发展樟树产业对离子型稀土尾矿生态修复作用探讨

鲁向晖，张海娜，刘佳丽，金志农

(1.南昌工程学院 江西省樟树繁育与开发利用工程研究中心；2.水利与生态工程学院，江西 南昌 330099)

稀土是不可再生的重要战略资源，被广泛应用于现代工业和农业领域。南方红壤区是我国离子型稀土的主要产区，其中重稀土储量占据全球90%的比重，主要分布于江西、福建、广东、湖南、广西等省(区)，特别是江西省赣南地区的离子型稀土矿产储量占全国40%的比重，素有“稀土王国”之称，集中在龙南、定南、寻乌、信丰、安远、赣县、全南、宁都等8个县。上世纪70年代中期稀土资源被大面积开采，但受制于池浸和堆浸的落后开采工艺，产生了大量的稀土尾砂。这不但对地表植被产生毁灭性破坏，而且尾砂中残留的稀土元素含量较高，在降雨的冲刷和淋滤下造成土壤和水体污染，严重危害矿区的人畜安全。加之池浸工艺导致稀土尾砂酸度高、土壤结构破坏呈砂质态，储水性能差，尤其在夏季高温天气土壤水分严重亏缺，干热化强烈，植物生存受到威胁，使废弃稀土矿区治理成为了南方红壤区生态修复的重点与难点问题之一。

南方红壤区是樟属植物的分布中心，樟属植物不仅具有优良的材用价值，而且富含多种精油，是当前医药、食品、化工及美容领域的主要原材料，具有较高的经济价值。已有研究显示，樟属植物具有较强的抗逆性，可在南方红壤区的恶劣生境生长，已被用于崩岗治理、矿区生态修复等领域。江西省稀土储量丰富，稀土尾矿分布面积较广，生态环境恶劣；而樟树精油是江西省的特色产业，发展势头良好，能否将樟树精油产业与稀土尾砂治理相结合，推动稀土矿区生态修复的可持续发展，提高矿区群众经济收入，是本文的切入点。基于此，在系统分析稀土尾矿治理现状的基础上，论证了樟树(C.camphora)用于稀土尾矿修复的可行性，以期为丰富稀土尾矿治理方向、推动矿区生态治理可持续发展、助力矿区群众脱贫提供参考。

1 稀土尾矿修复现状

植物措施为主、工程措施为辅是当前稀土尾砂生态修复的主要技术。相较于工程、土壤改良等措施，植物修复具有成本低、不破坏场地结构且无二次污染等优点[1]，以及不同树种选择将直接影响到稀土矿区尾砂的修复效果。因此，适宜植物的选用对于提升稀土矿区尾砂生态环境修复效果尤为重要。相关的治理研究工作始于上世纪90年代，刘建业等[2]最先开展了稀土尾砂堆积场地恢复植被的试验研究，之后随着稀土尾砂引起的危害不断受到社会关注，关于稀土尾砂生态修复的研究也逐渐增多。研究成果主要集中在适生植物的选育[3]、植物对尾砂的改良作用[4-8]等，研究结果均认为植被措施对稀土矿区生态环境具有一定的改善作用，乔木、灌木及草本等因生态功能的不同，修复效果各异，如马唐(Digitariasanguinalis)可用于富集稀土矿区的锌和锰元素[9]，构树(Broussonetiapapyrifera)、刺槐(Robiniapseudoacacia)及桉树(Eucalyptusrobusta)可提高赣南稀土尾矿的养分含量[10]。其他研究也指出，稀土矿区土壤具有沙化、贫瘠、保水保肥能力差、酸性强等特点，应多选择耐旱、耐酸、耐瘠薄、生长迅速的禾本科、豆科、菊科、莎草科等植物作为绿化的先锋树种[2，6，11-12]。目前稀土尾砂上筛选出的植物，乔木主要有桉树(E.robusta)[13]、构树(Bpapyrifera)[14]、木荷(Schimasuperba)、樟树(C.Camphora)[15]，灌木有杜鹃(Rhododendronsimsii)、刺槐(R.pseudoacacia)、山茶(Camelliajaponica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、栀子(Gardeniajasminoides)、果桑(Morusalba)、金银花(Lonicerajaponica)，草本有芭茅(Miscanthusfloridulus)、狼尾草(Pennisetumalopecuroides)[16]、宽叶雀稗(Paspalumwetsfeteini)[17]、多年生黑麦草(Loliumperenne)、高羊茅(Festucaelata)[18]、百喜草(Paspalumnotatum)、紫珠草(Callicarpamacrophylla)，以及蕨类芒萁(Dicranopterisdichotoma)[19]、姬蕨(Hypolepispunctata)等。这些研究均集中于植物的生态适应方面，在与矿区经济发展相结合、推动区域产业发展的经济植物选育与推广方面鲜有报道。

上述植物大多能在稀土尾砂上成活，并有一定的保存率，多年的实施效果也提高了稀土尾矿区的植被覆盖率，生态环境得到了适度改善。根据课题组前期对江西寻乌稀土尾砂植被恢复情况的调查，发现稀土矿尾砂区地表植被覆盖度较高(甚至达到100%)，但是乔木层主要是桉树，种类单一，整体长势和治理成效均不理想。究其原因可能是，当地政府作为治理主体，其出发点重点考虑了生态效益，忽略了经济效益，当地群众难以从中直接获取经济收益，参与度低；矿区残留的稀土元素随牧草及可食用作物的种植而进入食物链，存在一定的安全风险[20]；乔木往往因土壤贫瘠、保水能力差而生长缓慢，形成“小老头树”。虽然桉树在稀土矿区广泛种植，但桉树与生境的协调性差，大量消耗水分养分，其环境影响一直受到争议，同时桉树耐寒抗风能力差，受寒死亡率较高。总之，当前稀土矿区的植被恢复具有投入多、产出少的特点，直接影响了群众参与治理的积极性和政府资金的投入产出比，使得大面积的稀土矿区仍然处于荒芜状态。因此，稀土矿区植被恢复特别是与相关产业发展相结合是当前具有挑战性的问题。

2 樟树分布、种类及其抗逆性

我国长江流域及其以南是樟树(C.camphora)的分布中心，自然分布于纬度N10°～34°，经度E88°～122°之间，除西藏外的15个省(市、区，即云南、广西、贵州、四川、重庆、湖南、湖北、江西、浙江、安徽、江苏、上海、福建、广东、海南)是樟树的主要栽培区。樟树富含精油，是香精香料[21]、药用卫生[22-23]和油脂化工[24]等领域的主要原材料来源。樟树植物资源分布广泛，种类丰富，主要有香樟(Cinnamomumcamphora)、黄樟(Cinnamomumporrectum.)、猴樟(Cinnamomumbodinieri)、油樟(Cinnamomumlongepaniculatum)、沉水樟(Cinnamomummicranthum)、云南樟(Cinnamomumglanduliferum)、细毛樟(Cinnamomumtenuipilum)和木姜子属的山苍子(Litseacubeba)等。不同的樟树种具有不同的化学型精油组分[25]。我国天然樟树精油产业的主要分布区域位于华东、华南及西南地区，特别是华东地区，是最大的分布区域，江西省作为全国樟树香料产业的发展中心，工业原料林(芳樟、脑樟、龙脑樟、山苍子等)的种植面积超1.33万hm2，特别是江西省的吉安市、赣州市及金溪县等地区，樟树精油产业基本上已成为这些地区林业的主导产业之一。

不仅如此，樟树(C.camphora)是我国亚热带地区重要的乡土植物，因其具有气候适应强、对土壤要求不严等特点，在一些矿区的生态修复中已有应用。如樟树(C.camphora)在江西德兴铜矿污染土壤治理中具有富集锰、铬、铅、镉等重金属的能力[26]，并可在镉胁迫环境下正常生长[27]；是福建省大田矿区生态恢复的优良树种[28]，是铅锌尾矿库治理中的推荐树种[29]，也是退化红壤生态修复中适宜的树种[30]。镉污染条件下香樟和油樟对隔吸收能力和耐性差异的研究表明，香樟幼苗比油樟幼苗具有更强的镉耐受能力和脱毒能力，且香樟更适合修复污染程度更高的土壤[31]。在稀土尾砂上的初步试验结果也表明，相较于枫香(Liquidambarformosana)和木荷(S.superba)，樟树(C.camphora)具有最高的水分利用效率[15]。虽然关于樟树在稀土矿区生态修复的研究成果不多，但是在稀土尾矿的绿化中已经大量种植樟树，这也说明了樟树可以在稀土矿区生长，且具有一定的适应性。然而这些樟树都是绿化用普通杂樟(主成分不突出)，虽表现出较高的生态价值，但杂樟经济价值低，难以形成经济产业实现可持续治理。如将具有高精油含量的樟树种应用于恢复矿区生态，可实现治理与经济产业协同发展。

在全球气候变暖的背景下，南方红壤区高温及干旱发生频率增大[32]。在高温胁迫下，不仅会引起植物气孔关闭、叶绿素被破坏等生理变化，甚至会导致植物细胞程序性死亡[33]，因此季节性的高温干旱成为限制甚至威胁植物生存的关键因素之一，关于樟树对高温干旱胁迫响应的研究也有开展。如，高温条件使樟树(C.camphora)的光合速率、气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率明显降低[34]，但与南方其他绿化树种相比，樟树(C.camphora)表现出对极端高温较好的适应性[35]，在短时(10min)极端高温(48℃)条件下，香樟(C.camphora)成熟叶片的生理指标基本未受影响[36]；在抵抗干旱方面，樟树(C.camphora)比构树(B.papyrifera)耐受力更强[37]。樟树幼苗在干旱发生时可通过调节叶绿素含量与水分利用情况来适应[38]；SOD(超氧化物歧化酶)、POD(过氧化物酶)、CAT(过氧化氢酶)可相互协调有效的清除自由基，减轻干旱对细胞膜的伤害，从而增加樟树幼苗的抗旱性[39]；通过合理的种植密度也可提高樟树幼苗的抗旱能力[40]，以及借助育苗基质可促进扦插繁育优良无性系芳樟幼苗的抗旱性能[41]。这些都说明了樟树应对干旱的能力很强，这为其在稀土尾砂的生长提供了可能；且张海娜[15]等关于稀土尾砂适生植物的筛选研究表明，稀土尾砂干热化严重，樟树幼苗较桉树、木荷和枫香幼苗具有更高的水分利用效率(WUE)，可通过提高WUE、可溶性糖和CAT来应对高温干旱，再次印证了将高精油含量樟树应用于稀土尾矿生态修复，实现产业发展的可能性。

3 樟属植物资源开发

在樟属植物资源开发利用方面，我国樟树精油产品的生产和出口已经在世界上居于重要地位[42]，经济效益巨大。如以柠檬醛为原料可以合成龙涎香(香水的定香剂)，销售价格与黄金等价，柠檬醛合成的香紫苏醇(>95%，香精、香料、香烟、化妆品、保健食品、食品添加剂)价格为850元/kg，是柠檬醛成本的8倍[43]；以黄樟素为原料合成的胡椒基丁醚(在以天然除虫菊为基础配制的杀虫剂中作为增效剂)，可使杀虫剂的药效呈几倍、几十倍地增加；以黄樟素为原料合成的洋茉莉醛不仅是化妆品、香水、皂用等调合时的主剂，还是电镀工业和农药的增效剂[44]。目前天然香樟、猴樟、黄樟、细毛樟资源已非常稀缺，国内外对樟树精油原料的需求量与日俱增，2017年我国国内市场柠檬醛销售规模为0.82万t，但其市场满足率仅有26.54%[45]。近年来通过人工造林及矮林提油规模发展迅速，仅江西省需要种苗量约2000万株/a，在5a经营周期内，第3年开始即可产生效益，第4年经济效益达到稳定[46]。因此，大面积推广种植高精油含量的优良樟树，具有很大的市场需求空间。

近年来通过人工造林发展樟树工业原料林获得了较好经济、社会和生态效益，矮林密植、割取枝叶提取精油是樟树工业原料林集约化生产和经营的重要发展方向之一，优良种苗的繁殖对于产业的发展至关重要。在樟树的无性繁殖和栽培技术方面已经取得了阶段性的成果[47-48]，为优良樟树的推广繁育提供了技术保障。因此，开展多化学型高岀油率、高主成分含量、高生物量的“三高型”樟树的推广与种植，对于精油产业的发展、精油市场价格的稳定将起到重要作用。

在江西省已发现樟树的化学型有芳樟醇型、樟脑型、桉油素型、异橙花叔醇型和龙脑型5种[49]；猴樟(C.bodinieri)[50]和湖北樟(C.bodinieriLévl.var.hupehanum)[51]具有2种化学型；黄樟(C.porrectum)已发现至少具有5个化学类型[52]；分布于云南西双版纳的细毛樟(C.tenuipilum)化学型则有12种之多[53]；这些化学型的研究发现，为江西省樟油加工产业的发展创造了良好的基础。目前发展樟树种植和樟油生产已经成为江西、福建、广西等省份县域经济的重要组成部分，甚至已成为江西省的特色产业，正以矮林作业模式大面积种植。赣南稀土矿区气候条件优越，荒芜土地面积较大，生态修复及经济转型发展需求紧迫，这些都为在稀土矿区发展香料用樟树植物精油产业提供了可能。

同时，赣州市现有的香料企业通过“公司+基地+农户”“合作社+基地+农户”等模式经营，农户与公司签订原料上门收购合同，实行最低保护价收购，产业的发展不但帮助当地农民就近就业，而且增加了农民的收入，实现了香料香精产业发展与农户增收的双赢局面。稀土矿区治理可从中获得借鉴，走出一条生态修复与产业发展相结合的可持续发展之路。

4 结论与建议

在稀土矿尾砂治理中，政府部门是唯一的参与者，虽然多年的治理工作在提高矿区植被覆盖度、减少土壤流失方面取得了显著的效果，但是现有的治理模式和出发点过多的强调了社会效益及生态效益，忽略了经济效益，使当地群众的参与性不高，难以形成生态、社会、经济效益协同发展的局面。寻找一种既具有良好的生态治理功能、又具有较高经济价值的植物来治理稀土尾砂，形成政府主导、群众积极参与的稀土矿区治理模式势在必行。

因此，将江西省的特色产业香料用樟树用于稀土矿区治理，不仅具有恢复植被、保持水土的生态效益，而且可获得较高的经济产出，再加上樟树枝叶精油采用蒸馏法提取，其有害物质不进入食物链，在生产上具有一定的安全性。但是赣南稀土矿区自然条件恶劣，季节性高温干旱频发，可能会引起香料用樟属植物的生长受阻，生物量累积缓慢，精油产量降低等，进而影响经济收益。因此，筛选出对稀土尾砂适应性强的高精油含量樟属植物，研究稀土尾砂非生物因素对香料用樟属植物生长的影响，以及樟树高效种植技术等问题，还需经过试验系统解决。如果这些问题得以解决，对于提高群众参与稀土尾砂治理的积极性、推进稀土矿区生态修复的可持续经营将取得全新突破，也是推动山区产业发展、推进乡村振兴战略的重要实践。