利用苔蘚植物監測大氣污染研究進展
摘要：苔蘚植物由于其結構較其他高等植物簡單，且具有自己獨特的生理特征，可對環境污染物作出較明顯的反應。尤其在大氣污染的生態監測中，既可以綜合反映多種污染物，又可以對特定污染物含量做出指示，是一類理想的大氣污染監測植物。目前，研究苔蘚植物監測大氣污染的方法很多，列舉了常見的9種，如生態調查法、污染影響指數法、大氣清潔度指數法等，每種方法適用于不同的情況。苔蘚植物作為大氣污染的良好指示植物應受到更廣泛的應用，以發揮其在生態系統中的最大作用。
關鍵詞：苔蘚植物 大氣污染 生物監測
1968年4月在荷蘭舉行的“大氣污染對于動植物影響”會議作出決議，推薦隱花植物(主要指苔蘚和地衣)為大氣污染的指示植物，其理由是：它們非常容易獲得；它們所顯示對大氣污染的特殊敏感性遠遠超過絕大多數的高等植物[1，2]。苔蘚被認為是對大氣污染生態監測最好的植物之一[1，3]。20世紀60年代斯堪的納維亞半島（Scandinavia）最早大范圍利用苔蘚植物監測大氣污染[3]。隨后很多發達國家在苔蘚植物指示環境污染方面作了大量研究，建立了許多具體的監測技術和方法，如生態調查法、移植比照法、苔袋法等[4]。我國學者在不同城市利用苔蘚植物監測當地的大氣污染狀況的例子也不在少數[5-8]。大量研究表明，苔蘚植物對大氣污染物的敏感性高出種子植物10倍之多。
苔蘚獨特的生理和結構特征可以對大氣中各種污染物作出相應的反應，并與其他植物相比其敏感性較高。基于目前在環境治理方面對苔蘚植物的利用不是很充分的現狀，作者對目前常見的幾種利用苔蘚植物監測大氣污染的方法進行了總結，以期為以后進一步利用苔蘚植物對環境污染進行生物監測提供一些基本的資料，并希望促進苔蘚植物生物多樣性保護及在生態恢復上的研究。
1 苔蘚植物結構和生理特點
作為大氣污染監測的良好指示植物需要具備以下特征[9]：首先可以在不同的環境下對大氣中污染物以相同的方式和程度在體內積累，而且這些污染物可以容易地測量出來，測量的結果必須可以反映污染物在植物體內積累的程度；另外在同一地區用于指示大氣污染的植物必須可以常年存在。
苔蘚植物具有許多特點使其非常適合作為大氣污染的指示植物[4]。苔蘚植物是一類進化水平較低，結構相對簡單的綠色高等植物，組織簡單、形體小的植物對污染反應迅速[2]。植物細胞生長勢相對旺盛，常在莖、枝先端生長點進入休眠或死亡后，刺激其莖、枝下部的分生組織的發育促使新的枝條成長，保持終年常綠[10]，為其作為全年性的污染指示植物提供了前提。而且很多苔蘚種類可以在高寒、高溫、干旱和弱光等其他陸生植物難以生存的環境中生長繁衍。另外大多數苔蘚植物種類由單層細胞或少數幾層細胞組成[11]，很多種類植物體表面具有假根，鱗片結構其使表面積較大，植物體表又沒有蠟質和角質層覆蓋，因此葉片背腹兩面均可直接接觸外界空氣中的物質，使其更為敏感地反映外界大氣成分的變化；再加之苔蘚植物缺乏輸導組織，無維管束的構造和真正的根系（僅具附著作用的假根）植物體近軸端腐爛[12，13]，決定植物體直接在體表進行氣體和水以及營養物質的交換，減小了土壤中各種因素對苔蘚植物的影響，可以更加準確地反映大氣變化。尤其是那些附生種類，由于其供生活的水分和養分主要來源于周圍環境的雨水及露水，基本不受其基質的干擾，植物體可以通過受害病癥將濃縮于雨水和露水中的大氣污染物反應出來。因此，國內外很多研究者[5，7，13-16]利用苔蘚植物的這些特點對環境污染尤其是大氣污染進行生態監測。
通過調查苔蘚植物種群、群落分布組成和植物個體的生長狀況以及對其體內污染物含量的化學分析，可反映大氣污染的相對程度，起到指示大氣污染的作用，雖然不少維管束植物也可以作為不同生境的指示者，但是一般高等維管植物都有落葉季節，或經常性的休眠期與生理活性低落的現象，因此在反映環境污染程度方面，其季節性變化就不能使其象苔蘚植物那樣可提供全年性的指示。而且苔蘚植物只需要較短的時間就可對環境的變化作出反應，因而更具有指示意義。
2 苔蘚植物對環境污染的指示特性
2.1 影響苔蘚植物對環境污染反應的靈敏性因素
首先不同苔蘚種類對環境污染的靈敏度不同，不同生活型的苔蘚植物，生態監測的靈敏度不同[2，17，18]，從墊狀—層狀—交織狀—附生，其靈敏度隨之上升[19]。其著生狀況對靈敏性也有影響，從土生—石生—樹干附生，其靈敏度也隨之遞增[2]。大量的實驗證明，附生苔蘚由于其幾乎不受基質的影響等特點對大氣污染物的靈敏度最高，被大量應用于污染監測[20，21]。另外，基質的酸堿度也影響苔蘚的靈敏度，例如，通常長在酸性基質上的種總是比長在堿性基質上的種對SO2敏感性大。存在于土壤中的堿具有緩沖酸的能力，空氣中的SO2一旦與土壤接觸，便被吸收，并在幾秒鐘內被氧化成硫酸；與此相比SO2在空氣和水中氧化就需要幾小時，因此陸生種一般受空氣污染影響小[22]。含水量也是影響靈敏度的一個因素。苔蘚植物是含水量易變的植物，含水量低時對污染物不十分敏感；含水量高時，新陳代謝活動比較旺盛，加之其表面沒有角質層和蠟質層的保護，成為敏感的類型[12]。最后，苔蘚植物在空氣中暴露的時間不同，體內的污染物含量不同，暴露時間越長污染物含量就越高，用于分析測定污染物含量的苔蘚材料只取其頂端部分，以使分析的苔蘚植物樣品在大氣污染物中的暴露時間趨于一致[16，23]。
2.2 苔蘚植物對大氣中不同污染物的反應特性
以苔蘚作為指示植物指示的污染物主要有一些重金屬離子、硫化物、氯化物及O3等[24]。苔蘚受到重金屬污染傷害時，最常見的反應是葉綠素降解。苔蘚植物能從周圍環境中吸收金屬離子，一般情況下，苔蘚植物不將金屬離子直接吸收到細胞中，而是以離子交換或以微粒的方式將金屬積累在細胞之外，這是由于在其細胞壁上具有離子交換的部位，在這部位上金屬離子以一種類似于離子交換樹脂的方式被束縛住，因此苔蘚植物能將金屬微粒吸附到植物體表面。不同濃度的不同金屬離子對苔蘚植物的危害程度是不同的。
歐洲[13，25]有人用林地常見的塔蘚Ｈylocomium splendens (Hedw.) B.S.G.來監測重金屬的沉積，結果表明，7個分枝中只有最幼嫩的兩枝呈綠色，其余的均呈褐色。其退色的順序是：暴露多的頂部葉片首先失去色素，然后全部葉片及芽條喪失葉綠素。用作監測大氣重金屬污染的苔蘚植物主要有白齒蘚Leucodon sciuroides (Hedw.) Schwaegr，塔蘚Ｈylocomium splendens (Hedw.) B.S.G.，赤莖蘚Pleurozium schreberi （Brid.）Mitt.，澤蘚Ｐhilonotis fontana (Hedw.) Brid.，檜葉金發蘚Ｐloytrichum juniperinum Hedw.，密葉絹蘚Ｅntodon compressus C. Muell.，鱗葉蘚Ｔaxiphyllum taxirameum（Mitt.）Fleisch.等。金屬對苔蘚的毒性其強烈程度的順序為Ｈg>Ｐb>Ｃa>Ｃd>Ｃr>Ｎi>Ｚn[26，27]。
苔蘚植物對硫化物的指示作用以SO2為例，苔蘚因具有外吸水性，植物體表面的水膜中的SO2濃度遠高于大氣，因此對SO2濃度的變化有良好的監測作用，特別是原絲體對SO2尤為敏感[15]。苔蘚植物對SO2污染的反應先在接觸較多的葉尖開始失色，然后逐漸向下發展，直到整個植物體都喪失葉綠素。據觀察，完全退色的苔蘚即使放回到原來的生長地，仍不能恢復，這是由于葉綠素均被分解，細胞膜受到傷害，從而導致質壁分離的結果。高濃度的SO2還引起細胞質成分的改變，促使Ｋ+從細胞中向外滲透[22]。較高濃度的O3會影響苔蘚植物的光合作用，導致生長下降，如以泥炭蘚為例研究苔蘚植物對O3的反應，喙葉泥炭蘚（Sphagnum recuryum P. Beauv.）的敏感性最高[27]。
3 利用苔蘚植物對大氣污染進行生物監測的方法
3.1 生態調查法
生態調查法是其他一切調查和監測方法的基礎，是利用苔蘚植物與空氣污染間存在的密切相關關系，通過調查某地區苔蘚植物的種類、覆蓋度、頻度及生長狀況等資料來顯示空氣污染在某地區的分布狀況。根據所得資料，確定每一種苔蘚植物覆蓋度級數，并計算平均百分率。再綜合所有樣區的資料，則可清晰地顯示出區地區蘚植物的分布狀況。出現的種類和覆蓋度大的地點，空氣污染的程度低；越接近污染源苔蘚的種類越少，甚至消失。任何地區，利用苔蘚植物監測大氣污染這些工作都是不可缺少的，如曹同[7]等對鞍山市環境污染的研究，首先也是從調查苔蘚植物在研究地區的分布，進行元素分析判斷污染程度的。
然后，根據上述的綜合資料，可將整個測試區劃分成幾個不同程度的污染帶：完全無苔蘚植物生長的沙漠區；只有抗性頑強的苔蘚植物才可以生長的掙扎區；大多數苔蘚植物都可生長的輕微污染區；以及所有苔蘚植物都可以生長并繁殖的清潔區等。并以此制成該地區的空氣污染分布圖，以清楚地顯示此測試區內空氣污染源及嚴重污染的地區。如果能在各樣區中同時配合溫度、風向以及空氣污染物的測定，作為比照的資料，得到的空氣污染分布圖[28]會更精確，如閔運江對六安市區大氣污染分布圖的繪制[6]。
3.2 污染影響指數法
單純的生態調查所得出的結果，只能定性地描述某地區的污染分布狀況。如果在調查污染區苔蘚植物分布的同時，選擇一個清潔區作對比則將調查結果進行了量化，就可得到污染影響指數。
IA=W0/Wm （1）
式中：IA為污染影響指數；W0為清潔區苔蘚植物的生長量；Wm為污染區監測苔蘚植物的生長量。IA值越大污染程度越大。
這樣就可以將兩個不同污染地區與一個相同的清潔區進行比較，得出污染程度的高低。
3.3 大氣清潔度指數法
利用苔蘚植物對空氣污染的敏感性為基礎，設計出一種計算大氣清潔度的方法。
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（2）
式中：IAP表示大氣清潔度； n為某樣區內苔蘚植物的種數；Q為測試區內苔蘚植物的生態指數，即在所有樣區中與某種苔蘚植物共存的其他所有苔蘚植物種的平均數，Q=甲種苔蘚植物除外的其他所有與之共存的苔蘚植物種數之和/甲種苔蘚植物出現樣區的總數；f為在同一樣區中的每一種附生苔蘚植物其覆蓋度與出現頻率的主觀估計值。通常采用5級分級方法（見表1）[5]。
IAP 值越大，監測區的大氣清潔度越高，污染越小。根據IAP值，可以將樣點分為不同的污染等級：如嚴重污染區，污染區，相對清潔區等[5，7，8，14]。
表１ 覆蓋度與頻度的綜合值（f）
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3.4 移植比照法
移植比照法的特點是利用苔蘚植物受污染前后形態及結構的比較，以反映污染區的污染狀況。在研究某地區污染情況之前，先選擇一個與測試區生態環境相同或相似的未經污染地區作為取材區，將苔蘚植物連同其基質取下并照相存檔，以便與移植后的形態作比較。然后沿受測試區污染源的周圍，把苔蘚類植物及其基質，移植并固定于各小樣區中；經過一段時間后，取下各小樣區上的苔蘚植物照相，并與原來作測試之前的存檔相片相對照，以了解苔蘚植物的變化情形與受害狀況，判定污染源鄰近各地區遭受污染的程度。謝維等[14]對撫順地區大氣污染狀況的研究中就使用了該方法。
同時，也可取受害的不同種類的苔蘚植物進行化學分析與解剖觀察，分析其葉綠素含量及苔蘚植物體內污染物含量，觀察細胞質壁分離等，確認各種苔蘚植物對空氣污染的抗性與敏感性，從而可以找出該地區監測某種污染物較好的苔蘚種類。
3.5 忍耐指數測定
利用熏蒸試驗，得知某苔蘚植物對某成分的空氣污染物的忍耐度，以其為基礎，計算相對忍耐指數。
RT=(100a+50b)/(a+b+c) （3）
式中：RT為忍耐指數； a為具有高度忍耐性的被實驗的種數；b為具中度忍耐性的被實驗的種數；c為表現出不具忍耐性的被實驗種數[2]。
3.6 苔蘚測定儀法
苔蘚測定儀就是具有兩間完全分隔的透明而密閉方室的一個裝置，室內放置等量的脫脂棉和蒸餾水，其中一室輸入流量為0.5～1.0 Ｌ/ｍｉｎ，經活性炭凈化了的空氣；另一室則輸入相等流量的污染空氣。進行試驗時，先將作為測試材料的苔蘚植物枯老部分以及尖端幼嫩部分除去，留下生長良好的綠色部分，分別等量放在兩室的脫脂棉上；再分別給予等量的去離子水，即將室門關閉，然后調整好空氣的流量。通常是在兩周后觀察比較兩室苔蘚植物的生長情形與變化情況，以通入潔凈空氣的那室植物體的綠色部分為100%，再與另一室所剩綠色部分進行比較，計算出苔蘚植物的受害率，從而判斷大氣的污染狀況。苔蘚測定儀示意圖見圖1[2]。
 圖１ 苔蘚測定儀示意圖 |
3.7 化學分析方法
化學分析方法就是對地面苔蘚植物進行化學分析的環境監測方法。1969年，RüHLING 等[29]最早采用該方法研究鉛污染問題。隨后得到了世界各國的廣泛采用，如FERNáNDEZ 等[30]對西班牙加利西亞省苔蘚植物進行化學分析，并根據苔蘚植物體內重金屬的含量作出了污染分布圖，并發現從1995年到1997年，大氣重金屬污染狀況有所減輕。ＰOIKOLAINEN等[31]對苔蘚植物進行化學分析，監測了芬蘭自1985年到2000年大氣重金屬沉降的變化。目前，該方法已發展成為成套技術，主要技術環節包括采樣、樣品處理、化學分析。其中，常用的化學分析方法為原子吸收法（AAS法），也有人采用ICP/ES等其他技術。在我國也有學者利用超熱中子活化法（ENAA）、AAS法和原子熒光法（HG-AFS）測定苔蘚植物中重金屬元素[32]。
3.8 污染量指數法
污染量指數法建立在化學分析的基礎上，是分析苔蘚植物葉片中污染物含量以監測大氣污染的一種方法，此方法針對某種污染物進行監測。
IPC= Cm / Cc （4）
式中：IPC 為污染量指數；Cm 為監測樣點苔蘚植物葉片中某種污染物的含量；Cc為對照點同種苔蘚植物葉片中某種污染物的含量。根據IPC值可以把所監測環境受該污染物污染的程度進行分級。
Ⅰ級：清潔大氣（<1.20）
Ⅱ級：輕度污染（1.21～2.00）
Ⅲ級：中度污染（2.01～3.00）
Ⅳ級：嚴重污染（>3.00）
也同樣可以根據以上的結果將所監測地區劃分為不同的污染帶，繪制出污染狀況圖。
3.9 苔袋法
苔袋法主要利用苔蘚植物可持留大量的顆粒物和其他污染物，對污染物具有高度吸附作用和堆積能力，從而用來監測與分析某地區大氣污染狀況。該方法最初始于20世紀70年代的英國，用于氣傳重金屬的監測，20世紀80年代為世界各國采用，如ＨYNNINEN [33]利用苔袋法監測芬蘭重金屬污染。從很多植物學家的報告中看出，苔蘚植物對于許多金屬的吸附與堆積能力確實高于種子植物，其所承載的量，也是種子植物的數倍。
苔袋法的具體方法是：先將材料用1%硝酸液清洗干凈并去除雜質，再用去離子水沖掉殘余的酸液。風干材料后，取定量的置于尼龍網作成球形。分別將這些小球袋懸掛于測試區的各個樣點中，在大氣中暴露3～5個月后，再收集回實驗室進一步進行物理和化學分析。目前所用的苔袋材料僅有少數幾種，灰蘚、泥炭蘚屬和絹蘚屬。
4 展 望
苔蘚作為生態監測的指示植物，是由其自身的很多特點決定的。用苔蘚植物監測大氣污染的方法有很多，在實際操作中，只需根據現實情況有選擇地采用其中若干方法，從不同的角度進行分析，一般生態調查法是基礎，經常結合其他的方法一起使用，而化學分析方法所得出的結論則可以從根本上解釋苔蘚形態上所發生的變化，將污染的程度量化。環境污染監測除了以苔蘚植物作為指示植物外，還可以用高等植物如梧桐，或者用理化的方法監測大氣污染，但研究表明，苔蘚植物與梧桐監測大氣污染，苔蘚植物的監測結果與理化監測結果更近似[34]。苔蘚植物由于自身的很多特點對大氣污染的生態監測較其他維管植物有更廣泛的應用前景。
苔蘚植物能夠指示環境中的各種污染物，是由于其對很多污染物有吸附和植物體內富集的作用[35]，因此作者認為，苔蘚植物也可用于減少大氣中的污染物。不同的苔蘚類群對不同的污染物耐受性和敏感性不同，在利用苔蘚植物監測大氣污染的過程中，再得出污染程度的同時，也可找出被測地區哪些苔蘚植物對特定的污染物具有較高的耐受性，如對于苔蘚植物監測SO2的研究表明，具有對SO2變換效能的苔蘚種類耐受性好[2]。耐受性好的類群對污染物的富集能力較強，可作為較好的修復材料。所以，可將苔蘚納入植物修復環境污染的范圍，充分利用苔蘚植物對環境污染具有指示和富集的作用，選擇優良的敏感性及耐受性較強的苔蘚種類，為城市園林綠化、生態環境建設提供一種經濟實用的大氣污染指示與生物修復材料。
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