稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究

趙江輝 秦 偉 沈國(guó)浩

（太倉(cāng)市水利局，江蘇　　太倉(cāng) 215400）

稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究

趙江輝 秦 偉 沈國(guó)浩

（太倉(cāng)市水利局，江蘇太倉(cāng) 215400）

本文分析了稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水量的內(nèi)涵，系統(tǒng)地闡述了稻田人工濕地生態(tài)需水量和環(huán)境需水量二者所含各需水指標(biāo)的主要特征，探討了稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水量各需水指標(biāo)的計(jì)算方法和理論模型。研究成果可為稻田人工濕地調(diào)水和補(bǔ)水策略的制定提供理論依據(jù)。

稻田；人工濕地；生態(tài)環(huán)境；需水量

1概 述

擁有強(qiáng)大綜合服務(wù)功能的稻田生態(tài)系統(tǒng)，其重要性已得到社會(huì)廣泛認(rèn)可，它在承載糧食生產(chǎn)的同時(shí)，還肩負(fù)著固碳減排、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、凈化空氣質(zhì)量、改善水土環(huán)境、維持土壤肥力等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能［1-3］。濕地作為納污凈化的“地球之腎”起著重要的生態(tài)環(huán)境平衡功能。系統(tǒng)地分析濕地的季節(jié)性水量特性，并據(jù)此提供相應(yīng)濕地生態(tài)用水供水策略將為水務(wù)部門(mén)確定合理的濕地調(diào)配水資源、優(yōu)化供水方案提供支持［4-5］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境需水量的研究較為深入全面的有M i c ha e l G ET z ne r、K l a us Sc hm i e de、崔保山等［6-12］。綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)濕地生態(tài)環(huán)境用水量研究文獻(xiàn)，可見(jiàn)自然濕地研究較多，人工濕地研究較少，而稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水量研究尚屬空白。為此，本文對(duì)稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行初步探討與研究，以期為稻田人工濕地水生態(tài)保護(hù)及濕地水務(wù)管理策略的制定提供理論參考。

2稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水量?jī)?nèi)涵

稻田人工濕地有自身特點(diǎn)，其生態(tài)環(huán)境需水概念應(yīng)從基本特征、表現(xiàn)形式、生態(tài)保護(hù)和管理目標(biāo)以及稻田濕地所呈現(xiàn)出的效益等方面加以綜合考慮，予以定義。因此，本文定義稻田濕地生態(tài)環(huán)境需水量為基本遏制其生境惡化、解決生境問(wèn)題及實(shí)現(xiàn)保護(hù)其管理目標(biāo)所需的水量，即稻田濕地為支撐自身發(fā)展、保證其發(fā)揮基本生態(tài)功能所需的水量。其內(nèi)涵與生態(tài)環(huán)境建設(shè)和服務(wù)目標(biāo)密切相關(guān)。稻田濕地不僅須維持一定水量，以保證其不因退化而衰亡，而且也須維護(hù)一定水質(zhì)，以滿足生態(tài)系統(tǒng)、景觀和稻作文娛等功能需求。稻田人工濕地實(shí)況不同，首要滿足的服務(wù)功能也不盡相同。對(duì)于資源型缺水稻田濕地，滿足其他服務(wù)功能的前提條件是維持水量；對(duì)于水質(zhì)型缺水稻田濕地，其他服務(wù)功能的先決條件則是環(huán)境稀釋需水的滿足。

鑒于稻田濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，將生態(tài)環(huán)境需水劃分極大、最優(yōu)和極小三個(gè)等級(jí)。極大生態(tài)環(huán)境需水系指稻田濕地生態(tài)系統(tǒng)維持自身發(fā)展與動(dòng)態(tài)平衡所能承受的上限需水，超過(guò)此限，系統(tǒng)便遭洪澇災(zāi)害；最優(yōu)生態(tài)環(huán)境需水系指稻田人工濕地各生態(tài)功能互調(diào)互協(xié)，生物生存狀態(tài)最佳，生態(tài)系統(tǒng)無(wú)重大外界因素干擾可長(zhǎng)時(shí)間保持相對(duì)穩(wěn)定的需水；極小生態(tài)環(huán)境需水系指維持稻田濕地生態(tài)系統(tǒng)的生物生存空間不再萎縮及生態(tài)環(huán)境不再降低所需的下限水量，低于此值，生態(tài)系統(tǒng)便會(huì)退化甚至崩潰。

3稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算

稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水包含生態(tài)需水和環(huán)境需水兩個(gè)方面。其中生態(tài)需水指植物、土壤及棲息地等需水，環(huán)境需水指補(bǔ)給地下水、凈化環(huán)境及稻作文化、旅游、娛樂(lè)等需水。

3.1生態(tài)需水量計(jì)算

a.植物生態(tài)需水。植物生長(zhǎng)需水源自水文循環(huán)。稻田人工濕地植物需水系指植物正常生長(zhǎng)需水，用于同化消耗、組織構(gòu)成、植株蒸騰及棵間蒸發(fā)四個(gè)方面，前兩項(xiàng)系生理需水，為植物生理代謝所需，后兩項(xiàng)系生態(tài)需水，為植物生活環(huán)境構(gòu)建所需。其中后兩項(xiàng)為主要耗水指標(biāo)，占植物需水的99%，近似植物需水量，稱之為騰發(fā)量。水分充分滿足條件下，推薦采用彭曼公式計(jì)算植物騰發(fā)量。估算區(qū)域性或流域性稻田人工濕地植物需水的理論公式為

式中 dWp——植物需水量；

A（t）——植被面積；

ETm（t）——騰發(fā)量；

t——時(shí)間。

b.土壤需水。稻田人工濕地土壤需水與植物生長(zhǎng)需水存在顯著相關(guān)性。一定時(shí)空尺度，土壤含有一定水量，但并不代表土壤所需水量。土壤含水量?jī)H是個(gè)參照，可作為土壤需水計(jì)算的前提。稻田人工濕地不同土壤類型，其水物理化學(xué)特性及指標(biāo)所差異，需水就存在差別。為研究需要，本文用田間持水量進(jìn)行土壤需水量計(jì)算，其公式為

式中 Qt——土壤需水量；

α——田間持水量體積百分比；

Ht——土壤腐殖層厚度；

At——稻田濕地面積。

c.野生生物棲息地需水。稻田濕地這部分需水主要涉及鳥(niǎo)類、蛙類等棲息繁殖所需基本水量。稻田濕地區(qū)域不同，野生生物有異，可根據(jù)正常年份某一區(qū)域主要保護(hù)物種棲息、繁殖計(jì)算其所需水量，為避免重復(fù)計(jì)算，此處只考慮滿足野生動(dòng)物棲息、繁殖所需水量。鑒于稻田濕地點(diǎn)多面廣，本文估算區(qū)域性或流域性稻田人工濕地野生生物棲息地需水量時(shí)，通常按稻田棲息地水深、水面比等確定，計(jì)算公式為

式中 Wq——野生生物棲息地需水量；

A（t）——稻田濕地植被面積；

B——水面面積百分比，通常為10%～40%；

H（t）——稻田濕地水深，表面流人工濕地一般取0.1～0.6m；

t——時(shí)間。

3.2環(huán)境需水量計(jì)算

a.補(bǔ)給地下水需水。稻田人工濕地補(bǔ)給地下水以滲漏途徑達(dá)到。水分在土壤中的滲透運(yùn)動(dòng)系指土壤充分飽和前提下在重力作用下的自由運(yùn)動(dòng)，大小取決于水位差、滲距、土壤孔度與斷面大小。平原區(qū)水稻生長(zhǎng)期灌溉與降水入滲應(yīng)一齊考慮，二者數(shù)量可根據(jù)灌水與同期有效降水之間的比例關(guān)系分別確定。入滲補(bǔ)給量的計(jì)算公式為

式中 Φ——土塘穩(wěn)滲率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：黏土Φ= 1m m/d，亞黏土Φ=1.7m m/d，亞砂土Φ=2.5m m/d，粉細(xì)砂Φ=3m m/d；

T——水稻生長(zhǎng)期（包括泡田期），單季稻為120天，雙季稻為180天；

F——水稻田計(jì)算面積。

b.凈化環(huán)境需水。稻田濕地在污水凈化上效果顯著。研究表明：污水入稻田5～7d，B O D降72%～97%，N H3-N降超85%，P降超98%，K降超78%，C N降約98%，細(xì)菌和蛔蟲(chóng)孵數(shù)降超95%，懸浮物SS降75%～94%，每公頃水稻田每季可凈化生活污水0.75萬(wàn)～1.2萬(wàn)m3，可無(wú)害化處理規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)75000t牛糞或60000t豬糞，并顯著改善土壤［13-14］。污水中含有的C u、Z n、C r等重金屬為植物必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素，經(jīng)稻田濕地物理、化學(xué)及生物作用，含量顯著降低。

稀釋和自凈為稻田人工濕地凈化污染物的主要原理［9，15］。計(jì)算稻田濕地凈化環(huán)境需水需參照周遭年污水排放總量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料等。從理論上講，凈化環(huán)境需水量模型可表達(dá)為

式中 Wj——凈化環(huán)境需水量；

Qd，Qm——點(diǎn)源及面源污水排放進(jìn)入濕地總量；

α，β——點(diǎn)源及面源污水稀釋倍數(shù)，按達(dá)標(biāo)排放濃度與地表水國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之比確定；

t——時(shí)間。

c.稻作文娛需水。稻作文化、旅游及娛樂(lè)等功能是現(xiàn)代高效生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃不可或缺的重要組成部分，是稻田人工濕地重要的生態(tài)環(huán)境功能，此項(xiàng)屬非消耗性需水，可與野生生物棲息地需水相互替代。

4結(jié) 語(yǔ)

人工濕地合理利用及生物多樣性有效保護(hù)已經(jīng)引起高度重視和普遍關(guān)注。稻田是地球上最大的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，合理利用稻田人工濕地及保護(hù)生物多樣性，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，對(duì)稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)行量化分析及研究，可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境整體需水的確定奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本文探討的稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算，主要針對(duì)各需水指標(biāo)的特定功能，專門(mén)進(jìn)行了獨(dú)立研究，理論上是可行的。濕地中各類型的水看似相互獨(dú)立，實(shí)際上它們之間的界限很難明顯區(qū)分。此外，文中一些理論模型和計(jì)算公式均是從稻田人工濕地生態(tài)環(huán)境需水量各類型的基本原理這一角度經(jīng)分析提出的。鑒于不同時(shí)空尺度要求，需采集大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定和修正各參數(shù)，使其反映實(shí)際需水特征。■

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R e s e ar c honP ad d y ar t i f i c i al w ET l an de c ol ogi c al e n vi r on me n t w at e rd e man d

Z H A OJ i a ng hui，Q I NWe i，SH E NG uo ha o
（T ai c ang W at e r C o ns e r v anc yB ur e au，T ai c ang 215400，C hi na）

I n t hepa pe r，c o nno t a t i o n o fpa ddyf i e l d a r t i f i c i a lw ET l a nd e c o l o g i c a la nd e nv i r o nm e nt a lw a t e rde m a nd i s a na l y z e d.M a i n f e a t ur e so fw a t e rde m a nd i ndi c a t o r sf o rpa ddyf i e l d a r t i f i c i a lw ET l a nd e c o l o g i c a lw a t e rde m a nd a nd e nv i r o nm e nt a l w a t e rde m a nd a r es y s t e m a t i c a l l ye x po unde d.C a l c ul a t i o n m ET ho dsa nd t he o r ym o de l o f a l l w a t e rde m a nd i ndi c a t o r s i n pa ddyf i e l d a r t i f i c i a l w ET l a nd e c o l o g i c a l a nd e nv i r o nm e nt a r edi s c us s e d.R e s e a r c h r e s ul t sc a n pr o v i det he o r y ba s i s f o r pa ddyf i e l d a r t i f i c i a l w ET l a nd a nd de v e l o pi ngw a t e r s uppl ys t r a t e g ye s t a bl i s hm e nt.

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A

1005-4774（2015）04-0048-03

10.16616/j.cn ki.10-1326/T V.2015.04.015