凈水梯田生態環境效應研究進展

金晶 張飲江

[摘 要] 水資源短缺、水體環境污染和城鄉雨洪災害三大水資源問題肆虐交替，水資源問題的頻繁出現嚴重阻礙了坡地植被的自然更新與人工修復。為提升水體凈化能力、提高坡地植被成活率和覆蓋度，國內外許多地區實施了坡改梯工程，以遏制坡地進一步退化、緩解水資源問題，構建海綿城市。本文對凈水梯田的水體生態修復展開研究，剖析凈水梯田工程對土壤屬性及其質量、生境構建、地表水文、植被恢復、水質凈化及景觀生態系統等的影響效應，推動凈水梯田技術相關研究的深入發展，為水體生態工程的實施提供依據。

[關鍵詞] 凈水梯田;生境;生物多樣性;水文效應;景觀生態系統

[中圖分類號] S157.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2020）13-114-4

在全球氣候變化、人類活動范圍擴大及對環境影響力加劇的大背景下，水資源短缺、水體環境污染和城鄉雨洪災害三大水資源問題交替出現，導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[1]，減緩生態文明建設進程，制約城鄉發展。科學系統地探究坡地改造技術，以緩解水資源問題，遏制坡地退化，構建海綿城市，維持生態系統平衡，維持人類生存環境的各種功能與效用，已然成為一個重大且緊迫的科學命題。在坡地人工修復過程中，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，已被廣泛應用于許多國家[2]，如北非、中美洲及亞洲等地區的一些國家。農耕文明發達、山地眾多的我國，也是最早開發梯田的國家之一，修筑歷史悠久，梯田景觀資源豐富[3]。

梯田的生態效應研究及對其保護與管理的研究從20世紀后期便開始，且取得了一定進展[4]。但因更為系統深入的實驗設計缺乏、關鍵過程和作用機理不明等，導致無法研判梯田的長期生態環境效果[1]。而梯田的應用卻越來越廣泛，不斷被應用于水體生態修復工程中。因此，如何充分運用生態工程學的物種多樣性原理、物質循環再生原理、協調與平衡原理等對凈水梯田進行設計、修建與管理逐漸成為凈水梯田生態修復技術研究的重要方向之一，深入探討凈水梯田對生態環境的影響效應，有助于深入探究其作用機理，更有助于促進人類與環境和諧發展。

本文剖析了當前凈水梯田工程對土壤屬性及其質量、生境構建、地表水文、植被恢復、水質凈化及景觀生態系統等影響效應的研究進展，以期能引起更多學者的關注與思考，推動凈水梯田相關研究的深入發展，為我國水體生態修復工程的實施提供理論依據，以全面有效提高生態環境質量，加速推進可持續發展的生態文明建設進程。

1 凈水梯田功能

《大百科全書·水利卷》將梯田描述為：“在丘陵山區坡地上，沿等高線修筑的等高帶狀臺階式田塊。”《大百科全書·農業工程卷》則描述為：“在坡地上沿等高線修筑的階臺式或波浪式斷面農田。”梯田是傳統農耕文明的自然智慧，沿等高線合理修筑與管理形成的階臺式斷面，具有減緩坡度、截短徑流長度、減小徑流沖刷動力等效果[3]。根據臺階形式，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、減少水土流失、保持土壤養分等作用，從而創造有利的水生態環境，降低洪澇等自然災害的發生風險，提高生態系統的碳匯功能。凈水梯田以凈水為目的，通過改變地形，污水經過土壤、植物、微生物等的過濾截留，凈化效果良好。

此外，凈水梯田作為一個開放的生態系統，遵循生態平衡原理，可以充分利用土地資源，改變作物的生長條件，提高作物產量和土地承載力，促進農業生產可持續發展。另外，凈水梯田的景觀空間格局使系統內的物質流動以水的流動為主，為生物提供生境和廊道，豐富并保護生物多樣性，調節微氣候，形成一道獨特的鄉村景觀，具有視覺吸引力和旅游發展潛力[1]。

2 凈水梯田對土壤屬性及其質量的影響研究現狀

土壤是“有生命”的動態資源，是植物扎根的基礎，是人類社會賴以生存與發展的重要物質保障[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，凈水梯田技術能改善土壤結構，改變地表徑流系數，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。

凈水梯田技術還能保持土壤養分，提高生態系統碳匯功能。土壤肥力是土壤的本質屬性，是保證食物產量的重要基礎[5]。植物根系死亡后，能增加土壤下層的有機質含量、陽離子交換量，并促進土壤結構的形成。土地利用方式發生變化，其土壤物化性質會隨之發生變化，勢必對土壤入滲性能產生重要影響，不同土地利用方式可以通過植被覆蓋度、土壤有機質、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行研究，發現梯田具有較好的土壤有機碳固持能力，土壤有機碳在0～60 cm的農田土層下處于持續累積狀態。

然而，坡改梯也會導致梯田邊緣土壤的侵蝕加劇，梯田的存在加重了兩個連續臺階之間的邊緣侵蝕，土壤疏松、易于膨脹時這種現象表現得更為嚴重。在凈水梯田實施中，不建議利用大型機械對臺階進行壓實，壓實平臺水分入滲率低，易對邊坡造成更嚴重的沖蝕，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建的影響研究現狀

凈水梯田可創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，增加景觀異質性，影響生物群落的結構與功能。生境連接是影響物種遷移的重要原因，生境破碎化可能會阻礙基因的流動和減少物種多樣性，而維護和創建廊道有利于減少生境破碎化帶來的不利影響。假設導致生態系統退化的壓力只是暫時的，那么部分喪失的生境和減少的種群是可以恢復的。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，并在系統中重復利用，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形成網絡，其空間景觀格局影響系統內的生態水文效應、水流、營養物質循環和能量流動，形成微生境。梯田的生境再造可增加土壤生物活性，改善土壤質量，為植被的恢復、生物多樣性的增加創造條件，有利于生態修復。詹鵬研究發現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，是凈水梯田發揮功能的有力保障。對凈水梯田生境廊道的構建還需進行進一步深入研究，如植物覆蓋度與土壤水分徑流的相關性分析、梯田內的水深達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的影響研究現狀

水是任何生物體都不可缺少的重要組成成分，是生命活動的基礎，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動和存儲，形成土壤水，其多少與地表產流、降雨后土壤水分再分配等情況相關[6]，凈水梯田通過增加水文連通性的作用達到調控地表、地下水位的功能，降低流域內水文連通性，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的功能以及水循環與水補給特征[8]。李仕華研究了梯田水文生態系統，發現坡改梯后，土地的立地條件和土壤水分的微循環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]。高璇等研究發現，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點網絡，增加了地表的水文結構連通性，也直接影響該地區的地下水位;另外，溝渠在梯田中的分布格局呈現接近與等高線平行或近似平行的角度，產生增加土壤滲透、截留坡面產流和對自然河流分流的水文效應，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系，土壤孔隙度大，徑流滲入速度就會越快。研究發現，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，也與產匯流條件相關，有關凈水梯田水文地貌的動態響應研究有待進一步深入探討。

5 凈水梯田對植被恢復的影響研究現狀

凈水梯田能改變自然條件下水資源的時空分布格局、遷移和循環過程，改變流域水系格局，打破水流與土壤運動的平衡，改變棲息地條件，構建新的生境環境，為植被的耕作和生產提供必要的水肥條件。植被生物生產對于水文過程的變化呈現明顯的動態響應。集流梯田具有顯著提高作物產量的效果，增加農民收入。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袋等坡改梯后進行植物群落的構建。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影響不同，徐勇等在陜西燕溝流域種植玉米、大豆、綠豆，當坡地為15°時，作物產量分別提高6.35%、2.8%、1.79%;而當坡地為25°時，作物產量提高16.74%、5.58%、4.55%[11]。

梯田的構建，不僅增加作物產量，還能增加植物種類。單一或少數的植物群落結構不穩定，容易受外界環境的影響。凈水梯田能豐富植物物種，保證水體生態系統穩定與連續。同時，不同類型植被的恢復對水文過程會產生反作用，形成的新水循環系統反過來又對凈水梯田景觀內的種植條件及生態環境產生影響，形成植被的物候變化。有關學者連續2 a在巴勒斯坦地區開展試驗研究，發現第2年修建梯田比第1年干物質量增加975 kg/hm2。Liu等研究發現黃土高原地區修建3 a的梯田產量比坡地耕作提高27%，且在后續耕作年份，產量將提高27%～52%[12]。

然而，對植被恢復的研究主要集中于梯田作物的產量，有關凈水梯田的植被群落構建模式、優化設計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 凈水梯田對水質凈化的影響研究現狀

凈水梯田對山坡地進行整改，能最大限度地進行植物群落空間配置，有效增加生物多樣性，削減污染物負荷，充分發揮植物、土壤的凈水能力，如表1所示。植被作為初級生產者，通過其礦質營養代謝實現并調節生態系統的物質循環、能量流動和信息傳遞，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，影響并穩定水體理化指標。詹鵬通過構建梯田式人工濕地，能較好地去除生活污水中的氮磷元素，增加水中溶解氧，出水水質滿足污水綜合排放標準一級標準[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]。姚敏等研究發現哈尼梯田具有較好的涵養水源能力，且水質隨海拔降低呈現“好—差—好”的垂直特征[13]。凈水梯田在水質凈化等方面的作用被不斷認識，在上海、重慶、南寧等市得到了廣泛應用，通過素土層、礫石層、防滲材料層、沙壤土層及水生植物，提高水體生態系統的穩定性和連續性，使水質得到了良好的凈化。

7 凈水梯田對景觀生態系統的影響研究現狀

景觀的生態系統服務是耦合社會—生態系統的產物，不僅取決于自然過程，而且取決于社會的因素和變量，是一種動態關系。梯田是“農耕文明”的活化石，悠久的歷史賦予了其豐厚的、獨特的文化底蘊[3]，凈水梯田構建時應努力挖掘本身具有的農耕文化、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性，形成有利于景區人—水—梯田生態系統的和諧。巴厘島梯田景觀體現了生計文化、宗教文化、歷史遺傳文化、地域鄉土文化和旅游觀賞文化。文化特征是梯田長期穩定發展的重要基礎、生態保護的內在力量。

凈水梯田具有保持水土、凈化水質的重要作用，在山地環境中的存在會形成特定的人居環境和城鎮體系，體現出凈水梯田的生態、經濟、社會功能。充分利用有利的自然資源發展梯田生態農業和旅游業，為旅游者提供原生態農產品和體驗勞動樂趣的機會。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結合，進行總體規劃設計[14]。楊濱娟等就農業生態環境問題及成因、農業生態保護現狀與存在問題等，針對性地提出崇義客家梯田農業生態保護的總體思路與途徑[15]。

8 展望

我國凈水梯田工程的應用較為廣泛，主要用于有目的地改善立地條件和生態環境質量[1]。對于梯田的研究，主要集中在旅游開發、建設與施工、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量、生境構建、地表水文、植被恢復、水質凈化及景觀生態系統效應等的研究進展進行了剖析，發現凈水梯田的生態環境效應研究尚處于定性、單一層面，對梯田形態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研究的重點，梯田作為一種特殊的自然—社會—經濟復合生態系統，其生態環境效應研究將逐漸成為國內外一個比較熱門的研究，未來有關凈水梯田水文地貌動態響應研究、凈水機理量化探究、梯田內植被群落構建模式、植被覆蓋與土壤水分徑流的相關性分析、梯田內的水深達到何種程度才最有利于梯田景觀的維持、凈水梯田的建設與科學管理等將逐步成為我國凈水梯田生態工程建設研究的重要方向。

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