植物源挥发性有机化合物(biogenic volatile organic compounds, BVOCs)是植物次生代谢过程中生成的低沸点、易挥发的小分子化合物[1].BVOCs种类繁多, 但主要包括异戊二烯(C5H8, isoprene)、单萜(C10H16, monoterpenes)和倍半萜烯(C15H24, sesquiterpenes)[2,3], 其中异戊二烯约占BVOCs总排放量的44%, 单萜占到11%, 倍半萜烯占3%[4,5]. BVOCs对生态环境和人体健康有正负两方面的影响, 一方面, 它们参与植物生长和繁殖[6], 作为信号物质向周围邻近植物传递信息, 从而抵御外界环境胁迫[7], 植物释放的某些挥发性物质还能杀菌抑菌、振奋精神、祛病保健[8,9].另一方面, BVOCs活性高[10], 容易与空气中的氮氧化物(NOx)、氢氧自由基(·OH)等反应, 增加对流层臭氧(O3)浓度[11], BVOCs的光化学氧化产物会凝结成二次有机气溶胶(secondary organic aerosols, SOA)[12], 对城市光化学烟雾的形成产生巨大贡献.此外, 大多数BVOCs最终以CO2的形式进入生态系统碳循环, 这会加剧温室效应, 影响全球气候[13].据统计, 全球BVOCs排放量约为1.15×109 t·a-1[5,14].远高于人为源挥发性有机化合物(anthropogenic volatile organic compounds, AVOCs)排放.因此, 探究BVOCs释放有助于进一步了解陆地生态系统对区域空气质量和全球气候变化的影响.

绿化树种是城市生态系统的重要组成部分, 在维持城市生态平衡, 改善和缓解城市生态环境问题等方面起着无可替代的重要作用, 如大面积城市绿化可以防风固沙和净化空气; 植物还能通过光合作用固碳释氧, 减缓城市“热岛效应”[15,16].然而, 除了提供各种调节和文化服务, 城市绿化树种还是区域BVOCs排放的重要来源[14].相较于其他NOx排放量较低的区域, 城市一般为VOCs限制地区, 大气O3和SOA浓度对城区BVOCs排放量的变化更加敏感[17].有研究表明城市绿地使用低BVOCs排放量的树种可显著提高空气质量[18].过去几十年, 为提高城市居民生活质量, 植物造林工程在各大城市不断实施, 以北京市为例, 截至2018年市内绿化覆盖率已增长至48.4%, 实有树木也增加到15 387.48万株.然而, 有关部门在筛选及种植绿化树种时, 主要侧重于树种的存活能力和营造的景观美学效果[19], 甚少关注城市绿化树种BVOCs释放特征和能力、O3形成潜力和区域O3污染贡献能力等[20].

叶片BVOCs排放受环境因素(如温度、光照、湿度及土壤水分含量)、植物个体发育状态(树龄、叶龄、生长阶段)及叶片生理状况差异(如光合作用能量供应、气孔开度大小)等多方面的影响[7,19,21,22].前人已经做了很多有关环境因子和植物个体发育状态的研究, 揭示BVOCs随着温度和光照的升高而明显增加的响应[3,23], 并总结成熟叶片BVOCs的释放速率大于幼叶的释放速率[24,25].然而, 由于复杂的代谢过程, BVOCs与叶片生理生化指标之间的关系尚无准确定论, 植物不同科属间BVOCs释放速率与叶片光合作用参数相关性的研究也相对稀缺.本研究系统调查了14种北方常见绿化树种BVOCs排放规律和排放特征, 并同步测定BVOCs合成与释放相关的光合生理特性(如光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率), 探究BVOCs释放速率与植物叶片光合参数的相关性, 通过揭示不同树种BVOCs释放差异的成因和机制, 以期为筛选城市园林绿化植物和优化城区空气质量提供理论参考和科学依据.

依据文献[26]以及中国林业网统计资料, 研究筛选杂交杨‘546’(Populus deltoides cv. ‘55/56’× P.deltoides cv. ‘Imperial’)、速生杨‘107’(P. euramericana cv. ‘74/76’)、小叶杨(Populus simonii Carr)、垂柳(Salix babylonica)、国槐(Sophora japonica)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、龙爪槐(S. japonica Linn. var. japonica f. pendula Hort)、白蜡(Fraxinus chinensis Roxb)、丁香(Syringa oblata Lindl)、金银木Lonicera maackii(Rupr.)Maxim]、栾树(Koelrenteria paniculate)、元宝枫(Acer truncatum Bunge)、榆树(Ulmus pumila L.)和海棠(Malus prunifolia)等14种常见落叶乔木为研究对象.实验区主要集中在北京及周边郊区, 北京地处中纬度亚欧大陆东岸, 属于典型的温带大陆性季风气候, 冬寒夏凉, 年平均气温10.2℃, 夏季平均气温22~25℃, 年降水量443~550 mm, 年平均日照2 800 h, 全年无霜期160~200 d.

本研究采用动态采样装置收集叶片BVOCs, 该装置由便携式光合测定仪(Li-6400)、Tenax吸附管和气体采样泵组成, 详细装置流程见文献[27], BVOCs测定时可同步测定叶片光合作用参数.对比传统采样方法, 该方法可有效控制叶温和光照等环境参数, 实验操作严谨, 数据精确[28].2019年8月3日至9月1日, 选择晴朗无风天气, 于10:00~14:00对不同科属绿化树种向阳背风且叶面无损伤叶片进行BVOCs样品采集, 叶片均距离地面1.5~2 m, 每次样品的采集时间为25 min, 采样泵流速为250 mL·min-1.为保证实验数据的可靠性和对比性, 每个树种选择健康、树龄相同、长势基本一致的5个标准株进行BVOCs样品采集.样品采集前测定其光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率, 样品采集过程中根据外界环境控制温度和光照, 并同步记录叶温(Tleaf)和光合有效辐射(PAR)用于BVOCs排放速率标准化.BVOCs样品收集之后, 立即存储于4℃恒温冰箱中, 之后用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行定性和定量分析.

样品分析采用热脱附-气相色谱-质谱联用仪(TD-GC-MS, 安捷伦, 美国)检测, 该仪器操作简便, 灵敏度高.由于不同物质在色谱图上的保留时间不同, 使用软件自带的NIST11. L谱库对其进行初步检索、定性分析.随后, 配制异戊二烯(isoprene)、α-蒎烯(α-pinene)、β-蒎烯(β-pinene)、柠檬烯(limonene)、β-月桂烯(β-myrcene)、罗勒烯(ocimene)、γ-松油烯(γ-terpinene)和石竹烯(caryophyene)这8种物质的甲醇标准系列溶液, 根据其色谱图上响应值的不同绘制标准曲线, 进行定量分析.由于采样过程中实际Tleaf和PAR会随外界环境变化而小幅波动, 最终将14种不同绿化树种BVOCs释放速率按照“G93”[3]算法进行标准化处理[Tleaf = 30℃，PAR = 1 000 μmol·(m2·s)-1].

检测系统各部件运行条件如下.

(1) 热脱附系统 温度：250℃, 解析时长：5 min, 冷阱温度：-50℃.

(2) GC-MS系统 脱附后的气体样品进入HP-5MS石英毛细管色谱柱(安捷伦, 美国), 色谱柱规格：长30 m×直径0.25 mm×膜厚度0.25 μm, 氦气作为载气, 气体流速为1 mL·min-1, 升温程序：初始温度35℃(2 min)5℃·min-1160℃(3 min)20℃·min-1270℃(3 min).MS系统以EI源方式电离, 质子扫描范围：30~300 (m/z).

利用Excel对数据进行初步整理, 应用SPSS25.0软件进行方差齐性检验和ANOVA方差分析, 选用最小显著差异t检验(least significant difference, LSD)和q检验(student-newman-keuls, S-N-K)对14种北方绿化树种BVOCs释放速率进行多重比较和显著性分析.应用SPSS对BVOCs释放速率与光合作用参数作相关分析, 得到皮尔逊相关系数(pearson correlation coefficient, PCCs), 进行显著性检验.最后运用Origin 2017绘图, 文中数据均为平均值(n = 5)±标准误差(SE).

不同绿化树种之间释放的物质以及释放速率存在显著差异(表 1).杨柳科植物中的两种不同基因型的黑杨异戊二烯释放速率显著高于小叶杨和垂柳, 分别为(89.9±8.6) μg·(g·h)-1和(91.8±10.0) μg·(g·h)-1.就单萜和倍半萜烯的释放情况来看, 4种杨柳科植物均释放一定量的单萜, 杂交杨‘546’和垂柳单萜释放量较高, 速生杨‘107’和小叶杨单萜释放速率均低于1 μg·(g·h)-1, 杂交杨‘546’和小叶杨均无倍半萜烯化合物释放.国槐、刺槐和龙爪槐这3种槐属豆科植物异戊二烯释放水平相似, 刺槐的倍半萜烯释放速率最高为(0.8±0.3) μg·(g·h)-1, 而国槐的单萜释放速率最高.木犀科植物白蜡和丁香BVOCs总体释放量不高, 且异戊二烯释放水平较低, 白蜡无异戊二烯释放, 但单萜的释放速率较高, 达到(10.6±4.8) μg·(g·h)-1.其他科5种绿化树均为低排放树种, 海棠和栾树释放少量异戊二烯、单萜和倍半萜烯, 元宝枫不释放异戊二烯, 但释放大量单萜[(11.8±6.4) μg·(g·h)-1]和少量倍半萜烯[(0.6±0.2) μg·(g·h)-1].榆树和金银木则未检测出任何萜烯类挥发物释放.总的来看, 杨柳科植物异戊二烯和总BVOCs释放速率显著高于木犀科和其他科植物, 而单萜和倍半萜烯由于释放速率较低, 不同科型树种间无显著释放差异(图 1).

图 2(a)是绿化树种单萜释放种类及释放特征情况, 从结果可以看出, 12种绿化树释放2~6种单萜, 元宝枫释放的单萜物质种类最多且释放速率最大, 白蜡次之, 龙爪槐和丁香仅释放α-蒎烯和γ-松油烯两种单萜类物质.从各组分在单萜总释放量中所占的比例来看[图 2(b)], 绿化树种主要释放β-蒎烯和罗勒烯; 龙爪槐、丁香释放的α-蒎烯占比均超过90%;小叶杨、刺槐和白蜡主要释放罗勒烯和γ-松油烯, 释放量占总单萜排放的80%以上.垂柳和元宝枫释放少部分β-蒎烯, 其他树种不释放该物质.

表 1将本文实验值与国内外文献中排放速率值进行对比, 发现大部分数据均与已有研究值吻合, 但有少部分树种如白蜡、元宝枫和榆树等由于单萜、倍半萜烯释放量较低, 存在较大差异.总的来说, 杨属、柳属和槐属植物主要排放异戊二烯, 黑杨释放速率最高, 其他科属植物以单萜、倍半萜烯释放为主, 异戊二烯释放量较低, 甚至不释放.

植物通过气孔与外界进行气体交换, 光合作用和蒸腾作用是植物维系自身生长和保持植物体内外动态平衡的重要调控手段.本实验结果表明不同绿化树的光合特征存在显著差异(图 3), 杨柳科植物中杂交杨树‘546’、速生杨‘107’和小叶杨净光合速率(Pn)显著高于垂柳, 豆科植物中国槐Pn(以CO2计, 下同)最高, 刺槐最低, 分别为(20.3±0.5) μmol·(m2·s)-1和(8.4±0.7) μmol·(m2·s)-1.白蜡和丁香两种木犀科植物的Pn也存在显著性差异, 白蜡Pn显著高于丁香, 其他科植物海棠、栾树、榆树的Pn显著大于元宝枫, 大小依次为：榆树[(16.1±1.0) μmol·(m2·s)-1]>栾树[(15.3±0.8) μmol·(m2·s)-1]>海棠[(14.8±1.1) μmol·(m2·s)-1]>元宝枫[(10.6±1.5)μmol·(m2·s)-1].

气孔导度(gs)(P = 0.002)和胞间CO2浓度(ci)(P = 0.004)也存在明显种间差异.刺槐和垂柳的gs(以H2O计, 下同)显著低于其他杨柳科和豆科树种, 分别为(0.07±0.005) mol·(m2·s)-1、(0.1±0.01) mol·(m2·s)-1.杂交杨树‘546’、速生‘107’以及小叶杨3种杨树间gs无显著差异, 而光合能力较强的国槐gs却小于龙爪槐; 木犀科、忍冬科、蔷薇科、无患子科、槭树科和榆科植物gs均低于0.3 mol·(m2·s)-1.

刺槐的ci(以CO2计, 下同)显著低于其他树种, 摩尔分数为(168.6±4.8) μmol·mol-1, 杂交杨‘546’、速生杨‘107’、垂柳、白蜡、丁香、金银木、栾树和榆树这8种绿化树种ci无显著差异(P>0.05), 国槐、小叶杨和龙爪槐ci最高, 分别为(295.2±7.2) μmol·mol-1、(281.1±5.1) μmol·mol-1和(265.6±2.9) μmol·mol-1.

从图 3(d)中可以看出, 龙爪槐的蒸腾速率(以H2O计, 下同)最高[(9.0±0.3) mmol·(m2·s)-1], 显著高于其他绿化树种, 栾树其次[(6.1±0.6) mmol·(m2·s)-1].除了刺槐和海棠蒸腾作用较弱, 其他10种树之间Tr无显著差异(P>0.05), 且蒸腾速率范围在3~6 mmol·(m2·s)-1之间.

将不同科型树种释放速率与光合作用参数建立关系, 发现杨柳科植物和豆科植物与光合作用参数存在一定的相关性, 而木犀科、槭树科和榆科等植物与光合作用参数无显著相关性.表 2分别列出杨柳科、豆科树种异戊二烯、单萜、倍半萜烯以及总BVOCs释放速率与光合参数的皮尔逊相关系数, 从分析结果可以看出, 杨柳科植物的异戊二烯(P < 0.01)和总BVOCs(P < 0.01)排放仅与Tr呈显著正相关, 与Pn、gs和ci无显著相关性, 单萜、倍半萜烯和4个参数都不存在明显相关关系.国槐、刺槐和龙爪槐这3种豆科植物总BVOCs的排放与ci呈显著正相关(P = 0.04), 倍半萜烯的释放速率与Tr呈显著正相关(P = 0.04), 异戊二烯和单萜的释放速率与光合作用参数无显著相关性.

BVOCs由各种碳氢化合物组成, 包括烷烃、萜类、醛类、醇类、醚类、酯类和酸类等[22].90种不同科植物排放大约1700种挥发性有机化合物[4].从排放数量上看, 类异戊二烯(异戊二烯、单萜和倍半萜烯)是最重要的BVOCs[37].本文在研究排放特征时只关注上述3种主要的类异戊二烯物质.陈颖等[38]研究沈阳地区8种典型绿化树的BVOCs释放规律, 发现树种间BVOCs释放组成和比例存在显著差异, 银中杨、垂柳、丁香和水腊这4种阔叶树主要排放异戊二烯, 皂角、榆树和银杏排放柠檬烯, 针叶树油松主要排放α-蒎烯, 研究结果与本文部分树种一致, 但本次实验中未检测出榆树的BVOCs释放, 这可能与实验方法、植物的生长状态及周围环境条件有关[39,40].本研究调查的14种常见绿化树中, 杨柳科、豆科植物排放大量异戊二烯, 金银木和榆树不释放任何萜类物质, 其他树种均释放单萜, 另外, 仅有8个树种释放倍半萜烯, 这与Matsunaga等[41]研究东京地区29种常见的行道树释放特征相同.树种差异除了会导致成分的不同, 也是释放速率存在种间差异的根本原因, 表 1的结果也证实了这一点.国内外这方面的研究与本文类似, 如张倩等[42]对桧柏、绦柳、西府海棠和国槐这4种天津市常见绿化树的排放特征进行了分析, 发现杨柳科植物BVOCs排放量相对来说最高, 达到2 100 g·(株·a)-1左右, 其次是松科、桑科和豆科植物, 槭树科和蔷薇科挥发物排放量较弱, 其他科如木犀科和苦木科植物排放量最低, 仅为杨柳科的1/1 000. Owen等[21]对杨梅属、松属和栎属等7属10种植物的BVOCs释放情况进行了比较, 发现70%的树木为低释放树种, 中释放和高释放树种的释放速率分别在5~10 μg·(g·h)-1之间和10 μg·(g·h)-1以上.此外, 同属不同种树木之间排放速率也相差较大, 有研究发现栎属26种树的BVOCs排放速率最大相差22倍[43].

另外, 对植物萜烯成分分析的结果表明, 绿化树种排放单萜在组成和占比上存在显著差异.α-蒎烯、β-蒎烯等6种物质对绿化树单萜释放物的贡献率相似, 其中β-蒎烯(20.5%)和罗勒烯(23.0%)的贡献率相对较大.国外学者研究地中海地区40种植物VOCs排放情况, 发现α-蒎烯、柠檬烯是其排放的主要成分[44]. Wang等[45]的研究发现不同菌种大麻排放的萜烯组成也存在较大差异, 生长高峰期以排放β-月桂烯(18~60%)和柠檬烯(3~29%)为主.

植物叶片光合作用参数能够反映植物的光合性能和生长状况等, 是植物与外界物质传输的量化形式.通过对4个指标的测定发现, 不同绿化树种叶片光合参数存在显著差异, 这可能是植物自身特性不同所致.考虑到其他科植物种类少, BVOCs释放量较低且无明显相关性, 本文只分析杨柳科和豆科植物挥发性物质排放与光合参数的关系.尽管异戊二烯、单萜和倍半萜烯的合成与释放主要依赖于叶片光合作用提供的能量(ATP)、还原型辅酶Ⅱ(NADPH)和碳源, 但是植物排放的BVOCs与叶片净光合速率的不匹配的现象在多种温带或热带植物的研究中被发现[46].本文的研究结果中, 不论杨柳科植物还是豆科植物, 净光合速率与BVOCs释放均无显著相关性.Guidolotti等[47]对不同基因型杨树的异戊二烯释放速率与光合作用进行相关性分析也发现两者间并无关系, 研究中还发现杨树叶片的光合固碳速率快于异戊二烯的生成速率, 推测BVOCs释放速率与光合作用无显著相关性与两者间存在时间差有关.

许多研究揭示异戊二烯和单萜是通过气孔排放[24,48,49], 以前的研究重点多放在气孔导度对BVOCs释放的影响上. Filella等[50]的研究发现植物叶片的单萜排放与气孔导度呈正相关, 但也有一些研究发现气孔导度与植物BVOCs释放并无关系[21,51], 这与本文的研究结果一致.Eller等[25]在8月对松林成熟树木BVOCs释放速率进行测定, 将其与光合作用参数建立相关性, 发现总BVOCs的释放速率与气孔导度无关, 甚至单萜的释放速率随着气孔导度的升高而降低.

叶片蒸腾作用促进了杨柳科植物异戊二烯释放以及豆科植物的倍半萜烯释放.植物通过蒸腾作用向外界输送和吸收水分以及矿物质, 还会影响BVOCs与外界的交换速率[52].有研究表明蒸腾速率与BVOCs存在很强的正相关关系[24,25,37], 本文也得到了类似的结论.由于线粒体呼吸过程和叶绿体中类异戊二烯物质生成过程之间存在前体物磷酸烯醇丙酮酸(PEP)的代谢竞争, 许多研究发现ci与异戊二烯或单萜排放速率显著负相关[47,51,53].然而, 也有研究表明ci并不影响异戊二烯和单萜的释放[54].本文中, 杨柳科树种BVOCs释放速率与ci无显著相关性, 但豆科植物的总BVOCs释放速率与ci显著正相关, 表明BVOCs释放速率与ci之间的关系具有树种特异性.当然, 本研究中树种较少且组内BVOCs释放速率差异较小也是可能的原因, BVOCs释放与光合特征的响应关系研究还需扩大树种量, 开展更多相关的研究工作.本文的研究结果可供城市绿化树种筛选及环境保护部门BVOCs控制规划提供科学参考, 为不同树种间BVOCs释放机制的研究提供理论依据.

(1) 本研究对北京市14种常见绿化树种BVOCs释放情况进行了详细地分析, 除了金银木和榆树未发现有VOCs释放, 其他树均释放异戊二烯或单萜, 速生杨‘107’、垂柳和刺槐等8种绿化树均释放倍半萜烯.杨柳科和豆科植物BVOCs总体释放量较高, 速生杨‘107’和杂交杨‘546’异戊二烯释放速率最高, 其次是垂柳、小叶杨和国槐等; 元宝枫单萜释放速率最高[(11.8±6.4) μg·(g·h)-1]; 绿化树种的倍半萜烯释放能力普遍较低, 速生杨‘107’的倍半萜烯释放速率最高[(1.7±0.4) μg·(g·h)-1], 其他树种倍半萜烯释放速率均不超过1.0 μg·(g·h)-1.

(2) 从单萜种类和组成比例来看, 元宝枫和垂柳6种单萜物质均有释放, 龙爪槐和丁香仅释放两种单萜, 分别为α-蒎烯和γ-松油烯.β-蒎烯和罗勒烯对绿化树种单萜释放贡献较大, 部分树种也排放α-蒎烯、柠檬烯和β-月桂烯等具有芳香气味的物质.

(3) BVOCs释放与光合作用参数的相关分析结果与以往的研究稍有不同, 本文仅发现杨柳科植物异戊二烯释放与Tr呈显著正相关, 豆科植物总BVOCs释放速率与ci显著正相关, 倍半萜烯释放速率与Tr呈显著正相关, BVOCs释放速率与叶片Pn和gs两个参数未发现显著相关性.