桉樹對礦山環(huán)境的改善

時 彧，羅 杰

(廣東省水文地質(zhì)大隊，廣東廣州 510510)

桉樹屬于速生、耐旱、萌生力強的樹種，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，主要反對意見包括桉樹對水文造成不利影響，使蓄水層干枯；桉樹對土壤營養(yǎng)元素掠奪性極強，使土壤貧瘠并加速土壤侵蝕；對生態(tài)平衡造成嚴重的影響，破壞原生動植物的生活環(huán)境[3-5]。

近年來，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，國內(nèi)外學者相繼開展過桉樹人工林養(yǎng)分循環(huán)的研究，但主要集中于營養(yǎng)元素的循環(huán)研究，基本沒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]。桉樹生長快、環(huán)境適應(yīng)能力強、對土壤中元素掠奪性汲取的生態(tài)特征和多用于造紙的實用價值使其能應(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)濟區(qū)中部，屬亞熱帶海洋季風性氣候，氣溫濕熱、雨量充沛、夏秋季多臺風暴雨、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、砂頁巖赤紅壤、潴育水稻土、鹽漬水稻土4種土壤類型組成。

對研究區(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)后沒有采取任何環(huán)保措施，使得尾礦、廢渣隨意堆放。近年來，由于各種礦物價值的提升，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，對鎢礦廠周邊尤其是下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了較嚴重的影響，導致土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg多種元素不同程度的超標[11]。

1.2研究對象樣地選在低山、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?shù)亓謭鼋y(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，造林時每穴施放呋喃5 g以防治白蟻為害，造林當年鋤草撫育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、出材量大體相同)的桉樹林作為研究對象，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。將土壤樣品風干，研磨充分混合、過200目(0.075 mm)土壤篩后裝入密封的聚乙烯塑料瓶，待實驗分析。

2.2植物樣的采取在每片桉樹林樣地中隨機取2棵生長良好的桉樹，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，待實驗分析。

2.3樣品測試將所有土壤樣品送至國家權(quán)威測試分析機構(gòu)測試土壤中植物生長所需的營養(yǎng)元素[12-13](有機C、N、P、K、Fe、Mn)及對植物生長有害的重金屬元素[14-15](Cr、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Ni、Cd)，并測試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)、弱有機結(jié)合態(tài)、強有機結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)；測試植物樣有毒有害元素(Cr、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Ni、Cd)共8項指標。分析方法嚴格按照中國地質(zhì)調(diào)查局《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術(shù)要求(DD2005-03)》進行。

2.4分析結(jié)果質(zhì)量控制分析此次樣品的檢測中心是通過國家質(zhì)量認證、具有權(quán)威認證資質(zhì)的專業(yè)地質(zhì)實驗測試單位。通過標準參考樣、加標回收和室內(nèi)外重復樣、密碼樣的檢驗控制分析精密度和準確度。所有樣品的分析結(jié)果完全符合《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術(shù)要求》。

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

3 結(jié)果與分析

3.1不同年齡桉樹人工林土壤營養(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，均是第4年達到最大；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。

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C和全N含量增加可能是因為人工輸入量與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為人工輸入量與自然輸入量之和略小于桉樹吸收量；當桉樹成材后，停止人工追肥，并且桉樹葉子減少，造成枯落物的大量減少，導致人工輸入和自然輸入之和遠小于桉樹的吸收量，所以土壤中有機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；由于生命體對元素的吸收均有一定的限值，不能無限從環(huán)境吸收養(yǎng)分，同時土壤中的各類元素也受到形態(tài)和有效態(tài)的限制不能無限制地被植物吸收[18-19]。該研究體現(xiàn)為樹齡達到4年之后，桉樹對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，若桉樹成材前沒有有機C、全N、全P和全K 的人工輸入，土壤中的這類營養(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C、全N、全P、全K、Fe、Mn的平均含量相對于2年桉林分別降低了26.44%、37.12%、48.91%、26.94%、64.73%、78.56%?？梢婋S著林分年齡的增加，地力衰退較為嚴重。

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，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明顯變化規(guī)律。雖然土壤環(huán)境質(zhì)量標準(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，很多生命體的生長需要Zn[22]，而研究區(qū)土壤缺Zn，為植物提供生長需要的Zn不足[11]，即土壤的供Zn能力在種植桉樹之前已達到閾值，所以Zn體現(xiàn)不出其他超標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%，說明種植桉樹對土壤環(huán)境質(zhì)量的改善有很大的好處，超標越嚴重的指標改善越明顯。

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，對該元素的吸收能力降低，即達到了桉樹的吸收限，同時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)后會打破元素的化學平衡導致穩(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?？赡苁且驗锳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、淘洗礦石的過程中使得As從不穩(wěn)定的硫化物中分離出來向土壤和水系遷移并進一步擴散，導致As的嚴重污染。土壤As含量遠超過土壤環(huán)境質(zhì)量標準(表2)，為桉樹提供了大量的As源且桉樹本身又沒有達到對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，植物無法從環(huán)境中獲取足量的Zn，所以Zn元素隨樹齡增加無明顯規(guī)律。

而桉樹所含Pb元素遠遠超過食品中污染物限量(GB2762-2005 )所規(guī)定的標準(表3)，雖然桉樹并非食用植物不適用此標準，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達到此次研究的程度[25-26]。結(jié)合研究區(qū)實際情況，雖然私采私淘已在嚴格管理下得到有效控制，但是數(shù)年來形成的金屬冶煉、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元素與樹齡無明顯關(guān)系可能是因為人為輸入量已遠大于桉樹從環(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)和弱有機結(jié)合態(tài)，在一定條件下能向環(huán)境轉(zhuǎn)化的強有機結(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)。說明種植桉樹不僅可以有效改善土壤環(huán)境，更能進一步清除土壤內(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，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，對比2年生桉林，7年生桉林土壤有機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%?？梢婅駱浯_實能對地力造成較大影響。

(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，之后降低幅度變緩，土壤各類元素全量降低的同時，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年增長幅度較大，以后增長較緩。

(4)無論是土壤還是桉樹，分布特征無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年這個拐點。說明桉樹前4年對各類元素的需求量較大，吸收能力較強，當樹體各類元素累積到一定程度后吸收能力降低，對環(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]，所以當桉樹成材后宜即刻砍伐種植新苗，既不浪費土地資源，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)化吸收進而清除土壤潛在威脅。

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