沟渠湿地的水文和生态环境效应研究进展

第23卷 第10期2008年10月

地球科学进展

ADVANCESINEARTHSCIENCE

Vo.l23 No.10

Oct.,2008

文章编号:100128166(2008)1021079205

沟渠湿地的水文和生态环境效应研究进展

周 俊,邓 伟,刘伟龙

(1.

1,2

1*

1

*

中国科学院

成都山地灾害与环境研究所山地生态与水文研究室,四川 成都 610041;

水 利 部

2.中国科学院研究生院,北京 100049)

摘 要:对沟渠和沟渠湿地进行了定义,从水文效应、生物效应和水环境效应等方面综述了目前国

内外沟渠研究的进展,重点阐述了沟渠去除水体中氮、磷等营养物质和农药等污染物的机制,同时简要介绍了沟渠模型和管理方面的研究,并指出了目前研究中存在的不足,提出了加强沟渠野外观测、沟渠模拟研究和沟渠管理研究等进一步研究的建议。关 键 词:沟渠湿地;水文效应;生态环境;富营养化中图分类号:S271;X143 文献标志码:A 沟渠是农业区常见的景观要素之一,对农业生产和生态环境具有重要的影响。沟渠的排灌功能是农业生态安全的重要保障,随着水环境问题的日益严重,沟渠在水环境污染的防治和生物多样性保护等方面的作用开始引起关注,成为减轻氮、磷和农药等农田非点源污染的有效途径之一

[1~5]

系统,对自然形成的沟渠和人工工程沟渠进行了统

一定义,对沟渠的湿地特征进行了强调,是对沟渠系统认识的突破。

我们认为沟渠是位于道路两旁或农田间用于排水(泄洪)或灌溉的水道,其形成过程就是人类满足生产、生活安全保障等需要而人工挖掘的过水通道。由于其长时间的积水或季节性过水,使沟渠因湿化而逐渐演化成具有湿地生态性质的特殊类型的湿地。其主要生态学标志就是在不同用途、不同规模沟渠的水体中分布有挺水植物和沉水植物,包括游泳动物和爬行动物等也多有分布,不仅成为某些水生动植物定居繁衍的栖息地,增加了平原区的生物多样性,也具有一定的环境功能,对氮、磷等污染物具有明显的祛除效力,是一种特殊的人工湿地系统。可以明确,沟渠具有河流和湿地的特征,是一种人类活动影响下的半自然化的湿地生态系统。

。国外与沟

渠相关的研究正处于发展阶段,已取得一些研究成果,但国内在此方面的研究尚处于起步阶段。研究人员对沟渠在径流量方面的影响、去除和截留水体营养物质和污染物的机制等方面仍存在较大争议,对沟渠的水文和生态环境模拟研究也刚刚起步。因此,有必要对以往研究进行总结,提出合理建议,以利于进一步开展相关研究,加深对沟渠生态系统的认识,充分发挥沟渠的水文和生态环境效应。

1 沟渠和沟渠湿地概念

Strock等

[6]

认为,在夏季和冬季的基流条件下,

[7]

沟渠具有较长的水力停留时间,在生态学和物理学上的功能与线性湿地的功能相似。Needleman认为沟渠是具有河流和湿地特征的独特的工程化生态

2 沟渠湿地水文与生态环境效应

2.1 水文效应

沟渠对流域降水分配和径流形成过程产生明显

*

收稿日期:2008204216;修回日期:2008208215.

*基金项目:国家重点基础研究发展计划项目/湿地系统水生态过程与格局耦合机理0(编号:2006CB403301)资助. 作者简介:周俊(19832),男,四川德阳人,硕士研究生,主要从事湿地水文学研究.E2mai:lzhoujun@*通讯作者:邓伟(19572),男,辽宁沈阳人,研究员,主要从事湿地水文学研究.E2mai:ldengwe@

的影响。汇流过程中,无植被生长的人工沟渠减少了坡面漫流,使到达地面的降水迅速沿着沟渠汇集到下游河流,从而缩短了洪峰形成时间,增加了洪峰流量。但是,基质和岸坡由堆肥和砂砾等疏松物质组成并生长有合适植物的沟渠对降水和径流的影响却与上述情况相反,它能减缓流速,增加下渗量,延长水流在沟渠中的滞留时间

[8]

原上发现的202种大型无脊椎动物中,在沟渠中生活的有145种,而且,有近30%(59种)的种类只在沟渠中生活;该平原上的61种植物中,在沟渠中生活的有45种,而且,有多达47.5%(29种)的植物种类只在沟渠中被发现。

沟渠网络作为农田中动物的迁移廊道,影响着动物的种类和数量。研究发现,灌溉沟渠与周围农田的水力连通性影响着鱼类在沟渠和农田之间的迁移,鱼类自由迁移越容易,它们捕食和繁殖就更容

[17]

易,沟渠中鱼的物种丰富度就越高。Mazerolle[16]

,使沟渠成为串珠状的临时

蓄水池,进而延滞洪峰的形成和降低洪峰流量。试验表明,生态沟渠能将暴雨发生时的洪峰流量减少

[9]

10%~50%。因此,在洪灾频发的平原地区,可将沟渠湿地作为一种重要的水空间

[10]

,用于蓄留洪水,

调节洪峰流量,减少洪灾发生的可能性[11]

。

在沟渠系统对径流量影响的认识上,目前还存在一定分歧。有学者认为沟渠虽然缩短了径流达到峰值流量时间,但不会对径流量造成实质影响

[12]

;还有

学者则认为沟渠能够明显增加降水时下游河流径流

量,雨前土壤含水量和降雨强度是径流实际增加量的主要影响因素

[13]

;另有学者认为,在建成后的几年

内,沟渠并不能有效地增加径流量,不过,随着时间的推移,沟渠系统会极大地提高径流系数[14]

。

沟渠可直接或间接地影响周围农田的地下水位。在沟渠密布的农业区,沟渠中的水流通过直接灌排农田和补给或排泄地下水,控制着整个区域的地下水位。研究发现,农田的地下水位与沟渠水位之间呈显著的正相关关系。然而,沟渠水位对农田地下水位的控制程度要受到土壤的水力传导度和气候条件的影响。Armstrong[15]

利用DITCH模型(DrainIntractionwithChannelHydrology)模拟沟渠水位变化对农田水位的影响后发现,沟渠水位变化会对农田地下水位产生重大影响,不过,土壤水力导度越大,沟渠水位对地下水位的影响也越大。

可见,沟渠的水文效应主要包括其对降水分配、径流过程和区域地下水位等几方面产生的影响。目前,沟渠对降水分配的影响已有定论,对径流过程的影响和对地下水位的作用机制尚不清楚,需要加强此方面的研究。

2.2 生物效应

沟渠作为水生动植物的栖息地,是影响区域生物活动的重要因素,对保持农业景观的生物多样性具有重要意义。沟渠的水位特征、底泥的理化性质、沟渠结构、营养盐输入、沟渠管理措施和富营养状况都是影响沟渠内生物种类、结构和功能的因素。

沟渠生物群落是冲积平原生物多样性的主要组分之一。对Charlk平原上动植物的调查发现,该平

等

[18]

在研究了沟渠系统对青蛙活动的影响后也认

为,沟渠系统可作为青蛙活动的通道,而这种通道的作用有利于青蛙的迁移和繁殖活动。

沟渠对维持物种相对单一的农业景观的生物多样性具有特殊意义,然而,目前人们却忽视了这种效应,对其内在机制也不甚清楚,因此,深入开展沟渠生物效应研究非常必要。2.3 水环境效应(去除污染物)

沟渠作为上游农田非点源污染的汇和下游水体(湖泊、河流等)中污染物的源,极大地影响着下游湖泊和河流等水体的水质,而这也正是沟渠目前受到广泛关注和研究的主要原因。

无植被或植被稀少的沟渠中营养物质(主要氮和磷)含量较高,而生长有适量水生植物的沟渠能通过植物吸收、沉降作用、水中和底泥中的化学转化、微生物作用等方式有效地截留和转化来自农田的N和P等营养元素,减少进入河流和湖泊的污染物[19,20],降低河流和湖泊发生富营养化的可能。此外,影响沟渠去除水流中N、P等营养物质的因素还包括悬浮物沉降、水位、降水、流速、植物死亡碎屑等。在更大的时空尺度上,沟渠水质还会受到土地利用方式和季节变化的影响。

在上述影响沟渠去除营养物质能力的众多因素中,普遍认为植物吸收是最重要的因素之一。Abe等[21]

在研究沟渠内植物如何去除水体中的N、P时发现,植物吸收和底泥的同化作用是沟渠有效去除N、P的主要途径。Borin等[22]

也认为N被去除的主要原因是植物吸收和土壤同化,他们设计并建造的表流湿地对农业非点源污染中N元素的去除率高达90%。姜翠玲等

[23]

的研究也表明,我国长江中

下游地区沟渠去除非点源污染物的主要机制就是植

物对营养物质的吸收,芦苇(Phragmitescommunis)和茭白(Zizanialatifolia)对N的吸收能力较高,湿地植物定期收割是净化非点源污染物的关键措施,

每年秋季收割芦苇后,可带走氮818kg/hm。由于湿地植物死亡后会向水体中释放营养物质,因此,为了防止湿地植物造成二次污染,要特别注意湿地植物的定期收割。沟渠中的水生植物之所以能够有效地截留和转化营养物质,原因之一是水生植物的存在可以加速营养物质的水土界面交换和传递,从而使上覆水中营养物质的含量快速减少。

尽管植物的吸收对N的截留作用不可替代,然而,也不乏其它因素起主导作用的实例。Hamilton[25]15

等利用N揭示美国中西部森林沟渠去除N的[24]

2

型都是在湖泊或河流模型的基础上发展起来的,但是就当前研究来看,利用这种改造的模型对沟渠水文和生态环境效应的研究是一种开拓性的尝试。deVos等

[33]

提出的Waterpas2models模型能够预测沟

渠水位变化和耕作方式等对农业生产力、农业收益

和环境造成的影响。该模型模拟发现,过高的沟渠水位不仅会减少农业收成和降低农民的经济收益,而且还会增加地表水中P负荷,从而导致更严重的非点源污染。PCDitch是专门用于模拟农田沟渠水环境变化及其对沟渠生物影响的富营养化模型。因机理时发现,硝化作用转化的N占所有被去除N的57%,表明硝化作用是这种沟渠去除N的主要原

因。而Peterson等[26]

发现沟渠的大小和N元素存在的形式会影响沟渠去除N的速率。级别最低、尺寸最小的沟渠中N的吸收和转化速率最快;NH42N在沟渠中几百米的距离内即可被去除掉,而NO32N被去除所需距离为去除NH42N所需平均距离的5~10倍。沟渠中微生物对N的吸收量也不容忽视,在生物活动强烈的季节中,沟渠向下游输送的可溶性无机N的浓度比其它季节低很多。此外,流速对N去除率也有较大影响。流速加快会缩短水流与沟渠

中植物和沉积物的接触时间,降低截留量[27]

。

沉降作用、季节变化、底泥的P含量和积水时间等因素也会影响P的截留率。Braskerud[28]

认为吸附P元素的粒子沉降作用是沟渠能够截留P元素的主要原因;Kroger等[29]

发现,生长期时沟渠为无机磷和粒子磷的汇,而在休眠期时沟渠则为其源;Sallade等[30]

发现沟渠在处于连续积水状态的21天后,如果DPS(溶解性磷饱和度)达到40%,沟渠中的沉积物就会向上覆水中释放P元素。

沟渠不仅对营养物质具有截留作用,而且对农药等有毒物质的去除效果也很明显,而水生植物的吸收和富集依然是沟渠能够去除农药的主要原因。在含有农药的沟渠水经过510m长的植被化沟渠(Vegetatedditches)后,农药的浓度可被减少到初始浓度的0.1%[31]

。Bennett等[32]

也有相似发现,含有农药浓度为666Lg/L的水流在400m长的植被化试验沟渠中经过3个小时的净化后,在水流中即无法检测到农药的存在。尽管在沟渠去除农药所需的具体长度和时间上存在不同看法,但是,植被化沟渠能有效地去除农药污染物已被普遍接受。

3 沟渠模型与管理研究

3.1 沟渠模型研究

目前,专门用于模拟沟渠的模型很少,大部分模

N和P超标所引起的水体富营养化的典型标志是水体中植物的优势种从沉水植物变为浮游植物,用PCDitch可确定引起这种转变的营养物质的阈值

[34]

。

3.2 沟渠管理研究

在认识到沟渠对水环境尤其是水质的重要影响以前,人们对沟渠的管理一般只考虑农业生产功能。不过,在20世纪90年代,开始有学者呼吁在设计和管理排水系统的过程中,必须要考虑农业收益和环境保护的双重目标[35]

,以提高农业生产力、保护水质和为动植物提供栖息地。

在众多管理措施中,迄今为止应用最广泛最有效的当属在美国发展起来的/最佳管理措施0(BestManagementPractices,BMPs),其核心是减轻非点源污染负荷,保护土壤资源和改善水质。在不同的地区,该措施有不同的具体内容,但目标大都一致。美国南卡罗来纳洲的BMPs特别规定要尽量减少沟渠

维护(如疏浚)的次数[36]

,因为疏浚与沟渠减少营养物质排出的目标相悖。在沟渠疏浚后的短期内,沟渠中可溶性P的释放会比疏浚前增加很多[37]

。

当前,欧美国家尤其是美国已制定了完备的沟渠管理措施,相关研究也较多,而我国在这方面的研究还较为少见,因此,加强沟渠管理措施的研究是将来研究的重要方向之一。

4 结论与展望

尽管关于沟渠湿地的研究成果仍然存在不少的争论,但是,以下结论是研究人员普遍认可的:¹沟渠对农业生产,尤其是对排水不畅地区的农业生产非常重要,是提高农业生产力的有效措施之一;º作为过水通道,沟渠系统影响着流域的降水分配和径流形成过程,并控制着农田区的地下水位变化;»作为同时具有河流和湿地特征的景观要素,沟渠可以为水生和湿生动植物提供栖息地,极大地影响着区

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域的生物多样性;¼作为一种人工湿地,沟渠可以通过植物吸收、沉降、化学转化和微生物转化等过程有

效地截留和转化农业生产造成的非点源污染,是防止下游河流和湖泊等水体发生污染和富营养化的有效途径之一。

在已开展的沟渠湿地研究工作中,侧重于阐述沟渠湿地所产生的水文效应和生态环境效应,但对产生这些效应的机理研究还不够深入,为了加深对沟渠水文和生态环境效应的认识并揭示机理,建议加强以下几个方面的研究:¹加强沟渠湿地的野外长期监测,为更清楚认识沟渠的水文与生态环境效应和开展深入的机理及模拟研究积累基础数据。º加强沟渠模拟研究,预测沟渠产生的水文和生态环境效应,为合理利用沟渠提供科学和定量化依据。虽然目前已有学者提出少量沟渠湿地模型,但是这些模型基本不具备广泛适用性,而且大多数模型都是在湖泊或河流模型的基础上发展起来的,针对性不强,不利于精确模拟沟渠湿地中的物理、化学和生物过程。»加强沟渠湿地的管理研究。良好的管理措施是充分发挥沟渠湿地的水文效应和生态环境效应的基本保障,我国在这方面的研究还很薄弱,需要加强在国家层面的沟渠管理法规研究和/省)县)乡0各级的具体实施措施,以充分发挥沟渠湿地的水文和生态环境功能。参考文献(References):

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AdvancesontheEffectsofDitchWetlandon

HydrologyandEco2environment

ZHOUJun,DENGWei,LIUWeilong

1,2

1

1

(1.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,CAS,Chengdu,Sichuan 610041,China;

2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing 100049,China)

Abstract:Ditchsystemisimportanttoreducepollutionandpreventeutrophicationinriversandlakes.First2ly,thispapergivesthedefinitionofditchandditchwetland;secondly,wereviewtheresearchadvancesinthe

effectsofditchwetlandonhydrologyandeco2environmentathomeandabroad,andexplainexplicitlythemecha2nismthatditchwetlandsinterceptnutrient(nitrogenandphosphorus,etc.)andcontamination(pesticideandher2bicide,etc.);additionally,itintroducestheadvancesinditchmodelingandditchmanagementstudy;finally,inordertobehelpfultoditchstudies,wepointoutthepresentinsufficientresearchandputforwardsomesuggestionsthatincludestrengtheningresearchonfieldmonitoring,modelingditchandmanagingditch.

Keywords:Ditchwetland;Hydrologicaleffects;Eco2environmen;tEutrophication.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/erwe.html