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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 32 卷 第 23 期摇 摇 2012 年 12 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
中国石龙子母体孕期调温诱导幼体表型:母体操纵假说的实验检测 李摇 宏,周宗师,吴延庆,等 (7255)……
同种或异种干扰对花鼠分散贮藏点选择的影响 申摇 圳,董摇 钟,曹令立,等 (7264)……………………………
曝气充氧条件下污染河道氨挥发特性模拟 刘摇 波,王文林,凌摇 芬,等 (7270)…………………………………
贵州草海越冬斑头雁日间行为模式及环境因素对行为的影响 杨延峰,张国钢,陆摇 军,等 (7280)……………
青藏高原多年冻土区积雪对沼泽、草甸浅层土壤水热过程的影响 常摇 娟,王根绪,高永恒,等 (7289)………
长沙城市斑块湿地资源的时空演变 恭映璧,靖摇 磊,彭摇 磊,等 (7302)…………………………………………
基于模型数据融合的千烟洲亚热带人工林碳水通量模拟 任小丽,何洪林,刘摇 敏,等 (7313)…………………
农田氮素非点源污染控制的生态补偿标准———以江苏省宜兴市为例 张摇 印,周羽辰,孙摇 华 (7327)………
用 PFU微型生物群落监测技术评价化工废水的静态毒性 李朝霞,张玉国,梁慧星 (7336)……………………
京郊农业生物循环系统生态经济能值评估———以密云尖岩村为例 周连第,胡艳霞,王亚芝,等 (7346)………
基于遥感的夏季西安城市公园“冷效应冶研究 冯晓刚,石摇 辉 (7355)…………………………………………
海南岛主要森林类型时空动态及关键驱动因子 王树东,欧阳志云,张翠萍,等 (7364)…………………………
不同播种时间对吉林省西部玉米绿水足迹的影响 秦丽杰,靳英华,段佩利 (7375)……………………………
黄土塬区不同品种玉米间作群体生长特征的动态变化 王小林,张岁岐,王淑庆,等 (7383)……………………
密植条件下种植方式对夏玉米群体根冠特性及产量的影响 李宗新,陈源泉,王庆成,等 (7391)………………
沙地不同发育阶段的人工生物结皮对重金属的富集作用 徐摇 杰,敖艳青,张璟霞,等 (7402)…………………
增强 UV鄄B辐射和氮对谷子叶光合色素及非酶促保护物质的影响 方摇 兴,钟章成 (7411)……………………
不同产地披针叶茴香光合特性对水分胁迫和复水的响应 曹永慧,周本智,陈双林,等 (7421)…………………
芦芽山林线华北落叶松径向变化季节特征 董满宇,江摇 源,王明昌,等 (7430)…………………………………
地形对植被生物量遥感反演的影响———以广州市为例 宋巍巍,管东生, 王摇 刚 (7440)………………………
指数施肥对楸树无性系生物量分配和根系形态的影响 王力朋,晏紫伊,李吉跃,等 (7452)……………………
火烧伤害对兴安落叶松树干径向生长的影响 王晓春,鲁永现 (7463)……………………………………………
山地梨枣树耗水特征及模型 辛小桂,吴普特,汪有科,等 (7473)…………………………………………………
两种常绿阔叶植物越冬光系统功能转变的特异性 钟传飞,张运涛,武晓颖,等 (7483)…………………………
干旱胁迫对银杏叶片光合系统域荧光特性的影响 魏晓东,陈国祥,施大伟,等 (7492)…………………………
神农架川金丝猴栖息地森林群落的数量分类与排序 李广良,丛摇 静,卢摇 慧,等 (7501)………………………
碱性土壤盐化过程中阴离子对土壤中镉有效态和植物吸收镉的影响 王祖伟,弋良朋,高文燕,等 (7512)……
两种绣线菊耐弱光能力的光合适应性 刘慧民,马艳丽,王柏臣,等 (7519)………………………………………
闽楠人工林细根寿命及其影响因素 郑金兴,黄锦学,王珍珍,等 (7532)…………………………………………
旅游交通碳排放的空间结构与情景分析 肖摇 潇,张摇 捷,卢俊宇,等 (7540)……………………………………
北京市妫水河流域人类活动的水文响应 刘玉明,张摇 静,武鹏飞,等 (7549)……………………………………
膜下滴灌技术生态鄄经济与可持续性分析———以新疆玛纳斯河流域棉花为例
范文波,吴普特,马枫梅 (7559)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
高温胁迫及其持续时间对棉蚜死亡和繁殖的影响 高桂珍,吕昭智,夏德萍,等 (7568)…………………………
桉树枝瘿姬小蜂虫瘿解剖特征与寄主叶片生理指标的变化 吴耀军,常明山,盛摇 双,等 (7576)………………
西南桦纯林与西南桦伊红椎混交林碳贮量比较 何友均,覃摇 林,李智勇,等 (7586)……………………………
长沙城市森林土壤 7 种重金属含量特征及其潜在生态风险 方摇 晰,唐志娟,田大伦,等 (7595)………………
专论与综述
城乡结合部人鄄环境系统关系研究综述 黄宝荣,张慧智 (7607)…………………………………………………
陆地生态系统碳水通量贡献区评价综述 张摇 慧,申双和,温学发,等 (7622)……………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*380*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*38*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄12
封面图说: 麋鹿群在过河———麋鹿属于鹿科,是中国的特有动物。 历史上麋鹿曾经广布于东亚地区,到 19 世纪时,只剩下在北
京南海子皇家猎苑内一群。 1900 年,八国联军攻陷北京,麋鹿被抢劫一空。 1901 年,英国的贝福特公爵用重金从
法、德、荷、比四国收买了世界上仅有的 18 头麋鹿,以半野生的方式集中放养在乌邦寺庄园内,麋鹿这才免于绝灭。
在世界动物保护组织的协调下,1985 年起麋鹿从英国分批回归家乡,放养到北京大兴南海子、江苏省大丰等地。 这
是在江苏省大丰麋鹿国家级自然保护区放养的麋鹿群正在过河。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 23 期
2012 年 12 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 23
Dec. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家野外科学观测研究站项目(20080615);湖南省科技厅资助项目(2011SK3120)
收稿日期:2012鄄01鄄13; 摇 摇 修订日期:2012鄄09鄄25
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: fangxizhang@ sina. com
DOI: 10. 5846 / stxb201201130073
方晰,唐志娟,田大伦,项文化,孙伟军.长沙城市森林土壤 7 种重金属含量特征及其潜在生态风险.生态学报,2012,32(23):7595鄄7606.
Fang X, Tang Z J, Tian D L, Xiang W H, Sun W J. Distribution and ecological risk assessment of 7 heavy metals in urban forest soils in Changsha City.
Acta Ecologica Sinica,2012,32(23):7595鄄7606.
长沙城市森林土壤 7 种重金属含量特征
及其潜在生态风险
方摇 晰1,2,*,唐志娟1,田大伦1,2,项文化1,2,孙伟军1
(1.中南林业科技大学,长沙摇 410004; 2.南方林业生态应用技术国家工程实验室, 长沙摇 410004)
摘要:采用调查分析方法,研究长沙城市森林土壤 Zn、Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg7 种重金属含量,并以长沙市土壤背景值和湖南省土
壤背景值为参比值,采用 Hakanson潜在生态危害指数法评价不同城市化梯度森林土壤重金属潜在生态风险。 结果表明:7 种重
金属的平均含量均随着城市化程度提高而增加,Pb增幅最大,As增幅最小。 同一城市化梯度森林土壤均以 Zn平均含量最高,
Cd最低,但均未超过土壤环境质量标准(GB15618—1995)域级标准值。 在城市中心区,桂花树林、樟树+桂花树混交林土壤 Zn、
Cu、Pb、As、Hg平均含量普遍较高,而樟树+马尾松混交林、桂花树+杜英混交林土壤 Cu、Ni、As、Cd、Hg 平均含量普遍较低,Pb、
Zn空间分布差异明显,Cd、Ni、As空间分布比较均匀,Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg之间(除 Cd与 As、Ni之间外)均存在显著(P<0. 05)
或极显著(P<0. 01)的相关性,与土壤有机质之间也呈显著(P<0. 05)或极显著(P<0. 01)的相关性,Zn、Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg主
要是人为输入;中心区森林土壤重金属的潜在生态危害已达到中等生态危害程度,边缘区接近中等生态危害程度,郊区为轻微
生态危害程度,Zn、Cu、Ni、Pb、As均为轻微生态危害程度,Cd、Hg已达到中等生态危害程度以上。
关键词:长沙市;城市森林土壤;重金属;潜在生态风险
Distribution and ecological risk assessment of 7 heavy metals in urban forest soils
in Changsha City
FANG Xi1,2,*, TANG Zhijuan1, TIAN Dalun1,2, XIANG Wenhua1,2, SUN Weijun1
1 Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China
2 State Key Laboratory of Ecological Applied Technology in Forest Area of South China, Changsha 410004, China
Abstract: In order to understand the influence of urbanization on distribution of heavy metals in soils, concentrations
characteristics of 7 heavy metals (Zn, Cu, Ni, Pb, As, Cd, and Hg) in various forest types were investigated along an
urban gradient in Changsha, a capital city of Hunan Province, China. The concentrations and potential ecological risk of
heavy metals in the urban soils was assessed when compared to the background values of heavy metals in soils in both
Changsha city and Hunan Province. A total nineteen major forest types were selected at three locations ( namely urban
district location, urban fringe location, and suburban location) along the urban gradient degree in urban forests soil in the
Changsha city. Two forest plots (each with the size of 20m 伊 20m) were built in each forest types. Three subplots were
(each with an area of 1 m2) were set up in each of the plots. Five soil samples ( from 0—20 cm depth) were randomly
taken within each subplot and pooled to a soil sample for heavy metals chemical analysis, 0—20cm soil samples were
collected from different urban gradient (urban district, urban fringe, suburban) forest to analyze the concentrations of Zn,
Cu, Ni, Pb, As, Cd, and Hg, and the potential ecological hazard assessment indices by Hakanson was used to assess the
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soil heavy metals potential ecological risk degree in urban forest, based on the background values of soil in Changsha City
and in Hunan Province. Results showed that the average concentration of the same heavy metal elements in urban forest
soils tended to increase with degree of urbanization. Pb had the maximum increasing value and As the minimum. In the
same urbanization location degree, Zn had the highest average concentration and Cd had the lowest one among the studied of
all test heavy metals. , On average, while the average the concentrations of all examined heavy metals them in study sites
were lower than those in the Environmental Quality Standard for Soil (域grade) in China. ,. The heavy metals whose
concentrations were higher than the background values in Changsha cite and the accumulation tendency of test heavy metals
in urban forest were as in the order as of Cd>Hg>As>Pb>Cu (Ni)>Zn in the study sites. The concentration of re existed
some differences in the same heavy metal element varied concentration with among different types forest types in the city,
The average concentrations of Zn, Cu, Pb, As, and Hg were as higher in Osmanthus fragrans forests and, Cinnamomum
camphora Presl. and Osmanthus fragrans mixed forests, but that of Cu, Ni, As, Cd, and Hg were found to be was low
concentrations in Cinnamomum camphora Presl. + Pinus massoniana mixed forests and, Osmanthus fragrans +Elaeocarpus
sylvestris Poir mixed forests, the spatial distribution patterns of Pb and Zn was significant different in the study area, while
Cd, Ni and As were more evenly distributed. Significant correlations were found among Zn, Cu, Ni, Pb, As, Cd, and Hg
concentrations in soils (P< 0. 05), except the relationships between Cd and As, and Ni. The 7 heavy metals had positively
significant correlations with soil organ matter. It was found that Zn, Cu, Ni, Pb, As, Cd and Hg mainly came form the
anthropogenic inputs in the urban district forests. Based on potential ecological risk assessment, the situation of heavy
metals was in the medium ecological risk level in urban district locations, was in closing to the medium level in urban fringe
locations, and was in a slight level in suburban locations in Changsha cite. Among the studied heavy metals, Zn, Cu, Ni,
Pb, and As were in a slight risk level, while Cd and Hg were in medium or strong ecological risk level. Our study provided
scientific reference to estimate and evaluate the impact of urbanization on heavy metals in Southern China.
Key Words: Changsha city; urban forest soils; heavy metals; potential ecological risk
长沙市为湖南省省会城市,是湖南省政治、经济、文化、交通、科技、金融、信息中心,是华中地区主要的中
心城市及经济中心之一,也是中南地区重要工商业城市。 近 10a来,长沙市大力推进新型工业化,积极实施一
化三基和四化两型战略,一大批高新技术产业、汽车产业、装备制造、生物医药以及机械重工业产业迅速发展,
2010 年机动车保有量突破 100 万辆,2011 年长沙实现地区生产总值 5619. 33 亿元,全国 26 个省会城市中排
第 7 位[1],然而随着长沙市经济迅猛发展和城市化进程的加快,城市规模不断扩大,10a 人口数量增加了 90
万人[2],城市中众多的污染源如交通运输、工业排放、市政建设和大气沉降等造成城市环境问题日益突出。
2007 年 12 月,长株潭城市群被国家批准为全国“两型(资源节约型和环境友好型)冶社会建设综合配套改革试
验区,全面推进各个领域的改革,切实走出一条有别于传统模式的工业化、城市化发展新路[3]。 在长株潭产
业快速聚集、经济快速发展的同时,区域生态环境尤其是长沙市面临的形势越来越严峻,环境承载压力与任务
也越来越大,为此,湖南省委常委、长沙市委书记陈润儿同志提出了“创建生态文明示范城市冶的总体思路,成
立了长沙市创建生态文明示范城市课题组,开展长沙创建生态文明城市研究(市委办公厅长办通知(2010)9
号文件)。 城市森林是构成城市生态系统中唯一执行自然“纳污吐新冶负反馈机制的子系统,被称为“城市之
肺冶,承载着改善城市生态环境,为城市居民提供良好工作、生活和居住条件的重任[4]。 研究表明,乔灌木和
城市森林对重金属具有明显的消减作用[5鄄8],而目前国内有关城市森林土壤重金属含量特征及其污染评价方
面的研究报道仍很少[5,9鄄10],也由于 Zn、Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg等重金属在城市土壤中污染程度普遍较高,是城
市土壤重金属污染研究的主要考虑对象[8,11鄄13]。 为此为了给长沙市“两型社会冶实验区的规划、建设,特别是
环境污染预警提供依据,本研究以长沙城市森林土壤为对象,研究不同城市化梯度森林土壤以及城市中心区
不同森林类型土壤重金属含量特征,探讨长沙城市森林土壤重金属污染来源,利用 Hakanson 潜在生态危害指
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数法评价长沙城市森林土壤重金属潜在生态风险。
1摇 研究地概况
长沙市位于湖南省东部偏北,地处 27毅51忆—28毅40忆N,111毅53忆—114毅5忆E,南接株洲、湘潭,西抵娄底,北达
岳阳、益阳,东挨江西省宜春、萍乡。 土地总面积 1. 18 万 km2,建成区为 256 km2(2009 年) [2],东西长约
230km,南北宽约 88km,呈东西向长条形状[14]。 海拔 200m以下,地势东西两端高耸,中部低平,形似马鞍,山
地、丘陵、岗地、平原各约占四分之一。 母质为花岗岩、第三纪红色砂页岩、第四纪红色土、千枚岩等,地带性土
壤以红壤为主,呈弱酸性。 属亚热带大陆性季风湿润气候,年平均气温 16. 8—17. 2益,年降水量为 1412—
1559 mm,夏初多雨,秋季多旱,暑热期长,严冬期短,全年无霜期约 275d。 地带性植被为常绿阔叶林,2006 年
被评为“国家森林城市冶 [15],市区主要绿化树种有樟树(Cinnamomum camphora)、广玉兰(magnolia grandifloral
inn)、山矾(Symplocos caudata)、枫香(Liquidambar formosana Hance)、复羽叶栾树(Koelreuteria bipinnata)、杜鹃
花(Rhododendron simsii Planch)、桂花树(Osmanthus fragrans Lour)等。
2摇 研究方法
2. 1摇 采样地点的确定
为了比较不同城市化梯度城市森林土壤重金属含量的空间分异特征。 首先,根据人口密度、建筑用地、车
流量、人流量,将长沙市城市森林划分为城市中心区(简称:中心区,下同)、城市与郊区交错区(简称:边缘区,
下同)、郊区 3 个梯度进行设置采样地点,共布置采样地点 11 处。 中心区设置在:桂花公园,晓园公园,烈士公
园,南郊公园,中南林业科技大学校园,特点是:居民居住集中,人口密度大,人均绿化率低,车流量和人流量
大,商业活动繁华,人为干扰明显且干扰因素复杂。 边缘区设置在:湖南省植物园,岳麓公园,王陵公园,特点
是:居民居住较集中,人口较多,人均绿化率较高,商业活动较繁华,人为干扰也较大。 郊区设置在:黑麋峰森
林公园,石燕湖公园,大山冲湖南省森林公园,特点是:附近居民居住分散,人口少,人均绿化率高,森林面积
大,人为干扰少。 在 11 处采样地点选取分布面积较大,树木正常生长,林分年龄比较相近的林分 19 种,每种
林分均分别设 2 块面积均为 20 m伊20 m采样样地,采用随机布点方法在每个样地布置 1 m2 采样样方 3 个,共
设置 114 个采样样方,每个采集样方以双对角线法采集 5 个点 0—20 cm的土壤,均匀混合后取约 1kg 土壤样
品。 每个采样地点的位置、面积、主要树种、采样林分及采集样品数如表 1 所示。
表 1摇 采样地点的基本概况
Table 1摇 Fundamentals of each sampling location
梯度
Gradient
采样地点
Sampling
location
面积
Area
/ hm2
林分类型
Forest type
林龄
Age /
a
密度
Density
(株 / hm2)
样品数
Sample
number
中心区
Urban district 桂花公园 1. 64
桂花树 + 杜 英 混 交 林 Osmanthus fragrans +
Elaeocarpus sylvestris Poir mixed forest 26 276 6
晓园公园 3. 77 樟树
+ 桂花树混交林 Cinnamomum camphora
Presl. + Osmanthus fragrans mixed forest 28 298 6
烈士公园 118. 0
樟树林 Cinnamomum camphora Presl. forest
马尾松林 Pinus massoniana forest
桂花树林 Osmanthus fragrans forest
34
33
28
293
696
285
18
南郊公园 35. 92 樟树林 Cinnamomum camphora Presl. forest 30 750 6
中南林业科技
大学校园 130. 85
樟树林 Cinnamomum camphora Presl. forest
樟树 + 马尾松混交林 Cinnamomum camphora
Presl. + Pinus massoniana mixed forest
35
28 364210 12
边缘区
Urban fringe 湖南省植物园 180. 38
樟树 + 马尾松混交林 Cinnamomum camphora
Presl. + Pinus massoniana mixed forest
木莲林 Manglietia fordiana. forest
枫香林 Liquidambar formosana Hance. forest
33
26
35
670
431
540
18
7957摇 23 期 摇 摇 摇 方晰摇 等:长沙城市森林土壤 7 种重金属含量特征及其潜在生态风险 摇
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摇 摇 续表
梯度
Gradient
采样地点
Sampling
location
面积
Area
/ hm2
林分类型
Forest type
林龄
Age /
a
密度
Density
(株 / hm2)
样品数
Sample
number
岳麓公园 514. 14 枫香林 Liquidambar formosana Hance. forest 35 638 6
王陵公园 14. 94 樟树林 Cinnamomum camphora Presl. forest 45 785 6
郊区
Suburban
黑 麋 峰 森 林
公园 4079
毛竹林 Phyllostachys heterocycla Mitf. forest
杉木林 Cunninghamia lanceolata forest
24
30
1167
1003 12
石燕湖公园 500 樟树
+油茶混交林 Cinnamomum camphora Presl. +
Keteleeria fortunei Carr. Mixed forest 26 1275 6
大山冲湖南省
森林公园 525. 3
杉木林 Cunninghamia lanceolata forest
马尾 松 + 石 栎 混 交 林 Pinus massoniana +
Lithocarpus glaber mixed forest
青冈 + 石 栎 混 交 林 Cyclobalanopsis glauca +
Lithocarpus glaber mixed forest
51
47
58
625
1975
1474
18
2. 2摇 化学分析方法
土壤样品经风干后,过 100 目筛备用。 本研究主要对森林土壤中 Zn、Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg进行分析,Zn、
Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg 经碳酸钠碱熔鄄盐酸提取后,Cu、Zn、Cd、Pb、Ni 采用 Hp3510 原子吸收分光光度计测定,
As、Hg采用 AFS鄄930 型双道原子荧光光谱仪测定。 土壤有机质含量采用重铬酸钾鄄水合加热法测定,全 N 含
量采用半微量凯氏定氮法测定,全 P 含量采用氢氧化钠碱熔鄄钼锑抗比色法测定。
2. 3摇 土壤重金属元素潜在的生态风险评价模型
为了确定长沙城市森林土壤重金属潜在生态危害效应和反映特定区域的特殊性,本研究选用 Hakanson
提出的潜在生态危害指数法[16],以长沙市土壤背景值[12]和湖南省土壤背景值[17]作为参比值(表 2),评价长
沙城市森林土壤重金属潜在的生态风险。
表 2摇 土壤重金属的环境背景值和环境质量标准值
Table 2摇 Environmental background and Environmental quality standard values of soil heavy metals
指标 Indicators Zn Cu Ni Pb As Cd Hg
长沙市土壤背景值[12]
The background values of soils in Changsha(mg / kg)
93. 33 25. 67 28. 50 30. 17 14. 43 0. 070 0. 10
湖南省土壤背景值[17]
The background values of soils in Hunan(mg / kg)
90. 0 25. 0 31. 9 26. 0 18. 6 0. 081 0. 11
土壤环境质量标准(域级)
Environmental quality standard for soil (域grade)(mg / kg) 200 150 40 250 40 0. 30 0. 30
单种重金属潜在生态危害系数(E i)的计算公式为:
E i = Tir 伊 (C i / C0i)
式中,C i、C0i、Tir 分别为第 i种重金属的实测含量(mg / kg)、参比值(mg / kg)和毒性系数。 毒性系数根据徐争
启等[16]计算的重金属毒性系数(Tir):Zn=1、Cu=Ni=Pb=5、As=10、Cd=30、Hg=40。
多种重金属潜在生态危害指数(RI)的计算公式为:
RI =移E i
根据 E i 和 RI值,参照沉积物(土壤)中重金属潜在生态危害系数、生态危害指数和污染程度的关系[16],
采用丁振华等[18]给出 7 种重金属的潜在生态危害指数 RI划分的潜在生态危害分级标准(表 3)。
2. 4摇 数据处理
采用 EXCEL、SPSS17. 0 统计软件进行数据处理、相关性及显著性分析。
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表 3摇 Hakanson潜在生态危害评价指标
Table 3摇 The potential ecological hazard assessment indices by Hakanson
生态危害
Ecological risk
轻微
Slight
中等
Medium
强
Strong
很强
Very strong
极强
Greatly strong
Ei <40 40—80 80—160 160—320 >320
RI <150 150—300 300—600 >600
3摇 结果与分析
3. 1摇 不同城市化梯度森林土壤重金属的含量
从表 4 可以看出,不同城市化梯度林地之间同种重金属的平均含量均呈现出明显的城市化梯度性,即随
着城市化程度提高而增大,Pb增幅最大,As增幅最小。 Zn、Cu、Ni、As、Hg表现为中心区(分别为 56. 8、24. 91、
28. 24、23. 93、0. 23 mg / kg)与边缘区、郊区的差异显著(P<0. 05),边缘区与郊区的差异不显著(P>0. 05),Pb
却表现为中心区(36. 55 mg / kg)与边缘区、郊区之间,边缘区与郊区之间的差异均显著(P<0. 05),Cd 为中心
区(0. 18 mg / kg)与郊区之间的差异显著(P<0. 05),但与边缘区之间,边缘区与郊区之间的差异不显著(P>
0郾 05)。
如表 4 所示,同一城市化梯度森林土壤均以 Zn的平均含量最高,Cd最低,但均未超过土壤环境质量标准
(GB15618—1995)域级标准值。 不同梯度森林土壤中 Zn、Cu、Ni 的平均含量均低于长沙市、湖南省土壤背景
值[12,17],但中心区 Cu、Ni 平均含量已接近背景值;Pb 除中心区高于土壤背景值[12,17]外,边缘区、郊区仍低于
土壤背景值[12,17],As、Cd、Hg 均超过土壤背景值[12,17],且以 Cd 的标倍数最高,在 1. 48—2. 57 之间,其次是
Hg,在 1. 36—2. 30 之间。 Zn的变异系数最大,在 28. 37%—48. 82% ,Pb为其次,在 27. 05%—44. 38% ,As最
小,为 8. 22%—12. 22% 。 在 114 个样方中,Zn、Ni、Cu、Pb、As、Hg、Cd 超过长沙市土壤背景值[12]的样方分别
为 5. 38% 、18. 28% 、19. 35% 、30. 18% 、92. 63% 、93. 55% 、100% ,中心区 Zn、Cu、Ni、Pb、As、Hg、Cd 分别为
11郾 63% 、30. 23% 、37. 21% 、51. 16% 、100% 、100% 、100% ,Ni、Hg超过土壤环境质量标准(GB15618—1995)域
级标准值的样方分别为 2. 33%和 16. 28% ,表明长沙城市森林表土层(0—20cm)已不同程度受到重金属污
染,且已有较大面积受到了 As、Cd、Hg的污染,尤其是中心区。 总体上看,7 种重金属超过长沙市和湖南省土
壤背景值[12,17]倍数排序为:Cd>Hg>As>Pb>Cu(Ni)>Zn。
表 4摇 长沙市城市中心区鄄边缘区鄄郊区梯度森林土壤重金属的含量
Table 4摇 Heavy metal concentration in urban鄄 fringe鄄 suburban gradient forest soil in Changsha
梯度 Gradient 项目 Item Zn Cu Ni Pb As Cd Hg
中心区 最大值 / (mg / kg) 124. 35 55. 14 45. 67 84. 00 27. 88 0. 28 0. 56
Urban district 最小值 / (mg / kg) 30. 10 15. 69 18. 71 20. 73 20. 94 0. 14 0. 14
平均值 / (mg / kg) 56. 80a 24. 91a 28. 24a 36. 55a 23. 98a 0. 18a 0. 23a
变异系数 / % 48. 82 33. 52 19. 00 44. 38 8. 22 23. 53 37. 38
边缘区 最大值 / (mg / kg) 96. 98 28. 77 30. 35 46. 73 24. 26 0. 17 0. 28
Urban fringe 最小值 / (mg / kg) 28. 08 11. 10 13. 28 16. 17 15. 46 0. 12 0. 09
平均值 / (mg / kg) 39. 69b 16. 12b 21. 56b 24. 55b 19. 52b 0. 15ab 0. 17b
变异系数 / % 42. 08 29. 65 19. 79 27. 05 10. 09 6. 67 21. 76
郊区 最大值 / (mg / kg) 71. 77 32. 21 33. 21 39. 59 22. 38 0. 14 0. 28
Suburban 最小值 / (mg / kg) 18. 30 9. 67 13. 27 13. 77 14. 65 0. 10 0. 08
平均值 / (mg / kg) 43. 07b 18. 82b 20. 17b 20. 82c 18. 92b 0. 12b 0. 15b
变异系数 / % 28. 37 32. 41 25. 59 32. 66 12. 22 8. 33 32. 13
摇 摇 同列不同字母表示差异显著(P臆0. 05),相同字母表示差异不显著(P逸0. 05)
3. 2摇 城市中心区不同森林类型土壤重金属的含量
如表 5 所示,中心区不同森林类型土壤 7 种重金属含量的变异系数差异较大,其中 Pb 最大,为
9957摇 23 期 摇 摇 摇 方晰摇 等:长沙城市森林土壤 7 种重金属含量特征及其潜在生态风险 摇
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28郾 74%—61. 02% ,其次是 Zn,为 7. 34%—59. 17% ,Cd、Ni 较小,分别为 5. 88%—35. 22% 和 14. 20%—
29郾 04% ,As最小,为 3. 63%—12. 90% 。 表明 Pb、Zn空间分布差异明显,Cd、Ni、As 空间分布比较均匀,存在
相似性。 不同森林类型土壤同种重金属的平均含量存在一定的差异,但各森林类型土壤重金属含量的最大值
(除 Ni、Hg外)、平均值均未超过土壤环境质量标准(GB15618—1995)域级标准值。 整体上,桂花树林、樟树+
桂花树混交林土壤 Zn、Cu、Pb、As、Hg含量较高,樟树+桂花树混交林、马尾松林土壤 Ni、Cd 含量较高,而樟树
林、桂花+杜英混交林土壤 Zn、Pb含量较低,樟树+马尾松混交林、桂花+杜英混交林土壤 Cu、Ni、As、Cd、Hg 含
量较低。 Zn、Cu(除桂花树林、樟树+桂花树混交林外)平均含量均低于土壤背景值[12,17],Ni除桂花树林、马尾
松林、樟树+桂花树混交林略超过长沙市土壤背景值[12]外,均低于土壤背景值[12,17],Pb、As、Cd、Hg 均超过土
壤背景值[12,17]。 方差分析结果表明,除桂花树林土壤 Hg 含量与其它 5 种森林类型之间,桂花树林、马尾松
林、樟树+桂花树混交林土壤 Pb含量与樟树林、桂花+杜英混交林之间,桂花树林、樟树+桂花树混交林土壤 Cu
含量与其它 4种森林类型之间,桂花树林、樟树+桂花树混交林、樟树+马尾松混交林土壤 Zn 含量与其它 3 种森
林类型之间存在显著的差异(P<0. 05)外,其它不同森林类型之间同种重金属含量无显著差异(P>0. 05)。
表 5摇 长沙市中心区森林类型土壤重金属的含量
Table 5摇 Heavy metal concentrations in different forest types soils in the urban district in Changsha
样地 Sites 项目 Item Zn Cu Ni Pb As Cd Hg
桂花树林 最大值 / (mg / kg) 112. 46 55. 14 33. 68 70. 07 27. 88 0. 20 0. 56
Osmanthus fragrans forest 最小值 / (mg / kg) 42. 91 23. 75 25. 46 25. 48 21. 52 0. 16 0. 21
平均值 / (mg / kg) 66. 82a 34. 79a 29. 23a 41. 91a 25. 02a 0. 17a 0. 34a
变异系数 / % 59. 17 50. 70 14. 20 58. 46 12. 90 13. 32 56. 34
樟树林 最大值 / (mg / kg) 124. 35 32. 98 39. 34 58. 43 27. 44 0. 27 0. 36
Cinnamomum camphora Presl. forest 最小值 / (mg / kg) 30. 10 16. 38 19. 46 20. 81 21. 86 0. 14 0. 15
平均值 / (mg / kg) 48. 97b 23. 65b 27. 75a 31. 77b 24. 15a 0. 17a 0. 23b
变异系数 / % 51. 28 22. 32 19. 23 28. 74 7. 15 19. 99 28. 38
马尾松林 最大值 / (mg / kg) 87. 33 29. 42 37. 81 84. 00 26. 56 0. 21 0. 26
Pinus massoniana Forest 最小值 / (mg / kg) 31. 46 18. 13 25. 78 25. 52 22. 49 0. 15 0. 16
平均值 / (mg / kg) 51. 34b 23. 27b 29. 91a 40. 98a 24. 69a 0. 18a 0. 20b
变异系数 / % 41. 32 19. 14 16. 34 61. 02 7. 06 12. 45 19. 04
桂花树+杜英混交林 最大值 / (mg / kg) 53. 13 20. 99 35. 68 46. 73 22. 87 0. 18 0. 19
Osmanthus fragrans+ Elaeocarpus 最小值 / (mg / kg) 44. 85 16. 04 23. 45 20. 87 21. 06 0. 16 0. 16
sylvestris Poir mixed forest 平均值 / (mg / kg) 48. 32b 18. 94b 27. 45a 28. 86b 21. 98a 0. 17a 0. 17b
变异系数 / % 7. 43 9. 46 17. 57 35. 79 3. 63 5. 88 6. 55
樟树+桂花树混交林 最大值 / (mg / kg) 122. 24 51. 74 45. 67 65. 54 26. 78 0. 26 0. 43
Cinnamomum camphora Presl. + 最小值 / (mg / kg) 43. 03 15. 69 23. 65 25. 57 21. 75 0. 22 0. 14
Osmanthus fragrans mixed forest 平均值 / (mg / kg) 89. 95a 28. 20a 31. 16a 42. 50a 24. 74a 0. 23a 0. 23b
变异系数 / % 41. 42 50. 27 29. 04 40. 16 8. 66 6. 48 49. 89
樟树+马尾松混交林 最大值 / (mg / kg) 122. 53 27. 25 29. 06 72. 53 25. 81 0. 28 0. 23
Cinnamomum camphora Presl. + 最小值 / (mg / kg) 36. 23 20. 21 18. 71 20. 73 20. 94 0. 14 0. 18
Pinus Massoniana mixed forest 平均值 / (mg / kg) 61. 31a 22. 68b 25. 43a 38. 15ab 23. 17a 0. 17a 0. 20b
变异系数 / % 56. 79 13. 03 15. 67 52. 65 8. 54 35. 22 10. 00
摇 摇 同列不同字母表示差异显著(P臆0. 05),相同字母表示差异不显著(P逸0. 05)
3. 3摇 不同城市化梯度森林土壤重金属之间及其与土壤化学性质指标的相关性
为探讨城市森林土壤中各种重金属的来源和迁移,对不同城市化梯度森林土壤重金属元素之间及其与土
壤化学性质指标的相关性进行分析。 结果如表 6 所示,中心区除 Cd 与 As、Ni不相关(P>0. 05)外,其它重金
属之间均存在显著(P<0. 05)或极显著(P<0. 01)的相关性,相关系数在 0. 445—0. 949 之间,表明中心区除
Cd与 As、Ni 的来源可能不同外,Zn、Cu、Ni、Pb、Cd、As、Hg 可能分别有相同的来源。 在边缘区除 Cu 与 As、
0067 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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Cd、Hg之间呈显著的相关性(P<0. 05)外,其它重金属之间均无显著相关性(P>0. 05),表明边缘区 Cu 与 As、
Cd、Hg的来源可能相同。 在郊区仅 Zn与 Pb之间呈显著的相关性,表明郊区 Zn 与 Pb 的来源可能相同。 中
心区 7 种重金属与土壤有机质之间,Zn、Pb、Cd 与全 N 之间,Zn、Cu、Ni、Pb、As、Hg 与全 P 之间呈显著(P<
0郾 05)或极显著(P<0. 01)的相关性,在边缘区仅 Cd与全 N、全 P 之间,Pb与有机质之间存在显著相关性(P<
0郾 05),在郊区,重金属与土壤有机质、全 N、全 P 之间无显著相关性(P>0. 05)。
表 6摇 长沙市不同城市化梯度森林土壤重金属之间及其与土壤化学指标的相关系数
Table 6 摇 Correlation coefficients between heavy metals concentrations and chemical properties in different urbanization gradient forest soils
in Changsha
梯度
Gradie As Cu Zn Cd Pb Ni Hg OM TN TP
中心区 As 1 0. 752** 0. 445* 0. 339 0. 515* 0. 765** 0. 729** 0. 515* 0. 336 0. 498*
Urban district Cu 1 0. 529* 0. 523* 0. 642** 0. 697** 0. 949** 0. 543* 0. 312 0. 622**
Zn 1 0. 840** 0. 705** 0. 411* 0. 472* 0. 776** 0. 665** 0. 556*
Cd 1 0. 576** 0. 288 0. 526* 0. 560* 0. 546* 0. 393
Pb 1 0. 428* 0. 581* 0. 664** 0. 535* 0. 569**
Ni 1 0. 693** 0. 457* 0. 215 0. 499*
Hg 1 0. 469* 0. 253 0. 575*
边缘区 As 1 0. 525* -0. 215 0. 431 0. 126 0. 056 0. 369 0. 125 0. 296 0. 325
Urban fringe Cu 1 -0. 224 0. 575* -0. 010 -0. 035 0. 568* -0. 021 0. 365 0. 231
Zn 1 0. 005 -0. 001 0. 234 -0. 274 0. 047 -0. 012 0. 063
Cd 1 0. 001 -0. 073 0. 344 0. 327 0. 564* 0. 534*
Pb 1 0. 133 0. 041 0. 580* 0. 424 0. 155
Ni 1 -0. 013 0. 046 0. 084 -0. 104
Hg 1 0. 040 0. 165 0. 285
郊区 As 1 0. 321 0. 097 0. 055 0. 167 0. 420 0. 435 0. 330 0. 203 -0. 379
Suburban Cu 1 0. 089 -0. 069 0. 034 0. 378 0. 391 0. 182 0. 113 -0. 426
Zn 1 0. 079 0. 548* -0. 018 0. 025 0. 113 -0. 128 0. 208
Cd 1 0. 364 0. 020 0. 004 0. 069 -0. 033 -0. 039
Pb 1 -0. 050 -0. 058 0. 344 0. 009 0. 358
Ni 1 0. 816 0. 193 0. 121 -0. 375
Hg 1 0. 042 0. 091 -0. 434
摇 摇 *表示 0. 05 水平上差异显著;**表示 0. 01 水平上差异显著
3. 4摇 中心区不同森林类型土壤重金属之间及其与土壤化学性质指标的相关性
由表 7 可知,中心区不同森林类型土壤各种重金属之间普遍存在相关性,但有一定的差异。 桂花树林、樟
树林、樟树+桂花树混交林、樟树+马尾松混交林土壤重金属之间的相关性比桂花树+杜英混交林、马尾松林较
为明显,尤其是桂花树林土壤 7 种重金属两两之间均呈显著(P<0. 05)或极显著(P<0. 01)的相关性,在马尾
松林土壤仅 Cu与 As,Zn与 Cd,Pb与 Cu、Zn、Cd,Ni与 As、Cu、Cd,Hg与 As、Cu、Ni之间呈显著(P<0. 05)或极
显著(P<0. 01)的相关性。 表明由不同树种组成的城市森林对重金属吸附、累积产生较为明显的影响,林地土
壤重金属来源多样复杂。
由表 5、表 7 可知,重金属含量较高的林分如桂花树林、樟树+桂花树混交林、马尾松林、樟树+马尾松混交
林(Cu、Hg除外)、樟树林(As、Ni除外)土壤重金属含量与土壤有机质、全 N(除樟树林 As、Cu、Ni、Hg外)含量
均呈显著(P<0. 05)或极显著(P<0. 01)的正相关性,此外桂花树林、樟树+桂花树混交林、樟树林(As、Ni 除
外)土壤重金属含量还与全 P 含量呈显著(P<0. 05)或极显著(P<0. 01)的正相关性;而重金属含量较低的桂
花树+杜英混交林土壤中,除少数重金属与有机质、全 N、全 P 之间呈显著(P<0. 05)的相关性外,多数重金属
与有机质、全 N、全 P 之间不存在显著的相关性(P>0. 05)。 表明有机质对重金属具有很强的吸附性,是城市
1067摇 23 期 摇 摇 摇 方晰摇 等:长沙城市森林土壤 7 种重金属含量特征及其潜在生态风险 摇
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森林土壤中重金属的重要载体。
表 7摇 长沙市城市中心区森林土壤重金属之间及其与化学性质指标的相关系数
Table 7 摇 Correlation coefficients between heavy metals concentrations and chemical properties of urban district different forests soils
in Changsha
森林类型
Forest type As Cu Zn Cd Pb Ni Hg OM TN TP
桂花树林 As 1 0. 797* 0. 784* 0. 808** 0. 701* 0. 951** 0. 829** 0. 567* 0. 633* 0. 810**
Osmanthus fragrans forest Cu 1 0. 883** 0. 999** 0. 959** 0. 945** 0. 998** 0. 849** 0. 853** 0. 876**
Zn 1 0. 999** 0. 892** 0. 938** 0. 997** 0. 875** 0. 854** 0. 891**
Cd 1 0. 987** 0. 951** 0. 999** 0. 842** 0. 882** 0. 898**
Pb 1 0. 887** 0. 980** 0. 895** 0. 882** 0. 843**
Ni 1 0. 962** 0. 794* 0. 842** 0. 952**
Hg 1 0. 930** 0. 957** 0. 999**
樟树林 Cinnamomum camphora As 1 0. 856** 0. 137 0. 272 0. 345 0. 875** 0. 816** 0. 192 -0. 074 0. 231
Presl. forest Cu 1 0. 386* 0. 585* 0. 689** 0. 777* 0. 857** 0. 486* 0. 257 0. 450*
Zn 1 0. 908** 0. 752* 0. 300 0. 472* 0. 746* 0. 782* 0. 719*
Cd 1 0. 887** 0. 394* 0. 527* 0. 737* 0. 724* 0. 787*
Pb 1 0. 442* 0. 612* 0. 857** 0. 695* 0. 579*
Ni 1 0. 921** 0. 217 -0. 009 0. 361
Hg 1 0. 435* 0. 193 0. 436*
马尾松林 As 1 0. 805** -0. 261 -0. 251 0. 055 0. 813** 0. 694* 0. 463* 0. 601* 0. 200
Pinus massoniana forest Cu 1 0. 200 -0. 136 0. 473* 0. 908** 0. 966** 0. 889** 0. 956** 0. 094
Zn 1 0. 724* 0. 928** -0. 181 0. 194 0. 589* 0. 426* -0. 312
Cd 1 0. 795* -0. 469* -0. 291 0. 534* 0. 415* 0. 219
Pb 1 0. 109 0. 406 0. 771* 0. 630* -0. 054
Ni 1 0. 906** 0. 688* 0. 807** 0. 274
Hg 1 0. 887** 0. 965** -0. 046
桂花树+杜英混交林 As 1 0. 787* -0. 283 -0. 380 0. 609* 0. 725* 0. 937** -0. 109 0. 106 0. 655*
Osmanthus fragrans+ Elaeocarpus Cu 1 0. 813* -0. 690* 0. 587* 0. 789* 0. 891** 0. 027 0. 317 0. 218
sylvestris Poir mixed forest Zn 1 -0. 253 -0. 549* -0. 167 -0. 154 0. 351 0. 571* -0. 370
Cd 1 0. 000 -0. 746* -0. 658* 0. 561* 0. 252 0. 112
Pb 1 0. 082 0. 409 -0. 492* -0. 430* 0. 949**
Ni 1 0. 902** -0. 246 -0. 041 0. 008
Hg 1 -0. 229 0. 038 0. 406
樟树+桂花树混交林 As 1 0. 806** 0. 968** 0. 297 0. 903** 0. 805** 0. 768* 0. 976** 0. 965** 0. 971**
Cinnamomum camphora Presl. + Cu 1 0. 743* 0. 008 0. 930** 0. 986** 0. 995** 0. 760* 0. 842** 0. 869**
Osmanthus fragrans mixed forest Zn 1 0. 941** 0. 859** 0. 689* 0. 648* 0. 979** 0. 965** 0. 937**
Cd 1 0. 747* -0. 114 -0. 094 0. 841* 0. 872* 0. 674*
Pb 1 0. 944** 0. 916** 0. 921** 0. 963** 0. 899**
Ni 1 0. 993** 0. 775* 0. 840** 0. 834**
Hg 1 0. 724* 0. 805** 0. 824**
樟树+马尾松混交林 As 1 0. 669* 0. 805** 0. 777* 0. 899** 0. 744* 0. 740* 0. 768* 0. 628* 0. 408
Cinnamomum camphora Presl. + Cu 1 0. 631* 0. 240 0. 673* 0. 161 0. 973** 0. 257 0. 092 0. 049
Pinus massoniana mixed forest Zn 1 0. 988** 0. 958** 0. 465* 0. 393* 0. 985** 0. 938** 0. 164
Cd 1 0. 968** 0. 533* 0. 302 0. 996** 0. 968** 0. 163
Pb 1 0. 697* 0. 453* 0. 963** 0. 898** 0. 270
Ni 1 0. 330 0. 518* 0. 438* 0. 503*
Hg 1 0. 328 0. 172 0. 014
摇 摇 *表示 0. 05 水平上差异显著;**表示 0. 01 水平上差异显著
2067 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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3. 5摇 森林土壤重金属的潜在生态风险评价
3. 5. 1摇 不同城市化梯度森林土壤重金属的潜在生态风险
如表 8 所示,以长沙市、湖南省土壤背景值[12,17]作为参比值时,长沙城市森林土壤重金属潜在生态危害
指数呈现出明显的城市化梯度性,中心区最高(分别为 202. 23 和 180. 26),均已达到中等生态危害程度,边缘
区为其次(分别为 157. 23 和 139. 63),分别为中等生态危害程度和轻微生态危害程度,郊区最低(135. 66 以
下)均为轻微生态危害程度。 从潜在生态危害系数(E i)来看,无论是以长沙市土壤背景值[12]还是以湖南省土
壤背景值[17]作为参比值,不同城市化梯度森林土壤中,Zn、Cu、Ni、Pb、As 均为轻微生态危害程度,其中 Zn 潜
在生态危害系数均小于 1,危害程度最小,Cd均为中等生态危害程度,为 44. 44 以上,Hg 在中心区均超过 80,
均已达到强生态危害程度,边缘区和郊区分别为 61. 82 和 54. 55 以上,均为中等生态危害程度。 表明长沙市
中心区森林土壤重金属潜在生态危害程度最高,以 Hg的潜在生态危害程度最高,Cd为其次,Zn为最小。
表 8摇 长沙市林地土壤重金属的潜在生态危害系数和潜在生态危害指数
Table 8摇 Potential ecological hazard coefficient and potential ecological risk index of heavy metals in forest鄄lands soil
梯度
Gradient
参比值
Consult value
潜在生态危害系数
Potential ecological hazard coefficient (Ei)
Zn Cu Ni Pb As Cd Hg
潜在生态危害指数
Potential ecological
risk index (RI)
中心区 长沙市土壤背景值[12] 0. 61 4. 85 4. 95 6. 06 16. 62 77. 14 92. 00 202. 23
Urban district 湖南省土壤背景值[17] 0. 63 4. 98 4. 43 7. 03 12. 89 66. 67 83. 64 180. 26
边缘区 长沙市土壤背景值[12] 0. 43 3. 14 3. 78 4. 07 13. 53 64. 29 68. 00 157. 23
Urban district 湖南省土壤背景值[17] 0. 44 3. 22 3. 38 4. 72 10. 49 55. 56 61. 82 139. 63
郊区 长沙市土壤背景值[12] 0. 46 3. 67 3. 54 3. 45 13. 11 51. 43 60. 00 135. 66
Suburban 湖南省土壤背景值[17] 0. 48 3. 76 3. 16 4. 00 10. 17 44. 44 54. 55 120. 57
3. 5. 2摇 中心区不同森林类型土壤重金属的潜在生态风险
从表 9 可以看出,以长沙市土壤背景值[12]和湖南省土壤背景值[17]作为参比值时,中心区不同森林类型
土壤重金属的潜在生态危害指数均已超过 150,大小排序为:桂花树林(220. 39 以上) >樟树+桂花树混交林
(201. 82 以上)>樟树林(175. 32 以上)>马尾松林(170. 46 以上)>樟树+马尾松混交林(164. 69 以上)>桂花树
+杜英混交林(150. 78 以上),均已达到中等生态危害程度。 从潜在生态危害系数(E i)来看,无论是以长沙市
土壤背景值[12]还是湖南省土壤背景值[17]作为参比值, Zn、Cu、Ni、Pb、As在各森林类型土壤均为轻微生态危
害程度,Cd在樟树+桂花树混交林土壤已达到强生态危害程度,其它 5 种森林类型土壤均为中等生态危害程
度,Hg在桂花树林、樟树林、樟树+桂花树混交林土壤潜在生态危害系数均已超过 80,达到了强生态危害程
度,在马尾松林、樟树+马尾松混交林、桂花树+杜英混交林均处于中等生态危害程度,但均已接近 80。
4摇 结论与讨论
4. 1摇 长沙城市森林土壤重金属含量特征
城市土壤重金属含量与人类活动密切相关,但不同重金属含量不同[19]。 长沙城市森林土壤中以 Zn 平均
含量最高,Cd最低。 同区域内,由于城市化程度不同,人类活动影响强度不同,土壤重金属含量不同;建城历
史越悠久,含量越高;城市化、工业化水平越高,含量越高[20]。 因此与市中心的距离远近是影响土壤重金属含
量的重要因素之一,城市中心区土壤重金属含量明显高于城市外围[21],在城市绿地土壤中分布为城区含量高
于郊区,人类活动密集区和交通拥挤区含量较高,市区边缘地带含量较低[22鄄23]。 长沙城市森林土壤重金属含
量也呈现出相似的规律性,但不同重金属含量变化幅度不同,中心区的平均含量是郊区的 1. 27—1. 76 倍,边
缘区 Ni、Pb、As、Cd、Hg平均含量也高于郊区。
生长在同一环境条件由不同树种组成的不同森林类型,由于其生物学特性显著改变了土壤化学性质如
pH值、有机质和 N、P、K含量,对不同重金属的吸附和累积有较为明显的影响[9,24],从而引起不同类型的城市
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森林同一土层同种重金属含量差异显著[10,25],如有机质对重金属具有较强的络合能力,土壤重金属含量随着
有机质含量增加而增高[26]。 与此相一致,长沙市城市中心区桂花树林、樟树+桂花树混交林土壤 Zn、Cu、Pb、
As、Hg平均含量普遍较高,而樟树+马尾松混交林、桂花树+杜英混交林土壤 Cu、Ni、As、Cd、Hg 平均含量普遍
较低。
表 9摇 长沙市中心区不同森林类型土壤重金属的潜在生态危害系数和潜在生态危害指数
Table 9摇 Potential ecological hazard coefficient and potential ecological risk index of heavy metals in different types soil in the urban district in
Changsha City
森林类型
Forest type
参比值
Consult value
潜在生态危害系数
Potential ecological hazard coefficient (Ei)
Zn Cu Ni Pb As Cd Hg
潜在生态危害指数
Potential ecological
risk index (RI)
桂花树林 长沙市土壤背景值[12] 0. 72 6. 78 5. 13 6. 95 17. 34 72. 86 136. 00 245. 76
Osmanthus fragrans forest 湖南省土壤背景值[17] 0. 74 6. 96 4. 58 8. 06 13. 45 62. 96 123. 64 220. 39
樟树林 Cinnamomum 长沙市土壤背景值[12] 0. 52 4. 61 4. 87 5. 27 16. 74 72. 86 92. 00 196. 86
camphora Presl. forest 湖南省土壤背景值[17] 0. 54 4. 73 4. 35 6. 11 12. 98 62. 96 83. 64 175. 32
马尾松林 长沙市土壤背景值[12] 0. 55 4. 53 5. 25 6. 79 17. 11 77. 14 80. 00 191. 37
Pinus massoniana Fores 湖南省土壤背景值[17] 0. 57 4. 65 4. 69 7. 88 13. 27 66. 67 72. 73 170. 46
桂花树+杜英混交林
Osmanthus fragrans+ 长沙市土壤背景值
[12] 0. 52 3. 69 4. 82 4. 78 15. 23 72. 86 68. 00 169. 89
Elaeocarpus sylvestris Poir
mixed forest 湖南省土壤背景值
[17] 0. 54 3. 79 4. 30 5. 55 11. 82 62. 96 61. 82 150. 78
樟树+桂花树混交林 长沙市土壤背景值[12] 0. 96 5. 49 5. 47 7. 04 17. 14 98. 57 92. 00 226. 68
Cinnamomum camphora
Presl. + smanthus fragrans
mixed forest
湖南省土壤背景值[17] 1. 00 5. 64 4. 88 8. 17 13. 30 85. 19 83. 64 201. 82
樟树+马尾松混交林
Cinnamomum camphora 长沙市土壤背景值
[12] 0. 66 4. 42 4. 46 6. 32 16. 06 72. 86 80. 00 184. 77
Presl. +Pinus massoniana
mixed forest 湖南省土壤背景值
[17] 0. 68 4. 54 3. 99 7. 34 12. 46 62. 96 72. 73 164. 69
4. 2摇 长沙市城市森林土壤重金属的来源及空间分异性
处于同一环境不同森林类型土壤重金属如 Zn、Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg 主要来自于成土母质和人类活动。
通过分析土壤重金属间的相关性,可以推测它们来源是否相同,若重金属之间存在相关性,说明它们来源可能
是相同的,否则来源是不同的[27]。 长沙市中心区,无论是从整体的森林土壤还是从不同森林类型(除桂花+
杜英混交外)土壤看来,Zn、Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg 两两之间呈显著或极显著的正相关性,且 Pb、As、Cd、Hg 平
均含量和 As、Cd、Hg最小含量均高于长沙市土壤背景值[12],尽管 Cu、Ni 平均含量与背景值[12]相当,Zn 平均
含量低于背景值[12],但 48 个采样样方中均已有部分超过背景值[12]的,而且它们又均为人类活动引起污染的
重金属指示元素[28],表明处于中心区森林土壤 Zn、Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg主要是外界污染源人为输入的。
重金属以不同形式吸附在有机颗粒上,与有机质络合成复杂的络合态金属而被固定在土壤中,不易释
放[29],且络合作用随有机质含量增加而增强,因此有机质是城市土壤重金属的重要载体[25]。 长沙市中心区
重金属含量较高的森林土壤中,重金属与有机质之间呈显著或极显著正相关性,而 6 种森林类型均为老城区,
林分年龄在 26 年以上,均被繁忙交通要道所包围,机动车和人流量大,交通拥堵严重,住宅区密集,人口密度
高,商业繁华。 本研究中,长沙市中心区森林表土层(0—20cm)有机质含量平均为 10. 470% ,高于边缘区
(9郾 094% )和郊区(8. 905% )。 城市土壤有机质主要来源于交通释放的有机污染物如碳氢化合物、轮胎的磨
损、土壤颗粒、风化的建筑材料、植物的残体以及城市生活、工业垃圾[30]。 据报道,各种汽油含 Pb 量在 0. 4—
1. 0 g / kg之间,汽车排气中 Pb的多达 20—50滋g / L[31]。 汽车尾气颗粒物中 Pb、Ni含量分别占 37%和 34. 5% ,
在怠速状态下向大气分别排放 0. 571mg / min 和 0. 533 mg / min[32],汽车尾气排放的汞主要是 Hg2+,易于与颗
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粒物结合,造成地表累积物中高汞含量[33]。 汽车金属部件和引擎的磨损可导致大量含 Cu、Cd 粉尘产生,汽
车轮胎磨损及润滑油燃烧是土壤 Cu、Zn的重要来源[34鄄35]。 玻璃、建材、制革、油漆、颜料、药物、木材防腐剂等
产品在使用过程中产生含砷很高的生活垃圾,同时居民生活、工业生产、交通运输过程中化石燃料燃烧也是砷
的另一个重要来源。 表明长沙市中心区森林土壤 Zn、Cu、Ni、Pb、As、Cd、Hg主要来源于交通运输污染源、居民
生活污染源和工业污染源,其中交通运输活动对城市土壤重金属含量的贡献是一个主要影响因素。
边缘区森林土壤中除 Cu与 As、Cd、Hg外,郊区除 Zn与 Pb 外,其它重金属之间均不存在显著相关,表明
边缘区和郊区森林土壤重金属来源不止一个。 As、Cd、Hg平均含量和最小值均高于或接近土壤背景值[12,17],
尽管 Zn、Cu、Ni、Pb平均含量仍低于土壤背景值[12,17],但其最大值(除郊区 Zn外)均超过了土壤背景值[12,17],
表明边缘区和郊区,大部分森林土壤受到了 As、Cd、Hg 污染,也有部分受到了 Zn、Cu、Ni、Pb 污染。 干湿沉降
是长沙市土壤重金属的主要携带介质[12]。 长期使用磷肥、除草剂、杀虫剂等会使砷在土壤中不断积累[36]。
由于饲料中添加了含 Cu、Fe、Zn、Mn、As、钴、硒、碘的添加剂而导致养殖场废弃物中 Cu、Zn、Mn、As 等含量比
饲料高出 3 倍之多,对环境产生潜在的污染[37]。 表明边缘区和郊区森林土壤重金属可能主要来源于汽车尾
气和城市周边工业区采矿、冶炼、化工生产的大气飘尘,农业生产活动。
4. 3摇 长沙市城市森林土壤重金属潜在的生态风险
长沙市中心区森林土壤及其 6 种森林类型土壤重金属 RI均已超过 150,均达到了中等生态危害程度,但
因不同森林类型而异。 边缘区 RI在 139. 63—157. 23 之间,接近中等危害程度,郊区均低于 150,为轻微危害
程度。 无论是不同城市化梯度森林土壤还是中心区不同森林类型土壤,Zn、Cu、Ni、Pb、As 均为轻微危害程
度,Cd、Hg达到了中等危害程度以上。 Zn含量较高,但毒性系数较小,潜在生态风险较低,而 Cd、Hg 含量低,
但毒性系数大,潜在生态风险高。 也由于 Cd、Hg 的 E i 高,使中心区森林土壤重金属潜在生态危害达到了中
等程度以上,所以要注意 Cd、Hg的污染状况。 Cd、Hg 是严重污染性重金属,是生物非必要元素,但在生物圈
中普遍存在。 火山喷发、岩溶和 Cd、Hg自然浓集作用,常常导致土壤 Cd、Hg高背景。 此外人为地球化学的作
用,包括交通运输、制造电池、生产颜料和荧光粉、采矿、冶炼、污灌和磷肥施用等活动,也会导致土壤中 Cd、Hg
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6067 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 23 December,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Maternal thermoregulation during gestation affects the phenotype of hatchling Chinese skinks (Eumeces chinensis): testing the
maternal manipulation hypothesis LI Hong, ZHOU Zongshi, WU Yanqing, et al (7255)…………………………………………
Effects of conspecific and interspecific interference competitions on cache site selection of Siberian chipmunks (Tamias sibiricus)
SHEN Zhen,DONG Zhong, CAO Lingli,et al (7264)
…
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Characterization of ammonia volatilization from polluted river under aeration conditons: a simulation study
LIU Bo, WANG Wenlin, LING Fen, et al (7270)
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Diurnal activity patterns and environmental factors on behaviors of Bar鄄headed Geese Anser indicus wintering at Caohai Lake of
Guizhou, China YANG Yanfeng,ZHANG Guogang,LU Jun,et al (7280)…………………………………………………………
Impacts of snow cover change on soil water鄄heat processes of swamp and meadow in Permafrost Region, Qinghai鄄Tibetan Plateau
CHANG Juan,WANG Gengxu,GAO Yongheng,et al (7289)
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Spatial鄄temporal changes of urban patch wetlands in Changsha, China GONG Yingbi, JING Lei, PENG Lei, et al (7302)…………
Modeling of carbon and water fluxes of Qianyanzhou subtropical coniferous plantation using model鄄data fusion approach
REN Xiaoli, HE Honglin, LIU Min, et al (7313)
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Ecological compensation standard for controlling nitrogen non鄄point pollution from farmland: a case study of Yixing City in Jiang
Su Province ZHANG Yin, ZHOU Yuchen, SUN Hua (7327)……………………………………………………………………
Static toxicity evaluation of chemical wastewater by PFU microbial communities method
LI Zhaoxia, ZHANG Yuguo, LIANG Huixing (7336)
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Emergy evaluation of an agro鄄circulation system in Beijing suburb: take Jianyan village as a case study
ZHOU Liandi, HU Yanxia, WANG Yazhi, et al (7346)
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Research on the cooling effect of Xi忆an parks in summer based on remote sensing FENG Xiaogang, SHI Hui (7355)………………
The dynamics of spatial and temporal changes to forested land and key factors driving change on Hainan Island
WANG Shudong, OUYANG Zhiyun,ZHANG Cuiping, et al (7364)
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Impact of different sowing dates on green water footprint of maize in western Jilin Province
QIN Lijie, JIN Yinghua, DUAN Peili (7375)
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The dynamic variation of maize (Sea mays L. ) population growth characteristics under cultivars鄄intercropped on the Loess Plateau
WANG Xiaolin, ZHANG Suiqi, WANG Shuqing, et al (7383)
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Effect of different planting methods on root鄄shoot characteristics and grain yield of summer maize under high densities
LI Zongxin, CHEN Yuanquan, WANG Qingcheng, et al (7391)
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Heavy metal contaminant in development process of artificial biological Soil Crusts in sand鄄land
XU Jie, AO Yanqing, ZHANG Jingxia,et al (7402)
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Effects of enhanced UV鄄B radiation and nitrogen on photosynthetic pigments and non鄄enzymatic protection system in leaves of
foxtail millet (Setaria italica (L. ) Beauv. ) FANG Xing, ZHONG Zhangcheng (7411)…………………………………………
Photosynthetic response of different ecotype of Illicium lanceolatum seedlings to drought stress and rewatering
CAO Yonghui, ZHOU Benzhi, CHEN Shuanglin,et al (7421)
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Seasonal variations in the stems of Larix principis鄄rupprechtii at the treeline of the Luya Mountains
DONG Manyu, JIANG Yuan, WANG Mingchang, et al (7430)
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Influence of terrain on plant biomass estimates by remote sensing: a case study of Guangzhou City, China
SONG Weiwei,GUAN Dongsheng, WANG Gang (7440)
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Effects of exponential fertilization on biomass allocation and root morphology of Catalpa bungei clones
WANG Lipeng, YAN Ziyi, LI Jiyue, et al (7452)
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Effects of fire damages on Larix gmelinii radial growth at Tahe in Daxing忆an Mountains, China
WANG Xiaochun, LU Yongxian (7463)
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A model for water consumption by mountain jujube pear鄄like XIN Xiaogui,WU Pute, WANG Youke, et al (7473)…………………
Specificity of photosystems function change of two kinds of overwintering broadleaf evergreen plants
ZHONG Chuanfei, ZHANG Yuntao, WU Xiaoying, et al (7483)
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Effects of drought on fluorescence characteristics of photosystem 域 in leaves of Ginkgo biloba
WEI Xiaodong,CHEN Guoxiang,SHI Dawei,et al (7492)
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Numerical classification and ordination of forest communities in habitat of Sichuan Snub鄄nosed Monkey in Hubei Shennongjia
National Nature Reserve LI Guangliang, CONG Jing, LU Hui, et al (7501)……………………………………………………
Impact of inorganic anions on the cadmium effective fraction in soil and its phytoavailability during salinization in alkaline soils
WANG Zuwei, YI Liangpeng, GAO Wenyan, et al (7512)
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Photosynthetic adaptability of the resistance ability to weak light of 2 species Spiraea L.
LIU Huimin,MA Yanli, WANG Baichen,et al (7519)
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Fine root longevity and controlling factors in a Phoebe Bournei plantation
ZHENG Jinxing,HUANG Jinxue,WANG Zhenzhen,et al (7532)
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Analysis on spatial structure and scenarios of carbon dioxide emissions from tourism transportation
XIAO Xiao, ZHANG Jie, LU Junyu, et al (7540)
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The hydrological response to human activities in Guishui River Basin, Beijing
LIU Yuming, ZHANG Jing, WU Pengfei, et al (7549)
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Socio鄄economic impacts of under鄄film drip irrigation technology and sustainable assessment: a case in the Manas River Basin,
Xinjiang, China FAN Wenbo, WU Pute,MA Fengmei (7559)……………………………………………………………………
Effects of pattern and timing of high temperature exposure on the mortality and fecundity of Aphis gossypii Glover on cotton
GAO Guizhen, L譈 Zhaozhi, XIA Deping, et al (7568)
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Physiological responses of Eucalyptus trees to infestation of Leptocybe invasa Fisher & La Salle
WU Yaojun, CHANG Mingshan, SHENG Shuang, et al (7576)
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Carbon storage capacity of a Betula alnoides stand and a mixed Betula alnoides 伊 Castanopsis hystrix stand in Southern Subtropical
China: a comparison study HE Youjun, QIN Lin, LI Zhiyong,et al (7586)………………………………………………………
Distribution and ecological risk assessment of 7 heavy metals in urban forest soils in Changsha City
FANG Xi, TANG Zhijuan, TIAN Dalun, et al (7595)
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Review and Monograph
The relationship between humans and the environment at the urban鄄rural interface:research progress and prospects
HUANG Baorong, ZHANG Huizhi (7607)
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Flux footprint of carbon dioxide and vapor exchange over the terrestrial ecosystem: a review
ZHANG Hui, SHEN Shuanghe, WEN Xuefa,et al (7622)
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4367 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
究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;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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标准刊号:ISSN 1000鄄0933摇 摇 CN 11鄄2031 / Q
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 23 期摇 (2012 年 12 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
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Vol郾 32摇 No郾 23 (December, 2012)
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