净水技术|水源地桉树人工林，你不知道的水体潜在风险~~~
第一作者：朱群华，广东工业大学环境科学与工程学院，研究方向为水处理工程；
通信作者：钟昌琴，环境保护部华南环境科学研究所。
桉树
桉树自1890年引入中国，在中国栽培已有100多年历史，桉树、杨树及松树被称为世界三大速生树种。至2007年，我国桉树人工林面积达170万公顷,主要分布在广东、广西、云南、海南、福建、四川、江西等省区，为我国华南地区最重要的纤维材树种；杨树人工林面积达666万公顷；马尾松人工林面积达19.7万公顷。随着国内木材、纸浆等行业的需求量逐年加大，我国人工林产业得到不断发展，据统计资料显示，截至2013年我国桉树种植总面积已发展到450万公顷。根据国家林业局“十一五”木材供需预测，到2020年我国的商品材需求量将达3.25~3.52亿m3,而国内的商品材供应仅能维持1.83亿m3,其中来自人工林为1.1亿m3,天然林木材约为7 300万m3。由此可见，速生林对国家木材刚需的贡献是非常重大的。而三大速生林中桉树拥有生长速度快、轮伐周期短、经济效益高等优点的同时，也被冠以 “抽水机”、“抽肥机”、“有毒有害的外来物种”之名，从而饱受社会各界争议，因此在三大速生林中，桉树研究非常具有社会价值。目前，许多专家、学者对桉树种植林地进行了如：土壤地力下降、土质沙化、地下水位下降、生物多样性锐减等。这一系列问题得到了社会的广泛重视。但现有研究尚不够深入，结论还不够清晰明确，对现有研究的全面总结也比较缺乏。本文总结了前人关于桉树种植利弊的研究成果，从供水安全的角度综合分析了桉树种植对林区水源及附近水体的影响。
桉树种植对林区水源、水体的影响
桉树人工林种植对林区水体的影响包括：对林区水源涵养功能的影响，对土壤结构的影响，降水及施肥对林区水体的影响等。
1.1
对森林水源涵养功能的影响
桉树人工林开垦多采取炼山的方式，一般是砍伐次生天然林后，进行山林改造，然后再种植桉树，造林后追肥，清除凋落物，从而形成大面积的桉树人工林。这些活动严重改变了表土原有的物理结构，表土经挖坑翻耕后，土壤孔隙度(尤其是大孔隙)增加，土壤物理结构疏松。
森林的水源涵养功能主要表现在对降雨的再分配上，主要通过森林植被、枯枝落叶和森林土壤3个作用层对降雨进行拦蓄。降落的雨水，首先为林冠层所截持。林冠层的持水能力主要由林冠层叶面积指数、枝叶分枝角度、枝叶表面粗糙度、林分郁闭度所决定。叶面积指数越大、林分郁闭度越高其持水能力越强，土壤蒸发量越小。由于桉树人工林的林分郁闭度、叶面积指数、林下物种丰富度一般均不及次天然林，所以其对降水的截留能力相对较弱。
林地土壤是森林涵养水源的重要场所，其透水和蓄水能力是反映森林涵养水源功能的重要指标之一。林地的土壤蓄水能力主要取决于土壤的非毛管孔隙。桉树林取代次生天然林后，土壤平均毛管持水量明显下降，这是因为桉树林根系浅，对水分的截留作用弱，土壤持水、保水能力低。
砍伐次生天然林改种桉树林对水文影响是非常显著的，一般表现为：林冠层、林下植被、枯落叶持水能力减弱、水土保持能力减弱、土壤蒸发量增大。
森林凋落物层是森林降水水文过程的第二个作用环节，具有截持降水、降低地表径流动能、减少土壤侵蚀以及增加土壤水分入渗、减少土壤水分蒸发等方面的作用。桉树林造林过程中的炼山会对之前存留的凋落物造成毁灭性的破坏，凋落物水量调节功能几乎完全丧失，雨水对土壤的冲击力度将会很大，造成水土流失严重。
以福清市西溪水库为例，在2006年前，水库水清澈几乎可以见底，2006年后，三分之一涵养林林地被巨尾桉取代，水土流失严重。以广州水库库区为例桉树轮伐期前植被盖度约为0.8~0.9，轮伐后约为0.2~0.3;土壤侵蚀模数轮伐前为2 000~3 000 t/km2，轮伐后为8 000~13 000 t/km2；水土保持作用系数为0.7~0.8，轮伐后为0.3~0.5，因此桉树种植依然会对水库库区的水土流失造成较大影响。
桉树林的开垦以砍伐次生林为前提，这不仅会造成相应地区水源涵养能力下降，其开垦方式也会造成林地土壤物理结构改变，遇上恶劣天气将影响附近水源水质。虽然人工林取代次生林后植被覆盖率会随着时间有所增加，但是由于人工林的经济效益特性，人工林的轮伐期过后植被覆盖率的骤减，土壤层被破坏，将造成严重的水土流失。
1.2
桉树种植对林区水源、水体的影响
1.2.1
雨水冲刷对桉树林区水质的影响
降雨时，桉树林冠层穿透水、坡面径流水水质色度、浊度、COD、TN含量较同期雨水有显著提高。降雨量达到一定的阈值才会产生径流过程，坡面径流为其中的一种，其产流主要分为蓄满产流和超渗产流两种。坡面径流在汇流过程中，与土壤、凋落物、植物等介质发生吸附、过滤、中和及交换等作用。因此，溪水的色度、COD比林冠层穿透水和坡面径流的低，pH升高。
1.2.2
桉树林黑水对溪水水质的影响
桉树砍伐过后，大量新鲜桉树剩余物放任在林区，在高温多雨、高湿天气的情况下，桉树人工林采伐迹地易发生黑水现象。黑水颜色较深、pH较低、化学需氧量高、植物色素和可溶性有机物含量高。监测发现，黑水色度高达936度，COD为136.4 mg/L，分别为桉树林正常溪水的40倍和6~20倍，而浊度、TN和TP没有发生显著变化。黑水汇入溪水后，将导致溪水色度和COD升高、pH降低，大量黑水进入附近的溪流将显著降低地表水水质。杨钙仁等通过对黑水输入鱼塘的研究表明，受桉树人工林黑水污染的鱼塘水质发生显著变化，池塘水体颜色由污染前的淡黄色变为灰黑色，色度比污染前高286.4度，pH值增高0.6，COD增高24.5 mg/L，TN含量升高0.66 mg/L，TP和NO3--N含量则分别降低了0.15 mg/L和0.31 mg/L。NH4+-N含量升高了1.32 mg/L，是污染前的2.3倍，比国家地表水环境质量标准Ⅲ类水标准(GB 3838—2002)高133%。黑水输入鱼塘至塘水颜色明显变黑后出现少部分草鱼浮头，17 h后迅速扩散至全塘，1 d后发现，95%以上的草鱼死亡，鲫鱼和鲤鱼死亡率约为50%。鱼塘水质在15d后发生好转。桉树人工林黑水与桉树生长期间正常溪水水质情况如表1所示。为避免桉树黑水事件的发生，应采用轮伐的方式进行砍伐，避开高温多雨的夏季，砍伐过后对剩余凋落物进行处理，避免将大量剩余物堆积在林地低洼处，并在剩余物上覆盖泥土。
表1 桉树人工林黑水与桉树生长期间正常溪水水质比较
注：表中FP为黑水污染前鱼塘水样；FP-P为受墨水污染鱼塘水样；FP-R为受黑水污染鱼塘在恢复期间的水样；表中“中“为缺值。
1.3
施用化肥对桉树林林区的影响
人们普遍认为有效的施肥季节为林木生长旺盛期，即春季和初夏，此时最有利于根系吸收养分。但是我国南部降水较大较集中的时间也恰好是在4月~8月这个时段。研究表明，施肥后在短期(10 d)内遇暴雨，桉树人工林溪水TN含量会显著提高，最高值超过了国家地表水Ⅴ类标准的4倍，林龄越小N污染越严重。以巨尾桉为例，使用专用肥料第一年按理论计算量，氮磷流失量一般为每公顷7~14 kg，和0.45~0.9 kg。按一轮伐周期计算，氮磷年平均流失量最低为每公顷21 kg和1.5 kg左右。而第二轮以后的桉树种植，要比第一轮更多的肥料，将会造成更多的氮磷流失。位于莆田市涵江区大洋乡的东张水库，现在巨尾桉约400公顷，约占水库汇水区面积的2%，按氮磷流失量每公顷21 kg和1.5 kg计算，年入库总氮为8.4 t，年入库总磷为0.6 t。按Ⅲ类水质要求，东张水库年允许入库的总氮磷为72.36 t和5.63 t，仅速生林就占11.61%和10.66%。黄承标等通过连续6年对广州市、钦州市沿海地段不同更新方式巨尾桉植被类型水土流失量的研究表明，该植被年土壤侵蚀量为0.38~7.22 kg/hm2；年养分(氮、磷、钾)流失量为0.57~8.95 kg/hm2。为了减缓桉树人工林面源污染，应避开暴雨前施肥，选在雨后进行；同时应加强水土保持措施，适当保留部分林下草本植被，尽量减少土壤的扰动；在桉树面积较大的林区，避开集中施肥，分片进行，并保持一定的时间间隔。
2
桉树分泌物对生态环境的影响
桉树分泌物基本为桉树生长过程中的次生代谢产物。植物次生代谢产物一般可分为芳香族化合物、萜类化合物、含氮有机碱三大类，其中芳香族化合物包括麦角酸、原儿茶酸、儿茶酚等，萜类包括麦角甾醇、赤霉素、脱落酸等，含氮有机碱包括一些含氮的β-内酰胺类抗生素、杆菌肽和毒素等；其它物质有糖类脂肪酸等。目前已分离鉴定出的化感物质几乎都是植物的次生代谢产物，一般分子量较小，结构较简单，其中最常见的是低分子量的有机酸、酚类和萜类化合物，萜类、酚类物质是高等植物中主要的化感物质。
李羿桥等采用GC-MS检测巨桉凋落叶中的次生代谢物质，共鉴定出9大类36种有机化合物，以萜类物质为主(19种);其中桉叶油醇(19.64%)和α-蒎烯(12.48%)相对含量较高。Hou等从桉叶中分离出没食子丹宁酸、4种丹宁酸、没食子酸及儿茶酚。陈永泉等研究发现，窿缘桉挥发香气的成分中化感物质a-蒎烯的含量最高(33.46%)，其次是β-蒎烯(14.19%)，再次是1,8-桉叶油素(14.16%)，三种种物质共占61.81%。因此，所占比例较高的萜类、蒎烯类、酚类等桉树分泌物对环境的影响值得深入研究。
2.1
桉树分泌物的化感作用
桉树对其它生物的化感作用，是指桉树通过分泌特殊物质，从而对其它植物以及林下植被基于土壤中的微生物产生作用，包括促进作用和抑制作用2个方面。
曹潘荣等利用萝卜作为受体，取柠檬桉作为化感作用物供体，试验结果表明柠檬桉皮和叶水抽提液、根系分泌液、鲜叶中挥发性气体、桉树油乳状液对萝卜种子的萌发、胚根和胚芽生长均有明显的抑制作用。李羿桥等利用狗尾草、菊苣、假俭草作为受体，巨桉作为供体，结果表明巨桉凋落叶水浸提液对三种种子的萌芽有不同种程度的抑制作用，巨桉凋落叶分解时产生的化感综合效应也表现出对植株生长的明显抑制。高丹等利用黑麦草、白三叶、紫花苜蓿种子为受体，巨桉叶片、枯落物和根为供体原材料，提取三种原材料的浸提液分别作用于处理过后的三种种子，结果表明，各处理的浸提液对几种草种幼苗生长影响显著。以上案例均是人为提取物实验，实验研究与现实现况存在差异。桉树分泌的化感物质是否会影响水生生物的生长，以及是否会对水质造成影响还有待研究。
2.2
桉树分泌物进入水体的方式
桉树释放化感物质的途径主要有4种：（1）桉树树叶和枝干以分泌挥发性物质的形式释放化感物质；（2）降水淋洗桉树林树冠或枯枝落叶，使附着在其表面的水溶性化感物质转移到土壤中；（3）根系的不同部位分泌苯甲酸、肉桂酸、香豆酸、阿魏酸等以及酚类、黄酮类物质；（4）植物残体腐烂物解体过程中将所含的化感物质释放出来，或由于微生物的转化作用将原来无毒物质变为有毒物质后进入土壤环境中。
挥发性萜类物质可以被土壤吸收，水溶性物质也可通过雨水、雾滴进入土壤。桉树林中挥发性物质在茂密的树冠下形成一定浓度的气体，当遇到湿沉降时水溶性挥发性有机物会随雨水流到土壤中，这一类物质进入到土壤中后滞留时间较长，容易累积。可以通过林地地表径流洗脱、冲刷等方式将这些酚类、萜类有机物冲入水体中。
2.3
桉树分泌物对水体水质的影响
能够进入水体的桉树分泌物主要包括多酚类、萜类、蒎烯类。这些物质基本为憎水性物质，微溶或不溶于水，分子量较小，基本在500 Da以下。其进入水体后导致水体中天然有机物的含量增加。植物体内存在多酚物质，主要是(单宁)等桉树分泌物，其不易被矿化，同时减缓水中可溶性有机碳的矿化。多酚的这一特性将导致可溶性有机碳及分泌物进入自来水厂同时经过消毒工序的概率增加，成为消毒副产物的前致物。水中的天然有机物如果得不到有效去除，将在自来水厂消毒过程中产生消毒副产物(DBP)。其中，能产生消毒副产物的前致物分子一般含有芳香环、-OH、-NH2、-COOH、腐植酸和类富里酸基团。同时，桉树分泌物中酚类、萜类物质、蒎烯类物质以及有机酸富含这些化学结构，可以初步断定桉树分泌物进入自来水厂消毒工序将会导致自来水厂供水中消毒副产物含量增加。因此桉树分泌物对饮用水水源的风险以及对消毒副产物形成的影响值得深入研究。
3
结论
经论证分析，主要得出以下主要结论：
（1）桉树种植的机械过程对水体水质基本指标的影响非常明显，其开垦、经营过程严重影响林地土壤的物理结构，进而影响水体水质且容易造成水土流失，导致林区内溪水浊度大等问题；
（2）桉树砍伐过后的剩余物若丢弃于低洼、潮湿的地方，容易有免黑水现象发生，黑水水质差,对水生生物威胁大；
（3）雨季施肥容易造成肥料流失，水体中N、P总量剧增；
（4）桉树分泌的化感物质的物理特性及化学结构与水体中小分子天然有机物极为相近，其一旦进入水体，将增加水体中的小分子天然有机物的比例，一旦跟随水源进入消毒过程，消毒副产物的浓度有可能会增加，由其导致的饮用水安全问题值得进一步研究。
对策及建议：根据桉树的生长习性，为避免因桉树的种植而影响水质，建议将大面积的桉树林种远离水源地种植，妥善处理桉树砍伐过后的剩余物，对桉树林种植区域附近的水源定期监测，雨季时进行监测频率应适当提高。
推荐参考
朱群华,钟昌琴,谌建宇,等.水源地桉树人工林林区水体潜在风险浅析[J].净水技术,2017,36(8):26-31.
Zhu Qunhua, Zhong Changqin, Chen Jianyu, et al. Analysis of potential risk of water body in eucalyptus plantations of water source area[J]. Water Purification Technology, 2017, 36(8):26-31.