淺議植物在城市生態(tài)安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

明 珠 招康賽 楊立君

(1.深圳市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站廣東深圳 518049;2.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院廣東深圳 518001)

淺議植物在城市生態(tài)安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

明 珠1招康賽1楊立君2

(1.深圳市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站廣東深圳 518049;2.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院廣東深圳 518001)

植物是城市生態(tài)系統(tǒng)的組成部分,植物監(jiān)測(cè)具有傳統(tǒng)理化監(jiān)測(cè)沒有的特性,利用地面、航空、衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)植物基因、組織、個(gè)體、群落等各個(gè)層次對(duì)人為脅迫的響應(yīng)變化,分析污染物、環(huán)境因子與植物的綜合作用,對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警,保障城市生態(tài)安全。

植物監(jiān)測(cè);生態(tài)安全;生態(tài)環(huán)境;生態(tài)系統(tǒng)

工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展和城市人口的不斷增加,加速了城市化的進(jìn)程[1],使城市生態(tài)環(huán)境發(fā)生了很大變化,生物多樣性喪失、水土流失等生態(tài)災(zāi)害頻繁發(fā)生。在人類邁向生態(tài)文明的今天,城市生態(tài)是否安全將關(guān)乎人類的福祉。人類的福祉不只是滿足水、食物、住所、健康、工作等物質(zhì)需求,也是賴以生存的城市生態(tài)系統(tǒng)保持著一種完善的結(jié)構(gòu)和健全的生態(tài)功能,并具有一定的自我環(huán)境調(diào)節(jié)與凈化能力[2]。城市生態(tài)安全問題始終是人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的核心任務(wù),建設(shè)生態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),保障生態(tài)安全無疑顯得意義重大而深遠(yuǎn)。

植物是城市生態(tài)系統(tǒng)的組成部分,其分布遍及城市的每一個(gè)角落。植物通過光合作用保持大氣中的氧的平衡,在自然環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)中起到積極和不可替代的作用。植物監(jiān)測(cè)是利用植物基因、組織、器官、個(gè)體、種群、群落等各層次對(duì)人為脅迫所產(chǎn)生的響應(yīng)來闡明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。植物在城市生態(tài)安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用可以追溯到1859年,Grindon注意到煙霧和氣體發(fā)散使得城市附近地衣數(shù)量減少,上世紀(jì)五十年代,國(guó)外利用植物監(jiān)測(cè)空氣污染研究應(yīng)用蓬勃發(fā)展[3],我國(guó)的植物監(jiān)測(cè)從 1973年起步,近三十余年有了長(zhǎng)足的發(fā)展。

1 利用植物監(jiān)測(cè)的特性

1.1 直觀性

植物與生態(tài)環(huán)境是一個(gè)有機(jī)互動(dòng)的整體,當(dāng)生態(tài)環(huán)境在人為活動(dòng)與自然干擾下受損時(shí),植物的生命活動(dòng)也將產(chǎn)生異常反應(yīng),這種反應(yīng)可以發(fā)生在植物的基因、組織、個(gè)體、種群、群落等各個(gè)層次,反應(yīng)強(qiáng)度直接反映出受損生態(tài)環(huán)境狀況。對(duì)于痕量級(jí)的污染物,植物監(jiān)測(cè)要比傳統(tǒng)的理化監(jiān)測(cè)手段敏感,如受損環(huán)境中存在的“致畸、致癌、致突變”的三致痕量環(huán)境污染物進(jìn)入植物遺傳載體后,植物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組合會(huì)出現(xiàn)受害癥狀：植物葉片出現(xiàn)各種傷斑、葉片組織局部壞死、整棵植株死亡等等。痕量污染物對(duì)植物的傷害劑量低于人體健康的損害劑量,這樣,可以利用植物這些直觀的變化對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警,保障人類生存環(huán)境及人體健康。

1.2 綜合性

植物監(jiān)測(cè)能夠綜合反映環(huán)境污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,而理化監(jiān)測(cè)方法則無法直接做到這一點(diǎn)。因?yàn)榄h(huán)境污染物成分復(fù)雜,各種分子和各種離子之間既有協(xié)同作用、拮抗作用、疊加作用等[4]。如工業(yè)生產(chǎn)所排放的氣體成分是非常復(fù)雜的,幾種有毒氣體對(duì)植物的綜合毒害作用要比單個(gè)有毒氣體作用大得多。同時(shí),污染物的毒性還受到 pH值、水溫、水體懸浮物等環(huán)境因子的影響,這是傳統(tǒng)理化監(jiān)測(cè)所不能反映的。而植物接受的是綜合影響,不光是個(gè)別因子的作用,因而植物監(jiān)測(cè)反映了污染物、環(huán)境因子與植物個(gè)體、群落綜合作用的結(jié)果。

1.3 長(zhǎng)期性

在污染環(huán)境中植物能記錄較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)大氣中有毒物質(zhì)濃度的變化情況,能反映在一段時(shí)間內(nèi)大氣中污染的平均水平,能及時(shí)發(fā)出警報(bào)[5],如通過分析樹木年輪中各元素的比率,可以觀測(cè)到人為活動(dòng)或自然干擾破壞生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的歷史與現(xiàn)狀。借助于各種先進(jìn)檢測(cè)儀器和分析手段的理化監(jiān)測(cè)方法,雖然能精確測(cè)定環(huán)境污染物的瞬時(shí)濃度,但不能反映各種污染物混合作用于生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響。大氣中的有毒成分含量會(huì)因城市規(guī)劃布局、氣候、時(shí)間不同而發(fā)生變化,有時(shí)有毒物質(zhì)含量很高,有時(shí)含量很低。因此,要全面反映生態(tài)環(huán)境中有毒物質(zhì)的濃度對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的影響,必須進(jìn)行長(zhǎng)期的植物監(jiān)測(cè)。

2 監(jiān)測(cè)植物選擇的原則

2.1 選擇具有敏感性、特異性的植物

監(jiān)測(cè)植物的敏感性直接決定了植物監(jiān)測(cè)方法的靈敏度。監(jiān)測(cè)植物對(duì)人為脅迫的生物反應(yīng)要具有特異性,即對(duì)特定脅迫具有特殊的敏感性或抗性,而對(duì)其他脅迫反應(yīng)不敏感。同時(shí),這種植物反應(yīng)要能及時(shí)靈敏地通過形態(tài)、生理、生態(tài)技術(shù),對(duì)痕量級(jí)的污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警,如 SO2濃度達(dá)到 1～5ppm時(shí)人才能聞到氣味,10～20ppm時(shí)人才會(huì)感到明顯刺激作用,地衣對(duì) SO2極為敏感：SO2濃度為 0.23mg/m3時(shí),29天內(nèi)地衣全部死亡;SO2濃度為 0.09mg/m3時(shí),69天約有 60%面積的地衣死亡[3]。

2.2 選擇遺傳穩(wěn)定、個(gè)體健康的植物

遺傳穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)植物,能夠保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的重復(fù)性,是植物監(jiān)測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)化必須具備的條件。監(jiān)測(cè)植物必須生長(zhǎng)發(fā)育良好、干擾癥狀少。如監(jiān)測(cè)大氣污染時(shí),所選擇的監(jiān)測(cè)植物個(gè)體應(yīng)發(fā)育正常、健壯,葉片無斑痕,植株間較為均勻一致。如果植物體本身長(zhǎng)勢(shì)很弱,葉片有病斑或蟲害痕跡,就很難評(píng)價(jià)大氣污染的影響效果。

2.3 選擇易于繁殖、管理的常見植物

植物監(jiān)測(cè)需要大量個(gè)體,因此監(jiān)測(cè)植物應(yīng)具備大量增殖后代的能力,種質(zhì)保存和擴(kuò)大繁殖應(yīng)簡(jiǎn)便易行,并避免選用珍稀瀕危物種。同時(shí)監(jiān)測(cè)植物應(yīng)易于管理,以降低監(jiān)測(cè)成本,提高植物監(jiān)測(cè)的實(shí)用價(jià)值。如監(jiān)測(cè)乙烯通常選擇番茄、蘭花、萬壽菊等常見、易于繁殖和生長(zhǎng)的植物。

2.4 選擇有監(jiān)測(cè)功能并兼有其他功能的植物

監(jiān)測(cè)植物應(yīng)盡量選擇既有監(jiān)測(cè)功能又兼有經(jīng)濟(jì)價(jià)值或觀賞價(jià)值的植物。如國(guó)內(nèi)外常選擇秋海棠、石竹監(jiān)測(cè) SO2;選擇貼梗海棠、牡丹監(jiān)測(cè) O3;蘭花、萬壽菊監(jiān)測(cè)乙烯;千日紅、大波斯菊監(jiān)測(cè) CL2污染等。這些生物既可觀賞,又能預(yù)警,一舉兩得。

3 植物監(jiān)測(cè)城市生態(tài)安全的技術(shù)

3.1 地面監(jiān)測(cè)

地面監(jiān)測(cè)是傳統(tǒng)采用的技術(shù)。地面野外觀測(cè)可以提供最詳細(xì)的情況,植被監(jiān)測(cè)從觀測(cè)不同類型的植物群落入手,找出群落本身特征及其與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系,以及各類群落間的相互關(guān)系,然后加以綜合分析。抽樣調(diào)查乃是最基本的方法,其實(shí)質(zhì)是選擇有代表性的一定數(shù)量的小面積“樣地”進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查,以此估計(jì)推斷此類群落整體,或者以“樣地”的中心點(diǎn)向一組對(duì)角的方向延伸的走向設(shè)定“樣線”,通常順著現(xiàn)存的地貌,如公路、小徑、鐵路線及家畜行走的小道,記錄點(diǎn)放在這些地貌相對(duì)不受干擾一側(cè)的生境點(diǎn)上,監(jiān)測(cè)斷面的位置間隔一般為 0.5及 1.0km。采樣點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)包括氣象參數(shù)、物種名稱、物種密度、物種長(zhǎng)勢(shì)、植被覆蓋率等。必要時(shí)需要采集植物標(biāo)本,獲取樣品進(jìn)行基因、組織檢測(cè),分析成因,制定防治對(duì)策。

地面監(jiān)測(cè)技術(shù)目前仍是非常重要的,因?yàn)槠浣Y(jié)果可以提供詳細(xì)情況。許多生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的變化只能通過在野外進(jìn)行監(jiān)測(cè),諸如降雨量、土壤濕度等環(huán)境因子及植物樣品只能從地面采集數(shù)據(jù)。地面監(jiān)測(cè)能驗(yàn)證并提高遙感數(shù)據(jù)的精確性并有助于對(duì)數(shù)據(jù)的解譯[2],盡管遙感技術(shù)能提供有關(guān)土地覆蓋和土地利用情況變化等綜合性信息,但這些信息需要通過更細(xì)致的地面觀測(cè)來進(jìn)行補(bǔ)充和核查。

3.2 航空監(jiān)測(cè)

空中測(cè)量是當(dāng)前三種監(jiān)測(cè)技術(shù)中最經(jīng)濟(jì)有效的一種。航空監(jiān)測(cè)首先用坐標(biāo)圖覆蓋研究區(qū)域,典型的坐標(biāo)是 10km×10km,飛行時(shí),這個(gè)坐標(biāo)用于系統(tǒng)的記錄位置,以及發(fā)送分析獲得的數(shù)據(jù)。坐標(biāo)畫在比例為 1：250000的地圖上或地球資源衛(wèi)星的圖片上。目前系統(tǒng)勘察飛行的費(fèi)用較低,并能提供范圍廣泛的資料。其內(nèi)容有：

(1)提供植物種群、群落特征、森林覆蓋表示的植物圖。

(2)提供以土壤顏色類型表示的土壤圖。

(3)提供以水分特征表示的水域圖。

(4)提供野生動(dòng)物重要的活動(dòng)區(qū)域輪廓圖。

(5)顯示居民住宅區(qū)、行政辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通干線等的土地利用圖。

3.3 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)

隨著衛(wèi)星和自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的迅速發(fā)展,衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)在生態(tài)安全監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了越來越重要的作用。采用資源衛(wèi)星進(jìn)行生態(tài)安全監(jiān)測(cè)的最大優(yōu)點(diǎn)是資料極其豐富,且時(shí)段間隔短,這意味著可以跟蹤觀察某些變化著的現(xiàn)象,獲得具有潛在價(jià)值的資料。NOAA氣象衛(wèi)星是面向世界的無償信息源,我國(guó)擁有完善的接收處理設(shè)備,資源來源立足國(guó)內(nèi),成本低,其在氣象觀測(cè)、植被群落種類組成、植被長(zhǎng)勢(shì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。根據(jù)衛(wèi)星圖片可制作“人造色”圖像,通過“人造色”圖像檢出圖像中的不同特征,如果這些特征等同于與地面、航空觀測(cè)中獲得的已知特征,衛(wèi)星圖像就能被用作可靠資料。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)城市發(fā)展影響全球氣候變化的深入研究具有不可替代的作用。

4 結(jié)語

我國(guó)的一些城市生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)原本就脆弱,龐大的人口對(duì)環(huán)境又造成了持久的壓力,加上以犧牲環(huán)境求發(fā)展的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大沖擊和破壞,植物長(zhǎng)期生活在這種環(huán)境中,最能真實(shí)表現(xiàn)城市區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化。某些植物對(duì)特定污染物極為敏感,甚至有時(shí)精密儀器也難檢測(cè)的一些痕量污染物就能對(duì)植物體產(chǎn)生嚴(yán)重傷害：基因結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、生理生化過程受阻、生長(zhǎng)和生殖受限、植株死亡、群落異常、生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)生變化。在各種先進(jìn)理化檢測(cè)儀器和分析手段可以利用的現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)及預(yù)警實(shí)踐中,植物監(jiān)測(cè)及預(yù)警以其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值和理化監(jiān)測(cè)不能有效替代的特性而日益受到人們重視。城市生態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用這些高敏感、高蓄積的監(jiān)測(cè)植物,從地面、空中、太空三種水平上收集數(shù)據(jù),能夠監(jiān)測(cè)、預(yù)警生態(tài)環(huán)境中存在的污染物,真正做到保護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)的健康與安全。

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A

1673-288X(2010)01-0063-03

明珠 (1979.5—),女,廣東深圳人,工程師,碩士,從事生態(tài)監(jiān)測(cè)工作。