草原“金属探测仪”——地表苔藓植物评估重金属污染草原的土壤状况

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文章导读

全世界范围内的苔藓植物约有 25000 种，它们在陆地生态系统中发挥着重要作用，在极地、山地和养分贫乏的草原地区更是维管植物的优势物种。由于苔藓植物具有独特的生理特性，许多苔藓植物在空间和时间上对污染物的反应非常灵敏。因此，苔藓植物已被广泛应用于监测重金属元素水平。然而，苔藓植物群落的生物指示价值却鲜为人知。来自波兰和捷克的 Rola 研究团队在 Plants 期刊发表了文章，重点研究了苔藓植物群落特性与重金属污染地区的土壤状况关系，研究成果对于了解苔藓植物应用于指示土壤重金属污染等方面具有重要意义。

研究过程与结果

作者对土壤在重金属污染条件下，苔藓植物物种的组成、丰富度和丰度变化与土壤化学特性的关系展开了研究，重点验证了两个研究问题。

问题一

在重金属环境下，苔藓植物物种组成、丰富度和丰度的变化是否与土壤化学特性相关?

作者首先研究了实验样地炼锌场附近的土壤化学参数及污染负荷指标，根据土壤条件将研究区域划分为 4 个等级，即“低”、“中”、“高”和“极端”。不同样点的土壤化学参数和污染负荷指数情况，如图 1 所示。除 C/N 比差异显著之外，重金属浓度的差异最为突出，Zn、Pb、Cd 和 As 的浓度在“极端”等级中最高，并且与“低”和“中”等级具有明显区别。

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图 1. 不同样点土壤化学参数和污染负荷指数情况。

在研究区域的 4 个等级土壤条件下，总共记录了 22 个属的 32 个苔藓植物物种。进一步的苔藓植物物种丰富度和覆盖率分析情况表明，在不同的土壤条件下，物种丰富度存在明显差异，“极端”等级的物种丰富度明显高于“低”和“中”等级 (Kruskal-Wallis test; p<0.05)。在总苔藓植物覆盖率中也发现了类似的趋势，如图 2 所示。

图 2. 在特定的土壤条件下，苔藓植物物种丰富度和覆盖率情况。

问题二

在重金属环境下，如何确定特定苔藓植物物种对土壤化学参数的偏好？

为了确定在重金属环境下，特定苔藓植物物种是否存在对土壤化学参数的偏好，作者进一步对苔藓植物分布进行了非度量多维测度 (Non-metric Multidimensional Scaling, NMDS) 分析，如图 3 所示。NMDS 排序图可以直观地反映苔藓植物物种之间的相似性。研究结果表明，物种在第一轴共同出现模式与土壤条件的梯度有显著关系。图中左侧的物种仅限于出现在代表“极端”等级的地块中。反之，位于右侧的物种主要与“低”等级有关。对重金属污染和土壤 pH 值响应不明显物种则分布在图的中间部分，位于上述两组之间。

图 3. 非计量多维比例散点图显示了在研究的地块中出现的苔藓植物物种相似性。饼状图显示了某一物种在特定土壤条件下的出现比例 (基于某一物种在特定等级中的频率矩阵)。

研究总结

作者对重金属污染的干旱草原上的土壤状况及苔藓群落进行的研究表明，土壤重金属污染水平在很大程度上决定了苔藓植物群落。土壤 pH 值被认为是影响污染地块苔藓植物物种丰富度的第二大因素。随着重金属浓度和土壤 pH 值增加，最明显的现象是植物群落的物种组成发生了明显的变化。这证明了苔藓植物对土壤因素具有很强的响应能力。因此，苔藓群落结构的变化可能显示出某一地点的生境条件。

除土壤特性外，生物的相互作用也被认为是苔藓植物群落变化的重要驱动因素。研究结果表明，金属污染对苔藓植物群落结构的影响是一个复杂的现象，也受到非生物和生物因素的影响。研究结论表明，如果不考虑苔藓植物群落结构与某些物种被其他物种取代及土壤条件变化梯度之间的关系，苔藓植物物种数量本身可能不足以反映土壤污染水平。土壤中高浓度的重金属和碱性 pH 值会很大程度地影响苔藓植物的物种丰富度。因此，在后工业化时代，碱性 pH 值和重金属浓度较高的地区，可以被认为是陆生苔藓植物的生物多样性热点地区。

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