林业科学  2000, Vol. 36 Issue (4): 42-45   PDF    
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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.

文章历史

收稿日期:1996-11-13

作者相关文章

张金屯
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
张金屯1 , Pouyat, R.2     
1. 山西大学黄土高原研究所 太原 030006;
2. 美国生态系统研究所
摘要: 本文用长140 km、宽20 km的生态样带研究纽约市“市区-郊区-农区”落叶阔叶林死地被层中重金属变化格局, 从而分析城市化和人类活动对森林地被层的污染关系。DCA结果表明, 重金属总量城区明显高于效区, 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    森林地被层    人类经济活动    自然保护    生态样带    
EFFECTS OF URBANIZATION ON THE CONCENTRATIONS OF HEAVY METALS IN DECIDUOUS FOREST FLOOR IN STUDY CASE OF NEW YORK CITY
Zhang Jintun1, Pouyat, R.2     
1. Institute of Loess Plateau, Shanxi University Taiyuan 030006;
2. Institute of Ecosystem Studies, Millbrook
Abstract: The patterns of heavy metals in deciduous forest floor along an urban suburban rural gradient(transect 140km×20km)in New York were analyzed. 25 sampling quadrats(20m×20m)of Quercus forests in 9 study areas along the gradient were located and 4 samples of 15cm×15cm of litter patches in each quadrat were collected and analyzed for concentrations of Cu, Pb, Ni, Cr, Mn, Co, Zn and Cd in laboratory. The result reveals the relationships between urbanization and economic activities and the heavy metal pollution of forest floor. DCA analysis show that urban is greater than suburban, suburban greater than rural in total heavy metals. The concentration of heavy metals especially for Pb, Cu, Ni and Cr are decreased significantly along the gradient from city core to rural area. This is closely related to human activities. The concentrations of heavy metals are significantly negative correlated with the distance from the city core, urban land use, population in density, traffic density and road density. Heavy metals in forest floor are mainly from air pollution due to tail gases of automobiles because this area is not industrial area, no other important pollutant resources. Althouth unleaded gasoline has been used for decades in United States, Pb pollution is severe in this area. Ecological gradient of forest along urban-suburban-rural is an effective way to study the relationships between environmental pollution and urbanization.
Key words: Pollution of heavy metal    Forest floor    Human economic activities    Natural protection    Ecological transect    

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 1 25个样方的DCA 2维排序图 Fig. 1 DCA ordination diagram of 25 plots
表 1 DCA排序轴与重金属离子之间的关系(n=25) Tab.1 Correlations between DCA axes and heavy metals

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。

图 2 6种重金属元素在DCA排序空间的分布 Fig. 2 Distribution of heavy metals on DCA ordination diagram
2.2 重金属含量与距离的关系

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:

图 3 DCA第1排序轴与距离的回归分析 Fig. 3 Regression between DCA1 and distance

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。

表 2 DCA排序轴与人文因素回归方程 Tab.2 Regression parameters between DCA axis and social factors
图 4 DCA排序轴与人文因素关系 Fig. 4 Regression between DCA1 and social factors
3 讨论

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。

参考文献(References)
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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Bornkamm R D, et al. 1982. Urban ecology. Qxford: Blackwell Scientific Publications.
Groffmon P M, et al. 1995. Corbon pools and trace gas fluxes in Urban forest soils. Andvances in Soil Science: 147-158.
Medley K E, et al. 1995. Forest landscape structure along an urban-to-rural gradient. Professional Geogropher, 47: 159-168. DOI:10.1111/j.0033-0124.1995.00159.x
Seifeld J H. 1989. Urban air pollution:state of the science. Science, 243: 745-752. DOI:10.1126/science.243.4892.745
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