全 文 ：南京栖霞山地区树木年轮元素的
相关性及其组合类型3
董雅文　钱君龙　黄景苏　(中国科学院南京地理与湖泊研究所, 南京 210008)
唐万龙　　 (中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008)
【摘要】　对南京栖霞山矿区黑松与马尾松 303 个年轮样品中 8 个元素含量进行统计相关
及群分析, 发现 K、Ca、M g、P 在年轮中的富集及其相关性不受开采活动的影响, Cu、Pb、
Zn、M n 的相关关系与露采或浅部坑采引起的地表塌陷有一定联系, K 与 P、M g 与 Zn 及
Ca 与M n 是表征采矿地段的元素组合类型, K 与 P、M g 与M n 则为矿区外围地段元素的
组合类型.
关键词　多金属矿　年轮元素含量　栖霞山
　　3 国家自然科学基金资助项目.
　　1993 年 9 月 3 日收到, 1994 年 3 月 14 日改回.
Correla tion among elemen ts in tree r ings on X ix ia M oun ta in of Nan j ing and the ir combi-
nation types. Dong Yaw en, Q ian Jun long, H uang J ingsu (N anj ing Institue of Geog rap hy
and L im nology , A cad em ia S in ica , N anj ing 210008) , T ang W anlong ( Institu te of S oil
S cience, A cad em ia S in ica , N anj ing 210008). 2Ch in. J . A pp l. E col. , 1995, 6 (2) : 133- 137.
Co rrela t ive sta t ist ics and group analysis of 8 elem ents con ten ts of 303 tree ring samp les of
P inus thunberg ii and P inus m asson iana at m in ing area of X ix ia M ountain show that the en2
richem ents of K, Ca, M g and P in tree rings and their co rrela t ions are no t influenced by
m in ing activit ies, w h ile the co rrela t ions among Cu, Pb, Zn andM n are rela ted to the land
surface subsidence in a certa in ex ten t, due to open m in ing o r shallow p it m in ing. T he
m in ing secto r is characterized by the com bination types of K2P, M g2Zn and Ca2M n, and
its su rrounding area is characterized by tho se of K2P and M g2M n.
Key words　Po lym etal m ine, E lem ent con ten t of tree ring , X ix ia M ountain.
1　引　　言
通过对南京栖霞山多金属矿区及其外
围地段代表性树种年轮元素含量的统计与
群分析, 揭示元素的相互依存性、组合关系
及其区域的差异性, 对于认识与评论矿产
资源开发的合理性、开发规划的可行性、环
境整治和土地复垦的必要性, 具有重要的
指导作用与实用价值. 此外, 本项工作从年
轮元素含量的区域水平上, 用元素的组合
类型来表征其在区域内部的相似性和局地
差异性, 对于控制开矿活动产生的不利影
响及维护区域生态平衡均有一定意义.
2　研究方法
以南京栖霞山的多金属矿区及其周围地带为
对象. 由 Pb、Zn、M n 等组成的矿带自东北向西南
绵延 12. 4km. 所选取的 4 棵黑松 (P inus thun2
berg ii) 与 4 棵马尾松 (P inus m asson iana) 基本上
覆盖了已被开采或正在开采的矿体上部地区, 即
包括三茅宫、白泥山、虎爪山 3 处开采地段和毗邻
的外围地段: 黑石档、天鹅档、景致岗以及基岩岩
性相近, 距栖霞山约 20km 的中山陵的缓坡地. 所
研究地区的经济活动以矿产资源开发为主体, 把
应 用 生 态 学 报　1995 年 4 月　第 6 卷　第 2 期　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CH IN ESE JOU RNAL O F A PPL IED ECOLO GY,A p r. 1995, 6 (2)∶133—137
8 棵树木圆盘样品按采矿及其外围分成两类地
段, 采矿地段受开采活动影响较大. 对所选取的
K、Ca、M g、P 常量元素及 Cu、Pb、Zn、M n 微量元
素, 分别按每棵树的年轮进行统计相关分析, 然后
按采矿与非采矿 (外围)地段给出诸元素的相关性
程度. 采用聚类分析中的群分析法[W PCA 法 (R )
型 ] [1 ], 在 IBM PCö386 上计算全区采矿地段、非采
矿的外围地段树木年轮元素的内在联系及其组合
类型与特征. 元素分析测定方法见文献 [5 ].
3　结果与讨论
3. 1　年轮元素的含量序列
露采或浅部坑采地段曾经历过 1942
- 1945 年, 1949 - 1956 年以及 1956 -
1961 年 3 个时段的露天开采氧化锰矿及
1961- 1977 年的浅部 (近地表) 坑采. 自
1971 年至今为地下开采铅锌银矿. 8 个年
轮元素与相应根部土壤元素含量序列呈大
体相近的趋势, 如表 1 所示, Ca、K、M g、
M n、P 等处于序列的较高位置, 而 Zn、Pb、
Cu 等则处于较低位置. 8 棵树年轮元素含
量序列的主要差异为: 1) K、Ca、M g、M n 与
P 相邻位置有前后移动 ; 2) Zn、Pb、Cu 相
邻位置亦有移前或移后之分; 3) 个别树木
年轮元素 Pb 的位置上升到较高的位置, 即
前移至第 2 位, 一定程度地反映了铅锌银
矿开采的影响.
　　对 8 棵树诸元素含量平均值的统计,
可以得出代表全区的土壤与树木年轮的含
量序列. 将其与夏增禄等[2 ]和高煜珠等[3 ]
所提供的中国暗棕壤、黄褐土元素含量序
列中有关元素的位置加以比较 (表 1) , 可
知本区土壤元素的含量序列与典型黄棕壤
与黄褐土最大的不同是 Pb 元素的明显富
集以及 Pb 在序列中的位置由倒第 1、2 位
移至前第 4 位. Pb 是难迁移元素, 尽管在
土壤元素序列中位置移前很多, 但在年轮
表 1　树根部土壤与年轮元素含量序列
Table 1 Seguences of elemen t con ten ts in r ing and so il
near tree roots
样　品
Samp les
元素含量序列
Sequence of
elem en t con ten t
1 号黑松
P inus thunberg ii
N o. 1
土壤
So il
Ca> Pb> K> M g>
P> Zn> M n> Cu
年轮
T ree ring
Ca> K> M g> P>
Zn> Pb> M n> Cu
2 号黑松N o. 2 土壤So il
Ca> K> M g> M n>
P> Zn> Pb> Cu
年轮
T ree ring
Ca> K> M g> P>
M n> Zn> Cu> Pb
3 号黑松N o. 3 土壤So il
K> Ca> M g> M n>
P> Pb> Zn> Cu
年轮 T ree
ring
Ca> K> M g> P>
M n> Zn> Cu> Pb
4 号马尾松
P inus m as2
son iana N o. 4
土壤
So il
K> Ca> M g> M n>
P> Pb> Zn> Cu
年轮
T ree ring
Ca> K> M g> P>
M n> Zn> Pb> Cu
5 号黑松
N o. 5
土壤
So il
Ca> K> M g> P>
M n> Pb> Zn> Cu
年轮
T ree ring
Ca> K> M g> P>
M n> Zn> Cu> Pb
6 号马尾松
N o. 6
土壤
So il
K> Ca> M g> P>
M n> Zn> Pb> Cu
年轮
T ree ring
Ca> K> M g> P>
M n> Zn> Cu> Pb
7 号马尾松
N o. 7
土壤
So il
K> Ca> M g> P>
M n> Pb> Zn> Cu
年轮
T ree ring
Ca> K> M g> P>
M n> Zn> Pb> Cu
8 号马尾松
N o. 8
土壤
So il
K> M g> Ca> M n>
P> Zn> Pb> Cu
年轮
T ree ring
Ca> K> M g> P>
M n> Zn> Cu> Pb
全　区
W ho le area
土壤
So il
K> Ca> M g> Pb>
M n> P> Zn> Cu
年轮
T ree ring
Ca> K> M g> P>
M n> Zn> Pb> Cu
暗棕壤
D ark brow n earth
Ca> K> M g> P>
M n> Zn> Cu> Pb
黄褐土 Yellow
cinnamon so il
K> Ca> M g> M n>
P> Zn> Pb> Cu
元素序列中仍处较后的位置, 说明其在年
轮中的富集能力较M n、Zn、Cu 为弱.
3. 2　年轮元素的相关性
采矿地区 4 株树 (编号 1- 4)及其外围
地带 4 株树 (编号 5- 8) (包括中山陵园) ,
按 8 个变量作出相关矩阵. 分析诸元素的
431 应　用　生　态　学　报 6 卷
关系可知, 常量元素之间的正相关关系主
要表现为: 1)Ca 与M g 在所检测的 8 棵树
木年轮中相关系数的范围为 0. 767 -
0. 946; 2) K 与 P 在 2 号、5 号与 6 号年轮
中相关系数在 0. 790- 0. 932 之间. 常量元
素呈负相关的有: 1) K 与Ca, 仅在 1 号与 4
号相关系数分别为20. 849 和20. 908; 2) K
与M g, 上述两棵树中呈现负相关, 分别为20. 818 和20. 781, 此 外 7 号 相 关 系 数20. 753. 看来, 上述 4 组常量元素相关较显
著. 其中 Ca 与M g 的正相关关系对树种、
生境条件, 特别是开矿活动等因素的影响
不甚敏感. 1 号与 4 号生长在地表塌陷地
段及其毗邻地区, 其年轮 K 与 Ca、K 与
M g 的负相关是否与地表破坏引起土层错
动或上覆表土的再沉积有关, 需待今后深
一步研究. 常量元素与微量元素的关系亦
有正负两种. 正相关: 1) Ca 与M n 具有显
著的相关性, 2、3、4、6、7、8 号树年轮的相
关系数范围为 0. 860- 0. 948; 2)Ca 与 Pb、
Ca 与 Zn 仅在 4 号树年轮中有相关, 分别
达 0. 906 及 0. 881, 其它不明显; 3)M g 与
Pb、M g 与 Zn 亦在 4 号树的年轮中有显著
相关, 分别为 0. 862 与 0. 752. 值得注意的
是, 负相关仅出现在 4 号树年轮中的 3 组
元素: K 与 Pb (20. 849)、K 与 Zn (20. 837)
及 K 与M n (20. 820).
　　总之, 8 棵样树中, 4 号是例外, 多数树
的年轮呈现出Ca 与M n 的正相关关系, 说
明所研究地区常量元素与微量元素的内在
联系比较薄弱, 且局限于 1 组元素. 4 号马
尾松年轮中常量元素与微量元素的关系较
为复杂, 既有 Ca 与 Pb、Ca 与 Zn、M g 与
Pb、M g 与 Zn 的相关关系, 又有 K 与 Pb、
K 与 Zn、K 与M n 的负相关关系. 显然, 这
是一种由人为作用引起的地球化学异常及
地表环境生态破坏的结果[4 ]. 4 号树圆盘样
品采自浅部坑采的地表塌陷处, 塌陷面积
100m 2, 塌深 5- 10m. 多年来采取了填实下
部坑采空洞、混凝土隔水、加宽地表排水沟
等综合措施, 使该处地表已趋于相对稳定.
常量元素与微量元素之间这种复杂的内在
联系, 除受上述人为作用影响外, 似也不应
排除四周坡地径流及携带物质对土壤2树
木系统元素物质代谢及迁移转化的影响.
至于微量元素之间的关系, 仅在 5 号、
4 号、4 号和 6 号树轮的两组元素中呈现出
正相关关系. 一组是Cu 与 Zn, 5 号树相关
系数为 0. 784, 6 号树为 0. 89. 另一组是 Pb
与 Zn, 4 号树相关系数为 0. 755, 6 号树为
0. 796. 从表 2 可知, 8 棵树木木质部对土
壤 Cu 的富集系数 6 号最大, 1 号最小; 对
Pb, 7 号最大, 1 号最小; 对 Zn, 8 号最大, 2
号最小. 因此, 可以认为采矿外围地区的树
木木质部对上述重金属的富集能力较采矿
地区强. 但因两类地区所选的树种可比性
不强, 故此问题尚待进一步研究.
3. 3　年轮元素的组合类型及其地域分异
采用类平均法 [W PCA 法 (R ) 型 ]令
所采集的 8 棵树样品代表整个区域. 将 8
棵树木的 303 个年轮作为样品数, 令 K、
Ca、M g、P、Cu、Pb、Zn 与M n 作为变量, 得
出各元素的相关系数, 绝对值越大, 两者关
系就越紧密. 按相关系数的大小依次分类
(表 2). 当要求相关系数≥0. 5 时, 对全区
来讲, 只得到两组关系比较密切的元素组
合: K与P、M g与M n. 可将对全区具有普
表 2　全区 303 个年轮样品的元素分类
Table 2 Elemen t classif ica tion of 303 samples of tree
r ings in whole area
元素分类 相关系数
E lem ent classification Co rrelation coefficien t
K P 0. 63756
M g M n 0. 63279
Ca M g 0. 34177
Ca Zn 0. 23482
Ca Pb 0. 15881
Ca Cu 0. 06400
K Cu 20. 05223
5312 期　　　　　　董雅文等: 南京栖霞山地区树木年轮元素的相关性及其组合类型　　　
遍意义的元素组合类型, 称之谓元素的区
域组合类型. 8 个变量 (元素) 的 R 模式聚
类谱系如图 1 所示, 其中X 轴为相关系数,
Y 轴为编号.
图 1　全区 303 个年轮样品中 8 个元素的R 模式聚类谱
系图
F ig. 1 R 2model cluster diagram of 8 elem en ts in 303
samp les of tree rings.
1. K, 2. Ca, 3. M g, 4. P, 5. Cu, 6. Pb, 7. Zn, 8. M n.
　　若不考虑采矿因素, 只取树种的差异,
则对全区 1、2、3、5 号 4 棵黑松的 116 个样
品 8 个元素 (变量) 的分类结果如表 3 所
示. 如果对所研究地区仅从上述 4 个相同
树种 116 个年轮元素的组合关系来分析,
则 8 个元素中仅在 K 与 P、Ca 与M g、Pb
与 Zn、Ca 与M n 4 对元素间有明显的内在
联系. 如与全区 303 个样品相比, 可以看出
116 个样品元素分类中 K 与 P 与全区分类
相吻合.
表 3　黑松 116 个年轮样品的元素分类
Table 3 Elemen t classif ica tion of 116 samples of tree
r ings of P inus thunberg ii
元素分类 相关系数
E lem ent classification Co rrelation coefficien t
K P 0. 76079
Ca M g 0. 72833
Pb Zn 0. 52889
Ca M n 0. 52150
Cu Pb 0. 32259
K Cu 0. 22454
K Ca 20. 17287
　　4 棵马尾松 187 个样品的元素分类如
表 4 所示, 所得到的元素组合, K 与 P、M g
与M n 两组有较好的内在联系, 且与全区
的组合类型相一致 (表 2). 而与表 3 中的 4
对元素组合类型相比较, 除 K 与 P 外几乎
无任何相似之处. 因此, 可以认为, 4 棵马
尾松年轮样品大多取自多金属矿带外缘,
所在的地貌单元距露采与坑采作业点较
远, 且冲沟将其与黑松所在地的矿体分开.
由此可见, 矿区的元素组合较多地受开采
活动影响.
表 4　马尾松 187 个年轮样品的元素并类
Table 4 Elemen t classif ica tion of 197 samples of tree
r ings of P inus m asson iana
元素分类 相关系数
E lem ent classification Co rrelation coefficien t
K P 0. 60006
M g M n 0. 62681
Ca M g 0. 44734
Ca Zn 0. 32470
Cu Pb 0. 13711
Ca M n 0. 04429
K Ca 20. 14314
　　概括上述, K 与 P 这两个元素的组合
关系同时存在于全区及其组成地段的样品
之中. 因此, 这两个元素的组合类型可以被
看作为所研究地区树木年轮元素生物地球
化学作用同一性或相似性的标志. 采矿地
段 116 样品, 4 对元素的组合类型中, Ca 与
M g、Ca 与M n 属于土壤中易迁移元素与
较易迁移元素的关系, Pb 与 Zn 则是难迁
移元素与较易迁移元素的组合. 外围地带
187 个样品基本上属于土壤中易迁移与较
易迁移元素的组合关系.
4　结　　论
4. 1　K、Ca、M g、P 常量元素在树木年轮
中的富集与多金属矿床及其围岩的空间分
布及采矿活动没有明显的联系. 年轮中
Cu、Pb、Zn、M n 的含量水平与采矿方式 (露
采、坑采) 及地表环境破坏的程度有一定的
关系.
4. 2　常量元素中, 有Ca 与M g、K 与 P 的
正相关以及 K 与 Ca, K 与M g 的负相关,
631 应　用　生　态　学　报 6 卷
相关显著, 后者基本上不受开矿方式及环
境破坏规模与程度的影响.
4. 3　常量元素与微量元素的关系一般比
较复杂. 个别树种年轮中有 4 组元素的正
相关, 3 组元素的负相关, 可能与开采活动
引起的地表环境变化有关.
4. 4　微量元素之间的显著相关比较少见,
仅在矿区外围地带的 2 棵黑松中有两组元
素的紧密关系.
4. 5　对全区 303 个年轮样品、采矿地段
116 个年轮样品、外围地段 187 个年轮样
品, 取 8 个元素的R 模式聚类结果表明, 元
素的组合类型全区是 K 与 P、M g 与M n.
多金属矿带, 除 K 与 P 外, 尚有Ca 与M g、
Pb 与 Zn 和 Ca 与M n 3 对元素的组合类
型. 外围地段则具有与全区相一致的特征.
元素区域组合类型的同一性及局地组合类
型的差异性, 对于研究大中尺度空间乃至
全球环境的生态变异及定向调控, 均具有
重要的科学价值与实际意义.
参考文献
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京, 54- 79.
2　夏增禄等. 1985. 中国若干土壤类型剖面中元素的自
然含量特征及其相互关系. 中国科学 (B 辑) , (7) : 658
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3　高煜珠等. 1981. 植物及植物生理. 江苏科学技术出
版社, 南京, 152- 161.
4　A. U. 彼列尔曼著 (龚子同等译). 1975. 后生地球化
学. 科学出版社, 北京, 161- 163.
5　Q ian, J. L. et al. 1993. Co rrelation betw een chem i2
cal elem en t con ten ts in tree rings and so ils. P ed o2
sp here , 3 (4) : 309- 319.
7312 期　　　　　　董雅文等: 南京栖霞山地区树木年轮元素的相关性及其组合类型