云梦泽圩田的生态模式设计研究

孙晋芳,袁兴中,*,刘 红,武帅楷

1 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室/建筑城规学院,重庆 400044 2 长江上游湿地科学研究重庆市重点实验室,重庆 401331

圩田是儒家井田制文化与云梦泽地区水文环境相结合的产物,作为云梦泽地区经济的主体,圩田不仅是简单的经济生产单元,而且是一个复杂的社会经济文化复合体。圩田的开发十分适合云梦泽地区水环境的特点,它的产生及发展有其自然与经济的合理性,是人类适应自然的产物[1],在抗御旱涝、稳产高产和缓解人口压力方面发挥着非常重要的作用。然而,圩田这种土地利用方式利弊并存,过度开发势必会带来严峻的生态环境问题。近年来,随着长江中下游地区生态环境的不断恶化,江汉平原云梦泽地区的水灾频发。由于圩田抗洪能力低下,其弊端突出,各地掀起了“退圩还湖”、“退田还湖”工程,对圩田景观造成了巨大的冲击。面对人们对云梦泽地区生态环境问题的日益关注和对历史景观形态的尊重,如何挖掘这种传统水利田的生态智慧使之继续发挥作用是一个亟待解决的现实问题。

1 云梦泽圩田

1.1 云梦泽

据史料记载,“云梦”一般指春秋、战国时期楚王狩猎区,范围非常广阔,涉及今湖北东南部大半个省,而且包括多种地貌形态,如山地、丘陵、平原与湖泊等。而“云梦泽”是云梦的一部分,专指狩猎区内的湖泊部分,范围仅在今江汉平原之内[2](图1)。考古和地质资料表明,在地质构造上,江汉平原属第四纪强烈下沉的拗陷区,云梦泽就在此基础上发育形成。由于长江上游的泥沙源源充填,河床淤积而抬高,水位也逐渐上升,当水位漫出河槽时,便形成了云梦泽[3]。云梦泽的发育、形成与演变经历了漫长的过程,气候变化和地质构造运动是主要驱动力,而各历史时期的洲滩围垦活动则加快了云梦泽的演变进程。

图1 先秦时代云梦泽的位置Fig.1 Location of Yunmeng Marsh in Pre-Qin era

1.2 圩田

圩田(又称围田、圩垸或围垸)是一种在浅水沼泽地带或河湖洲滩上通过围堤筑圩,围田于内,挡水于外;设涵闸,围内开沟渠,实现排灌的水利田[4]。圩田是人们在长期治田治水实践中创造的一种独特的农田开发形式,它广泛分布在长江中下游地区的江南地区和江汉平原,是这些地区重要的土地利用方式。但是,圩田的过度开发势必会带来严峻的生态环境问题。第一,圩田改变了江汉平原云梦泽地区的地形起伏。沿江筑堤后,堤内河、湖漫滩辟为圩田,使沉积中断,而堤外漫滩继续受沉积,于是先围垦的圩田高程较低,而后围垦的圩田高程较高,使云梦泽地区形成中央低、四周高的碟形洼地。第二,圩田改变了江汉平原云梦泽地区的水文环境。因筑堤把河、湖漫滩围成圩田,使穴口数量减少且淤塞,分流受阻,汉水、荆江汛期又得不到调蓄,导致水位上升,加之云梦泽地区地势低洼,因此造成该地区水灾严重[5]。另外,汉江堤与荆江大堤虽阻止汉江、荆江水补给内荆河,但由于内荆河地处江汉平原的最低点,可以得到两江入渗的地下水补给,因而导致江汉平原云梦泽地区涝灾时间延长。第三,大量构筑圩田,影响到江汉平原云梦泽地区江湖的生态关系。大规模的圩田垦殖活动,导致湖泊退化,行洪通道缩减,调蓄能力急剧衰退,使洪水威胁愈演愈烈[4]。

本研究选取湖北朱湖湿地公园内的圩田恢复区作为研究对象,以生态学思想为指导,从单纯的治田治水理念拓展为经济、水利、生态、文化与社会发展并重的多重理念,通过对圩田系统的解读和研究,充分挖掘蕴含圩田之中的生态智慧,提出了云梦泽圩田的生态模式。这些模式有助于云梦泽地区蓄洪防旱、水质净化、景观优化、以及生物生境等综合生态服务功能的实现,并促进云梦泽地区圩田景观文化传承与生态环境的协同共生。

2 云梦泽圩田生态模式的设计

2.1 研究区概况

朱湖国家湿地公园位于孝感市孝南区(113°53′33″—114°07′59″E,30°47′01″—30°51′28″N),东起府河东堤,西至农联垸泵站,南以朝阳泵站为界,北至卧龙潭泵站,规划总面积5156hm2(图2)。湿地公园所在地孝南区属亚热带季风区大陆性气候,多年平均气温16.2℃,无霜期245 d,多年平均降水量1146mm;湿地公园所在区域属丘岗平原地貌区,地形起伏小;湿地公园内主要河流为澴河、府河和沦河,近南北走向,河床两侧为宽缓的河谷,河漫滩发育,平均过洪流量4600m3/s;主要土壤类型为潜育性水稻土和潮积土,理化性能好,有机质含量高。公园范围内共有植物73科202属259种,其中自然植被以双穗雀稗(Cynodondactylon)、钻叶紫菀(Astersubulatus)、稗(Echinochloacrusgalli)等草本植物群落为主;公园范围内共有脊椎动物194种,其中鱼类41种,两栖动物8种,爬行动物11种,鸟类129种,兽类5种[6]。

研究区为朱湖国家湿地公园内的圩田恢复区,恢复区长边约600m,宽边约400m,总面积237186m2,包括圩田基塘系统和疏林岛屿。圩田基塘系统形似“龟甲”,长轴315m,短轴240m,周围分布10m宽的开阔水面,面积49900m2。

图2 研究区域Fig.2 Location of the study area

2.2 云梦泽圩田的生态模式

依据湿地生态系统的设计原则,综合考虑圩田恢复区对水环境、滨水景观,以及生物生境功能的需求, 2015年12月,本研究设计了云梦泽地区圩田系统的4种生态模式,即：小微湿地群模式、水陆界面生态调控模式、柔性设计模式和“河流-湿地”复合体模式(图3)。

图3 圩田系统生态模式概念图Fig.3 The concept map of ecological pattern of the polder system

2.2.1小微湿地群模式

小微湿地是指自然界在长期演变过程中形成的较稳定的小型自然湿地[7],如小湖泊、池塘、洼地、鱼塘、沟渠等,它们发挥了蓄洪防旱、净化污染、调节微气候、提供生物生境等多种生态服务功能。本研究基于圩田的微地貌特点,运用生态学原理,充分挖掘基塘生态智慧,在云梦泽地区圩田科学设计小微湿地群模式,即基塘系统。基塘系统的“基”是指分隔基塘的土埂,“塘”是指池塘。基塘是自然湿地系统中常见的结构,指面积在1m2—2hm2/5hm2之间,且一年之中至少存在4个月的淡水水体[8-9],在全球范围内,基塘覆盖的总面积比湖泊还大[10]。我国古代历史上就有“桑基鱼塘”、“陂塘”与“双千田”的传统农耕文化理念,其中蕴含着深刻的基塘生态智慧。2004年,欧洲许多国家联合成立欧洲基塘保护网络会议(Conference of the European Pond Conservation Network),并在日内瓦成功召开第一次EPCN会议,其主题就是“保护和监测池塘生物多样性”[11-12]。

受国内外基塘理念的启发,本课题组综合考虑三峡库区消落带水位变动及景观特征,在澎溪河进行了消落带基塘工程试验,取得了显著的经济效益、环境效益与景观效益[13-15]。本研究将这些理念进一步应用于云梦泽圩田系统的生态修复,提出了圩田基塘系统。圩田基塘系统位于圩田恢复区中部,海拔19.9—21.0m,该系统所在的湖体水位低于湖岸基准面1.0m,水深2.0m,共5块圩田,圩田之间的水道宽6m(图2)。圩田从边缘到中心分为高、中、低圩田,外部边缘呈圆弧状,每块圩田由一系列相互串连的基塘组成,共357个大小各异、深浅不一的基塘。圩田圩堤的顶部设计宽度1.0m,内部田埂设计宽度0.6—0.8m。圩田圩堤高出湖水水面80cm,圩田地下水位高,旱季湖体水面与圩田水位相平或稍低,雨季则高于圩田(图4)。圩田中基塘的平均面积177m2,平均设计直径为7.5m,设计水深0.4—1.0m,总体上大基塘水深,小基塘水浅。圩田基塘系统内的湿地植物以自然生长和人工配置乡土植物为主,主要配置水稻(Oryzasativa)、香蒲等,植物布局或疏或密、或高或低、或呈团块状,或呈片状;塘基之上是自然生长的钻叶紫菀、双穗雀稗、稗等植物。

图4 圩田高度与水位关系图Fig.4 Relation of polder height and water level

2.2.2水陆界面生态调控模式

水陆界面是介于陆地与水体之间的过渡地带,是雨洪进入受纳水体的缓冲带,缓冲带中的土壤、微生物、植物根系可以吸收、截留水体中的大量营养物质,降解雨水径流中携带的污染物[16]。水陆界面缓冲带设计的好坏直接影响它对地表径流污染物的防治效果,因此,构建水陆界面缓冲带已经成为一种常用的生态调控模式。圩田恢复区湖岸平均边坡系数为1：8,海拔19.2—22.0m之间平均坡面宽度约为0.8m。圩田湖体的混凝土硬质驳岸主要分布在西岸,湖体的北岸、南岸和东岸为自然土质的生态驳岸。硬质化的驳岸设计是为了满足游人游憩亲水的需求,而水陆界面生态调控模式主要是针对自然土质的生态驳岸进行设计的。

第一,本研究对圩田湖体生态缓冲带进行如下植物配置：沿岸带以乔灌木为主,比如,落羽杉(Taxodiumdistichum)和池杉(Taxodiumascendens),这些植物为湿地动物提供了栖息和避难场所,在设计中要注意植物群落与周边环境的融合;水深约为0.2m左右的区域,土壤润湿,水分适中,配置芦苇、水葱、千屈菜(Lythrumsalicaria)等湿生植物;水深0.2—0.5m的区域,则配置浮叶植物和漂浮植物,从而形成显明的景观层次,比如丛植睡莲(Nymphaeatetragona)、泽泻和水芹(Oenanthejavanica)等;水深在0.5m以上的区域,为提供丰富的植物生境,满足深水生境植物生长的需要,可以丛植多样的水生植物类型,如金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、菹草(Potamogetoncrispus)等沉水植物,睡莲、芡实(Euryaleferox)等浮叶植物,莲、香蒲等挺水植物。此外,利用湿地植物营造的生境类型,可以增加植物景观层次,美化湿地景观。

第二,本研究对圩田湖体水陆界面生态调控模式的设计考虑到动物栖息和捕食的需求,结合水底形态的设计,形成浅水区和深水区,并在水底放置石块群来改变水深和水流速度,从而增加栖息地多样性为底栖动物如鱼类等提供生存空间;在浅水放置木质物残体,如枯树枝、倒木等,形成复杂的水下生态空间,为鱼类产卵、庇护及幼鱼哺育提供良好场所;考虑到水禽的取食和活动,通过延缓岸带坡度营造一定的漫滩区域,并在浅水区大量种植芦苇,圩田湖面与茂密的芦苇,构成开阔、幽深、狭长、曲折的多种形态的生境类型,为湿地水禽营造栖息空间。

2.2.3柔性设计模式

从柔性设计理念到应用再到柔性管理模式,体现了柔性概念在湿地恢复中的应用过程,本研究中的云梦泽圩田恢复过程中,柔性设计模式主要表现在以下几个方面：

第一,驳岸的柔性化设计。在确保安全性的前提下,驳岸设计充分体现其生态性,对圩田湖体和圩田边岸的岸线进行柔化处理,以自然土质或具有多腔穴空间的干砌块石护岸,通过抛置圆石、卵石,营造鱼类栖息繁衍的生境,并丛植大量水生植物,比如菖蒲、芦苇等植物,利用植物发达的根系实现固岸护坡,增强驳岸对水体的抗冲刷能力(图5)。另外,驳岸设计过程中注重增加了透水性和透气性,透水性、透气性水陆界面,不仅可以增强岸坡与水体之间的物质、能量交换,而且也保障了水陆界面湿地的生物过程等,体现了柔性设计的理念。

图5 生态驳岸的柔性设计模式Fig.5 Flexible design model of ecological revetment

第二,柔性材料与柔性景观的构建。水陆界面缓冲带设计中增加透水铺装,提高渗滤效率,设计断续多孔的生态挡水墙、自然化的支渠和毛渠、生态基塘、植物篱等柔性景观,提高水网和植草沟渠密度,提升圩田系统的雨洪控制能力,同时为动物、植物、微生物的生长、生存创造良好的生态环境。另外,本研究中柔性景观的构建注重选用透水、透气的柔性材料代替高耗能、高污染的钢筋、水泥等传统硬性材料,主要包括自然土质、植物、木材、毛石、卵石、石笼、生态袋、麻椰毯等自然材料。对于坡度较小、岸坡较稳定的滨岸区域,采用单纯植物措施防护。适度扩大开阔水面,在圩田湖体洪水位和常水位之间的湖滨带依次种植湿生植物、挺水植物、浮叶植物、沉水植物,形成良好的水下生态空间,为鱼类提供栖息及觅食生境,也为产粘性卵的鱼类提供产卵附着基质。

2.2.4“河流-湿地”复合体模式

云梦泽地区地势平坦,河网密布,孝南区境内有府河、沦河、澴河、界河4条干流和近40条支流,交汇于孝南区南部,经府河至谌家矶汇入长江。圩田恢复区濒临府河、沦河,其中,府河是境内最大的河流,河床平均宽度达800m,过洪量8000m3/s,沦河位于府河南侧,是孝感城区生活及工业用水的重要水源之一。府河在枯水期水质符合IV类标准,丰水期水质符合Ⅲ类标准,主要超标指数为氨氮、总磷、高锰酸盐指数,影响府河水质的主要原因是周边工业污水的影响;沦河在枯水期水质符合Ⅲ类标准,丰水期水质符合Ⅱ类标准。目前,国内外有关“河流-湿地”复合系统的生态实践案例较少,主要的做法是通过天然的沼泽、湖泊、河道改造建成人工湿地,用于湖泊、河流水体的修复[17-18],因此,我们基于府河、沦河流域的地形地貌与水质特征,兼顾水生态修复规划,设计的“河流-湿地”复合体模式主要包括：

第一,充分利用地形起伏与水文环境,合理布局水闸、泵站、渠道等,对河流、湖泊、圩田基塘各地貌单元进行水系连通,形成一个集引、蓄、灌、排功能于一体连贯完整的水生态系统(图6)。雨季时,基塘内多余的雨水会被水泵送到位于高地势的沟渠排走,最终排放到外部湖体;旱季时,可以从外部湖体引入湖水,补充水量以防止基塘水位下降。水系连通使河流、湖泊、圩田基塘之间物质流、能量流和信息流的交换成为可能,从而提高了整个水生态系统的承载力。

第二,构建自然、生态、多变的一体化景观网络系统。打破单一线性结构,利用点、线、面相结合的方式,形成自然、生态、多变的一体化景观网络系统,包括：溪流、河流、湖面、生态基塘、沟渠、水车等湿地景观。景观网络系统将水系统与圩田基塘绿地景观作为重要且能够独立运行的单元统筹规划设计,圩田内的各个基塘之间相互连通,并与沟渠系统(由青瓦层铺设的沟渠)交织在一起,形成圩田内部的径流-储水-渗滤网络系统(图7)。该系统将每块圩田作为独立的水系统,以控制地下水和地表水水位的稳定性。此外,在景观网络系统中,有作为临时性储存暴雨雨水的圩田湖体、基塘,也有用于季节性调节水量的沦河、府河,还有用作净化水体的圩田绿地景观[19]。

图6 “河流-湿地”复合系统示意图Fig.6 The diagram of River-Wetland complex system

图7 圩田内部的径流-储水-渗滤网络系统 Fig.7 Runoff storage water infiltration network system in polder

第三,设计末端控制多级净化治理体系。污染物进入受纳水体后,利用生态学原理,对“河流-湿地”复合系统中的上游河流、湖泊、圩田基塘和下游河流等受纳水体进行分级净化,形成末端控制四级净化治理体系(图8)。汇水通过沦河、府河上游河流,经上游河流一级自我净化之后排入圩田湖体,经圩田湖体的二级自我净化后排入圩田基塘系统进行三级净化,利用圩田基塘系统的湿地植被将水体净化,之后一部分水被再次抽入府河、沦河的下游河道,进入下流河流的四级自我净化,另一部分水则储存起来作为旱季的应急水源。

3 评价与讨论

2017年10月,我们对圩田恢复区内的生态系统进行了综合调查,并运用SSPS 20.0对植物群落类型和水文因子进行了对应分析(CA),制作了二者的二维排序图。CA排序图中箭头表示水文因子,以植被群落类型在水文因子箭线及延长线上的投影点距水文因子箭头的距离判断两者的相关性大小,植被群落类型投影点与水文因子箭头的距离越近,说明植被群落类型与水文因子的相关性越大。在对圩田恢复区进行综合调查与分析的基础之上,我们对圩田系统的生态模式进行了评价。

图8 “河流-湿地”复合系统末端控制多级净化治理体系Fig.8 Terminal control and multistage water purification system for River-Wetland complex system

图9 圩田3和圩田4植被群落类型与水文因子的CA排序图 Fig.9 CA biplots between vegetation community types and hydrological factors in polder 3 and 4 Com.EC:稗群落(Com. Echinochloa crusgalli);Com.PP:双穗雀稗群落(Com. Paspalum paspaloides);Com.AS:钻叶紫菀群落(Com. Aster subulatus);Com.CC:小蓬草群落(Com. Conyza canadensis);Com.AI:合萌群落(Com. Aeschynomene indica);Com.OS:稻群落(Com. Oryza sativa);Com.TO-PP:香蒲+双穗雀稗群落(Com. Typha orientalis-Paspalum paspaloides); A:浅水;B:湿润;C:干旱

在小微湿地群的生态模式中,从植物种类来看,圩田1的种类最多,有24种,圩田3的植物种类最少,有17种(表1);从植被群落类型来看,圩田4最多,共6个植被群落类型(表2);从水文因子来看,圩田3和圩田4受人为干扰较小,但水文条件差异较大,二者植被群落类型与水文因子的对应分析结果表明,植被群落类型与水文因子之间存在着显著的相关关系(图9)。另外,随着时间的演替,人为配置的植物景观出现萎缩,比如香蒲群落等植物群落正在被双穗雀稗群落替代,这表明基塘植物群落的时空变化能较好的反映水文环境的变化特征与规律。因此,在小微湿地群的生态模式设计中,我们遵循了这些规律,合理地选择与配置了植物,从而使圩田生态系统能恢复到长期自我维持的、稳定的状态。“缮完堤防,疏凿畎浍”,圩田基塘系统是古代劳动人民治水治田的伟大创举,体现了人民尊重自然、顺应自然、融入自然的理念以及与自然和谐共处的生态智慧[20]。基塘系统理念在五代时期就应用于圩田系统,五代时期的吴越发明“塘浦制”,五里七里一纵浦,七里十里一横塘,横塘纵浦之间筑堤作圩,使田成于圩内,水行于圩外,形成塘浦圩田系统[21]。目前,越来越多的研究证明,相同区域内基塘密布的圩田湿地比同等面积的整片湖泊能够发挥更大的作用[22-26]。与整片湖泊相比,圩田湿地的生境异质性强,而生境异质性与物种多样性呈正相关[27-28],物种多样性促进了生态系统多功能的实现[29-30]。通过生境异质性,更稳定的种群可以为不那么强壮的种群提供救援[31]。Kindvall[32]研究发现,微尺度生境异质性降低了种群的时间变异性和灭绝风险。因此,在小微湿地群模式中,基塘作为一种小型淡水水体,在维持生物多样性和珍稀物种、蓄洪防旱、降解污染、控制土壤侵蚀以及参与生物地球化学循环等方面发挥着非常重要的作用,是圩田生态系统中不容忽视的重要组成[10, 33-38]。

表1 圩田基塘系统植物的科、属、种组成

表2 圩田基塘系统植物群落结构特征

在水陆界面生态调控模式中,植物配置主要考虑驳岸高程与水位变动对植物生长的影响,因此,本研究选用了具有较强抗逆抗寒能力以及根茎发达的植物[39]。Muscutt等[40]研究发现,与狭窄的单一草本缓冲带相比,乔木、草本混生的宽阔水陆界面缓冲带有更强的污染物降解能力。因此,本研究中生态驳岸的设计、以及乔灌草形成的复杂结构,能够通过渗滤、拦截与蒸腾等作用有效地阻止雨洪直接进入水体,从而起到对雨洪的控制作用。另外,本研究水陆界面缓冲带的地形与植物景观异质性,可以为动物提供更多样的微环境。Benton等[41]研究发现,在景观尺度上,保护或增加被物种使用的生境异质性,将会促进种群稳定性的潜力。这表明,生境异质性提供的微环境与小气候,可以缓冲物种对各种极端气候变化的影响[42-43],并产生更稳定的种群动态。

在柔性设计模式中,驳岸的设计、材料的选取,以及景观的构建,均充分体现了圩田系统的生态性。大自然构造的图形,例如,岸线、植物、自然土、毛石等,在经典的欧几里得几何学中无解,是因为他们符合分形几何学,它们是粗糙的、支离破碎的,其特点是它们的长度呈现无标度无穷大[44]。本研究的柔性设计模式就是基于分形几何学与系统动力学原理,以自然为师,模仿自然之道,利用具有分形几何特征的柔性材料,设计一系列不规则的、支离破碎的并具有自相似性的多层次复杂分形景观,目的是使具有复杂网络结构的圩田系统呈现无标度性的幂律分形序(即混沌状态)[45],而处于混沌状态的圩田系统会通过渗透过程达到临界状态[46]。此时,圩田系统会自发演化并维持这种临界状态,从而使得圩田系统更有韧性、自适应性与自组织性,进而更快的演化成一个生物孵化器[46],为湿地动植物提供更加优质的栖息空间。

在“河流-湿地”复合体模式中,圩田恢复区设计的浅水区、深水区、生态基塘、湖泊、河流、沟渠、疏林、岛屿、圩田、湿地植物等一系列生态元素,将水体与绿地景观实现系统整合,形成了一个可以应对多种环境变化的复杂动态系统。水流在连通水系内河流、湖泊、圩田基塘等各地貌单元的过程中发挥了重要作用,通过对雨季和旱季的基塘水位调控,可以形成与气候相适应的可持续和高弹性的雨水管理系统,从而实现对清洁雨水的季节性储存,并在极端降水条件下实现雨洪调蓄。Maestri等[47]研究认为植被、塘、渗透系统、湿地系统及其组合是减少和控制雨水径流污染物进入受纳水体较为有效的方法。另外,更重要的是,本研究中的多级净化体系采用了一个更容易操控与管理的基塘工程端口,与河流、湖泊相比,基塘的规模尺度小,其形态与大小很容易修整与转化,养护成本低,养护和管理较容易。由于基塘生态系统在小尺度上表现出“瞬变态特征”[48],短期内就能形成基塘生态系统的人为操作响应效果[12],因此,人们可以通过这个端口对基塘实施植物配置、底泥疏浚和人工增氧等措施,进一步提高圩田系统的水体净化能力。

4 结论

云梦泽圩田的生态模式设计,是对圩田系统空间格局的复合化设计与利用,充分挖掘了蕴含圩田之中的生态智慧。小微湿地群模式、水陆界面生态调控模式、柔性设计模式和“河流-湿地”复合体模式四种生态模式充分结合了江汉平原云梦泽地区的地形地貌及水文特征,增加了圩田系统空间尺度和景观尺度上的生境异质性,形成了合理的物质、能量和信息的相互转化与循环,有助于云梦泽地区蓄洪防旱、水质净化、景观优化、以及生物生境等综合生态服务功能的实现,可以为长江中下游地区圩田的景观保护与生态模式设计提供工程示范与参考。

圩田是云梦泽地区自然与文化特质的体现,是自然、经济与文化协同进化的反映,它赋予了个人与地方以身份感和认同感。作为景观设计工作者,在设计过程中应注意系统统筹、从多角度去思考,尊重自然、尊重历史,并以生态学原理为指导进行设计,充分挖掘蕴含圩田之中的生态智慧,提高圩田生态系统的生命力,促进云梦泽地区圩田景观文化传承与生态环境的协同共生。