再开始下降, 17: 00 出现第 3 个低
谷, 此时也是一天中浓度最低的时段, 随后浓度逐渐
升高, 直至凌晨 1: 00 浓度达到第 3 个高峰后再次
下降。
多重比较结果表明: 1: 00、11: 00 的酮类物质浓
度与 3: 00、9: 00、15: 00、17: 00、19: 00、21: 00 的都存
在显著差异; 谷值出现的 3: 00、9: 00 和 17: 00, 与
5: 00、7: 00、23: 00 都有显著差异。
3. 3. 3 酸类物质浓度的日变化 一天中酸类物质
浓度 5: 00 最小, 从此时开始升高, 11: 00 达到最大,
随后降低( 图 3) 。通过对不同时段挥发物成分分析
表明: 11: 00 时不仅酸类物质浓度最高, 而且其成分
也最多, 多达 19 种。
多重比较结果表明: 酸类浓度最高值出现在
11: 00, 与 19: 00—7: 00 时段均存在极显著差异, 而
最低值出现在 5: 00, 与 9: 00—17: 00 时段均存在不
同程度的差异, 其它时间之间差异不显著, 说明酸类
物质浓度在一天当中呈现较为明显的 2 个阶段:
9: 00—17: 00 为浓度较高时段; 傍晚 19: 00—7: 00 为
浓度较低时段。总体看来, 白天高于夜晚。
3. 3. 4 醛类物质浓度的日变化 从图 3 看出: 醛
类物质浓度的变化呈“单峰”曲线, 从上午 9: 00 开始
升高, 至 下午 19: 00 达到最 大, 随 后降低, 晚上
21: 00—7: 00 有不同程度的升降, 但波动幅度不大,
基本稳定。总体看来, 醛类物质浓度白天较晚上高,
下午较上午高。19: 00 的醛类物质浓度除与 17: 00
的差异不显著外, 与其它时间的差异均显著, 次高值
出现在 17: 00, 与一天中多数时间的差异都显著。
3. 3. 5 烯烃浓度的日变化 图 3 还表明: 烯烃浓度
的日变化呈“单峰”曲线, 上午 13: 00 开始升高,
15: 00浓度达到最大, 随后急剧下降, 17: 00 浓度最
低, 然后浓度出现不同程度的升降, 夜晚 23: 00 浓度
又降到最低, 总体看来, 烯烃浓度白天高于夜晚, 下
午高于上午。
烯烃中大部分是萜烯类物质, 有关研究表明, 其
产生后并不是立刻释放出来, 而是贮存在特化的结
构中, 直到贮存的量足够大, 使内部气体饱和并使萜
烯分压保持恒定, 如果这时气孔开放, 萜烯就会大量
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林 业 科 学 研 究 第 23 卷
释放出来 [ 1 0 - 1 3] 。上午随着光照增强与温度升高, 植
物的生理活动逐渐增强, 产生与释放的挥发物质逐
渐增多。中午前后植物为应对干燥缺水的大气环境
而关闭气孔, 产生的代谢物质暂时储存在植物体内,
下午 15: 00 林内环境条件适宜, 气孔导度增大, 萜烯
在体内也累积到一定的量, 因此, 此时植物释放萜烯
量最多。15: 00 这一时段萜烯的快速大量释放使下
午 17: 00 浓度急剧下降, 17: 00 以后随着温度的降低
与光照的消失, 植物的光合作用越来越弱, 产生与释
放到大气中的萜烯也随之减少。
多重比较结果表明: 15: 00 的烯烃浓度与其它
时间的差异均极显著, 而其它时间的差异不显著, 且
15: 00 萜烯物质种类也比其它时段多。
4 结论
( 1) 春季北京西山侧柏游憩林内 TVOC 多达
160 余种, 包括烷烃、酮、醇、醛、酸、酯、烯烃等多类
物质, 其中烷烃、酮、醛、酸 4 类物质含量较高。
( 2) 侧柏游憩林内 TVOC 浓度表现为“单峰单
谷”型变化曲线, 11: 00 最高, 3: 00 最低, 白天高于夜
晚, 上午高于下午, 中午前后达到最大。
( 3) 烷烃、酮、酸、醛是侧柏林内挥发物的主要
成分, 日变化规律也都较为明显: 烷烃浓度在5: 00—
11: 00 较高, 其他时段较低, 总体看来清晨与上午较
高, 下午与晚上较低; 酮类物质浓度呈现“三峰三
谷”型的变化曲线, 1: 00、5: 00—7: 00、11: 00 浓度较
高, 3: 00、9: 00、17: 00 浓度较低; 酸类物质浓度呈现
较为明显的 2 个阶段: 9: 00—17: 00 浓度较高, 11: 00
时浓度最高; 19: 00—7: 00 浓度较低, 5: 00 浓度最
低, 白天高于夜晚; 醛类物质浓度是一条“单峰”曲
线, 在 19: 00 最高, 17: 00 次之。
( 4) 侧柏游憩林内的挥发物成分比较复杂, 既
有对人体健康有益的物质, 如 α-蒎烯, 也有对人体
有害的物质, 如碳原子大于 16 的正构烷烃 [ 1 4 - 15 ] 等。
本次测定的春季北京西山侧柏游憩林内烯烃浓度在
15: 00 浓度比较高, 而此时的苯系物、烷烃等对人体
健康有害的物质浓度较低。因此, 仅从挥发物角度
来看, 下午 15: 00 比较适合游人进行森林休闲活动。
鉴于 TVOC 对人体保健方面的影响角度考虑, 在城
市绿地建设中树种选择、植物配置方面不但要考虑
其观赏性, 还要考虑到保健功能, 以满足人们对城市
绿地休闲娱乐与保健养生并举的需求。
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