利用苔藓植物监测大气污染研究进展
摘要：苔藓植物由于其结构较其他高等植物简单，且具有自己独特的生理特征，可对环境污染物作出较明显的反应。尤其在大气污染的生态监测中，既可以综合反映多种污染物，又可以对特定污染物含量做出指示，是一类理想的大气污染监测植物。目前，研究苔藓植物监测大气污染的方法很多，列举了常见的9种，如生态调查法、污染影响指数法、大气清洁度指数法等，每种方法适用于不同的情况。苔藓植物作为大气污染的良好指示植物应受到更广泛的应用，以发挥其在生态系统中的最大作用。
关键词：苔藓植物 大气污染 生物监测
1968年4月在荷兰举行的“大气污染对于动植物影响”会议作出决议，推荐隐花植物(主要指苔藓和地衣)为大气污染的指示植物，其理由是：它们非常容易获得；它们所显示对大气污染的特殊敏感性远远超过绝大多数的高等植物[1，2]。苔藓被认为是对大气污染生态监测最好的植物之一[1，3]。20世纪60年代斯堪的纳维亚半岛（Scandinavia）最早大范围利用苔藓植物监测大气污染[3]。随后很多发达国家在苔藓植物指示环境污染方面作了大量研究，建立了许多具体的监测技术和方法，如生态调查法、移植比照法、苔袋法等[4]。我国学者在不同城市利用苔藓植物监测当地的大气污染状况的例子也不在少数[5-8]。大量研究表明，苔藓植物对大气污染物的敏感性高出种子植物10倍之多。
苔藓独特的生理和结构特征可以对大气中各种污染物作出相应的反应，并与其他植物相比其敏感性较高。基于目前在环境治理方面对苔藓植物的利用不是很充分的现状，作者对目前常见的几种利用苔藓植物监测大气污染的方法进行了总结，以期为以后进一步利用苔藓植物对环境污染进行生物监测提供一些基本的资料，并希望促进苔藓植物生物多样性保护及在生态恢复上的研究。
1 苔藓植物结构和生理特点
作为大气污染监测的良好指示植物需要具备以下特征[9]：首先可以在不同的环境下对大气中污染物以相同的方式和程度在体内积累，而且这些污染物可以容易地测量出来，测量的结果必须可以反映污染物在植物体内积累的程度；另外在同一地区用于指示大气污染的植物必须可以常年存在。
苔藓植物具有许多特点使其非常适合作为大气污染的指示植物[4]。苔藓植物是一类进化水平较低，结构相对简单的绿色高等植物，组织简单、形体小的植物对污染反应迅速[2]。植物细胞生长势相对旺盛，常在茎、枝先端生长点进入休眠或死亡后，刺激其茎、枝下部的分生组织的发育促使新的枝条成长，保持终年常绿[10]，为其作为全年性的污染指示植物提供了前提。而且很多苔藓种类可以在高寒、高温、干旱和弱光等其他陆生植物难以生存的环境中生长繁衍。另外大多数苔藓植物种类由单层细胞或少数几层细胞组成[11]，很多种类植物体表面具有假根，鳞片结构其使表面积较大，植物体表又没有蜡质和角质层覆盖，因此叶片背腹两面均可直接接触外界空气中的物质，使其更为敏感地反映外界大气成分的变化；再加之苔藓植物缺乏输导组织，无维管束的构造和真正的根系（仅具附着作用的假根）植物体近轴端腐烂[12，13]，决定植物体直接在体表进行气体和水以及营养物质的交换，减小了土壤中各种因素对苔藓植物的影响，可以更加准确地反映大气变化。尤其是那些附生种类，由于其供生活的水分和养分主要来源于周围环境的雨水及露水，基本不受其基质的干扰，植物体可以通过受害病症将浓缩于雨水和露水中的大气污染物反应出来。因此，国内外很多研究者[5，7，13-16]利用苔藓植物的这些特点对环境污染尤其是大气污染进行生态监测。
通过调查苔藓植物种群、群落分布组成和植物个体的生长状况以及对其体内污染物含量的化学分析，可反映大气污染的相对程度，起到指示大气污染的作用，虽然不少维管束植物也可以作为不同生境的指示者，但是一般高等维管植物都有落叶季节，或经常性的休眠期与生理活性低落的现象，因此在反映环境污染程度方面，其季节性变化就不能使其象苔藓植物那样可提供全年性的指示。而且苔藓植物只需要较短的时间就可对环境的变化作出反应，因而更具有指示意义。
2 苔藓植物对环境污染的指示特性
2.1 影响苔藓植物对环境污染反应的灵敏性因素
首先不同苔藓种类对环境污染的灵敏度不同，不同生活型的苔藓植物，生态监测的灵敏度不同[2，17，18]，从垫状—层状—交织状—附生，其灵敏度随之上升[19]。其着生状况对灵敏性也有影响，从土生—石生—树干附生，其灵敏度也随之递增[2]。大量的实验证明，附生苔藓由于其几乎不受基质的影响等特点对大气污染物的灵敏度最高，被大量应用于污染监测[20，21]。另外，基质的酸碱度也影响苔藓的灵敏度，例如，通常长在酸性基质上的种总是比长在碱性基质上的种对SO2敏感性大。存在于土壤中的碱具有缓冲酸的能力，空气中的SO2一旦与土壤接触，便被吸收，并在几秒钟内被氧化成硫酸；与此相比SO2在空气和水中氧化就需要几小时，因此陆生种一般受空气污染影响小[22]。含水量也是影响灵敏度的一个因素。苔藓植物是含水量易变的植物，含水量低时对污染物不十分敏感；含水量高时，新陈代谢活动比较旺盛，加之其表面没有角质层和蜡质层的保护，成为敏感的类型[12]。最后，苔藓植物在空气中暴露的时间不同，体内的污染物含量不同，暴露时间越长污染物含量就越高，用于分析测定污染物含量的苔藓材料只取其顶端部分，以使分析的苔藓植物样品在大气污染物中的暴露时间趋于一致[16，23]。
2.2 苔藓植物对大气中不同污染物的反应特性
以苔藓作为指示植物指示的污染物主要有一些重金属离子、硫化物、氯化物及O3等[24]。苔藓受到重金属污染伤害时，最常见的反应是叶绿素降解。苔藓植物能从周围环境中吸收金属离子，一般情况下，苔藓植物不将金属离子直接吸收到细胞中，而是以离子交换或以微粒的方式将金属积累在细胞之外，这是由于在其细胞壁上具有离子交换的部位，在这部位上金属离子以一种类似于离子交换树脂的方式被束缚住，因此苔藓植物能将金属微粒吸附到植物体表面。不同浓度的不同金属离子对苔藓植物的危害程度是不同的。
欧洲[13，25]有人用林地常见的塔藓Ｈylocomium splendens (Hedw.) B.S.G.来监测重金属的沉积，结果表明，7个分枝中只有最幼嫩的两枝呈绿色，其余的均呈褐色。其退色的顺序是：暴露多的顶部叶片首先失去色素，然后全部叶片及芽条丧失叶绿素。用作监测大气重金属污染的苔藓植物主要有白齿藓Leucodon sciuroides (Hedw.) Schwaegr，塔藓Ｈylocomium splendens (Hedw.) B.S.G.，赤茎藓Pleurozium schreberi （Brid.）Mitt.，泽藓Ｐhilonotis fontana (Hedw.) Brid.，桧叶金发藓Ｐloytrichum juniperinum Hedw.，密叶绢藓Ｅntodon compressus C. Muell.，鳞叶藓Ｔaxiphyllum taxirameum（Mitt.）Fleisch.等。金属对苔藓的毒性其强烈程度的顺序为Ｈg>Ｐb>Ｃa>Ｃd>Ｃr>Ｎi>Ｚn[26，27]。
苔藓植物对硫化物的指示作用以SO2为例，苔藓因具有外吸水性，植物体表面的水膜中的SO2浓度远高于大气，因此对SO2浓度的变化有良好的监测作用，特别是原丝体对SO2尤为敏感[15]。苔藓植物对SO2污染的反应先在接触较多的叶尖开始失色，然后逐渐向下发展，直到整个植物体都丧失叶绿素。据观察，完全退色的苔藓即使放回到原来的生长地，仍不能恢复，这是由于叶绿素均被分解，细胞膜受到伤害，从而导致质壁分离的结果。高浓度的SO2还引起细胞质成分的改变，促使Ｋ+从细胞中向外渗透[22]。较高浓度的O3会影响苔藓植物的光合作用，导致生长下降，如以泥炭藓为例研究苔藓植物对O3的反应，喙叶泥炭藓（Sphagnum recuryum P. Beauv.）的敏感性最高[27]。
3 利用苔藓植物对大气污染进行生物监测的方法
3.1 生态调查法
生态调查法是其他一切调查和监测方法的基础，是利用苔藓植物与空气污染间存在的密切相关关系，通过调查某地区苔藓植物的种类、覆盖度、频度及生长状况等资料来显示空气污染在某地区的分布状况。根据所得资料，确定每一种苔藓植物覆盖度级数，并计算平均百分率。再综合所有样区的资料，则可清晰地显示出区地区藓植物的分布状况。出现的种类和覆盖度大的地点，空气污染的程度低；越接近污染源苔藓的种类越少，甚至消失。任何地区，利用苔藓植物监测大气污染这些工作都是不可缺少的，如曹同[7]等对鞍山市环境污染的研究，首先也是从调查苔藓植物在研究地区的分布，进行元素分析判断污染程度的。
然后，根据上述的综合资料，可将整个测试区划分成几个不同程度的污染带：完全无苔藓植物生长的沙漠区；只有抗性顽强的苔藓植物才可以生长的挣扎区；大多数苔藓植物都可生长的轻微污染区；以及所有苔藓植物都可以生长并繁殖的清洁区等。并以此制成该地区的空气污染分布图，以清楚地显示此测试区内空气污染源及严重污染的地区。如果能在各样区中同时配合温度、风向以及空气污染物的测定，作为比照的资料，得到的空气污染分布图[28]会更精确，如闵运江对六安市区大气污染分布图的绘制[6]。
3.2 污染影响指数法
单纯的生态调查所得出的结果，只能定性地描述某地区的污染分布状况。如果在调查污染区苔藓植物分布的同时，选择一个清洁区作对比则将调查结果进行了量化，就可得到污染影响指数。
IA=W0/Wm （1）
式中：IA为污染影响指数；W0为清洁区苔藓植物的生长量；Wm为污染区监测苔藓植物的生长量。IA值越大污染程度越大。
这样就可以将两个不同污染地区与一个相同的清洁区进行比较，得出污染程度的高低。
3.3 大气清洁度指数法
利用苔藓植物对空气污染的敏感性为基础，设计出一种计算大气清洁度的方法。
 |
（2）
式中：IAP表示大气清洁度； n为某样区内苔藓植物的种数；Q为测试区内苔藓植物的生态指数，即在所有样区中与某种苔藓植物共存的其他所有苔藓植物种的平均数，Q=甲种苔藓植物除外的其他所有与之共存的苔藓植物种数之和/甲种苔藓植物出现样区的总数；f为在同一样区中的每一种附生苔藓植物其覆盖度与出现频率的主观估计值。通常采用5级分级方法（见表1）[5]。
IAP 值越大，监测区的大气清洁度越高，污染越小。根据IAP值，可以将样点分为不同的污染等级：如严重污染区，污染区，相对清洁区等[5，7，8，14]。
表１ 覆盖度与频度的综合值（f）
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3.4 移植比照法
移植比照法的特点是利用苔藓植物受污染前后形态及结构的比较，以反映污染区的污染状况。在研究某地区污染情况之前，先选择一个与测试区生态环境相同或相似的未经污染地区作为取材区，将苔藓植物连同其基质取下并照相存档，以便与移植后的形态作比较。然后沿受测试区污染源的周围，把苔藓类植物及其基质，移植并固定于各小样区中；经过一段时间后，取下各小样区上的苔藓植物照相，并与原来作测试之前的存档相片相对照，以了解苔藓植物的变化情形与受害状况，判定污染源邻近各地区遭受污染的程度。谢维等[14]对抚顺地区大气污染状况的研究中就使用了该方法。
同时，也可取受害的不同种类的苔藓植物进行化学分析与解剖观察，分析其叶绿素含量及苔藓植物体内污染物含量，观察细胞质壁分离等，确认各种苔藓植物对空气污染的抗性与敏感性，从而可以找出该地区监测某种污染物较好的苔藓种类。
3.5 忍耐指数测定
利用熏蒸试验，得知某苔藓植物对某成分的空气污染物的忍耐度，以其为基础，计算相对忍耐指数。
RT=(100a+50b)/(a+b+c) （3）
式中：RT为忍耐指数； a为具有高度忍耐性的被实验的种数；b为具中度忍耐性的被实验的种数；c为表现出不具忍耐性的被实验种数[2]。
3.6 苔藓测定仪法
苔藓测定仪就是具有两间完全分隔的透明而密闭方室的一个装置，室内放置等量的脱脂棉和蒸馏水，其中一室输入流量为0.5～1.0 Ｌ/ｍｉｎ，经活性炭净化了的空气；另一室则输入相等流量的污染空气。进行试验时，先将作为测试材料的苔藓植物枯老部分以及尖端幼嫩部分除去，留下生长良好的绿色部分，分别等量放在两室的脱脂棉上；再分别给予等量的去离子水，即将室门关闭，然后调整好空气的流量。通常是在两周后观察比较两室苔藓植物的生长情形与变化情况，以通入洁净空气的那室植物体的绿色部分为100%，再与另一室所剩绿色部分进行比较，计算出苔藓植物的受害率，从而判断大气的污染状况。苔藓测定仪示意图见图1[2]。
 图１ 苔藓测定仪示意图 |
3.7 化学分析方法
化学分析方法就是对地面苔藓植物进行化学分析的环境监测方法。1969年，RüHLING 等[29]最早采用该方法研究铅污染问题。随后得到了世界各国的广泛采用，如FERNáNDEZ 等[30]对西班牙加利西亚省苔藓植物进行化学分析，并根据苔藓植物体内重金属的含量作出了污染分布图，并发现从1995年到1997年，大气重金属污染状况有所减轻。ＰOIKOLAINEN等[31]对苔藓植物进行化学分析，监测了芬兰自1985年到2000年大气重金属沉降的变化。目前，该方法已发展成为成套技术，主要技术环节包括采样、样品处理、化学分析。其中，常用的化学分析方法为原子吸收法（AAS法），也有人采用ICP/ES等其他技术。在我国也有学者利用超热中子活化法（ENAA）、AAS法和原子荧光法（HG-AFS）测定苔藓植物中重金属元素[32]。
3.8 污染量指数法
污染量指数法建立在化学分析的基础上，是分析苔藓植物叶片中污染物含量以监测大气污染的一种方法，此方法针对某种污染物进行监测。
IPC= Cm / Cc （4）
式中：IPC 为污染量指数；Cm 为监测样点苔藓植物叶片中某种污染物的含量；Cc为对照点同种苔藓植物叶片中某种污染物的含量。根据IPC值可以把所监测环境受该污染物污染的程度进行分级。
Ⅰ级：清洁大气（<1.20）
Ⅱ级：轻度污染（1.21～2.00）
Ⅲ级：中度污染（2.01～3.00）
Ⅳ级：严重污染（>3.00）
也同样可以根据以上的结果将所监测地区划分为不同的污染带，绘制出污染状况图。
3.9 苔袋法
苔袋法主要利用苔藓植物可持留大量的颗粒物和其他污染物，对污染物具有高度吸附作用和堆积能力，从而用来监测与分析某地区大气污染状况。该方法最初始于20世纪70年代的英国，用于气传重金属的监测，20世纪80年代为世界各国采用，如ＨYNNINEN [33]利用苔袋法监测芬兰重金属污染。从很多植物学家的报告中看出，苔藓植物对于许多金属的吸附与堆积能力确实高于种子植物，其所承载的量，也是种子植物的数倍。
苔袋法的具体方法是：先将材料用1%硝酸液清洗干净并去除杂质，再用去离子水冲掉残余的酸液。风干材料后，取定量的置于尼龙网作成球形。分别将这些小球袋悬挂于测试区的各个样点中，在大气中暴露3～5个月后，再收集回实验室进一步进行物理和化学分析。目前所用的苔袋材料仅有少数几种，灰藓、泥炭藓属和绢藓属。
4 展 望
苔藓作为生态监测的指示植物，是由其自身的很多特点决定的。用苔藓植物监测大气污染的方法有很多，在实际操作中，只需根据现实情况有选择地采用其中若干方法，从不同的角度进行分析，一般生态调查法是基础，经常结合其他的方法一起使用，而化学分析方法所得出的结论则可以从根本上解释苔藓形态上所发生的变化，将污染的程度量化。环境污染监测除了以苔藓植物作为指示植物外，还可以用高等植物如梧桐，或者用理化的方法监测大气污染，但研究表明，苔藓植物与梧桐监测大气污染，苔藓植物的监测结果与理化监测结果更近似[34]。苔藓植物由于自身的很多特点对大气污染的生态监测较其他维管植物有更广泛的应用前景。
苔藓植物能够指示环境中的各种污染物，是由于其对很多污染物有吸附和植物体内富集的作用[35]，因此作者认为，苔藓植物也可用于减少大气中的污染物。不同的苔藓类群对不同的污染物耐受性和敏感性不同，在利用苔藓植物监测大气污染的过程中，再得出污染程度的同时，也可找出被测地区哪些苔藓植物对特定的污染物具有较高的耐受性，如对于苔藓植物监测SO2的研究表明，具有对SO2变换效能的苔藓种类耐受性好[2]。耐受性好的类群对污染物的富集能力较强，可作为较好的修复材料。所以，可将苔藓纳入植物修复环境污染的范围，充分利用苔藓植物对环境污染具有指示和富集的作用，选择优良的敏感性及耐受性较强的苔藓种类，为城市园林绿化、生态环境建设提供一种经济实用的大气污染指示与生物修复材料。
参考文献
[1] RüHLING ，TYLER G.An ecological approach to the lead problem[J].Botaniska Notiser，1968，122：248-342.
[2] 吴鹏程，罗健馨.苔藓植物与大气污染[J].环境科学，1979 (3)：68-72.
[3] RüHLING ，TYLER G.Heavy metal deposition in Scandinavia[J].Water，Air and Soil Pollution，1973(2)：445-455.
[4] ONIANWA P C.Monitoring atmospheric metal pollution: A review of the use of mosses as indicators[J].Environmental Monitoring and Assessment，2001，71：13-50.
[5] 高谦，曹同.苔藓植物对西南部分地区大气污染(包括酸雨)的指示意义的初步研究[J].应用生态学报，1992，3(1)：81-90.
[6] 闵运江.六安市区常见树附生苔藓植物及其对大气污染的指示作用研究[J].城市环境与城市生态，1997，10(4)：31-33.
[7] 曹同，路勇，吴玉环，等.苔藓植物对鞍山市环境污染生物指示的研究[J].应用生态学报，1998，9(6)：635-639.
[8] 黄士良，王晓蕊，赵建成，等.苔藓植物对石家庄市区大气污染的指示作用研究[J].河北师范学报，2004．28(6)：615-620.
[9] CONTI M E，CECCHETTI G.Biological monitoring: lichens as bioindicators of air pollutionassessment – a review[J].Environmental Pollution，2001，114(3)：471-492.
[10] 赖明洲.苔藓植物对大气污染的指示[M].//吴鹏程.苔藓植物生物学.北京：科学出版社，1998：318-328.
[11] Richardson D H S.The biology of mosses[M].Oxford：Blackwell Scientific Publications，1981.
[12] 刘家尧，衣艳君.苔藓植物对大气污染的指示监测作用[J].曲阜师范大学学报, 1997，23(1)：92-96.
[13] POTT U, TURPIN D H.Changes in atmospheric trace element deposition in the Fraser Valley, B C，Canada form 1960 to 1993 measured by moss monitoring with Isothecium stoloniferum[J].Can. J. Bot.，1996，74：1345-2353.
[14] 谢维，曹同.苔藓植物对抚顺地区大气污染的指示作用研究[J].生态学杂志，1999，18(3)：1-5.
[15] 吴玉环，高谦，程国栋，等.苔藓植物对全球变化的响应及其生物指示意义[J].应用生态学报，2002，13(7)：895-900.
[16] SCHILLING J S，LEHMAN M E.Bioindication of atmospheric heavy metal deposition in the Southeastern US using the moss Thuidium delicatulum[J].Atmospheric Environment，2002，36：1611-1618.
[17] 金岚.环境生态学[M].北京：高等教育出版社，1992：247-248.
[18] MAGDEFRAU K.Life-forms of bryophytes[M]//Smith A J E.Bryophyte ecology.NewYork：Chapman & Hall，1982：45-59.
[19] 崔明昆.附生苔藓植物对城市大气环境的生态监测[J].云南师范大学学报：自然科学版，2001，21(3)：54-57.
[20] RASMUSSEN L.Epiphytic bryophytes as indicators of the changes in the background levels of airborne metals from 1951-1975[J].Environment Pollution，1977，14：37-45.
[21] RASMUSSEN L.Element content of epiphytic Hypnum Cupressiforme related to elemental content of the bark of different species of Phorophytes[J].Lindbergia, 1978，4：209-218.
[22] 瞿丽雅，林齐维.苔藓植物含硫量与大气SO2间对应关系的应用联系[J].贵州师范大学：自然科学版，1994，12(1)：46-49.
[23] FERNáNDEZ J A，CARBALLEIRA A.A comparison of indigenous mosses and topsoils for use in monitoring at mospheric heavy metal deposition in Galicia (northwestSpain)[J].Environmental Pollution，2001，114：431-441.
[24] 衣艳君.我国苔藓植物资源的开发和应用前景[J].国土与自然资源研究，1999 (3)：73-75.
[25] M?KINEN A.Use or Hylocomium Splendens for regional and local heavy metal monitoring around a coal-fired power plant in southern Finland[J].Symposia Biologica Hungarica, 1987，35：777-794.
[26] 叶吉，郝占庆 , 于德永，等.苔藓植物生态功能的研究进展[J].应用生态学报，2004，15(10)：1940-1944.
[27] 吴玉环.苔藓植物对环境变化的响应及适应性研究进展[J].应用生态学报，2001，12(6)：943-946.
[28] STEINNES E，NJAASTAD O.Use of mosses and lichens for regional mapping of Cesium-137 fallout from Chernobyl Accident[J].J.Environment Radioact，1993(1)：65-73.
[29] RüHLING ?，TYLER G..Ecology of heavy metals a regional and historical study [J].Boraniska Notiser，1969，122：248-259.
[30] FERNáNDEZ J A，REY A，CARBALLEIRA A.An extended study of heavy metal deposition in Galicia (NW Spain) based on moss analysis[J].The science of the total environment，2000，254：31-44.
[31] POIKOLAINEN J，KUBIN E，PIISPANEN J，et al.Atmospheric heavy metal deposition in Finland during 1985-2000 using mosses as bioindicators[J].The Science of the Total Environment，2004，318：171-185.
[32] 邵晶，张朝晖，柴之芳，等.苔藓对大气沉降重金属元素富集作用的研究[J].核化学与放射化学，2002，24(1)：6-10.
[33] HYNNINENV.Monitoring of airborne metal pollution with moss bags near an industrial source at Harjavalta，Southwest Finland[J].Annales Botanici Fennici，1986,23:83-90.
[34] 林齐维.苔藓植物监测大气污染生态学方法的比较研究[J].环保科技，1995，17(2)：8-13.
[35] 安丽，曹同，俞鹰浩.苔藓植物与环境重金属污染监测[J].生态学杂志，2006，25(2)：201-206.
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
