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  • lol下注平台杨钙仁教授团队在桉树人工林生态环境效应研究系列进展

杨钙仁教授团队(成员邓羽松副教授、黄钰涵助理教授)坚持以促进桉树人工林高质量发展提供科技支撑为出发点,针对公众高度关切的桉树种植对水土资源、水生态影响等显性问题,开展了持续且不断深入的研究,试图回答以下问题,取得了阶段性进展:

一、桉树人工林是否为“抽水机”

随着中国桉树人工林面积不断扩大,人们关于桉树人工林是否为“抽水机”的疑虑急需科学回答。以往较多研究结果表明单位面积桉树人工林蒸腾量并不比杉木、马尾松等乡土种人工林高,但有民众尤其是林区居民认为种植桉树减少了河流流量,难道这部分民众看到的是假象?为科学回答这一公众高度关切的问题,团队通过由乡土树种(马尾松、杉木、鸭脚木、杜英等)组成的混交林、前茬为混交林的桉树人工林配对集水区,对集水区河流径流、林地土壤蒸发、林内外气象,以及树木蒸腾、土壤水分含量、土壤入渗等生态水文通量进行连续观测,并运用4种森林蒸散发模型对蒸散发量进行模拟。研究发现,桉树人工林和混交林集水区的径流系数分别为0.198和0.237,混交林改为桉树人工林后河流径流量减少16.5%,而林地土壤蒸发量增加了43.8%,但两种林分的植被蒸散发量占降雨总量的百分比(分别为67.4%和67.5%)并无显著差异,因此,土壤蒸发显著增强是桉树人工林河流径流量减少的最主要成因(Yang et al,2022)。改为桉树林后林内外的能量交换(太阳辐射、风)和进入林内雨量增加、地表覆盖度降低(Yang et al,2022),加之除草和施肥对土壤扰动等(Deng et al,2020),导致土壤蒸发增强(Yang et al,2022;Deng et al,2020),蒸发增强导致桉树林地土壤在雨前变得更为干燥(侯宁宁 等,2019),降雨时更多雨水用于补充土壤水分亏缺,因此,大雨甚至暴雨以下雨强的产流量就会减少。桉树人工林蒸散发量(通过水汽迁移)的增强将对其主下风向地区带来收益(降雨量增加),但桉树人工林这种“济世利人”需量力而行,即在雨水资源丰富地区影响不大,但在水资源较为紧张(包括时间上分配不均而紧张的)地区,出现种植桉树显著减少水资源量的现象不能排除。

初步结论:桉树不是“抽水机”,但种植桉树会导致河流径流(主要是基流)量减少,桉树人工林较低的郁闭度和灌草及凋落物覆盖度、土壤扰动频繁引起林地土壤蒸发增强,降雨时有较多雨水用于补充土壤水分亏缺,如此反复;因此,桉树人工林可能是“蒸发机”。

图1 桉树人工林(EU)及其前茬针阔混交林(MF)主要水文通量(Yang et al,2022)

 

二、桉树人工林流出的水是否“有毒”(1)“黑水”的形成机理颜色变黄、偶尔还会出现黑色,这是改种为桉树后林区河流水体颜色变化现象,这些“黄水”、“黑水”是否有毒?针对上述问题,团队开展了持续且不断深入的研究。通过对野外“黄水”、“黑水”样水质测定和室内“黄水”“黑水”形成模拟试验,发现“黄水”主要源自桉树林冠层和凋落物层的淋溶,高温天气下新鲜采伐剩余物降解淋溶水为“清水”。当“黄水”、“清水”遇上“老铁”(土壤溶液中溶解态二价和三价铁离子)就会生成“铁哥们”组合—黑色的单宁酸铁(墨水的主要成分),这是桉树人工林“黑水”形成的主要机理(Yang et al,2019)。当单宁浓度为50-80 mg/L、铁离子浓度为40-60 mg/L时颜色最深最黑(Yang et al,2019),但大多数情况下,林区径流中没有那么高浓度的游离态铁离子(一般在0.5 mg/L以下),所以“黑水”并非常客。此外,桉树单宁与“老铁”的“铁哥们”关系其实经不起考验,爆发性黑水现象(一般发生在新采伐迹地)一般在3天内就会消失(Yang et al,2019)。

图2 桉树人工林“黄水”“黑水”颜色特征(Yang et al,2019)

 

(2)对鱼有没毒性

为弄清“黄水”、“清水”、“黑水”对鱼是否“有毒”,设计了鱼暴露于单宁(桉树单宁/混合单宁、没食子酸/水解单宁、表没食子儿茶素没食子酸酯/缩合单宁)水溶液的急性毒性试验。研究发现高浓度桉树单宁可引起鱼急性中毒,其对斑马鱼的48 h半致死浓度(LC50)为186 mg/L(Xie et al,2022),但在低浓度时则可引起鱼儿兴奋(游动距离增加),桉树单宁对生物一般具有低促高抑的作用特征(类似养殖中饲料添加单宁促进动物肠道健康)。在桉树正常生长期间溪流的单宁含量比较低(Yang et al,2019),因此不足以引起鱼类急性反应。而当富含桉树单宁的径流遇上一定量的铁离子变为“黑水”后,其对斑马鱼的急性毒性大幅度降低,研究发现,“黑水”形成过程是桉树单宁鱼类毒性的生态解毒(铁离子占据单宁酚羟基配位点使得其蛋白质络合能力降低)过程(Xie et al,2022),从这个角度看,变黑是“好事”。

图3 暴露于不同浓度桉树单宁(TFL)水溶液的斑马鱼死亡率(左)及其拟合曲线(右)(Xie et al,2022)

 

(3)对富营养化水体藻华有无抑制作用

在桉树人工林面积占比较高的林区,有一种有趣的现象:库塘水体即使氮磷含量较高也很少出现藻华现象,这是否与桉树有关?团队前期研究发现了桉树单宁对鱼类具有急性毒性,它对同为生物的藻类是否也同样具有毒性呢?为解开谜底,团队设计了藻类暴露于单宁水溶液试验。研究发现,无论桉树单宁浓度高或低,铜绿微囊藻对其均不喜欢(藻细胞增殖均受到抑制),20 mg/L的桉树单宁对铜绿微囊藻(初始密度为1.8×106cells/ml)的抑制率就达75%,140 mg/L时则实现91.7%的抑制率。降低藻细胞Chl-a含量、诱导氧化胁迫引起藻细胞膜脂过氧化、络合可溶性蛋白等并最终表现为藻细胞皱缩、破碎等是桉树单宁抑藻的主要机理(Xie et al, 2023)。更为有趣的是,“铁哥们”组合(“黑水”)在对待鱼儿和藻类时并不“一视同仁”。相比于桉树单宁的“单干”,“铁哥们”组合对鱼类的急性毒性大幅度降低,而对藻类的抑制作用则显著增强,比如80 mg/L桉树单宁“单干”时在暴露第4天铜绿微囊藻的抑制率为55%,而当桉树单宁与26.5 mg/L的铁离子共存时对铜绿微囊藻的抑制率提升至75%(Xie et al, 2023)。正因为“铁哥们”组合的区别对待,在今后的富营养化水体水华防治中,可利用桉树单宁除藻且能保障鱼类安全。初步结论:桉树人工林“黑水”是桉树单宁与铁离子相结合的“纯天然”产物,一般对鱼无毒;高单宁浓度的“黄水”和“清水”对鱼存在一定的毒害风险;桉树单宁可抑制富营养化水体藻类的繁殖。

图4 暴露于不同浓度单宁酸(TA)和表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)以及桉树单宁(TFL)下铜绿微囊藻的藻密度以及培养液单宁浓度随时间的变化(Xie et al, 2023)

 

图5 暴露于不同类型单宁以及桉树单宁铁离子水溶液后铜绿微囊藻细胞形状变化(Xie et al, 2023)

 

三、是否为林地土壤“冲刷机”“压实机”

(1)桉树人工林土壤侵蚀是否严重种植桉树会否引起严重的土壤侵蚀?这也是公众关切的一个生态问题。为探索这一问题,团队对桉树人工林集水区内林道崩塌、路基沟蚀、河道泥沙淤积量、河流输沙量等进行了监测。研究发现,采伐桉树1年后林道路基沟蚀(发生率73%)、边坡崩塌、滑木道细沟水蚀为普遍现象,河水泥沙年均含量为0.57 kg/m3,比采伐前高185%,土壤侵蚀模数为1613 t/km2,是采伐前的15倍;61.9%的侵蚀泥沙向集水区外输出,99.5%的土壤侵蚀发生在雨季,林道修建因素直接贡献率在48%以上(王一佩 等,2019)。

图6 桉树人工林集水区内林道上形成的侵蚀沟

 

图7 采伐桉树后在集水区内河床上形成新侵蚀泥沙层

 

(2)乡土树种人工林改造为桉树人工林后土壤水文物理出现哪些变化

为探究该问题,以不同林龄(1、3、5年)第一代桉树人工林及其前茬米老排、杉木、马尾松人工林为对象,测定了土壤水文物理性质。结果表明,乡土树种人工纯林改造为桉树人工林(第一代)后,表层土壤容重略有下降,总孔隙度增加(主要来自大孔隙的增加),提升了表层土壤水库容。总体上,第一代林表层土壤是变疏松(孔隙度增大)了,这种变化提升了其蓄水潜力(侯宁宁 等,2019)。与前茬针阔混交林相比,第一代桉树人工林土壤前600 s入渗量下降25.3%,与马尾松、杉木纯林相比则分别升高148.1%和97.2%(于婧睿 等,2017),入渗量差异主要源自初始入渗速率变化,并与造林抚育引起的大孔隙密切相关。为深入了解入渗性能变化成因,对桉树人工林土壤团粒结构进行了研究,结果表明,快速湿润对土壤团聚体的破坏程度最大(林立文 等,2020),破碎后的细土粒不断填充土壤大孔隙,导致土壤入渗速率降低,也引发了另一个问题,就是下面要讨论的连栽桉树林土壤结构变化问题。

(3)连栽桉树会否导致林地土壤越来越紧实研究发现,短轮伐期第一代植苗林随着林龄的增加,黏粒含量、容重、土壤有机质和土壤水稳性大团聚体含量均有所增加,并导致土壤基质入渗降低(Zhao et al, 2022)。随着桉树人工林连栽代次的增加,土壤大孔隙平均半径、相同孔径范围的大孔隙数量减少。连栽到第4代,土壤孔隙结构退化,饱和导水率降低,土壤入渗性能减弱,集中水流条件下团聚体容易发生破碎、迁移(王金悦 等,2021;Wang et al., 2022)。土壤有机胶结物(SOC)、无机胶结物(铁、铝、锰氧化物)在提高土壤团聚体稳定性方面发挥着重要的作用(Lin et al, 2020)。桉树多代连栽后,胶结物质减少,土壤团聚体抗侵蚀能力下降,水力作用过程中磨损程度增加。相比于轮伐周期较长的乡土种人工林,桉树人工林频繁的机械作业压实了土壤;造林与抚育的翻耕暂时提高了表土大孔隙度,但也引发了表层土壤团粒破碎形成的细土粒对下层土壤孔隙的不断填充;输入林内能量增加不断加速土壤有机质分解,有机胶结物减少;富含桉树单宁入渗水对土壤的淋溶,也可能引起铁铝锰淋失,无机胶结物含量降低。上述各种变化均可导致土壤孔隙结构恶化,降低土壤抗侵蚀能力,但自变量主要源自经营活动。

图8 短轮伐期桉树第一代植苗林土壤基质入渗特征变化(Zhao et al, 2022)

 

图9 连载桉树对土壤结构稳定性的影响示意图(Wang et al., 2022)

 

初步结论:不恰当的桉树营林管理是土壤的“冲刷机”、“压实机”。桉树人工林土壤侵蚀主要发生在雨季,且林区道路的贡献接近50%。乡土树种改造为桉树人工林后,1代林表层土壤孔隙结构暂时得到改善,入渗及蓄水能力提升,土壤基质入渗降低,但多代连栽后,土壤孔隙结构显著退化,抗侵蚀能力显著降低。

 

鸣谢:上述研究得到了国家自然科学基金项目(31360134,42077077,42207389),广西科技项目(桂科AB22080103、桂科AA17204087-8、桂科攻1140002-3-4、桂科ZY21195016、2020GXNSFAA297242)的资助。

 

发表的论文

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