大氣污染的指示器———綠色植物

　　植物對(duì)環(huán)境變化是非常敏感的。和動(dòng)物不一樣，當(dāng)遇到環(huán)境脅迫時(shí)，動(dòng)物可以選擇逃離，但植物沒有腿，多數(shù)只能在原地被動(dòng)忍受侵害的發(fā)生。一旦環(huán)境中發(fā)生大氣污染，植物便從外表形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其化學(xué)成分上表現(xiàn)出一系列的反應(yīng)特征。人們就利用植物的這些特點(diǎn)來指示環(huán)境中是否出現(xiàn)了污染，是什么樣的污染物造成了植物的反應(yīng)特征，甚至借助儀器分析，確定污染物的濃度。
　　
　　地衣荒漠背后的城市污染
　　
　　早在19世紀(jì)末，就有人開始注意到敏感植物的傷害癥狀與大氣中二氧化硫之間的關(guān)系，并用植物來判別是否存在大氣污染。如法國人尼蘭德1866年在巴黎、英國人史特頓1874年在格拉斯哥，分別研究了地衣對(duì)大氣污染的指示性，他們也因此成為開展大氣污染指示植物研究的先驅(qū)人物。
　　地衣受大氣污染的影響很明顯，地衣的消失與二氧化硫的濃度之間存在很大的關(guān)聯(lián)性。如今，生活在城市中的我們，很難看到地衣，就是這個(gè)原因。人們將因城市污染不能生長地衣的現(xiàn)象稱為城市“地衣荒漠”。在自然界中，地衣是最耐受干旱瘠薄的類型，就是在嚴(yán)酷的荒漠中甚至裸露的巖石上，也可以存活。但在不少城市里，地衣卻消失了?？梢?，相對(duì)于自然環(huán)境，城市環(huán)境中的大氣污染是客觀存在的。
　　1971年，聯(lián)合國教科文組織成立了人與生物圈（MAB）計(jì)劃，其目的是尋找人類生存環(huán)境受環(huán)境污染以及自然資源枯竭后的解決之道。當(dāng)時(shí)的人們已經(jīng)覺察到越來越嚴(yán)重的土壤、水和大氣污染問題，并一直在尋找適當(dāng)?shù)沫h(huán)境變化指示生物，這項(xiàng)研究也成為生態(tài)學(xué)家最感興趣的課題。自20世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)外陸續(xù)開展各項(xiàng)利用綠色植物指示大氣污染的研究。
　　
　　利用葉片指示大氣污染
　　
　　從20世紀(jì)中葉以來，利用葉片典型癥狀指示大氣污染研究得到眾多生態(tài)學(xué)家與環(huán)境學(xué)家的青睞。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)大氣環(huán)境污染敏感的植物，一旦處于污染環(huán)境中，受到污染物影響后，葉片上往往表現(xiàn)出傷害癥狀。如果大氣污染物濃度很高，但污染持續(xù)時(shí)間很短，植物葉片會(huì)表現(xiàn)出急性受害癥狀，如葉片壞死，葉片顏色由綠變黃、變白等。當(dāng)大氣污染物濃度較低且污染持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，葉片則會(huì)表現(xiàn)出慢性受害狀態(tài)，比如葉片由綠變棕黃、脫綠、早熟落葉等。
　　這兩種情況均屬于葉片受到污染物傷害的典型癥狀，它們的不同之處僅僅在于植物對(duì)大氣污染程度的反應(yīng)狀況不同。因而，利用綠色植物的典型癥狀，尤其急性癥狀，可以指示大氣中是否存在某種污染物。例如，煙草對(duì)于臭氧非常敏感，它們受到臭氧污染后產(chǎn)生的傷害癥狀表現(xiàn)為葉片干枯，表面上出現(xiàn)斑點(diǎn)。對(duì)臭氧濃度敏感的植物還有大豆、葡萄、白皮松等。
　　甜菜、萵苣、早熟禾等，對(duì)光化學(xué)煙霧有一定的指示性。進(jìn)行該項(xiàng)研究最多的是美國的加利福尼亞地區(qū)，因?yàn)槿藗冏钤缭谠摰貐^(qū)發(fā)現(xiàn)了光化學(xué)煙霧污染。
　　植物受光化學(xué)煙霧傷害的癥狀表現(xiàn)為，下表皮泛白?？蒲腥藛T還發(fā)現(xiàn)，煙草、蕓薹（油菜）等，對(duì)氮氧化物污染有較好的指示作用。
　　許多植物在自然狀態(tài)或?qū)嶒?yàn)狀態(tài)下，受二氧化硫影響后都表現(xiàn)出典型的受害癥狀，這些癥狀包括：葉脈之間及葉緣變成白色、組織細(xì)胞脫水死亡，葉片焦枯、脫落。人們研究后發(fā)現(xiàn)，春季的楊樹、樺樹、紫花地丁，夏季的苜蓿、大麥，晚秋時(shí)的松樹等，可以很好地指示大氣中二氧化硫的污染情況。
　　同受到二氧化硫污染一樣，氟化氫在高等植物的葉緣及葉尖聚集時(shí)，會(huì)使闊葉植物葉片邊緣或先端出現(xiàn)壞死區(qū)，葉片還會(huì)逐漸變色——由正常的綠色變?yōu)闇\褐色，甚至是褐紅色。但氟化氫一般不引起植物出現(xiàn)落葉的情況。針葉植物受到氟化氫危害后的癥狀從葉子先端開始，爾后逐漸擴(kuò)到葉基，葉子顏色則由綠色變?yōu)辄S紅色，最后呈現(xiàn)為棕色，并出現(xiàn)大量落葉的情況。
　　
　　利用附生植物指示大氣污染
　　
　　附生植物之所以能較好地指示大氣污染，主要源于以下理由：
　　一是附生植物分布很廣，可以出現(xiàn)在各種自然環(huán)境甚至工業(yè)區(qū)和城市中；二是附生植物無表皮和角質(zhì)層，污染物包括重金屬離子很容易通過體表進(jìn)入其體內(nèi)，它們也極易因此受到傷害甚至死亡；三是附生植物無吸收器官（沒有根），其所需要的礦物質(zhì)主要通過大氣的干濕沉降（降塵 、降水）這條途徑實(shí)現(xiàn)。換句話說，附生植物受到的污染來自天上，因而它們能較客觀地反應(yīng)出大氣污染狀況；四是附生植物缺少微管組織，污染物在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移很微弱，人們由此可以借助儀器定量地監(jiān)測大氣污染情況；五是附生植物的細(xì)胞大多為單層結(jié)構(gòu)，污染物可以從背腹兩面進(jìn)入植物體，每個(gè)細(xì)胞所承受的污染物濃度高于其他高等植物受到的污染傷害。也就是說，附生植物和其他植物相比，對(duì)大氣污染更敏感。如果周圍的大氣污染非常嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)造成自然環(huán)境中附生植物的消失。從這一點(diǎn)來看，附生植物是以生命為代價(jià)指示大氣污染物的存在的。
　　鑒于以上原因，地衣和苔蘚植物被大量用來指示和監(jiān)測大氣污染和重金屬污染。關(guān)于附生植物指示大氣污染的研究主要集中在4個(gè)方面：一是對(duì)污染地區(qū)附生植物群落類型、種類組成與分布進(jìn)行調(diào)查；二是移植附生植物于污染地區(qū)觀察其受害直至死亡所需時(shí)間；三是利用附生植物群落學(xué)特征計(jì)算大氣潔凈度指數(shù)，進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)；四是用物種的豐富度或種類數(shù)量特征繪制大氣污染分布圖。如歐洲從1955年注意到城市污染和地衣種類分布的關(guān)系，科學(xué)家吉爾伯特于1969年在英國首次發(fā)現(xiàn)市中心已成為地衣荒漠，以后他又進(jìn)行了苔蘚類調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。
　　
　　利用樹皮指示大氣酸度
　　
　　樹皮常年暴露于空氣中，對(duì)于大氣污染尤其是累計(jì)性大氣污染有很好的指示作用。當(dāng)空氣中的酸性污染物增加時(shí)，樹皮的酸堿度（pH值）會(huì)下降。1973年，有兩位科學(xué)家研究了某地區(qū)落葉樹樹皮與大氣酸度的關(guān)系，并繪制了樹皮酸度中的硫含量。1977年，科學(xué)家格羅津斯克研究了波蘭5種落葉樹樹皮pH值及其緩沖容量，并指出，利用樹皮能夠較好地指示大氣中二氧化硫、氮氧化物影響所引起的酸度變化。
　　筆者也曾經(jīng)利用樹皮pH值的變化指示了城市大氣污染狀況。1991～1993年，筆者在河北省承德市5個(gè)大氣監(jiān)測點(diǎn)測定了油松、國槐、白蠟、刺槐、毛白楊、旱柳、垂柳、榆樹這8種常見綠化樹種樹皮的pH值變化情況。結(jié)果表明，8種樹皮的pH值為3.5～7，平均值為5.7。不同功能區(qū)中樹皮的pH值從大到小依次為：公園區(qū)＞工業(yè)區(qū)＞生活居住區(qū)。這表明，樹皮酸堿度的變化與大氣中二氧化硫等酸性氣體的污染有關(guān)。同種植物的樹皮浸提液的硫酸根含量在不同地區(qū)亦不同，清潔區(qū)為2.561毫克/克，生活區(qū)為5.342毫克/克，樹皮pH值與硫酸根含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。這些樹種中，榆樹等4種落葉闊葉樹樹皮對(duì)大氣中二氧化硫的變化較敏感，可以用來作為二氧化硫等酸性氣體的適宜指示與監(jiān)測植物。
　　
　　利用植物指示和監(jiān)測重金屬和降塵
　　
　　粉塵中包括一些相對(duì)不活躍的物質(zhì)，如來自石灰礦的一些堿性物質(zhì)，以及諸如鉻、銅、鐵、鉛、汞、鎳、鋅等重金屬元素。這些顆粒既能被風(fēng)吹走，也能停留在葉表皮上，進(jìn)而通過氣孔或葉片上的受損部位進(jìn)入葉內(nèi)。利特爾和馬丁這兩位國外學(xué)者采集了冶煉廠附近的榆樹葉和山楂樹葉片，分析后發(fā)現(xiàn)其中含有較高的鎘、鉛和鋅，其濃度值與風(fēng)向有關(guān)，即迎風(fēng)向的葉片內(nèi)重金屬含量更高，這說明污染來自上風(fēng)向的冶煉廠。還有人發(fā)現(xiàn)在污染環(huán)境中，草本植物紫羊茅葉的重金屬含量較高，并由此斷定表土和草本植物可以用來指示大氣中的重金屬污染情況。
　　對(duì)重金屬指示性較好的植物還是附生植物，此類植物被大量用于環(huán)境監(jiān)測中。人們除了可以觀察附生植物的生長狀況，并由此判斷環(huán)境污染輕重之外，還可以利用苔袋等方法指示大氣污染。所謂苔袋法，指的是將來自于清潔區(qū)的地衣或苔蘚移植于污染區(qū)內(nèi)，然后定期取樣測定其體內(nèi)的重金屬含量。
　　
　　在對(duì)粉塵指示植物的研究中，英國科學(xué)家曼寧研究了鐵杉蒙塵狀況，他在觀察鐵杉葉片的蒙塵形態(tài)，并進(jìn)行理化分析之后，得出了所研究地區(qū)受到石灰性物質(zhì)及水泥的影響情況，并發(fā)現(xiàn)鐵杉葉片生物量會(huì)因受粉塵污染而降低的現(xiàn)象。
　　
　　利用樹木年輪指示與監(jiān)測大氣污染歷史
　　
　　樹木的壽命很長，甚至可達(dá)數(shù)千年。在樹木生長過程中，一些環(huán)境信息也被記錄在了樹木年輪中，其中就包括環(huán)境污染物。在做博士畢業(yè)論文的時(shí)候，筆者就曾利用采集于避暑山莊的油松年輪，對(duì)承德市自1800年以來的大氣污染歷史進(jìn)行了研究。承德是先有避暑山莊，其后才有城市的，環(huán)境污染也是從近代工業(yè)革命之后才逐漸出現(xiàn)的。筆者研究后發(fā)現(xiàn)，避暑山莊油松年輪內(nèi)的硫含量自20世紀(jì)初開始升高，該數(shù)值比19世紀(jì)初增加了1～2倍，及至20世紀(jì)七、八十年代，該比值達(dá)到了3～5倍，在20世紀(jì)末的8～10年則達(dá)到10倍以上。其中避暑山莊碧峰門古松木質(zhì)部年輪內(nèi)的硫含量，由40～50微克/克達(dá)到20世紀(jì)末的572.9微克/克，從而指示出承德市大氣中二氧化硫濃度由城市化初期的<0.1毫克/立方米增加到30毫克/立方米這一歷史變化過程。該變化主要與城市化過程尤其是近50年來工業(yè)化的出現(xiàn)有著密切關(guān)系。隨著1927～1945年當(dāng)?shù)卮髲R鐵礦的開采，油松年輪內(nèi)的鐵含量明顯增高；錳在整個(gè)歷史時(shí)期均表現(xiàn)出增加趨勢，由1840～1850年的4.1微克/克增加到1980～1990年的10.4微克/克；在1980～1990年形成的木質(zhì)部中，鉛含量明顯增加，超過1920～1930年期間的5.6倍。銅、鋅、鎳的含量，除個(gè)別點(diǎn)的某些時(shí)期變化較大外，基本上很平緩。這說明，日益加劇的大氣污染尤其是二氧化硫污染，造成承德市大氣質(zhì)量嚴(yán)重下降，甚至威脅到了古松的生存，造成古松大量死亡。
　　樹木年輪還可以指示溫室氣體的變化過程。利用上述油松年輪，我們測定了穩(wěn)定性同位素13C值自工業(yè)革命以來的變化，揭示出我國北方大氣中二氧化碳濃度的變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：承德市油松年輪中的同位素13C值自1810年以來平均下降了0.839‰，下降范圍0.682‰～1.120‰，指示了大氣二氧化碳濃度逐漸升高的特點(diǎn)。穩(wěn)定性同位素13C值與歷史時(shí)期全球大氣二氧化碳濃度之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。應(yīng)用樹木年輪穩(wěn)定同位素13C值與大氣二氧化碳濃度之間的關(guān)系式，我們推測出我國北方大氣二氧化碳濃度從工業(yè)革命以前的約278.4ppm（ppm為百萬分比濃度）上升到20世紀(jì)末的340ppm。
　　
　　結(jié)語
　　
　　盡管人們可以利用植物的典型癥狀指示大氣污染，但其中存在一個(gè)主要缺陷，就是這種方法不能準(zhǔn)確回答污染物的含量是多少，僅能對(duì)大氣污染狀況進(jìn)行定性指示。換句話說，植物在此僅是指示者，而非監(jiān)測者，并且在有的時(shí)候，植物的典型癥狀并不典型。雖然有人試圖將污染物引起的植物表現(xiàn)癥狀與病蟲害、旱災(zāi)、營養(yǎng)元素缺乏引起的癥狀相區(qū)別，但因典型癥狀大多只是在實(shí)驗(yàn)條件下觀察到的，因而在野外利用典型癥狀來指示大氣污染情況仍有一定的局限性。
　　有簽于此，人們的注意力逐漸轉(zhuǎn)移到植物的監(jiān)測或富集特性中來，開展富集植物指示或監(jiān)測大氣污染研究。研究人員借助儀器分析，采樣測定樹木的葉片、枝條、表皮，草本植物，地衣、苔蘚植物體內(nèi)的污染物的含量，由此指示并監(jiān)測大氣污染，并借助計(jì)算機(jī)等先進(jìn)手段處理大量數(shù)據(jù)，從而使大氣污染指示植物的研究取得更大的發(fā)展。
　　【責(zé)任編輯】趙菲