香榧幼林開墾對紹興湯浦水庫氮輸入的影響

傅舜宇，張青，陶宇，鮑依群

（紹興市水環境科學研究院有限公司，浙江 紹興 312000）

香榧Torreya grandis‘Merrillii’是我國特有的珍稀干果，主產于浙江會稽山區的紹興、諸暨、嵊州、東陽、磐安五個縣市[1]。根據筆者的實地走訪、調查，約從2014 年開始，在紹興南部、嵊州北部、諸暨西部的丘陵山區，大面積的香榧造林采用先在平地種植香榧苗，待成年后再移栽至山坡的種植方式。由當地鄉鎮政府提供的統計數據表明，2017 年，紹興市柯橋區的稽東鎮，嵊州市的谷來鎮、竹溪鄉，香榧的種植面積占這些鄉鎮土地總面積的20%以上。為了方便討論，本文將樹齡≤3 a，在平地（多為水田或旱地改造）以起壟的方式栽種的香榧林稱為香榧苗圃；將樹齡3～30 a，被移栽至山坡種植的香榧林稱為香榧幼林；將樹齡＞30 a 的次生香榧林和香榧自然林稱為香榧成林。根據2017 年的遙感影像解析，結合數月的現場實地走訪和資料查閱，得知香榧林（包括香榧成林、香榧幼林、香榧苗圃）約占湯浦水庫流域面積的10.2%，茶Camellia s inensis園占4.3%，其他農林地類占流域面積的比例均低于3%。

據筆者2016—2017 年對湯浦水庫上游流域96 個行政村的實地走訪和問卷調查顯示，香榧幼林和香榧成林的施肥方式主要有兩種：（1）一年兩次，一次在2—3 月，一次在9—10 月；（2）一年三次，一次在2 月，一次在4—5 月，一次在9—10 月。每次施肥的氮施入量如下：香榧幼林為2.3～18.0 kg·hm-2、香榧成林為6.8～27.0 kg·hm-2、香榧苗圃為0.8～4.5 kg·hm-2。另有少數農戶在1、2、3、4、5、9、10、11 月分別對香榧幼林進行施肥，每次施入氮為2.3～5.3 kg·hm-2，（均折合為純氮用量計量）。此外，部分農戶每年會施1～2 次有機肥，每次施用量為100～500 kg·hm-2。

香榧作為松杉綱Coniferopsida 植物，耐脅迫能力強，能夠在陡峭而貧瘠的山坡上生長。在浙北紅壤丘陵地區，一般認為不適合農林業開發的坡度25°以上的坡地，甚至坡度大于40°的坡地，被大量開墾為香榧幼林。在谷來鎮、竹溪鄉、稽東鎮，多處坡度60°～70°的極陡坡也被開墾為香榧幼林。有研究表明，在紅壤丘陵地區，覆蓋草本植物的坡地的地表徑流、壤中流、基流造成的氮流失均顯著低于清除地表草本植被的裸土坡地[2]。另一方面，已有很多研究表明，過量施氮或不合理施氮將加速土壤酸化、破壞土壤結構[3-4]，在一定條件下可能因淋溶導致大量氮營養鹽進入水體[5-9]。

過去，國內外對香榧的研究集中在生長習性[5]、生態習性[6-7]、香榧對土壤生態的影響[1,8-10]這幾個領域。2020年，有學者研究了香榧人工種植林在面對極端降雨時，土壤總氮、土壤總磷、土壤總有機碳的損失[11]。目前，國內外還沒有運用SWAT 模型或徑流小區試驗研究香榧對流域的非點源氮污染的影響。本研究將著眼于香榧林，特別是人工種植的香榧幼林對于湯浦水庫氮輸入的影響，旨在為水庫水質保護和非點源污染防治提供依據。

1 研究區概況

研究區為湯浦水庫壩址流域（120°28'～120°49' E，29°37'～29°56' N），地處亞熱帶季風區，在行政區劃上分屬柯橋區稽東鎮、王壇鎮、平水鎮和嵊州市谷來鎮、竹溪鄉、王院鄉。湯浦水庫位于曹娥江支流小舜江的上游，水庫水域面積為13.64 km2，流域集水面積約為460 km2；流域年均降水量為1 564.4 mm；年均徑流深為795.2 mm。主要入庫河道為南溪（長約為43.8 km，流域面積約為215 km2）、北溪（長約為25.8 km，流域面積約為132 km2）、王化溪（流域面積約為61 km2）、萬喬溪（流域面積約為14 km2）。湯浦水庫自1997 年建庫以來，水質總體良好，大部分指標符合GB3838—2002 的I 類水標準。不過，庫區水的總氮濃度在2013—2015 年時有所升高，雖然在2016—2017 年時略有下降，但仍高于2011—2012 年時的水平。

研究區地貌以低山丘陵為主，地勢從西南向東北傾斜。紅壤是紹興市柯橋區南部和嵊州市北部的丘陵地區的主要土壤類型[12-13]。按照土壤發生分類法，研究區內的土壤以黃泥土、黃泥砂土、黃礫泥等紅壤為主[13]。研究區內的香榧幼林、成林的土壤總氮平均含量為1 569.0±481.8 mg·kg-1，有效氮平均含量為154.0±41.0 mg·kg-1。

2016—2018 年，本研究在對湯浦水庫流域的調查中發現，南溪的榆樹支流上游、竹溪支流上游是香榧幼林的集中種植區。這些地區坡度40°以上的坡地被大面積開墾為香榧幼林。這些香榧幼林的郁閉度普遍小于0.1。當地農民在將香榧從香榧苗圃移栽至山坡時，普遍使用草甘膦等除草劑清除所有林下植被。這些因素導致了多處山體的土壤近似于裸露。

2 研究方法

2.1 SWAT 模型的構建

2.1.1 數據庫的構建 前人在湯浦水庫流域的研究已證明SWAT 模型適用于該流域[14-17]。以往的研究均采用20世紀90 年代第一次土地普查所制的土地利用類型分布圖和土壤類型分布圖，均未對SWAT 模型的數據庫進行本土化，也均未涉及香榧這一本地特色作物。本研究根據高分一號衛星遙感影像，結合實地走訪，手動繪制了全流域土地利用類型圖（圖1），并對土壤屬性、土壤類型等數據庫進行了本土化處理。本研究構建SWAT 模型的輸入數據來源見表1。

表1 SWAT模型的空間與屬性數據Table 1 The spatial and attribute data of SWAT model

圖1 S WAT模型的土壤類型分布圖（a）和土地利用方式圖（b）Table 1 Soil type (a) land-use (b) of SWAT model

研究區內的土地利用類型被分為16 類。其中，稻田、旱地、茶園、自然林等大多數土地利用類型在SWAT模型自帶的數據庫中有對應的土地利用類型代碼。但是，本研究重點關注的香榧成林、香榧幼林、香榧苗圃在SWAT 模型自帶數據庫中，沒有相應的土地利用類型數據。因此，本研究在SWAT模型的土地利用類型數據庫中，自建了香榧幼林、香榧成林、香榧苗圃3 種土地利用類型代碼。對稻田、旱地、茶園、自然林等其他土地利用類型，本研究采用SWAT 模型自帶數據庫中對應的土地利用類型數據。

2.1.2 子流域和水文響應單元（HRU）的劃分 在數據、信息的收集工作完成后，進行空間離散化操作。湯浦水庫上游流域被劃分成31個子流域（圖2）和1 150個HRU。SWAT模型只允許存在一個總出水口，而湯浦水庫庫區湖面面積大，不能將湖面視為一個子流域。此外，湯浦水庫4條主要入庫河道中，萬喬溪、王化溪、除占岙支流外的北溪和南溪下游的土地利用類型的分布相對傳統。它們和有香榧幼林集中分布的北溪占岙支流、南溪上游榆樹、竹溪等支流存在較大差異。因此，本研究先選取香榧集中種植區所在的幾個小流域進行模擬，再將模型推廣到其他河道流域。

圖2 湯浦水庫流域的子流域劃分Figure 2 The sub streams of Tangpu Reservoir basin

2.1.3 模型的評價 SWAT模型的模擬結果采用決定系數（R2）和Nash-Sutcliffe模擬效率系數（Ens）來評價。R2和Ens的計算方法如下：

式中，n為觀測次數，Qm為觀測值，QS為模擬值，Qavgm為觀測值平均值，Qavgs為模擬值平均值。當R2>0.6、Ens>0.5 時，通常認為模型的模擬效果較好，具有較高的可信度。

2.2 香榧徑流小區試驗

香榧幼林的產流率、氮輸出負荷并無文獻可查。另一方面，香榧幼林是本研究在SWAT 模型數據庫中自建的土地利用類型，SWAT 模型對這一地類的模擬需要驗證。因此，本研究于2017 年10 月—2018 年11 月開設了徑流小區試驗。香榧幼林集中分布在南溪的榆樹支流上游，因此，本研究在榆樹支流上游的長蛇水庫北岸山坡（29°42' N，120°33' E）的香榧幼林設置徑流小區試驗場地。小區從坡頂延至坡底，長約為23 m，寬約為5 m，坡度約為40°，投影面積約為100 m2。設兩組平行試驗。兩個小區種植的香榧樹樹齡為8～10 a，株高為1.2～1.5 m，郁閉度約為0.05，株行距為4 m×4 m，均無林下植被。每組小區的邊界用水泥板圍成。水泥板露出地面20 cm，埋入地下30 cm，水泥板表面和板之間用防水涂料進行處理。徑流小區的2 個集水槽及其連同的集水桶，分別用來收集地表徑流出水和0～30 cm 土層土壤中的流出水。另外，在徑流小區旁設取樣器收集雨水水樣。徑流小區于2018 年3 月下旬、5 月下旬分別施入氮3.75 kg·hm-2，于9 月上旬施入氮2.25 kg·hm-2（施肥量全部已折算成純氮用量）。

2.3 土壤調查

本研究在香榧幼林徑流小區及研究區內若干代表性地段設置樣線。每條樣線采用蛇形布點法設16 個采樣點。每個采樣點之間相距5 m 左右。在香榧幼林的樣線，在每個采樣點內隨機選3 棵香榧，在每棵香榧的樹干半徑50 cm 距離內取樣作為冠內組；將相鄰的香榧樹沿斜對角相連，選3 處交叉處取樣作為冠外組。在其他樣線，每個采樣點內按照十字交叉線取5 個土樣。土樣用土壤采樣器分0～10 cm 的表層土壤和＞10～20 cm 的深層土壤采集。將每條樣線中相同土層的土樣混合，用四分法將多余的土壤舍棄；可得2 個混合樣，測定所有樣線混合土樣的土壤全氮含量。

3 結果與分析

3.1 參數率定的結果

以2011 年為緩沖年，2012 年1 月—2015 年12 月作為校準期，2016 年1 月—2018 年12 月作為驗證期，以湯浦水庫入庫水量對模型模擬的流域徑流量進行校準。再以2015 年為校準期，以2016—2018 年為驗證期，以南溪入庫口的斷面20 次水質調查的總氮數據作為觀測值，將觀測值和模型對總氮的模擬值分別進行營養鹽率定。再用校準參數后的模型對北溪、王化溪、萬喬溪的入庫口斷面的總氮實測值進行驗證。本研究選用的率定參數見表2。

表2 徑流率定、營養鹽率定的參數及其范圍Table 2 Parameter calibration of runoff and eutrophication and their range and optimum value

模型模擬的校準期徑流量和同期實測值的R2=0.96、Ens=0.96；模擬的驗證期徑流值和同期實測值的R2=0.90、Ens=0.89，均符合評判標準R2>0.6、Ens>0.5 的要求（圖3）。模型對南溪入庫口校準期、驗證期的總氮模擬，也均符合R2>0.6、Ens>0.5 的要求。模型對榆樹支流等多個香榧種植區、駱村支流等多個混合種植區、北溪入庫口、王化溪入庫口、萬喬溪入庫口的總氮輸出量的模擬結果，和對應河道斷面同期水質調查的實測值的評價指標，亦均符合R2>0.6、Ens>0.5 的要求（圖4）。這表明本模型對湯浦水庫上游流域總氮輸出的模擬效果較好，模型模擬的可信度高。

圖3 湯浦水庫流域的入庫徑流Figure 3 Inflow runoff into Tangpu Reservoir

圖4 南溪、北溪、王化溪、萬喬溪入庫口斷面的總氮通量Figure 4 Total nitrogen flux at the entrance sections of Nanxi River,Beixi River,Wanghua River and Wanqiao River

3.2 徑流小區試驗結果

徑流小區于2017 年6 月底完成施工，于8 月完成調試。徑流小區試驗自2017 年10 月開始，至2018 年9月結束。表3 為試驗期間15 次取樣的日期和降雨情況。由產流結果顯示，香榧幼林的產流情況受到雨量等級和降雨歷時兩重影響。試驗期間的兩次大雨、暴雨和一次暴雨的后續降雨中，香榧幼林的地表徑流產流量可達到13%～15%。同浙北紅壤丘陵地區的研究結果相比，香榧幼林在大雨、暴雨期間的產流率與臨安青山湖沒有林下植被的竹林（14%～21%）[18]在暴雨期間的產流率相近；高于錢江源地區硬闊林（無徑流－8%）[19]和臨安青山湖具有林下植被的竹林（4%～7%）[18]在大雨、暴雨期間的產流率，高于新安江、西苕溪的茶園（4%～9%）[20-21]在大雨、暴雨期間的產流率。

圖5 歷次降雨事件中，香榧幼林徑流小區的總氮流失量Figure 5 The TN loss of runoff plot in young T.grandis ‘Merrillii’ stand on rainy days

表3 徑流小區歷次降雨情況Table 3 Rainfall in runoff plot

3.3 徑流小區試驗對SWAT 模型的驗證

基于香榧幼林徑流小區的15 次徑流出水、同期雨水和當地其他自然林的徑流水樣等實測數據，本研究采用輸出系數模型對南溪榆樹支流上游的總氮輸出量進行估算。由輸出系數模型計算得到的該子流域總氮輸出量，被用來驗證SWAT 模型對這一香榧集中種植區總氮輸出量的估算結果。本文所用的輸出系數模型的簡化公式源自尹微琴等的研究[22]。

式中，L表示總氮輸出量，Ei表示第I 種土地利用輸出系數，Ai表示第i種土地利用類型的面積，Ii表示單位面積總氮輸出量，P表示降雨輸入的總氮。

在榆樹支流上游的香榧集中種植區，輸出系數模型計算得到的氮輸出量和SWAT 模型的同期模擬值的R2=0.75、Ens=0.61，符合評判標準R2>0.6、Ens>0.5（圖6）。這一結果進一步說明，本研究的SWAT 模型對香榧集中種植區的總氮輸出的模擬效果較好，模型模擬的可信度高。

圖6 基于徑流小區試驗的輸出系數模型和SWAT 模型估算的南溪榆樹支流上游的氮輸出量Figure 6 Nitrogen f rom u pstream o f Y ushu e stimated by S WAT model and output coefficient model based on runoff plot

3.4 SWAT 模型對流域內總氮的模擬

3.4.1 非點源氮污染的空間分布 SWAT 模型的模擬結果表明，2017 年10 月—2018 年9 月，南溪流域能貢獻約75%的入庫總氮（表4）。王化溪、萬喬溪、庫區的總氮輸出量的貢獻比率則相對較低。其中，南溪的榆樹支流上游、竹溪支流上游、北溪的占岙支流上游的總氮年輸出量可達3.0 t·km-2（圖7）。這些區域都是香榧集中種植區，香榧林的面積可占相應子流域面積的50%～88%。

圖7 湯浦水庫流域2017 年10 月—2018 年9 月總氮輸出的空間分布Figure 7 Spatial distribution of total nitrogen output in Tangpu Reservoir basin from Oct.2017 to Sep.2018

表4 SWAT 模型模擬的湯浦水庫入庫各河道流域非點源氮通量Table 4 Non point source nitrogen flux in Tangpu Reservoir inflows simulated by SWAT model

3.4.2 不同土地利用方式對非點源氮污染的貢獻 如表5顯示，約有45%的總氮入庫量來自香榧幼林，加上香榧成林和香榧苗圃貢獻的總氮入庫量，三者的總和比例超過入庫總氮的一半。香榧幼林占湯浦水庫上游約6%的面積。從單位面積氮負荷來看，香榧幼林遠遠超過其他幾種土地利用方式。

表5 SWAT 模型對不同土地利用方式的總氮入庫量的模擬Table 5 Simulation of total nitrogen inflows into Tangpu Reservoir from different landuse by SWAT model

3.5 香榧林土壤調查結果

香榧種植區普遍存在過量施化肥的現象[1,10]。在研究區內的實地調查表明，香榧集中種植區的施肥量明顯高于附近地區其他土地利用方式的施肥量。本研究于2018 年在研究區的土壤調查表明，香榧種植區0～15 cm 土層的土壤總氮含量可達同一子流域的其它自然林和茶園同層土壤的1.6 倍和1.5 倍；采用“一年兩次，每次大量”施肥方式下的香榧林15～40 cm 土層的土壤總氮含量可達同一子流域的其它自然林和茶園同層土壤的2.0 倍和1.5 倍（表6）。本研究的土壤調查和戴文圣等2005 年在紹興、嵊州等五縣市香榧林開展的土壤調查[1]情況相似，都反映了浙江紅壤丘陵地區的香榧林因為濫施肥導致土壤氮含量過量。

表6 研究區的土壤氮含量Table 6 Nitrogen content in research area

4 結論與討論

4.1 結論

本研究利用湯浦水庫2011—2018 年的入庫水量和2015 年多個河道斷面的水質檢測結果對SWAT 模型的參數進行率定、校準：在上游的香榧幼林集中種植區——榆樹支流上游，采用香榧幼林徑流小區試驗數據對SWAT模型進行了驗證；在南溪、北溪的入庫斷面，采用2016—2018 年的河道斷面水質檢測結果進行驗證。模擬結果表明，本研究所用的SWAT 模型的模擬精度較高，并且該模型能夠反映湯浦水庫上游流域包括香榧幼林、香榧成林、香榧苗圃在內的多種土地利用方式的非點源氮輸出。根據SWAT 模型的模擬結果，占湯浦水庫上游流域面積約46%的南溪小流域貢獻了75%的入庫總氮。南溪的榆樹支流上游、竹溪支流、北溪的占岙支流這些香榧幼林集中種植區上游的非點源氮污染較嚴重。占流域面積約6%的香榧幼林提供了約45%的入庫總氮，是貢獻最大的土地利用類型。

4.2 討論

香榧幼林的氮流失很可能與以下因素有重要關聯：（1）過低的郁閉度、近乎裸露的土壤。林下植被能夠對降雨進行再分配，影響坡地徑流的產生，進而影響總氮的流失[23]。林下植被的存在可以減少大雨、暴雨期間大雨滴對土壤顆粒的濺蝕作用，使得坡面流沒有足夠的潛力沖走更多的土壤顆粒[24]。榆樹支流上游、竹溪支流上游等地通常在陡坡開荒種植香榧幼林，并使用草甘膦等除草劑清除全部林下植被。這種種植方式導致山坡土壤裸露。本研究的徑流小區試驗表明，這種方式形成的香榧幼林在大雨、暴雨期間，坡面會產生比自然林、茶園更多的徑流。（2）過陡的種植坡度。在研究區內，大量香榧幼林種植在40°以上的陡坡上，甚至60°～70°的極陡坡上。陡坡的開墾加劇了水土流失。（3）過量的、不合理的施用氮肥。這使香榧集中種植區的土壤氮本底高于周圍其他作物的土壤。在浙江臨安山區，類似的砍伐山坡的自然林，清除全部林下植被種植經濟林木的生產方式，被證明會產生嚴重的土壤侵蝕和氮素流失[25]。本研究中，大量香榧幼林的種植坡度（40°左右，部分地區可達60°～70°）高于臨安山核桃Carya cathayensis的種植坡度（25°左右），因此，可能將面臨更嚴峻的氮流失風險。

目前，湯浦水庫上游流域各鄉鎮政府已不允許在陡坡開墾香榧幼林。未來，有關部門可向當地農戶普及水土保持學知識，使他們了解保留林下植被的益處。此外，應提倡在香榧幼林套種林下經濟作物，推廣等高種植等減少水土流失的種植方式，提倡測土配方施肥等科學施肥方式。