农田排水沟渠的生态环境效应研究综述

摘要 农田排水沟渠是农业生态系统中的重要组成部分，随着研究的深入，农田排水沟渠的生态环境效应逐渐得到大家的关注。该文从水文效应、生物效应和去污效应等方面归纳了目前国内外农田排水沟渠的研究进展，重点阐述了农田排水沟渠与农田地下水位、生物多样性和去除氮磷等营养物质的机制，同时简要介绍了沟渠模型和管理方面的研究，结合目前研究状况，提出今后尚需进一步研究的问题，以期为农田排水沟渠生态环境效应的研究提供参考。

关键词 农田排水沟渠；水文效应；生态环境

中图分类号 S181 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）16-0201-03

Abstract Agricultural land drainage ditches is an important part of the agro-ecosystems，with the further research，ecological and environmental effects of agricultural land drainage ditches are gradually focused. This paper reviewed the research advances in the effect of agricultural land drainage ditches on hydrological and eco-environment at home and abroad，and explained explicitly the mechanism of between agricultural drainage ditches and agricultural groundwater level and biodiversity，and the removal of nutrients such as nitrogen and phosphorus；Additionally，it introduced the advance in ditch modeling and ditch management study，further researches needed in the future were put forward in the light of current research conditions，in order to provide the reference for the study of the ecological and environmental effects of agricultural land drainage ditches.

Key words agricultural land drainage ditches；hydrological effects；eco-environment

农田排水沟渠一般指位于农田间或地头以排水或灌溉为目的，为满足人类生产、生活安全保障等需要而人工挖取的水道。农田排水沟渠对农业生产和生态环境具有重要影响，作为农业区重要的景观因素，合理利用其功能不仅可以通过及时降渍排涝有力地为农业高产稳产起到“保驾护航”的作用，为人们带来巨大的水文和经济效益；而且作为农业生态系统重要的组成部分，其对流域生态系统健康及农业生态系统平衡的维持有着重要作用，维护和改善着区域生态环境[1-3]。

近年来，随着人口增加和经济发展，粮食需求的巨大压力加剧了我国化肥、农药的需求量，导致农田退水中氮、磷浓度和负荷不断上升，加之不合理的田间灌溉排水管理，农田排水沟渠功能严重受损，造成面源污染问题日渐突出，生态效益日益降低，已成为当今世界的热点和难点问题[4-5]。农田排水沟渠系统在多个方面具有重要作用，包括改善生态环境、涵养地下水源、净化土壤及水质、调节气候、保护生态多样性[6]。近年来，随着生态环境问题的日益突出，研究者对于农田排水沟渠的研究从其水利功能转向生态功能、环境效应，以充分发挥其作用[7-12]。因此，有必要对以往研究情况及时进行回顾和总结，以为相关研究的进一步开展提出合理建议。

1 农田排水沟渠水文与生态环境效应

1.1 水文效应

农田排水沟渠是农田排水汇入河流和湖泊的通道，沟渠中生长着适应于此环境的水生植物，一般有芦苇、蒲草等挺水植物，当暴雨发生时，可起到蓄持降水、阻滞地表径流的作用。

排水沟渠系统中各个沟渠系统相互独立，形成各个独立的小水库，起到蓄持整个区域降水的目的，起到农田排水的“汇”的作用，同时淹没农田及洪水发生的机会减少。相应的，沟渠也可起到田间灌溉水的“源”的作用，在少雨的季节可以用来补充农田水分亏缺[2]。

沟渠还可调控地表及地下水位，主要途径有以下2个：一是利用其输水两道的功能直接影响；二是通过边界的渗透性补给或排泄潜水间接影响[1]。研究表明，在沟渠密布的农业区，沟渠水位与农田地下水位呈显著正相关，整个区域的地下水位随着沟渠中的水流多少而改变[3]。国内外研究认为控制水位对农田水文和水环境产生重要影响，可减少农田排水中氮、磷的养分输出，改善排水水质，同时可人为抬高地下水位，使土壤水分得到充分利用[6]。目前，国内外对沟渠水文效应的研究不太系统，不利于湿地、农田保护与管理工作的开展。

1.2 生物效应

农田排水沟渠由水、生物、土壤组成[9，13-14]，具有一定的深度和宽度，可发挥相应的生态功能。农田排水沟渠可作为水生动植物的栖息地，对保持农业景观的生物多样性具有重要的意义，是影响区域生物活动的重要因素。但由于其是半自然生态系统，容易受到耕作、农药、施肥等农业活动的干扰和影响，且由于其没有乔木的遮挡，较易受到风的影响。

农田排水沟渠的生物群落包括植物、鱼、无脊椎动物、两栖动物、哺乳动物及鸟类等。国内外研究[15-19]发现，农田排水沟渠系统作为水生动植物的重要栖息地，可为景观物种提供避难场所，是许多农业景观中生物多样性的一个重要的残存源，同时增加了人的视觉效果和农业景观的可视性。沟渠内的蒲草、芦苇等为鸟类提供了食物和栖息地，沟渠生态系统的各个组成部分互相影响，底质的稳定受底栖动物活动的影响，底栖动物还会影响沟渠内的水质状况。有研究者[20]认为，沟渠的存在还会导致生境破碎化，从而降低某些物种的生境质量，因为排水导致物种丰富度的减少，再加上对来自自然和人类干扰的调节能力很差，不利于某些动物的发展。

沟渠系统的结构不同，发挥的功能也不尽相同，其可作为农田中动物的迁移廊道，影响动物的数量和种类。一般情况下，低级廊道系统以结点为连接点，作为高级廊道系统的整体性部分，从而构成高等级廊道系统。研究表明，周围水田的水力连通性与农田排水沟渠影响鱼类在农田和沟渠之间的迁移，如果迁移难度越小，捕食及繁殖就更容易，沟渠系统中的动物物种丰富度就越高[21]。

农药及化肥等农用化学物质的使用量，随着对农田经济效益的片面追求而逐渐增加，造成沟渠内水体水质的恶化，沟渠内生物的栖息环境遭到破坏。特别是某些农药含有剧毒，遗留在沟渠中直接将所有动物杀死，青蛙和蟾蜍等有益动物的种群减少加剧了农田病虫害的暴发程度，从而促使农民使用更多的农药，造成恶性循环。排水沟渠内氮、磷等的浓度和污染负荷升高，使水体呈现富营养化状态，造成藻类植物过度生长，成为沟渠中优势群落，大量的植株残体腐败时严重污染水体，严重影响了沟渠湿地的生态服务功能[22]。

1.3 去污效应

农田排水沟渠系统作为特殊的生态系统，不仅利用自身的物理、化学和生物作用吸收和转化了周围环境输入的氮磷等元素，同时又作为上游农田非点源污染的“汇”和下游水体中污染物的“源”，对下游的湖泊和河流等水体的水质有严重的影响，所以目前沟渠的去污净化受到了广泛的关注和重视。

农田排水沟渠中的污染物一般指氮、磷等营养元素，农田排水沟渠的主要组成部分包括基质底泥、植物和微生物，通过植物吸收、沉降作用、介质吸附、微生物作用及三者协同对农业非点源污染进行净化，减少进入河流和湖泊的污染物，降低河流和湖泊发生富营养化的可能性[23-24]。Meuleman（1993）等的研究指出，天然沟渠能够吸收水体中氮、磷污染物，其中对磷素的去除率高达90%～95%[25]，2001年，Woltemade在美国马里兰、伊利诺斯、依阿华等地开展湿地接纳农田排水的试验，结果表明：所有试验区的湿地都能降低氮和磷的浓度，且氮、磷的去除率与湿地的大小、汇水面积及农田排水在湿地中的滞留时间有很大关系，同时也存在着再次污染的威胁[26]。

近来研究表明，植物是沟渠去除营养物质能力最强的因素之一。Abe等[27]在研究沟渠内植物如何去除水体中的氮、磷时发现，植物吸收和底泥的同化作用是沟渠有效去除氮的主要途径；徐红灯等[28]通过动态模拟试验研究对比不同排水沟渠对农田流失氮、磷的截留作用，同时通过静态模拟试验探讨了水生植物对氮、磷在水—沉积物—水生植物这一微观系统中的截留作用，结果表明：有植物的生态沟渠氮、磷的截留效率在30%以上，而自然沟渠的截留效率为20%～30%；姜翠玲等[29]的研究表明长江中下游地区植物对营养物质的吸收是去除面源污染的主要机制，其中芦苇和茭白对氮的吸收能力较强，每年秋季收割的芦苇可带走氮818 kg/hm2和磷103.6 kg/hm2，茭白可带走氮131 kg/hm2和磷28.9 kg/hm2，定期收割湿地植物是防止植物二次污染的主要措施，因为湿地植物死亡后会向水体中释放营养物质；沟渠中的水生植物可以加速营养物质的水土界面交换和传递，从而使上覆水中的营养物质含量快速减少，同时水生植物液可通过自身吸收作用截留一部分营养物质，因此水生植物能有效截留和转化营养物质。

底泥吸附被看作是湿地去除磷的主要方式，其主要发生在表层，深度越浅，吸附能力越高，这是由于铁、铝呈无定性的氧化态形式，表层土壤和底泥处于好氧状态，能与磷形成难溶的复合物[30]。但是这种反应是一个可逆的过程，如果湿地排水中磷的浓度较低时，其吸附的部分磷有可能重新释放到水中。

湿地降解污染物的主要机制是利用微生物分解和转化氮，通过微生物的硝化和反硝化作用来完成氮的去除。污水中磷的去除是在微生物对磷的正常同化和过量积累的基础上，将有机磷化合物转变成磷酸盐，并将溶解性差的磷化合物溶解。

2 沟渠的模型及管理措施研究

2.1 沟渠模型研究

沟渠模型的研究对象主要是排水沟渠中氮、磷污染物的迁移和转化，包括对其进行定量及定性的描述，分析其氮、磷污染物的主要来源和迁移特性，预计其对受纳水体的影响，针对不同土地利用变化及土地管理技术对沟渠产生的污染负荷进行估计，进而估算其对环境的影响，为流域规划和科学管理提供决策[31]。目前，专门用于模拟沟渠的模型为非点源模型。

多数沟渠模型是在河流或湖泊的基础上发展起来的，改造后的模型对沟渠水文和生态环境效应进行了一定研究。通过Waterpas-model模型（Devos等[32]提出）的模拟，结果发现如果沟渠水位过高，不仅减少农作物产量，降低农民的经济效益，而且会增加地表水中磷负荷，从而导致非点源污染的严重发生。通过DITCH模型的模拟发现，农田地下水位受沟渠水位的影响较大，且受土壤水力导度影响较大[33]。水体中植物的优势种从沉水植物变为浮游植物是水体富营养化的典型标志，可用PCDitc模型确定引起水体富营养化的营养物质的阈值[34]。

2.2 沟渠管理措施研究

农田排水沟渠的主要作用就是为农田灌溉和排水服务，保证粮食生产安全，但随着农田非点源污染的加剧，沟渠水环境遭到破坏，水体富营养化加剧。因此，对农田排水沟渠的管理既要考虑农业收益，又要考虑对环境的保护，在提高农业生产力的同时，保护水环境，为动植物提供良好的栖息地，保持生态系统良性循环，获得良好的经济效益和生态效益。

农田排水沟渠的管理措施有很多，从控制水质来看，目前最广泛有效的是在美国发展起来的“最佳管理措施（best management practices，BMPs）”，最佳管理措施是防治或减少农业非点源污染最有效和最实际的措施[35]，主要用来控制农业活动中污染物的产生和运移，防止污染物进入水体，避免农业非点源污染的形成。从对沟渠来讲，管理措施主要有底泥清淤、植物收割等。清淤能提高沟渠的排水能力，沟渠底部的营养物质（主要是磷）可通过清淤移除沟渠，可以改善沟渠内的水质[36-38]。有研究表明，五里湖底泥清淤后半年内水体中总磷和溶解磷含量比疏浚前下降10%～25%[39]。底泥清淤措施在国内外得到广泛应用。但是清除底泥的处理即是需要解决的问题。如果底泥弃置沟渠旁，在降水条件下底泥中的磷被淋溶，再次随地表径流进入沟渠水体。同时，也有研究表明，清淤在短期内可能恶化水质，清淤前的底质向上覆水释放磷素的速率要比清淤后的底质慢，所以短期内水质会有一定的恶化，清淤对环境的影响还需要进行进一步研究。沟渠底泥中包含大量植物所必需的营养元素，可将底泥返田，目前关于底泥返田的研究还比较少。植物吸收是沟渠去除氮、磷等营养物质的主要途径，但植物地上部分死亡后，其残体内的营养物质将再次释放产生二次污染，通过植物收割的方法去除营养物质是重要的途径。研究表明，每年进行收割或至少2年收割1次对于维持沟渠内植物种群多样性具有非常重要的意义[37]。但是野生植物对农民来说没有很大的利用价值，农民不会主动进行收割，如果用吸收氮、磷能力强的经济植物作为渠道的野生植物，可以促使农民自觉收割。姜翠玲等[9]研究表明，通过在渠道中种植茭白，自然生长的茭草可以有效吸收沟渠湿地底泥中富集的氮、磷，同时秋季收获的茭白也为当地农民带来可观的收益。

3 趋势及展望

3.1 加强沟渠湿地生态水文过程和机理的研究

目前，沟渠湿地生态水文方面的研究主要包括调节径流、去除污染物、维护生物多样性方面，但对于整体上水文生态过程及其内部机理的研究还比较少。因此，在以后的研究过程中，应该将整个沟渠系统作为一个整体，研究其与其他各生态系统之间的关系，对大气—植物—土壤各个界面的水文生态过程进行模拟从而进一步揭示沟渠整体性效应发挥的作用机制。

3.2 沟渠湿地与农田生态系统安全的研究

沟渠湿地生态系统与农田生态系统有密切的联系，目前国内外对农田排水沟渠在维持农田生态系统生物多样性方面的作用研究较少，两者之间的相互关系及影响机理尚不清楚，加强沟渠湿地与农田生态系统安全需进一步进行研究，从而为保持农田生态系统的稳定、保证粮食安全提供依据。

3.3 沟渠模型的研究

目前，已有学者提出少量的沟渠湿地模型，但这些模型多数是在河流或湖泊的基础上发展起来的，针对性不强，不具备广泛使用性，不能对沟渠湿地中的物理、生物、化学过程进行精确模拟。对农田排水沟渠的研究需要通过模拟综合，但目前多数模型均较单一，特别是与GIS的结合，解释污染物在农田—沟渠—生物间的迁移转化和相互作用机理是沟渠模型需要研究的方向。

3.4 加强对沟渠管理措施的研究

农田排水沟渠长期以来都是按照灌溉和排水、发挥水利功能进行建设和管理的，农田大量化肥和农药的使用造成农田排水沟渠非点源污染严重，对其生态环境方面的研究比较少，在对农田沟渠进行构建时需在农田排水沟渠的结构、形态、沟渠植物的选择、搭配等方面进行关注，同时对沟渠的恢复技术进行研究，通过合理设计、布局沟渠的景观结构，发挥沟渠湿地的水文效应和生态环境效应，我国在这方面的研究比较欠缺，所以对沟渠管理措施的研究势在必行。

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