凈水梯田生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

金晶 張飲江

[摘 要] 水資源短缺、水體環(huán)境污染和城鄉(xiāng)雨洪災(zāi)害三大水資源問題肆虐交替，水資源問題的頻繁出現(xiàn)嚴(yán)重阻礙了坡地植被的自然更新與人工修復(fù)。為提升水體凈化能力、提高坡地植被成活率和覆蓋度，國內(nèi)外許多地區(qū)實(shí)施了坡改梯工程，以遏制坡地進(jìn)一步退化、緩解水資源問題，構(gòu)建海綿城市。本文對凈水梯田的水體生態(tài)修復(fù)展開研究，剖析凈水梯田工程對土壤屬性及其質(zhì)量、生境構(gòu)建、地表水文、植被恢復(fù)、水質(zhì)凈化及景觀生態(tài)系統(tǒng)等的影響效應(yīng)，推動(dòng)凈水梯田技術(shù)相關(guān)研究的深入發(fā)展，為水體生態(tài)工程的實(shí)施提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 凈水梯田;生境;生物多樣性;水文效應(yīng);景觀生態(tài)系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)] S157.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-7909（2020）13-114-4

在全球氣候變化、人類活動(dòng)范圍擴(kuò)大及對環(huán)境影響力加劇的大背景下，水資源短缺、水體環(huán)境污染和城鄉(xiāng)雨洪災(zāi)害三大水資源問題交替出現(xiàn)，導(dǎo)致地表生境不斷惡化，阻礙了坡地植被的自然更新與人工修復(fù)[1]，減緩生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程，制約城鄉(xiāng)發(fā)展?？茖W(xué)系統(tǒng)地探究坡地改造技術(shù)，以緩解水資源問題，遏制坡地退化，構(gòu)建海綿城市，維持生態(tài)系統(tǒng)平衡，維持人類生存環(huán)境的各種功能與效用，已然成為一個(gè)重大且緊迫的科學(xué)命題。在坡地人工修復(fù)過程中，為有效提升水體凈化能力、提高坡地植被成活率和覆蓋度，常采用坡地上沿山體等高線開墾建造一種波浪式斷面的田地，即梯田，已被廣泛應(yīng)用于許多國家[2]，如北非、中美洲及亞洲等地區(qū)的一些國家。農(nóng)耕文明發(fā)達(dá)、山地眾多的我國，也是最早開發(fā)梯田的國家之一，修筑歷史悠久，梯田景觀資源豐富[3]。

梯田的生態(tài)效應(yīng)研究及對其保護(hù)與管理的研究從20世紀(jì)后期便開始，且取得了一定進(jìn)展[4]。但因更為系統(tǒng)深入的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)缺乏、關(guān)鍵過程和作用機(jī)理不明等，導(dǎo)致無法研判梯田的長期生態(tài)環(huán)境效果[1]。而梯田的應(yīng)用卻越來越廣泛，不斷被應(yīng)用于水體生態(tài)修復(fù)工程中。因此，如何充分運(yùn)用生態(tài)工程學(xué)的物種多樣性原理、物質(zhì)循環(huán)再生原理、協(xié)調(diào)與平衡原理等對凈水梯田進(jìn)行設(shè)計(jì)、修建與管理逐漸成為凈水梯田生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究的重要方向之一，深入探討凈水梯田對生態(tài)環(huán)境的影響效應(yīng)，有助于深入探究其作用機(jī)理，更有助于促進(jìn)人類與環(huán)境和諧發(fā)展。

本文剖析了當(dāng)前凈水梯田工程對土壤屬性及其質(zhì)量、生境構(gòu)建、地表水文、植被恢復(fù)、水質(zhì)凈化及景觀生態(tài)系統(tǒng)等影響效應(yīng)的研究進(jìn)展，以期能引起更多學(xué)者的關(guān)注與思考，推動(dòng)凈水梯田相關(guān)研究的深入發(fā)展，為我國水體生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施提供理論依據(jù)，以全面有效提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，加速推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程。

1 凈水梯田功能

《大百科全書·水利卷》將梯田描述為：“在丘陵山區(qū)坡地上，沿等高線修筑的等高帶狀臺(tái)階式田塊。”《大百科全書·農(nóng)業(yè)工程卷》則描述為：“在坡地上沿等高線修筑的階臺(tái)式或波浪式斷面農(nóng)田?！碧萏锸莻鹘y(tǒng)農(nóng)耕文明的自然智慧，沿等高線合理修筑與管理形成的階臺(tái)式斷面，具有減緩坡度、截短徑流長度、減小徑流沖刷動(dòng)力等效果[3]。根據(jù)臺(tái)階形式，梯田分為水平梯田、坡式梯田、隔坡梯田、反坡梯田等，具有改變地表徑流系數(shù)、減少水土流失、保持土壤養(yǎng)分等作用，從而創(chuàng)造有利的水生態(tài)環(huán)境，降低洪澇等自然災(zāi)害的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，提高生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。凈水梯田以凈水為目的，通過改變地形，污水經(jīng)過土壤、植物、微生物等的過濾截留，凈化效果良好。

此外，凈水梯田作為一個(gè)開放的生態(tài)系統(tǒng)，遵循生態(tài)平衡原理，可以充分利用土地資源，改變作物的生長條件，提高作物產(chǎn)量和土地承載力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。另外，凈水梯田的景觀空間格局使系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)流動(dòng)以水的流動(dòng)為主，為生物提供生境和廊道，豐富并保護(hù)生物多樣性，調(diào)節(jié)微氣候，形成一道獨(dú)特的鄉(xiāng)村景觀，具有視覺吸引力和旅游發(fā)展?jié)摿1]。

2 凈水梯田對土壤屬性及其質(zhì)量的影響研究現(xiàn)狀

土壤是“有生命”的動(dòng)態(tài)資源，是植物扎根的基礎(chǔ)，是人類社會(huì)賴以生存與發(fā)展的重要物質(zhì)保障[5]。土壤是由固、液、氣三相組成的分散體系，其本身的性狀及地表結(jié)皮情況影響土壤水分的入滲[6]。大量研究表明，凈水梯田技術(shù)能改善土壤結(jié)構(gòu)，改變地表徑流系數(shù)，減少水土流失;入滲能力隨土壤黏粒含量增加遞減，隨沙礫含量增加遞減;集流梯田工程能改善土壤理化性狀，是一種水土保持工程措施，其土壤含水率較水平梯田高;對紅壤丘陵區(qū)不同類型梯田的徑流、泥沙和土壤水分的研究，得出梯田措施能有效改善土壤水分狀況，對土壤容重、土壤孔隙等具有比較顯著的改善作用。

凈水梯田技術(shù)還能保持土壤養(yǎng)分，提高生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能。土壤肥力是土壤的本質(zhì)屬性，是保證食物產(chǎn)量的重要基礎(chǔ)[5]。植物根系死亡后，能增加土壤下層的有機(jī)質(zhì)含量、陽離子交換量，并促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的形成。土地利用方式發(fā)生變化，其土壤物化性質(zhì)會(huì)隨之發(fā)生變化，勢必對土壤入滲性能產(chǎn)生重要影響，不同土地利用方式可以通過植被覆蓋度、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤容量及孔隙度等因素間接或直接地影響土壤入滲性能[7]。對不同年限的坡改梯進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)梯田具有較好的土壤有機(jī)碳固持能力，土壤有機(jī)碳在0～60 cm的農(nóng)田土層下處于持續(xù)累積狀態(tài)。

然而，坡改梯也會(huì)導(dǎo)致梯田邊緣土壤的侵蝕加劇，梯田的存在加重了兩個(gè)連續(xù)臺(tái)階之間的邊緣侵蝕，土壤疏松、易于膨脹時(shí)這種現(xiàn)象表現(xiàn)得更為嚴(yán)重。在凈水梯田實(shí)施中，不建議利用大型機(jī)械對臺(tái)階進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)平臺(tái)水分入滲率低，易對邊坡造成更嚴(yán)重的沖蝕，可采取凈水梯田邊緣硬化處理（見圖1）。

3 凈水梯田對生境廊道構(gòu)建的影響研究現(xiàn)狀

凈水梯田可創(chuàng)造出不同的地表微高程、粗糙度、起伏度和覆蓋方式，增加土壤容量，形成局地小氣候，增加景觀異質(zhì)性，影響生物群落的結(jié)構(gòu)與功能。生境連接是影響物種遷移的重要原因，生境破碎化可能會(huì)阻礙基因的流動(dòng)和減少物種多樣性，而維護(hù)和創(chuàng)建廊道有利于減少生境破碎化帶來的不利影響。假設(shè)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化的壓力只是暫時(shí)的，那么部分喪失的生境和減少的種群是可以恢復(fù)的。凈水梯田通過人工灌排溝渠從河流等溪溝中引水到梯田中，并在系統(tǒng)中重復(fù)利用，形成田埂廊道、溪溝廊道等不同形式，這些不同廊道在空間上相互交錯(cuò)形成網(wǎng)絡(luò)，其空間景觀格局影響系統(tǒng)內(nèi)的生態(tài)水文效應(yīng)、水流、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，形成微生境。梯田的生境再造可增加土壤生物活性，改善土壤質(zhì)量，為植被的恢復(fù)、生物多樣性的增加創(chuàng)造條件，有利于生態(tài)修復(fù)。詹鵬研究發(fā)現(xiàn)梯田式人工濕地存在大量的微生物，并且微生物的種類與數(shù)量隨水中溶解氧含量的變化呈梯度變化[5]。

良好的生境條件，是凈水梯田發(fā)揮功能的有力保障。對凈水梯田生境廊道的構(gòu)建還需進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，如植物覆蓋度與土壤水分徑流的相關(guān)性分析、梯田內(nèi)的水深達(dá)到何種程度才最有利于維持梯田景觀等。

4 凈水梯田對水文效應(yīng)的影響研究現(xiàn)狀

水是任何生物體都不可缺少的重要組成成分，是生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，而水的利用是山坡地最大的困難。水分通過土壤由地表向下滲入并在土壤中運(yùn)動(dòng)和存儲(chǔ)，形成土壤水，其多少與地表產(chǎn)流、降雨后土壤水分再分配等情況相關(guān)[6]，凈水梯田通過增加水文連通性的作用達(dá)到調(diào)控地表、地下水位的功能，降低流域內(nèi)水文連通性，改變匯水面積及洪峰流量。譚寧等研究了龍脊梯田灌溉系統(tǒng)的功能以及水循環(huán)與水補(bǔ)給特征[8]。李仕華研究了梯田水文生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)坡改梯后，土地的立地條件和土壤水分的微循環(huán)狀況從根本上得到改善，耕地的蓄水保土能力也大大提高[9]。高璇等研究發(fā)現(xiàn)，巴厘島梯田溝渠利用其作為景觀輸水廊道的功能，在地表形成比自然坡面河流更多的線路和節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，增加了地表的水文結(jié)構(gòu)連通性，也直接影響該地區(qū)的地下水位;另外，溝渠在梯田中的分布格局呈現(xiàn)接近與等高線平行或近似平行的角度，產(chǎn)生增加土壤滲透、截留坡面產(chǎn)流和對自然河流分流的水文效應(yīng)，增加了梯田景觀在坡地的保水功能，為大面積的水稻梯田分布提供了有利的水資源條件[10]。

土壤滲透性能與土壤孔隙度存在密切關(guān)系，土壤孔隙度大，徑流滲入速度就會(huì)越快。研究發(fā)現(xiàn)，植物根系腐爛，留下許多孔道，能有效改善土壤通氣性并有利于重力水下排。土壤的滲透性能，除了與梯田所處地形地貌有關(guān)，也與產(chǎn)匯流條件相關(guān)，有關(guān)凈水梯田水文地貌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究有待進(jìn)一步深入探討。

5 凈水梯田對植被恢復(fù)的影響研究現(xiàn)狀

凈水梯田能改變自然條件下水資源的時(shí)空分布格局、遷移和循環(huán)過程，改變流域水系格局，打破水流與土壤運(yùn)動(dòng)的平衡，改變棲息地條件，構(gòu)建新的生境環(huán)境，為植被的耕作和生產(chǎn)提供必要的水肥條件。植被生物生產(chǎn)對于水文過程的變化呈現(xiàn)明顯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。集流梯田具有顯著提高作物產(chǎn)量的效果，增加農(nóng)民收入。在亞熱帶丘陵山地，合理的坡改梯措施有效改善了樹高和胸徑。退化濱水帶利用生態(tài)袋等坡改梯后進(jìn)行植物群落的構(gòu)建。黃土高原坡改梯工程提高生物累積量27%～53%。秘魯安第斯山脈修建水平梯田2～4 a相比臨近坡耕地，植被種植密度增加，產(chǎn)量提高20%。不同地形條件下（如地形因素、坡度坡向等）的坡改梯對植物恢復(fù)影響不同，徐勇等在陜西燕溝流域種植玉米、大豆、綠豆，當(dāng)坡地為15°時(shí)，作物產(chǎn)量分別提高6.35%、2.8%、1.79%;而當(dāng)坡地為25°時(shí)，作物產(chǎn)量提高16.74%、5.58%、4.55%[11]。

梯田的構(gòu)建，不僅增加作物產(chǎn)量，還能增加植物種類。單一或少數(shù)的植物群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易受外界環(huán)境的影響。凈水梯田能豐富植物物種，保證水體生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與連續(xù)。同時(shí)，不同類型植被的恢復(fù)對水文過程會(huì)產(chǎn)生反作用，形成的新水循環(huán)系統(tǒng)反過來又對凈水梯田景觀內(nèi)的種植條件及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，形成植被的物候變化。有關(guān)學(xué)者連續(xù)2 a在巴勒斯坦地區(qū)開展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)第2年修建梯田比第1年干物質(zhì)量增加975 kg/hm2。Liu等研究發(fā)現(xiàn)黃土高原地區(qū)修建3 a的梯田產(chǎn)量比坡地耕作提高27%，且在后續(xù)耕作年份，產(chǎn)量將提高27%～52%[12]。

然而，對植被恢復(fù)的研究主要集中于梯田作物的產(chǎn)量，有關(guān)凈水梯田的植被群落構(gòu)建模式、優(yōu)化設(shè)計(jì)與量化配置研究可以作為今后凈水梯田植物研究的重要方向。

6 凈水梯田對水質(zhì)凈化的影響研究現(xiàn)狀

凈水梯田對山坡地進(jìn)行整改，能最大限度地進(jìn)行植物群落空間配置，有效增加生物多樣性，削減污染物負(fù)荷，充分發(fā)揮植物、土壤的凈水能力，如表1所示。植被作為初級(jí)生產(chǎn)者，通過其礦質(zhì)營養(yǎng)代謝實(shí)現(xiàn)并調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞，其根系向周圍土壤分泌碳水化合物、維生素和氨基酸等，有效增加根圍微生物的種類與數(shù)量，提高其對水體中污染物的降解和無害化處理能力，影響并穩(wěn)定水體理化指標(biāo)。詹鵬通過構(gòu)建梯田式人工濕地，能較好地去除生活污水中的氮磷元素，增加水中溶解氧，出水水質(zhì)滿足污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[5]。張飲江等在后灘濕地利用凈水梯田凈化雨、污混合水體[7]。包耀賢研究得出梯田中土壤的氮素特征及其影響因素。梯田改變了原有地形，更具減蝕能力，水平梯田的減蝕效益在92%～100%[2]。姚敏等研究發(fā)現(xiàn)哈尼梯田具有較好的涵養(yǎng)水源能力，且水質(zhì)隨海拔降低呈現(xiàn)“好—差—好”的垂直特征[13]。凈水梯田在水質(zhì)凈化等方面的作用被不斷認(rèn)識(shí)，在上海、重慶、南寧等市得到了廣泛應(yīng)用，通過素土層、礫石層、防滲材料層、沙壤土層及水生植物，提高水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，使水質(zhì)得到了良好的凈化。

7 凈水梯田對景觀生態(tài)系統(tǒng)的影響研究現(xiàn)狀

景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是耦合社會(huì)—生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)物，不僅取決于自然過程，而且取決于社會(huì)的因素和變量，是一種動(dòng)態(tài)關(guān)系。梯田是“農(nóng)耕文明”的活化石，悠久的歷史賦予了其豐厚的、獨(dú)特的文化底蘊(yùn)[3]，凈水梯田構(gòu)建時(shí)應(yīng)努力挖掘本身具有的農(nóng)耕文化、梯田水文化、民俗文化和形式各異的地域文化，通過景觀要素的合理配置，使其在縱、橫、深三維方向都具有豐富的景觀異質(zhì)性，形成有利于景區(qū)人—水—梯田生態(tài)系統(tǒng)的和諧。巴厘島梯田景觀體現(xiàn)了生計(jì)文化、宗教文化、歷史遺傳文化、地域鄉(xiāng)土文化和旅游觀賞文化。文化特征是梯田長期穩(wěn)定發(fā)展的重要基礎(chǔ)、生態(tài)保護(hù)的內(nèi)在力量。

凈水梯田具有保持水土、凈化水質(zhì)的重要作用，在山地環(huán)境中的存在會(huì)形成特定的人居環(huán)境和城鎮(zhèn)體系，體現(xiàn)出凈水梯田的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)功能。充分利用有利的自然資源發(fā)展梯田生態(tài)農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)，為旅游者提供原生態(tài)農(nóng)產(chǎn)品和體驗(yàn)勞動(dòng)樂趣的機(jī)會(huì)。李剛將海南省五指山市牙胡梯田的土地整治與梯田旅游開發(fā)結(jié)合，進(jìn)行總體規(guī)劃設(shè)計(jì)[14]。楊濱娟等就農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問題及成因、農(nóng)業(yè)生態(tài)保護(hù)現(xiàn)狀與存在問題等，針對性地提出崇義客家梯田農(nóng)業(yè)生態(tài)保護(hù)的總體思路與途徑[15]。

8 展望

我國凈水梯田工程的應(yīng)用較為廣泛，主要用于有目的地改善立地條件和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[1]。對于梯田的研究，主要集中在旅游開發(fā)、建設(shè)與施工、減水減沙和蓄水保土等效益方面。本文就凈水梯田土壤屬性及其質(zhì)量、生境構(gòu)建、地表水文、植被恢復(fù)、水質(zhì)凈化及景觀生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)等的研究進(jìn)展進(jìn)行了剖析，發(fā)現(xiàn)凈水梯田的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究尚處于定性、單一層面，對梯田形態(tài)特征的深入挖掘較為缺乏。從研究方法和尺度看，垂直和水平空間上的格局和過程是凈水梯田可持續(xù)研究的重點(diǎn)，梯田作為一種特殊的自然—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究將逐漸成為國內(nèi)外一個(gè)比較熱門的研究，未來有關(guān)凈水梯田水文地貌動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究、凈水機(jī)理量化探究、梯田內(nèi)植被群落構(gòu)建模式、植被覆蓋與土壤水分徑流的相關(guān)性分析、梯田內(nèi)的水深達(dá)到何種程度才最有利于梯田景觀的維持、凈水梯田的建設(shè)與科學(xué)管理等將逐步成為我國凈水梯田生態(tài)工程建設(shè)研究的重要方向。

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