稻田人工濕地生態環境需水量研究

趙江輝 秦 偉 沈國浩

（太倉市水利局，江蘇　　太倉 215400）

稻田人工濕地生態環境需水量研究

趙江輝 秦 偉 沈國浩

（太倉市水利局，江蘇太倉 215400）

本文分析了稻田人工濕地生態環境需水量的內涵，系統地闡述了稻田人工濕地生態需水量和環境需水量二者所含各需水指標的主要特征，探討了稻田人工濕地生態環境需水量各需水指標的計算方法和理論模型。研究成果可為稻田人工濕地調水和補水策略的制定提供理論依據。

稻田；人工濕地；生態環境；需水量

1概 述

擁有強大綜合服務功能的稻田生態系統，其重要性已得到社會廣泛認可，它在承載糧食生產的同時，還肩負著固碳減排、調節區域氣候、凈化空氣質量、改善水土環境、維持土壤肥力等生態系統服務功能［1-3］。濕地作為納污凈化的“地球之腎”起著重要的生態環境平衡功能。系統地分析濕地的季節性水量特性，并據此提供相應濕地生態用水供水策略將為水務部門確定合理的濕地調配水資源、優化供水方案提供支持［4-5］。目前國內外對濕地生態環境需水量的研究較為深入全面的有M i c ha e l G ET z ne r、K l a us Sc hm i e de、崔保山等［6-12］。綜合國內外有關濕地生態環境用水量研究文獻，可見自然濕地研究較多，人工濕地研究較少，而稻田人工濕地生態環境需水量研究尚屬空白。為此，本文對稻田人工濕地生態環境需水量進行初步探討與研究，以期為稻田人工濕地水生態保護及濕地水務管理策略的制定提供理論參考。

2稻田人工濕地生態環境需水量內涵

稻田人工濕地有自身特點，其生態環境需水概念應從基本特征、表現形式、生態保護和管理目標以及稻田濕地所呈現出的效益等方面加以綜合考慮，予以定義。因此，本文定義稻田濕地生態環境需水量為基本遏制其生境惡化、解決生境問題及實現保護其管理目標所需的水量，即稻田濕地為支撐自身發展、保證其發揮基本生態功能所需的水量。其內涵與生態環境建設和服務目標密切相關。稻田濕地不僅須維持一定水量，以保證其不因退化而衰亡，而且也須維護一定水質，以滿足生態系統、景觀和稻作文娛等功能需求。稻田人工濕地實況不同，首要滿足的服務功能也不盡相同。對于資源型缺水稻田濕地，滿足其他服務功能的前提條件是維持水量；對于水質型缺水稻田濕地，其他服務功能的先決條件則是環境稀釋需水的滿足。

鑒于稻田濕地生態環境保護目標，將生態環境需水劃分極大、最優和極小三個等級。極大生態環境需水系指稻田濕地生態系統維持自身發展與動態平衡所能承受的上限需水，超過此限，系統便遭洪澇災害；最優生態環境需水系指稻田人工濕地各生態功能互調互協，生物生存狀態最佳，生態系統無重大外界因素干擾可長時間保持相對穩定的需水；極小生態環境需水系指維持稻田濕地生態系統的生物生存空間不再萎縮及生態環境不再降低所需的下限水量，低于此值，生態系統便會退化甚至崩潰。

3稻田人工濕地生態環境需水量計算

稻田人工濕地生態環境需水包含生態需水和環境需水兩個方面。其中生態需水指植物、土壤及棲息地等需水，環境需水指補給地下水、凈化環境及稻作文化、旅游、娛樂等需水。

3.1生態需水量計算

a.植物生態需水。植物生長需水源自水文循環。稻田人工濕地植物需水系指植物正常生長需水，用于同化消耗、組織構成、植株蒸騰及棵間蒸發四個方面，前兩項系生理需水，為植物生理代謝所需，后兩項系生態需水，為植物生活環境構建所需。其中后兩項為主要耗水指標，占植物需水的99%，近似植物需水量，稱之為騰發量。水分充分滿足條件下，推薦采用彭曼公式計算植物騰發量。估算區域性或流域性稻田人工濕地植物需水的理論公式為

式中 dWp——植物需水量；

A（t）——植被面積；

ETm（t）——騰發量；

t——時間。

b.土壤需水。稻田人工濕地土壤需水與植物生長需水存在顯著相關性。一定時空尺度，土壤含有一定水量，但并不代表土壤所需水量。土壤含水量僅是個參照，可作為土壤需水計算的前提。稻田人工濕地不同土壤類型，其水物理化學特性及指標所差異，需水就存在差別。為研究需要，本文用田間持水量進行土壤需水量計算，其公式為

式中 Qt——土壤需水量；

α——田間持水量體積百分比；

Ht——土壤腐殖層厚度；

At——稻田濕地面積。

c.野生生物棲息地需水。稻田濕地這部分需水主要涉及鳥類、蛙類等棲息繁殖所需基本水量。稻田濕地區域不同，野生生物有異，可根據正常年份某一區域主要保護物種棲息、繁殖計算其所需水量，為避免重復計算，此處只考慮滿足野生動物棲息、繁殖所需水量。鑒于稻田濕地點多面廣，本文估算區域性或流域性稻田人工濕地野生生物棲息地需水量時，通常按稻田棲息地水深、水面比等確定，計算公式為

式中 Wq——野生生物棲息地需水量；

A（t）——稻田濕地植被面積；

B——水面面積百分比，通常為10%～40%；

H（t）——稻田濕地水深，表面流人工濕地一般取0.1～0.6m；

t——時間。

3.2環境需水量計算

a.補給地下水需水。稻田人工濕地補給地下水以滲漏途徑達到。水分在土壤中的滲透運動系指土壤充分飽和前提下在重力作用下的自由運動，大小取決于水位差、滲距、土壤孔度與斷面大小。平原區水稻生長期灌溉與降水入滲應一齊考慮，二者數量可根據灌水與同期有效降水之間的比例關系分別確定。入滲補給量的計算公式為

式中 Φ——土塘穩滲率，實驗數據表明：黏土Φ= 1m m/d，亞黏土Φ=1.7m m/d，亞砂土Φ=2.5m m/d，粉細砂Φ=3m m/d；

T——水稻生長期（包括泡田期），單季稻為120天，雙季稻為180天；

F——水稻田計算面積。

b.凈化環境需水。稻田濕地在污水凈化上效果顯著。研究表明：污水入稻田5～7d，B O D降72%～97%，N H3-N降超85%，P降超98%，K降超78%，C N降約98%，細菌和蛔蟲孵數降超95%，懸浮物SS降75%～94%，每公頃水稻田每季可凈化生活污水0.75萬～1.2萬m3，可無害化處理規模養殖場75000t牛糞或60000t豬糞，并顯著改善土壤［13-14］。污水中含有的C u、Z n、C r等重金屬為植物必需的微量營養元素，經稻田濕地物理、化學及生物作用，含量顯著降低。

稀釋和自凈為稻田人工濕地凈化污染物的主要原理［9，15］。計算稻田濕地凈化環境需水需參照周遭年污水排放總量、水質監測資料等。從理論上講，凈化環境需水量模型可表達為

式中 Wj——凈化環境需水量；

Qd，Qm——點源及面源污水排放進入濕地總量；

α，β——點源及面源污水稀釋倍數，按達標排放濃度與地表水國家標準之比確定；

t——時間。

c.稻作文娛需水。稻作文化、旅游及娛樂等功能是現代高效生態農業產業規劃不可或缺的重要組成部分，是稻田人工濕地重要的生態環境功能，此項屬非消耗性需水，可與野生生物棲息地需水相互替代。

4結 語

人工濕地合理利用及生物多樣性有效保護已經引起高度重視和普遍關注。稻田是地球上最大的人工濕地生態系統，合理利用稻田人工濕地及保護生物多樣性，實現區域可持續發展，對稻田人工濕地生態環境需水進行量化分析及研究，可為區域生態環境整體需水的確定奠定堅實基礎。

本文探討的稻田人工濕地生態環境需水計算，主要針對各需水指標的特定功能，專門進行了獨立研究，理論上是可行的。濕地中各類型的水看似相互獨立，實際上它們之間的界限很難明顯區分。此外，文中一些理論模型和計算公式均是從稻田人工濕地生態環境需水量各類型的基本原理這一角度經分析提出的。鑒于不同時空尺度要求，需采集大量實測數據率定和修正各參數，使其反映實際需水特征?！?/p>

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Z H A OJ i a ng hui，Q I NWe i，SH E NG uo ha o
（T ai c ang W at e r C o ns e r v anc yB ur e au，T ai c ang 215400，C hi na）

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A

1005-4774（2015）04-0048-03

10.16616/j.cn ki.10-1326/T V.2015.04.015