全 文 ： ～
第 l9卷第 5期
1999年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
V01 19．No．5
Sept．．1999
城市化对森林植被、土壤和景观的影响
P
张金屯 ，Pickett STA 7t ． 2，。
(1．山西大学黄土高原研究所．太原 030006；2．Institute of Ecosystem Studies-MillbrooktUSA)
擒要 ：用纽约市 城区 郊区一农区”140km长的森林生态样带研究了城市化对森林植被、土壤重金属古量 和森林罱观的影
响 随着距市中心的距离加大，森林植被的类型、种类组成及结掏有明显的不同·土壤主要重金属古量逐渐降低|森林罱
观斑块数量减少 ．斑块面积增大．罱观异质性 降低，这些变化与交通密度、道路密度、人 口密度 以及城市土地利用率有显
著的相关性。人类活动及大气污染是影响森林的主要因素。生态样带是研究 城 区 郁区一农区 环境变化的好手段c
关键词：查苎圭奎 兰； ! ；兰 ! ；圭窭妻皇!i』鎏
Effects of urbanization on forest vegetation，soils and landscape
ZHANG lin—Tun ，Pickett STA (1．／n titut of￡一 Plateau．Shanxi University，Toi2uon 030006，Chlna~
2，Institute Ecosystem StudiestMillbrook·USA)
AImtract：A 140km “Urban—suburban run1”zradient in New York City was set up and used to study the
effects on urbanizati0n on forest vezetationtforest soils and forest landscape．Along the gradient from ur—
ban to rural area tthe types．composition and community structure of forest vegetation very obviously．The
contents of main heavy metals in forest soils go down gradually．The number of forest patches decreases，
their size increases．the heterogeneity of landscape decreases．These variations closely related to traffic
density．road density，population density and urbanland use．Human activities and air pollution arethemain
factors afecting the forest．Ecological gradient is good tool at the study of changes of urban—suburban—ru—
ral environment．
Key words forest ecological gradient；urbanization；landscape pattern~soil heavy metal pollution
文章编号 ：1000—0933(1999)05—0654 05 中田分娄号：Q149 文献标识码：A
随着人口的不断增加．垒球城镇的数量和面积发展很快 ，城市化成为当今世界发展的重要特征 城市
中人类经济活动十分额繁、工业发展迅速 。因此，城市化对植被、土壤、大气等 自然环境影响甚大。 。城市化
对大气污染、水污染 、城 区植 被和土壤的影响已有一些人做过研 究0 ，这些研究大多集中在城区之 内，或
延伸到近郊 ，但通过“城市一郊区一农区”森林生态样带研究城市化对 自然环境影响的研究很步t有^在
美国新泽西和纽约用样带研究过城市化对森林土壤重金属 Pb含量的影响 城市化对景现的影响也有
人做过不少研 究，主要集中在城市化对景现异质性、景观破碎化、景 现格局等的影响上 。 t大 多为定性分
析 ，量化研 究较少Ⅲ，用“城市一郊区 农区”生态样带研究人类活动与景现关系的就更少。
本文以美国纽约市 城 区一郊区一农区 森林生态样带为基础，研究城市化对落叶阔叶林植物群落组成和
结构、森林土壤重金属含量 、森林景现等的影响，分析各种因子之间的生态关系=
1 方法
1．1 森林生态样带
为更好地研究城市化对 自然环境的影响，设立 了一条长 140km，宽 20km 的森林生态样带。样带从纽约
市中心的 Bronx县向北偏东方向延伸，经过纽约州的 Westchester县到达克莱蒂克州的 Litechfield县。船
样带 自然 地理条 件变 化不大，温度 固纽约市的热岛效应而偏 高，纽 约市年 均温 为 12 c，而 Lhchfield为
基壹项 目；国家教委优秀归国留学生基金资助
收稿日期 ：1997 10—20I．奎订日期 t1998 07 64
维普资讯 http://www.cqvip.com
日
5期 张金屯等 ：城市化对森林植被、土壤和景观的影响 655
8．5"C。年降水量纽约市为 1080mm，而 Litchfield为 ]030ram，一年中降水分布均匀，土壤质地基本一致 ，沿
样带均为 Chorlton和 Hollis土系。森林植被均为以栎树(~ ercus)占优势的落 叶阔叶林 。
1．2 取 样
沿着样带 。选 9个森林样地 。均为林龄 60a以上 的栎林 ，且近期没有干扰迹象 。样地均在半坡上 ，坡度坡
向尽量一致 。每个样地 ，取 3个 20×20m 的样方进行土壤取样+样地 7只有两个样方。故土壤 样方共 26
个 。其中在每个样地的两个 20×20m 样方中进行植被取样，样地 5取有 3个植被样方 ，共有植被样方 l9
个
在样方中进行植被常规调查 ，记录所有乔术种的抹数、高度、盖度、胸径、基径等数据 。然后将样方分成
l6个 5×5m 的小样方+调查乔木种的额度。随机选 1个 5×5m。的小样方调查灌木种和草本植物的盖度、
高度等。本文植被数据使用重要值综合指标
土壤样 品是将 20×20m。样方分 为 16个 5×5m。小样方后 ，随机选取其中 4个取 样。土样用直径为
2em 的不锈钢土钻取 至 15cm探 ．每个小样方 中取 1o～15个 土芯 ，充分馄舍后取一份作为该 小样方的样
品 ，土样风干后研磨过筛 。在室 内进行化学分析。取适量的土样 。置于 450℃的马福炉中处理 8h。将其灰用
8mol／L的 HNOl消化 8 h．再用电感耦合等离子仪(inductively coupled plasma)测定 Cu、Ni、Pb、Mn、Co、
Zn和 cr重金属元素的含量 +土壤 pH和通 导性用 pH计和电导仪在土壤 ：水为 2 t 1的溶液中测得 。
森林景观数据是 以每个样地 为中心。在 1：25。000土地利用图上 。测定 10×]0km。范围内的森林斑块
数。斑块大小 、形状、边界长度等 土地利用率和公路密度(m／km )用航片和 1 24，000的地形图测 得；机
动车密度(辆／km )和人 口密度(人／kin )用美国县级普查数据 (1990年)。
I．3 数据分析
对植被和土壤数据 ，本文先用国际上最常 用的多元捧序方法 除趋势对应分析 (I)etrended C0rrespon-
dence Analysis，DCA) 综合信息，再用普通的回归分析研究植被变化、土壤重金属格局与人文因素的关
系。在 1 9个植被样方中，共记录了86个植物种．所以植被数据矩阵为19×86维。土壤数据由7个重金属
元素的含量和土壤通导性 8个 因子组成 ，由于方差分析结果表 明土壤 pH值在样方 中差异不显著 。故删除
其 。所以土壤数据矩阵为 26×8维矩阵。景观格局沿生态样带的变化同样用回归分析研 究。
2 结果分析
2．1 植被分析
首先用DCA对植被数据进行分析，结 果见图 1 图
中数码 为样方的代号 +样 方是从市中心开始编号 。即 1
号为市中心 。而 19号为距市中心最远的样方 。很明显 +
DCA第一排序轴从左到右 反映了距市中心由近刊远的
生态梯度，沿着样带 ，森林植被可分 3类 ：一是城市森
林 (样方 1～4)。其优势种为黑橡 (~ ercus velutina)}二
鲁
l D
DC^l
2 O 3 。
图 1 植被数据的 DCA排序图
Fig，1 DCA ordirtation plot of vegetation data
o g r~ d de nsi ty
图 2 植被与人文因素的关系
Fig．2 Relatio~ hips b~tween vegetation aad urban
~actors
一
：
一
～
． 一
．
} Ⅲ
L
维普资讯 http://www.cqvip.com
656 生 态 学 报 l9卷
是郊区森林(拌方 5~12)．以白椽(Q．alba)和大花青岗(Fagusgrandifolia)占优势‘三是农区森林(样方 l3
～ 1g)t以北方红椽(Q．rubra)占优势。这 3类森林在种类组成和环境组成上有着明显的差异 ，而这些差异
与人类活动 (人文因素)有着密切关系 ，这可以从图 2中看出来
DCA捧序是一综合信 息的过程口 ，所以，它的捧序轴包含了大量的植被信息 ，本文用 DCA第一轴作
为植被变化数据与人文因素作回归分析 (图 2)，4种人文因素与植被的回归方程列在表 1中，从表 1和图 2
中可以看出，植被的变化与城市土地利用率 、机动车密度 、公路密度和人口密度有着极显著的相关性 。从城
区到郊区再到农区，城市土地利用率逐渐下降，机动车密度逐渐降低，公路密度和人口密度也逐渐减步，而
植被排序值则在逐渐升高，说明沿生态样带，植被结构逐渐复杂化，种类组成有明显变化，主要是种类有更
替现象，即从城区种类到郊区种类再到农区种类的变化。
寰 1 擅键棒序轴与人文因素的关 系
T_Me 1 Relmtionships between egetatI∞ ord~ tlon JIltS n d bunum tnctors
●4 ml 7 ·25
．1 ·5 ．2】
‘6 ．10 el8 。】9
e3 叫1 ’“23-
．2。
．8 ·1 3
。】5
L———————— 丁 —— — j 4_ —
2．2 土壤重金属含量分析
对土壤数据矩阵同样用 D(：A 捧序分析 ，结果见
图 3，图中数码仍为样方代号 ，样方 l～26顺序也是从
市 中心开始(1号)依距市中心的距离排列。由图 3可
知，D【：A 第一排序轴 明显地反映 了土壤重金属 含量
变化的梯度，排序图从左到右．随着距离的增 加，从城
区到郊区再到农区，土壤重金属含量逐渐降低 这与
人类 活动 ，环境污 染密 切相关 尤 其是 Cu、Ni、Pb、
Mn、Cr等重金属元素变化非常明显。同样用 D【 第
图 3 土壤重金属含量数据时 DcA排序图
Fig．3 DCA ordinstion plot of sod hea tal data
一 捧 序轴作为土壤重金属元素变化数据 ，与 人文因素
进行 回归分析 (结果见表 2和 图 4)，表明森林土壤重
金属含量 与城市土地利用率 、交通密度、公路 密度和
人 口密度都有极 显著的相关性，因为这些人文因素都
是导致 大气污染和水污染的直接原因，沿城 区一郊区一
农区样带 ，城市土地利用率 、交通密度、公路密度和人
口密度逐渐下降 ．因此 ，大气污染逐渐减弱 ，大气颗粒
污染物减步，所以，森林土壤中重金属含量逐渐降低
2．3 森林景观变化
用回归分析研 兜森林斑块大小、斑块数 目和森林
与城市边界率(F—u边界率)随距市中心距离的变化
关系(见圈 5和表 3) 随着距市中心距离的增加 ，森林
斑块面积逐渐增大 ，而森林斑块 的数量则逐渐 减少 ，
森林与城市 因素的边界率也逐渐降低．也就是说景现
图 4 土壤重金属含量与人文因索的关系
F 4 ReLationships between conte~ts of soil heavy met-
als and urban factor~
一
卜譬
捌 ● ；
； 4 斗
～
卜 瓣
。
Hng。 n n
维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯 http://www.cqvip.com
生 态 学 报 19卷
污染和水污染的直接原 因。
森林景观格局沿 城区一郊区一农区”生态梯度的变化与森林植被和土壤表现出一致的趋势 ．随着距市中
心距离的增加，森林斑块面积增大．斑块数量减步．森林与城市边界率下降，说明景观异质性减小·破碎性
也降低 ．这都是 由于人类活动的减弱所致 反过来 ．由于城市化 的发展，人 口密度增大 ，所以扩建住宅及商
业区，修建公路等必然增大城市土地利用比倒．增大交通密度，自然景观必然要受到切割破坏．景观格局就
要发生较大变化 ．破碎性和 异质性增大。
森林植被、土壤和景观是相互联系的．将它们三者结合起来研究城市化对自然环境的影响更具说服力。 城
区一郊区一农区 生态样带是研究人类经济活动、城市化对环境影响的好方法。生态样带可以将自然因素和人文因
素结合起来，综合信息，提供可靠之结果。同时，样带一旦建立起来．可以定期取样．做动态研究。
参考文献
[i] SmithW H．Air and 5tinteraczi~a betw．~en air∞ ^ 幽4n“and ecosystems,2nd ed．NewYorkt
Springer—Verlag·1990．
[2] Steinfild JH Urban air Polution：State ofthe Science．Science·i 989，243,745~752．
[3] McDonell M J and Picket STA．Ecosystem BtruCtH~ and function along urban—rural gradients tan unexp[oited 0P—
portunJty for ecology．Ecologyt1990·71：1291～ 1237．
[4] Airola J M and Bucholz K．speices struetui~and sod characteristics af five urban forest sites along the New Jersey
Pa Lisades．Urban Ecology，1984-8{i49～ i64．
[5] White CS&MeDonel1．Nitrogen cycling processes and sod charactefist~：s an Urban VenUS rural forest．B／og~
chemistry·1999·5I 243～ 262．
[6] FormanRTT．LandmosaicsIlk l landuapes and rogion~CambridgetCambridgeUnive~ity Press，1995．
[7] Franklin．IF．L髑s㈣ from old—growth．J— f Forestry·1993·91：10～13．
[8] ter Braak C J F．CANOCO—a Fortran program for c~nonica[community ordkmtion Agricu Lture iathematle*
Gro up，W ageningett-1988．
[9] 张垒屯 ．植被数量生态学方法 ．北京 中国科学技术出版杜，1995
[i0] Zhang．I-T．and Oxley R A comparison 0 three methods of mu Ltivariate aria sis 0 upland grasslands in North
W ales．J．Veg．Sci．．1994，5：7i～ 76．
维普资讯 http://www.cqvip.com