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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 8 期摇 摇 2013 年 4 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
城市生态系统研究专题
城市生态系统:演变、服务与评价———“城市生态系统研究冶专题序言 王效科 (2321)…………………………
城市生态景观建设的指导原则和评价指标 孙然好,陈爱莲,李摇 芬,等 (2322)…………………………………
城市绿色空间格局的定量化方法研究进展 陶摇 宇,李摇 锋,王如松,等 (2330)…………………………………
城市土地利用变化对生态系统服务的影响———以淮北市为例 赵摇 丹,李摇 锋,王如松 (2343)………………
基于市政综合监管信息的城市生态系统复杂性分析 董仁才,苟亚青,刘摇 昕 (2350)…………………………
原位生物技术对城市重污染河道底泥的治理效果 柳摇 敏,王如松,蒋摇 莹,等 (2358)…………………………
北京城区道路沉积物污染特性 任玉芬,王效科,欧阳志云,等 (2365)……………………………………………
绿地格局对城市地表热环境的调节功能 陈爱莲,孙然好,陈利顶 (2372)………………………………………
北京城区气传花粉季节分布特征 孟摇 龄,王效科,欧阳志云,等 (2381)…………………………………………
个体与基础生态
三江源区高寒草甸退化对土壤水源涵养功能的影响 徐摇 翠,张林波,杜加强,等 (2388)………………………
土壤砷植物暴露途径的土壤因子模拟 线摇 郁,王美娥,陈卫平 (2400)…………………………………………
不同寄主植物对马铃薯甲虫的引诱作用 李摇 超,程登发,郭文超,等 (2410)……………………………………
蒙古栎、白桦根系分解及养分动态 靳贝贝,国庆喜 (2416)………………………………………………………
干旱和坡向互作对栓皮栎和侧柏生长的影响 王摇 林,冯锦霞,王双霞,等 (2425)………………………………
不同郁闭度下胸高直径对杉木冠幅特征因子的影响 符利勇,孙摇 华,张会儒,等 (2434)………………………
驯化温度与急性变温对南方鲇幼鱼皮肤呼吸代谢的影响 鲜雪梅,曹振东,付世建 (2444)……………………
种群、群落和生态系统
五鹿山国家级自然保护区物种多样性海拔格局 何艳华,闫摇 明,张钦弟,等 (2452)……………………………
玉龙雪山白水 1 号冰川退缩迹地的植被演替 常摇 丽,何元庆,杨太保,等 (2463)………………………………
互花米草海向入侵对土壤有机碳组分、来源和分布的影响 王摇 刚,杨文斌,王国祥,等 (2474)………………
南亚热带人工针叶纯林近自然改造早期对群落特征和土壤性质的影响
何友均, 梁星云,覃摇 林,等 (2484)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
入侵植物黄顶菊生长、再生能力对模拟天敌危害的响应 王楠楠,皇甫超河,李玉浸,等 (2496)………………
小兴安岭白桦次生林叶面积指数的估测 刘志理,金光泽 (2505)…………………………………………………
草地植物群落最优分类数的确定———以黄河三角洲为例 袁摇 秀,马克明,王摇 德 (2514)……………………
多毛类底栖动物在莱州湾生态环境评价中的应用 张摇 莹,李少文,吕振波,等 (2522)…………………………
马尾松人工林火烧迹地不同恢复阶段中小型土壤节肢动物多样性 杨大星,杨茂发,徐摇 进,等 (2531)………
景观、区域和全球生态
极端干旱区大气边界层厚度时间演变及其与地表能量平衡的关系 张摇 杰,张摇 强,唐从国 (2545)…………
基于多源遥感数据的景观格局及预测研究 赵永华,贾摇 夏,刘建朝,等 (2556)…………………………………
城市化流域生态系统服务价值时空分异特征及其对土地利用程度的响应
胡和兵,刘红玉,郝敬锋,等 (2565)
………………………………………
……………………………………………………………………………
资源与产业生态
碳汇目标下农户森林经营最优决策及碳汇供给能力———基于浙江和江西两省调查
朱摇 臻,沈月琴,吴伟光,等 (2577)
……………………………
……………………………………………………………………………
基于 GIS的缓坡烟田土壤养分空间变异研究 刘国顺,常摇 栋,叶协锋,等 (2586)………………………………
春玉米最大叶面积指数的确定方法及其应用 麻雪艳,周广胜 (2596)……………………………………………
城乡与社会生态
广州市常见行道树种叶片表面形态与滞尘能力 刘摇 璐,管东生,陈永勤 (2604)………………………………
研究简报
桔梗种子萌发对低温、干旱及互作胁迫的响应 刘自刚,沈摇 冰,张摇 雁 (2615)…………………………………
基质养分对寄生植物南方菟丝子生长的影响 张摇 静,李钧敏,闫摇 明 (2623)…………………………………
学术信息与动态
人类活动对森林林冠的影响———第六届国际林冠学大会述评 宋摇 亮,刘文耀 (2632)…………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*316*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*34*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄04
封面图说: 互花米草近景———互花米草是多年生高大禾本科植物,植株健壮而挺拔,平均株高约 1. 5m,最高可达 3. 5m,茎秆直
径可达 1cm以上。 原产于大西洋沿岸,是一种适应海滩潮间带生长的耐盐、耐淹植物。 我国于 1979 年开始引入,原
意主要是用于保滩护堤、促淤造陆和改良土壤等。 但是,近年来,互花米草迅速扩散,在一些区域里,已经完全郁闭,
形成了单优种群,严重排挤了本土物种的生长,并且还在以指数增长的速度逐年增加,对海岸湿地土著物种和迁徒
鸟类造成的危害日益严重,已经列为必须严格控制的有害外来入侵物种。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 8 期
2013 年 4 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 8
Apr. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41271503)
收稿日期:2012鄄02鄄17; 摇 摇 修订日期:2012鄄08鄄03
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: wpchen@ rcees. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201202170208
线郁,王美娥,陈卫平.土壤砷植物暴露途径的土壤因子模拟.生态学报,2013,33(8):2400鄄2409.
Xian Y, Wang M E, Chen W P. Predicting the plant exposure to soil arsenic under varying soil factors. Acta Ecologica Sinica,2013,33(8):2400鄄2409.
土壤砷植物暴露途径的土壤因子模拟
线摇 郁1,2,王美娥1,陈卫平1,*
(1. 中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室,北京摇 100085;
2. 中国科学院大学,北京摇 100039)
摘要:确定土壤中重金属生物有效性是评价土壤重金属污染生态风险的关键,然而在生态风险评价实际应用中,测定土壤重金
属生物有效性耗时且高成本,限制了生物有效性评价法的应用。 通过对模式植物的文献搜集,总结了影响植物富集土壤砷的 7
个土壤因子,揭示了土壤砷植物暴露的影响机制。 运用 SPSS 18. 0 对文献数据集各个土壤因子进行了回归分析、相关性分析和
共线性分析。 单因子回归分析表明营养盐类对植物富集砷影响很小,可以忽略不计;相关性分析和共线性分析结果表明土壤因
子之间存在多元共线性;主成分分析结果表明,植物富集砷浓度主要受土壤质地的物理综合指标以及土壤总砷含量和土壤酸碱
度等化学综合指标影响。 其中植物富集浓度受土壤中总砷浓度影响最大,受土壤质地中砂粒含量影响其次;土壤粉粒、粘粒、有
机质含量和阳离子交换量对富集也有一定影响;而土壤酸碱度对植物富集浓度的影响相对较小。 最终通过数学模型解释植物
富集砷浓度随土壤性质变化的规律,建立了土壤性质与土壤砷植物暴露的相关关系,为土壤重金属生物有效性风险评价法提供
理论依据。
关键词:土壤重金属;生物有效性;植物富集浓度;土壤性质;模型模拟
Predicting the plant exposure to soil arsenic under varying soil factors
XIAN Yu1,2, WANG Mei忆e1, CHEN Weiping1,*
1 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100085, China
2 The University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China
Abstract: Determining bioavailability is a key process in ecological risk assessment of soil heavy metal pollution. It is time鄄
consuming and costly to measure the soil heavy metal bioavailability, limiting its application in ecological risk assessment.
In this research, data collected from the literature was analyzed by regression analysis, correlation analysis and linear
analysis using SPSS. Seven soil factors affecting plant uptake of soil arsenic are summarized. Mechanisms of plant exposed
to soil arsenic are revealed. Statistical analyses showed that the influence of nutrition salts to plant accumulation of arsenic
could be neglected, the soil factors were multiple linear and the plant accumulation concentration was mainly influenced by
the physical composite index of soil texture, and chemical composite index of soil pH value and total arsenic concentration.
Silt content, clay content, organic matter content and cation exchange capacity affect the accumulation to some extent.
Mathematical model was developed to connect the soil properties and plant exposed to soil arsenic. It reveals the variation of
plant accumulate arsenic concentration with soil properties, and provides the theory basis for soil heavy metal bioavailability
risk evaluation method.
Key Words: soil heavy metal; bioavailability; plant accumulate concentration; soil property; model simulation
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摇 摇 植物吸收是土壤重金属输出的主要途径之一,植物吸收重金属遵循已知的矿质元素吸收方式,主要通过
对离子的吸收实现。 土壤中重金属的主要存在形态包括:水溶态、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合
态、有机结合态、残渣态。 能够被植物吸收的重金属离子一部分以溶质形式存在于土壤溶液中(水溶态),还
有一部分被粘土、腐殖质等其他成分吸附(交换态) [1],因此,水溶态和可交换态被划分为生物可利用态,是土
壤重金属中具有生物有效性的部分,可被生物吸收,进而被生物利用或产生毒性。 碳酸盐结合态、铁锰氧化物
结合态和有机结合态的含量受土壤性质影响,在土壤 pH、氧化还原条件和胶体含量发生变化时能转化为生物
可利用态,称为潜在生物可利用态[2鄄3]。 植物吸收重金属的过程是土壤鄄土壤溶液鄄植物相互作用的综合结果,
除了植物本身对重金属的转移能力,植物吸收重金属量的多少与重金属生物可利用态和潜在生物可利用态的
含量直接相关,而土壤性质是影响生物可利用态和潜在生物可利用态含量的主要因素[4鄄8]。
在土壤重金属生态风险评价过程中,尤其是预评价过程中,一般选用连续提取的方法测定土壤重金属的
化学形态,根据水溶态和可交换态的含量评价其生物可利用性[9鄄10],但测定每一个待评价场地土壤中的重金
属化学形态不仅成本高,而且耗时费力,选用模型模拟土壤重金属生物有效性可以弥补这些缺点。 机理或半
机理模型可以通过参数来表征土壤重金属植物暴露途径的影响机制,因此,依据植物吸收土壤重金属的机理
构建模型可以为土壤重金属生物有效性风险评价法提供理论依据[11]。 关于土壤性质对植物重金属富集量影
响的模型研究较少,而且现有模型中涉及的土壤性质不够全面。 McBride 建立了作物中镉的含量与土壤 pH、
土壤镉总量的模型,模型中的系数随土壤性质和作物种类变化[12]。 Young 等建立了蔬菜重金属累积量与土
壤铅和砷总量、pH、有机碳含量的线性数学模型[13]。 由于土壤重金属生物可利用浓度与植物富集量直接相
关,很多学者试图建立土壤重金属生物可利用浓度与土壤 pH、阳离子交换量、土壤重金属总量、铁锰氧化物含
量和土壤有机质含量的模型[14鄄21]。 所得模型多只与酸碱度有关,且没有考虑土壤质地,模型中的系数和常数
随着在土壤类型改变而变化,导致模型的应用性不强。
本文通过对模式植物文献数据的收集、处理和分析,筛选影响植物富集相应重金属的主要土壤因子,揭示
土壤砷植物暴露的影响机制。 并分别对各因子与植物富集浓度进行回归分析,各因子之间进行相关分析及共
线性分析,判断因子间的共线性。 通过主成分回归建立土壤因子与植物富集砷浓度之间的回归方程。 最终通
过数学模型解释植物富集砷浓度随土壤性质变化的规律,为土壤重金属生物有效性风险评价法提供理论
依据。
1摇 材料与方法
1. 1摇 模式植物的选择
模式植物需要满足易获得、研究广泛、重金属吸收途径相对清楚等条件。 植物吸收土壤重金属的研究以
超富集植物为代表。 超富集植物的定义主要考虑植物体内的生物富集系数和转运系数两个因素[22]。 目前发
现的多种富集植物中,砷的超富集植物蜈蚣草因分布广泛、适应性强、生长快速、生物量大、多年生而且易于繁
殖等特点是用于植物修复的理想植物[23],研究资料充足。 蜈蚣草是第一个被发现的砷的超富集植物,野外调
查证实了其对砷的富集特性,自然生长在砷污染土壤上的蜈蚣草地上部砷浓度可达 1540mg / kg[24],有的甚至
达到 4980mg / kg[23]。
蜈蚣草的相关研究主要分为两大类,一类是以土壤为生长基质,一类是以营养液为生长基质(表 1)。 土
培研究主要侧重的土壤性质包括:土壤砷浓度、土壤质地、有机质含量、pH、营养元素种类和含量、其他重金属
种类和含量、土壤微生物等[23鄄53]。 水培实验可以研究蜈蚣草对地下水砷污染的修复效果和吸收动力学,是反
映添加营养盐的种类和浓度对砷积累影响的理想研究体系,也是研究蜈蚣草富集机理的良好体系[54鄄70]。
在植物鄄土壤体系中,不同土壤性质会影响同一种重金属的生物可利用性,表现为植物富集浓度不同。 在
众多相关研究中,直接揭示土壤性质影响蜈蚣草生长和砷富集效果的定性研究已有很多。 不同的土壤性质、
总砷含量和可溶性砷含量会导致砷的富集差异[50鄄52]。 低铁离子浓度、粘粒含量和有机质含量会导致可溶性
砷含量增加,增加砷的富集[52, 70]。 土壤中添加堆肥和磷石膏会增加可溶性有机碳和可溶性砷含量,促进蜈蚣
1042摇 8 期 摇 摇 摇 线郁摇 等:土壤砷植物暴露途径的土壤因子模拟 摇
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草对砷的吸收[5]。 水培研究指出,额外添加任何浓度的磷都会抑制砷的吸收,低磷浓度和低 pH 利于蜈蚣草
积累砷[65, 68鄄69]。 而以土壤为基质的研究指出,增加磷肥和升高 pH 会增加砷的移除量[53]。 土培实验和水培
实验的结论不同,从一方面反映了土壤环境中多因子相互作用的复杂过程。
表 1摇 模式植物研究进展
Table 1摇 Research progress of the model plant
研究分类
Research classification
土壤 /溶液性质
Properties of soil or solution
研究内容
Research contents
主要相关文献
Reference
土培研究 土壤砷浓度 砷浓度变化 [19,20,39,42,44,47,51]
Research on soil 土壤质地 粘粒、粉粒、砂粒含量 [40,44,45,50,52,53]
有机质含量 有机质 /有机碳含量变化 [41,44,45,48,50,52,53,]
pH 酸碱度变化 [41,45,46,48,50,51,52,53]
营养元素种类和含量 磷、钙、铁、钾、氮 [38,39,41,42,43,49,50,51]
其他重金属种类和含量 镉、镍、锌、铅、铜 [30鄄37]
土壤微生物 丛枝菌根菌 [25鄄29,32]
水培研究 溶液砷浓度 吸收动力学;地下水修复 [54,59,61,65,69]
Research on solution pH 酸碱度变化 [64鄄65]
营养元素种类和含量 磷、钙、铁、钾、氮、硫、氯 [62鄄65,67,68,70]
富集机理研究 重金属形态;体内变化规律 [55鄄61]
1. 2摇 方法
1. 2. 1摇 数据选择
从文献中选取适合的数据,数据应满足如下几条:(1)为保证数据的完整性和有效性,一组数据至少含有
两个土壤因子数据,相关分析和主成分回归分析中缺失值按 SPSS 中默认的“按列表排除个案冶处理,土壤因
子分为土壤总砷浓度(C tot As)、酸碱度(pH)、土壤有机质含量(SOM)、粉粒含量(Silt)、粘粒含量(Clay)、沙粒
含量(Sand)、土壤阳离子交换量(CEC)、总氮含量(C tot N)、总磷含量(C tot P )、总钾含量(C tot K)、总钙含量
(C tot Ca),植物富集浓度用 Cplant 表示;(2)选取土壤总砷浓度在(2—500)mg / kg的数据;(3)统计因子中的元素
均为元素总量。 所得数据集用 SPSS 18. 0 进行描述统计,样本数、均值、中值、最大值、最小值和标准差见表 2。
表 2摇 土壤因子数据集描述统计
Table 2摇 Descriptive statistics of soil factors data set
因子
Factors
样本数
Number
均值
Mean
中值
Median
极小值
Minimum
极大值
Maximum
标准差
SD
Cplant / (mg / kg) 74 2831. 9 1436. 5 2. 00 19300 4542. 33
Ctot As / (mg / kg) 74 127. 16 58. 970 2. 87 500. 69 141. 750
pH 73 6. 8918 7. 3000 4. 00 8. 3000 1. 09949
SOM / % 52 3. 2210 1. 7100 0. 07 19. 964 3. 73618
Sand / % 32 69. 256 88. 200 21. 7 89. 600 26. 9301
Silt / % 32 17. 309 9. 1000 7. 50 48. 900 13. 2661
Clay / % 33 13. 607 3. 2100 2. 50 58. 600 17. 3973
CEC / (cmol(+) / kg) 34 43. 989 7. 8000 4. 40 266. 60 79. 1441
Ctot N / (mg / kg) 21 1077. 3 320. 10 180. 0 5980. 0 1559. 34
Ctot P / (mg / kg) 29 435. 80 277. 00 12. 5 1380. 0 424. 652
Ctot K / (mg / kg) 17 4004. 0 150. 00 120. 0 21173 7273. 65
Ctot Ca / (mg / kg) 15 2042. 5 428. 00 16. 0 6092. 0 2443. 05
1. 2. 2摇 单因子回归分析
分别以文献统计出的 11 个因子作为自变量,植物富集砷浓度 Cplant 作为因变量,通过筛选出的数据集建
2042 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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立单个因子与植物富集浓度的回归方程,分析相关性强弱。
1. 2. 3摇 各因子间相关性分析
通过 SPSS 18. 0 分析土壤环境下上述土壤因子之间相关性,数据经缺省值“按列表排除个案冶处理,处理
后的数据集无缺失值。 结合单因子回归分析结果、水培数据分析结果和数据有效性检验,剔除对植物富集浓
度影响小的因子。
1. 2. 4摇 因子共线性分析
采用 SPSS 18. 0 多元线性回归方法,数据经缺省值“按列表排除个案冶处理,处理后的数据集无缺失值。
通过建立土壤因子与植物富集砷浓度的回归方程,分析因子间的共线关系;结合各因子间相关性分析,判断各
土壤因子与植物富集浓度是否可以直接建立回归关系。
1. 2. 5摇 主成分回归
因子之间存在多元共线性时,选用 SPSS 18. 0 因子分析中的主成分分析对原因子进行压缩和解释,数据
经缺省值“按列表排除个案冶处理,处理后的数据集无缺失值。 在主成分分析的基础上建立主成分与目标变
量间的线性回归方程既可以保留原指标的绝大部分信息,主成分之间又相互独立,所得的模型估计更稳定。
2摇 结果分析
2. 1摇 单因子回归分析结果
各个因子与植物富集砷浓度的回归方程见表 3。 单因子回归结果可以看出,植物富集砷浓度与土壤总砷
浓度极显著相关,决定系数 R2 为 0. 342;与土壤有机质含量和沙粒含量显著相关,但 R2 很小;营养元素与植
物富集浓度无显著相关性,决定系数趋近于 0。
表 3摇 单因子回归方程
Table 3摇 Regression equation of single soil factor
因子 Factors 样本数 Number 回归方程 Regression equation R2
Ctot As / (mg / kg) 74 Y=449. 089 + 18. 739X 0. 342**
pH 73 Y=-318. 145 + 447. 594X 0. 012
SOM / % 52 Y=5238. 937-465. 007X 0. 118*
Sand / % 32 Y=-1243. 489 + 71. 517X 0. 140*
Silt / % 32 Y=5831. 859-122. 616 X 0. 100
Clay / % 33 Y=5000. 323-99. 645X 0. 116
CEC / (cmol(+) / kg) 34 Y=4411. 550-18. 480X 0. 086
Ctot N / (mg / kg) 21 Y=4886. 729-0. 881X 0. 055
Ctot P / (mg / kg) 29 Y=5044. 731-2. 314X 0. 033
Ctot K / (mg / kg) 17 Y=4973. 981-0. 154X 0. 030
Ctot Ca / (mg / kg) 15 Yd=873. 018 + (9. 394E-5)X 0. 000
摇 摇 1) Y为植物富集浓度 Cplant,X为对应的因子; 2)**代表在 琢=0. 01 水平上显著相关,*代表在 琢=0. 05 水平上显著相关
2. 2摇 各因子间相关性分析结果
数据有效性检验过程要求数据满足正定矩阵,营养元素的数据由于缺失较多,不能满足分析要求(具体
数据未给出);同时,水培数据分析结果显示植株地上部砷浓度可忽略营养元素的影响与溶液砷浓度建立极
显著回归方程(见 3. 1);另外,上述单因子回归分析结果,也显示营养盐与植物砷富集浓度无显著相关性。 综
上 3 个原因,本文保留 7 个与 Cplant 有相关性且有效的土壤因子,探讨部分因子与植物富集砷浓度的关系。
这 7 个因子分别为土壤总砷浓度(C tot As)、酸碱度(pH)、土壤有机质含量(SOM)、粉粒含量(Silt)、粘粒含
量(Clay)、沙粒含量(Sand)、土壤阳离子交换量(CEC)。 各因子两两相关性分析结果见表 4,数据显示多个因
子之间相关性显著。 其中,Sand、Clay、Silt三个因子为土壤质地组成百分含量,加合等于 1,所以这 3 个变量间
相关性较大。 阳离子交换量是土壤胶体的属性,无机胶体和有机胶体的含量决定其大小[71],所以土壤质地中
粘粒含量对其影响较大。
3042摇 8 期 摇 摇 摇 线郁摇 等:土壤砷植物暴露途径的土壤因子模拟 摇
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表 4摇 土壤因子的相关矩阵
Table 4摇 Correlation matrix of soil factors
Ctot As
(mg / kg)
pH SOM
/ %
Sand
/ %
Silt
/ %
Clay
/ %
CEC
/ (cmol(+) / kg)
Ctot As / (mg / kg) 1 0. 135 -0. 181 0. 212 -0. 187 -0. 200 -0. 200
pH 1 -0. 651** 0. 012 -0. 347 0. 155 0. 181
SOM / % 1 -0. 490** 0. 758** 0. 303 0. 280
Sand / % 1 -0. 848** -0. 965** -0. 955**
Silt / % 1 0. 680** 0. 653**
Clay / % 1 0. 999**
CEC / (cmol(+) / kg) 1
摇 摇 1)**代表在 琢=0. 01 水平上显著相关; 2)样本数 N=28
2. 3摇 因子共线性分析结果
多元线性回归分析结果见表 5、表 6。 方差膨胀因子(VIF)是容忍度的倒数,值越大表示共线性越严重。
一般当 0共线性。 3 个自变量的方差膨胀因子>10,4 个维度的特征根接近 0,2 个维度的条件指数>30,表明因子之间
存在多元共线性,不能直接用于回归分析,要进行主成分分析后再进行主成分回归。
表 5摇 多元线性回归共线性统计———方差膨胀因子
Table 5摇 Multiple linear regression for collinearity statistics———Variance inflation factor
常量 Constant
Ctot As
/ (mg / kg)
pH SOM/ % Silt / % Clay / %
CEC
/ (cmol(+) / kg)
VIF — 1. 095 2. 924 5. 419 14. 50 2750 2588
摇 摇 1)因变量: Cplant(mg / kg); 2)样本数 N=28
表 6摇 多元线性回归共线性统计———共线性诊断
Table 6摇 Multiple linear regression for collinearity statistics———Collinearity diagnostic
维数 Number of dimensions 1 2 3 4 5 6 7
特征根 Characteristic root 4. 950 1. 198 0. 519 0. 281 0. 047 0. 004 0. 000
条件指数 Condition index 1. 000 2. 033 3. 087 4. 199 10. 30 33. 58 195. 3
2. 4摇 主成分回归结果
主成分分析通过公因子方差和特征值的筛选,将 7 个土壤因子降维为 3 个主成分(表 7、表 8)。 从成分矩
阵中可以看出成分 1 是反映土壤质地的综合指标,成分 2 是反映土壤 pH的指标,成分 3 是反映砷总浓度的指
标。 与文献的定性研究相同,对应的这些因子都会导致重金属生物可利用性的变化,进而影响植物吸收[72]。
表 7摇 各成分解释的总方差
Table 7摇 The total variance explained by each component
成分
Element
初始特征值 Initial eigenvalue
合计 Total 方差的 Variance / % 累积 Cumulation / %
提取平方和载入 Extraction of square and Load
合计 Total 方差的 Variance / % 累积 Cumulation / %
1 3. 933 56. 186 56. 186 3. 933 56. 186 56. 186
2 1. 755 25. 073 81. 259 1. 755 25. 073 81. 259
3 0. 927 13. 245 94. 504 0. 927 13. 245 94. 504
4 0. 251 3. 585 98. 089 摇 摇 摇
5 0. 134 1. 908 99. 997 摇 摇 摇
6 0. 000 0. 003 100. 00 摇 摇 摇
7 0. 000 0. 000 100. 00 摇 摇 摇
摇 摇 1)样本数 N=28
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表 8摇 主成分分析成分矩阵
摇 摇 Table 8摇 Composition matrix of the principal component analysis
变量
Variable
成分 Element
1 2 3
Sand / % -0. 982 -0. 173医
Clay / % 0. 915 0. 375
CEC / (cmol(+) / kg) 0. 902 0. 401
Silt / % 0. 898 -0. 276 0. 138
Ctot As / (mg / kg) -0. 298 0. 145 0. 943
pH -0. 160 0. 920
SOM / % 0. 631 -0. 693 0. 122
摇 摇 1)样本数 N=28
令 Sand、Clay、CEC、Silt、C tot As、pH、SOM 分别为 X1、
X2、X3、X4、X5、X6、X7,对应成分矩阵分析结果有表 9
中表达式(1)、(2)、(3)。 再用 F1、F2、F3 对应各因子
的得分与 Y(Cplant)进行回归得到表达式(4),将表达
式(1)、(2)、(3)代入(4)得方程(5)。 式(5)中 X1—7
为原始变量 x1—7 经过标准化的变量,由标准化的
式(5)系数可以推断,植物富集砷浓度受土壤中砷总
浓度影响最大,受土壤质地中砂粒含量影响较大;土
壤粉粒、粘粒、有机质含量和阳离子交换量对富集也
有一定影响;而土壤酸碱度对植物富集浓度的影响较
小。 为了便于应用,要将式 ( 5 ) 转化为依变量 Y
(Cplant)与原始变量 x1—7 的表达式。 根据 X i =(xi-滋i) / 滓i,i=1—7(X i 为标准化的 xi,滋i 为对应的均值,滓i 为
对应的标准差),得到回归方程(6),建立土壤性质与植物富集砷浓度的回归关系[73]。
表 9摇 主成分回归方程
Table 9摇 Principal component regression equation
因子
Factors
标准化变量
Standardized
variable
变量
Variable
表达式
Equation
Sand / % X1 x1 (1) 摇 F1 = -0. 982X1 + 0. 915X2 + 0. 902X3 + 0. 898X4 - 0. 298X5 - 0. 160X6 + 0. 631X7
Clay / % X2 x2 (2) 摇 F2 = -0. 173X1 + 0. 375X2 + 0. 401X3 - 0. 276X4 + 0. 145X5 + 0. 920X6 - 0. 693X7
CEC / (cmol(+) / kg) X3 x3 (3) 摇 F3 = 0. 138 X4 + 0. 943 X5 + 0. 122 X7
Silt / % X4 x4 (4) 摇 Y= 3955. 393-2471. 041 F1 + 1137. 113 F2 + 4323. 735 F3,R2 =0. 881**
Ctot As / (mg / kg) X5 x5
(5) 摇 Y = 3955. 393 + 2229. 84 X1 -1834. 6 X2 -1772. 9 X3 -1936. 2 X4 + 4978. 53X5 +
1441郾 51 X6 -1819. 8 X7
pH X6 x6 (6) 摇 Y=-9399 + 86 x1 -98 x2 - 21x3 -210x4 + 38x5 + 1378x6 -697x7
SOM / % X7 x7
摇 摇 1)F1 为主成分, F2 为主成分, F3 为主成分, Y为植物富集浓度 Cplant; 2)**代表在 琢=0. 01 水平上显著相关; 3)样本数 N=28
3摇 讨论
3. 1摇 土壤因子、土壤砷生物可利用浓度、植物富集浓度的关系
溶液中离子为生物可利用态,统计以溶液为培养基质的水培实验数据,影响因子分为砷总量(C totAs / (mg /
kg))、酸碱度(pH)、硫总量(滋mol / L)、钾总量(滋mol / L)、钙总量(滋mol / L)、镁总量(滋mol / L)、磷总量(滋mol /
L)、氮总量(滋mol / L)、游离铁含量(% )。 对植物富集浓度与所有因子进行逐步回归分析表明,植株地上部砷
浓度(Cplant / (mg / kg))可忽略 pH、磷、铁、钙等因子的影响与溶液砷浓度建立极显著回归方程[54鄄70]。 逐步回归
表达式为式(7)。 同时,对以土壤为培养基质的文献数据中,植物富集浓度与土壤孔隙水砷浓度(Cpw As / (mg /
L))进行单因子回归,回归方程为式(8)。
Cplant =79. 462 + 43. 282 C tot As,R2 = 0. 752** (7)
Cplant =54. 116 + 661. 354 Cpw As,R2 = 0. 776* (8)
式中,**代表在 琢=0. 01 水平上显著相关;*代表在 琢=0. 05 水平上显著相关。
土壤孔隙水中的砷与水培实验中的砷形态类似,大部分为生物可利用态,这部分砷是土壤总砷与土壤颗
粒在 pH、有机质、阳离子交换量等条件下相互作用后表现出来的。 式(7)、(8)表明,植物富集浓度与重金属
生物可利用浓度密切相关;联系前文对土壤中 7 个影响因子的分析,上述 7 个土壤因子是通过影响金属元素
的生物可利用性,进而影响植物对重金属吸收,与现有理论相符,涉及的土壤因子更全面,且较土壤孔隙水砷
浓度有更高的决定系数。
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根据质量平衡原理,假设土壤中生物可利用态的金属离子全部可被植物吸收,且其潜在可利用态的不断
转化可以保持生物可利用浓度恒定不变,据此建立土壤中生物可利用浓度和植物富集浓度之间的平衡方程。
土壤砷植物暴露与土壤砷生物可利用浓度模型之间的转化理论基础可以概括为式(10),转换为式(11)。
Cplant 可由式(6)得出,式(11)即可通过土壤的基本性质表征土壤砷的生物有效性,也可揭示土壤砷的生物有
效性受土壤因子影响的机制。
V=S·L (9)
CBio·V ·A=Cplant·Biomass (10)
CBio =Cplant· Biomass / (A·V) (11)
式中,L为植物平均根长,草本根系一般 2—10 cm,L=6 cm;灌木一般达 0. 5—4 m,L=2. 25 m;乔木根系达 2—
10 m,L=6 m[74];S为植被覆盖面积。 CBio 为土壤砷生物可利用浓度;V为土壤体积;A为富集常数;Cplant 为植
物体砷浓度;Biomass为植物体生物量。
3. 2摇 不确定性分析
所得砷植物暴露途径的土壤因子模型为 Y= -9399 + 86 x1-98 x2-21 x3-210 x4+ 38 x5+ 1378 x6-697 x7,
R2 = 0. 881**。 其中决定系数为 0. 881,常数项为-9399,表明模型中包含了一些不确定因素。 离子以水溶态
被植物吸收,植物吸水过程受蒸腾拉力影响,蒸腾作用又受温度、湿度、光照、风速、土壤条件等因素影响[1]。
因此,在重金属植物暴露途径中,植物的生理状况是导致模型存在不确定因素的一个原因。 另外,根际环境与
植物吸收重金属有直接关系,植物根系分泌的有机酸改变了根际环境理化性质,溶解土壤中的固相重金属,使
重金属水溶态和交换态含量增加,提高了重金属的生物可利用性[53, 75鄄78]。 根际定义在根表 1—5mm,而实验
分析的土壤样品基本都不来自于根际,式(5)显示土壤酸碱度对植物富集浓度的影响较小,也可以部分反映
根际效应可能是导致模型存在不确定因素的原因。 判定植物生理状况和根际作用是否是导致模型存在不确
定因素的主要原因还需进一步研究验证。
4摇 结论
通过对模式植物文献数据的整理分析,揭示了土壤砷植物暴露的影响机制,建立了土壤性质与植物砷暴
露的相关关系,为土壤砷生物有效性风险评价法提供理论依据。 植物富集砷浓度与土壤因子回归方程为表 9
表达式(6),定量揭示了土壤砷的植物暴露途径受土壤砷总浓度、酸碱度、土壤有机质含量、粉粒含量、粘粒含
量、沙粒含量和土壤阳离子交换量这些土壤性质的影响。 其中,植物富集砷浓度受土壤中砷总浓度影响最大,
受土壤质地中砂粒含量影响较大;土壤粉粒、粘粒、有机质含量和阳离子交换量对富集也有一定影响;而土壤
酸碱度对植物富集浓度的影响较小。
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9042摇 8 期 摇 摇 摇 线郁摇 等:土壤砷植物暴露途径的土壤因子模拟 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 8 April,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Special Topics in Urban Ecosystems
Guidelines and evaluation indicators of urban ecological landscape construction
SUN Ranhao, CHEN Ailian, LI Fen, et al (2322)
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Research progress in the quantitative methods of urban green space patterns TAO Yu, LI Feng, WANG Rusong, et al (2330)……
Effects of land use change on ecosystem service value: a case study in Huaibei City, China
ZHAO Dan, LI Feng, WANG Rusong (2343)
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Urban ecosystem complexity: an analysis based on urban municipal supervision and management information system
DONG Rencai, GOU Yaqing, LIU Xin (2350)
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A case study of the effects of in鄄situ bioremediation on the release of pollutants from contaminated sediments in a typical, polluted
urban river LIU Min, WANG Rusong, JIANG Ying, et al (2358)………………………………………………………………
The pollution characteristics of Beijing urban road sediments REN Yufen, WANG Xiaoke, OUYANG Zhiyun, et al (2365)…………
Effects of urban green pattern on urban surface thermal environment CHEN Ailian,SUN Ranhao,CHEN Liding (2372)………………
Seasonal dynamics of airborne pollen in Beijing Urban Area MENG Ling, WANG Xiaoke, OUYANG Zhiyun,et al (2381)…………
Autecology & Fundamentals
Impact of alpine meadow degradation on soil water conservation in the source region of three rivers
XU Cui, ZHANG Linbo, DU Jiaqiang, et al (2388)
……………………………………
………………………………………………………………………………
Predicting the plant exposure to soil arsenic under varying soil factors XIAN Yu, WANG Meie, CHEN Weiping (2400)……………
Attraction effect of different host鄄plant to Colorado potato beetle Leptinotarsa decemlineata
LI Chao, CHENG Dengfa, GUO Wenchao, et al (2410)
……………………………………………
……………………………………………………………………………
Root decomposition and nutrient dynamics of Quercus mongolica and Betula Platyphylla JIN Beibei,GUO Qingxi (2416)……………
The interaction of drought and slope aspect on growth of Quercus variabilis and Platycladus orientalis
WANG Lin, FENG Jinxia, WANG Shuangxia, et al (2425)
…………………………………
………………………………………………………………………
Effects of diameter at breast height on crown characteristics of Chinese Fir under different canopy density conditions
FU Liyong, SUN Hua, ZHANG Huiru, et al (2434)
…………………
………………………………………………………………………………
Effects of temperature acclimation and acute thermal change on cutaneous respiration in juvenile southern catfish (Silurus
meridionalis) XIAN Xuemei, CAO Zhendong, FU Shijian (2444)…………………………………………………………………
Population, Community and Ecosystem
Altitudinal pattern of plant species diversity in the Wulu Mountain Nature Reserve,Shanxi, China
HE Yanhua, YAN Ming, ZHANG Qindi, et al (2452)
……………………………………
……………………………………………………………………………
Vegetation succession on Baishui No. 1 glacier foreland, Mt. Yulong CHANG Li, HE Yuanqing, YANG Taibao, et al (2463)……
The effects of Spartina alterniflora seaward invasion on soil organic carbon fractions,sources and distribution
WANG Gang,YANG Wenbin,WANG Guoxiang,et al (2474)
…………………………
………………………………………………………………………
Community characteristics and soil properties of coniferous plantation forest monocultures in the early stages after close鄄to鄄nature
transformation management in southern subtropical China HE Youjun, LIANG Xingyun, QIN Lin, et al (2484)………………
Response of invasive plant Flaveria bidentis to simulated herbivory based on the growth and reproduction
WANG Nannan, HUANGFU Chaohe, LI Yujin, et al (2496)
……………………………
………………………………………………………………………
Estimation of leaf area index of secondary Betula platyphylla forest in Xiaoxing忆an Mountains LIU Zhili, JIN Guangze (2505)………
Optimal number of herb vegetation clusters: a case study on Yellow River Delta YUAN Xiu, MA Keming, WANG De (2514)………
Application of polychaete in ecological environment evaluation of Laizhou Bay
ZHANG Ying, LI Shaowen, L譈 Zhenbo, et al (2522)
…………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Soil meso鄄and micro arthropod community diversity in the burned areas of Pinus massoniana plantation at different restoration
stages YANG Daxing, YANG Maofa, XU Jin, et al (2531)………………………………………………………………………
Landscape, Regional and Global Ecology
Temporal variety of boundary layer height over deep arid region and the relations with energy balance
ZHANG Jie,ZHANG Qiang,TANG Congguo (2545)
………………………………
…………………………………………………………………………………
Analysis and forecast of landscape pattern in Xi忆an from 2000 to 2011 ZHAO Yonghua,JIA Xia,LIU Jianchao,et al (2556)…………
Spatio鄄temporal variation in the value of ecosystem services and its response to land use intensity in an urbanized watershed
HU Hebing,LIU Hongyu,HAO Jingfeng,et al (2565)
…………
………………………………………………………………………………
Resource and Industrial Ecology
Household optimal forest management decision and carbon supply: case from Zhejiang and Jiangxi Provinces
ZHU Zhen, SHEN Yueqin,WU Weiguang,et al (2577)
…………………………
……………………………………………………………………………
Spatial variability characteristics of soil nutrients in tobacco fields of gentle slope based on GIS
LIU Guoshun,CHANG Dong,YE Xiefeng,et al (2586)
………………………………………
……………………………………………………………………………
Method of determining the maximum leaf area index of spring maize and its application MA Xueyan, ZHOU Guangsheng (2596)……
Urban, Rural and Social Ecology
Morphological structure of leaves and dust鄄retaining capability of common street trees in Guangzhou Municipality
LIU Lu, GUAN Dongsheng, CHEN Yongqin David (2604)
……………………
…………………………………………………………………………
Research Notes
Morphological responses to temperature, drought stress and their interaction during seed germination of Platycodon grandiflorum
LIU Zigang, SHEN Bing, ZHANG Yan (2615)
……
……………………………………………………………………………………
Effects of nutrients on the growth of the parasitic plant Cuscuta australis R. Br. ZHANG Jing, LI Junmin, YAN Ming (2623)………
6362 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
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争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索自然奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,促
进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
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