当前位置: 生态建设 >植树造林

瑞典种植柳树进行生态管理

2014-11-06来源:中国林业网

瑞典通过栽培短轮伐期柳树矮林(以下简称柳树矮林)获得生物能源,其造林地主要是农地,所生产的生物量在地区供热厂中用于联合热电生产。

在生物能源生产的同时,柳树矮林还可起到清除污染物和治理环境的作用。近年来,瑞典已成功地将柳树矮林用于城市废水、垃圾沥出物、工业废水(如贮木厂喷浇原木后的废水)、下水道污泥和锯沫等处理,主要是通过植物吸收来减少水和土壤中的污染物和过多的养分,促进土壤微生物对有机污染物的降解。这个过程被称为植物整治。

一、以生物量生产为目标的柳树栽培

20世纪70年代石油危机之后,伴随石油燃料被新能源取代的趋势,短周期柳树矮林的栽培被引入瑞典。瑞典曾进行大量研究,寻找可通过集约经营生产能源的速生树种,结果表明以矮林形式经营的柳树是最适合用于生产能源的。柳树的养分利用和林分经营比其它木本树种更具有成本效益。短周期柳树矮林是能够保持二氧化碳平衡的可持续燃料生产方式,因为其生物量燃烧所释放到大气中的二氧化碳数量等于它从空气中吸收的二氧化碳。目前瑞典约生长着1.6万hm2短周期柳树矮林,主要为蒿柳Salix viminalis、毛枝柳S. dasyclados和S. schwerinii的不同无性系和杂交种。

瑞典的柳树栽培从造林到采收全部实现机械化作业。在造林的最初阶段,每公顷约1.5万条插穗呈双行栽植,以利于将来的除草、施肥和采收。造林后采用传统无机肥进行施肥。柳树每3~5年采伐1次,采伐季节是冬季土壤结冻后,采伐机械是经过专门设计的。柳树的地上部分在采伐后就地削片,然后储存起来或直接在联合热电厂进行燃烧。采伐后,矮林萌生迅速,因此不需要再造林。短周期柳树矮林的经济寿命预计为20~25年。瑞典商业种植柳树的生物产量因立地条件不同而异,但一般为每年每公顷6~12t。

二、瑞典大规模植物整治系统的实例

1.城市废水处理

城市废水含有氮和磷,多数情况下是可以用作植物肥料的均衡营养液。然而出于卫生原因,它只被用于非粮食、非饲料作物,如短周期柳树矮林。20世纪90年代,瑞典在废水处理厂附近营造了大面积具有滴灌和喷灌系统的柳树人工林,以便提高废水中氮处理的效率和利用废水进行生物量生产。在瑞典中部一个约有2万居民的城镇Enk ping,有一种全新的城市废水处理系统,利用从污泥中脱出的富氮废水(每升含800mg氮)浇灌周围75hm2的柳树林。废水在冬季被抽至有管道的蓄水池中,夏季(5~9月)用于短周期柳树矮林的灌溉,每年灌溉120天。该系统每年的废水灌溉量为20万m3,为柳树林提供11t氮和0.2t磷,其中2万m3废水是来自污泥的沉淀和离心过滤。在雨季灌溉自动停止。灌溉速率在生长季为平均每天2.5mm。

该系统可能的环境影响包括氮淋失和向空气中释放一氧化二氮,但目前的监测结果表明,这种废水利用方式对环境的影响最小。

2.垃圾沥出液处理

垃圾沥出液(即垃圾过滤出的废水)在废水厂处理的费用通常比较昂贵,因为沥出液必须从垃圾掩埋地运到废水处理厂。因此,垃圾掩埋工作人员越来越倾向于就地处理垃圾沥出液。一个办法是先在曝气塘中对垃圾沥出液进行曝气处理,而后用于浇灌垃圾掩埋厂恢复区上的柳树矮林或周围可耕地上的柳树矮林。这样做既能促进柳树生长,又能降低垃圾沥出液中高离子浓度的不良影响(沥出液中氯化物的浓度通常达到1000mg/L),其成本亦低于传统的工程措施。

通过营造柳树人工林来恢复垃圾掩埋地,有利于通过柳树林的高蒸发速率减少垃圾沥出液的形成。短周期柳树矮林的废水利用功能可以使垃圾掩埋场的沥出液排放量接近于零,即使在北欧潮湿气候条件下也如此。同时,沥出液中有害化合物(如铵和一系列具有潜在毒性且难于分解的有机物)被柳树吸收或保留在土壤-植物系统中。水中高浓度的铵离子对环境有害,但只要对其加以认真监测,那么铵也可以成为柳树生长的氮源。

目前瑞典约有20个地方已经通过滴灌和喷灌系统用垃圾沥出液灌溉短周期柳树矮林。例如,瑞典中部H gbytorp地区Ragnsells Avfallsbehandling AB公司有一个这样的系统,在池子中对垃圾沥出液进行贮藏和曝气处理,然后输送到一个5hm2的短周期柳树矮林,该矮林在生长季中每天都灌溉,灌溉量约为2~3mm。

在设计和管理短周期柳树矮林灌溉的垃圾沥出液处理系统时,需要对不同土壤和气候条件下不同垃圾的沥出液成份差异,以及不同柳树无性系植物材料的吸收情况的差异加以考虑。

3.贮木场废水利用

在瑞典锯材厂和纸浆厂,夏季为了防止木材遭受虫害和真菌危害,以及木材干燥引起的开裂,需要对贮藏的木材喷水。喷浇木材后流走的水中含有一系列的来自树皮的有机物,也含有大量的磷,这些磷来自树皮以及粘在原木和货车轮胎上的土壤颗粒。瑞典的一个中型锯材厂每年约消耗10万m3水用于喷撒贮藏木材;因此大量的废水需要处理。另外,贮木场的废水如果不加以收集和处理,在降雨和融雪后会污染周围集水区和地下水。以前,多数情况下这种水都被排放到河流和湖泊中。

废水的成份因贮藏的木材和贮木场的贮藏条件而异。主要的环境问题是因酚酸、总有机碳、重金属和磷浓度增加而引起的。

在瑞典中部的Heby锯材厂,每年约有6万m3的贮木场废水经由1hm2的短周期柳树矮林进行循环利用。柳树林地在生长季采用喷灌方式进行灌溉,每年灌溉量为4000~4500mm(在120天的灌溉期内每天灌溉量为33~38mm),这种灌溉量与城市废水和经处理的垃圾沥出液相比是很高的。

Heby锯材厂的废水危害程度较低,氮含量不高,但它含有大量的有机化合物和磷。试验表明当这种水被用于短周期柳树矮林后,地下水的总有机碳含量和酚类化合物的含量升高(尽管酚类化合物的含量因其初始值低而不成为问题)。柳树的生长和周围水域均不受高载量磷和有机碳的不良影响。然而过高的水灌溉量使土壤饱和,柳树生长量下降。当灌溉量降至每天10~20mm时,植物的生长速度和营养吸收速率均提高。

4.生活污水和锯沫

在瑞典约有1万hm2的短周期柳树矮林已经利用生活污水进行施肥。从植物营养角度讲,生活污水不是均衡的肥料,尽管它含有一些氮(主要是有机束缚态氮)和大量的磷,但钾含量很低。生活污水与锯沫相混合后成为均衡的肥料,可以取代传统有机肥用于柳树林。

现在的想法是污泥锯沫混合物中重金属和磷的危害作用应该通过植物吸收以及存留于土壤-植物系统中而降低至最小。当采伐时,含重金属的枝条部分被从柳树林中移走并燃烧掉,而燃烧后的灰烬又可通过施用于柳树矮林而实现部分循环。只有锅炉底部的底灰被施用于柳树矮林,因为这部分的重金属含量低于烟囱过滤器中沉淀的烟灰。

在造林和每次采伐后(或者说每隔3~7年)将污泥与锯沫混合施用于柳树矮林,以便补偿因采伐而移走的养分。实际上,其施用量约相当于每年每公顷22~35kg磷。

施用污泥锯沫混合物后土壤-植物系统中的重金属含量在允许范围内,被视为对人体危害最大的金属之一的镉的总含量减少。当生物量被燃烧时,镉和其它重金属将被保留在不同的灰组分中,应该注意不让它们返回到可耕地中。将重金属从灰烬中移走在技术上相对容易,但由于没有人为这种环保工作提供经费,因此这些重金属污染的灰烬常常被遗弃于垃圾中。

三、利用柳树进行生物能源生产和环境治理大有前途

当用于植物整治时,短周期柳树矮林具有优势,如生物产量高,通过频繁的采伐清除有害化合物。高蒸腾速率和根系耐水淹特性使得可以采用较高的灌溉率。另外,短周期柳树矮林可以通过吸收大量的镉等重金属来清理被污染的土地,而且它们还能在土壤-植物系统中保留大量的养分。短周期柳树矮林植物整治系统成功地清除瑞典各种废弃物中含有的有害化合物,利用生物量生产中施用的养分和水分。大规模营造这样的系统可以提供有利于生态而又廉价的废物处理措施,同时又促进了生物能源的生产。