稻田人工湿地生态环境需水量研究

赵江辉 秦 伟 沈国浩

（太仓市水利局，江苏　　太仓 215400）

稻田人工湿地生态环境需水量研究

赵江辉 秦 伟 沈国浩

（太仓市水利局，江苏太仓 215400）

本文分析了稻田人工湿地生态环境需水量的内涵，系统地阐述了稻田人工湿地生态需水量和环境需水量二者所含各需水指标的主要特征，探讨了稻田人工湿地生态环境需水量各需水指标的计算方法和理论模型。研究成果可为稻田人工湿地调水和补水策略的制定提供理论依据。

稻田；人工湿地；生态环境；需水量

1概 述

拥有强大综合服务功能的稻田生态系统，其重要性已得到社会广泛认可，它在承载粮食生产的同时，还肩负着固碳减排、调节区域气候、净化空气质量、改善水土环境、维持土壤肥力等生态系统服务功能［1-3］。湿地作为纳污净化的“地球之肾”起着重要的生态环境平衡功能。系统地分析湿地的季节性水量特性，并据此提供相应湿地生态用水供水策略将为水务部门确定合理的湿地调配水资源、优化供水方案提供支持［4-5］。目前国内外对湿地生态环境需水量的研究较为深入全面的有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］。综合国内外有关湿地生态环境用水量研究文献，可见自然湿地研究较多，人工湿地研究较少，而稻田人工湿地生态环境需水量研究尚属空白。为此，本文对稻田人工湿地生态环境需水量进行初步探讨与研究，以期为稻田人工湿地水生态保护及湿地水务管理策略的制定提供理论参考。

2稻田人工湿地生态环境需水量内涵

稻田人工湿地有自身特点，其生态环境需水概念应从基本特征、表现形式、生态保护和管理目标以及稻田湿地所呈现出的效益等方面加以综合考虑，予以定义。因此，本文定义稻田湿地生态环境需水量为基本遏制其生境恶化、解决生境问题及实现保护其管理目标所需的水量，即稻田湿地为支撑自身发展、保证其发挥基本生态功能所需的水量。其内涵与生态环境建设和服务目标密切相关。稻田湿地不仅须维持一定水量，以保证其不因退化而衰亡，而且也须维护一定水质，以满足生态系统、景观和稻作文娱等功能需求。稻田人工湿地实况不同，首要满足的服务功能也不尽相同。对于资源型缺水稻田湿地，满足其他服务功能的前提条件是维持水量；对于水质型缺水稻田湿地，其他服务功能的先决条件则是环境稀释需水的满足。

鉴于稻田湿地生态环境保护目标，将生态环境需水划分极大、最优和极小三个等级。极大生态环境需水系指稻田湿地生态系统维持自身发展与动态平衡所能承受的上限需水，超过此限，系统便遭洪涝灾害；最优生态环境需水系指稻田人工湿地各生态功能互调互协，生物生存状态最佳，生态系统无重大外界因素干扰可长时间保持相对稳定的需水；极小生态环境需水系指维持稻田湿地生态系统的生物生存空间不再萎缩及生态环境不再降低所需的下限水量，低于此值，生态系统便会退化甚至崩溃。

3稻田人工湿地生态环境需水量计算

稻田人工湿地生态环境需水包含生态需水和环境需水两个方面。其中生态需水指植物、土壤及栖息地等需水，环境需水指补给地下水、净化环境及稻作文化、旅游、娱乐等需水。

3.1生态需水量计算

a.植物生态需水。植物生长需水源自水文循环。稻田人工湿地植物需水系指植物正常生长需水，用于同化消耗、组织构成、植株蒸腾及棵间蒸发四个方面，前两项系生理需水，为植物生理代谢所需，后两项系生态需水，为植物生活环境构建所需。其中后两项为主要耗水指标，占植物需水的99%，近似植物需水量，称之为腾发量。水分充分满足条件下，推荐采用彭曼公式计算植物腾发量。估算区域性或流域性稻田人工湿地植物需水的理论公式为

式中 dWp——植物需水量；

A（t）——植被面积；

ETm（t）——腾发量；

t——时间。

b.土壤需水。稻田人工湿地土壤需水与植物生长需水存在显著相关性。一定时空尺度，土壤含有一定水量，但并不代表土壤所需水量。土壤含水量仅是个参照，可作为土壤需水计算的前提。稻田人工湿地不同土壤类型，其水物理化学特性及指标所差异，需水就存在差别。为研究需要，本文用田间持水量进行土壤需水量计算，其公式为

式中 Qt——土壤需水量；

α——田间持水量体积百分比；

Ht——土壤腐殖层厚度；

At——稻田湿地面积。

c.野生生物栖息地需水。稻田湿地这部分需水主要涉及鸟类、蛙类等栖息繁殖所需基本水量。稻田湿地区域不同，野生生物有异，可根据正常年份某一区域主要保护物种栖息、繁殖计算其所需水量，为避免重复计算，此处只考虑满足野生动物栖息、繁殖所需水量。鉴于稻田湿地点多面广，本文估算区域性或流域性稻田人工湿地野生生物栖息地需水量时，通常按稻田栖息地水深、水面比等确定，计算公式为

式中 Wq——野生生物栖息地需水量；

A（t）——稻田湿地植被面积；

B——水面面积百分比，通常为10%～40%；

H（t）——稻田湿地水深，表面流人工湿地一般取0.1～0.6m；

t——时间。

3.2环境需水量计算

a.补给地下水需水。稻田人工湿地补给地下水以渗漏途径达到。水分在土壤中的渗透运动系指土壤充分饱和前提下在重力作用下的自由运动，大小取决于水位差、渗距、土壤孔度与断面大小。平原区水稻生长期灌溉与降水入渗应一齐考虑，二者数量可根据灌水与同期有效降水之间的比例关系分别确定。入渗补给量的计算公式为

式中 Φ——土塘稳渗率，实验数据表明：黏土Φ= 1m m/d，亚黏土Φ=1.7m m/d，亚砂土Φ=2.5m m/d，粉细砂Φ=3m m/d；

T——水稻生长期（包括泡田期），单季稻为120天，双季稻为180天；

F——水稻田计算面积。

b.净化环境需水。稻田湿地在污水净化上效果显著。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降约98%，细菌和蛔虫孵数降超95%，悬浮物SS降75%～94%，每公顷水稻田每季可净化生活污水0.75万～1.2万m3，可无害化处理规模养殖场75000t牛粪或60000t猪粪，并显著改善土壤［13-14］。污水中含有的C u、Z n、C r等重金属为植物必需的微量营养元素，经稻田湿地物理、化学及生物作用，含量显著降低。

稀释和自净为稻田人工湿地净化污染物的主要原理［9，15］。计算稻田湿地净化环境需水需参照周遭年污水排放总量、水质监测资料等。从理论上讲，净化环境需水量模型可表达为

式中 Wj——净化环境需水量；

Qd，Qm——点源及面源污水排放进入湿地总量；

α，β——点源及面源污水稀释倍数，按达标排放浓度与地表水国家标准之比确定；

t——时间。

c.稻作文娱需水。稻作文化、旅游及娱乐等功能是现代高效生态农业产业规划不可或缺的重要组成部分，是稻田人工湿地重要的生态环境功能，此项属非消耗性需水，可与野生生物栖息地需水相互替代。

4结 语

人工湿地合理利用及生物多样性有效保护已经引起高度重视和普遍关注。稻田是地球上最大的人工湿地生态系统，合理利用稻田人工湿地及保护生物多样性，实现区域可持续发展，对稻田人工湿地生态环境需水进行量化分析及研究，可为区域生态环境整体需水的确定奠定坚实基础。

本文探讨的稻田人工湿地生态环境需水计算，主要针对各需水指标的特定功能，专门进行了独立研究，理论上是可行的。湿地中各类型的水看似相互独立，实际上它们之间的界限很难明显区分。此外，文中一些理论模型和计算公式均是从稻田人工湿地生态环境需水量各类型的基本原理这一角度经分析提出的。鉴于不同时空尺度要求，需采集大量实测数据率定和修正各参数，使其反映实际需水特征。■

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R e s e ar c honP ad d y ar t i f i c i al w ET l an de c ol ogi c al e n vi r on me n t w at e rd e man d

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）

I n t hepa pe r，c o nno t a t i o n o fpa ddyf i e l d a r t i f i c i a lw ET l a nd e c o l o g i c a la nd e nv i r o nm e nt a lw a t e rde m a nd i s a na l y z e d.M a i n f e a t ur e so fw a t e rde m a nd i ndi c a t o r sf o rpa ddyf i e l d a r t i f i c i a lw ET l a nd e c o l o g i c a lw a t e rde m a nd a nd e nv i r o nm e nt a l w a t e rde m a nd a r es y s t e m a t i c a l l ye x po unde d.C a l c ul a t i o n m ET ho dsa nd t he o r ym o de l o f a l l w a t e rde m a nd i ndi c a t o r s i n pa ddyf i e l d a r t i f i c i a l w ET l a nd e c o l o g i c a l a nd e nv i r o nm e nt a r edi s c us s e d.R e s e a r c h r e s ul t sc a n pr o v i det he o r y ba s i s f o r pa ddyf i e l d a r t i f i c i a l w ET l a nd a nd de v e l o pi ngw a t e r s uppl ys t r a t e g ye s t a bl i s hm e nt.

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1005-4774（2015）04-0048-03

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