文章信息
- 张金屯, Pouyat, R.
- Zhang Jintun, Pouyat, R.
- 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
- EFFECTS OF URBANIZATION ON THE CONCENTRATIONS OF HEAVY METALS IN DECIDUOUS FOREST FLOOR IN STUDY CASE OF NEW YORK CITY
- 林业科学, 2000, 36(4): 42-45.
- Scientia Silvae Sinicae, 2000, 36(4): 42-45.
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文章历史
- 收稿日期:1996-11-13
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作者相关文章
2. 美国生态系统研究所
2. Institute of Ecosystem Studies, Millbrook
随着全球人口的不断增加, 城市化成为当今世界发展的重要特征, 城市的主要标志为人口密集, 道路面积增加, 交通密度升高, 城市土地利用比例大幅度上升等, 城市中人类经济活动大为频繁, 工业发展迅速, 因此对自然环境影响甚大(Seifeld, 1989)。一般城市都有不同程度的污染, 其中大气污染最明显。大气污染物除有害气体外, 也有含有重金属的颗粒物, 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(Groffmon, 1980)。
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, C、N、H的循环, 能量流动等方面(Aber, 1994;Wise, 1994), 对其与污染关系的研究甚少, 森林死地被层中的重金属元素一部分来自土壤, 一部分来自大气污染, 对其进行研究, 可以揭示大气、土壤的污染程度。本文以纽约市“市区-郊区-农区”落叶阔叶林生态样带为基础, 分析不同地域森林地被层中重金属的含量, 拟做比较, 从而揭示城市化、人类经济活动对森林环境的影响。
1 材料和方法 1.1 生态样带为了更好地研究城市化, 人类经济活动对自然环境的影响, 我们设立了一条长140 km, 宽20 km的生态样带。样带从纽约市中心的Bronx县出发向北偏东的方向延伸, 经过纽约州的Westchester到达克莱蒂克州Litchfield县。年均温纽约市为12 ℃, 而Litchfield为8.5 ℃, 纽约市的热岛效应使市区偏高, 降水量变化不大, 纽约市年降水量1080 mm, Litchfield 1030 mm, 一年中降水分布均匀。样带包括典型的市区、郊区、农区, 以便于比较研究。沿着生态样带, 由市区经郊区到农区, 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, 形成了明显的梯度。
1.2 取样及样品分析沿着样带选取25个20 m×20 m的森林样方, 主要集中在9个地段。根据距市中心的距离, 大致可分为市区(距市中心20 km以内)、郊区(21~80 km)、农区(81~140 km)。样方代表以红橡(Quercus rubra)或黑橡(Q.Velutina)为主的落叶栎林, 森林群落生长良好, 群落总盖度均在100%, 林龄至少60 a。选择样方时尽量保持其坡度、坡向一致, 土壤均为Chorlton和Hollis土系, 并且近期没有干扰的迹象。每个样方被分成16个5 m×5 m的小样方, 随机选取其中4个小样方获取样品。在小样方中取15 cm×15 cm的死地被层块, 深度取至矿质土壤表面, 其包括枯枝落叶及其部分分解产物, 比如腐殖质。样品风干、研碎, 在室内进行分析。4个小样方单独分析, 取其平均值做为每个样方的代表值。取适量样品, 置450 ℃高温处理8 h, 将其灰用8 N HNO3消化8 h, 然后用电感耦合等离子仪(Inductively Coupled Plasma)测定Cu, Pb, Ni, Cr, Mn, Co, Zn, Cd的含量。对于人文因素、城市土地利用率和公路密度(m·km-2)用航片和1:24, 000的地形图测得; 机动车密度(辆·km-2)和人口密度(人·km-2)用美国县级普查数据(1990)。在分析时, 公路密度、机动车密度和人口密度均用其对数转换值。
1.3 数据分析对25个样方中每种重金属元素先进行方差分析表明, 唯有Cd元素样方之间没有显著差异, 其含量甚少, 不少样方测不出来。因此, 将Cd去掉, 由7种重金属元素和25个样方组成7×25维数据矩阵。我们借用多元分析方法—除趋势对应分析法(Detrended Correspondence Analysis, DCA) (张金屯, 1995)对25个样方进行排序, 排序轴将反映重金属离子的综合变化, 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。
2 结果 2.1 样方排序7×25维的数据矩阵用国际通用软件CANOCO进行DCA排序(Ter, 1988)。排序结果DCA前3个排序轴的特征值分别为0.52、0.18、0.09, 前3轴特征值占总特征值的75.8%, 说明前3轴包含了大部分生态信息, 排序效果非常好(张金屯, 1995; Ter, 1988)。我们用前两个轴绘制排序图(图 1), 图中数值为样方序号, 样方编号是从纽约市区开始, 逐渐经郊区到农区, 样方1~9为市区, 10~18为郊区, 19~25为农区, 很明显, 排序图从左下角向右上角, 反映出一个重金属离子的综合梯度, 这一梯度与市区-郊区-农区梯度相一致, 表 1是各重金属离子与DCA前3个排序轴的相关系数, 其也反映了各重金属离子对DCA排序轴的作用。由表 1知, DCA第1轴与Pb (-0.778)、Cu (-0.733)、Co (0.569)、Ni (-0.520)、Mn (0.470)密切相关, 而与Cr, Zn关系不明显。其中与Pb, Cu, Ni呈负相关, 说明沿第1轴从左至右, 这3种元素含量逐渐减少。而与Mn, Co呈正相关, 说明排序从左至右, 2元素含量有增加趋势。DCA第2排序轴与Cr (-0.786), Co (-0.740)、Ni (-0.687)、Zn (-0.500)、Cu (-0.488)有显著相关关系, 而且全为负相关, 说明沿第2排序轴由下向上, 这些元素的含量逐渐降低。第2轴与Pb, Mn的关系不显著, DCA第3轴仅与Zn (-0.738)呈显著负相关。由相关分析可以看出7种重金属元素在排序空间的分布均有显著差异, 这种差异综合表现为含量逐渐减少, 即重金属总含量市区高于郊区、郊区则高于农区。
图 2是6种主要重金属元素在DCA 2维排序空间的分布, 图中圆圈表示样方重金属元素含量的相对大小, 圆圈越大, 含量越高。显然, Cu, Pb, Ni 3元素从左下角向右上角逐渐降低, 说明沿“市区-郊区-农区”生态梯度, 它们含量逐渐下降, Cr也基本上符合这一趋势, 只是郊区3个样方(13~15)含量偏高。Co的含量则是郊区高于市区, 而市区高于农区, Mn除农区1个样方(23)偏高外, 其它样方间差异不十分明显, 这与相关分析(表 1)相一致。图 2说明重要的污染重金属元素(Pb, Cu, Ni, Cr)均是市区高于郊区、郊区高于农区。
DCA排序轴反映了重金属离子的综合梯度, 所以我们用DCA第1排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 3是它们的2次回归关系图, 其回归方程为:
其中:y代表DCA坐标回归值; x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, DCA第1轴的值逐渐升高, 到一定程度又有所下降, 二者符合2次曲线关系, 这说明距离是影响森林死地被层中重金属的重要因素, 因随着距离的增加, 人为影响逐渐减弱。
2.3 重金属含量与人为因素的关系这里同样用DCA第1排序轴作为重金属的综合指标, 用线性回归分析人文因素与重金属的关系。表 2为它们的回归方程, 图 4为回归图, 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, 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km2土地上每天出现的各种车辆数; 公路密度是每km2土地上公路的长度; 人口密度是每km2土地上居住人口数。它们都与DCA第1轴排序值呈负相关, 因为它们都是城市化的重要标志(Medley, 1995)。DCA第1轴排序值越高其重金属综合值越低(图 1, 表 1)。因此, 人文因素值越大, 其重金属总含量越高, 这与前面的分析结果相一致。
森林死地被层中的重金属含量与许多因素有关, 如森林的种类组成、土壤质地、大气质量等(Seifeld, 1989)。在样方建立时, 我们尽量地使土壤质地相同, 森林种类组成一致, 并保持主要的地理要素(如坡度、坡向等)相近。所以, 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, 沿着生态样带, 从市区经郊区到农区, 森林死地被层中重金属的总量逐渐减少, 尤其是重要的污染重金属元素Pb, Cu, Ni, Cr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, 因为距离越远, 人口密度、机动车密度、公路密度、城市土地利用率逐渐减少, 即人类活动减弱, 对环境的影响也就降低, 这符合污染物的一般分布规律(Bornkamm, 1982)。森林地被层中重金属主要来源于大气污染, 本文所设生态样带及其范围地区并非工业区, 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(unleaded gasoline), Pb污染仍很严重。森林死地被层主要是枯枝落叶, 其中重金属元素一部分由植物直接从大气中吸收而来, 一部分则是植物从土壤中吸收而来, 但土壤中的重金属也是由于大气污染长期积累下来的, 可能还有一小部分是大气污染颗粒直接降落到地面而至, 研究森林死地被层中重金属格局, 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-郊区-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, 本文的结果证实了这一点, 这样的样带还有利于做长期定点研究, 可观测污染动态等。目前这种样带还较少。
张金纯. 1995. 植被数量生态学方法. 北京: 中国科学技术出版社.
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