楊鈣仁教授團隊（成員鄧羽松副教授、黃钰涵助理教授）堅持以促進桉樹人工林高質量發展提供科技支撐為出發點，針對公衆高度關切的桉樹種植對水土資源、水生态影響等顯性問題，開展了持續且不斷深入的研究，試圖回答以下問題，取得了階段性進展：
一、桉樹人工林是否為“抽水機”
随着中國桉樹人工林面積不斷擴大，人們關于桉樹人工林是否為“抽水機”的疑慮急需科學回答。以往較多研究結果表明單位面積桉樹人工林蒸騰量并不比杉木、馬尾松等鄉土種人工林高，但有民衆尤其是林區居民認為種植桉樹減少了河流流量，難道這部分民衆看到的是假象？為科學回答這一公衆高度關切的問題，團隊通過由鄉土樹種（馬尾松、杉木、鴨腳木、杜英等）組成的混交林、前茬為混交林的桉樹人工林配對集水區，對集水區河流徑流、林地土壤蒸發、林内外氣象，以及樹木蒸騰、土壤水分含量、土壤入滲等生态水文通量進行連續觀測，并運用4種森林蒸散發模型對蒸散發量進行模拟。研究發現，桉樹人工林和混交林集水區的徑流系數分别為0.198和0.237，混交林改為桉樹人工林後河流徑流量減少16.5%，而林地土壤蒸發量增加了43.8%，但兩種林分的植被蒸散發量占降雨總量的百分比（分别為67.4%和67.5%）并無顯著差異，因此，土壤蒸發顯著增強是桉樹人工林河流徑流量減少的最主要成因（Yang et al，2022）。改為桉樹林後林内外的能量交換（太陽輻射、風）和進入林内雨量增加、地表覆蓋度降低（Yang et al，2022），加之除草和施肥對土壤擾動等（Deng et al，2020），導緻土壤蒸發增強（Yang et al，2022；Deng et al，2020），蒸發增強導緻桉樹林地土壤在雨前變得更為幹燥（侯甯甯 等，2019），降雨時更多雨水用于補充土壤水分虧缺，因此，大雨甚至暴雨以下雨強的産流量就會減少。桉樹人工林蒸散發量（通過水汽遷移）的增強将對其主下風向地區帶來收益（降雨量增加），但桉樹人工林這種“濟世利人”需量力而行，即在雨水資源豐富地區影響不大，但在水資源較為緊張（包括時間上分配不均而緊張的）地區，出現種植桉樹顯著減少水資源量的現象不能排除。
初步結論：桉樹不是“抽水機”，但種植桉樹會導緻河流徑流（主要是基流）量減少，桉樹人工林較低的郁閉度和灌草及凋落物覆蓋度、土壤擾動頻繁引起林地土壤蒸發增強，降雨時有較多雨水用于補充土壤水分虧缺，如此反複；因此，桉樹人工林可能是“蒸發機”。
圖1 桉樹人工林（EU）及其前茬針闊混交林（MF）主要水文通量（Yang et al，2022）
二、桉樹人工林流出的水是否“有毒”（1）“黑水”的形成機理顔色變黃、偶爾還會出現黑色，這是改種為桉樹後林區河流水體顔色變化現象，這些“黃水”、“黑水”是否有毒？針對上述問題，團隊開展了持續且不斷深入的研究。通過對野外“黃水”、“黑水”樣水質測定和室内“黃水”“黑水”形成模拟試驗，發現“黃水”主要源自桉樹林冠層和凋落物層的淋溶，高溫天氣下新鮮采伐剩餘物降解淋溶水為“清水”。當“黃水”、“清水”遇上“老鐵”（土壤溶液中溶解态二價和三價鐵離子）就會生成“鐵哥們”組合—黑色的單甯酸鐵（墨水的主要成分），這是桉樹人工林“黑水”形成的主要機理（Yang et al，2019）。當單甯濃度為50-80 mg/L、鐵離子濃度為40-60 mg/L時顔色最深最黑（Yang et al，2019），但大多數情況下，林區徑流中沒有那麼高濃度的遊離态鐵離子（一般在0.5 mg/L以下），所以“黑水”并非常客。此外，桉樹單甯與“老鐵”的“鐵哥們”關系其實經不起考驗，爆發性黑水現象（一般發生在新采伐迹地）一般在3天内就會消失（Yang et al，2019）。
圖2 桉樹人工林“黃水”“黑水”顔色特征（Yang et al，2019）
（2）對魚有沒毒性
為弄清“黃水”、“清水”、“黑水”對魚是否“有毒”，設計了魚暴露于單甯（桉樹單甯/混合單甯、沒食子酸/水解單甯、表沒食子兒茶素沒食子酸酯/縮合單甯）水溶液的急性毒性試驗。研究發現高濃度桉樹單甯可引起魚急性中毒，其對斑馬魚的48 h半緻死濃度（LC50）為186 mg/L（Xie et al，2022），但在低濃度時則可引起魚兒興奮（遊動距離增加），桉樹單甯對生物一般具有低促高抑的作用特征（類似養殖中飼料添加單甯促進動物腸道健康）。在桉樹正常生長期間溪流的單甯含量比較低（Yang et al，2019），因此不足以引起魚類急性反應。而當富含桉樹單甯的徑流遇上一定量的鐵離子變為“黑水”後，其對斑馬魚的急性毒性大幅度降低，研究發現，“黑水”形成過程是桉樹單甯魚類毒性的生态解毒（鐵離子占據單甯酚羟基配位點使得其蛋白質絡合能力降低）過程（Xie et al，2022），從這個角度看，變黑是“好事”。
圖3 暴露于不同濃度桉樹單甯（TFL）水溶液的斑馬魚死亡率（左）及其拟合曲線（右）（Xie et al，2022）
（3）對富營養化水體藻華有無抑制作用
在桉樹人工林面積占比較高的林區，有一種有趣的現象：庫塘水體即使氮磷含量較高也很少出現藻華現象，這是否與桉樹有關？團隊前期研究發現了桉樹單甯對魚類具有急性毒性，它對同為生物的藻類是否也同樣具有毒性呢？為解開謎底，團隊設計了藻類暴露于單甯水溶液試驗。研究發現，無論桉樹單甯濃度高或低，銅綠微囊藻對其均不喜歡（藻細胞增殖均受到抑制），20 mg/L的桉樹單甯對銅綠微囊藻（初始密度為1.8×106cells/ml）的抑制率就達75%，140 mg/L時則實現91.7%的抑制率。降低藻細胞Chl-a含量、誘導氧化脅迫引起藻細胞膜脂過氧化、絡合可溶性蛋白等并最終表現為藻細胞皺縮、破碎等是桉樹單甯抑藻的主要機理（Xie et al, 2023）。更為有趣的是，“鐵哥們”組合（“黑水”）在對待魚兒和藻類時并不“一視同仁”。相比于桉樹單甯的“單幹”，“鐵哥們”組合對魚類的急性毒性大幅度降低，而對藻類的抑制作用則顯著增強，比如80 mg/L桉樹單甯“單幹”時在暴露第4天銅綠微囊藻的抑制率為55%，而當桉樹單甯與26.5 mg/L的鐵離子共存時對銅綠微囊藻的抑制率提升至75%（Xie et al, 2023）。正因為“鐵哥們”組合的區别對待，在今後的富營養化水體水華防治中，可利用桉樹單甯除藻且能保障魚類安全。初步結論：桉樹人工林“黑水”是桉樹單甯與鐵離子相結合的“純天然”産物，一般對魚無毒；高單甯濃度的“黃水”和“清水”對魚存在一定的毒害風險；桉樹單甯可抑制富營養化水體藻類的繁殖。
圖4 暴露于不同濃度單甯酸（TA）和表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）以及桉樹單甯（TFL）下銅綠微囊藻的藻密度以及培養液單甯濃度随時間的變化（Xie et al, 2023）
圖5 暴露于不同類型單甯以及桉樹單甯鐵離子水溶液後銅綠微囊藻細胞形狀變化（Xie et al, 2023）
三、是否為林地土壤“沖刷機”“壓實機”
（1）桉樹人工林土壤侵蝕是否嚴重種植桉樹會否引起嚴重的土壤侵蝕？這也是公衆關切的一個生态問題。為探索這一問題，團隊對桉樹人工林集水區内林道崩塌、路基溝蝕、河道泥沙淤積量、河流輸沙量等進行了監測。研究發現，采伐桉樹1年後林道路基溝蝕（發生率73%）、邊坡崩塌、滑木道細溝水蝕為普遍現象，河水泥沙年均含量為0.57 kg/m3，比采伐前高185%，土壤侵蝕模數為1613 t/km2，是采伐前的15倍；61.9%的侵蝕泥沙向集水區外輸出，99.5%的土壤侵蝕發生在雨季，林道修建因素直接貢獻率在48%以上（王一佩 等，2019）。
圖6 桉樹人工林集水區内林道上形成的侵蝕溝
圖7 采伐桉樹後在集水區内河床上形成新侵蝕泥沙層
（2）鄉土樹種人工林改造為桉樹人工林後土壤水文物理出現哪些變化
為探究該問題，以不同林齡（1、3、5年）第一代桉樹人工林及其前茬米老排、杉木、馬尾松人工林為對象，測定了土壤水文物理性質。結果表明，鄉土樹種人工純林改造為桉樹人工林（第一代）後，表層土壤容重略有下降，總孔隙度增加（主要來自大孔隙的增加），提升了表層土壤水庫容。總體上，第一代林表層土壤是變疏松（孔隙度增大）了，這種變化提升了其蓄水潛力（侯甯甯 等，2019）。與前茬針闊混交林相比，第一代桉樹人工林土壤前600 s入滲量下降25.3%，與馬尾松、杉木純林相比則分别升高148.1%和97.2%（于婧睿 等，2017），入滲量差異主要源自初始入滲速率變化，并與造林撫育引起的大孔隙密切相關。為深入了解入滲性能變化成因，對桉樹人工林土壤團粒結構進行了研究，結果表明，快速濕潤對土壤團聚體的破壞程度最大（林立文 等，2020），破碎後的細土粒不斷填充土壤大孔隙，導緻土壤入滲速率降低，也引發了另一個問題，就是下面要讨論的連栽桉樹林土壤結構變化問題。
（3）連栽桉樹會否導緻林地土壤越來越緊實研究發現，短輪伐期第一代植苗林随着林齡的增加，黏粒含量、容重、土壤有機質和土壤水穩性大團聚體含量均有所增加，并導緻土壤基質入滲降低（Zhao et al, 2022）。随着桉樹人工林連栽代次的增加，土壤大孔隙平均半徑、相同孔徑範圍的大孔隙數量減少。連栽到第4代，土壤孔隙結構退化，飽和導水率降低，土壤入滲性能減弱，集中水流條件下團聚體容易發生破碎、遷移（王金悅 等，2021；Wang et al., 2022）。土壤有機膠結物（SOC）、無機膠結物（鐵、鋁、錳氧化物）在提高土壤團聚體穩定性方面發揮着重要的作用（Lin et al, 2020）。桉樹多代連栽後，膠結物質減少，土壤團聚體抗侵蝕能力下降，水力作用過程中磨損程度增加。相比于輪伐周期較長的鄉土種人工林，桉樹人工林頻繁的機械作業壓實了土壤；造林與撫育的翻耕暫時提高了表土大孔隙度，但也引發了表層土壤團粒破碎形成的細土粒對下層土壤孔隙的不斷填充；輸入林内能量增加不斷加速土壤有機質分解，有機膠結物減少；富含桉樹單甯入滲水對土壤的淋溶，也可能引起鐵鋁錳淋失，無機膠結物含量降低。上述各種變化均可導緻土壤孔隙結構惡化，降低土壤抗侵蝕能力，但自變量主要源自經營活動。
圖8 短輪伐期桉樹第一代植苗林土壤基質入滲特征變化（Zhao et al, 2022）
圖9 連載桉樹對土壤結構穩定性的影響示意圖（Wang et al., 2022）
初步結論：不恰當的桉樹營林管理是土壤的“沖刷機”、“壓實機”。桉樹人工林土壤侵蝕主要發生在雨季，且林區道路的貢獻接近50%。鄉土樹種改造為桉樹人工林後，1代林表層土壤孔隙結構暫時得到改善，入滲及蓄水能力提升，土壤基質入滲降低，但多代連栽後，土壤孔隙結構顯著退化，抗侵蝕能力顯著降低。
鳴謝：上述研究得到了國家自然科學基金項目（31360134，42077077，42207389），廣西科技項目（桂科AB22080103、桂科AA17204087-8、桂科攻1140002-3-4、桂科ZY21195016、2020GXNSFAA297242）的資助。
發表的論文↓
[1] Xie L J, Ma Z X, Yang G R*（楊鈣仁）, Huang Y H（黃钰涵）, Wen T Y, Deng Y S（鄧羽松）, Sun J C, Zheng S Y, Wu F F, Huang K, Shao J H. Study on the inhibition mechanism of eucalyptus tannins againstMicrocystis aeruginosa[J].Ecotoxicology and Environmental Safety, 2023, 249: 114452. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.114452[2] Zhao M Q, Li D H, Huang Y, Deng Y S（鄧羽松）, Yang G R（楊鈣仁）, Lei T W, Huang Y H*(黃钰涵). Soil matrix infiltration characteristics in differently aged eucalyptus plantations in a southern subtropical area in China[J]. Catena，2022， 217, 106490. https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106490.[3] Xie Z F, Wang M L, Deng Y S（鄧羽松）, Li J N, Li J T, Pang W D, Xie L J, Jiang D H, Huang Z G, He T G, Yang G R*（楊鈣仁）. Acute toxicity of eucalyptus leachate tannins to zebrafish and the mitigation effect of Fe3+on tannin toxicity[J].Ecotoxicology and Environmental Safety, 2022, 229: 113077. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.113077[4] Yang G R*（楊鈣仁）, Deng Y S（鄧羽松）, Lan P Y, Xie L J, He T G*, Su X L, Shi X H, Chen G J. Estimation of evapotranspiration in Eucalyptus plantation and mixed forests based on air temperature and humidity[J].Forest Ecology and Management, 2022, 504: 119862. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2021.119862[5] Wang J.Y, Deng Y.S*（鄧羽松）, Li D Y, Liu Z F, Wen L L, Huang Z G, Jiang D H, Lu Y P. Soil aggregate stability and its response to overland flow in successive Eucalyptus plantations in subtropical China[J].Science of The Total Environment, 2022, 807, 151000. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151000[6] Lin L W , Deng Y S *（鄧羽松）, Yang G R （楊鈣仁）, Jiang D H , Liu D Y, Xu Z X, Huang Z G, Wang L. Using Le Bissonnais method to study the stability of soil aggregates in plantations and its influence mechanism[J].Archives of Agronomy and Soil Science, 2020, 68: 209-225. https://doi.org/10.1080/03650340.2020.1829598[7] 王金悅,鄧羽松*, 李典雲, 黃智剛,楊鈣仁, 蔣代華, 王玲. 連栽桉樹人工林土壤大孔隙特征及其對飽和導水率的影響[J].生态學報, 2021, 41(19): 7689-7699.[8] Deng Y S（鄧羽松）, Yang G R*（楊鈣仁）, Xie Z, Yu J, Jiang D, Huang Z. Effects of Different Weeding Methods on the Biomass of Vegetation and Soil Evaporation in Eucalyptus Plantations[J].Sustainability, 2020, 12, 3669.[9] Yang G R*（楊鈣仁）, Wen M J, Deng Y S（鄧羽松）, Su X L, Jiang D H, Wang G, Chen Y W, Chen G J, Yu S F.. Occurrence patterns of blackwater and its impact on fish in cutover areas of Eucalyptus plantations[J].Science of the Total Environment, 2019, 693, 133393. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.07.199[10] 林立文,鄧羽松*, 王金悅,楊鈣仁, 蔣代華, 王玲. 南亞熱帶人工林種植對赤紅壤團聚體分布及穩定性的影響[J].應用生态學報, 2020, 31(11): 3647-3656.[11] 侯甯甯, 蘇曉琳,楊鈣仁*, 于婧睿, 王玮. 桉樹造林的土壤物理性質及其水文效應[J].水土保持學報, 2019, 33(3): 101-108.[12] 王一佩, 薛雨,楊鈣仁*, 蘇曉琳, 武鵬帥, 溫志良,鄧羽松. 林道修建和采伐作業對桉樹人工林土壤侵蝕的影響[J].水土保持研究, 2019, 26(06): 1-6.
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