桉樹人工林對林區水庫黑水的影響

羅 凡,李一平,李 燕,李榮輝，許益新，朱 雅,肖 健，呂業佳

(1.廣東省環境科學研究院，廣東 廣州 510045； 2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098; 3.廣西壯族自治區水利科學研究院，廣西 南寧 530023)

桉樹(Eucalyptus)，桃金娘科、桉屬植物，一年中有周期性枯葉脫落的現象[1]。因生長輪伐快、經濟效益高等優點，近年來在我國南方省區大面積推廣,以廣西最為典型。廣西地區水庫眾多，南寧市90%的飲用水水源地水庫周圍都種植了桉樹，桉樹種植砍伐后很多水庫都出現了不同程度的黑水現象[2-3]。已有研究表明藻類等植物殘渣的大面積聚集引起的水體富營養化[4-5]、有機質含量[6-7]升高，缺氧條件下形成的黑色金屬硫化物，如黑色FeS、MnS等[8-9]，單寧酸或其與金屬離子形成的絡合物[10-11]等，都可能造成水體顏色變黑。目前學術界已在凋落物分解與養分循環[12]、凋落物與蒸餾水的浸泡或淋溶[13-15]對桉樹林區洼地或徑流黑水的影響方面做了大量研究，Francis等[16]研究發現，桉樹人工林區黑水富含DOC，DOC浸出量與許多因素相關，如樹種、河道灘地凋落物的累積量[17]等。在桉樹采伐時期或凋落物密集的季節，桉樹等植物殘渣經過雨水或林間溪水浸泡，林區水體呈黑色[13]。楊鈣仁等[13]對桉樹林區洼地黑水的研究表明，桉樹林區的黑水源于新鮮葉和嫩梢，新鮮葉累積越多，黑色越明顯。伍琪等[18]將桉樹、杉、紅椎凋落葉與蒸餾水混合浸泡127 d，發現桉樹凋落葉浸泡液較杉、松及紅椎凋落葉單寧酸含量高，單寧酸等多酚物質的存在，使桉樹凋落物分解的中間產物不容易被礦化，從而導致桉樹浸泡液色度高，pH值低。但水庫垂向分層明顯，上下水體環境區別較大，目前桉樹凋落葉浸泡對林區水庫黑水產生的影響機制仍不明確。本文采集林區水庫的底層與表層原水水樣，以及林區桉樹與庫區高密度種植的馬尾松樹的凋落葉，分別將不同樹葉與水樣兩兩混合浸泡，并將凋落葉與蒸餾水混合浸泡作為對照，探究凋落葉進入水庫后對水庫水質的影響，以明確桉樹人工林對林區水庫黑水產生的影響。

1 研究區概況

南寧市位于廣西壯族自治區南部，北回歸線的南側，空氣濕潤，為亞熱帶季風氣候，陽光充足，雨量豐沛，年平均氣溫在21.6 ℃左右，年均降水量超過 1 300 mm，夏季比冬季長很多，降雨多集中在5—9月。

天雹水庫是南寧市可利江的源頭，位于市西郊心圩鎮，臨近高新區(圖1)。水庫最大水深20 m，水庫面積約73.3萬m2，集雨面積約50.8 km2，總容量1 360萬m3，有效庫容880萬m3，目前供水人口超過8萬人。水庫入庫水量主要來源于降雨，水庫集雨區內桉樹種植面積達72%，砍伐歷史超過10年；集雨區內除桉樹樹種外，馬尾松數量最多。2018年3—12月調查期間，水庫水體在冬季12月初開始出現泛黑現象。

圖1 南寧市天雹水庫及水樣采集點示意圖

2 試驗設計與分析方法

2.1 試驗設計

水庫主庫區壩前的黑色現象最為明顯，TB3采樣點水深約18 m，采集水體泛黑前0.5 m水深的表層水樣、17.5 m水深的底層水樣，浸泡試驗開始前測定水樣中Fe、Mn、N、P等營養鹽、有機質等特征水質指標的質量濃度，水庫原水的監測結果見表1。

表1 天雹水庫表層與底層水樣特征指標

試驗采用簡單的樹葉浸泡方法，將待用的桉樹凋落葉與馬尾松凋落葉挑除雜質，自然風干，剪碎成1～2 cm。準備桉樹凋落葉及馬尾松凋落葉各6份，每份6 g，在有氧條件即敞開罐口與空氣直接接觸和缺氧條件對透明罐加膜加蓋密封[15]下將樹葉分別在透明塑料罐(容積為5 L)盛裝的蒸餾水、表層水樣、底層水樣中浸泡。試驗在常溫下共進行6 d。將蒸餾水、表層水、底層水與浸泡水樣進行對比，觀測水體色度、營養鹽(TN、TP、NH3-N)、還原性物質(Fe、Mn、硫化物)和有機質(單寧酸、DOC)的變化規律。試驗分組情況為：有氧條件下，蒸餾水+桉樹葉(編號CA)，蒸餾水+馬尾松葉(編號CM)；表層水+桉樹葉(編號BA)、表層水+馬尾松葉(編號BM)；底層水+桉樹葉(編號DA)、底層水+馬尾松葉(編號DM)；缺氧條件下，蒸餾水+桉樹葉(編號CAQ)、蒸餾水+馬尾松葉(編號CMQ)，表層水+桉樹葉(編號BAQ)、表層水+馬尾松葉(編號BMQ);底層水+桉樹葉(編號DAQ)、底層水+馬尾松葉(編號DMQ)。

2.2 樣品采集與分析方法

為進一步驗證桉樹對水庫黑水的影響，分別于2018年春(3月)、夏(7月)、秋(11月)、冬(12月)4個季節對天雹水庫近桉樹林與馬尾松林徑流入庫區分別進行監測。如圖1所示，靠近桉樹林徑流入庫區的TBa采樣點和靠近馬尾松林徑流入庫區的TBm采樣點，其水深均約3 m。采樣點斷面均離取水口較遠，受入庫徑流和取水口出流的影響小，理化特征較為穩定。水樣中Fe、Mn質量濃度按 GB 11911—89《火焰原子吸收分光光度法》測定，硫化物質量濃度按GB 16489—1996《亞甲基藍分光光度法》測定，TN質量濃度按GB 11894—89《堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》測定，TP質量濃度按GB 11893—89《鉬酸銨分光光度法》測定，NH3-N質量濃度按HJ 535—2009《納氏試劑分光光度法》測定，DOC質量濃度按HJ 501—2009《燃燒氧化-非分散紅外吸收法》測定，單寧酸質量濃度采用用紫外分光光度法測定[19]，色度按GB 11903—89《鉑鈷比色法》測定。

表2 各試驗組不同指標質量濃度

3 結果與分析

3.1 凋落葉浸泡對水體色度的影響

水庫原水的監測結果見表1，天雹水庫TB3采樣點底層水樣色度高于表層。桉樹與馬尾松凋落葉浸泡液色度對比如表2所示，桉樹葉浸泡對水體的色度影響顯著大于馬尾松葉：桉樹浸泡液的平均色度為112度，而馬尾松浸泡液平均色度只有7度。加入桉樹凋落葉浸泡6 d，底層水樣色度較表層水樣和蒸餾水顯著升高：表層水與蒸餾水的最大色度值為100度，而底層水的色度均大于140度。加入馬尾松凋落葉浸泡6 d，底層水色度也增大，但變化不顯著。桉樹葉在缺氧條件下浸泡的色度大于有氧條件下浸泡的色度：試驗組BAQ的色度值較試驗組BA升高20度，試驗組DAQ的色度值較試驗組DA升高10度，缺氧條件下底層浸泡水樣呈現黑褐色，而在有氧條件下呈現黃棕色。蒸餾水浸泡凋落葉的水樣在缺氧與有氧條件下色度相同，可能是浸泡時間較短的緣故。

3.2 凋落葉浸泡對水體營養鹽質量濃度的影響

凋落葉浸泡過程中，由于微生物的分解作用，浸泡液也發生了養分含量變化[20]。底層水樣的TN、TP、NH3-N質量濃度均高于表層水樣，其中NH3-N質量濃度達到表層的11.1倍(表1)。如表2所示，兩種凋落葉在水體中浸泡后，水體中TP質量濃度均升高，而TN質量濃度均減少，可能原因是微生物分解作用需要消耗大量氮元素，而在分解過程中會產生大量磷元素。缺氧條件下桉樹凋落葉在底層水中浸泡后的TN、TP、NH3-N質量濃度均比表層水低，可能由于缺氧條件下底層水體的水質條件更有利于營養鹽的消耗。有氧條件下桉樹葉在表層水樣中浸泡后的TN和NH3-N質量濃度較蒸餾水中浸泡后的質量濃度降低，可能由于表層水體中含有大量好氧、生命過程需要消耗大量氮元素的微生物。桉樹葉浸泡的TP平均質量濃度(0.10 mg/L)比馬尾松葉浸泡的TP質量濃度(0.07 mg/L)高，而兩種凋落葉浸泡后水中TN、NH3-N質量濃度對比不明顯。綜上，兩種凋落葉浸泡后均會一定程度上增加水體中營養鹽，尤其是TP，桉樹凋落葉較馬尾松凋落葉對水體營養鹽濃度增加貢獻更大；與蒸餾水相比，表層水、底層水還存在大量微生物，在浸泡過程中，表層水、底層水水體中的氮元素會被水中微生物消耗。

3.3 凋落葉浸泡對水體Fe、Mn質量濃度的影響

表層水樣Fe、Mn質量濃度分別為0.49 mg/L、1.07 mg/L，底層水樣的Fe、Mn質量濃度分別為0.67 mg/L和1.87 mg/L(表1)。如表2所示，兩種凋落葉在蒸餾水中浸泡后，Fe、Mn質量濃度均增加，其中桉樹葉有氧條件下浸泡，Fe質量濃度達到 0.73 mg/L；缺氧條件下浸泡，Mn質量濃度達到 0.78 mg/L，說明兩種植物浸泡均能產生少量的Fe、Mn，且桉樹葉浸泡比馬尾松葉浸泡對水中Fe、Mn質量濃度升高影響更顯著；凋落葉在蒸餾水中浸泡后，硫化物質量濃度也均明顯增加，桉樹凋落葉較馬尾松升高明顯；桉樹葉在有氧條件下浸泡，底層水樣與表層水樣的Fe、Mn質量濃度均略微下降；而桉樹葉在缺氧條件下浸泡，底層水樣的Fe、Mn質量濃度升高，分別為1.21 mg/L和2.09 mg/L，表層水樣的Fe、Mn質量濃度下降，分別為0.23 mg/L和0.88 mg/L。

3.4 凋落葉浸泡對水體硫化物質量濃度的影響

如表2所示，用蒸餾水浸泡馬尾松和桉樹葉時，不論在有氧還是缺氧條件，硫化物質量濃度均升高，且浸泡桉樹葉的質量濃度均大于馬尾松。用水庫原水在有氧條件下浸泡兩種凋落葉時，表層水樣浸泡的硫化物質量濃度較底層水樣的升高明顯，如浸泡桉樹葉的表層水硫化物質量濃度由0.006 mg/L升高至0.017 mg/L。用水庫原水在缺氧條件下浸泡兩種凋落葉時，表層水體硫化物質量濃度升高，但底層水體硫化物質量濃度降低，桉樹葉浸泡時底層硫化物質量濃度降低比馬尾松顯著，而桉樹葉在其他條件下浸泡的硫化物質量濃度均高于馬尾松，可能是缺氧條件下硫化物轉變成S2-與浸泡液中Fe2+、Mn2+結合形成不溶性黑色硫化物，從而也增大了水體色度。

表3 枯樹葉浸泡液各指標相關系數

注：**表示在0.01級別(雙尾)相關性顯著；*表示在0.05級別(雙尾)相關性顯著。

3.5 凋落葉浸泡對水體有機質質量濃度的影響

水體中有機碳對其生態系統的正常運轉有重要作用，水體對DOC有一定的承載能力，當DOC質量濃度達到一定程度時就容易引發黑水產生[21-22]。表層水樣的單寧酸、DOC質量濃度分別為0.016 mg/L和15.70 mg/L，底層水樣的單寧酸、DOC質量濃度分別為0.036 mg/L和15.70 mg/L(表1)。如表2所示，兩種凋落葉在浸泡后，水體中DOC的質量濃度均顯著上升，桉樹浸泡液DOC平均質量濃度達到46.40 mg/L，馬尾松浸泡液DOC平均質量濃度達到29.63 mg/L；同時桉樹浸泡液的單寧酸質量濃度也顯著升高，達到1.14 mg/L，這與楊鈣仁[13]與伍琪等[18]研究結果一致。蒸餾水在有氧條件下浸泡桉樹凋落葉后的單寧酸與DOC質量濃度較在缺氧條件下升高，可能是由于有氧條件有利于凋落葉分解產生有機質，但可能受浸泡時間短的影響，差異并不明顯。表層水與底層水在有氧條件下浸泡桉樹凋落葉后的單寧酸與DOC質量濃度均較在缺氧條件下浸泡減少，可能原因是缺氧環境能促進底層水與表層水中的微生物分解產生有機質。

4 討 論

樹葉在水體中有兩個階段的分解過程,第一個階段屬于物理過程，為易溶的復合物質在水中的快速溶解；第二個階段屬于分解作用，為樹葉自身依靠微生物作用等的緩慢分解[23-24]。林區桉樹秋冬季節落葉增多且其砍伐期一般在冬季，秋冬季節桉樹大量凋落葉等物質被徑流帶入水庫水體，因此探究桉樹凋落葉對水庫水質的影響尤為重要。凋落葉在浸泡的前3 d干物質被迅速淋洗，30 d后分解速率趨于穩定[25]。伍琪等[18]研究表明，在桉樹葉和松樹葉浸泡的第12～127天，桉樹葉浸泡液色度始終大于松樹葉。本研究浸泡時間為6 d，包含干物質被迅速淋洗的過程，在短暫的浸泡過程中也反映了凋落葉對水體水質的影響。對兩種凋落葉浸泡液的各指標進行相關分析，相關系數見表3。色度與TP、DOC、單寧酸均呈顯著正相關關系，相關系數分別為0.56、0.83和0.94。由此可見，當水體中TP、DOC和單寧酸尤其是DOC和單寧酸質量濃度越高時，色度越大，顏色越明顯。這與楊鈣仁等[14]的研究結論一致：大量單寧酸的存在，會影響凋落葉分解中產物的礦化，從而使得浸泡液色度高。TP與DOC、單寧酸也呈顯著正相關關系，相關系數分別為0.82、0.59，可能原因是凋落葉被分解產生有機質的同時也會有P元素產出。NH3-N與TN，Fe與Mn，DOC與單寧酸均呈顯著正相關關系，相關系數分別為0.79、0.86和0.87，一定程度上說明凋落葉浸泡在水中后對水體中Fe與Mn的影響以及對DOC與單寧酸的影響具有連帶性。

天雹水庫的水主要來源于降雨及降雨徑流匯入，降雨徑流將林區地表的凋落物、泥沙等物質沖刷進入水庫，從而影響水庫水質。4次監測數據(表4)表明，春季(3月)徑流入庫區水體水質最好，營養鹽、Fe、Mn、硫化物質量濃度以及單寧酸與DOC等有機質質量濃度均較低，原因可能是由于春季降水量少，林區樹木處于生長時期，凋落物少；4次監測結果顯示，TBa采樣點水體中Mn、單寧酸、DOC質量濃度基本高于TBm采樣點，這與室內凋落物浸泡結果一致。夏季(7月)處于汛期，雨量增多，徑流沖刷進入水庫的污染物質也增多，除TP及單寧酸、DOC外，其他指標值均為4個季節的最高。秋季(11月)，林區凋落物增多，徑流入庫區水體的單寧酸與DOC質量濃度升高，由于11月采樣前，庫區剛經歷過降雨，因此表層大部分污染物質的質量濃度高于底層，尤其是單寧酸與DOC質量濃度，TBm采樣點表層的單寧酸、DOC質量濃度分別為0.41 mg/L和15.10 mg/L，底層分別為0.24 mg/L和12.40 mg/L，TBa采樣點表層單寧酸、DOC質量濃度分別為 0.64 mg/L和20.10 mg/L，底層分別為0.38 mg/L和17.70 mg/L。冬季(12月)徑流入庫區內水體污染物質除TP與硫化物外，其余污染物質量濃度均較秋季低，可能是由于徑流入庫區物質向主庫區輸移。

表4 徑流入庫區水體水質指標

兩種林區的徑流入庫區水體夏季的鐵錳質量比分別為4和3，均大于1，而秋季分別為0.1和0.6，均小于1，可能原因是夏季降雨較多，大量林區土壤中的Fe通過入庫徑流進入水庫[26]，而秋季水體鐵錳質量比小于1，可能原因是Fe遷移至主庫區，Fe的遷移能力比Mn強。天雹水庫水溫分布呈穩定分層型[27]，在水溫分層條件下，表層水體處于有氧環境，底層水體處于缺氧環境。而凋落葉浸泡結果顯示，缺氧條件下，桉樹葉浸泡在底層水體中，水體Fe、Mn質量濃度均升高，而在有氧條件下，水體Fe、Mn質量濃度均降低，而無論缺氧還是有氧條件，桉樹葉浸泡在表層水體的Fe、Mn質量濃度均減小，因此凋落葉在水中分解時受到水中不同種類的微生物影響，且當桉樹葉沖刷進入水庫并沉積在水庫底層時，會使水庫底層的Fe、Mn質量濃度升高。而桉樹浸泡液中含有的大量單寧酸可與金屬離子結合，發生絡合反應，當其與鐵鹽溶液相遇時，水體變為藍黑色。這與太湖藻類高密度聚集，死亡分解產生有機質、硫化物質與底泥中的重金屬化合而形成致黑物質，最終導致“湖泛”的原因類似[28]。

由此可見，桉樹凋落物被徑流攜帶進入水庫后，水庫水體及表層沉積物的有機質含量均升高，在水體微生物的分解作用下產生了大量單寧酸和DOC，直接導致了水體色度升高。同時桉樹凋落葉被沖刷進入缺氧的底層水體后，會導致水體中Fe、Mn質量濃度增加，一定條件下，會與水體中的S2-形成黑色的金屬硫化物，或與水中的單寧酸結合形成黑色金屬絡合物，最終導致水庫水體呈現黑色。飲用水源地水質安全與否與人們生活密切相關，為降低林區桉樹凋落物等植物殘渣給飲用水安全帶來的風險，可在徑流入庫區設置防護網，或在雨季來臨前將林區桉樹殘渣進行清理，并運離庫區。

5 結 論

a. 桉樹浸泡液的色度顯著大于馬尾松，單寧酸與DOC質量濃度也均比馬尾松高。水體色度受凋落葉浸泡時分解的DOC與單寧酸影響較大，色度與DOC、單寧酸均呈顯著正相關關系，因此當桉樹凋落葉進入水庫后會增大水庫水體的色度，使得水體顏色呈深色。

b. 當桉樹凋落葉沖刷進入水庫后，缺氧條件會促使水體黑色變得更加明顯，尤其當桉樹凋落葉與缺氧的水庫底層水體混合后，Fe、Mn質量濃度升高。桉樹葉與底層水體混合對水體色度的影響顯著高于表層水體，而Fe、Mn是氧化還原的敏感元素，還原狀態下易與S2-形成黑色金屬硫化物，經過桉樹林區的入庫徑流進入缺氧的底層水體時，會增大水庫水體泛黑的風險。