桉树人工林对林区水库黑水的影响

罗 凡,李一平,李 燕,李荣辉，许益新，朱 雅,肖 健，吕业佳

(1.广东省环境科学研究院，广东 广州 510045； 2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098; 3.广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530023)

桉树(Eucalyptus)，桃金娘科、桉属植物，一年中有周期性枯叶脱落的现象[1]。因生长轮伐快、经济效益高等优点，近年来在我国南方省区大面积推广,以广西最为典型。广西地区水库众多，南宁市90%的饮用水水源地水库周围都种植了桉树，桉树种植砍伐后很多水库都出现了不同程度的黑水现象[2-3]。已有研究表明藻类等植物残渣的大面积聚集引起的水体富营养化[4-5]、有机质含量[6-7]升高，缺氧条件下形成的黑色金属硫化物，如黑色FeS、MnS等[8-9]，单宁酸或其与金属离子形成的络合物[10-11]等，都可能造成水体颜色变黑。目前学术界已在凋落物分解与养分循环[12]、凋落物与蒸馏水的浸泡或淋溶[13-15]对桉树林区洼地或径流黑水的影响方面做了大量研究，Francis等[16]研究发现，桉树人工林区黑水富含DOC，DOC浸出量与许多因素相关，如树种、河道滩地凋落物的累积量[17]等。在桉树采伐时期或凋落物密集的季节，桉树等植物残渣经过雨水或林间溪水浸泡，林区水体呈黑色[13]。杨钙仁等[13]对桉树林区洼地黑水的研究表明，桉树林区的黑水源于新鲜叶和嫩梢，新鲜叶累积越多，黑色越明显。伍琪等[18]将桉树、杉、红椎凋落叶与蒸馏水混合浸泡127 d，发现桉树凋落叶浸泡液较杉、松及红椎凋落叶单宁酸含量高，单宁酸等多酚物质的存在，使桉树凋落物分解的中间产物不容易被矿化，从而导致桉树浸泡液色度高，pH值低。但水库垂向分层明显，上下水体环境区别较大，目前桉树凋落叶浸泡对林区水库黑水产生的影响机制仍不明确。本文采集林区水库的底层与表层原水水样，以及林区桉树与库区高密度种植的马尾松树的凋落叶，分别将不同树叶与水样两两混合浸泡，并将凋落叶与蒸馏水混合浸泡作为对照，探究凋落叶进入水库后对水库水质的影响，以明确桉树人工林对林区水库黑水产生的影响。

1 研究区概况

南宁市位于广西壮族自治区南部，北回归线的南侧，空气湿润，为亚热带季风气候，阳光充足，雨量丰沛，年平均气温在21.6 ℃左右，年均降水量超过 1 300 mm，夏季比冬季长很多，降雨多集中在5—9月。

天雹水库是南宁市可利江的源头，位于市西郊心圩镇，临近高新区(图1)。水库最大水深20 m，水库面积约73.3万m2，集雨面积约50.8 km2，总容量1 360万m3，有效库容880万m3，目前供水人口超过8万人。水库入库水量主要来源于降雨，水库集雨区内桉树种植面积达72%，砍伐历史超过10年；集雨区内除桉树树种外，马尾松数量最多。2018年3—12月调查期间，水库水体在冬季12月初开始出现泛黑现象。

图1 南宁市天雹水库及水样采集点示意图

2 试验设计与分析方法

2.1 试验设计

水库主库区坝前的黑色现象最为明显，TB3采样点水深约18 m，采集水体泛黑前0.5 m水深的表层水样、17.5 m水深的底层水样，浸泡试验开始前测定水样中Fe、Mn、N、P等营养盐、有机质等特征水质指标的质量浓度，水库原水的监测结果见表1。

表1 天雹水库表层与底层水样特征指标

试验采用简单的树叶浸泡方法，将待用的桉树凋落叶与马尾松凋落叶挑除杂质，自然风干，剪碎成1～2 cm。准备桉树凋落叶及马尾松凋落叶各6份，每份6 g，在有氧条件即敞开罐口与空气直接接触和缺氧条件对透明罐加膜加盖密封[15]下将树叶分别在透明塑料罐(容积为5 L)盛装的蒸馏水、表层水样、底层水样中浸泡。试验在常温下共进行6 d。将蒸馏水、表层水、底层水与浸泡水样进行对比，观测水体色度、营养盐(TN、TP、NH3-N)、还原性物质(Fe、Mn、硫化物)和有机质(单宁酸、DOC)的变化规律。试验分组情况为：有氧条件下，蒸馏水+桉树叶(编号CA)，蒸馏水+马尾松叶(编号CM)；表层水+桉树叶(编号BA)、表层水+马尾松叶(编号BM)；底层水+桉树叶(编号DA)、底层水+马尾松叶(编号DM)；缺氧条件下，蒸馏水+桉树叶(编号CAQ)、蒸馏水+马尾松叶(编号CMQ)，表层水+桉树叶(编号BAQ)、表层水+马尾松叶(编号BMQ);底层水+桉树叶(编号DAQ)、底层水+马尾松叶(编号DMQ)。

2.2 样品采集与分析方法

为进一步验证桉树对水库黑水的影响，分别于2018年春(3月)、夏(7月)、秋(11月)、冬(12月)4个季节对天雹水库近桉树林与马尾松林径流入库区分别进行监测。如图1所示，靠近桉树林径流入库区的TBa采样点和靠近马尾松林径流入库区的TBm采样点，其水深均约3 m。采样点断面均离取水口较远，受入库径流和取水口出流的影响小，理化特征较为稳定。水样中Fe、Mn质量浓度按 GB 11911—89《火焰原子吸收分光光度法》测定，硫化物质量浓度按GB 16489—1996《亚甲基蓝分光光度法》测定，TN质量浓度按GB 11894—89《碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定，TP质量浓度按GB 11893—89《钼酸铵分光光度法》测定，NH3-N质量浓度按HJ 535—2009《纳氏试剂分光光度法》测定，DOC质量浓度按HJ 501—2009《燃烧氧化-非分散红外吸收法》测定，单宁酸质量浓度采用用紫外分光光度法测定[19]，色度按GB 11903—89《铂钴比色法》测定。

表2 各试验组不同指标质量浓度

3 结果与分析

3.1 凋落叶浸泡对水体色度的影响

水库原水的监测结果见表1，天雹水库TB3采样点底层水样色度高于表层。桉树与马尾松凋落叶浸泡液色度对比如表2所示，桉树叶浸泡对水体的色度影响显著大于马尾松叶：桉树浸泡液的平均色度为112度，而马尾松浸泡液平均色度只有7度。加入桉树凋落叶浸泡6 d，底层水样色度较表层水样和蒸馏水显著升高：表层水与蒸馏水的最大色度值为100度，而底层水的色度均大于140度。加入马尾松凋落叶浸泡6 d，底层水色度也增大，但变化不显著。桉树叶在缺氧条件下浸泡的色度大于有氧条件下浸泡的色度：试验组BAQ的色度值较试验组BA升高20度，试验组DAQ的色度值较试验组DA升高10度，缺氧条件下底层浸泡水样呈现黑褐色，而在有氧条件下呈现黄棕色。蒸馏水浸泡凋落叶的水样在缺氧与有氧条件下色度相同，可能是浸泡时间较短的缘故。

3.2 凋落叶浸泡对水体营养盐质量浓度的影响

凋落叶浸泡过程中，由于微生物的分解作用，浸泡液也发生了养分含量变化[20]。底层水样的TN、TP、NH3-N质量浓度均高于表层水样，其中NH3-N质量浓度达到表层的11.1倍(表1)。如表2所示，两种凋落叶在水体中浸泡后，水体中TP质量浓度均升高，而TN质量浓度均减少，可能原因是微生物分解作用需要消耗大量氮元素，而在分解过程中会产生大量磷元素。缺氧条件下桉树凋落叶在底层水中浸泡后的TN、TP、NH3-N质量浓度均比表层水低，可能由于缺氧条件下底层水体的水质条件更有利于营养盐的消耗。有氧条件下桉树叶在表层水样中浸泡后的TN和NH3-N质量浓度较蒸馏水中浸泡后的质量浓度降低，可能由于表层水体中含有大量好氧、生命过程需要消耗大量氮元素的微生物。桉树叶浸泡的TP平均质量浓度(0.10 mg/L)比马尾松叶浸泡的TP质量浓度(0.07 mg/L)高，而两种凋落叶浸泡后水中TN、NH3-N质量浓度对比不明显。综上，两种凋落叶浸泡后均会一定程度上增加水体中营养盐，尤其是TP，桉树凋落叶较马尾松凋落叶对水体营养盐浓度增加贡献更大；与蒸馏水相比，表层水、底层水还存在大量微生物，在浸泡过程中，表层水、底层水水体中的氮元素会被水中微生物消耗。

3.3 凋落叶浸泡对水体Fe、Mn质量浓度的影响

表层水样Fe、Mn质量浓度分别为0.49 mg/L、1.07 mg/L，底层水样的Fe、Mn质量浓度分别为0.67 mg/L和1.87 mg/L(表1)。如表2所示，两种凋落叶在蒸馏水中浸泡后，Fe、Mn质量浓度均增加，其中桉树叶有氧条件下浸泡，Fe质量浓度达到 0.73 mg/L；缺氧条件下浸泡，Mn质量浓度达到 0.78 mg/L，说明两种植物浸泡均能产生少量的Fe、Mn，且桉树叶浸泡比马尾松叶浸泡对水中Fe、Mn质量浓度升高影响更显著；凋落叶在蒸馏水中浸泡后，硫化物质量浓度也均明显增加，桉树凋落叶较马尾松升高明显；桉树叶在有氧条件下浸泡，底层水样与表层水样的Fe、Mn质量浓度均略微下降；而桉树叶在缺氧条件下浸泡，底层水样的Fe、Mn质量浓度升高，分别为1.21 mg/L和2.09 mg/L，表层水样的Fe、Mn质量浓度下降，分别为0.23 mg/L和0.88 mg/L。

3.4 凋落叶浸泡对水体硫化物质量浓度的影响

如表2所示，用蒸馏水浸泡马尾松和桉树叶时，不论在有氧还是缺氧条件，硫化物质量浓度均升高，且浸泡桉树叶的质量浓度均大于马尾松。用水库原水在有氧条件下浸泡两种凋落叶时，表层水样浸泡的硫化物质量浓度较底层水样的升高明显，如浸泡桉树叶的表层水硫化物质量浓度由0.006 mg/L升高至0.017 mg/L。用水库原水在缺氧条件下浸泡两种凋落叶时，表层水体硫化物质量浓度升高，但底层水体硫化物质量浓度降低，桉树叶浸泡时底层硫化物质量浓度降低比马尾松显著，而桉树叶在其他条件下浸泡的硫化物质量浓度均高于马尾松，可能是缺氧条件下硫化物转变成S2-与浸泡液中Fe2+、Mn2+结合形成不溶性黑色硫化物，从而也增大了水体色度。

表3 枯树叶浸泡液各指标相关系数

注：**表示在0.01级别(双尾)相关性显著；*表示在0.05级别(双尾)相关性显著。

3.5 凋落叶浸泡对水体有机质质量浓度的影响

水体中有机碳对其生态系统的正常运转有重要作用，水体对DOC有一定的承载能力，当DOC质量浓度达到一定程度时就容易引发黑水产生[21-22]。表层水样的单宁酸、DOC质量浓度分别为0.016 mg/L和15.70 mg/L，底层水样的单宁酸、DOC质量浓度分别为0.036 mg/L和15.70 mg/L(表1)。如表2所示，两种凋落叶在浸泡后，水体中DOC的质量浓度均显著上升，桉树浸泡液DOC平均质量浓度达到46.40 mg/L，马尾松浸泡液DOC平均质量浓度达到29.63 mg/L；同时桉树浸泡液的单宁酸质量浓度也显著升高，达到1.14 mg/L，这与杨钙仁[13]与伍琪等[18]研究结果一致。蒸馏水在有氧条件下浸泡桉树凋落叶后的单宁酸与DOC质量浓度较在缺氧条件下升高，可能是由于有氧条件有利于凋落叶分解产生有机质，但可能受浸泡时间短的影响，差异并不明显。表层水与底层水在有氧条件下浸泡桉树凋落叶后的单宁酸与DOC质量浓度均较在缺氧条件下浸泡减少，可能原因是缺氧环境能促进底层水与表层水中的微生物分解产生有机质。

4 讨 论

树叶在水体中有两个阶段的分解过程,第一个阶段属于物理过程，为易溶的复合物质在水中的快速溶解；第二个阶段属于分解作用，为树叶自身依靠微生物作用等的缓慢分解[23-24]。林区桉树秋冬季节落叶增多且其砍伐期一般在冬季，秋冬季节桉树大量凋落叶等物质被径流带入水库水体，因此探究桉树凋落叶对水库水质的影响尤为重要。凋落叶在浸泡的前3 d干物质被迅速淋洗，30 d后分解速率趋于稳定[25]。伍琪等[18]研究表明，在桉树叶和松树叶浸泡的第12～127天，桉树叶浸泡液色度始终大于松树叶。本研究浸泡时间为6 d，包含干物质被迅速淋洗的过程，在短暂的浸泡过程中也反映了凋落叶对水体水质的影响。对两种凋落叶浸泡液的各指标进行相关分析，相关系数见表3。色度与TP、DOC、单宁酸均呈显著正相关关系，相关系数分别为0.56、0.83和0.94。由此可见，当水体中TP、DOC和单宁酸尤其是DOC和单宁酸质量浓度越高时，色度越大，颜色越明显。这与杨钙仁等[14]的研究结论一致：大量单宁酸的存在，会影响凋落叶分解中产物的矿化，从而使得浸泡液色度高。TP与DOC、单宁酸也呈显著正相关关系，相关系数分别为0.82、0.59，可能原因是凋落叶被分解产生有机质的同时也会有P元素产出。NH3-N与TN，Fe与Mn，DOC与单宁酸均呈显著正相关关系，相关系数分别为0.79、0.86和0.87，一定程度上说明凋落叶浸泡在水中后对水体中Fe与Mn的影响以及对DOC与单宁酸的影响具有连带性。

天雹水库的水主要来源于降雨及降雨径流汇入，降雨径流将林区地表的凋落物、泥沙等物质冲刷进入水库，从而影响水库水质。4次监测数据(表4)表明，春季(3月)径流入库区水体水质最好，营养盐、Fe、Mn、硫化物质量浓度以及单宁酸与DOC等有机质质量浓度均较低，原因可能是由于春季降水量少，林区树木处于生长时期，凋落物少；4次监测结果显示，TBa采样点水体中Mn、单宁酸、DOC质量浓度基本高于TBm采样点，这与室内凋落物浸泡结果一致。夏季(7月)处于汛期，雨量增多，径流冲刷进入水库的污染物质也增多，除TP及单宁酸、DOC外，其他指标值均为4个季节的最高。秋季(11月)，林区凋落物增多，径流入库区水体的单宁酸与DOC质量浓度升高，由于11月采样前，库区刚经历过降雨，因此表层大部分污染物质的质量浓度高于底层，尤其是单宁酸与DOC质量浓度，TBm采样点表层的单宁酸、DOC质量浓度分别为0.41 mg/L和15.10 mg/L，底层分别为0.24 mg/L和12.40 mg/L，TBa采样点表层单宁酸、DOC质量浓度分别为 0.64 mg/L和20.10 mg/L，底层分别为0.38 mg/L和17.70 mg/L。冬季(12月)径流入库区内水体污染物质除TP与硫化物外，其余污染物质量浓度均较秋季低，可能是由于径流入库区物质向主库区输移。

表4 径流入库区水体水质指标

两种林区的径流入库区水体夏季的铁锰质量比分别为4和3，均大于1，而秋季分别为0.1和0.6，均小于1，可能原因是夏季降雨较多，大量林区土壤中的Fe通过入库径流进入水库[26]，而秋季水体铁锰质量比小于1，可能原因是Fe迁移至主库区，Fe的迁移能力比Mn强。天雹水库水温分布呈稳定分层型[27]，在水温分层条件下，表层水体处于有氧环境，底层水体处于缺氧环境。而凋落叶浸泡结果显示，缺氧条件下，桉树叶浸泡在底层水体中，水体Fe、Mn质量浓度均升高，而在有氧条件下，水体Fe、Mn质量浓度均降低，而无论缺氧还是有氧条件，桉树叶浸泡在表层水体的Fe、Mn质量浓度均减小，因此凋落叶在水中分解时受到水中不同种类的微生物影响，且当桉树叶冲刷进入水库并沉积在水库底层时，会使水库底层的Fe、Mn质量浓度升高。而桉树浸泡液中含有的大量单宁酸可与金属离子结合，发生络合反应，当其与铁盐溶液相遇时，水体变为蓝黑色。这与太湖藻类高密度聚集，死亡分解产生有机质、硫化物质与底泥中的重金属化合而形成致黑物质，最终导致“湖泛”的原因类似[28]。

由此可见，桉树凋落物被径流携带进入水库后，水库水体及表层沉积物的有机质含量均升高，在水体微生物的分解作用下产生了大量单宁酸和DOC，直接导致了水体色度升高。同时桉树凋落叶被冲刷进入缺氧的底层水体后，会导致水体中Fe、Mn质量浓度增加，一定条件下，会与水体中的S2-形成黑色的金属硫化物，或与水中的单宁酸结合形成黑色金属络合物，最终导致水库水体呈现黑色。饮用水源地水质安全与否与人们生活密切相关，为降低林区桉树凋落物等植物残渣给饮用水安全带来的风险，可在径流入库区设置防护网，或在雨季来临前将林区桉树残渣进行清理，并运离库区。

5 结 论

a. 桉树浸泡液的色度显著大于马尾松，单宁酸与DOC质量浓度也均比马尾松高。水体色度受凋落叶浸泡时分解的DOC与单宁酸影响较大，色度与DOC、单宁酸均呈显著正相关关系，因此当桉树凋落叶进入水库后会增大水库水体的色度，使得水体颜色呈深色。

b. 当桉树凋落叶冲刷进入水库后，缺氧条件会促使水体黑色变得更加明显，尤其当桉树凋落叶与缺氧的水库底层水体混合后，Fe、Mn质量浓度升高。桉树叶与底层水体混合对水体色度的影响显著高于表层水体，而Fe、Mn是氧化还原的敏感元素，还原状态下易与S2-形成黑色金属硫化物，经过桉树林区的入库径流进入缺氧的底层水体时，会增大水库水体泛黑的风险。