全 文 : 第 vy卷 第 w期u s s s年 z 月
林 业 科 学
≥≤∞× ≥∂ ∞ ≥≤ ∞
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∏¯¼ ou s s s
以纽约为案例的城市化对落叶阔叶林
死地被层重金属含量的影响
张金屯
k山西大学黄土高原研究所 太原 svsssyl
°²∏¼¤·o q
k美国生态系统研究所l
摘 要 }本文用长 tws ®° !宽 us ®°的生态样带研究纽约市/市区 p郊区 p农区0落叶阔叶林死地被层中重
金属变化格局 o从而分析城市化和人类活动对森林地被层的污染关系 ∀ ⁄≤ 结果表明 o重金属总量城区明显
高于效区 o郊区则明显高于农区 ∀重金属含量与距市中心的距离 !城市土地利用率 !人口密度 !机动车密度 !
公路密度都有非常显著的相关关系 ∀大气污染是森林地被层中重金属的主要来源 ∀
关键词 }重金属污染 o森林地被层 o人类经济活动 o自然保护 o生态样带
收稿日期 }t||y2tt2tv ∀
基金项目 }国家教委基金和美国自然科学基金资助项目内容 ∀
ΕΦΦΕΧΤΣ ΟΦ ΥΡΒΑΝΙΖΑΤΙΟΝ ΟΝ ΤΗΕ ΧΟΝΧΕΝΤΡΑΤΙΟΝΣ ΟΦ ΗΕΑς Ψ ΜΕΤΑΛΣ ΙΝ
∆ΕΧΙ∆ΥΟΥΣ ΦΟΡΕΣΤ ΦΛΟΟΡ ΙΝ ΣΤΥ∆Ψ ΧΑΣΕ ΟΦ ΝΕ Ω ΨΟΡ Κ ΧΙΤΨ
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(Ινστιτυτε οφ Λοεσσ Πλατεαυ , Σηανξι Υνιϖερσιτψ Ταιψυαν svsssy)
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(Ινστιτυτε οφ Εχοσψστε µ Στυδιεσ, Μιλλβροοκ)
Αβστραχτ : ׫¨ ³¤··¨µ±¶²©«¨ ¤√¼ ° ·¨¤¯¶¬± §¨¦¬§∏²∏¶©²µ¨¶·©¯²²µ¤¯²±ª¤± ∏µ¥¤±2¶∏¥∏µ¥¤±2µ∏µ¤¯ ªµ¤§¬¨±·k·µ¤±¶¨¦·
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«¨ ¤√¼ ° ·¨¤¯¶ ¶¨³¨¦¬¤¯ ¼¯ ©²µ°¥o≤∏o¬¤±§≤µ¤µ¨ §¨¦µ¨¤¶¨§¶¬ª±¬©¬¦¤±·¯¼ ¤¯²±ª·«¨ ªµ¤§¬¨±·©µ²° ¦¬·¼¦²µ¨ ·²µ∏µ¤¯
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¤¯·¨§ º¬·«·«¨ §¬¶·¤±¦¨ ©µ²° ·«¨ ¦¬·¼ ¦²µ¨ o∏µ¥¤± ¤¯±§∏¶¨ o³²³∏¯¤·¬²±¬± §¨±¶¬·¼o·µ¤©©¬¦§¨±¶¬·¼ ¤±§µ²¤§§¨ ±¶¬·¼q
¤¨√¼ ° ·¨¤¯¶¬±©²µ¨¶·©¯²²µ¤µ¨ °¤¬±¯ ¼©µ²° ¤¬µ³²¯ ∏¯·¬²± §∏¨ ·²·¤¬¯ª¤¶¨¶²©¤∏·²°²¥¬¯¨ ¶¥¨¦¤∏¶¨ ·«¬¶¤µ¨¤¬¶±²·¬±2
§∏¶·µ¬¤¯ ¤µ¨¤o±²²·«¨µ¬°³²µ·¤±·³²¯ ∏¯·¤±·µ¨¶²∏µ¦¨¶q¯·«²∏·«∏±¯ ¤¨§¨§ª¤¶²¯¬±¨ «¤¶¥¨ ±¨ ∏¶¨§©²µ§¨¦¤§¨¶¬± ±¬·2
§¨≥·¤·¨¶o°¥³²¯ ∏¯·¬²±¬¶¶¨√ µ¨¨ ¬±·«¬¶¤µ¨¤q∞¦²¯²ª¬¦¤¯ ªµ¤§¬¨±·²©©²µ¨¶·¤¯²±ª∏µ¥¤±2¶∏¥∏µ¥¤±2µ∏µ¤¯ ¬¶¤± ©¨©¨¦·¬√¨
º¤¼·²¶·∏§¼·«¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¶¥¨·º¨¨ ± ±¨√¬µ²±° ±¨·¤¯ ³²¯ ∏¯·¬²± ¤±§∏µ¥¤±¬½¤·¬²±q
Κεψ ωορδσ: °²¯ ∏¯·¬²± ²© «¨ ¤√¼ ° ·¨¤¯ o ƒ²µ¨¶·©¯²²µo ∏°¤± ¦¨²±²°¬¦¤¦·¬√¬·¬¨¶o ¤·∏µ¤¯ ³µ²·¨¦·¬²±o ∞¦²¯²ª¬¦¤¯
·µ¤±¶¨¦·q
随着全球人口的不断增加 o城市化成为当今世界发展的重要特征 o城市的主要标志为人口密集 o道
路面积增加 o交通密度升高 o城市土地利用比例大幅度上升等 o城市中人类经济活动大为频繁 o工业发
展迅速 o因此对自然环境影响甚大k≥ ¬¨©¨ §¯ot|{|l ∀一般城市都有不同程度的污染 o其中大气污染最明
显 ∀大气污染物除有害气体外 o也有含有重金属的颗粒物 o其可以在森林 !草地 !湖泊等生态系统中沉
淀积累 ∀对重金属污染的研究在土壤系统中做的较多kµ²©©°²±ot|{sl ∀
森林死地被层主要由森林的枯枝落叶及其分解产物组成 ∀目前对死地被层的研究主要集中在分
解速度 o≤ !! 的循环 o能量流动等方面k¥¨µot||w ~• ¬¶¨ ot||wl o对其与污染关系的研究甚少 o森林
死地被层中的重金属元素一部分来自土壤 o一部分来自大气污染 o对其进行研究 o可以揭示大气 !土壤
的污染程度 ∀本文以纽约市/市区 p郊区 p农区0落叶阔叶林生态样带为基础 o分析不同地域森林地被
层中重金属的含量 o拟做比较 o从而揭示城市化 !人类经济活动对森林环境的影响 ∀
t 材料和方法
1 q1 生态样带
为了更好地研究城市化 o人类经济活动对自然环境的影响 o我们设立了一条长 tws ®° o宽 us ®°的
生态样带 ∀样带从纽约市中心的
µ²±¬县出发向北偏东的方向延伸 o经过纽约州的 • ¶¨·¦«¨ ¶·¨µ到达克
莱蒂克州 ¬·¦«©¬¨ §¯县 ∀年均温纽约市为 tu ε o而 ¬·¦«©¬¨ §¯为 {1x ε o纽约市的热岛效应使市区偏高 o
降水量变化不大 o纽约市年降水量 ts{s °° o¬·¦«©¬¨ §¯tsvs °° o一年中降水分布均匀 ∀样带包括典型
的市区 !郊区 !农区 o以便于比较研究 ∀沿着生态样带 o由市区经郊区到农区 o人口密度 !公路面积 !机动
车密度和城市土地利用率等逐渐减少 o形成了明显的梯度 ∀
1 q2 取样及样品分析
沿着样带选取 ux个 us ° ≅ us °的森林样方 o主要集中在 |个地段 ∀根据距市中心的距离 o大致可
分为市区k距市中心 us ®°以内l !郊区kut ∗ {s ®°l !农区k{t ∗ tws ®°l ∀样方代表以红橡k Θυερχυσ
ρυβρα)或黑橡k Θ . ςελυτινα)为主的落叶栎林 o森林群落生长良好 o群落总盖度均在 tss h o林龄至少 ys
¤∀选择样方时尽量保持其坡度 !坡向一致 o土壤均为 ≤«²µ¯·²±和 ²¯ ¬¯¶土系 o并且近期没有干扰的迹
象 ∀每个样方被分成 ty个 x ° ≅ x °的小样方 o随机选取其中 w个小样方获取样品 ∀在小样方中取 tx
¦° ≅ tx¦°的死地被层块 o深度取至矿质土壤表面 o其包括枯枝落叶及其部分分解产物 o比如腐殖质 ∀
样品风干 !研碎 o在室内进行分析 ∀w个小样方单独分析 o取其平均值做为每个样方的代表值 ∀取适量
样品 o置 wxs ε 高温处理 { «o将其灰用 { v消化 { «o然后用电感耦合等离子仪k±§∏¦·¬√¨¯¼ ≤²∏2
³¯ §¨ °¯ ¤¶°¤l测定 ≤∏!°¥!¬!≤µ! ± !≤²!± !≤§的含量 ∀对于人文因素 !城市土地利用率和公路密度
k°#®°p ul用航片和 tΒuw0sss的地形图测得 ~机动车密度k辆#®°p ul和人口密度k人#®°p ul用美国县
级普查数据kt||sl ∀在分析时 o公路密度 !机动车密度和人口密度均用其对数转换值 ∀
1 q3 数据分析
对 ux个样方中每种重金属元素先进行方差分析表明 o唯有 ≤§元素样方之间没有显著差异 o其含
量甚少 o不少样方测不出来 ∀因此 o将 ≤§去掉 o由 z种重金属元素和 ux个样方组成 z ≅ ux维数据矩
阵 ∀我们借用多元分析方法 ) 除趋势对应分析法k⁄¨ ·µ¨±§¨ § ≤²µµ¨¶³²±§¨ ±¦¨ ±¤¯¼¶¬¶o⁄≤lk张金屯 o
t||xl对 ux个样方进行排序 o排序轴将反映重金属离子的综合变化 o其地域差异在排序空间将很清楚
地反映出来 ∀普通的回归分析将用于距离及人文因素与重金属格局关系的分析 ∀
u 结果
2 q1 样方排序
z ≅ ux维的数据矩阵用国际通用软件 ≤ ≤ 进行 ⁄≤ 排序k× µ¨ot|{{l ∀排序结果 ⁄≤ 前 v
个排序轴的特征值分别为 s1xu !s1t{ !s1s| o前 v轴特征值占总特征值的 zx1{ h o说明前 v轴包含了大
部分生态信息 o排序效果非常好k张金屯 ot||x ~× µ¨ot|{{l ∀我们用前两个轴绘制排序图k图 tl o图中数
值为样方序号 o样方编号是从纽约市区开始 o逐渐经郊区到农区 o样方 t ∗ |为市区 ots ∗ t{为郊区 ot|
∗ ux为农区 o很明显 o排序图从左下角向右上角 o反映出一个重金属离子的综合梯度 o这一梯度与市区
p郊区 p农区梯度相一致 o表 t是各重金属离子与 ⁄≤前 v个排序轴的相关系数 o其也反映了各重金
属离子对 ⁄≤ 排序轴的作用 ∀由表 t知 o⁄≤ 第 t轴与 °¥k p s1zz{l !≤∏k p s1zvvl !≤²ks1xy|l !¬
k p s1xusl ! ±ks1wzsl密切相关 o而与 ≤µ!±关系不明显 ∀其中与 °¥!≤∏!¬呈负相关 o说明沿第 t轴
从左至右 o这 v种元素含量逐渐减少 ∀而与 ± !≤²呈正相关 o说明排序从左至右 ou元素含量有增加趋
势 ∀ ⁄≤第 u排序轴与 ≤µk p s1z{yl o≤²k p s1zwsl !¬k p s1y{zl !±k p s1xssl !≤∏k p s1w{{l有显著
相关关系 o而且全为负相关 o说明沿第 u排序轴由下向上 o这些元素的含量逐渐降低 ∀第 u轴与 °¥! ±
的关系不显著 o⁄≤ 第 v轴仅与 ±k p s1zv{l呈显著负相关 ∀由相关分析可以看出 z种重金属元素在
排序空间的分布均有显著差异 o这种差异综合表现为含量逐渐减少 o即重金属总含量市区高于郊区 !郊
vw w期 张金屯等 }以纽约为案例的城市化对落叶阔叶林死地被层重金属含量的影响
图 t ux个样方的 ⁄≤ u维排序图
ƒ¬ªqt ⁄≤ ²µ§¬±¤·¬²± §¬¤ªµ¤° ²©ux ³¯²·¶
区则高于农区 ∀
表 1 ∆ΧΑ排序轴与重金属离子之间的关系( ν = 25)
Ταβ .1 Χορρελατιονσ βετωεεν ∆ΧΑ αξεσανδ ηεαϖψ µεταλσ
k33 Π s qst ~333 Π s qsstl
重金属离子
¤¨√¼ ° ·¨¤¯¶
排序轴 ⁄≤ ¤¬¨ ¶
第 t轴 ⁄≤ t 第 u轴 ⁄≤ u 第 v轴 ⁄≤ v
≤∏ p s qzvv333 p s qw{{33 p s qsxz
°¥ p s qzz{333 p s qvsy s quv|
¬ p s qxus33 p s qy{z333 p s qusw
± s qwzs33 s quz| p s qtwv
≤² s qxy|33 p s qzws333 p s qut{
± p s qtsy p s qxss33 p s qzv{333
≤µ s qut{ p s qz{y33 p s qsws
图 u 是 y 种主要重金属元素在
⁄≤ u维排序空间的分布 o图中圆圈
表示样方重金属元素含量的相对大
小 o圆圈越大 o含量越高 ∀显然 o≤∏!
°¥!¬v元素从左下角向右上角逐渐
降低 o说明沿/市区 p郊区 p农区0生
态梯度 o它们含量逐渐下降 o≤µ也基
本上符合这一趋势 o只是郊区 v个样
方ktv ∗ txl含量偏高 ∀ ≤²的含量则
是郊区高于市区 o而市区高于农区 o
±除农区 t个样方kuvl偏高外 o其
它样方间差异不十分明显 o这与相关
分析k表 tl相一致 ∀图 u说明重要的
污染重金属元素k°¥!≤∏!¬!≤µl均是
市区高于郊区 !郊区高于农区 ∀
2 q2 重金属含量与距离的关系
⁄≤排序轴反映了重金属离子
的综合梯度 o所以我们用 ⁄≤第 t排
图 u y种重金属元素在 ⁄≤ 排序空间的分布
ƒ¬ªqu ⁄¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©«¨ ¤√¼ ° ·¨¤¯¶²± ⁄≤ ²µ§¬±¤·¬²± §¬¤ªµ¤°
序轴的坐标值与样方距纽约市中心的距离进行回归分析 ∀图 v是它们的 u次回归关系图 o其回归方程为 }
ψ = s .suvv + w .szyt ξ − u .wzyw ξu ( ν = ux , ρu = s .xz{)
其中 }ψ代表 ⁄≤坐标回归值 ~ξ 代表距离 ∀显然它们之间有显著的相关关系 ∀随着距离的增加 o⁄≤
图 v ⁄≤ 第 t排序轴与距离的回归分析
ƒ¬ªqv ª¨µ¨¶¶¬²± ¥¨·º¨¨ ± ⁄≤t ¤±§§¬¶·¤±¦¨
表 2 ∆ΧΑ排序轴与人文因素回归方程 ≠
Ταβ .2 Ρεγρεσσιον παραµετερσ βετωεεν ∆ΧΑ αξισανδ σοχιαλφαχτορσ
人文因素
≥²¦¬¤¯ ©¤¦·²µ¶
回归方程
ª¨µ¨¶¶¬²± ©∏±¦·¬²±¶ ν ρ
u π
城市土地利用率
µ¥¤± ¤¯±§∏¶¨k h l ψ s .tyuv p s .ssts ξ ux s qwsu s qsst
机动车密度
×µ¤©©¬¦§¨ ±¶¬·¼ ψ s .vvx| p s .sxut ξ ux s qvv| s qst
公路密度
²¤§§¨ ±¶¬·¼ ψ s .vwx{ p s .tuwt ξ ux s qwzz s qsst
人口密度
°²³∏¯¤·¬²± §¨ ±¶¬·¼ ψ s .uy| p s .svut ξ ux s qwx{ s qsst
≠ ψ代表 ⁄≤ 排序值 oξ 代表人文因素值 ∀ ψ µ¨³µ¨¶¨±·¶⁄≤ ¶¦²µ¨¶o
ξ ·«¨ √¤¯∏¨¶²©¶²¦¬¤¯ ©¤¦·²µ¶q
ww 林 业 科 学 vy卷
第 t轴的值逐渐升高 o到一定程度又有所下降 o二者符合 u次曲线关系 o这说明距离是影响森林死地被
层中重金属的重要因素 o因随着距离的增加 o人为影响逐渐减弱 ∀
2 q3 重金属含量与人为因素的关系
这里同样用 ⁄≤第 t排序轴作为重金属的综合指标 o用线性回归分析人文因素与重金属的关系 ∀
表 u为它们的回归方程 o图 w为回归图 o结果表明重金属含量与城市土地利用率 !机动车密度 !道路密
度 !人口密度都有显著的相关性 o城市土地利用率主要指住宅 !办公楼 !停车场 !街道等用地的百分率 ~
机动车密度是每 ®°u土地上每天出现的各种车辆数 ~公路密度是每 ®°u土地上公路的长度 ~人口密度
是每 ®°u土地上居住人口数 ∀它们都与 ⁄≤第 t轴排序值呈负相关 o因为它们都是城市化的重要标
志k §¨¯ ¼¨ ot||xl ∀ ⁄≤第 t轴排序值越高其重金属综合值越低k图 t o表 tl ∀因此 o人文因素值越
大 o其重金属总含量越高 o这与前面的分析结果相一致 ∀
图 w ⁄≤ 排序轴与人文因素关系
ƒ¬ªqw ª¨µ¨¶¶¬²± ¥¨·º¨¨ ± ⁄≤t ¤±§¶²¦¬¤¯ ©¤¦·²µ¶
v 讨论
森林死地被层中的重金属含量与许多因素有关 o如森林的种类组成 !土壤质地 !大气质量等
k≥ ¬¨©¨ §¯ot|{|l ∀在样方建立时 o我们尽量地使土壤质地相同 o森林种类组成一致 o并保持主要的地理要
素k如坡度 !坡向等l相近 ∀所以 o本文所揭示的重金属元素分布格局主要与人类活动有关 ∀以上各种
分析均表明 o沿着生态样带 o从市区经郊区到农区 o森林死地被层中重金属的总量逐渐减少 o尤其是重
要的污染重金属元素 °¥!≤∏!¬!≤µ变化非常明显 ∀重金属元素含量与距市中心的距离有明显的负相
关性 o因为距离越远 o人口密度 !机动车密度 !公路密度 !城市土地利用率逐渐减少 o即人类活动减弱 o对
环境的影响也就降低 o这符合污染物的一般分布规律k
²µ±®¤°° ot|{ul ∀森林地被层中重金属主要来
源于大气污染 o本文所设生态样带及其范围地区并非工业区 o大气污染物主要来源于汽车尾气 ∀尽管
美国早已普及无铅汽油k∏±¯ ¤¨§¨ §ª¤¶²¯¬±¨ l o°¥污染仍很严重 ∀森林死地被层主要是枯枝落叶 o其中重
金属元素一部分由植物直接从大气中吸收而来 o一部分则是植物从土壤中吸收而来 o但土壤中的重金
属也是由于大气污染长期积累下来的 o可能还有一小部分是大气污染颗粒直接降落到地面而至 o研究
森林死地被层中重金属格局 o对研究土壤重金属积累 !森林生态系统重金属的循环都有重要意义 ∀本
文所用−市区 p郊区 p农区. 生态样带是研究人类经济活动 !城市化对自然影响的有效方法 o本文的结
果证实了这一点 o这样的样带还有利于做长期定点研究 o可观测污染动态等 ∀目前这种样带还较少 ∀
参 考 文 献
张金纯 q植被数量生态学方法 q北京 }中国科学技术出版社 ot||x
¥¨µ⁄ i ¨¯¬¯¯² q¬··¨µ§¨¦²°³²¶¬·¬²± } ° ¤¨¶∏µ¬±ªµ¨ ¤¯·¬√¨¦²±·µ¬¥∏·¬²±¶²©²µª¤±¬¦°¤··¨µ¤±§±¬·µ²ª¨ ±·²©²µ¨¶·¶²¬¯¶o≤¤±¤§¬¤± ²∏µ±¤¯
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µ²©©°²± ° ετ αλq ≤²µ¥²± ³²²¯¶¤±§·µ¤¦¨ ª¤¶©¯∏¬¨ ¶¬± µ¥¤± ©²µ¨¶·¶²¬¯¶o ±§√¤±¦¨¶¬± ≥²¬¯ ≥¦¬¨±¦¨ ot||x otwz ∗ tx{
§¨¯ ¼¨ ∞ ετ αλ. ƒ²µ¨¶·¯¤±§¶¦¤³¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ¤¯²±ª¤± ∏µ¥¤±2·²2µ∏µ¤¯ ªµ¤§¬¨±·o°µ²©¨ ¶¶¬²±¤¯ ²¨ªµ²³«¨µot||x owz }tx| ∗ ty{
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• ¬¶¨ ⁄ i ≥¦«¤¨ ©¨µ q ⁄¨ ¦²°³²¶¬·¬²± ²©¯¨ ¤© ¬¯··¨µ¬± ¤ °∏¯¯ ¥¨ ¤¦«©²µ¨¶·}≤²°³¤µ¬¶²± ¥¨·º¨¨ ± ¦¤±²³¼ ¤±§«¨µ¥¤¦¨²∏¶¶³¨¦¬¨¶q° §¨²¥¬²¯²ª¬¤
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