中水灌溉對城市綠地草坪VOCs的影響研究

馬昆倫，　田　媛，　王　琦，　劉效蘭，　孫明珠

(北京工商大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 北京　100048)

自然界生態(tài)系統(tǒng)中的綠色植物在進行光合作用的同時，也向環(huán)境釋放微量的揮發(fā)性有機物(volatile organic compounds,VOCs)[1]. 植物VOCs的合成是在不同組織器官的生理代謝過程中產(chǎn)生的，主要通過植物葉片散發(fā)到空氣中. 植物排放的VOCs占全球VOCs排放的90%以上，且種類繁多,但主要為異戊二烯和單萜烯[2-3]. 在生態(tài)系統(tǒng)中，VOCs不僅是重要的化學(xué)信息傳遞物質(zhì)，而且對全球碳循環(huán)、酸性降水與光化學(xué)煙霧的形成都起著非常重要的作用，因而成為近十幾年來大氣化學(xué)的研究熱點之一[4-5].

在當(dāng)今水資源匱乏，中水回用日益增加的形勢下[6]，分析中水灌溉對植物生長的影響，研究采用中水對城市綠地植被進行灌溉的可行性具有重要意義. 本實驗通過模擬城市綠地生態(tài)，并對模擬綠地釋放的VOCs樣本進行采集，討論中水與清水灌溉條件下，3種常用綠化草釋放的VOCs異同以及中水對植物生長的影響，進而分析用中水灌溉對植物釋放的VOCs的影響，希望為使用中水灌溉城市綠地提供科學(xué)依據(jù).

1　實驗部分

1.1　測定VOCs的實驗儀器及研究方法

用GERSTEL大氣采樣器、封閉式亞克力全透明采樣箱和Tenax-TA型熱脫附采樣管，封閉采樣[7]. 用主動吸附法對草樣進行吸附采集，并用GC/MS 6890N-5975C型氣質(zhì)聯(lián)機進行物質(zhì)組成含量分析.

實驗用草采用3種常見的綠化草坪用草：早熟禾、高羊茅、黑麥草；實驗用水選用自來水和北京工商大學(xué)中水站出水. 實驗前對所模擬的城市綠地3種用草進行種植，種植量為60盆，花盆的規(guī)格為50 cm×25 cm×8 cm，每盆草種的播種量為20 g，均勻種植. 其中，30盆草澆灌清水，30盆草澆灌中水.

選擇晴朗無風(fēng)的天氣，在北京工商大學(xué)中水站外陽光充足的空地，于10：00～11：00，13：00～14：00，15：00～16：00三個時段，以300 mL/min流量各采樣1 h. 樣品采集后，在4 ℃下保存待分析.

1.2　中水水質(zhì)指標及測定方法

綜合考慮各方面因素，對所用中水中的COD、BOD5、總氮、總磷和pH值進行了測定. 按照農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準(GB 5084—2005)中評價因子的選擇及檢測方法. 具體情況見表1.

表1　水質(zhì)檢測指標及方法

2　結(jié)果與討論

2.1　中水水質(zhì)檢測結(jié)果

利用表1中所示條件及儀器對實驗所用中水水質(zhì)進行測定，結(jié)果如表2.

表2　實驗用水水質(zhì)情況

通過和GB 5084—2005中內(nèi)容比較，本實驗所用中水符合灌溉水質(zhì)標準.

2.2　土壤背景值測定結(jié)果

土壤為實驗背景的參考值，因此對空白土壤樣本分別用中水與清水灌溉，并對其釋放的VOCs進行采集測定，采集方法和測定方法與測定3種草釋放的VOCs方法相同. 得到清水與中水澆灌下的土壤峰面積百分比以及峰面積積分值，見表3.

表3　空白土壤的峰面積積分表

續(xù)表3

2.3　兩種水澆灌下3種綠化用草釋放的全部VOCs種類及含量比較

分別對用清水、中水灌溉的3種綠化用草進行采樣，然后結(jié)合GC/MS聯(lián)機分析并經(jīng)計算機分析，對每組樣品值進行加權(quán)平均，得到大約32種峰面積百分含量最大的物質(zhì)，結(jié)果見表4.

表4　清水、中水灌溉下3種草釋放的全部VOCs種類及峰面積百分比

續(xù)表4　%

將表3中數(shù)據(jù)與表4中3種草的VOCs值比較，可看出，土壤空白背景值對植物VOCs的影響相對來說比較小，其VOCs的組分相對較低，烯烴類的揮發(fā)遠小于3種草的揮發(fā)量，對本實驗的草樣VOCs測定分析干擾較低；苯系物組分含量比較多，但其不是植物VOCs揮發(fā)的組分，對本實驗影響也不大. 因此得出，土壤本身對3種草的VOCs釋放干擾影響較低，對本實驗影響很小，可以忽略.

對表4中32種物質(zhì)按峰面積百分比大小歸類，可以看出，3種綠化用草所釋放VOCs種類主要有：萜類、烷烴、醇、醛、酮、酸、酯七類. 其中3種草對萜的揮發(fā)量均最多，其次是烷烴類與醛類. 而萜類中占較大比重的是：β-蒎烯、異戊二烯以及羅勒烯.

對清水灌溉和中水灌溉條件下3種草釋放的VOCs量比較可以看出：中水澆灌下的植物與用清水澆灌的植物，所釋放的VOCs，在種類上基本一致，同時所揮發(fā)的量差異也很小.

2.4　3種綠化用草釋放的7類VOCs情況比較

將中水與清水澆灌下3種綠化用草的7類有機物揮發(fā)的樣本值進行峰面積積分處理、加權(quán)平均后做統(tǒng)計分析. 根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，對3種綠化用草釋放的7類VOCs作柱狀圖，如圖1至圖3.

圖1　高羊茅清水與中水灌溉后釋放的VOCs比較結(jié)果Fig.1　Tall fescues of water with the irrigation water can be more VOCs

圖2　黑麥草清水與中水灌溉后釋放的VOCs比較結(jié)果Fig.2　Ryegrass of water with the irrigation water can be more VOCs

圖3　早熟禾清水與中水灌溉后釋放的VOCs比較結(jié)果Fig.3　Kentucky bluegrass of water with the irrigation water can be more VOCs

由圖1至圖3可以看出，3種綠化用草所釋放的7類物質(zhì)中，都是萜類所占比例最大. 高羊茅揮發(fā)的VOCs中，7類有機物所占比重由多到少分別為：萜類、烷烴類、醛類、醇類、酯類、酸類和酮類；黑麥草揮發(fā)的VOCs中，7類有機物所占比重由多到少分別為：萜類、烷烴類、醛類、酯類、醇類、酸類和酮類；早熟禾揮發(fā)的VOCs中，7類有機物所占比重由多到少分別為：萜類、烷烴類、醛類、醇類、酯類、酸類和酮類. 清水與中水澆灌下3種綠化草各自釋放的7類VOCs組成與含量相差很少；兩種用水灌溉下3種綠化草均釋放萜類、烷烴類、醛類、醇類、酯類、酸類和酮類7類有機物. 其中，高羊茅烷烴類的釋放量在7類有機物中相差最大；黑麥草萜類的釋放量7類有機物中相差最大；早熟禾酮類的釋放量在7類有機物中相差最大.

3　結(jié)論與建議

1) 清水、中水灌溉下，3種城市常用綠草：早熟禾、黑麥草、高羊茅釋放的VOCs種類基本一致，主要為萜類、烷烴類、醛類、醇類、酯類、酸類和酮類7類有機物；釋放量也相差很少，其中釋放量最多的是萜類，萜類里又以異戊二烯和β-蒎烯為主. 萜類的峰面積占到總峰面積的30%以上，其次是烷烴類，約占總峰面積的9%～11%.

2) 兩種水灌溉下，3種綠化草所釋放的7類有機物組成與含量相差很少. 其中，高羊茅在烷烴類的釋放上是7類有機物中相差最大的，黑麥草在萜類的釋放上是7類有機物中相差最大的，早熟禾在酮類的釋放上是7類有機物中相差最大的.

3) 通過對土壤空白樣本的采集測定，發(fā)現(xiàn)土壤VOCs的物質(zhì)組分相對較低，對3種草的VOCs釋放干擾較小，對本實驗基本無影響，可忽略.

本研究從化學(xué)生態(tài)學(xué)入手，分析了用中水與清水澆灌對3種常用綠化草VOCs的釋放規(guī)律及其對植物生長的影響，實驗涉及植物化學(xué)生態(tài)學(xué)、植物生理生態(tài)學(xué)、水質(zhì)監(jiān)測等多方面內(nèi)容，是一個多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域，在今后的工作中還要從深度、廣度上進一步探討. 植物在生長過程中釋放大量的VOCs是其生態(tài)適應(yīng)性的表現(xiàn)，植物為什么釋放這些物質(zhì)值得深入探討. 同時，用中水灌溉，對植物是否存在其他影響也需進行研究.