全 文 ：黄山松年轮硫及重金属元素含量动态特征*
吴泽民* * 高 健 黄成林 洪淑媛
(安徽农业大学林学与园林学院, 合肥 230036)
=摘要> 对黄山松 80年的年轮序列中 S及重金属元素Mn、Fe、Zn、Cu 和 Pb 含量分析结果表明, 年轮中 S
浓度可划分为 3 个等级: 581 5%年轮段, S浓度< 2 mg# kg- 1 ; 241 4% 年轮段, S浓度 31 65~ 610 mg# kg- 1 ;
1711%年轮段, S浓度> 11 mg# kg - 1. 年轮序列中 S的积累有较大幅度的波动, 可分为波动型( 1917~ 1960
年)、相对稳定型( 1961~ 1980 年 )和持续增长型( 1981 年以后) 3 种类型; 在 1935~ 1938 年、1959~ 1960
年以及最近 10 年的年轮中, S含量均> 11 mg# kg - 1, 表明该时段大气中 S 的浓度较高. 统计分析表明, 近
18 年来, 旅游人数的增加与年轮中 S含量呈显著相关性, 一些景点较集中的燃料消耗可能造成局部大气
污染,从而影响到树木.年轮序列中 Pb 的积累浓度低于土壤背景值; Mn、Fe、Zn 和 Cu 在年轮中的积累均
有明显的波动性;统计上无显著的相关性,表明这 4 种元素在年轮中的积累是独立的; Zn 和 Cu 在年轮序
列中积累的波动与树龄无关; Mn 在年轮序列中的浓度随树龄增加而降低, 在最新的几个年轮段又略有增
加, F e则相反.
关键词 硫 重金属含量 年轮序列 黄山松
文章编号 1001- 9332(2005) 05- 0820- 05 中图分类号 S7181 4 文献标识码 A
Dynamic chara cters of sulphur and heavymetals concentr ations in P inus ta iwanensis growth r ings. WU Zemin,
GAO Jian, HUANG Chenglin, HONG Shuyuan ( I nstitute of Forestry and Landscape, Anhui Agr icultur al Uni2
versity , Hefei 230036, China ) . 2Chin. J . Appl. Ecol . , 2005, 16( 5) : 820~ 824.
Based on the concentration analyses of S, Mn, Fe, Zn, Cu and Pb in the growth ring set of P inus ta iwanensis at
the summit ( 1 400~ 1 600 m alt. ) of Huangshan Mountains during past 80 years, t his paper studied the dynam2
ic characters of element concentrations in the ring set, and their relationships with atmospheric environment. The
results showed that there were three levels of S concentration in the growth r ing set, i. e. , low concentration ( less
than 2 mg# kg- 1 ) , accounted for 58. 5% of the ring set; medium ( 3. 65~ 6. 0 mg# kg - 1 ) , accounted for
2414% ; and high (> 11. 0 mg# kg- 1 ) , accounted for 17. 1% . The dynamic change of S accumulation in the ring
set displayed an obvious fluctuation, which could be divided into 3 major types, i. e. , fluctuation during 1917~
1960, relatively stable during 1961 ~ 1980, and gradual increase after 1981. In the growth ring set of 1935~
1938, 1959~ 1960, and recent 10 years, the S accumulation concentr ations were all higher than 11 mg# kg- 1 ,
suggesting the relat ively high atmospheric S concentration in those periods. T here was a significant correlation be2
tween the increase of tourist amount in Huangshan scenic spot and the S concentration in growth r ing set. The
fuel fume centralized in some places might result in the atmospheric pollution at local scale, which in turn, might
influence the S accumulation in growth r ing set. The Pb accumulation concentration in the ring set was less than
the background value in soil. The accumulation concentr at ions of Mn, Fe, Zn and Cu showed fluctuation charac2
ter istics, with independence of each other. The accumulation of Zn and Cu in growth r ings had no cor relat ion wit h
tree age, while that of Mn and Fe was in adverse. The Mn concentration in the growth ring set decr eased wit h
tree age but incr eased in recent growth r ings, while the Fe concentration was on the contrary, which needed fur2
ther study.
Key words Sulphur, Heavy metals, Concentr at ion, Dynamic, Growth ring set, P inus taiwanensis.
* 国家/ 十五0科技攻关资助项目( 2002BA516208) .
* * 通讯联系人.
2004- 07- 05收稿, 2004- 11- 15接受.
1 引 言
树木年轮生长是物种生物学特性和外部环境条
件综合的结果, 年轮宽度的变化记录了大气环境与
气候变化的有关信息, 是研究历史气候的重要资
料[2, 12, 20] .研究表明, 树木年轮中化学元素含量与
当年环境中化学元素含量存在一定的相关性[1, 3] ,
因此可通过对树木年轮元素的分析,推测环境的变
化过程[11, 13] .树木生长年轮中元素的积累是一个十
分复杂的过程. 一方面,它与当时环境中的元素含量
有关;另一方面,当研究若干年前形成的年轮元素含
量时,必须考虑当年形成的年轮中元素是否会在以
后发生横向转移[6, 14] . 在树干木质部分的心材中,
构成木射线的射线薄壁细胞已经死亡, 而边材的射
线细胞是活的, 具有元素的横向迁移功能[19] . 这个
生理过程在一定程度上会影响对环境元素动态变化
的分析.环孔材树种一般具有较小的边材率,在选作
环境动态变化研究时, 可减少上述问题的发生[16] .
因此,树木年轮化学的研究需要生物学、生态学、化
应 用 生 态 学 报 2005 年 5 月 第 16 卷 第 5 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, May 2005, 16( 5)B820~ 824
学、物理学等多方面的合作.我国这方面的研究工作
尚不多,主要集中在不同地区、不同种类的树木, 以
及树木不同器官中重金属元素的积累[10] , 少数研究
从年轮化学角度分析环境污染元素的历史变化[9] ,
而如何在环境监测中发挥现实作用尚需要开展更多
的研究.
黄山是世界自然与文化遗产, 生态环境十分优
良,每年有大量游人来此观光旅游. 因此, 在发展旅
游业的同时,如何保护好自然环境是实现黄山可持
续发展的保证, 而了解黄山自然环境的历史, 探索黄
山旅游与环境变化的关系,将为科学、合理地经营黄
山风景旅游资源提供依据. 本文选择黄山风景区的
黄山松(Pinus taiwanensis) , 通过对其过去 80年的
年轮化学分析, 探索年轮中 S 和重金属元素积累的
规律,以此推测黄山地区的历史环境,研究环境质量
的变化,探讨发展旅游与大气环境的关系,为风景区
的保护与实现可持续发展的经营提供科学依据.
2 研究地区与研究方法
211 研究地区概况
研究地位于我国安徽省境内的黄山( 30b 10cN, 118b11c
E) ;最高海拔 1 864 m. 山体由花岗岩组成,主体地貌分为两
大区,中心区是起伏比较平缓的山顶面;外围地形复杂, 多强
烈切割为峭壁与深谷. 黄山属中亚热带湿润气候带, 据海拔
1 840 m 的光明顶气象台资料, 1 月份平均气温 - 311 e , 7
月份平均气温 1717 e , 年均温 71 8 e , 极端最低气温 - 11
e ;多年平均降水量为 2 3981 5 mm;无霜期 205~ 225 d. 主
要土壤类型为酸性棕壤、山地草甸土及小范围的山地沼泽
土.主要植被类型有山地灌木草地群落, 黄山松2杜鹃
( Rhododendron anhweiense)2大蓟( Cirsium japonicum)群落,
黄山松2华箬竹 ( Sasamorpha sinica )群落, 黄山松、黄山栎
( Quercus stewardii )2 衡山荚艹迷( Viburnum hengshanicum)、
少穗苔草( Carex f lipes var. oligosta chys) 群落,华东椴( Tilia
japonica )2 衡山荚艹迷2 管花鹿药 ( Smilacina japonica ) 群落.
乔木树种除黄山松外, 主要有华东椴、黄山栎、茅栗
( Castanea sequinii )、华毛石楠 ( Photinia villosa var. sinica )
和水榆花楸 ( Sorbus alnifolia ) ; 林下植被主要是黄山蔷薇
( Rosa ser ta ta )、南 方 六 道 木 ( Abelia dielsii)、沼 原 草
( Moliniopsis hui)、野古 草 ( Arundinella anomala )、地榆
( Sanguisorba of f icinalis) 和黄山龙胆( Gentiana delicata ) 等
等.
黄山松是我国东南部中山地形植被垂直带中的主要树
种之一,天然分布于海拔 600~ 700 m以上 ,在大陆的水平分
布范围为 112b 36c~ 121b E, 25b~ 31b36cN [ 7, 8] .黄山松寿命
长,但在华东地区目前仅保存少量高龄的黄山松, 是研究历
史气候与大气环境变化的重要材料. 黄山风景区环境保护措
施比较完善, 周围 100 km 范围内基本无大型工业区, 空气洁
净度高,总体环境质量良好 ;土壤中重金属元素的背景值除
了氟以外都低于全国的平均值[ 17] .
21 2 研究方法
21 21 1 采样 选择的采样点为黄山松天然纯林 ,海拔 1 400
m,坡向西南坡, 林分平均胸径 38 cm, 周围 500 m 范围内有
狮林酒店、北海宾馆.因风景区内不可能采伐多株树木以供
取样, 1999 年结合古树研究清理林地获得一株样株, 同时随
机选择上述样株附近的 5 株胸高直径> 40 cm 的立木 (年龄
一般约在 100 年) [ 18] , 用生长锥在胸径处钻去年轮木芯. 在
实验室对年轮从外向内每 2 年切取样品, 混合后取样分析.
因采集时间在夏季, 当年( 1999 年)的年轮尚未完全形成, 不
作单独分析而归属于前 2 年中.
21 21 2 分析 对各年龄段的年轮作元素含量分析, 采用
NHO32HClO4 消煮2BaSO4 比浊法测定 S; Mn、Cu、Fe、Zn 和
Pb 采用原子吸收光谱分析仪测定. 上述所有分析在中国林
业科学研究院分析中心完成. 各元素积累的相互关系应用
JMPin 统计软件进行统计分析.
3 结果与分析
311 黄山松年轮中 S的积累
由图 1可见, S 在年轮中的积累呈明显的波动
性, 2年段年轮中 S浓度最低的是 1972~ 1973年轮
段,为 0. 43 mg#kg- 1;最高的是 1997~ 1999 年轮
段,达 1315 mg# kg- 1, 相差近 30 倍. 另外, 1959~
1960年轮段具有很高的 S含量,浓度达到1219 mg#
kg- 1.
根据年轮中 S浓度分布, 可划分为 3 个浓度等
级:低浓度年轮段( 1935~ 1938年) , S 含量浓度< 2
mg# kg - 1, 占总年轮的 5815%; 中等浓度年轮段
( 1959~ 1960年) , S 含量浓度 3165~ 6 mg#kg- 1,约
占 2414%;高浓度年轮段( 1993~ 1999年) : S 含量
> 11 mg#kg- 1,约占 1711%. 这 3个浓度水平之间
界线分明、无过渡类型(图 2) .
年轮中 S含量的动态变化明显表现为 3种类型
(图 1) . 1)波动型: S 含量呈现明显的波动, 出现在
1917~ 1960年的 53年中, 最高与最低含量相差近
10倍,并分别在 1935~ 1938年、1959~ 1960年出现
2个明显的高峰段, 含量均超过 11 mg# kg- 1, 达到
高浓度水平等级; 在 1923 ~ 1928 年、1943 ~ 1944
年、1951~ 1952年 3 个时段出现较高的 S 含量, 变
化范围在 4~ 6 mg#kg- 1之间,属于中等浓度等级水
平范围;其它时段的年轮中的S 含量均比较低, 含量
大多在 2 mg#kg- 1以下.该类型的整个年轮时段中,
8215 期 吴泽民等:黄山松年轮硫及重金属元素含量动态特征
S含量平均值为 4109 mg#kg- 112)相对稳定型: S 含
量总体水平低、波动不大,出现在 1961~ 1980年, 在
近20年间 S的含量持续处于低浓度等级水平,平均
浓度仅为 0194 mg# kg- 1, 变化范围在 0143~ 1130
mg#kg - 1之间. 3)持续增长型:出现在 1981年之后,
除了 1987~ 1989年的年轮中 S浓度下降外, 总体上
呈连续增长趋势, 其 S 含量平均值达到 8127 mg#
kg- 1, 而且在 1992年以后的年轮中, S 浓度都超过
11 mg#kg- 1.
312 黄山松年轮中 Pb积累
Pb是重金属污染元素. 可通过植物根系吸收土
壤中的 Pb,并在各器官中积累[15] . 黄山松在树干木
质部积累的 Pb 浓度很低, 2 年段的年轮中平均含
Pb量仅为 0115 mg#kg- 1,大大低于黄山土壤 Pb含
量的背景值 24153 mg# kg- 1[17] . Pb 在年轮中的积
累具有波动性(图 2) ,波动幅度为 0103~ 01737 mg#
kg- 1,主要出现在 1969~ 1972年轮段, 最大波动幅
度达 25倍,其它时间段波动幅度均较小(图 1) .
图 1 黄山松年轮S、Pb积累的动态变化( 1917~ 1999)
Fig. 1 Dynamic of S and Pb concentration in annual rings of Pinus tai2
wanensis from 1917~ 1999.
1) 1917~ 1918; 2) 1919~ 1920; 3) 1921~ 1922; 4) 1923~ 1924; 5) 1925
~ 1926; 6 ) 1927~ 1928; 7) 1929~ 1930; 8) 1931~ 1832; 9 ) 1933~
1934; 10) 1935~ 1936; 11) 1937~ 1938; 12) 1939~ 1940; 13) 1941~
1942; 14) 1943~ 1944; 15) 1945~ 1946; 16) 1947~ 1948; 17 ) 1949~
1950; 18) 1951~ 1952; 19) 1953~ 1954; 20) 1955~ 1956; 21 ) 1957~
1958; 22) 1959~ 1960; 23) 1961~ 1962; 24) 1963~ 1964; 25 ) 1965~
1966; 26) 1967~ 1968; 27) 1969~ 1970; 28) 1971~ 1972; 29 ) 1973~
1974; 30) 1975~ 1976; 31) 1977~ 1978; 32) 1979~ 1980; 33) 1981~
1982; 34) 1983~ 1984; 35) 1985~ 1986; 36) 1987~ 1988; 37 ) 1989~
1990; 38) 1991~ 1992; 39) 1993~ 1994; 40) 1995~ 1996; 41 ) 1997~
1999.下同 The same below.
图 2 黄山松年轮中 S含量水平等级分布
Fig. 2 Dist ribution of concent rat ion class of S in annual rings of Pinus taiwanensis.
Ñ. < 210 mg#kg- 1; Ò. 316~ 610 mg#kg- 1;Ó. > 1110 mg#kg- 1.
图 3 黄山松年轮中 Mn、Fe、Zn和 Cu含量的动态变化
Fig. 3 Concentrat ion dynamic ofMn, Fe, Zn and Cu in annual ring2set of
Pin us taiwanensis.
313 黄山松年轮中Mn、Fe、Zn和 Cu的积累
由图 3可见, 4 种元素在年轮中浓度呈显著的
差异( P [ 0101) , Fe 的平均浓度最高, 为 75103 mg
#kg- 1; Cu最低,仅为 1122 mg#kg- 1.
4 讨 论
411 黄山松年轮中 S含量与环境质量的关系
植物吸收 S 主要通过气孔吸收大气中 SO2 等
含 S 气体和通过根系吸收土壤中的 SO4- 2两种途
径. S在年轮序列中的含量一般不会出现较大的波
动.黄山松 80年间年轮中积累的 S浓度出现较大幅
度变化,与大气及土壤中S 含量波动有关,而土壤中
的 S主要来自以酸雨形式的大气沉降.
从黄山松年轮中 S含量变化来看,在 80年间的
大部分时间段( 5815%) , S 含量处于低水平 ( < 2
mg#kg- 1) , 如果将此值理解为正常情况下的 S 积累
822 应 用 生 态 学 报 16 卷
量,那么超过该值的年轮段, 特别是 S含量> 11 mg
#kg- 1的时段,显然与环境中 S含量增加有关. 如上
所述, 年轮中 S 含量超过 11 mg# kg- 1的时段有 3
个,其中 1959~ 1960 年出现的陡然增长最明显, 而
在此前的 8年和以后的 20年中均处于低浓度水平.
据记载, 1958年秋~ 1959年是我国全民大炼钢铁的
时代,黄山附近的休宁县有 4. 2万人参加土法炼铁,
歙县建土高炉 1 500座, 耗炭 113 @104 t [4, 5] . 这一
历史事件的时间与黄山松年轮中高浓度 S含量的年
轮段相吻合,表明当时大气环境中 S含量大大超过
正常年份, 低水平的能源消耗模式是造成严重大气
污染的直接原因. 1950年前年轮中 S 含量的波动规
律性不显著,但在 1935~ 1938年轮段中 S浓度明显
增高, 按 1959~ 1960 年的结果推测, 可能当时也有
造成大气污染的事件发生,但尚缺相关史料佐证.
1981年以后, 除 1987~ 1988 年有一个明显的
下降外,黄山松年轮中出现S 浓度连续增加. 据黄成
林等[ 17]对黄山气象站 1982~ 1990年的降水酸度历
年平均值统计结果, pH 变化范围在 513~ 6173 之
间; 1985年以后的数年中降水的 pH 略有降低,尤其
是 1987 年以后均在 610以下,最低值 513. 酸雨的
出现情况与 1981年后年轮中 S 的含量增加趋势一
致,反映了大气中 S污染逐渐严重.
有研究认为, 黄山周围 100 km 范围内无大中
型工业基地, 1986年以后风景区本身的燃料也由
燃煤改为燃油,并在 1999年以后大部分采用电能,
因此本身的燃煤量不足以造成酸雨污染, SO2 主要
自区域外部、中远距离输送来[14] . 分析表明, 1979
年后黄山松年轮中 S含量增加与游人增加密切相关
(图 4) .回归方程: Y( S)= 5119575- 01175447 Xp+
010021785 Xp2 - 01000005Xp3, R = 019411. 式中,
Y( s)为每 2年年轮段中 S含量; X p 为每 2 年的旅
游人数(万人) . 拟合曲线见图 5.
图 4 1979~ 1999年黄山旅游人数增加(Ñ)与年轮中 S含量(Ò)的关系
Fig. 4 Relat ionship between the number of tourists ( Ñ) and S concen2
t rat ion ( Ò) in annual rings of Pinus taiwanensis.

图 5 旅游人数增加与年轮中 S含量关系的回归曲线
Fig. 5 Regulat ion of tourist s increase to S concent rat ion in annual rings of
Pinus taiwanensis .
#实测值 Measuring; - 模拟值 Simulat ion.下同 The same below.
由此可见, 黄山风景区本地燃烧向大气排放 S
的总量不大. 而本研究的年轮样品采集地附近有西
海饭店、北海宾馆和狮林大酒店等,其燃料的消耗可
能影响周围的局部环境. 可以认为, 1981~ 1999年
轮段中 S 积累的持续增加, 可能是中远距离输送与
旅游人数激增导致本地燃料消耗增加, 从而造成局
部环境污染.
1981以后的年轮大多属于树木的边材范围(松
属树木的边材一般为 2~ 3 cm, 约 12 年的年轮宽
度[ 19] ) ,是有传导活动的有生命部位. 通常, 树木边
材含有的元素在一定程度上可通过射线向内转移,
从而造成心材年轮中的元素含量增高;另一方面,历
史年轮中元素的横向转移也可能造成年轮元素分析
的复杂化,尽管转移量的多少至今还没有明确的研
究结果, 但这种转移一般不可能造成某种元素含量
的大幅度波动.在本研究中,即使有这类转移也并没
有导致边材 S积累量的明显减少以及心材中S 积累
的全面增加, 由此进一步证明上述分析结果是合理
的.
412 黄山松年轮中重金属元素积累
黄山山顶面黄山松年轮中 Pb积累的浓度大大
低于土壤的背景值,说明尽管近 10多年来旅游人数
迅速增加,进入黄山风景区的机动车辆大大增加,但
汽车尾气中 Pb的排放并没有对山体上部的土壤造
成污染.
Mn和 Fe、Fe 和 Cu 之间表现有一定负相关趋
势,而其它元素在年轮中的积累都呈正相关,但其相
关性均未达到统计显著的水平, 表明 4 种元素在年
轮中的积累是相互独立的(表 1) . 另外, 4 种重金属
元素在年轮序列中的积累均呈波动性, 波动幅度较
大的有 Zn和 Cu,其振幅与树龄没有关系,在整个年
轮序列中是在平均水平上的上下波动(图 3) .
8235 期 吴泽民等:黄山松年轮硫及重金属元素含量动态特征
表 1 不同元素在黄山松年轮中积累的相关性*
Table 1 Relative analysis of Mn, Fe, Zn, Cu con cent ration in annual
r ings of Pinus taiwanensis
Mn Fe Zn
Fe - 0151253
Zn 01099336 0134716
Cu 01299884 - 0106903 01152587
* P< 0105.
Mn在年轮序列中的积累与树龄有显著的相关
性,随着树龄的增长, 年轮中Mn 的含量趋于降低,
表明黄山松早期生长对Mn 的需求较高, 但在靠近
形成层的 6~ 8年的年轮中呈略有增加趋势; Fe 在
年轮序列中的积累则相反, 随树龄的增加而逐渐增
加,表明黄山松早期生长对 Fe的需求低于后期, 但
在形成层附近的若干年中具有下降趋势(图 6) .
图 6 Mn、Fe含量与树龄的关系
Fig. 6 Relat ionship of Mn and Fe concentrat ion in annual rings to t ree
ages.
回归方程:
YMn= 6117947+ 3109874 Xa- 01 101668 Xa2+ 01 00071
Xa3 R= 01 8668
YFe= 8619953 - 81 32554X a+ 01 25679 Xa2 - 01 00183
Xa3 R= 01 6748
式中, Y为每 2 年年轮段中元素含量 (mg# kg- 1 ) ;
X a为树龄 ( 10~ 90 yr) .
可见 Fe、Mn在黄山松年轮中的积累与树龄关
系相反,其代谢生理意义有待进一步研究.
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作者简介 吴泽民, 1944 年生, 教授, 博士生导师. 主要从事
森林生态、城市林业研究, 发表论文 40 余篇. Tel: 05512
2826168; E2mail wuzemin@mail. hf. ah. cn
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