桉树对矿山环境的改善

时 彧，罗 杰

(广东省水文地质大队，广东广州 510510)

桉树属于速生、耐旱、萌生力强的树种，有造纸、造纤维、制桉油、木材等多方面用途[1-2]。人们对种植桉树人工林而产生的生态影响褒贬不一，主要反对意见包括桉树对水文造成不利影响，使蓄水层干枯；桉树对土壤营养元素掠夺性极强，使土壤贫瘠并加速土壤侵蚀；对生态平衡造成严重的影响，破坏原生动植物的生活环境[3-5]。

近年来，随着桉树人工林种植面积的不断增加，其生态环境效益日益受到关注，国内外学者相继开展过桉树人工林养分循环的研究，但主要集中于营养元素的循环研究，基本没有涉及有毒有害元素由土壤向桉树迁移、富集、转化的规律[6-10]。桉树生长快、环境适应能力强、对土壤中元素掠夺性汲取的生态特征和多用于造纸的实用价值使其能应用于不适于种植食用作物的污染地区的环境改造。

1 研究区域及对象

1.1研究区概况研究区位于广东省韩江三角洲经济区中部，属亚热带海洋季风性气候，气温湿热、雨量充沛、夏秋季多台风暴雨、自然条件较优越；所处地貌为低山—丘陵区及山前冲洪积扇或平原上。山坡上为残坡积，山脚及山前为冲洪积，前缘为海陆交互相沉积；区内土壤主要由花岗岩赤红壤、砂页岩赤红壤、潴育水稻土、盐渍水稻土4种土壤类型组成。

对研究区生态环境造成影响的是一座建于1958年的热液型钨矿床，虽然停厂距今约有40年，但由于该钨矿在生产过程中以及封矿之后未能采取有效的环保措施，特别是停产后没有采取任何环保措施，使得尾矿、废渣随意堆放。近年来，由于各种矿物价值的提升，不断有人私采私选，除在老矿洞内私采外，主要对原有老矿洞形成的废弃尾矿石渣——倒石堆、尾矿坝、山沟、冲沟的尾矿渣和钨矿厂周边的尾矿渣进行翻选、淘洗。二次淘洗堆积的尾矿、废渣经雨水冲刷，私采私淘的废水未经处理就直接排入了水体，对钨矿厂周边尤其是下游区域生态环境造成了较严重的影响，导致土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg多种元素不同程度的超标[11]。

1.2研究对象样地选在低山、丘陵地带，土壤以红壤为主，土层中厚，质地稍紧密至较紧密。样地所处林地为2002、2003、2004、2005、2006和2007年由当地林场统一造林，树种为尾巨桉。造林措施为林地经炼山后，采用块状整地，植穴规格70 cm×40 cm×35 cm，穴状除草，造林前一周施肥，造林时每穴施放呋喃5 g以防治白蚁为害，造林当年锄草抚育2次。

2 研究方法

2.1土壤样的采取分别选定6块相同品种、相同林分特征(林龄不同，树种组成、森林起源、林相、林型、地位级、出材量大体相同)的桉树林作为研究对象，在每片林地中于伐倒树树头处挖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；用同样的方法采集未种植桉树的土壤2份，结果取平均值。将土壤样品风干，研磨充分混合、过200目(0.075 mm)土壤筛后装入密封的聚乙烯塑料瓶，待实验分析。

2.2植物样的采取在每片桉树林样地中随机取2棵生长良好的桉树，将其伐倒，分别取每棵树树叶、树枝、树干，并将树根挖出。将桉树的树叶、树枝、树干、树根用蒸馏水冲洗后，在80 ℃恒温箱中烘干后，称取各器官相同重量后磨粉并充分混合，装入密封玻璃瓶，待实验分析。

2.3样品测试将所有土壤样品送至国家权威测试分析机构测试土壤中植物生长所需的营养元素[12-13](有机C、N、P、K、Fe、Mn)及对植物生长有害的重金属元素[14-15](Cr、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Ni、Cd)，并测试Cr、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Cd、Ni八大重金属元素的水溶态、离子交换态、弱有机结合态、强有机结合态、碳酸盐结合态、铁锰结合态和残渣态；测试植物样有毒有害元素(Cr、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Ni、Cd)共8项指标。分析方法严格按照中国地质调查局《生态地球化学评价样品分析技术要求(DD2005-03)》进行。

2.4分析结果质量控制分析此次样品的检测中心是通过国家质量认证、具有权威认证资质的专业地质实验测试单位。通过标准参考样、加标回收和室内外重复样、密码样的检验控制分析精密度和准确度。所有样品的分析结果完全符合《生态地球化学评价样品分析技术要求》。

2.5数据处理所有结果用Excel、SPSS 16和Statistica 6.0软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1不同年龄桉树人工林土壤营养元素的分布特征从表1可知，各年龄阶段桉树人工林土壤有机C和全N含量随着林分年龄的增加呈现先增加后减少的趋势，均是第4年达到最大；全P、全K、Fe、Mn随着林分年龄的增加其含量总体呈下降趋势。

土壤中全P含量随着林分年龄的增加，其下降幅度以4年生桉树林为分界先缓后急；全K含量随着林分年龄的增加缓慢降低；Fe、Mn含量随着林分年龄的增加，其下降幅度以4年生桉树林为分界先急后缓(图1)。

造林前先施了氮磷钾基肥，桉树成材前还追施了少量复合肥，除了人工输入之外，随着林分年龄增大，树高和林分郁闭度加大，凋落物也会随之增加，而阔叶树种落叶因微量元素有一定含量、分解较快，因此部分微量元素归还土壤[16-17]。2～4年桉林土壤中有机C和全N含量增加可能是因为人工输入量与自然输入量之和大于桉树吸收量，而2～4年桉林土壤中全P和全K含量缓慢降低可能是因为人工输入量与自然输入量之和略小于桉树吸收量；当桉树成材后，停止人工追肥，并且桉树叶子减少，造成枯落物的大量减少，导致人工输入和自然输入之和远小于桉树的吸收量，所以土壤中有机C、全N、全P、全K均急剧降低。

表1 不同林龄桉树人工林土壤养分的分布特征 g/kg

造林的基肥和人工追加的肥料不含Fe、Mn，自然输入量远小于桉树的吸收量，所以2～4年桉林土壤Fe、Mn含量呈急剧减少趋势；由于生命体对元素的吸收均有一定的限值，不能无限从环境吸收养分，同时土壤中的各类元素也受到形态和有效态的限制不能无限制地被植物吸收[18-19]。该研究体现为树龄达到4年之后，桉树对土壤中各类元素的吸收程度趋于平缓。

图1 不同林龄桉树人工林土壤养分的分布特征

可以推测，若桉树成材前没有有机C、全N、全P和全K 的人工输入，土壤中的这类营养元素随林龄的变化规律应与Fe、Mn相似。

7年桉林土壤有机C、全N、全P、全K、Fe、Mn的平均含量相对于2年桉林分别降低了26.44%、37.12%、48.91%、26.94%、64.73%、78.56%。可见随着林分年龄的增加，地力衰退较为严重。

3.2不同年龄桉树人工林土壤有毒有害元素的分布特征从表2可知，桉树人工林土壤中Cr、Hg、As、Pb、Cu、Ni、Cd含量随林龄变化特征与Fe、Mn相似，2～4年桉林土壤中各类元素含量呈急剧降低趋势，之后降低幅度变缓，造林的基肥和人工追加的肥料仅含少量微量元素Cu和Zn，一般不含Hg、Pb、As等有毒有害元素[20-21]，加之矿山管理严格以后基本杜绝了私采私淘，所以有毒有害元素基本不存在人为输入，而自然输入远小于桉树的吸收量，所以2～4年桉林土壤中Cr、Hg、As、Pb、Cu、Ni、Cd含量急剧降低，同样由于生物吸收和土壤供给的阈值，4年后降低幅度减缓。

表2 不同林龄桉树人工林土壤有毒有害元素的分布特征 mg/kg

元素Zn在不同年龄桉树人工土壤中无明显变化规律。虽然土壤环境质量标准(GB15618-1995)给出了二类土壤Zn含量的限值(250 mg/kg)，但是Zn并不能单纯地被划入有毒有害元素，很多生命体的生长需要Zn[22]，而研究区土壤缺Zn，为植物提供生长需要的Zn不足[11]，即土壤的供Zn能力在种植桉树之前已达到阈值，所以Zn体现不出其他超标元素随林龄分布的规律。

7年桉林土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量相对于2年桉林分别降低了42.97%、65.92%、37.75%、38.41%、42.72%、38.87%、29.41%、6.44%，说明种植桉树对土壤环境质量的改善有很大的好处，超标越严重的指标改善越明显。

图2 不同林龄桉树人工林土壤有毒有害元素的分布特征

3.3不同年龄桉树有毒有害元素的分布特征从表3可知，不同树龄桉树所含Cd、Cr、Cu、Hg、Ni含量随林龄变大而增加，具体为2～4年桉树中Cd、Cr、Cu、Hg、Ni含量增加幅度较大(图3)，之后增加幅度变缓，可能是随着桉树体内元素的积累，对该元素的吸收能力降低，即达到了桉树的吸收限，同时土壤中能被植物吸收利用的元素的有效形态所占全量百分比较低(表4)，虽然桉树吸收元素的有效形态后会打破元素的化学平衡导致稳定形态向有效形态转化，但是转化的效率低于桉树的吸收率[23-24]。

表3 不同林龄桉树有毒有害元素分布特征 mg/kg

图3 不同林龄桉树有毒有害元素分布特征

桉树中的As随树龄增加而增加，连年增幅均较大，并不存在4年生桉树的转折点。可能是因为As类矿物是W矿的主要伴生矿物，调查区As矿物较多以砷酸盐矿物产出，如砷铅石、砷铜铅石、砷铅铁石、光线石、墨绿砷铜石等。砷以类质同象形式赋存于硫化物中，形成较多的含砷矿物。开采、淘洗矿石的过程中使得As从不稳定的硫化物中分离出来向土壤和水系迁移并进一步扩散，导致As的严重污染。土壤As含量远超过土壤环境质量标准(表2)，为桉树提供了大量的As源且桉树本身又没有达到对As的吸收限。

桉树所含Pb、Zn不随树龄增加而产生明显变化。如前所述，研究区土壤缺Zn，植物无法从环境中获取足量的Zn，所以Zn元素随树龄增加无明显规律。

而桉树所含Pb元素远远超过食品中污染物限量(GB2762-2005 )所规定的标准(表3)，虽然桉树并非食用植物不适用此标准，但是根据前人研究，单纯的土壤高Pb环境不足以让植物所含Pb达到此次研究的程度[25-26]。结合研究区实际情况，虽然私采私淘已在严格管理下得到有效控制，但是数年来形成的金属冶炼、金属加工厂和火力发电厂并未搬迁，采样时桉树叶片上有较厚的灰黑色灰尘。桉树所含Pb元素与树龄无明显关系可能是因为人为输入量已远大于桉树从环境中的吸收量，从而掩盖了自然规律。

7年生桉树中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb元素的含量是2年生桉树的2～3倍，而且土壤中易被作物直接吸收利用的元素水溶态和离子交换态，易向环境转化的碳酸盐态和弱有机结合态，在一定条件下能向环境转化的强有机结合态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转化为易被植物吸收利用的各形态所占全量百分比随着林龄全部降低(表4)。说明种植桉树不仅可以有效改善土壤环境，更能进一步清除土壤内的潜在威胁。

4 结论与讨论

(1)各年龄阶段桉树人工林土壤有机C和全N含量随着林分年龄的增加呈现先增加后减少的趋势，全P、全K、Fe、Mn随着林分年龄的增加其含量总体呈下降趋势，对比2年生桉林，7年生桉林土壤有机C、全N、全P、全K、Fe、Mn的平均含量分别降低了26.44%、37.12%、48.91%、26.94%、64.73%、78.56%。可见桉树确实能对地力造成较大影响。

(2)桉树人工林土壤中的有毒有害元素含量随林龄变化特征为：2～4年桉林土壤中各类元素含量呈急剧降低趋势，之后降低幅度变缓，土壤各类元素全量降低的同时，易被植物吸收利用和容易转化为易被植物吸收利用的元素各形态也同时降低。

(3)不同树龄桉树有毒有害元素含量随林龄变大而增加，具体为前4年增长幅度较大，以后增长较缓。

(4)无论是土壤还是桉树，分布特征无论是先增加后减少还是先大幅增加然后增幅降低，均存在4年这个拐点。说明桉树前4年对各类元素的需求量较大，吸收能力较强，当树体各类元素累积到一定程度后吸收能力降低，对环境改善的效率降低。因各地环境不同，桉树的成材期一般为4～6年不等[27-28]，所以当桉树成材后宜即刻砍伐种植新苗，既不浪费土地资源，也可使其环境改善能力最大化。

表4 土壤中各元素形态所占全量百分比

(5)结合此次调查和前人研究成果，桉树确实能造成生态退化，掠夺性吸取土壤养分和水，造成周边其他生物的消亡。但是将桉树种植在已经受到污染而不适宜种植食用作物的地区，既可以改善土壤环境，还可以打破元素形态之间的平衡，将可能转化为被植物吸收利用的元素形态先行转化吸收进而清除土壤潜在威胁。

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