木荷枝叶挥发性有机物(VOCs)的季节差异及春季日变化

王金凤， 周 琦， 陈卓梅

(浙江省林业科学研究院， 浙江 杭州 310023)

木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ.)为山茶科(Theaceae)木荷属(SchimaReinw.)常绿阔叶大乔木，树冠浓密，树形优美。木荷的花呈白色，单独腋生或顶生成短的总状花序，开花时白花与绿叶互相辉映，香气淡雅；根皮和叶中含有鞣质，可入药，具有攻毒消肿、杀虫催吐的作用[1]；叶革质，耐火性强，不易燃烧[2]；树干通直，木材坚实致密、力学性质好[3]。因此，木荷是兼具观赏、药用、材用、生态景观及生物防火等性能的优良树种，在园林绿化中被广泛应用。

近年来，随着人们生活水平的提高及其对森林康养认识的提升，人们对园林绿化树种配置的要求越来越高。除绿化和美化效果外，人们更加关注植物配置的康养保健作用。植物的挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)是植物在次生代谢过程中产生的低沸点、易挥发的小分子化合物[4，5]，是十分重要的森林康养因子。目前关于木荷VOCs的研究较少，仅见吴楚材等[6]采用静态封闭式采样法对木荷枝叶及木材的芳香挥发物进行了分析，袁兴华等[2]及谢惜媚等[7]采用固相微萃取技术对木荷的花香成分进行了初探。然而，植物各部位合成与释放的VOCs有所不同[8]，且封闭式采样的实验结果存在较大误差[9]。枝叶是木荷释放VOCs的主要部位[6]，因此，对木荷枝叶VOCs的动态变化进行研究对了解木荷的康养保健作用具有重要意义。

鉴于此，本研究采用动态顶空采集法和热脱附-气质联用(TDS-GC-MS)技术[10-12]对春、夏、秋、冬4个季节木荷枝叶VOCs的成分组成和相对含量进行了比较，并对春季木荷枝叶VOCs的成分组成和相对含量的日变化进行了比较，以期揭示木荷枝叶VOCs的成分组成和含量的动态变化规律，为保健型园林景观树种的选择提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究选择的木荷样株生长在浙江省杭州市西湖区午潮山林场内的天然木荷林中。该林场位于东经120°00′13.71″、北纬30°11′46.21″，属亚热带季风气候，年平均气温17.8 ℃，年平均空气相对湿度70.3%，年平均降水量1 454 mm。

1.2 方法

1.2.1 木荷枝叶VOCs的采集 在午潮山林场天然木荷林内随机选取1株株龄8 a、生长健康且无病虫害的木荷植株，做好标记。于春季、夏季、秋季和冬季各选择1个晴朗无风日(分别为2018年4月27日、2018年8月24日、2018年10月26日和2019年1月24日)，在8：00至16：00间，每2 h取1次样。每次取样时在植株上选择树冠中部同一生长高度不同伸展角度长势旺盛、健康且向阳的3个枝条(含叶片)，作为3个重复。用采样袋(即Reynolds微波率袋，体积0.1 m3，美国Rennolds Metals公司)套住枝条后，立即用ZC-Q便携式双泵大气采样器(浙江恒达仪器仪表股份有限公司)将采样袋内空气抽尽，形成瞬时真空；随后，采用动态顶空采集法[13]进行VOCs采集。采样器流量0.1 m3·min-1，采集时间30 min。同时，在每个季节样品中设3个空白对照(即采样管不进行VOCs采集，其他处理相同)，用于校正本底影响。

1.2.2 木荷枝叶VOCs的检测 木荷枝叶VOCs的成分组成和相对含量测定采用热脱附-气质联用(TDS-GC-MS)技术，使用的仪器有TDU热脱附装置(德国Gerstel公司)、7890A气相色谱仪(美国Agilent公司)和5975C质谱仪(美国Agilent公司)。具体检测条件参照文献[13]。

1.3 数据处理和统计分析

将GC-MS分析获得的原始数据总离子流图(TIC)在NIST2008谱库中进行检索，结合色谱保留时间和匹配度鉴定化合物。采用色谱峰面积归一化法[11，13]计算各化合物的相对含量。

2 结果和分析

2.1 不同季节木荷枝叶VOCs的比较

对春、夏、秋、冬4个季节木荷枝叶VOCs的成分组成和相对含量进行统计，结果见表1。统计结果显示：从不同季节木荷枝叶VOCs中共鉴定出53种化合物，包括11种萜烯类化合物、3种烷烃类化合物、5种芳烃类化合物、7种醛类化合物、5种酮类化合物、3种醇类化合物、5种酯类化合物、5种有机酸类化合物及9种其他化合物。

表1 不同季节木荷枝叶挥发性有机物(VOCs)的成分组成和相对含量

春季木荷枝叶VOCs中共鉴定出26种化合物，包括7种萜烯类化合物、1种烷烃类化合物、3种芳烃类化合物、5种醛类化合物、2种酮类化合物、1种醇类化合物、1种酯类化合物、1种有机酸类化合物及5种其他化合物。其中，萜烯类化合物种类最多，总相对含量最高(58.03%)。春季木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物长叶烯、龙脑和樟脑的相对含量均较高，分别为26.93%、18.19%和8.74%；其他化合物中甲氧基苯基肟的相对含量也较高，为9.36%。除萜烯类化合物外，春季木荷枝叶VOCs中醛类化合物的总相对含量也较高，为14.69%。春季木荷枝叶VOCs中特有成分有15种，包括4种萜烯类化合物、1种烷烃类化合物、3种芳烃类化合物、2种醛类化合物、1种酮类化合物、1种酯类化合物及3种其他化合物，这些特有成分的相对含量均低于5%。

夏季木荷枝叶VOCs中共鉴定出21种化合物，包括5种萜烯类化合物、2种醛类化合物、2种酮类化合物、1种醇类化合物、4种酯类化合物、3种有机酸类化合物及4种其他化合物，缺少烷烃类和芳烃类化合物。与春季相同，夏季木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物的种类最多，总相对含量最高(58.95%)。夏季木荷枝叶VOCs中相对含量排在前3位的同样是萜烯类化合物长叶烯、龙脑和樟脑，相对含量分别为30.23%、13.32%和12.58%。除萜烯类化合物外，夏季木荷枝叶VOCs中其他化合物的总相对含量也较高(14.28%)。夏季木荷枝叶VOCs中特有成分有7种，包括1种萜烯类化合物、1种酮类化合物、3种酯类化合物、1种有机酸类化合物及1种其他化合物，这些特有成分的相对含量多在2%以下，仅3，5，5-三甲基-2-环已烯-1-酮的相对含量高于5%。

秋季木荷枝叶VOCs中共鉴定出18种化合物，包括4种萜烯类化合物、3种醛类化合物、1种酮类化合物、3种醇类化合物、1种酯类化合物、3种有机酸类化合物及3种其他化合物，缺少烷烃类和芳烃类化合物。与春季和夏季相同，秋季木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物种类仍然最多，总相对含量最高(42.24%)。秋季木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物樟脑、长叶烯和龙脑的相对含量均较高，分别为18.98%、11.56%和10.45%；醛类化合物2-乙基己醛和醇类化合物α，α-二甲基苄醇的相对含量也较高，分别为15.70%和10.88%。除萜烯类化合物外，秋季木荷枝叶VOCs中醛类化合物、醇类化合物和有机酸类化合物的总相对含量也较高，分别为24.70%、13.86%和10.87%。秋季木荷枝叶VOCs中特有成分有4种，包括1种醇类化合物、2种有机酸类化合物及1种其他化合物，这些特有成分的相对含量均低于5%。

冬季木荷枝叶VOCs中共鉴定出17种化合物，包括5种萜烯类化合物、2种烷烃类化合物、2种芳烃类化合物、5种醛类化合物、2种酮类化合物及1种其他化合物，缺少醇类化合物、酯类化合物和有机酸类化合物。冬季木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物和醛类化合物的种类同样多且最多，但萜烯类化合物的总相对含量最高(58.69%)。冬季木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物D-柠檬烯、长叶烯和樟脑以及醛类化合物2-乙基己醛的相对含量均较高，分别为33.00%、9.79%、8.56%和8.73%。除萜烯类化合物外，冬季木荷枝叶VOCs中醛类化合物和酮类化合物的总相对含量也较高，分别为18.56%和12.74%。冬季木荷枝叶VOCs中特有成分有10种，包括2种萜烯类化合物、2种烷烃类化合物、2种芳烃类化合物、1种醛类化合物、2种酮类化合物及1种其他化合物，其中，萜烯类化合物D-柠檬烯及酮类化合物环己酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮的相对含量均在5%以上，尤其是D-柠檬烯，在鉴定出的17种化合物中相对含量最高。

总体来看，4个季节木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物的总相对含量均最高，该类化合物以长叶烯、龙脑和樟脑为主，冬季木荷枝叶VOCs中还含有相对含量很高的D-柠檬烯。4个季节间，夏季木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物的总相对含量最高，接下来依次为冬季、春季、秋季，且夏季与春季和冬季木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物的总相对含量十分接近。值得注意的是，虽然秋季木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物的总相对含量在4个季节中最低，但仍远高于秋季木荷枝叶VOCs中其他类型化合物。比较发现，在春季木荷枝叶VOCs中鉴定出的化合物及特有成分的种类均最多；而在冬季木荷枝叶VOCs中鉴定出的化合物种类虽然最少，但特有成分的种类却较多。

2.2 春季木荷枝叶VOCs的日变化

由于在春季木荷枝叶VOCs中鉴定出的化合物种类最多，且其中对人体有益的萜烯类化合物相对含量较高，故对春季木荷枝叶VOCs的成分组成和相对含量的日变化进行分析，结果见表2。

表2 春季木荷枝叶挥发性有机物(VOCs)的成分组成和相对含量的日变化

在8：00，木荷枝叶VOCs中共鉴定出10种化合物，包括5种萜烯类化合物、2种醛类化合物及3种其他化合物。其中，萜烯类化合物的总相对含量最高(64.69%)，相对含量排前3位的化合物由高到低依次为长叶烯(36.67%)、龙脑(18.07%)、樟脑(4.46%)。其他化合物的总相对含量较高(29.92%)，其中，甲氧基苯基肟和苯胺的相对含量较高，分别为17.29%和10.31%。

在10：00，木荷枝叶VOCs中共鉴定出8种化合物，包括6种萜烯类化合物、1种醛类化合物及1种其他化合物。其中，萜烯类化合物的总相对含量高达84.64%，相对含量排前3位的化合物由高到低依次为长叶烯(32.69%)、龙脑(31.06%)、樟脑(11.50%)。其他化合物中，甲氧基苯基肟的相对含量仍较高，达到13.22%。

在12：00，木荷枝叶VOCs中共鉴定出8种化合物，包括4种萜烯类化合物、1种醛类化合物、1种醇类化合物及2种其他化合物。其中，萜烯类化合物的总相对含量为67.81%，相对含量排前3位的化合物由高到低依次为长叶烯(39.35%)、龙脑(20.88%)、樟脑(5.54%)。其他化合物的总相对含量较高(22.05%)，甲氧基苯基肟和苯胺的相对含量分别为16.28%和5.77%。醇类化合物α，α-二甲基苄醇的相对含量也较高，达到6.50%。

在14：00，木荷枝叶VOCs中共鉴定出11种化合物，包括4种萜烯类化合物、1种烷烃类化合物、2种醛类化合物、2种酮类化合物、1种酯类化合物及1种其他化合物。其中，萜烯类化合物的总相对含量最高(62.85%)，相对含量排前3位的化合物由高到低依次为长叶烯(25.92%)、龙脑(20.96%)、樟脑(13.20%)。醛类化合物的总相对含量较高(24.18%)，壬醛和己醛的相对含量分别为13.74%和10.44%。酯类化合物三乙基磷酸酯的相对含量也较高，达到8.07%。

在16：00，木荷枝叶VOCs中共鉴定出16种化合物，包括2种萜烯类化合物、3种芳烃类化合物、4种醛类化合物、2种酮类化合物、1种酯类化合物、1种有机酸类化合物及3种其他化合物。其中，醛类化合物的总相对含量最高(38.14%)，相对含量排前3位的化合物由高到低依次为己醛(16.43%)、壬醛(13.01%)、辛醛(6.02%)。酯类化合物、其他化合物、芳烃类化合物和萜烯类化合物的总相对含量接近，分别为16.66%、15.04%、11.40%和10.15%。

总体来看，在8：00至16：00木荷枝叶VOCs中，萜烯类化合物的总相对含量呈先升高后降低的变化趋势，在10：00达到峰值；醛类化合物的总相对含量的变化趋势正好相反，呈先降低后升高的变化趋势；其他化合物的总相对含量则呈波动变化。比较发现，木荷枝叶VOCs在8：00未鉴定出特有成分，在10：00和14：00各鉴定出1种特有成分〔分别为(S)-顺式-马鞭草烯醇和2，6，10-三甲基十四烷〕，在12：00鉴定出十四烷醛和α，α-二甲基苄醇2种特有成分，在16：00鉴定出8种特有成分，包括1种萜烯类化合物(雪松醇)、3种芳烃类化合物(邻乙基甲苯、1，3，5-三甲基苯和甘菊环)、1种醛类化合物(辛醛)、1种有机酸类化合物(正壬酸)和2种其他化合物(四氯乙烯和1，2-二氯-4-甲苯)。

3 讨论和结论

相关研究结果表明：植物VOCs的种类和含量呈现明显的季节变化规律[14-17]，有些植物VOCs的种类和含量在夏季或秋季达到高峰[8，18-20]，还有些植物VOCs的种类和含量在春季较高[8，21-23]，据此推断不同植物VOCs的高峰期存在较大差异，任何季节都可能是植物VOCs的高峰期。本研究结果表明：春季木荷枝叶VOCs中化合物种类最多(26种)，夏季、秋季和冬季木荷枝叶VOCs中化合物种类逐渐减少。4个季节木荷枝叶VOCs均以萜烯类化合物为主，且萜烯类化合物的总相对含量在春季、夏季和冬季木荷枝叶VOCs中较为接近，但在秋季木荷枝叶VOCs中相对较低。有研究发现，植物VOCs受到植物自身[14，24，25]及环境因子的综合影响[26-28]。为了更好地进行自我防御、抵抗病虫害的侵袭，植物嫩叶往往含有丰富的VOCs[29]。本研究的春季采样时间为4月下旬，此时正处于木荷的抽芽展叶伸枝阶段[30]，此时枝叶VOCs中特有成分的种类最多(15种)，推测这可能是木荷植株为了避免幼嫩枝叶遭受虫害等损伤而合成并释放出大量的特有成分。除植物自身生长的影响外，光强和温度也是影响植物VOCs特别是单萜类化合物的主要因子[8，28]。木荷在春季生长旺盛[30]，VOCs中化合物种类较多，但在冬季却生长缓慢[30]，VOCs中化合物种类最少。研究发现，在一定的温度范围内，植物VOCs的释放能力随着外界温度的升高而增强[8，14，28]。多数温带和热带植物VOCs中化合物的含量约在40 ℃条件下最高，但在超过40 ℃后则随温度升高而降低[31，32]。本研究中，尽管夏季木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物的总相对含量最高，但基本与春季和冬季持平，且VOCs中化合物种类以春季最多，推断这可能是因为木荷植株受到夏季强光和高温的影响。相关研究结果表明：植物体内挥发物的释放主要通过叶片上的气孔来完成[33]。在一定光照强度范围内，气孔开度随着光照强度升高而增大，通过气孔释放的VOCs随之增加；但当光照强度超过一定阈值后，气孔开度变小，通过气孔释放的VOCs也随之降低。推测当夏季温度较高时，木荷叶片的气孔变小或关闭，从而阻碍VOCs的释放。

植物VOCs有明显的日变化特征，一般表现为白天高于夜间，下午高于上午[17]。本研究中，春季木荷枝叶VOCs中化合物种类在16：00最多(16种)，在10：00和12：00种类同样多且最少(8种)。并且，木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物的总相对含量呈先升高后降低的变化趋势，在10：00达到峰值，与春季木荷叶片净光合速率日峰值的时间[34]基本吻合，据此推测木荷枝叶VOCs中萜烯类化合物含量可能与其自身的光合作用相关，具体原因有待进一步研究。

植物VOCs对于大气环境和人体健康都十分重要，特别是萜烯类化合物，具有很强的保健作用。不但可增强空气清新感、调节人体神经系统，而且能抑菌、净化环境[35]。结合本研究及相关研究结果[2，6，7]，认为木荷的枝叶、木材和花均可释放大量对人体有益的萜烯类化合物。从VOCs角度看，木荷是一种优良的保健型生态树种，其枝叶在一年四季尤其是春季白天的大部分时间可释放大量对人体有益的萜烯类化合物，可作为营建保健型园林景观的树种。