大气污染的指示器—绿色植物

    
    植物对环境变化是非常敏感的。和动物不一样，当遇到环境胁迫时，动物可以选择逃离，但植物没有腿，多数只能在原地被动忍受侵害的发生。一旦环境中发生大气污染，植物便从外表形态、内部结构，尤其化学成分上表现出一系列的反应特征。人们就利用植物的这些特点来指示环境中是否出现了污染，是什么样的污染物造成了植物的反应特征，甚至借助仪器分析，确定污染物的浓度。
    地衣荒漠背后的城市污染
    早在19世纪末，就有人开始注意到敏感植物的伤害症状与大气中二氧化硫之间的关系，并用植物来判别是否存在大气污染。如法国人尼兰德1866年在巴黎、英国人史特顿1874年在格拉斯哥，分别研究了地衣对大气污染的指示性，他们也因此成为开展大气污染指示植物研究的先驱人物。
    地衣受大气污染的影响很明显，地衣的消失与二氧化硫的浓度之间存在很大的关联性。如今，生活在城市中的我们，很难看到地衣，就是这个原因。人们将因城市污染不能生长地衣的现象称为城市“地衣荒漠”。在自然界中，地衣是最耐受干旱瘠薄的类型，就是在严酷的荒漠中甚至裸露的岩石上，也可以存活。但在不少城市里，地衣却消失了。可见，相对于自然环境，城市环境中的大气污染是客观存在的。
    1971年，联合国教科文组织成立了人与生物圈(MAB)计划，其目的是寻找人类生存环境受环境污染以及自然资源枯竭后的解决之道。当时的人们已经觉察到越来越严重的土壤、水和大气污染问题，并一直在寻找适当的环境变化指示生物，这项研究也成为生态学家最感兴趣的课题。自20世纪50年代以来，国内外陆续开展各项利用绿色植物指示大气污染的研究。
    利用叶片指示大气污染
    从20世纪中叶以来，利用叶片典型症状
    指示大气污染研究得到众多生态学家与环境学家的青睐。他们发现，对大气环境污染敏感的植物，一旦处于污染环境中，受到污染物影响后，叶片上往往表现出伤害症状。如果大气污染物浓度很高，但污染持续时间很短，植物叶片会表现出急性受害症状，如叶片坏死，叶片颜色由绿变黄、变白等。当大气污染物浓度较低且污染持续时间较长时，叶片则会表现出慢性受害状态，比如叶片由绿变棕黄、脱绿、早熟落叶等。
    这两种情况均属于叶片受到污染物伤害的典型症状，它们的不同之处仅仅在于植物对大气污染程度的反应状况不同。因而，利用绿色植物的典型症状，尤其急性症状，可以指示大气中是否存在某种污染物。例如，烟草对于臭氧非常敏感，它们受到臭氧污染后产生的伤害症状表现为叶片干枯，表面上出现斑点。对臭氧浓度敏感的植物还有大豆、葡萄、白皮松等。
    甜菜、莴苣、早熟禾等，对光化学烟雾有一定的指示性。进行该项研究最多的是美国的加利福尼亚地区，因为人们最早在该地区发现了光化学烟雾污染。
    植物受光化学烟雾伤害的症状表现为，下表皮泛白。科研人员还发现，烟草、芸薹（油菜）等，对氮氧化物污染有较好的指示作用。
    许多植物在自然状态或实验状态下，受二氧化硫影响后都表现出典型的受害症状，这些症状包括：叶脉之间及叶缘变成白色、组织细胞脱水死亡，叶片焦枯、脱落。人们研究后发现，春季的杨树、桦树、紫花地丁，夏季的苜蓿、大麦，晚秋时的松树等，可以很好地指示大气中二氧化硫的污染情况。
    同受到二氧化硫污染一样，氟化氢在高等植物的叶缘及叶尖聚集时，会使阔叶植物叶片边缘或先端出现坏死区，叶片还会逐渐变色——由正常的绿色变为浅褐色，甚至是褐红色。但氟化氢一般不引起植物出现落叶的情况。针叶植物受到氟化氢危害后的症状从叶子先端开始，尔后逐渐扩到叶基，叶子颜色则由绿色变为黄红色，最后呈现为棕色，并出现大量落叶的情况。
    利用附生植物指示大气污染
    附生植物之所以能较好地指示大气污染，主要源于以下理由：
    一是附生植物分布很广，可以出现在各种自然环境甚至工业区和城市中；二是附生植物无表皮和角质层，污染物包括重金属离子很容易通过体表进入其体内，它们也极易因此受到伤害甚至死亡；三是附生植物无吸收器官（没有根），其所需要的矿物质主要通过大气的干湿沉降（降尘、降水）这条途径实现。换句话说，附生植物受到的污染来自天上，因而它们能较客观地反应出大气污染状况；四是附生植物缺少微管组织，污染物在植物体内的转移很微弱，人们由此可以借助仪器定量地监测大气污染情况；五是附生植物的细胞大多为单层结构，污染物可以从背腹两面进入植物体，每个细胞所承受的污染物浓度高于其他高等植物受到的污染伤害。也就是说，附生植物和其他植物相比，对大气污染更敏感。如果周围的大气污染非常严重时，还会造成自然环境中附生植物的消失。从这一点来看，附生植物是以生命为代价指示大气污染物的存在的。
    鉴于以上原因，地衣和苔藓植物被大量用来指示和监测大气污染和重金属污染。关于附生植物指示大气污染的研究主要集中在4个方面：一是对污染地区附生植物群落类型、种类组成与分布进行调查；二是移植附生植物于污染地区观察其受害直至死亡所需时间；三是利用附生植物群落学特征计算大气洁净度指数，进行环境评价；四是用物种的丰富度或种类数量特征绘制大气污染分布图。如欧洲从1955年注意到城市污染和地衣种类分布的关系，科学家吉尔伯特于1969年在英国首次发现市中心已成为地衣荒漠，以后他又进行了苔藓类调查，结果发现了同样的规律。利用树皮指示大气酸度
    树皮常年暴露于空气中，对于大气污染尤其是累计性大气污染有很好的指示作用。当空气中的酸性污染物增加时，树皮的酸碱度（pH值）会下降。1973年，有两位科学家研究了某地区落叶树树皮与大气酸度的关系，并绘制了树皮酸度中的硫含量。1977年，科学家格罗津斯克研究了波兰5种落叶树树皮pH值及其缓冲容量，并指出，利用树皮能够较好地指示大气中二氧化硫、氮氧化物影响所引起的酸度变化。
    笔者也曾经利用树皮pH值的变化指示了城市大气污染状况。1991—1993年，笔者在河北省承德市5个大气监测点测定了油松、国槐、白蜡、刺槐、毛白杨、早柳、垂柳、榆树这8种常见绿化树种树皮的pH值变化情况。结果表明，8种树皮的pH值为3.5～7，平均值为5.7。不同功能区中树皮的pH值从大到小依次为：公园区>工业区>生活居住区。这表明，树皮酸碱度的变化与大气中二氧化硫等酸性气体的污染有关。同种植物的树皮浸提液的硫酸根含量在不同地区亦不同，清洁区为2.561毫克／克，生活区为5.342毫克／克，树皮pH值与硫酸根含量呈极显著负相关。这些树种中，榆树等4种落叶阔叶树树皮对大气中二氧化硫的变化较敏感，可以用来作为二氧化硫等酸性气体的适宜指示与监测植物。
    利用植物指示和监测重金属和降尘
    粉尘中包括一些相对不活跃的物质，如来自石灰矿的一些碱性物质，以及诸如铬、铜、铁、铅、汞、镍、锌等重金属元素。这些颗粒既能被风吹走，也能停留在叶表皮上，进而通过气孔或叶片上的受损部位进入叶内。利特尔和马丁这两位国外学者采集了冶炼厂附近的榆树叶和山楂树叶片，分析后发现其中含有较高的镉、铅和锌，其浓度值与风向有关，即迎风向的叶片内重金属含量更高，这说明污染来自上风向的冶炼厂。还有人发现在污染环境中，草本植物紫羊茅叶的重金属含量较高，并由此断定表土和草本植物可以用来指示大气中的重金属污染情况。
    对重金属指示性较好的植物还是附生植物，此类植物被大量用于环境监测中。人们除了可以观察附生植物的生长状况，并由此判断环境污染轻重之外，还可以利用苔袋等方法指示大气污染。所谓苔袋法，指的是将来自于清洁区的地衣或苔藓移植于污染区内，然后定期取样测定其体内的重金属含量。
    在对粉尘指示植物的研究中，英国科学家曼宁研究了铁杉蒙尘状况，他在观察铁杉叶片的蒙尘形态，并进行理化分析之后，得出了所研究地区受到石灰性物质及水泥的影响情况，并发现铁杉叶片生物量会因受粉尘污染而降低的现象。
    利用树木年轮指示与监测大气污染历史
    树木的寿命很长，甚至可达数千年。在树木生长过程中，一些环境信息也被记录在了树木年轮中，其中就包括环境污染物。在做博士毕业论文的时候，笔者就曾利用采集于避暑山庄的油松年轮，对承德市自1800年以来的大气污染历史进行了研究。承德是先有避暑山庄，其后才有城市的，环境污染也是从近代工业革命之后才逐渐出现的。笔者研究后发现，避暑山庄油松年轮内的硫含量自20世纪初开始升高，该数值比19世纪初增加了1～2倍，及至20世纪七、八十年代，该比值达到了3～5倍，在20世纪末的8—10年则达到10倍以上。其中避暑山庄碧峰门古松木质部年轮内的硫含量，由40～50微克／克达到20世纪末的572.9微克／克，从而指示出承德市大气中二氧化硫浓度由城市化初期的<0.1毫克／立方米增加到30毫克／立方米这一历史变化过程。该变化主要与城市化过程尤其是近50年来工业化的出现有着密切关系。随着1927—1945年当地大庙铁矿的开采，油松年轮内的铁含量明显增高；锰在整个历史时期均表现出增加趋势，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年形成的木质部中，铅含量明显增加，超过1920—1930年期间的5.6倍。铜、锌、镍的含量，除个别点的某些时期变化较大外，基本上很平缓。这说明，日益加剧的大气污染尤其是二氧化硫污染，造成承德市大气质量严重下降，甚至威胁到了古松的生存，造成古松大量死亡。
    树木年轮还可以指示温室气体的变化过程。利用上述油松年轮，我们测定了稳定性同位素13C值自工业革命以来的变化，揭示出我国北方大气中二氧化碳浓度的变化规律。结果发现：承德市油松年轮中的同位素183C值自1810年以来平均下降了0.839‰，下降范围0.682‰～1.120‰，指示了大气二氧化碳浓度逐渐升高的特点。稳定性同位素13C值与历史时期全球大气二氧化碳浓度之间存在显著负相关关系。应用树木年轮稳定同位素13C值与大气二氧化碳浓度之间的关系式，我们推测出我国北方大气二氧化碳浓度从工业革命以前的约278.4ppm(ppm为百万分比浓度)上升到20世纪末的340ppm。
    结语
    尽管人们可以利用植物的典型症状指示大气污染，但其中存在一个主要缺陷，就是这种方法不能准确回答污染物的含量是多少，仅能对大气污染状况进行定性指示。换句话说，植物在此仅是指示者，而非监测者，并且在有的时候，植物的典型症状并不典型。虽然有人试图将污染物引起的植物表现症状与病虫害、旱灾、营养元素缺乏引起的症状相区别，但因典型症状大多只是在实验条件下观察到的，因而在野外利用典型症状来指示大气污染情况仍有一定的局限性。
    有签于此，人们的注意力逐渐转移到植物的监测或富集特性中来，开展富集植物指示或监测大气污染研究。研究人员借助仪器分析，采样测定树木的叶片、枝条、表皮，草本植物，地衣、苔藓植物体内的污染物的含量，由此指示并监测大气污染，并借助计算机等先进手段处理大量数据，从而使大气污染指示植物的研究取得更大的发展。

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