南极菲尔德斯半岛地区地衣和苔藓的生物地球化学特征

第9卷第4期极地研究V o l.9,N o.4 1997年12月CH I N ESE JOU RNAL O F POLA R R ESEA RCH D ece m ber1997
南极菲尔德斯半岛地区地衣和
苔藓的生物地球化学特征
李锋　李天杰
(北京师范大学环境科学研究所,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100875)
提要　利用地衣和苔藓化学分析资料对南极菲尔德斯半岛地区地衣和苔藓中化学元素的分配、相关性及其元素比值关系进行了分析。

研究表明,地衣和苔藓促进了土壤与风化壳的发育,但受南极地区恶劣环境条件的限制,生物地球化学过程极其微弱。

地衣和苔藓植株体中Fe、A l、M n 等元素丰度主要依赖于土壤与风化壳元素丰度的高背景值。

Ca、K、C r等元素是地衣选择性吸收较强的元素,苔藓对M g、N a、Zn等元素则具有较强的选择性吸收能力。

关键词　南极　菲尔德斯半岛　地衣　苔藓　生物地球化学
近年来,有关南极地区表生地球化学的研究工作受到了各国学者的普遍重视(Ca mp2 bell and C laridge,1988;刘耕年,1991;赵俊琳,1991;谢又予1988),但有关南极地区生物地球化学方面的研究成果还较少。

目前的工作仅局限于背景值(赵俊琳,1989)和海洋生物(张海生等,1993)的研究,陆地生物地球化学的研究还较薄弱。

本文在前人研究工作的基础上,利用地衣和苔藓的化学分析资料,对菲尔德斯半岛地区的生物地球化学特征进行了初步研究。

一、分析测试
将用去离子水洗净的样品放入烘箱中,在60～80℃条件下烘干,取出后在干燥器中冷却称重。

消化定溶后,进行元素含量测量。

在北京师范大学测试中心用等离子发射光谱仪测试各元素含量。

对元素含量较低的样品在北京师范大学环境科学研究所用原子吸收石墨炉进行测定。

共测试地衣样品5个,苔藓样品6个。

同时对生物附生的土壤与风化壳样品也进行了测试。

测试结果见表1。

表1　南极菲尔德斯半岛地区地衣、苔藓及附生土壤与风化壳元素背景值(m g kg)
T able1.Background value of che m ical ele m en ts in lichon,mo ss and s o il underneath.
元素A l Ca Cu Fe K M g M n N a N i Pb Zn C r P S T i V 地衣427.395266.16444.301306350.612.32323.700.970.693323.742.339307.90310.1042.271.783土壤风化壳736724106068.2947266373117888742.163112516.780.582663.9429.310476.91107.493251.54198.11苔藓89901419417.407927814.83667250.8021894.852.1100323.604.091492.00990.80388.90
土壤风化壳567793802025.7836756459014007517.111703516.760.882553.9317.282295.38792.642999.23
003极地研究第9卷
二、结果与讨论
1.地衣和苔藓中化学元素的分配
植物的化学组成,在很大程度上取决于土壤的化学组成。

植物在参加地表进行的地球化学过程的同时,能够从土壤中吸收营养物质(Перельман,1973)。

从菲尔德斯半岛地区地衣和苔藓中元素的丰度来看,普遍低于土壤与风化壳。

但S元素的丰度却高于土壤与风化壳,反映出S元素的生物吸收特性。

从地衣和苔藓及土壤与风化壳三者元素丰度分配序列来看:
地衣:Ca>K>Fe>A l>M g>N a>S>P>T i>Zn>M n>Cu>C r>V
苔藓:Ca>A l>Fe>M g>N a>P>S>K>T i>Zn>M n>Cu>N i>C r
土壤与风化壳:A l>Fe>Ca>N a>M g>K>T i>M n>P>V>S>Cu>Zn>C r>N i 显然,地衣和苔藓中化学元素与其附生的土壤及风化壳之间发生了分异。

Ca元素成为两者的主要元素,其他元素的丰度序列也发生了明显的变动。

但由于南极地区环境条件的恶劣,植物生长期较短,土壤发育程度较弱,使地衣和苔藓对元素较强的选择性吸收受到了限制。

值得指出的是,苔藓中元素的丰度普遍高于地衣。

这与它们各自的生长环境有很大关系。

苔藓一般生长在低洼潮湿的地段,地衣则更多地生长在陡崖、山坡上。

两种不同的生长环境使它们对元素的选择性吸收产生了差别。

2.地衣和苔藓中化学元素相关性分析
表2和表3给出了地衣和苔藓中化学元素的相关系数矩阵。

同时,为了深入研究地衣和苔藓中化学元素间的相关关系,还给出了土壤与风化壳中元素的相关系数矩阵(表4)。

表2　南极菲尔德斯半岛地区地衣中化学元素相关系数r(P0.01,r-0.96;P0.05,r-0.83)
T able2.Co rrelati on m atrix of che m ical ele m en ts in lichon.
Cu C r M n N i Pb Zn Ca M g K N a Fe A l T i P S V Cu1.00
C r0.291.00
M n-0.770.161.00
N i-0.290.830.631.00
Pb0.250.51-0.210.361.00
Zn0.850.73-0.370.250.411.00
Ca-0.380.200.760.470.19-0.041.00
M g-0.130.100.660.23-0.370.100.761.00
K-0.47-0.530.59-0.22-0.57-0.490.600.771.00
N a0.370.350.240.180.080.580.670.810.401.00
Fe-0.770.130.970.60-0.03-0.390.860.610.590.271.00
A l-0.77-0.260.870.22-0.29-0.580.800.680.860.270.911.00
T i-0.92-0.200.630.32-0.36-0.790.07-0.060.23-0.590.560.521.00
P-0.570.000.900.36-0.46-0.280.760.890.820.480.850.890.411.00
S-0.44-0.300.660.00-0.20-0.340.850.790.910.560.740.900.110.811.00
V-0.91-0.180.890.37-0.12-0.670.720.440.640.020.940.940.710.750.731.00
地衣和苔藓中化学元素相关关系的研究表明,两者既有共性,又有差异性。

地衣和苔藓中Fe、A l、M n等元素之间的相关性较好,这基本上继承了土壤与风化壳中它们之间的相关性。

说明地衣和苔藓对这三种元素的选择性吸收不强,主要是受土壤与风化壳中元素丰度高背景的影响。

表3　南极菲尔德斯半岛地区苔藓中化学元素相关系数r (P 0.01,r -0.83
;P 0.05,r -0.71
)
T able 3.Co rrelati on m atrix of che m ical ele m en ts in mo ss
.A l Ca Cd Cu Fe K M g M n N a N i
Pb
Zn
C r
P
S
T i
A l
1.00Ca -0.111.00
Cd 0.250.921.00
Cu 0.23-0.76-0.521.00
Fe 0.810.100.490.391.00K -0.370.650.62-0.090.201.00M g -0.35-0.89-0.980.61-0.47-0.451.00M n 0.030.470.30-0.90-0.36-0.33-0.451.00N a 0.760.140.520.401.000.29-0.48-0.411.00N i 0.250.940.99-0.640.400.52-0.990.440.421.
00Pb 0.97-0.160.240.420.91-0.21-0.29-0.220.870.101.00Zn 0.540.700.93-0.220.780.51-0.910.080.790.890.571.
00C r -0.220.970.81-0.88-0.110.52-0.820.63-0.080.86-0.310.541.00P 0.500.470.50-0.710.14-0.34-0.670.870.080.620.280.440.541.00S 0.380.370.650.310.840.69-0.53-0.510.890.520.550.810.15-0.151.00T i
0.730.100.480.450.990.30-0.43-0.471.00
0.370.86
0.76-0.120.011.00
1.00
S 和K 、Ca 等元素较好的相关性反映出S 和K 元素是地衣生长的必需元素。

P 元素
与A l 、M g 的相关性在地衣和土壤与风化壳中都较好,说明P 元素主要受土壤与风化壳中元素丰度高背景值的影响,其生物选择性吸收较弱。

地衣中N a 元素与其他元素的相关性普遍较差,说明N a 元素对地衣的生长并非必需而是被迫吸收元素。

Cu 、Zn 元素和V 、T i 元素之间的负相关可能与元素在地衣生理机能上的颉颃作用有关。

与地衣有所不同的是,苔藓中Ca 和M g 元素具有明显的负相关性,说明苔藓对Ca 和
M g 元素有较强的选择性吸收,这与两种元素在苔藓生理机能上的颉颃作用有关。

与Ca 和M g 元素关系相似的还有Cu 和M n 、C r ;M g 和N i 、Zn 。

S 元素在苔藓中与Fe 、M n 、Zn 、K 元素的相关性较好,一方面说明S 和K 元素是苔藓生长的必需元素,另一方面也反映出S 和K 元素大概来自铁锰胶体的吸附作用。

苔藓中P 和N a 元素及N a 和Fe 、A l 、T i 元素较好的相关性说明N a 元素来自于土壤与风化壳的造岩矿物。

与地衣不同,P 元素可能是苔藓选择性吸收较强的元素。

表4　南极菲尔德斯半岛地区土壤与风化壳中化学元素相关系数r (P 0.01,r -0.66;P 0.05,r -0.53
)
T able 4.Co rrelati on m atrix of che m ical ele m en ts in s o il and w eathering crust .
Cu C r M n
N i
Pb
Zn
Ca
M g
K
N a
Fe
A l
T i
P
S
V
Cu 1.00C r 0.081.00M n 0.01-0.341.
00N i 0.540.710.131.00Pb 0.010.150.270.201.00
Zn 0.330.070.270.170.131.00
Ca 0.130.610.360.440.360.111.00M g 0.290.150.590.110.66-0.110.231.
00K 0.140.400.500.060.370.270.010.541.00N a 0.330.530.140.160.200.030.440.350.461.00Fe 0.380.440.410.580.080.120.240.770.410.041.
00A l 0.240.640.080.620.090.140.580.800.480.410.681.00T i 0.340.270.380.170.500.060.230.520.800.380.260.241.00P 0.330.260.300.610.070.360.290.330.290.190.390.580.111.00S 0.360.350.110.490.800.300.290.430.030.330.260.310.070.491.00V
0.660.22
0.31
0.54
0.260.17-0.22
0.50
0.33-0.20
0.65
0.47
0.14-0.420.05
1.00
地衣和苔藓中元素的相关性与土壤及风化壳相比,常量元素普遍继承了土壤与风化
壳中各元素的相关性,这反映出在南极恶劣环境条件的控制下生物选择性吸收强度的微
1
03第4期李锋、李天杰:南极菲尔德斯半岛地区地衣和苔藓的生物地球化学特征
203极地研究第9卷
弱性。

但由于地衣和苔藓不同的生长环境,两者对元素的选择性吸收还是有一定的差异。

生长环境较好的苔藓比地衣的选择性吸收强度要大一些,尤其是一些微量元素。

3.地衣、苔藓与土壤及风化壳的元素比值分析
植物的化学组成尽管依赖于土壤的化学组成,但并不是土壤组成的重复。

重要的是,植物有选择吸收其生理和生化要求特别必需元素的能力(Перельман,1973)。

而且,植物的种类不同,同一植物的不同器官,其选择吸收元素的能力也有所差别。

这些因素的复杂组合构成了植物与其赖以生存的土壤之间的界面关系。

土壤与植物的界面关系不仅仅反映在某些化学元素的绝对丰度上,有时某些元素之间的相对丰度(元素比值)的意义更重要。

表5给出了南极菲尔德斯半岛地区地衣、苔藓及其附生土壤与风化壳某些化学元素的比值。

表5　菲尔德斯半岛地区地衣、苔藓及附生土壤与风化壳元素比值
T able5.R ati o of che m ical ele m en ts in lichon,mo ss and s o il underneath,F ildes Pen in sula.
元素比值地衣附生土壤与风化壳苔藓附生土壤与风化壳
Fe A l1.040.640.880.65
Ca M g27.172.303.872.71
A l M g1.224.122.454.05
Fe M n36.0663.6931.6171.08
K N a4.030.120.370.27
P S0.994.431.502.90
Cu Zn0.261.070.050.48
M n C r5.2725.3261.3229.93
从表5给出的结果来看,地衣和苔藓的Fe A l比值均稍高于土壤与风化壳,说明地衣和苔藓对Fe元素的吸收强于A l,但差别不大,表明两者对Fe、A l元素的选择性吸收是较弱的。

这与前面的分析是一致的。

地衣和苔藓Ca M g及A l M g比值的变化反映出两者对Ca的吸收明显强于A l元素,苔藓对M g元素的吸收要强于地衣。

K N a比值在地衣、苔藓及土壤与风化壳中的变化表明两者对K和N a元素的不同吸收能力。

地衣和苔藓的K N a 比值普遍高于其附生的土壤与风化壳,说明K元素是两者的必需元素,但地衣对K元素的吸收明显强于苔藓,而苔藓对N a元素的生物性吸收要高于苔藓。

这与前面的分析基本一致。

P S比值的变化说明地衣和苔藓对S元素有较强的选择性吸收能力,但苔藓对P元素的选择性吸收要比地衣强。

这与上面的分析也是相同的。

地衣和苔藓对微量元素的吸收与其附生的土壤与风化壳相比,其选择性是有差异的。

如,Cu Zn比值反映出地衣和苔藓对Zn的选择吸收能力要比Cu元素强得多,而且苔藓对Zn的选择吸收比地衣更强一些。

Fe M n和M n C r比值则说明地衣和苔藓吸收M n元素的能力要比Fe元素强,但地衣对C r元素的选择吸收比苔藓要强得多。

生物吸收微量元素的程度,一方面依赖于生物特性,另一方面也取决于其附生土壤中元素所处的形态。

一般来说,植物最易吸收存在于溶液或在土壤胶体颗粒表面呈吸附状态的元素(Перельман, 1973)。

苔藓与地衣相比,某些元素无论是在绝对丰度上,还是在相对丰度上都表现出一定的优势,是与其有利的生长环境分不开的。

需要说明的是,由于地衣和苔藓选择性吸收的差异,使其附生的土壤与风化壳元素比值关系也发生了变化。

譬如,K N a、Cu Zn比值等。

这表明南极地区土壤与风化壳的形成和发育过程已受到生物的影响,地衣和苔藓的生物地球化学过程参与了土壤的发育过程。

但南极地区恶劣的环境条件限制了地衣和苔藓的生长及土壤与风化壳的发育,使菲尔德
斯半岛地区生物地球化学过程极其微弱。

三、结 语
通过上面的分析,可得到以下几点结论:
南极菲尔德斯半岛地区地衣和苔藓元素丰度与其附生的土壤及风化壳相比,既有特殊性,又有其共性。

相关关系和元素比值关系的分析表明,地衣和苔藓中某些常量元素的丰度主要依赖于其附生土壤与风化壳元素丰度的高背景值。

如Fe 、A l 、M n 等。

对Ca 、M g 、
K 、N a 、S 及某些微量元素地衣和苔藓都表现出一定程度的选择性吸收。

但两者对元素的选择性吸收也有一定的差异。

譬如,地衣对Ca 、K 、C r 等元素的吸收较强,苔藓则对M g 、
N a 、Zn 等元素有较强的选择性。

地衣和苔藓附生土壤与风化壳K N a 、Cu Zn 等比值关系的差异,说明地衣和苔藓促进了土壤与风化壳的发育。

但受区域环境条件的制约,生物地球化学过程极其微弱。

[本文于1996年3月收到]
参考文献
刘耕年(1991):南极乔治王岛菲尔德斯半岛的土壤化学风化作用,南极研究(中文版),3(1),22—28.张海生等(1993):南大洋微量生命元素氟、硒、碘的生物地球化学,海洋出版社。

赵俊琳(1991):南极长城站地区现代环境地球化学特征,南极研究(中文版),2(2),1—12.
赵俊琳(1989):乔治王岛菲尔德斯半岛地区环境背景值初探,南极研究(中文版),1(4),44—51。

谢又予(1988):论南极多年冻土区的化学风化作用,南极研究(中文版),1(2),9—12.
Ca mpbell ,I .B .and C laridge ,G .G .C .(1988):A ntarctic :SoilsW eathering P rocesses A nd Environm ent ,N e w York .Перелъман,А.И.(1973):геохимиябиосферы.М.,изд2вонаука
.B I O GE OCHE M I C AL CH ARACTERI S TI C S O F MOSS AND
L I C HE N I N F I L DES PE N I N SULA ,ANT ARCTI C A
L i Feng and L i T ian jie
(State Key Joint L aboratory of Environm ental Si m ulati on and Polluti on Control ,Institute of Environm ental Sciences ,
Beijing N or m al U niversity ,Beijing 100875,China )
Abstract
T he distributi on ,in terrelati on and rati o of che m ical ele m en ts are discussed acco rding to the che m ical compo siti on of the mo ss and lichen in th is area .R esults show that mo ss and lichen p romo te the w eathering of s o ils ,though the bi ogeoche m ical p rocess is quite sligh t be 2cause of the A n tarctic environm en tal conditi on .T he concen trati on s of Fe ,A l and M n are
p ri m arily con tro lled by the background level in the underlying s o ils
.Ca ,M g ,K ,N a ,S and s om e trace ele m en ts are selectively abs o rbed by mo ss and lichen ,but their abs o rp tivities are differen t .Ca ,K and C r are the ele m en ts that can be strongly abs o rbed by lichen w h ileM g ,
N a and Zn are strongly abs o rbed by mo ss
.Key words A n tarctica ,F ildes Pen in sula ,lichen ,mo ss ,bi ogeoche m istry .
作者简介　李锋,男,1969年生,1991年毕业于北京大学地质系,1994年于北京师范大学环境科学研究所获理学硕士学位,现为中国荒漠化监测中心工程师,主要从事环境地学、环境地球化学、荒漠化研究。

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03第4期李锋、李天杰:南极菲尔德斯半岛地区地衣和苔藓的生物地球化学特征。