全 文 ：第 7 卷 第 6 期
1 9 9 4 年 1 2 月
林 业 科 学 研 究
FO R E S T R E S E A R C H
V o l
.
7
,
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.
6
D e e
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1 9 9 4
杨 、柳 、榆 、槐对淮北粉煤灰“土壤 ”中
矿质积累的影响 ‘
王世绩 刘雅荣 刘建伟 周树理 秦德仁 冷国友
摘要 利用火力发电厂排放的粉煤灰 , 10 a 充填淮北煤矿塌 陷区 , 其上覆 盖约 30 c m 厚的潮
土 , 形成特殊的“土壤 ” 。 1 9 8 6一 1 9 8 7 年营造了杨 、柳 、愉 、刺槐人工林 , 在集约栽培条件下 , 生长发育
正常 . 1 9 9 1 年调查了生物量和 14 种元素在树体内积累和分布 , 结果表明 , N 、P 、 K 、C a 、M g 等大量元
素主要分布在树木的叶内 , 其次是根 、树皮和侧枝 , 以树干的含量最低 。 在 4 个树种中 , 刺槐的含 N
量明显地高于其它 3 个树种 。在有害的重金属元素中 , H g 主要分布在根和树皮内 , 其次是 叶 、枝 , 树
干极少 ; P b 主要分布在叶和树皮中 , 其次是枝和根 , 树干最少 ; c d 、c r 较为均匀地分布在各器官中 。
但 C r 在根中的含量极高 , 原因有待查明 。 根据树木的生物量 , 以及各种元素在不同器官中的含量 ,
估算了 4 个树种对 “土壤 ”中营养元素和有毒元素的摄取量 : 4 ~ s a 树木摄取量 N 是 195 . 2一 50 . 3
k g / hm
, , P 为 2 1 . 9 3 一 4 4 . 5 7 kg / h m , , P b 和 H g 分别 为 5 5 . 2 5 一 1 0 2 . 3 2 kg / h m , 和 0 . 8 4 9 一
3
.
46 2 k g /h m
,
。 最后 , 讨论了树木对环境的净化作用 。
关键词 杨树 、柳树 、榆树 、刺槐 、人工林 、粉煤灰 、矿质元素
淮北地区采煤塌陷区利用发 电厂的废弃物—粉煤灰覆土营造 人工林 , 恢复被破坏的生态景观 , 取得了明显的社会效益〔’, 2〕。 本文是 系列研究的一部分〔, 一 5〕, 其 目的是探讨造林后 , 树
木对粉煤灰中矿质元素的吸收量及其在各器官中的分布情况 , 从而评估树木对“人工土壤 ”粉
煤灰中有毒元素的净化能力 。 有关该地区营造人工林的效果和此项研究的意义 〔, 一 ”〕, 请参阅已
发表的论文 , 在此不再赘述 。
1 材料与方法
L l 自然概况
试验地设在安徽省淮北市淮北矿务局林业试验站内 。 年平均气温 1 4 . 5 ℃ , 降水量 8 26 . 9
m m
, 无霜期 2 02 d 。 林地表层覆盖 30 c m 厚的潮土 , 以下为 4 ~ s m 深电厂排放的粉煤灰 。 粉煤
灰缺乏有机质 , 含 N 量极低 , 含有较多的 F 、H g 、P b 、C d 、C r 等元素 , p H 较高 , 随季节变化在8 . 0
一 9 . 5 之间 , 地 下水位 Z m 。 试验地的详细情况 , 请参阅文献 [ 3 , 4j。
L Z 供试材料
材料分别为 1 9 8 7 年春营造的 4 年生欧美杨 (p OP u lu s x 亡u ra m e r ic a n a e l. “N e v a ” )和 1 9 8 6
1 99 4一 0 5一0 9 收稿 。
王世绩研究员 , 刘雅荣 , 刘建伟(中国林业科学研究院林业研 究所 北京 10 0 0 91 ) ;周树理 , 秦德仁 , 冷国友(淮北矿务
局林业处 ) 。
, 本文为 1 9 9 2 一1 9 9 4 年国家自然科学 基金资助项 目“淮北废矿区复垦造林与环境质量评价研究”部分内容 . 周银莲 、阮
大津同志参加部分分析工作 。
6 期 王世绩等 :杨 、柳 、榆 、槐对淮北粉煤灰“土壤”中矿质积累的影响
年营造的杂交柳 (S a zix x m a ts u j a n a J一 1 7 2 ) , 白榆 (Ul m u s P u m ila L in n . ) , 刺槐 (R ob in ia Ps e u -
d oa ca cl’a L . 鲁一 13 号 ) 。 密度 4 m x 4 m , 3 m x 4 m , 栽植穴内施复合肥料每株 0 . 5 k g 。 造林后
每年灌水 1一 2 次 ,追施尿素 1 5 0 k g / h m , 。 1 9 91 年在人工林内每一树种选 3 株标准木按 l m 分
段 ,分层取样 , 称鲜重 , 部分样品测干重 。按常规方法 , 制备各器官的混合样品 , 进行室内化学分
析 。
1
.
3 分析方法
S—Ba SO ; 比浊法 ; F—离子 电极法 ; Se—硒试剂比色法 ; H g—FS 73 2 冷原子吸收法 ; A s—二氧化氨基 甲酸银 比色法 ; P b—原子吸收法 ; N—B uc hi 定 N 仪法 ; C a 、M g 、
Fe
、
P
、
C d
、
C r—发射光谱测定法 。分析 由中国医学科学院和 中国林业科学研究院中心分析室完成 。
2 试验结果
2
.
1 粉煤灰中矿质元素的含量
根系调查的结果表 明 , 在粉煤灰 “土壤 ”上生长的杨 、柳 、榆 、刺槐 4 个树种的根系发育正
常 , 深度可达 1 . 8 0 一 2 . 30 m , 水平根幅达 s m 左右 。 在粉煤灰层分布的根量达 68 %一 87 % 。 由
此可以推断 , 树木体 内积累的有毒元素主要是来 自粉煤灰层 。 表 1 列出的 29 种元素含量是根
据文献 [ 6」提供的未复垦过的纯粉煤灰的分析资料 , 其中包括对人体有害的重金属 , 也包括植
物必需的营养元素 。
表 1 粉煤灰 Z m 深 “土 ”层矿质元素的含t
二 去 含 量 二 会 含 量
(k g / hm
Z
) (g / m 3 ) (k g / hm
Z
)
1 4 5 6
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.
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.
0
1 7 2 8
.
0
1 5 1 6
.
0
注 : ¹ 根据粉煤灰容重 (0 . 61 9 /c m 3) 和元素百分含量计算 , 容重资料来自文献【6〕; º N 不属矿质元素 , 但对植物有重要
意义 , 也一并列入表内 。
从表 1 看出 , 前 6 种大量营养元素中 , N 、P 极度缺乏 , K 相当于一般 中等水平土壤中的含
量 。 粉煤灰的主要化学成分是 51 0 : 和 A1 2O 。 , 后者相当于正常土壤 中含量的 2 倍 。 而 Pb 、C r 、
H g 等有毒重金属均显著高于土壤的常规含量[v] 。
6 1 4 林 业 科 学 研 .究 7 卷
2
.
2 14 种元素在树木各器官中的积累
重点分析了杨 、柳 、榆 、槐 4 个树种的叶子 、枝条 、主干 、树皮和根中 14 种元素的含量 , 其结
果列入表 2 。
表 2 14 种元素在树木各器官中的积累t
N P K C
a
M 盯 S F e F 压 H , A , Ph C d C r器官 树种 g
e Se g s b d r
(m g / g ) (”g / g )
4
.
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.
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2 5
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.
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1
.
7 4 0
.
3 5 1 3
2
.
7 7 0
.
7 5 3 8
¹º»
¹ 粗根 > 3 m m ; º 中根 1一3 m n 、; » 细根 < l m m ; ¼为柳 根混合样品 。
从表 2看出 , N 、P 、K 、c a 、M g 主要分布在叶内 , 其次是根 、皮 、枝 , 树干 。 在 4 个树种中 , 刺
槐的含 N 量明显地高于其它 3 个树种 。 尤其是根内 N 的含量 ( 18 . 6 ~ 2 . 4 m g / g )比其它树种
高 1~ 2 倍 , 这可能与其生物固 N 能力有关 。 在有害的重金属中 , H g 在 4个树种的细根含量为
0
.
30 6一 0 . 46 0 拼g / g , 中根为 0 . 0 28一 0 . 16 5 拼g / g , 粗根为 0 . 0 16一 0 . 0 8 拌g / g , 细根比粗根多 19
一 58 倍 ;其次是树皮 ( 0 . 0 33~ 0 . 0 5 7 拜g / g )和树叶 ( 0 . 0 22一 0 . 0 58 拌g / g ) 。 H g 在柳树叶内含量
极高 (0 . 129 拌g / g ) , 究竟属于例外情况 , 还是分析误差 , 有待于进一步确认 。 此外 , 枝中含 H g
量较少 ( 0 . 0 23~ 0 . 0 6 9 拜g / g ) , 树干极少 ( 0 . 0 0 8 拜g / g ) 。
p b 主要分布在叶 ( 3. 9 2 ~ 7 . 0 7 拌g / g ) 和树皮 ( 3 . 6 9一 6 . 33 拌g / g ) 中 , 其次是根 ( 1 . 13~
3
.
21 拼g / g )和枝 ( 2 . 0 4~ 3 . 32 拌g / g ) , 树干最少 ( 0 . 0 3~ 0 . 6 4 料g / g ) 。 Cd 和 C r 在各器官中的分
6 期 王世绩等 : 杨 、柳 、愉 、槐对淮北粉煤灰“土壤 ”中矿质积累的影响 6 1 5
布较为均匀 。 唯独根部 C r 的含量 比其它器官高百倍以上 , 这究竟是 由于 C r 在根系中积累的
多 , 还是根系表面吸附的 C r 多 ? 尚有待进一步探讨 。
2
.
3 树木对 “土壤 ”中有害元素的净化作用
为了大致估算树木每年能从“土壤 ”中吸收多少有害元素 ? 对净化环境的作用如何? 根据
表 2 中的数据 、生物量 / 株和造林密度 , 便可按下列公式 : 器官的元素含量 x 器官生物量总和 x
造林密度计算出 4 年生杨树和 5 年生柳树 、榆树和刺槐从 “土壤 ”吸收元素的总量 。生物量的调
查结果已另文发表 〔5〕, 本文不再列出详细数据 , 现将各树种从“土壤”中吸收的元素总量的计算
结果列入表 3 。
表 3 4 个树种从 Z m 深 “土壤 ”中吸收的元素总量
树 器 N P K e 。 M g s F。 F s。 H g ^ s P b e d e r
(g / 株 ) (m g / 株 )
叶x 4¹
总和º
1 80 8
.
8
8 8 7
.
3
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.
2
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.
6
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.
9
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.
2
1
.
9 04
0
.
18 6
0
.
6 55
0
.
14 8
2
.
89 3
1
.
80 8
37
.
28
19
.
0 5
18
.
0 3
14
.
0 4
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.
44
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.
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.
90 4
0
.
46 7
1
.
639
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.
770
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.
780
3
.
6 10
2
.
38 0
1
.
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.
9 18
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.
8
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.
3
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.
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.
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.
0 24 5
.
5 9 5
.
2 46
.
8
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.
6 5
.
1 1
.
8 7 4 6
.
7 7
.
0
47
.
5 9
.
2 26
.
89 5 2
.
5 11
.
5
5 2
.
9 27
.
6 32
.
52 5 3
.
2 13
.
9
312
.
4 6 1
.
9 323
.
6 24 7
.
6 79
.
2
19 5
.
2 38
.
7 20 2
.
2 15 4
.
7 495
.
0
152
.
5 11
.
0 48
.
9 5 5
.
0 16
.
5
23
.
9 3
.
8 9
.
7 38
.
3 6
.
5
30
.
3 4
.
7 14
.
2 7 7
.
9 9
.
7
5 7
.
9 6
.
7 31
.
4 7 5
.
3 18
.
1
26 4
.
6 26
.
3 10 4
.
3 24 6
.
5 50
.
8
220
,
4 21
.
9 8 6
.
9 20 5
.
3 42
.
3
250
.
5 16
.
7 120
.
2 8 8
.
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.
0
31
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.
2 1 0
.
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.
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7 8
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.
3 8 1
.
2 13
.
5
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.
6 7
.
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.
5 7 4
.
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.
6
369
.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
4 124
.
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.
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.
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.
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.
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.
1 4 17 2
.
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18 5
.
20
1 15
.
77
†了J份
枝干根槐刺
总和
¹ 为 4 a 树叶之和 ; º 后行 N 一 S 的单位为 k g / hm , , F e 一C r 为 g / hm Z ;» 为 s a 树叶之和 。
从表 2 和表 3 看出 , Z m 深粉煤灰层中 N 储量为 48 k g / h m , , 而 4 年生的杨树人工林从
“土壤 ”中吸收的总 N 量是 195 . 2 k g / hm Z ;柳树 、榆树和刺槐 5 年生人工林吸收的相应数值是 :
2 0
.
4、 30 7. 46 和 5 0 0 . 3 k g / hm , 。 说明 , 在极度缺乏 N 素的粉煤灰 “土壤 ”上生长的树木 , 必须
依赖施肥或其它补 N 措施 (如压青 、生物固 N 等 ) 才能维持正常生长 , 否则生长量增长缓慢 , 以
致停顿 。 4~ 5 年生人工林对 p 的吸收为 21 . 9 3~ 44 . 57 kg / hm , , 而 p 在粉煤灰层中为 5 36 5
kg / h耐 , 相当于吸收量的 24 5一 120 倍 , 与正常土壤相比 , 粉煤灰中有效 P 较贫痔 [s] , 也需靠施
肥补充 。 K 、C a 、M g 、 S 等大量元素在粉煤灰中含量较充足 , 可不施或少施 , 施肥试验的结果将
6 1 6 林 业 科 学 研 究 7 卷
另文报道 。 从吸收有毒害的重金属元素分析 , 4 个树种有所差异 , 刺槐林对 P b 的吸收量最多 ,
为 1 0 2 . 3 2 9 / h m , , 其它 3 树种为 5 5 . 2 5 一 7 8 . 3 0 9 / hm Z , 柳树林对 H g 的吸收量最多 , 为 3 . 4 6 2
g / h m
, , 而其它 3 树种为 0 . 8 4 9一 1 . 4 6 4 9 / htn Z 。 以粉煤灰层中含量最低的 H g (4 . 4 k g / h m , )估
算 , 5 年生柳树人工林 , 也只能吸收了总储量的 0 . 07 9 % , 而其它重金属量远高于 H g , 说明树木
对粉煤灰中有毒重金属的净化作用是相当有限的 , 需要上千年的时间 , 才能从 “土壤 ”中取走 ,
达到完全净化的作用 。
3 讨 论
利用电厂排放的粉煤灰充填煤矿塌陷区营造各种人工林 , 对于恢复破坏了的原有地貌 , 节
省贮藏粉煤灰的费用 , 改善生态环境等优点都是勿庸置疑的事实 , 值得大力提倡 。但是 , 时常见
到一些不十分客观的报道或内部资料 , 片面地夸大了粉煤灰覆土造林的效果 , 只强调树木的生
长量 , 不强调施肥的必要性 , 给人们造成一种误解 , 似乎粉煤灰覆 田的立地条件 比一般的林地
条件还要好 ,这既不符合事实 ,也不利于推广应用 。
本项研 究证明 , 在树木根系分布层的粉煤灰 中 , 含 N 量接近或达到 4 一 5 年生人工林从
“土壤 ”中的摄取量 , 如果造林后不施肥 , 特别是追施 N 肥 , 则树木不能正常生长 , 粉煤灰 中 P
和 K 的含量也不足 , 同样需要补施相应肥料 。
至于树木可以净化粉煤灰中的有毒元素 , 如 H g 、 Pb 、C r 、C d 等重金属 , 亦不能过分夸大其
作用 。虽然树木能够从粉煤灰中吸收积累这些元素 ,但其数量远非一朝一夕所能完成 “净化 ”的
功能 ,这是一个长期的 、有益的效应 。 不同的树种对不同重金属的摄取量是不同的 , 因此 , 在处
理树木的枯枝 、落叶时 , 应慎重考虑这些因素 , 以免造成二次污染 。
参 考 文 献
1 王廷敞 , 刘艳清 , 周树理 . 煤矿塌陷区粉煤灰覆田刺槐造林和生长规律的研究 . 安徽林业科技 , 19 90 , (1 ) : 26 一 2 8 .
2 周树理 . 煤矿塌陷区覆土造田育苗研究 . 林业科技通讯 , 19 8 , (4 ) : 13 一16 .
3 王世绩 . 刘雅荣 , 刘建伟 . 等 . 废矿区复垦造林技术的研究 1 . 覆田立地的基本特征 . 土壤通报 , 19 94 , 2 5 (6) .
4 王文全 , 王世绩 , 刘雅荣 , 等 . 粉煤灰覆田立地上杨 、柳 、榆 、 槐根系的分布和生长特点 . 林 业科学 , 1 9 94 , 3 0( 1 ) : 26 一 2 8.
5 刘雅荣 , 刘建伟 , 王世绩 , 等 . 生长在粉煤灰复垦 区杨 、柳 、愉 、 槐的生物量研究 . 林业科学研究 , 19 94 , 7 (4 ) : 4 53 ~ 4 5 .
6 严志才主编. 土地复垦 . 北京 :学苑出版社 , 19 89 . 7 9.
7 张万儒主编. 中国森林土壤 . 北京 :科学 出版社 , 19 86 . 2 78 ~ 28 &
8 刘寿坡 , 张瑛 , 朱占学 . 杨树施肥林地土壤营养元素的消长变化 . 见 :刘寿坡主编 . 黄泛平原资源利用研究 . 北京 : 中国科
学技术出版社 , 19 92 . 3 25 ~ 3 3 4.
6 期 王世绩等 : 杨 、柳 、榆 、槐对淮北粉煤灰“土壤 ”中矿质积累的影响 6 1 7
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