全 文 ：承德木本植物不同部位 S 及重金属含量
特征的 PCA 分析3
蒋高明　 (中国科学院植物研究所, 北京 100093)
【摘要】　应用主分量分析 (PCA ) 和排序技术 (OA ) 对承德市10 种木本植物的 S 及重金属
含量进行了分析. 结果表明, Z1和 Z2主成份值基本代表了所有元素反应的信息, 累积贡献
率> 98%. S 对 Z1贡献最大 (元素负荷量> 0. 96) , Fe、Zn、M n、Pb 等对 Z2有较大的影响. 表
明承德市 S 污染是最主要的; 重金属污染以 Zn、Fe、M n、Pb 较显著, 而 Cu、N i 污染不明
显. 不同植物器官部位污染物含量的排序表明, 城市木本植物的污染物以树皮为最高, 其
次是枝条, 叶最低.
关键词　木本植物　S 及重金属　污染物含量　PCA 分析　承德
PCA analysis on sulphur and heavy meta ls con ten ts in d ifferen t parts of woody spec ies in
Chengde of North Ch ina. J iang Gaom ing ( Institu te of B otany , A cad em ia S in ica , B eij ing
100093). 2Ch in. J. A pp l. E col. , 1996, 7 (3) : 310～ 314.
P rincipal componen t analysis (PCA ) and o rdination analysis (OA ) on su lphur and heavy
m etal con ten ts of 10 w oody species in Chengde show that componen ts Z1 and Z2 can m ain ly
rep resen t mo st of info rm ation reflected by 7 elem ents analysed, w ith an accum ulative rate
of > 98%. Sulphur has a largest con tribu tion to Z1, w h ile Fe, Zn, M n and Pb have a
stronger influence to Z2. It is indicated that in the urban area of Chengde, su lphur po llu2
t ion is mo st rem arkab le. Among heavy m etals, Zn, Fe, M n and Pb are serious po llu2
tan ts, w h ile Cu and N i are no t. In differen t parts of w oody species, bark is mo st seriously
po llu ted, tw ig is the second, and leaf is the low est.
Key words 　W oody species, Su lphur and heavy m etals, Po llu tan t con ten t, PCA ,
Chengde.
　　3 国家环境保护局与英国海外开发署 (ODA ) 联合
资助项目.
　　1995年7月10日收到, 9月29日改回.
1　引　　言
　　在城市环境中, 对植物产生污染的元
素 (尤其是重金属元素) 很多, 能够采样分
析的元素多达十几种到几十种[8 ]. 因而, 在
污染生态学研究中, 若要确定主要的污染
物质, 不仅需要化学分析所取得的数据, 而
且需要借助一些数量分析手段. 在污染物
含量方面, 除了同种器官不同种的差异外,
同种植物的不同部位之间也有差异, 且化
学分析的含量在不同部位之间经常有交
叉. 一般认为, 植物不同部位 S 含量, 叶为
最高[1 ] , 而重金属在植物不同部位的变化
是根> 茎叶> 果实[2～ 4 ] , 但对树皮 S 含量
较少分析, 且大多依据少数样品分析结果
得出结论. 为此, 对污染地区的植物应分不
同生长季节大量采样和化学分析, 再借助
数量分析手段[6～ 8 ], 从这些数据信息中寻
找规律性结论. 本文选择河北省承德市10
种木本植物, 利用污染生态学的常规方法,
结合数量生态学研究手段, 分析城市污染
地区木本植物不同部位污染物含量的若干
特点.
应 用 生 态 学 报　1996年7月　第7卷　第3期　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CH IN ESE JOU RNAL O F A PPL IED ECOLO GY, Ju ly 1996, 7 (3) ÷310～ 314
2　材料与方法
2. 1　样品采集与分析
　　采样、化学分析方法和分析精度控制见文献
[5 ]. 在承德市火车站、剧场、城建局、市政府、避
暑山庄等5个常年监测点和20 km 以外的承德钢
铁厂采集10种木本植物. 采集部位为当年生枝
条、叶和糙树皮, 于5月、7月、9月、12月分4次采集.
每个采样点同种植物每次采集5株 (鲜重约500
g) , 充分混匀、风干、粉碎后, 用四分法取样 (约20
g) 供试. 共分析了397个样品中的 S、Cu、Fe、Zn、
M n、N i、Pb 含量, 获得2779个分析数据, 并对这些
数据信息进行处理.
2. 2　计算机程序
　　利用 M IN ITAB 程序进行主成分分析
(PCA ). 将同一地点不同部位的 S 及重金属含量
计算 Z1、Z2主成分值, 然后据 Z1、Z2值进行排序
(OA ). 所有运算均在A ST 2386微机上进行.
表1　承德不同木本植物 S (mgõg- 1)及重金属 (Λgõg- 1)含量
Table 1 Con ten ts of sulphur (mgõg- 1) and heavy meta ls (Λgõg- 1) in differen t woody spec ies of Chengde
种 名
Spe2
cies
部位
Par2
ts
n S Cu Fe Zn M n N i Pb
A É 12 5. 60±1. 61 5. 70±1. 40 237. 70±104. 60 74. 10±25. 40 48. 40±25. 30 0. 77±0. 41 1. 29±0. 41Ê 16 1. 16±1. 01 5. 86±5. 40 166. 32±90. 89 52. 91±17. 45 23. 54±16. 59 0. 51±0. 40 1. 04±0. 45Ë 16 1. 69±0. 87 11. 54±12. 6 418. 94±103. 01 103. 69±19. 50 41. 76±19. 44 1. 54±1. 09 5. 71±2. 04Ì 2. 81±1. 16 7. 70±6. 38 274. 32±99. 50 76. 90±20. 78 37. 90±20. 44 0. 94±0. 63 2. 68±1. 00
B É 10 5. 70±3. 66 7. 29±0. 83 195. 38±50. 65 71. 94±23. 75 37. 31±9. 99 1. 37±0. 34 2. 23±1. 47Ê 13 1. 59±0. 95 5. 70±3. 84 189. 96±61. 29 74. 61±23. 83 35. 91±20. 58 0. 35±0. 18 1. 08±0. 49Ë 14 2. 07±0. 51 11. 29±2. 11 439. 10±49. 34 86. 82±54. 37 49. 42±18. 33 1. 43±0. 56 5. 88±2. 61Ì 3. 12±1. 71 8. 09±2. 26 274. 81±53. 78 77. 79±33. 98 40. 88±16. 30 1. 05±0. 36 3. 06±1. 52
C É 16 7. 04±1. 80 6. 51±1. 00 174. 63±75. 47 42. 40±7. 48 38. 42±21. 88 1. 43±0. 56 5. 88±2. 61Ê 17 2. 20±1. 18 6. 87±3. 50 167. 33±73. 40 54. 68±15. 50 17. 82±11. 15 0. 45±0. 38 1. 01±0. 67Ë 22 2. 84±1. 33 10. 10±3. 30 435. 88±45. 60 113. 80±23. 40 38. 25±12. 25 1. 39±0. 71 7. 18±2. 38Ì 4. 03±1. 44 7. 83±2. 60 259. 28±64. 82 70. 29±15. 46 31. 50±15. 10 1. 09±0. 55 4. 69±2. 19
D É 9 0. 96±0. 28 5. 72±1. 29 225. 89±129. 42 50. 15±36. 42 16. 87±6. 14 0. 62±0. 36 1. 60±0. 83Ê 11 0. 83±0. 23 6. 14±0. 63 155. 92±68. 14 54. 45±28. 49 14. 37±3. 40 0. 35±0. 15 1. 44±0. 26Ë 7 2. 59±0. 40 12. 93±0. 04 427. 09±10. 48 48. 26±9. 35 34. 83±1. 98 1. 38±0. 13 7. 24±3. 30Ì 1. 46±0. 30 8. 26±0. 65 269. 63±69. 35 50. 95±24. 75 21. 77±3. 84 0. 78±0. 21 3. 43±1. 46
E É 9 3. 65±2. 31 6. 62±0. 94 201. 49±43. 72 39. 82±6. 60 28. 65±4. 72 0. 59±0. 38 4. 22±3. 06Ê 12 1. 59±0. 69 7. 68±1. 47 177. 77±47. 80 35. 11±6. 40 11. 96±3. 57 0. 81±0. 33 1. 90±0. 87Ë 12 3. 35±3. 09 13. 35±4. 45 443. 86±16. 18 63. 84±29. 29 41. 29±3. 76 1. 37±0. 18 8. 58±2. 69Ì 2. 86±2. 03 9. 22±2. 29 274. 37±35. 90 46. 26±14. 10 27. 30±4. 02 0. 92±0. 30 4. 90±2. 21
F É 12 1. 42±0. 66 6. 48±0. 55 187. 23±49. 27 50. 46±8. 45 28. 90±8. 38 0. 75±0. 32 1. 40±0. 71Ê 16 1. 12±0. 24 7. 00±0. 91 151. 97±35. 45 40. 26±7. 86 13. 39±4. 23 0. 90±0. 21 1. 15±0. 05Ë 12 1. 39±0. 81 11. 33±1. 69 451. 84±26. 45 53. 60±26. 22 37. 23±11. 10 1. 26±0. 89 8. 05±3. 00Ì 1. 31±0. 57 8. 27±1. 05 263. 68±37. 06 48. 11±14. 18 26. 57±7. 90 0. 70±0. 47 3. 53±1. 25
G É 9 1. 69±1. 03 9. 05±0. 88 197. 78±15. 06 34. 44±4. 19 33. 48±5. 44 0. 70±0. 54 2. 37±0. 09Ê 12 0. 89±0. 69 10. 89±4. 75 162. 99±12. 88 38. 03±4. 74 25. 23±18. 77 0. 59±0. 31 1. 10±0. 02Ë 12 1. 51±0. 94 25. 05±17. 18 414. 04±17. 09 51. 22±17. 09 33. 04±15. 64 1. 64±0. 81 6. 25±3. 89Ì 1. 36±0. 89 15. 00±4. 27 258. 27±15. 01 41. 19±8. 67 30. 58±13. 28 1. 00±0. 55 3. 24±1. 33
H É 16 0. 67±0. 21 6. 83±2. 21 182. 01±51. 19 47. 07±11. 07 23. 03±12. 61 0. 36±0. 29 2. 60±2. 42Ê 16 0. 63±0. 21 4. 49±0. 55 228. 35±111. 51 53. 15±16. 01 16. 51±3. 63 0. 34±0. 18 2. 25±0. 83Ë 15 0. 91±0. 35 9. 95±3. 87 433. 87±54. 67 52. 99±19. 17 30. 90±8. 90 1. 45±0. 70 6. 36±4. 42Ì 0. 74±0. 27 7. 09±2. 21 281. 47±72. 46 57. 07±15. 42 23. 48±8. 38 0. 72±0. 39 3. 74±2. 56
I É 15 1. 20±0. 52 7. 19±1. 99 210. 12±94. 84 47. 19±17. 11 24. 70±17. 60 0. 64±0. 34 2. 31±1. 32Ê 20 0. 73±0. 47 5. 58±0. 74 126. 41±26. 34 37. 96±12. 55 24. 67±17. 79 0. 43±0. 28 1. 67±0. 36Ì 0. 97±0. 50 6. 39±1. 37 168. 27±60. 59 42. 58±14. 83 24. 69±17. 70 0. 54±0. 31 1. 99±0. 84
J É 21 1. 73±0. 77 6. 74±0. 86 254. 81±91. 26 50. 67±25. 31 22. 61±10. 37 0. 60±0. 28 3. 04±1. 04Ê 24 0. 67±0. 39 5. 19±1. 55 129. 04±54. 11 35. 18±8. 04 16. 27±8. 60 0. 40±0. 14 1. 61±1. 09Ì 1. 20±0. 58 5. 97±1. 21 191. 93±72. 69 42. 93±16. 68 19. 44±9. 49 0. 50±0. 21 2. 10±1. 07
A : 加拿大杨 P op u lus canad ensis; B: 旱柳 S a lix m a tsud ana; C: 垂柳 S. baby lon ica; D: 家榆U lm us p um ila; E: 国槐 S or2
p hara jap on ica; F: 刺槐 R obin ia p seaud oacacia; G: 白蜡树 F rax inus am ericana; H: 油松 P inus tabu laef orm is; I: 丁香
S y ring a m ey eri; J: 珍珠梅 S obaria k irilow ii. É . 叶 L eaf; Ê . 枝 Tw ig; Ë . 皮 Bark, Ì . 平均M ean.
1133期　　　　　　蒋高明: 承德木本植物不同部位 S 及重金属含量特征的 PCA 分析　　 　
3　结果与讨论
3. 1　不同植物 S 及重金属的含量
从表1可见, S 以垂柳最高, 含量达
4. 03±1. 04 m gõg- 1 (干物质, 下同) , 油松
最低, 只有0. 74±0. 27 m gõg- 1. 在不同植
物的器官部位, S 变化范围为0. 63 (油松
枝)～ 7. 04 m gõg- 1 (垂柳叶). 重金属中,
Cu 在不同种间变化为6. 39～ 15. 00 Λgõ
g- 1; Fe、Zn、M n、N i、Pb 最高含量分别为
281. 41 (油松)、77. 79 (旱柳)、40. 88 (旱
柳)、1. 09 (垂柳)、4. 90 (国槐) Λgõg- 1. 相
应地, 丁香、白蜡树、珍珠梅、珍珠梅、丁香
中上述5种重金属浓度最小.
　　从表1还可看出, 在植物不同部位, 叶
片的 S 含量最高, 这与其他学者的报道一
致[1 ]; 而重金属则以树皮为高. 这是因为城
市中的 S 主要通过气孔以 SO 2形式进入植
物体内, 然后转移到其他部位; 而重金属则
以悬浮颗粒物污染为主, 较易沉积在树皮
粗糙部分的孔隙中, 少量进入气孔再转移
到幼枝. 虽然根部也能吸收部分重金属如
Cu、Zn、Fe 等, 通过内部维管组织转移至
茎和叶, 但这部分含量比从大气中沉降在
树皮上的重金属少得多.
3. 2　城市主要污染物质的确定
　　不同地点植物器官的 S 及重金属
PCA 运算结果表明, 第1主成分 (Z1) 和第2
主成分 (Z2)基本代表了所有元素反应的信
息, 其特征值、贡献率和累积率见表2. 其
中, 火车站植物 Z1和 Z2的贡献率为62. 9%
和35. 9% , 累积贡献率为98. 8%. 对 Z1有
较大作用的元素主要是 S (元素负荷量0.
99, 取绝对值) ; 其次是M n、Zn 等; 对 Z2有
较大作用的元素有 Fe、Zn、M n、S、Pb 等
(表3). 其他几个地点的 Z1和 Z2的累积贡
献 率 都 达 到 98% 以 上. 其 中 剧 场 和
避暑山庄对Z1贡献较大的元素有S、Fe、
表2　不同地点植物样品第1、2主成分特征值、贡献率、
累积率
Table 2 E igenva lue of pr inc ipa l componen t 1 and 2, con-
tr ibutive and accumulative rates in samples of differen t
sites
地点
Sites
主成分
Compo2
nen t
特征值
E igen2
value
贡献率
Contri2
bu tive
rate (% )
累积率
A ccum u2
lat ive
rate (% )
火车站 1 34937 62. 9 62. 9
Railw ay Station 2 19969 35. 9 98. 8
剧 场 1 71661 80. 9 80. 9
Chengde T heatre 2 16361 18. 4 99. 3
城建局U rban 1 59758 79. 5 79. 5
Build ing Bureau 2 14767 19. 7 99. 2
市政府 1 31447 61. 0 61. 0
C ity Governm ent 2 19411 37. 6 98. 6
避暑山庄 1 37677 65. 0 65. 0
Summ er 2 19386 33. 4 98. 4
V illage E state
承德钢铁厂 1 58716 75. 3 75. 3
Chengde Steel 2 18018 23. 2 98. 5
Facto ry
表3　不同地点植物样品中第1、2主成分元素负荷量
Table 3 L oading of the elemen ts of pr inc ipa l componen t 1 and 2 in samples of differen t sites
地　点
Sites
主成分
Componen t S Cu Fe Zn M n N i Pb
火车站 1 - 0. 999 - 0. 001 - 0. 020 - 0. 032 - 0. 037 - 0. 001 - 0. 000
Railw ay Station 2 0. 026 - 0. 014 - 0. 990 - 0. 125 - 0. 055 - 0. 003 - 0. 023
剧　场 1 - 0. 966 - 0. 001 - 0. 257 - 0. 101 - 0. 042 - 0. 001 - 0. 006
Chengde T heatre 2 - 0. 255 0. 019 0. 552 0. 664 0. 005 0. 001 0. 006
城建局 1 - 0. 990 - 0. 006 - 0. 133 - 0. 039 - 0. 037 - 0. 001 - 0. 001
U rban Build ing Bureau 2 0. 167 - 0. 020 0. 978 0. 147 0. 048 0. 004 0. 021
市政府 1 - 0. 985 - 0. 005 - 0. 158 - 0. 061 - 0. 038 - 0. 001 - 0. 002
C ity Governm ent 2 - 0. 167 - 0. 018 - 0. 975 - 0. 129 - 0. 059 - 0. 002 - 0. 017
避暑山庄 1 0. 998 - 0. 004 0. 055 - 0. 020 0. 013 0. 001 - 0. 001
Summ er V illage E state 2 0. 056 - 0. 020 - 0. 996 - 0. 049 - 0. 034 - 0. 002 - 0. 010
承德钢铁厂 1 0. 991 0. 002 0. 128 0. 020 0. 041 0. 000 - 0. 004
Chengde Steel Facto ry 2 0. 133 - 0. 026 - 0. 975 - 0. 142 - 0. 202 - 0. 000 - 0. 013
213 应　用　生　态　学　报 7卷
M n; 对 Z2贡献较大的元素有 Zn、Fe、M n.
城建局植物样品对 Z1有较大作用的元素
有 S、Fe、Zn、M n, 对 Z2有 Fe、S、Zn、Pb 等.
市政府和承德钢铁厂与剧场的结果基本一
致. 所有地点的 S 都对 Z1的贡献最大, 元
素负荷量达到0. 96以上. 由此可见, 承德市
大气污染基本以 S 为主, 重金属以 Zn、Fe、
M n 为主, 交通道路区 (如火车站、城建局
等) Pb 污染也很明显; 而Cu、N i 污染不明
显. 承德市 S 污染主要是以居民及机关燃
煤为主的盆地面源型污染; 而市区范围内
分布的新生铁丝厂、承德制镜厂、水泥厂、
印染厂、丝绸厂等以及20 km 外的承德钢
铁厂、铁矿厂则是重金属 Fe、Zn、M n 的主
要来源. Pb 主要来源于机动车辆排放的尾
气.
3. 3　不同部位污染物的含量
将上述 PCA 运算结果用M IN ITAB
程序绘制排序图. 以火车站和市政府为例,
分析植物不同部位污染物 (7种元素综合)
含量的特征. 序号代表不同季节采集的植
物各部位样品.
　　火车站样品由6种树木和2种灌木组
成: 加拿大杨 (1～ 3叶, 4～ 7枝, 8～ 11皮)、
旱柳 (12～ 14叶, 15～ 18枝, 19～ 22皮)、垂
柳 (23～ 24叶, 25～ 27枝, 28～ 30皮)、家榆
(31～ 33叶, 34～ 36枝, 37～ 39皮)、刺槐 (40
～ 42叶, 43～ 46枝, 47～ 50皮)、油松 (51～
54叶, 55～ 58枝, 59～ 62皮)、丁香 (63～ 65
叶, 66～ 69枝)和珍珠梅 (70～ 72叶, 73～ 75
枝). 由图1可以看出, 火车站不同植物部位
样品可以分成4组: 1组由树皮组成, 包括旱
柳、油松、加拿大杨、刺槐、家榆、垂柳等, 尚
包括丁香枝; 2组主要由枝条组成, 如加拿
大杨、家榆、丁香、垂柳、油松、珍珠梅等, 尚
包括一些植物的叶, 如刺槐、油松等, 说明
污染物含量在一些植物的枝条与另一些植
物的叶片含量相当,
图1　火车站不同植物中 S 和重金属主分量分析排序
F ig. 1 O rdination of PCA analysis on su lphur and heavy
m etal con ten ts in samp les of differen t p lan ts at Railw ay
Station.É . 枝条 Tw ig, Ê . 树皮 Bark, Ë . 叶片 L eaf, Ì . 混合组
M ixed group.
不如树皮那样明显易分; 3组主要由叶片组
成, 如加拿大杨、旱柳、刺槐等, 还包括垂柳
枝等; 4组由垂柳、珍珠梅枝叶组成, 也包括
加拿大杨枝、旱柳枝等, 可称为混合组. 从4
组的位置来看, 不同器官部位污染物含量
为树皮> 枝条> 叶.
　　市政府样品由加拿大杨 (1～ 3叶, 4～ 7
枝, 8～ 11皮)、旱柳 (12～ 14叶, 15～ 17枝,
18～ 20皮)、垂柳 (21～ 22叶, 23～ 25枝, 26
～ 28 皮 )、国 槐 ( 29～ 31 叶, 32～ 35
枝 , 36～ 39皮)、刺槐 (40～ 42叶, 43～ 46
图2　市政府不同植物部位 S 及重金属主分量分析排序
F ig. 2 O rdination of PCA analysis on su lphur and heavy
m etal con ten ts in samp les of differen t p lan ts at C ity
Governm ent.É . 枝条 Tw ig; Ê . 树皮 Bark; Ë . 叶片 L eaf.
3133期　　　　　　蒋高明: 承德木本植物不同部位 S 及重金属含量特征的 PCA 分析　　 　
枝)、油松 (47～ 50叶, 51～ 54枝, 55～ 58
皮)、丁香 (59～ 61叶, 62～ 65枝) 和珍珠梅
(66～ 68叶, 69～ 72枝) 组成. 从图2可以看
出, 1组全部由树皮组成, 包括加拿大杨、旱
柳、垂柳、国槐、油松等; 2组主要由枝条组
成, 也包括部分叶, 如油松、刺槐、加拿大
杨; 3组主要由8种植物叶片组成, 也包括旱
柳树皮等. 因此, 8 种植物不同器官部位的
含污量仍以树皮最大, 依次为树皮> 枝条
> 叶片.
4　结　　论
4. 1　承德10种木本植物 S 含量为0. 74～
4. 03 m gõg- 1, 重金属 Fe、Zn、M n、N i、Pb
的含量分别为168. 27～ 281. 41、41. 19～
77. 79、19. 44～ 40. 88、0. 50～ 4. 09、1. 99～
4. 90 Λgõg- 1.
4. 2　承德城市大气污染基本以S 为主, 重
金属以 Zn、Fe、M n 为主, 交通道路区 Pb
的污染也较明显.
4. 3　木本植物不同器官的污染物含量大
小顺序为树皮> 枝条> 叶片.
致谢　高　琼、杨奠安研究员在数据处理中给予
热情帮助, 特此致谢.
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413 应　用　生　态　学　报 7卷