時(shí) 彧，羅 杰

(廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)，廣東廣州 510510)

桉樹屬于速生、耐旱、萌生力強(qiáng)的樹種，有造紙、造纖維、制桉油、木材等多方面用途[1-2]。人們對(duì)種植桉樹人工林而產(chǎn)生的生態(tài)影響褒貶不一，主要反對(duì)意見(jiàn)包括桉樹對(duì)水文造成不利影響，使蓄水層干枯；桉樹對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素掠奪性極強(qiáng)，使土壤貧瘠并加速土壤侵蝕；對(duì)生態(tài)平衡造成嚴(yán)重的影響，破壞原生動(dòng)植物的生活環(huán)境[3-5]。

近年來(lái)，隨著桉樹人工林種植面積的不斷增加，其生態(tài)環(huán)境效益日益受到關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開展過(guò)桉樹人工林養(yǎng)分循環(huán)的研究，但主要集中于營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)研究，基本沒(méi)有涉及有毒有害元素由土壤向桉樹遷移、富集、轉(zhuǎn)化的規(guī)律[6-10]。桉樹生長(zhǎng)快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、對(duì)土壤中元素掠奪性汲取的生態(tài)特征和多用于造紙的實(shí)用價(jià)值使其能應(yīng)用于不適于種植食用作物的污染地區(qū)的環(huán)境改造。

1 研究區(qū)域及對(duì)象

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)位于廣東省韓江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)中部，屬亞熱帶海洋季風(fēng)性氣候，氣溫濕熱、雨量充沛、夏秋季多臺(tái)風(fēng)暴雨、自然條件較優(yōu)越；所處地貌為低山—丘陵區(qū)及山前沖洪積扇或平原上。山坡上為殘坡積，山腳及山前為沖洪積，前緣為海陸交互相沉積；區(qū)內(nèi)土壤主要由花崗巖赤紅壤、砂頁(yè)巖赤紅壤、潴育水稻土、鹽漬水稻土4種土壤類型組成。

對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境造成影響的是一座建于1958年的熱液型鎢礦床，雖然停廠距今約有40年，但由于該鎢礦在生產(chǎn)過(guò)程中以及封礦之后未能采取有效的環(huán)保措施，特別是停產(chǎn)后沒(méi)有采取任何環(huán)保措施，使得尾礦、廢渣隨意堆放。近年來(lái)，由于各種礦物價(jià)值的提升，不斷有人私采私選，除在老礦洞內(nèi)私采外，主要對(duì)原有老礦洞形成的廢棄尾礦石渣——倒石堆、尾礦壩、山溝、沖溝的尾礦渣和鎢礦廠周邊的尾礦渣進(jìn)行翻選、淘洗。二次淘洗堆積的尾礦、廢渣經(jīng)雨水沖刷，私采私淘的廢水未經(jīng)處理就直接排入了水體，對(duì)鎢礦廠周邊尤其是下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了較嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg多種元素不同程度的超標(biāo)[11]。

1.2研究對(duì)象樣地選在低山、丘陵地帶，土壤以紅壤為主，土層中厚，質(zhì)地稍緊密至較緊密。樣地所處林地為2002、2003、2004、2005、2006和2007年由當(dāng)?shù)亓謭?chǎng)統(tǒng)一造林，樹種為尾巨桉。造林措施為林地經(jīng)煉山后，采用塊狀整地，植穴規(guī)格70 cm×40 cm×35 cm，穴狀除草，造林前一周施肥，造林時(shí)每穴施放呋喃5 g以防治白蟻為害，造林當(dāng)年鋤草撫育2次。

2 研究方法

2.1土壤樣的采取分別選定6塊相同品種、相同林分特征(林齡不同，樹種組成、森林起源、林相、林型、地位級(jí)、出材量大體相同)的桉樹林作為研究對(duì)象，在每片林地中于伐倒樹樹頭處挖40 cm的土壤剖面，取0～40 cm的混合土壤1 kg，各林地采集土壤2份；用同樣的方法采集未種植桉樹的土壤2份，結(jié)果取平均值。將土壤樣品風(fēng)干，研磨充分混合、過(guò)200目(0.075 mm)土壤篩后裝入密封的聚乙烯塑料瓶，待實(shí)驗(yàn)分析。

2.2植物樣的采取在每片桉樹林樣地中隨機(jī)取2棵生長(zhǎng)良好的桉樹，將其伐倒，分別取每棵樹樹葉、樹枝、樹干，并將樹根挖出。將桉樹的樹葉、樹枝、樹干、樹根用蒸餾水沖洗后，在80 ℃恒溫箱中烘干后，稱取各器官相同重量后磨粉并充分混合，裝入密封玻璃瓶，待實(shí)驗(yàn)分析。

2.3樣品測(cè)試將所有土壤樣品送至國(guó)家權(quán)威測(cè)試分析機(jī)構(gòu)測(cè)試土壤中植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素[12-13](有機(jī)C、N、P、K、Fe、Mn)及對(duì)植物生長(zhǎng)有害的重金屬元素[14-15](Cr、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Ni、Cd)，并測(cè)試Cr、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Cd、Ni八大重金屬元素的水溶態(tài)、離子交換態(tài)、弱有機(jī)結(jié)合態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)；測(cè)試植物樣有毒有害元素(Cr、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Ni、Cd)共8項(xiàng)指標(biāo)。分析方法嚴(yán)格按照中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求(DD2005-03)》進(jìn)行。

2.4分析結(jié)果質(zhì)量控制分析此次樣品的檢測(cè)中心是通過(guò)國(guó)家質(zhì)量認(rèn)證、具有權(quán)威認(rèn)證資質(zhì)的專業(yè)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試單位。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)參考樣、加標(biāo)回收和室內(nèi)外重復(fù)樣、密碼樣的檢驗(yàn)控制分析精密度和準(zhǔn)確度。所有樣品的分析結(jié)果完全符合《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求》。

2.5數(shù)據(jù)處理所有結(jié)果用Excel、SPSS 16和Statistica 6.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1不同年齡桉樹人工林土壤營(yíng)養(yǎng)元素的分布特征從表1可知，各年齡階段桉樹人工林土壤有機(jī)C和全N含量隨著林分年齡的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，均是第4年達(dá)到最大；全P、全K、Fe、Mn隨著林分年齡的增加其含量總體呈下降趨勢(shì)。

土壤中全P含量隨著林分年齡的增加，其下降幅度以4年生桉樹林為分界先緩后急；全K含量隨著林分年齡的增加緩慢降低；Fe、Mn含量隨著林分年齡的增加，其下降幅度以4年生桉樹林為分界先急后緩(圖1)。

造林前先施了氮磷鉀基肥，桉樹成材前還追施了少量復(fù)合肥，除了人工輸入之外，隨著林分年齡增大，樹高和林分郁閉度加大，凋落物也會(huì)隨之增加，而闊葉樹種落葉因微量元素有一定含量、分解較快，因此部分微量元素歸還土壤[16-17]。2～4年桉林土壤中有機(jī)C和全N含量增加可能是因?yàn)槿斯ぽ斎肓颗c自然輸入量之和大于桉樹吸收量，而2～4年桉林土壤中全P和全K含量緩慢降低可能是因?yàn)槿斯ぽ斎肓颗c自然輸入量之和略小于桉樹吸收量；當(dāng)桉樹成材后，停止人工追肥，并且桉樹葉子減少，造成枯落物的大量減少，導(dǎo)致人工輸入和自然輸入之和遠(yuǎn)小于桉樹的吸收量，所以土壤中有機(jī)C、全N、全P、全K均急劇降低。

表1 不同林齡桉樹人工林土壤養(yǎng)分的分布特征 g/kg

造林的基肥和人工追加的肥料不含F(xiàn)e、Mn，自然輸入量遠(yuǎn)小于桉樹的吸收量，所以2～4年桉林土壤Fe、Mn含量呈急劇減少趨勢(shì)；由于生命體對(duì)元素的吸收均有一定的限值，不能無(wú)限從環(huán)境吸收養(yǎng)分，同時(shí)土壤中的各類元素也受到形態(tài)和有效態(tài)的限制不能無(wú)限制地被植物吸收[18-19]。該研究體現(xiàn)為樹齡達(dá)到4年之后，桉樹對(duì)土壤中各類元素的吸收程度趨于平緩。

圖1 不同林齡桉樹人工林土壤養(yǎng)分的分布特征

可以推測(cè)，若桉樹成材前沒(méi)有有機(jī)C、全N、全P和全K 的人工輸入，土壤中的這類營(yíng)養(yǎng)元素隨林齡的變化規(guī)律應(yīng)與Fe、Mn相似。

7年桉林土壤有機(jī)C、全N、全P、全K、Fe、Mn的平均含量相對(duì)于2年桉林分別降低了26.44%、37.12%、48.91%、26.94%、64.73%、78.56%?？梢?jiàn)隨著林分年齡的增加，地力衰退較為嚴(yán)重。

3.2不同年齡桉樹人工林土壤有毒有害元素的分布特征從表2可知，桉樹人工林土壤中Cr、Hg、As、Pb、Cu、Ni、Cd含量隨林齡變化特征與Fe、Mn相似，2～4年桉林土壤中各類元素含量呈急劇降低趨勢(shì)，之后降低幅度變緩，造林的基肥和人工追加的肥料僅含少量微量元素Cu和Zn，一般不含Hg、Pb、As等有毒有害元素[20-21]，加之礦山管理嚴(yán)格以后基本杜絕了私采私淘，所以有毒有害元素基本不存在人為輸入，而自然輸入遠(yuǎn)小于桉樹的吸收量，所以2～4年桉林土壤中Cr、Hg、As、Pb、Cu、Ni、Cd含量急劇降低，同樣由于生物吸收和土壤供給的閾值，4年后降低幅度減緩。

表2 不同林齡桉樹人工林土壤有毒有害元素的分布特征 mg/kg

元素Zn在不同年齡桉樹人工土壤中無(wú)明顯變化規(guī)律。雖然土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)給出了二類土壤Zn含量的限值(250 mg/kg)，但是Zn并不能單純地被劃入有毒有害元素，很多生命體的生長(zhǎng)需要Zn[22]，而研究區(qū)土壤缺Zn，為植物提供生長(zhǎng)需要的Zn不足[11]，即土壤的供Zn能力在種植桉樹之前已達(dá)到閾值，所以Zn體現(xiàn)不出其他超標(biāo)元素隨林齡分布的規(guī)律。

7年桉林土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量相對(duì)于2年桉林分別降低了42.97%、65.92%、37.75%、38.41%、42.72%、38.87%、29.41%、6.44%，說(shuō)明種植桉樹對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的改善有很大的好處，超標(biāo)越嚴(yán)重的指標(biāo)改善越明顯。

圖2 不同林齡桉樹人工林土壤有毒有害元素的分布特征

3.3不同年齡桉樹有毒有害元素的分布特征從表3可知，不同樹齡桉樹所含Cd、Cr、Cu、Hg、Ni含量隨林齡變大而增加，具體為2～4年桉樹中Cd、Cr、Cu、Hg、Ni含量增加幅度較大(圖3)，之后增加幅度變緩，可能是隨著桉樹體內(nèi)元素的積累，對(duì)該元素的吸收能力降低，即達(dá)到了桉樹的吸收限，同時(shí)土壤中能被植物吸收利用的元素的有效形態(tài)所占全量百分比較低(表4)，雖然桉樹吸收元素的有效形態(tài)后會(huì)打破元素的化學(xué)平衡導(dǎo)致穩(wěn)定形態(tài)向有效形態(tài)轉(zhuǎn)化，但是轉(zhuǎn)化的效率低于桉樹的吸收率[23-24]。

表3 不同林齡桉樹有毒有害元素分布特征 mg/kg

圖3 不同林齡桉樹有毒有害元素分布特征

桉樹中的As隨樹齡增加而增加，連年增幅均較大，并不存在4年生桉樹的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。可能是因?yàn)锳s類礦物是W礦的主要伴生礦物，調(diào)查區(qū)As礦物較多以砷酸鹽礦物產(chǎn)出，如砷鉛石、砷銅鉛石、砷鉛鐵石、光線石、墨綠砷銅石等。砷以類質(zhì)同象形式賦存于硫化物中，形成較多的含砷礦物。開采、淘洗礦石的過(guò)程中使得As從不穩(wěn)定的硫化物中分離出來(lái)向土壤和水系遷移并進(jìn)一步擴(kuò)散，導(dǎo)致As的嚴(yán)重污染。土壤As含量遠(yuǎn)超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(表2)，為桉樹提供了大量的As源且桉樹本身又沒(méi)有達(dá)到對(duì)As的吸收限。

桉樹所含Pb、Zn不隨樹齡增加而產(chǎn)生明顯變化。如前所述，研究區(qū)土壤缺Zn，植物無(wú)法從環(huán)境中獲取足量的Zn，所以Zn元素隨樹齡增加無(wú)明顯規(guī)律。

而桉樹所含Pb元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)食品中污染物限量(GB2762-2005 )所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)(表3)，雖然桉樹并非食用植物不適用此標(biāo)準(zhǔn)，但是根據(jù)前人研究，單純的土壤高Pb環(huán)境不足以讓植物所含Pb達(dá)到此次研究的程度[25-26]。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，雖然私采私淘已在嚴(yán)格管理下得到有效控制，但是數(shù)年來(lái)形成的金屬冶煉、金屬加工廠和火力發(fā)電廠并未搬遷，采樣時(shí)桉樹葉片上有較厚的灰黑色灰塵。桉樹所含Pb元素與樹齡無(wú)明顯關(guān)系可能是因?yàn)槿藶檩斎肓恳堰h(yuǎn)大于桉樹從環(huán)境中的吸收量，從而掩蓋了自然規(guī)律。

7年生桉樹中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb元素的含量是2年生桉樹的2～3倍，而且土壤中易被作物直接吸收利用的元素水溶態(tài)和離子交換態(tài)，易向環(huán)境轉(zhuǎn)化的碳酸鹽態(tài)和弱有機(jī)結(jié)合態(tài)，在一定條件下能向環(huán)境轉(zhuǎn)化的強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)所占元素全量百分比均有不同程度的降低，尤其是易被植物吸收利用和容易轉(zhuǎn)化為易被植物吸收利用的各形態(tài)所占全量百分比隨著林齡全部降低(表4)。說(shuō)明種植桉樹不僅可以有效改善土壤環(huán)境，更能進(jìn)一步清除土壤內(nèi)的潛在威脅。

4 結(jié)論與討論

(1)各年齡階段桉樹人工林土壤有機(jī)C和全N含量隨著林分年齡的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，全P、全K、Fe、Mn隨著林分年齡的增加其含量總體呈下降趨勢(shì)，對(duì)比2年生桉林，7年生桉林土壤有機(jī)C、全N、全P、全K、Fe、Mn的平均含量分別降低了26.44%、37.12%、48.91%、26.94%、64.73%、78.56%?？梢?jiàn)桉樹確實(shí)能對(duì)地力造成較大影響。

(2)桉樹人工林土壤中的有毒有害元素含量隨林齡變化特征為：2～4年桉林土壤中各類元素含量呈急劇降低趨勢(shì)，之后降低幅度變緩，土壤各類元素全量降低的同時(shí)，易被植物吸收利用和容易轉(zhuǎn)化為易被植物吸收利用的元素各形態(tài)也同時(shí)降低。

(3)不同樹齡桉樹有毒有害元素含量隨林齡變大而增加，具體為前4年增長(zhǎng)幅度較大，以后增長(zhǎng)較緩。

(4)無(wú)論是土壤還是桉樹，分布特征無(wú)論是先增加后減少還是先大幅增加然后增幅降低，均存在4年這個(gè)拐點(diǎn)。說(shuō)明桉樹前4年對(duì)各類元素的需求量較大，吸收能力較強(qiáng)，當(dāng)樹體各類元素累積到一定程度后吸收能力降低，對(duì)環(huán)境改善的效率降低。因各地環(huán)境不同，桉樹的成材期一般為4～6年不等[27-28]，所以當(dāng)桉樹成材后宜即刻砍伐種植新苗，既不浪費(fèi)土地資源，也可使其環(huán)境改善能力最大化。

表4 土壤中各元素形態(tài)所占全量百分比

(5)結(jié)合此次調(diào)查和前人研究成果，桉樹確實(shí)能造成生態(tài)退化，掠奪性吸取土壤養(yǎng)分和水，造成周邊其他生物的消亡。但是將桉樹種植在已經(jīng)受到污染而不適宜種植食用作物的地區(qū)，既可以改善土壤環(huán)境，還可以打破元素形態(tài)之間的平衡，將可能轉(zhuǎn)化為被植物吸收利用的元素形態(tài)先行轉(zhuǎn)化吸收進(jìn)而清除土壤潛在威脅。

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