農(nóng)田溝渠研究進(jìn)展

摘要：農(nóng)田排水溝渠作為農(nóng)田景觀中的“廊道”[1]同樣具有物質(zhì)傳輸通道、過(guò)濾或阻隔、物質(zhì)能量的源或匯、生物棲息地等方面的生態(tài)功能[1]。作為農(nóng)田基礎(chǔ)水利設(shè)施重要組成部分，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水生態(tài)安全都產(chǎn)生了顯著影響。本文通過(guò)從去除農(nóng)業(yè)面源污染、植物和非植物措施、動(dòng)物保育等方面進(jìn)行梳理分析，提出從生態(tài)環(huán)境角度對(duì)農(nóng)田溝渠進(jìn)行研究的重要性。以期為農(nóng)田溝渠以后的發(fā)展提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田溝渠；護(hù)砌結(jié)構(gòu)；動(dòng)物保育

農(nóng)田溝渠主要用于收集地表水和地下水，以排干多余的水和/或防止土壤侵蝕，還可以控制污染和保護(hù)生物多樣性[2]。農(nóng)田溝渠是一種人工水道，其目的是排水和灌溉，但是它不僅具有排水的作用，還擔(dān)負(fù)著凈化水質(zhì)及維持農(nóng)田生物多樣性的任務(wù)[3]。

農(nóng)田排水溝渠作為農(nóng)田景觀中的“廊道”同樣具有物質(zhì)傳輸通道、過(guò)濾或阻隔、物質(zhì)能量的源或匯、生物棲息地等方面的生態(tài)功能[1]。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基本分類（《千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估》，2005年），溝渠可被視為調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供者。

1 研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外學(xué)者的研究指出，針對(duì)排水溝的研究多集中在美國(guó)、荷蘭、英國(guó)和德國(guó)，包括農(nóng)業(yè)排水溝的生態(tài)、養(yǎng)分、農(nóng)藥、沉積研究等方面[4]。同時(shí)，國(guó)外學(xué)者對(duì)農(nóng)田溝渠生物多樣性的研究指出，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中溝渠的生物多樣性，包括溝渠中的植物、動(dòng)物和微生物等[5]。學(xué)者Costanza等指出，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，排水/灌溉溝渠系統(tǒng)為生物提供了一個(gè)重要的殘留棲息

地[6]，以支持在其他不發(fā)達(dá)的排水/灌溉溝渠系統(tǒng)中的生物多樣性[7]。

Lehr等學(xué)者在研究農(nóng)業(yè)水道的排水維護(hù)中指出，它們是水、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、魚(yú)類、野生動(dòng)物、傳粉者甚至植物在景觀中移動(dòng)的路徑[4]。作為道路、連接和殘留棲息地，農(nóng)業(yè)水道及其河岸帶為人類提供了從自然到景觀等廣泛的利益；也稱為“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”，沒(méi)有這些服務(wù)，人類的健康福祉和經(jīng)濟(jì)都將受到影響。參見(jiàn)表1。

排水對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響包括直接影響和間接影響。直接的影響包括由于河流渠道化和濕地變成農(nóng)田而造成的生境喪失。間接影響包括農(nóng)業(yè)徑流中的沉積物、磷、氮和其他污染物對(duì)水質(zhì)和生境的影響，以及以徑流量和時(shí)間改變的形式出現(xiàn)的水文變化。

為了減輕農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能的壓力，不同地方采取不一樣的措施。在日本，使用低農(nóng)藥和化肥的地方規(guī)模水稻生產(chǎn)。在密西西比河流域，兩級(jí)溝渠的排水管理方法越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗峁┝艘环N更可持續(xù)的排水維護(hù)方法，同時(shí)，可能減少養(yǎng)分和沉積物的輸出。在瑞典，通過(guò)建造兩級(jí)或淺坡溝渠進(jìn)行溝渠補(bǔ)救，不僅減少營(yíng)養(yǎng)物輸出和水文形態(tài)壓力的解決方案，同時(shí)還能保持良好的排水系統(tǒng)。

近年來(lái)的研究還表明，在農(nóng)業(yè)景觀中恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)鍵，除發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)、實(shí)施間套作等傳統(tǒng)措施外，一方面，還需要完善農(nóng)田景觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)生境異質(zhì)性；另一方面，則需要營(yíng)造農(nóng)田有益昆蟲(chóng)所適應(yīng)的生境和植被結(jié)構(gòu)，完善植物多樣性，為農(nóng)田生物提供所需要的生態(tài)資源。因此，學(xué)者們提出了鄉(xiāng)土野花組合、昆蟲(chóng)野化帶等措施。

1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)針對(duì)農(nóng)田溝渠生物多樣性的研究較少，只有少數(shù)學(xué)者在闡述農(nóng)田溝渠的環(huán)境效應(yīng)與生態(tài)功能的時(shí)候，提出排水溝渠作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)邊緣的交錯(cuò)帶，為植物和動(dòng)物的生長(zhǎng)提供了環(huán)境的支持，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中生物的多樣性有著重要的作用，但并未有深入的研究。

現(xiàn)有的研究關(guān)于農(nóng)田溝渠的研究主要包括：溝渠的護(hù)砌結(jié)構(gòu)類型、溝渠去除農(nóng)業(yè)面源污染等功能、動(dòng)物保育、有植物的溝渠水力學(xué)特性研究等。溝渠的設(shè)計(jì)技術(shù)和功能性是今后農(nóng)地整理亟須解決的重要技術(shù)問(wèn)題。

1.3 發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)田溝渠的研究大多數(shù)是從農(nóng)田溝渠功能出發(fā)，與此同時(shí)，國(guó)外有越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注生物多樣性，對(duì)農(nóng)田溝渠的研究方法與角度由功能需求轉(zhuǎn)變?yōu)樯锒鄻有孕枨?。近年?lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究也逐漸開(kāi)始展開(kāi)。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 去除農(nóng)業(yè)面源污染

農(nóng)業(yè)排水是我國(guó)流域水污染和農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中占最大的污染源。農(nóng)業(yè)排水中氮、磷超標(biāo)會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化、面源污染等一系列水環(huán)境問(wèn)題。排水溝的生態(tài)功能對(duì)減少污染具有重要意義。

利用毛溝梯級(jí)平底濕地構(gòu)建技術(shù)構(gòu)建的帶狀濕地，在農(nóng)田排水不同時(shí)期的運(yùn)行工況主要有：農(nóng)田排水總體由農(nóng)田排水口流至毛溝平底濕地凈化系統(tǒng)，農(nóng)田排水逐級(jí)流過(guò)毛溝平底濕地凈化之后，再流到下一級(jí)的排水農(nóng)溝內(nèi)。在農(nóng)田排水期，當(dāng)毛溝排水量較小時(shí)，石籠下部的不透水區(qū)將阻止水體快速下泄，為濕地植物提供生長(zhǎng)水體，維持“濕地植物”在枯水期的生態(tài)系統(tǒng)需水要求；當(dāng)農(nóng)田正常排水時(shí)，石籠上部的透水區(qū)起到透水、排水作用，由于透水區(qū)石頭間空隙間隔較大、適合微生物膜生長(zhǎng)，這些微生物能夠凈化通過(guò)孔隙的水體，降解污染物質(zhì)。當(dāng)農(nóng)田排水溝排泄水量較大時(shí)，如暴雨期，農(nóng)田排水則從石籠上部溢流而過(guò)，不會(huì)影響毛溝排泄雨洪澇水。毛溝帶狀濕地凈化系統(tǒng)內(nèi)的水生植物可選擇水稻、水芹菜等農(nóng)作物，因?yàn)檗r(nóng)田排水溝數(shù)量多，總體占地面積較大，利用毛溝內(nèi)的濕地凈化系統(tǒng)中的水生植物，能夠在凈化農(nóng)田排水的同時(shí)增加經(jīng)濟(jì)收入。在農(nóng)田排水間歇期，毛溝梯級(jí)平底帶狀濕地能夠截留部分農(nóng)田排水，進(jìn)一步深度凈化截留下來(lái)的水體，同時(shí)能夠維持濕地系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)健康，保證凈化效果，減少濕地維護(hù)

工作。農(nóng)田溝渠內(nèi)的水體一般情況下流動(dòng)性較差。由于混凝土本身具有一定的堿性，大量的混凝土長(zhǎng)期浸泡在水體內(nèi)，使得水的堿性增強(qiáng)，尤其是在夏季高溫天氣，不利于農(nóng)業(yè)灌溉和水生動(dòng)植物的生存。同時(shí)，混凝土施工中使用的各種添加劑，也會(huì)影響水質(zhì)和水環(huán)境。

2.2 植物和非植物措施

植物對(duì)養(yǎng)分的吸收是凈化的主要途徑，植物根系的巨大表面積和強(qiáng)大的微生物都是污染物去除的主要貢獻(xiàn)者，農(nóng)田溝渠除了對(duì)溝底、溝壁進(jìn)行植物配置以外，還可以采取非植物配置的方法以發(fā)揮其生態(tài)功能。在上面自然固著一些特定藻類，逐漸形成固著藻膜，即固著藻反應(yīng)器，不另外人工接種其他生物，結(jié)果表明該生態(tài)溝渠能有效改善溝渠水質(zhì)，有效治理富營(yíng)養(yǎng)化水體。

除了植物措施以及非植物措施外，還有工程控制排水措施、生態(tài)攔截建筑物、WRSIS系統(tǒng)、生態(tài)溝渠和生物措施等污染控制措施。有學(xué)者通過(guò)控制灌排模式，使2次典型降雨過(guò)程的排水量分別減少了47.5%和31.3%，峰值排水量分別減少了38.9%和14.4%。

2.3 溝渠的動(dòng)物保育

在襯砌渠道中設(shè)置類似于自然溝渠的生態(tài)帶，也可以形成良好的生物通道。例如，在滿足渠道正常輸水和節(jié)水條件的同時(shí)，通過(guò)渠底正中設(shè)置一道縱向生態(tài)帶，并在渠底及邊坡設(shè)置多道橫向生態(tài)帶形成連通的生態(tài)網(wǎng)格，利于兩棲動(dòng)物遷移和水生動(dòng)物棲息繁衍，還具有一定的凈化水質(zhì)及調(diào)節(jié)水溫等功能。

適當(dāng)設(shè)置生態(tài)走廊，便于動(dòng)物穿越溝渠；或者可沿溝渠縱向設(shè)計(jì)適宜坡度和高度的生態(tài)護(hù)坡和生態(tài)階梯；在渠壁預(yù)留生態(tài)棲息孔洞、在渠底兩側(cè)設(shè)置凹槽等為動(dòng)物提供棲息空間。參見(jiàn)圖1。

3 結(jié)論

本文通過(guò)文獻(xiàn)研究法，梳理關(guān)于農(nóng)田溝渠的護(hù)砌結(jié)構(gòu)型式、去除農(nóng)業(yè)面源污染、動(dòng)物保育等研究。得到以下結(jié)論：農(nóng)田排水溝渠通過(guò)其排水和存水功能調(diào)節(jié)農(nóng)田水分含量改變流域的水文情勢(shì)。同時(shí)，農(nóng)田溝渠的生態(tài)學(xué)作用，越來(lái)越被重視，生態(tài)溝渠具有獨(dú)特的水體、底泥、動(dòng)植物、微生物系統(tǒng)，除了在去除農(nóng)田徑流污染物方面發(fā)揮重要作用以外，還具有良好的生態(tài)效應(yīng)，包括生物棲息地功能以及提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性。

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