杜虹蓉，易 琦，赵筱青

(云南大学 资源环境与地球科学学院，云南 昆明 650091)

0 引言

从20世纪初开始，桉树以速生和适应多种环境的特性被许多国家大规模引种，以满足国民经济发展对木材的需求。中国的桉树人工林主要分布在长江以南地区，如广东、广西、海南、福建、云南、贵州、湖南、江西等省区；桉树在云南省主要被引种于金沙江干热河谷的元谋盆地，西双版纳州、普洱市、文山州、德宏州、临沧市，以及陆良县、绿山县与富民县等县。国内外对桉树人工林引种带来的生态环境问题，至今争论不断。一些研究者认为引种桉树有利于改善生态环境，对生态系统有正面的影响[1，2]；也有研究者指出，桉树人工林不仅不会给引种地区带来经济收益，反而对当地生态环境产生负面影响[3]。

因此，了解桉树引种对生态环境影响研究现状，不仅为桉树人工林的科学种植、经营管理提供理论依据，而且为进一步研究桉树对生态环境影响的内部机理有重要的参考价值。

1 桉树引种的生态环境效应研究

土地利用/覆盖变化改变了地球表面的物理特性(如粗糙度、反照率、土壤含水量等)，影响生物地球化学的循环过程、生物多样性、生态系统的组成结构及功能。桉树人工林引种使土地覆盖发生变化，进而对生态环境产生影响；其生态环境效应的研究大致可归纳为单因子生态环境效应、多因子生态环境综合效应两方面内容。

1.1 单因子生态环境效应研究

单因子生态环境效应研究主要包括桉树引种的生物多样性、土壤侵蚀、土壤质量、植被指数(VI)、植被净初级生产力(NPP)5个方面。

1.1.1 桉树引种与生物多样性的研究

生物多样性的改变是生态系统结构变化的集中表现。近年来国内外学者已开展不少关于桉树林及其混交林的林下生物、土壤生物多样性的研究。有的学者指出引种桉树人工林对生物多样性有负面影响，桉树引种造成的生物多样性减少是其引起生态退化的重要特征。如FaraiTererait等运用多元统计的方法比较了赤桉不同层次蓬盖下的生物丰富度，多样性和均匀度，发现本地物种的丰富度、多样性沿着赤桉入侵的路线呈现梯度变化，未被赤桉蓬盖的地方其物种多样性更丰富。国内学者指出连栽尾巨桉人工林林下植物多样性随连栽代次的增加而减少，物种生态优势度增加[4]。桉树人工林下本地物种数量一般不高于天然林(乡土树种)，其草本层生物量比重大于天然林地下草本层生物量比重，说明桉树人工林引种使植物多样性下降。有的学者则认为引种桉树人工林能够为动物提供栖息地，有助于生物多样性的保护。如李伟等人指出，桉树造林后随着林木快速成长，林下植被也随着恢复，物种丰富度和多样性开始呈现增长的趋势，3～4年达到最高值，此后将有所下降[5]；有的研究表明，桉树人工林下脊椎动物物种多样性随其树龄增加而增加，桉树速生、强适应能力及化感作用[6]，人类不合理的规划和砍伐等是导致引种区生物多样性降低的主要原因，其中的人为因素起主导作用[7]。

综上可知，气候暖湿，土层深厚且排水良好的立地条件适宜引种桉树人工林，桉树人工林不会对引种区的生物多样性产生明显的负面影响；人类的经营、管理方式是影响生物多样性变化的关键。桉树人工林生物多样性的生态系统服务功能是未来研究的热点，目前关于此方面的研究尚少。

1.1.2 桉树引种与土壤侵蚀的研究

土壤侵蚀是生态环境效应的热点问题之一。国内外学者对土壤侵蚀规律已进行了大量研究，从研究方法上大致可分为3类：基于模型运用的研究，基于同位素示踪法的土壤侵蚀研究，结合GIS、RS技术的土壤侵蚀研究(表1)。

表1 土壤侵蚀研究方法

桉树引种对土壤侵蚀的研究较多，一些研究表明，引种桉树人工林对控制土壤侵蚀，防治水土流失有着积极的影响，具有强健及发达根系的桉树人工林能够有效减少土壤的水侵蚀量[16]。旱坡地上，同龄的桉树林土壤流失量大于龙眼树、混交林[17]。对比分析海南热带天然林、桉树林和橡胶林对土壤的侵蚀量发现，桉树人工林平均每年减少的土壤侵蚀量虽低于天然林，却高于橡胶林[18]；有些研究则认为桉树人工林对土壤侵蚀的控制作用较弱。Rajendra等运用137Cs示踪技术及USLE/RUSLE方程，对桉树林的土壤侵蚀情况进行研究发现，处于生长期的桉树林其土壤侵蚀量较大[19]。杨吉山等采用种类、盖度、重要值、香农-维纳指数等指标，分析了桉树、黑荆、银合欢及云南松4种人工纯林的乔木层、次生灌木层、次生草本层植物群落特征变化分析讨论得出，云南松林及桉树林冠层盖度增长较缓慢，可见桉树人工林控制坡面侵蚀的能力较弱[20]。进一步的研究指出，降水是土壤侵蚀的主要影响因子，同一立地条件下，不同植被类型的桉树人工林地表径流差异明显但土壤侵蚀量的差异不大。

大量研究证明，桉树人工林引种初期，根系不够强健、植被覆盖度不高，再加上引种前人为的整地、伐林，是处于生长期的桉树人工林并不能有效控制土壤侵蚀量的主要原因。经过科学培植后的桉树人工林能够改良土壤结构，增加水分入渗能力；同时，其茎叶对降雨的截留作用，枯枝落叶能对地表径流的减缓作用，根系的固土作用可防止引种区的水土流失。从研究尺度上看，现有研究大多是基于样地的小尺度区域范围的研究。

1.1.3 桉树引种与土壤质量的研究

土壤质量指标包括物理指标(土壤排水性、土壤持水特征、土壤含水量、土壤容重和紧实度、容重等)、化学指标(pH值、阳离子交换容量、有机碳、总无机氮、速效钾、钙、镁、磷含量，总Cd，Cr，Cu，Pb，Zn等)和生物(微生物，真菌菌丝体，土壤呼吸和潜在的可矿化氮等)指标。已有不少国内外学者针对桉树林与其它林地、树龄不同的桉树林、不同桉树种类间、不同立地条件下同种桉树间的土壤性质进行了研究。有的通过采样实验、时空序列观测，运用生态指数法等分别分析了林下土壤的物理、化学、生物特性，有的运用对比、统计学方法研究土壤的综合特性，探讨桉树人工林对引种区土壤质量的正负影响。

(1)土壤物理性质的影响研究。有的研究者认为桉树引种对土壤物理性质的负面影响较大。随桉树人工林连栽代次增加，其林下土壤容重增大[21]，张凤梅等人发现马尾松林改植桉树林后会导致土壤板结、土壤孔隙度及通气度下降，以及持水性能降低[14]。桉树林土壤表层含水量较低，变化较大；次表层土壤含水量相对较为稳定；深层含水量较多，也较稳定；树龄对土壤水分的影响大于连载代次对土壤水分的影响，桉树树龄愈长，土壤水分含量愈少[15]。一些学者指出桉树对贫瘠土地的正面影响(提高土壤质量)大于负面影响；SheunesuRuwanza采用水滴渗透时间(WDPT)和临界表面张力(CST)法对赤桉入侵后的伯格河畔土壤的斥水性进行试验测定，表明土壤斥水性对土壤入渗率无影响，且赤桉入侵能使原具有斥水性的土壤恢复其非排斥潜力[22]。不同种类桉树间对土壤持水性、孔隙度等存在不同程度的影响，但差异并不显著。

(2)土壤化学性质的研究。陶玉华对柳州市杉木、马尾松和桉树人工林生态系统的土壤有机碳含量和有机碳储量及其分配进行取样分析发现，马尾松、杉木和桉树人工林土壤有机碳含量为3.2～12.6g/kg，杉木人工林土壤有机碳含量最高，而桉树人工林最小[23]。桉树人工林生长快、密度大、吸收的矿质营养多而造成土壤肥力下降，但是通过科学管理补充营养是可以解决这个问题的[24]。ShiferawAlem等人的研究也有新的发现，他们通过对比桉树人工林与其邻区森林土壤中的总氮、速效磷、可交换的钾、钙、镁、pH值和总碳，发现桉树人工林土壤中的总碳升高，土壤养分得到改善[25]。坡耕地转变为巨桉林后随着栽种时间的增长，土壤养分含量将逐步提高。

(3)土壤生物的研究。张仕艳等对澜沧江上游山区不同植被类型云南松林、桉树纯林、生态混交林(桤木、圣诞树)土壤细菌、真菌、放线菌3大类微生物的数量及总量进行研究，结果表明：不同植被类型土壤细菌和真菌数量变化趋势均为旱冬瓜林>生态混交林>桉树林>云南松林，不同植被类型土壤微生物总数变化趋势为旱冬瓜林>生态混交林>桉树林>云南松林[26]。有的研究者对比分析了桉树人工林地与尚未开发的原生灌木丛地，其土壤动物生态地理类群的Jaccard相似性系数为0.375，土壤动物类群与个体数量分别减少了53.33%、62.74%，土壤动物群落复杂性指数(Cj)、土壤动物群落密度-类群指数(DG)分别下降了1.056、4.620，说明桉树人工林土壤动物多样性的减少，损伤了土壤生态系统中土壤动物分解者的生态功能，使土壤生态系统日趋恶化[27]。桉树纯林的生态系统结构单一，易造成土壤生物多样缺失，不利于维持生态系统的健康稳定；桉树与其他树种混交后(如与厚荚相思、杉木、木荷、马尾松等)，能有效防止生物多样性减少，有利于地力维护。

(4)土壤综合质量的影响研究。包括肥力质量、环境质量、健康质量三方面。有的研究指出桉树人工林的栽种使得土壤肥力和水分被大量消耗，导致土壤板结，使土壤质量下降。如王世红采用土壤综合指数(QI)，并结合土壤退化指数(DI)对不同尾巨桉林龄土壤综合土壤肥力指数(QI)的变化进行研究，结果表明尾巨桉的生长降低了土壤理化性质，土壤逐渐退化，肥力降低[28]。夏体渊等采用灰色关联系统分析方法对滇中桉树人工林与邻近区域群落土壤肥力变化进行研究，表明桉树人工林群落比邻近区域群落更容易造成生态系统土壤养分贫瘠化[29]。有的研究运用主成分分析法从12项土壤指标(分别为容重和土壤水分含量，pH值、土壤有机质含量、氮、磷、钾，微生物生物量、微生物数量、过氧化氢酶、蛋白酶活性、脲酶)中指标中选取五项参数(pH值，有机质，微生物生物量N，全钾和蛋白酶活性)构建土壤质量指数(SQI)，研究赤桉林及合欢林对干热河谷区土壤的综合影响，发现赤桉林会导致河谷区土壤质量下降[30]。但是，有的研究指出，桉树人工林能够增加林地产值，改善环境、防止水土流失。如王纪杰采用可持续性指数个法(SI)、灰色关联度法、多指标综合评价法(主成分分析法)研究了桉树人工林不同代次、不同林龄土壤质量总体的变化趋势，结论表明桉树人工林在非集约化经营条件下也能显著发挥其保水保土的作用，因此桉树本身并不是“吸水器”、“吸肥机”[31]。由于桉树的生长比较快，单位时间内对于养分的需求量也比较大，所以桉树才给人一种“抽肥机”的错觉[32]。

总之，国内外关于桉树引种对引种区土壤影响的研究主要集中在土壤物理、化学、生物的单一性质的影响研究，土壤质量综合评价的研究较少。有别于土壤单一性质的研究，土壤质量综合评价是土壤物理、化学和生物性质的一些重要过程的综合体现，目前对土壤质量的综合评价方法及评价指标国际上尚未形成统一标准，常见的土壤质量的综合评价法有综合指数法、多指标综合评价法、相对质量法等。

1.1.4 桉树引种与植被指数(VI)的研究

植被指数(VI)是指利用卫星不同波段探测数据组合而成的，能反映植物生长状况的指数(表2)，可用来诊断植被一系列生物物理参量，如叶面积指数(LAI)、植被覆盖率、生物量、光合有效辐射吸收系数(APAR)等；分析植被生长过程，如净初级生产力(NPP)和蒸散(蒸腾)等。常见的植被指数有基于波段的简单线性组合或原始比值的比值植被指数(RVI)、着重于消除土壤影响的垂直植被指数(PVI)、土壤调节植被指数(SAVI)、修正的土壤调节植被指数(MSAVI)，着重于消除大气影响的全球环境监测植被指数(GEMI)、抗大气植被指数(ARVI)，着重于消除综合影响因子的归一化差值植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)，及基于高光谱遥感的植被指数(VI)等。

桉树人工林的碳储量和叶面积指数(LAI)，LAI与近红外、RVI、NDVI，生物量与RVI、NDVI、DVI、PVI、SAVI、MSAVI皆存在显著相关性[33]。Viana.Helder利用TM、MODIS、SPOTVEGETATION影像图获取南欧海松林与蓝桉林的NDVI值，将NDVI与实测植被变量(地上净初级生产力)进行回归分析，论证了利用植被光谱响应模式估算地上净初级生产力的实用性[34]。相关研究表明，在桉树种植的头两年中，其光合作用吸收的有效辐射(APAR)与桉树干木材生产效率具有显著相关性(R2 = 0.78)，NDVI是估算APAR的关键指数，说明桉树人工林早期的生长状况能由NDVI的变化反映出来[35]。

总之，利用遥感技术，通过植被指数获取桉树人工林覆盖、生长状况的相关参数，是从不同区域尺度分析桉树人工林对生态环境的影响的有效途径。

1.1.5 桉树引种与NPP的研究

NPP能直接反映植被在自然环境气候条件下的生态功能以及陆地生态系统的质量状况[36]，判定生态系统碳源、汇效应和调节生态系统自身过程。因此，NPP被认为是评价生态系统结构与功能协调性的重要指标。NPP的估算以模型方法为主，大致分为传统模型及基于遥感应用的模型，基于遥感应用的模型NPP的估算模型又可分为统计模型(表2)、光能模型(表3)、过程模型(表4)三大类。

表2 部分统计模型列举

表3 部分光能模型列举

表4 部分过程模型列举

近年来，一些学者将植被生产力的估测范围扩展到区域水平，对生态系统过程与遥感光能利用模型进行了耦合，如NPP-PEM模型(生态-遥感光能利用率模型)、GLOPEM-CEVSA模型等。已有研究表明，桉树具有强固氮释氧功能，有利于减缓气候变化。因此，可以通过估算桉树的NPP对其固氮释养能力进行研究。目前，运用模型对桉树人工林的NPP进行估算的研究并不多。如DomigosM.等利用FOREST-BGC模型及MODISNPP影像对葡萄牙的蓝桉树林及海松林的净初级生产力进行了估测，发现MODISNPP相对更能体现NPP的均值，FOREST-BGC模型相对能较好反映桉树人工林NPP的极值[45]。Campoe等通过对巴西东南部的巨桉人工林每年的地上净初级生产(ANPP)、总地下碳通量(TBCF)及总生产力(GPP)的评估得出：地形和土壤属性的空间异质性被认为是产生肥力梯度的原因，并指出总地下的碳通量的变化范围与ANPP及GPP并无直接联系[49]。M.MercedesVassallo通过建立非线性回归方程获得绿色植被吸收的入射光合有效辐射(FPAR)，进而估算了森林生产力，发现速生巨桉林取代草地后，地上净初级生产力的年均量几乎是未种植巨桉林前的4倍，说明巨桉林种植使该区地上净生产力升高[50]。NiHuang利用光能利用(LUE)模型对桉树林NPP进行估算，并使用森林调查数据(FID)计算生物量进而换算出净生产力(FID-NPP)，发现桉树林的林分年龄不同，其平均生物量不同，处于生长期的桉树林与成年期的桉树林的生物量分别呈现出指数和对数形式，说明处于生长期的桉树其林下生物量小[51]。

综上可知，不同的模型适用的区域及环境条件不同，估测的NPP值也存在差异；其原因在于研究对象格局与过程的发生、时空分布、及时空相互耦合等尺度特征与模型模拟的最小单元、时间步长之间的匹配程度，即尺度问题。

1.2 多因子生态环境综合效应的研究

多因子生态环境综合效应研究包括桉树引种对生态系统服务价值、生态环境综合效应的影响研究。

1.2.1 桉树引种与生态系统服务价值的研究现状

生态系统服务是指人类从生态系统功能中获得的收益，千年生态系统评估(MA)对于生态系统服务的定义基本上采用了Costallza的观点，认为生态系统服务是人们从自然系统获得的收益。Costallza在其文中提出生态系统服务价值(ESV)的评价模式，为生态系统服务价值的研究拉开序幕。不少研究者对桉树人工林生态系统服务价值也进行了研究。

E.H.Ditt等利用情景分析法对巴西森林区的牧场、桉树林、原始林、城镇用地(包括裸露土壤)4种土地利用类型的土壤肥力维持能力、水库的输沙能力、固碳能力及水的自净能力4方面对生态系统服务进行估测，得到生态系统服务能力由小到大排序为：城镇用地(包括裸露土壤)、牧场、裸露土壤、桉树人工林和天然林[52]，桉树人工林的生态系统服务功能不如天然林。牛香等人利用分布式测算方法评估了福建省森林生态系统服务功能，不同林分类型生态系统服务价值量由大到小依次为马尾松、阔叶林、杉木、竹林、经济林、灌木林、桉树、木麻黄，说明桉树人工林生态系统对福建省森林生态系统服务功能的总价值的贡献并不大[53]。一些学者指出，桉树人工林生态系统为引种区提供了的巨大经济价值。杜阿朋等从森林的涵养水源、保育土壤、固碳制氧、生物多样性保护等几个生态系统服务功能来对深圳市现有桉树人工林的生态效益进行经济价值的量化核算结果表明：现存桉树人工林的生态效益远超过其木材利用的直接物质效益。P.Vihervaara从公众及专家的视角对乌拉圭地区土地利用变化(从草原迅速转变为桉树、及松树种植园)下的生态系统服务功能改变进行了研究，指出生态系统服务功能的调节方式则主要取决于当地的文化价值和特定的环境压力，因地制宜的规划某些特定的生态系统服务功能的配置，可以提高种植园的生态系统服务能力。

总之，关于桉树引种下生态系统服务功能的研究，以静态的评估为主。国内在时空变化上的研究大多采用对比分析法，国外研究则将预测的方法与生态系统服务功能变化分析相结合，探讨未来的发展变化。研究内容上，国外专家更加重视生态系统服务功能分析与当地的经济社会及人们生活视角等人文因子的结合。

1.2.2 桉树引种与生态环境综合效应评价的研究

生态环境质量评价，是评价生态系统结构和功能动态变化中，生态环境质量的优劣程度[54]，是生态环境综合效应研究的重要内容之一。研究方法主要有指数评价法，综合评估法，模糊评价法，人工神经网络评价法。其中，运用最广泛的是指数评价法及运用综合评估法。钟慕尧等以森林的面积及布局合理性、物种多样性、生物量3个指标，构建马尾松、马占相思及桉树人工林生态环境指标体系，并根据实际情况赋予权重值，然后以实际数据进行标准化后计算得分，综合评价以尾巨桉生态环境最好(0.91)，马尾松与马占相思生态环境均不如尾巨桉[55]。

生态风险分析与生态效应密切相关，生态风险评价能够揭示人类活动对环境产生的综合性生态影响程度。评价主要是通过选取不同的指标构建风险指数，或运用模型及地方、行业确定的评价体系进行风险评估。Cancela指出外来物种的传播取决于物种本身的特性(物种侵袭)与宿主群落(群落可入侵性)，并运用随机模型估测蓝桉、灌木、松树、原生树种的出苗率和生存率，对比分析发现蓝桉对灌木林、松树种植园、原生林有较强的入侵能力[56]。Gordon使用澳大利亚杂草风险评估测试(WRA)，对38种不同类型群落的桉树入侵风险进行了评估，结论表明，桉树对其中15类群存在风险，14个类群为高风险，9个类群有待进一步分析[57]。可见，桉树对大多数引种区有着较高风险性。关于规避桉树人工林的生态风险研究，主要从引种管理、科学培育等方面论述如何降低或避免桉树人工林带来的生态风险。如制定能够提高桉树人工林生态稳定性的科学合理栽培制度，以缓解桉树人工林存在的生态问题；有的研究指出，紫金泽兰对桉树人工林的土壤水分有季节性调节作用，有利于增强桉树林的水土保持功能。风险评价的结果服务于风险管理，现有的风险评估结论大多不能有效的与风险管理过程对接。

2 结论与讨论

单因子生态环境效应研究中，生物多样性方面主要采用指标分析法；土壤侵蚀方面以模型方法、同位素示踪法以及GIS、RS技术运用为主；土壤质量方面，通过测算桉树人工林土壤的物理指标、化学指标、生物指标分析土壤性质。上述三方面的研究进行得较早，研究成果丰富，运用的方法也较为成熟。桉树人工林的土壤综合质量评价、植被指数、NPP估测的研究开展得较晚，土壤质量综合评价的研究不够深入，评价方法不够健全；结合应用GIS、RS技术的模型方法，获取植被指数，精确估测桉树人工林NPP的研究相对较少。

多因子生态环境综合效应研究方面，目前主要集中在生态系统服务功能、生态环境质量两方面。生态系统服务功能的研究，通过测算桉树人工林森林涵养水源、保育土壤、固碳制氧等方面综合评价生态系统服务价值；生态环境质量的研究主要采用综合评估法；生态风险评价以构建风险指数，或运用模型及地方、行业确定的评价体系为主。不同桉树树种对不同区域的影响各异，已有的生态风险评价、生态环境综合效应研究都还不够全面。

关于桉树人工林对生态环境效应的研究，有以下几点建议：

(1)科学引种、合理经营桉树人工林，对引种区生态环境有着积极影响。国内的桉属树种全部为外来引进树种，引种前进行桉树人工林的生态风险评价，预测桉树人工林引种导致引种区生态环境变化的可能性，有利于科学引种和管理措施的制定。综合体现土壤物理、化学和生物性质重要过程的土壤质量综合评价研究、全面反映桉树人工林生物多样性、土壤质量等变化的发生条件、过程、影响因素及其作用机理的生态环境综合效应研究还有待加强。

(2)植被指数能够从空间反映桉树人工林覆盖、生长状况，通过植被指数获取地表生态系统的重要参数，是从不同区域尺度分析桉树人工林对生态环境影响的有效途径。RS技术能够快速获取桉树的光谱信息，通过对光谱反射率做一些数学变化得到不同的植被指数；不同的遥感数据源提供的植被指数类型不一。植被指数具有地域性和时效性，在不同植被类型、区域间存在差异。实际运用中，须分析不同植被指数在不同区域的桉树人工林中的适用性，并实时修正植被指数。RS技术日新月异，应充分发挥RS的优势，不断探索适用于桉树人工林的植被指数。

(3)NPP是反映桉树人工林生态系统质量状况，判定生态系统碳源、汇的重要指标。国内有关桉树人工林NPP的研究，其估算方法以经验公式、农业统计数据模型为主，涉及光能利用模型、过程模型的研究很少。光能模型利用RS技术获取陆面的全覆盖信息，模拟过程易于操作；过程模型能够模拟植被的生长活动，预测气候影响下的植被NPP变化；光能、过程模型均可以结合应用GIS技术，实现植被NPP时空变化的模拟，是NPP模型方法研究的热点。因此，今后的研究中应多开展运用光能利用模型、过程模型分析桉树人工林NPP时空变化的研究，结合RS、GIS技术从时空尺度上分析桉树人工林对生态环境的影响。

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