傅舜宇，張青，陶宇，鮑依群

（紹興市水環(huán)境科學(xué)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(chǎn)于浙江會稽山區(qū)的紹興、諸暨、嵊州、東陽、磐安五個縣市[1]。根據(jù)筆者的實地走訪、調(diào)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(qū)，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(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)政府提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2017 年，紹興市柯橋區(qū)的稽東鎮(zhèn)，嵊州市的谷來鎮(zhèn)、竹溪鄉(xiāng)，香榧的種植面積占這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(jù)2017 年的遙感影像解析，結(jié)合數(shù)月的現(xiàn)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(nóng)林地類占流域面積的比例均低于3%。

據(jù)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(diào)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(shù)農(nóng)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(nóng)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(qū)，一般認(rèn)為不適合農(nóng)林業(yè)開發(fā)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(zhèn)、竹溪鄉(xiāng)、稽東鎮(zhèn)，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(qū)，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(jié)構(gòu)[3-4]，在一定條件下可能因淋溶導(dǎo)致大量氮營養(yǎng)鹽進入水體[5-9]。

過去，國內(nèi)外對香榧的研究集中在生長習(xí)性[5]、生態(tài)習(xí)性[6-7]、香榧對土壤生態(tài)的影響[1,8-10]這幾個領(lǐng)域。2020年，有學(xué)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(nèi)外還沒有運用SWAT 模型或徑流小區(qū)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(zhì)保護和非點源污染防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(fēng)區(qū)，在行政區(qū)劃上分屬柯橋區(qū)稽東鎮(zhèn)、王壇鎮(zhèn)、平水鎮(zhèn)和嵊州市谷來鎮(zhèn)、竹溪鄉(xiāng)、王院鄉(xiāng)。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(zhì)總體良好，大部分指標(biāo)符合GB3838—2002 的I 類水標(biāo)準(zhǔn)。不過，庫區(qū)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(qū)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(qū)南部和嵊州市北部的丘陵地區(qū)的主要土壤類型[12-13]。按照土壤發(fā)生分類法，研究區(qū)內(nèi)的土壤以黃泥土、黃泥砂土、黃礫泥等紅壤為主[13]。研究區(qū)內(nèi)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(diào)查中發(fā)現(xiàn)，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(qū)。這些地區(qū)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(dāng)?shù)剞r(nóng)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(dǎo)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(gòu)建

2.1.1 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)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(jì)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(shù)據(jù)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(jù)高分一號衛(wèi)星遙感影像，結(jié)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(shù)據(jù)庫進行了本土化處理。本研究構(gòu)建SWAT 模型的輸入數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 SWAT模型的空間與屬性數(shù)據(jù)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(qū)內(nèi)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(shù)土地利用類型在SWAT模型自帶的數(shù)據(jù)庫中有對應(yīng)的土地利用類型代碼。但是，本研究重點關(guān)注的香榧成林、香榧幼林、香榧苗圃在SWAT 模型自帶數(shù)據(jù)庫中，沒有相應(yīng)的土地利用類型數(shù)據(jù)。因此，本研究在SWAT模型的土地利用類型數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的土地利用類型數(shù)據(jù)。

2.1.2 子流域和水文響應(yīng)單元（HRU）的劃分 在數(shù)據(jù)、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(qū)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(tǒng)。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(qū)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(jié)果采用決定系數(shù)（R2）和Nash-Sutcliffe模擬效率系數(shù)（Ens）來評價。R2和Ens的計算方法如下：

式中，n為觀測次數(shù)，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(dāng)R2>0.6、Ens>0.5 時，通常認(rèn)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(qū)試驗

香榧幼林的產(chǎn)流率、氮輸出負(fù)荷并無文獻可查。另一方面，香榧幼林是本研究在SWAT 模型數(shù)據(jù)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(shè)了徑流小區(qū)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(shè)置徑流小區(qū)試驗場地。小區(qū)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(shè)兩組平行試驗。兩個小區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)旁設(shè)取樣器收集雨水水樣。徑流小區(qū)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(diào)查

本研究在香榧幼林徑流小區(qū)及研究區(qū)內(nèi)若干代表性地段設(shè)置樣線。每條樣線采用蛇形布點法設(shè)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(nèi)隨機選3 棵香榧，在每棵香榧的樹干半徑50 cm 距離內(nèi)取樣作為冠內(nèi)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(nèi)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(jié)果與分析

3.1 參數(shù)率定的結(jié)果

以2011 年為緩沖年，2012 年1 月—2015 年12 月作為校準(zhǔn)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(zhǔn)。再以2015 年為校準(zhǔn)期，以2016—2018 年為驗證期，以南溪入庫口的斷面20 次水質(zhì)調(diào)查的總氮數(shù)據(jù)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(yǎng)鹽率定。再用校準(zhǔn)參數(shù)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(shù)見表2。

表2 徑流率定、營養(yǎng)鹽率定的參數(shù)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)R2>0.6、Ens>0.5 的要求（圖3）。模型對南溪入庫口校準(zhǔn)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(qū)、駱村支流等多個混合種植區(qū)、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(jié)果，和對應(yīng)河道斷面同期水質(zhì)調(diào)查的實測值的評價指標(biāo)，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(qū)試驗結(jié)果

徑流小區(qū)于2017 年6 月底完成施工，于8 月完成調(diào)試。徑流小區(qū)試驗自2017 年10 月開始，至2018 年9月結(jié)束。表3 為試驗期間15 次取樣的日期和降雨情況。由產(chǎn)流結(jié)果顯示，香榧幼林的產(chǎn)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(xù)降雨中，香榧幼林的地表徑流產(chǎn)流量可達(dá)到13%～15%。同浙北紅壤丘陵地區(qū)的研究結(jié)果相比，香榧幼林在大雨、暴雨期間的產(chǎn)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(chǎn)流率相近；高于錢江源地區(qū)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(chǎn)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(chǎn)流率。

圖5 歷次降雨事件中，香榧幼林徑流小區(qū)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(qū)歷次降雨情況Table 3 Rainfall in runoff plot

3.3 徑流小區(qū)試驗對SWAT 模型的驗證

基于香榧幼林徑流小區(qū)的15 次徑流出水、同期雨水和當(dāng)?shù)仄渌匀涣值膹搅魉畼拥葘崪y數(shù)據(jù)，本研究采用輸出系數(shù)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(shù)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(qū)總氮輸出量的估算結(jié)果。本文所用的輸出系數(shù)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(shù)，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(qū)，輸出系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)R2>0.6、Ens>0.5（圖6）。這一結(jié)果進一步說明，本研究的SWAT 模型對香榧集中種植區(qū)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(qū)試驗的輸出系數(shù)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(nèi)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(jié)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(qū)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(dá)3.0 t·km-2（圖7）。這些區(qū)域都是香榧集中種植區(qū)，香榧林的面積可占相應(yīng)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(fù)荷來看，香榧幼林遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diào)查結(jié)果

香榧種植區(qū)普遍存在過量施化肥的現(xiàn)象[1,10]。在研究區(qū)內(nèi)的實地調(diào)查表明，香榧集中種植區(qū)的施肥量明顯高于附近地區(qū)其他土地利用方式的施肥量。本研究于2018 年在研究區(qū)的土壤調(diào)查表明，香榧種植區(qū)0～15 cm 土層的土壤總氮含量可達(dá)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(dá)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(diào)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(diào)查[1]情況相似，都反映了浙江紅壤丘陵地區(qū)的香榧林因為濫施肥導(dǎo)致土壤氮含量過量。

表6 研究區(qū)的土壤氮含量Table 6 Nitrogen content in research area

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)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(zhì)檢測結(jié)果對SWAT 模型的參數(shù)進行率定、校準(zhǔn)：在上游的香榧幼林集中種植區(qū)——榆樹支流上游，采用香榧幼林徑流小區(qū)試驗數(shù)據(jù)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(zhì)檢測結(jié)果進行驗證。模擬結(jié)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(nèi)的多種土地利用方式的非點源氮輸出。根據(jù)SWAT 模型的模擬結(jié)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(qū)上游的非點源氮污染較嚴(yán)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(guān)聯(lián)：（1）過低的郁閉度、近乎裸露的土壤。林下植被能夠?qū)涤赀M行再分配，影響坡地徑流的產(chǎn)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(dǎo)致山坡土壤裸露。本研究的徑流小區(qū)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(chǎn)生比自然林、茶園更多的徑流。（2）過陡的種植坡度。在研究區(qū)內(nèi)，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(qū)的土壤氮本底高于周圍其他作物的土壤。在浙江臨安山區(qū)，類似的砍伐山坡的自然林，清除全部林下植被種植經(jīng)濟林木的生產(chǎn)方式，被證明會產(chǎn)生嚴(yán)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(qū)可達(dá)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(yán)峻的氮流失風(fēng)險。

目前，湯浦水庫上游流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府已不允許在陡坡開墾香榧幼林。未來，有關(guān)部門可向當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶普及水土保持學(xué)知識，使他們了解保留林下植被的益處。此外，應(yīng)提倡在香榧幼林套種林下經(jīng)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(xué)施肥方式。