中水灌溉对城市绿地草坪VOCs的影响研究

马昆伦，　田　媛，　王　琦，　刘效兰，　孙明珠

(北京工商大学 化学与环境工程学院， 北京　100048)

自然界生态系统中的绿色植物在进行光合作用的同时，也向环境释放微量的挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)[1]. 植物VOCs的合成是在不同组织器官的生理代谢过程中产生的，主要通过植物叶片散发到空气中. 植物排放的VOCs占全球VOCs排放的90%以上，且种类繁多,但主要为异戊二烯和单萜烯[2-3]. 在生态系统中，VOCs不仅是重要的化学信息传递物质，而且对全球碳循环、酸性降水与光化学烟雾的形成都起着非常重要的作用，因而成为近十几年来大气化学的研究热点之一[4-5].

在当今水资源匮乏，中水回用日益增加的形势下[6]，分析中水灌溉对植物生长的影响，研究采用中水对城市绿地植被进行灌溉的可行性具有重要意义. 本实验通过模拟城市绿地生态，并对模拟绿地释放的VOCs样本进行采集，讨论中水与清水灌溉条件下，3种常用绿化草释放的VOCs异同以及中水对植物生长的影响，进而分析用中水灌溉对植物释放的VOCs的影响，希望为使用中水灌溉城市绿地提供科学依据.

1　实验部分

1.1　测定VOCs的实验仪器及研究方法

用GERSTEL大气采样器、封闭式亚克力全透明采样箱和Tenax-TA型热脱附采样管，封闭采样[7]. 用主动吸附法对草样进行吸附采集，并用GC/MS 6890N-5975C型气质联机进行物质组成含量分析.

实验用草采用3种常见的绿化草坪用草：早熟禾、高羊茅、黑麦草；实验用水选用自来水和北京工商大学中水站出水. 实验前对所模拟的城市绿地3种用草进行种植，种植量为60盆，花盆的规格为50 cm×25 cm×8 cm，每盆草种的播种量为20 g，均匀种植. 其中，30盆草浇灌清水，30盆草浇灌中水.

选择晴朗无风的天气，在北京工商大学中水站外阳光充足的空地，于10：00～11：00，13：00～14：00，15：00～16：00三个时段，以300 mL/min流量各采样1 h. 样品采集后，在4 ℃下保存待分析.

1.2　中水水质指标及测定方法

综合考虑各方面因素，对所用中水中的COD、BOD5、总氮、总磷和pH值进行了测定. 按照农田灌溉水质标准(GB 5084—2005)中评价因子的选择及检测方法. 具体情况见表1.

表1　水质检测指标及方法

2　结果与讨论

2.1　中水水质检测结果

利用表1中所示条件及仪器对实验所用中水水质进行测定，结果如表2.

表2　实验用水水质情况

通过和GB 5084—2005中内容比较，本实验所用中水符合灌溉水质标准.

2.2　土壤背景值测定结果

土壤为实验背景的参考值，因此对空白土壤样本分别用中水与清水灌溉，并对其释放的VOCs进行采集测定，采集方法和测定方法与测定3种草释放的VOCs方法相同. 得到清水与中水浇灌下的土壤峰面积百分比以及峰面积积分值，见表3.

表3　空白土壤的峰面积积分表

续表3

2.3　两种水浇灌下3种绿化用草释放的全部VOCs种类及含量比较

分别对用清水、中水灌溉的3种绿化用草进行采样，然后结合GC/MS联机分析并经计算机分析，对每组样品值进行加权平均，得到大约32种峰面积百分含量最大的物质，结果见表4.

表4　清水、中水灌溉下3种草释放的全部VOCs种类及峰面积百分比

续表4　%

将表3中数据与表4中3种草的VOCs值比较，可看出，土壤空白背景值对植物VOCs的影响相对来说比较小，其VOCs的组分相对较低，烯烃类的挥发远小于3种草的挥发量，对本实验的草样VOCs测定分析干扰较低；苯系物组分含量比较多，但其不是植物VOCs挥发的组分，对本实验影响也不大. 因此得出，土壤本身对3种草的VOCs释放干扰影响较低，对本实验影响很小，可以忽略.

对表4中32种物质按峰面积百分比大小归类，可以看出，3种绿化用草所释放VOCs种类主要有：萜类、烷烃、醇、醛、酮、酸、酯七类. 其中3种草对萜的挥发量均最多，其次是烷烃类与醛类. 而萜类中占较大比重的是：β-蒎烯、异戊二烯以及罗勒烯.

对清水灌溉和中水灌溉条件下3种草释放的VOCs量比较可以看出：中水浇灌下的植物与用清水浇灌的植物，所释放的VOCs，在种类上基本一致，同时所挥发的量差异也很小.

2.4　3种绿化用草释放的7类VOCs情况比较

将中水与清水浇灌下3种绿化用草的7类有机物挥发的样本值进行峰面积积分处理、加权平均后做统计分析. 根据统计结果，对3种绿化用草释放的7类VOCs作柱状图，如图1至图3.

图1　高羊茅清水与中水灌溉后释放的VOCs比较结果Fig.1　Tall fescues of water with the irrigation water can be more VOCs

图2　黑麦草清水与中水灌溉后释放的VOCs比较结果Fig.2　Ryegrass of water with the irrigation water can be more VOCs

图3　早熟禾清水与中水灌溉后释放的VOCs比较结果Fig.3　Kentucky bluegrass of water with the irrigation water can be more VOCs

由图1至图3可以看出，3种绿化用草所释放的7类物质中，都是萜类所占比例最大. 高羊茅挥发的VOCs中，7类有机物所占比重由多到少分别为：萜类、烷烃类、醛类、醇类、酯类、酸类和酮类；黑麦草挥发的VOCs中，7类有机物所占比重由多到少分别为：萜类、烷烃类、醛类、酯类、醇类、酸类和酮类；早熟禾挥发的VOCs中，7类有机物所占比重由多到少分别为：萜类、烷烃类、醛类、醇类、酯类、酸类和酮类. 清水与中水浇灌下3种绿化草各自释放的7类VOCs组成与含量相差很少；两种用水灌溉下3种绿化草均释放萜类、烷烃类、醛类、醇类、酯类、酸类和酮类7类有机物. 其中，高羊茅烷烃类的释放量在7类有机物中相差最大；黑麦草萜类的释放量7类有机物中相差最大；早熟禾酮类的释放量在7类有机物中相差最大.

3　结论与建议

1) 清水、中水灌溉下，3种城市常用绿草：早熟禾、黑麦草、高羊茅释放的VOCs种类基本一致，主要为萜类、烷烃类、醛类、醇类、酯类、酸类和酮类7类有机物；释放量也相差很少，其中释放量最多的是萜类，萜类里又以异戊二烯和β-蒎烯为主. 萜类的峰面积占到总峰面积的30%以上，其次是烷烃类，约占总峰面积的9%～11%.

2) 两种水灌溉下，3种绿化草所释放的7类有机物组成与含量相差很少. 其中，高羊茅在烷烃类的释放上是7类有机物中相差最大的，黑麦草在萜类的释放上是7类有机物中相差最大的，早熟禾在酮类的释放上是7类有机物中相差最大的.

3) 通过对土壤空白样本的采集测定，发现土壤VOCs的物质组分相对较低，对3种草的VOCs释放干扰较小，对本实验基本无影响，可忽略.

本研究从化学生态学入手，分析了用中水与清水浇灌对3种常用绿化草VOCs的释放规律及其对植物生长的影响，实验涉及植物化学生态学、植物生理生态学、水质监测等多方面内容，是一个多学科交叉的新兴研究领域，在今后的工作中还要从深度、广度上进一步探讨. 植物在生长过程中释放大量的VOCs是其生态适应性的表现，植物为什么释放这些物质值得深入探讨. 同时，用中水灌溉，对植物是否存在其他影响也需进行研究.