千島湖流域主要土地利用方式氮收支平衡特征*

韓軼才 李恒鵬 劉明亮 盛海燕 刁亞芹 李鵬程 艾柯代·艾斯凱爾

(1.杭州市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014; 2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，流域地理學(xué)重點實驗室，江蘇 南京 210008)

千島湖是華東地區(qū)最大的水庫，是浙江省和杭州市最為重要的飲用水源保護地，國家和地方政府高度重視千島湖流域污染治理與水源保護[1]。近年來，通過采用關(guān)停高污染企業(yè)、關(guān)閉礦山、開展“五水共治”等有效措施，千島湖流域工業(yè)污染已基本消除，城鄉(xiāng)生活污水處理率超過80%，點源污染得到有效控制。為進一步提升水質(zhì)保護效果，面源污染控制成為當(dāng)前和未來水環(huán)境改善的首要任務(wù)[2]。面源污染中氮污染最為嚴(yán)重，與土地利用活動密切相關(guān)。國際公認(rèn)的施氮上限為225 kg/hm2，我國平均施氮量達到308 kg/hm2，而美國為110 kg/hm2，德國為212 kg/hm2[3]。東部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，近年來快速發(fā)展的設(shè)施農(nóng)業(yè)和顯著增加的丘陵山地開發(fā)強度使得人地關(guān)系日趨緊張，大量氮輸入產(chǎn)生嚴(yán)重的面源污染問題，造成水質(zhì)下降，并成為引發(fā)水體富營養(yǎng)化和藻類水華暴發(fā)的重要原因之一[4-6]。

面源氮污染受氣象、土壤理化性質(zhì)、土地利用方式、施肥強度和地形等因素影響，涉及過程包括生物生長與養(yǎng)分利用、土壤硝化與反硝化、礦物質(zhì)分解和降雨徑流過程中的土壤滲漏與地表徑流流失等，從系統(tǒng)的角度評估氮收支平衡特征是了解面源氮污染發(fā)生機制的重要方法之一[7-9]。經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)在總結(jié)氮生源要素的土壤生物與化學(xué)過程相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，依托區(qū)域及全球農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)平臺，建立了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮要素平衡計算方法[10]，該方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。有學(xué)者從全國、省份和流域等大尺度角度研究我國土壤氮平衡過程[11-13]，分析了20世紀(jì)60年代以來區(qū)域氮平衡變化及其對水質(zhì)可能產(chǎn)生的負面影響[14-16]。張歡等[17]研究了太湖流域典型農(nóng)業(yè)區(qū)氮平衡變化的影響因素，韓瑩等[18]研究了太湖上游低山丘陵地區(qū)不同土地利用方式的氮收支平衡特征，都得出了上游丘陵茶園的開發(fā)對水環(huán)境有顯著影響的結(jié)論。從已有研究來看，目前土壤氮平衡過程研究的重點是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，或者通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)開展的以行政區(qū)為基本單元的收支平衡計算[19-22]。千島湖流域地形地貌復(fù)雜，土地利用方式具有明顯的區(qū)域特色，研究不同土地利用方式下的土壤氮收支平衡，有助于了解人類活動對面源污染的影響。本研究以杭州市淳安縣千島湖流域為研究區(qū)，采用農(nóng)戶調(diào)查、土壤氮測定、文獻調(diào)研等方法，選擇該區(qū)域幾種主要的土地利用方式，比較分析不同土地利用方式下的氮平衡特征和差異，探討了丘陵山區(qū)開發(fā)對環(huán)境的潛在影響。

1 研究區(qū)概況

千島湖原名新安江水庫，位于浙江省西部與安徽省交界處，是1959年為建造新安江水電站而筑壩蓄水形成的大型人工深水湖泊，因湖內(nèi)有面積在2 500 m2以上的島嶼共1 078個而得名。千島湖流域面積10 440 km2，約占錢塘江流域總面積的1/4，行政區(qū)分屬安徽省和浙江省，其中水庫主要分布于浙江省杭州市淳安縣境內(nèi)，淳安縣縣域總面積4 427 km2，東西長96.8 km，南北寬94.4 km。千島湖流域境內(nèi)有三大山系，東北部為昱嶺山脈，南部為千里崗山脈，西部為白際山脈。千里崗主峰磨心尖為南部最高處，海拔1 523 m。海拔108 m以下的平川、低丘在1959年水庫建成后，成為了水域。庫區(qū)周圍山坡坡度在25 ℃以上的面積約1 292 km2。流域地處亞熱帶中部季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量約為1 430.0 mm，平均日照時數(shù)為1 951 h，年蒸發(fā)量1 381.5 mm。土壤主要包括紅壤、黃壤、巖性土和水稻土。流域森林資源豐富，土地利用方式包括耕地、自然林地、園地、草地、水面、濕地、建設(shè)用地等。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 主要土地利用方式

本研究以千島湖流域淳安縣部分為研究對象，根據(jù)研究目的和需求將研究區(qū)土地利用方式重新劃分(將山核桃等經(jīng)濟林劃分到園地中)，并選擇幾種主要土地利用方式——自然林地、耕地和園地進行研究，自然林地選擇毛竹林、馬尾松林、混交林(米櫧、細葉青岡等常綠闊葉林等林地)；耕地選擇研究區(qū)內(nèi)廣泛分布的水稻、油菜以及其他多種作物輪作的水田、旱地和菜地；園地選擇淳安縣廣泛分布的桑園和茶園、山核桃園、柑橘園等茶果園種植園地。

2.2 氮收支計算方法

本研究氮輸入包括施肥、大氣沉降、作物返田/枯枝落葉、生物固氮、灌溉輸入；氮輸出包括作物收獲/生長、氨揮發(fā)、反硝化等損失，不同土地利用方式略有不同，耕地和園地氮收支計算見式(1)，自然林地氮收支計算見式(2)。

Nsurp=(Nfert+Nmanu+Ndepo+Nresi+Nfix+Nirri)-(Nvola+Ndeni+Nharv)

(1)

Nsurp=(Ndepo+Nresi+Nfix)-(Ndeni+Nbio)

(2)

式中：Nsurp為氮盈余量；Nfert為化肥施用的氮輸入量；Nmanu為有機肥施用的氮輸入量；Ndepo為大氣沉降的氮輸入量；Nresi為作物返田/枯枝落葉的氮輸入量；Nfix為生物固氮的氮輸入量；Nirri為灌溉用水的氮輸入量；Nvola為氨揮發(fā)的氮輸出量；Ndeni為反硝化的氮輸出量；Nharv為作物收獲的氮輸出量；Nbio為植物生長的氮輸出量；上述變量單位均為kg/(hm2·a)。

2.3 氮收支核算主要參數(shù)

本項目的核算參數(shù)通過調(diào)查、調(diào)研等方式獲取。耕地和園地施肥數(shù)據(jù)主要采用現(xiàn)場調(diào)查和查閱統(tǒng)計年鑒農(nóng)業(yè)種植統(tǒng)計數(shù)據(jù)的方式獲取；生物量數(shù)據(jù)主要參考文獻[23]至[26]的研究成果；大氣沉降氮輸入數(shù)據(jù)參考文獻[27]在千島湖的沉降研究折算獲取，總氮折算為28.4 kg/(hm2·a)。主要農(nóng)作物的氨揮發(fā)和反硝化系數(shù)參考文獻[28]的研究結(jié)果(化肥在水田分別有25%和32%的損失，在旱地分別有9%和15%的損失；有機肥分別有20%和13%的損失)。農(nóng)作物的返田數(shù)據(jù)根據(jù)已有研究結(jié)果，結(jié)合作物類型進行選取，水稻、小麥、玉米和油菜取根部和莖的20%返田，馬鈴薯、花生、蔬菜、黃豆返田忽略不計[29]，園地返田數(shù)據(jù)結(jié)合文獻資料[18]和已有類似作物獲取。

2.4 主要土地利用方式的土壤特征

為了比較不同土地利用方式下的氮盈余量與土壤氮含量的關(guān)系，采集不同土地利用方式的表層土壤(0～20 cm)樣品，風(fēng)干后過2 mm篩，有機質(zhì)、全氮、全磷參照《土壤農(nóng)化分析(第三版)》中的方法進行測定。本研究共采集7種典型土地利用方式的土壤樣品，分析結(jié)果見表1。

表1 淳安縣典型土地利用方式土壤營養(yǎng)狀況Table 1 Soil nutrient status of typical landuse types in Chun’an

3 結(jié)果與討論

不同土地利用方式氮輸入、輸出和盈余量計算結(jié)果見表2。

表2 主要土地利用方式氮收支計算結(jié)果Table 2 Calculation results of nitrogen budget of main landuse types kg/(hm2·a)

3.1 不同土地利用方式氮輸入量比較

由表2可知，從氮輸入量來看，不同土地利用方式之間的差異較大，耕地和園地大于自然林地，耕地和園地均為施肥的氮輸入量最高，自然林地氮輸入主要來源于枯枝落葉或者生物固氮作用。各土地利用方式氮輸入量表現(xiàn)為菜地>桑園>水田>茶果園(茶園、柑橘園、山核桃園)≈旱地>混交林>毛竹林≈馬尾松林。氮輸入量最高的是菜地，為1 553.6 kg/(hm2·a)；其次是桑園，為768.0 kg/(hm2·a)，在園地類型中處于較高水平；再次是水田，主要是水稻/小麥、水稻/油菜和水稻/馬鈴薯的輪作方式，3類輪作方式氮輸入量分別為585.3、643.3、597.9 kg/(hm2·a)；茶果園略低于水田，氮輸入量為372.5～465.8 kg/(hm2·a)。毛竹林、馬尾松和混交林的氮輸入量較低，主要來源于枯枝落葉或者生物固氮作用，二者的比例達到73.8%～79.7%，其次是大氣沉降。

3.2 不同土地利用方式氮輸出量比較

不同土地利用方式氮輸出均以作物收獲/植物生長為主，占輸出量的53%以上；此外，氨揮發(fā)和反硝化也是重要的氮輸出類型；自然林地施肥比較少或者不施肥，氨揮發(fā)和反硝化氮輸出較少，占比不到15%。從氮輸出量上來看，總體上表現(xiàn)為菜地>水田>桑園>山核桃園>茶園>旱地>柑橘園>混交林>毛竹林>馬尾松林。菜地的氮輸出量最高，約為1 027.6 kg/(hm2·a)，毛竹林、馬尾松林和混交林的氮輸出量則相對較低，為63.6～128.5 kg/(hm2·a)。

3.3 不同土地利用方式氮盈余量比較

盈余量是氮輸入和輸出量的差值，盈余氮存在環(huán)境污染的風(fēng)險。不同土地利用方式環(huán)境污染風(fēng)險表現(xiàn)為菜地>桑園>茶園>柑橘園>旱地>水田>山核桃園>馬尾松林>混交林>毛竹林。菜地是典型的高產(chǎn)出高投入土地利用方式，氮輸入和輸出量都最高，但輸入遠大于輸出，盈余量達到526.0 kg/(hm2·a)。其次是桑園，受高輸入量的影響，盈余量達到338.9 kg/(hm2·a)；水田雖然氮的輸入量比較高，但是也是高輸出的土地利用方式之一，盈余量低于旱地；自然林地幾乎沒有施肥或很少施肥，氮輸入、輸出都比較少，盈余量低于50 kg/(hm2·a)，其中毛竹林的盈余量最低，氮輸入量稍低于輸出量，盈余量為-14.9 kg/(hm2·a)。

3.4 不同土地利用方式氮收支與土壤氮含量的關(guān)系

土壤氮流失量除了受土壤和生物過程影響外，還受降雨徑流特征的影響，一般坡地和植被覆蓋度低的土地更易于流失，土壤養(yǎng)分積累量少。通過比較不同土地利用方式氮收支及土壤氮含量(以全氮計)，有助于認(rèn)識不同土地利用方式的養(yǎng)分累積作用和流失風(fēng)險。從圖1中可以看出，桑園和耕地(水稻/油菜)氮含量高于除山核桃園外的其他地類，全氮分別為1.71、1.62 g/kg，主要因為這兩類土地利用方式均處于沖積灘地和河湖漫灘，養(yǎng)分更易于累積，氮輸入量均較高，因此氮流失導(dǎo)致的面源污染突出，尤其是桑園氮盈余量為耕地(水稻/油菜)的約4倍，因此桑園種植區(qū)的氮流失風(fēng)險非常大。茶園的氮輸入量大，土壤氮含量低于桑園和耕地(水稻/油菜)，說明茶園的氮容易流失；柑橘園土壤氮含量處于最低水平，主要是因為柑橘園地表覆蓋度低，土壤有機質(zhì)含量低，氮易于流失，屬于高投入高流失型。比較柑橘園與茶園，兩者氮盈余量差異不大，但是柑橘園土壤氮含量僅僅為茶園的2/5，可以推斷，柑橘園的氮更容易通過地表徑流和滲漏流失，影響水環(huán)境；由此可見，柑橘園和茶園對水環(huán)境的影響大于桑園和耕地，且柑橘園大于茶園?；旖涣帧⒚窳值茸匀涣值赝寥赖罩Ы咏胶?，但毛竹林的土壤氮含量保持較高的水平，而混交林也高于柑橘園，由此可見，自然林地養(yǎng)分不易流失，而且毛竹林比混交林有更強的控氮能力。

圖1 主要土地利用方式土壤全氮與氮盈余量的比較Fig.1 Comparison of soil total nigroten and nigroten surplus of main landuse types

4 結(jié) 語

(1) 千島湖流域超過60%的土地面積坡度大于25°，坡地土壤貧瘠，農(nóng)業(yè)種植施肥量大，陡坡開發(fā)，坡地養(yǎng)分容易流失，尤其是茶園季節(jié)性修剪和果園林下空間覆蓋度低，氮流失風(fēng)險大。受千島湖流域峽谷地形以及河流漫灘開墾的影響，流域內(nèi)濕地面積不到1%，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)種植區(qū)中的氮一旦隨地表徑流進入河流，沿途缺乏濕地生態(tài)攔截體系，因此入湖比例高，風(fēng)險大。

(2) 不同土地利用方式氮收支差異較大，盈余量差異顯著。各類土地利用方式氮輸入量表現(xiàn)為菜地>桑園>水田>茶果園(茶園、柑橘園、山核桃園)≈旱地>混交林>毛竹林≈馬尾松林。耕地和園地均為施肥的氮輸入量最高，自然林地氮輸入主要來源于枯枝落葉或者生物固氮作用。不同土地利用方式氮輸出均以作物收獲/植物生長為主，占輸出量的53%以上。從氮輸出量上來看，總體上表現(xiàn)為菜地>水田>桑園>山核桃園>茶園>旱地>柑橘園>混交林>毛竹林>馬尾松林。

(3) 氮盈余存在環(huán)境污染風(fēng)險，總體上，各種土地利用方式環(huán)境污染風(fēng)險表現(xiàn)為菜地>桑園>茶園>柑橘園>旱地>水田>山核桃園>馬尾松林>混交林>毛竹林。菜地是典型的高投入、高輸出土地利用方式；桑園主要是受高輸入量的影響；茶園、柑橘園的盈余量較高；水田雖然氮的輸入量比較高，但是利用率也高，盈余量低于旱地；自然林地幾乎沒有施肥或很少施肥，氮的輸入輸出都比較少。

(4) 氮收支與土壤氮含量比較分析顯示，桑園是氮輸入量大，氮累積和輸出風(fēng)險均偏高的高風(fēng)險區(qū)域；茶園和柑橘園是輸入量大，累積量少，輸出風(fēng)險高的區(qū)域； 混交林和毛竹林等自然林地土壤氮收支接近平衡，但毛竹林的土壤氮含量保持較高的水平，而混交林也高于柑橘園，由此可見，自然林地養(yǎng)分不易流失，而且毛竹林比混交林有更強的控氮能力。