浅谈基于生态系统保护的农业水管理策略

2020-01-03

四川水利 2020年3期

(四川省水利干部学校，成都，610500)

农业生态系统作为典型的经济-自然-社会复合型生态系统，是地球上最重要的生态系统之一，具有多样性、开放型、脆弱性等特点[1]。以往，人们总强调农业生态系统的产品提供这一项服务功能，而忽略了它的其它重要服务功能，如水资源调节、气候调节等。农业生态系统服务功能的单一化引发生态系统的结构失衡，众多负面效应已经凸显，比如物种多样性下降，土壤质量变差，水生态平衡受到破坏……如今，维持农业生态系统服务完整功能的诉求，受到了相关部门的高度重视，人们已经逐渐意识到了农业生产功能和生态平衡保护双向发展的重要性。基于生态系统保护下的新型农业水管理模式，在改善农业水土管理活动、提高用水效率、改善水质等方面也取得了一系列成果。

1 农田控制排水

在固有观念中，农田排水设施建设的主要目的是为了迅速排除多余水分、防涝、增加农作物产量。在进行排水系统的设计建设时，一般没有考虑农田排水对环境的负面影响。沟深断面大的传统设计极易导致过量排水，化肥、农药等化学污染物的输出随之大幅度增加，对下游的水环境造成不利影响。美国San Joaquin Valley农耕田排水导致Kesterson水库硒污染[2]以及密西西比河两岸农田排水氮素流失导致墨西哥湾出现低氧区[3]等事件都是典型案例。

农田控制排水技术核心思想就是尽量减少排水，从而降低排水带来的水环境污染。此技术是在原排水出口处加建控水装置，保留系统原功能，根据季节或者排水需求，调整排水输出，这样既可保持作物适宜的水分条件，同时还能减少污染物排放。

干旱、半干旱灌区在灌溉过程中，地下水位会同步抬升，可根据此特点，适当调高排水出口，保持水位高度，节约灌溉用水。水旱轮作地区，排水要求在不同时期具有很大的差异。农田控制排水技术的使用，可以根据不同植物的生理特征，有针对性地制定排水方案，满足不同作物的需求。此技术应用于稻田时，须注意水位的控制高度，不能低于营养生长和生殖生长期对渗漏压的最低要求，否则污染物积累会影响水稻的正常生长。在存在盐碱化问题的地区应用此技术，如何确定地下水的合理埋深是一个必须解决的问题。当地水文条件，气象特点，土壤特性和农作物的生长特点等多个因素都要考虑在其中，实施起来具有一定难度。

控制排水是一种非常好的资源节约型、环境友好型的农业水资源管理措施。但因为对排水污染问题不够重视以及水位调控方法与设备操作不够简便，导致这项技术在中国的推广相对滞后。我国学者在探讨适合中国条件的控制排水措施研究方面也还相对比较薄弱。加大对适合国情、简便易行的排水控制调控方案的研究力度，让其更具有可操作性值得深入探讨。

2 灌溉-排水-湿地综合管理系统应用

研究发现，农业面源对中国东部湖泊氮、磷负荷的贡献率超过60%[4]，近50%的地下水被农业氮、磷污染[5]。这类污染浓度低，影响面积大，污染物积累时间长，处理起来有一定难度，对水生态平衡的危害大。水生生态系统的紊乱导致出现一系列水环境问题，滇池水体的严重富营养化，太湖水体爆发的大面积蓝藻污染都是我国出现的典型案例。

灌溉-排水-湿地综合管理系统是基于控制排水，将农田、人工湿地和蓄水设施相结合，并通过一定的灌溉排水设施将三者联结为一个有机的整体[6]。该系统的工作原理是田间沟、管收集农田排水输送至湿地，然后利用湿地中的土壤吸附、植物吸收、生物降解等作用来降低农田排水中氮、磷化合物的含量，经过湿地净化后的水再输送到塘堰存储，农田需要灌溉时，再由灌溉设施供水到田间[7]。

该系统理念和方法与我国灌区的实际情况结合使用，可行并且有效。灌溉排水方式的设计上，选择符合国情的明沟灌排作为主体；选址上，优先利用荒废的耕地和现有的塘堰等；植物种类的选择上，可保留原湿地的优势种类和引种适宜当地环境的植物。我国常见的芦苇、菖蒲等根系发达、茎粗叶茂、易栽培的物种都是非常好的选择，还可从增加湿地生态系统文化服务功能入手，选取荷花、睡莲等，增加其观赏性。现有灌排设施(如塘堰)的改造相对困难一些，需将原塘堰蓄水灌溉的基本功能转化为人工湿地的水质净化基本功能，并需要将进出水结构和形状进行改造。

董斌等在青狮潭灌区的田间试验数据表明，人工湿地能较好地净化稻田排水，使早稻、晚稻排水中TN、TP的含量分别减少34.1%、27.7%和78.3%、40.0%[6]。漳河灌区田间试验数据表明，在整个水稻生育期中，稻田排水经过塘堰后相关指标TN、TP的含量均有减少，说明塘堰可处理农田排水，对农田排水有净化功能，TN、TP去除率分别为50.9%和2.3%[6]。

由以上研究可以得出，灌溉-排水-湿地综合管理系统能结合我国现有的灌排设施，较为明显地去除农田排水中的总氮总磷，有效减少氮、磷对水体造成的污染，修复水环境，是适用于我国水稻灌区的排水处理模式。

3 灌区排水资源化再利用

目前，中国农田有效灌溉面积达0.6亿hm2，在占耕地面积一半的有效灌溉面积上，生产了占全国75%的粮食和90%以上的经济作物[8]。农业水资源时空的分布不均，导致灌区水资源短缺，灌溉水源不足。排水污染对灌区水环境的威胁，对水生态的破坏也表现的非常明显。

灌区排水重复利用，可缓解水资源短缺和灌溉水源不足的矛盾；灌区排水中氮、磷等养分也可被作物重新吸收，提高农田水肥利用效率的同时还能减轻对水环境的负面影响，达到保护水环境的目的。

灌区排水资源安全、持续的再利用，需要合理有效的技术措施给予保障，常见的灌区排水再利用管理措施主要包括灌水方法、灌溉方式、灌溉制度。

灌区排水中的微咸水和咸水，国内外的研究表明，同淡水一样，适用于地面灌溉、地下灌溉、喷微灌和滴灌等各种灌水方法，同地面灌溉相比，微咸水和咸水更适用于采用地下灌溉和滴灌[9]。其中滴灌方法经具体实施证实，效果更佳，具体表现为：滴头周围土壤环境相对湿润对根系生长友好，滴头的淋洗作用使土壤盐分的分布有益于农作物利用，同时也避免了叶面烧死。

灌区排水再利用常用的灌溉方式有轮灌和混灌。轮灌利用排水和渠水按照一定的制度交替灌溉，利用作物轮作实现或者同一作物在不同生长期对盐分敏感度不同实现。在内蒙河套灌区开展的不同微咸水利用方案的数值模拟，提出盐渍化土壤条件下对区域土壤环境影响较小的生育期咸淡水轮灌优化方案[10]。薛峰等[11]建议采用混灌、轮灌和施改良剂等措施改良灌溉水质；马云瑞等[12]建立了利用农田排水再灌溉的适宜灌溉方式和灌溉制度。不同灌溉方式的使用，应注意制定严格的灌溉制度，控制灌溉水的成分控制，灌溉后的土壤成分检测，作物不同的特性和不同生育阶段的需求，最大程度发挥咸淡水的作用。

我国目前还在大量使用传统的地面灌溉方式，农田灌溉水利用较低，灌区排水作为未充分利用的水资源，具有巨大的挖掘潜力。

4 农业非点源污染控制

据2010年国家三部委联合发布的《第一次全国污染源普查公报》，我国农业污染源年排放化学需氧量1324.09万t，总氮270.46万t，总磷28.47万t，分别占全国污染物总排放量的43.7%、57.2%、64.9%，农业源已成为主要污染源。如今，点源污染的控制水平已经达到了一定的高度，非点源污染对水体环境的影响更为明显，它的控制和管理技术决定了农业发展是否环境友好、是否资源节约。科学性和可行性的农业非点源污染控制措施研究也成为热点。

4.1 最佳管理实践

最佳管理实践是非点源污染控制措施中影响最大的控制措施，包括管理措施(养分管理、耕作管理和景观管理)和工程措施(湿地、植被缓冲区、水陆交错带等)。它是由美国环保局在上个世纪70年代提出。我国研究者将此措施引进，并加以改进应用，并取得一定成效。冯永忠等在最佳管理措施基本原理的基础上，构建宁夏黄河灌区农业非点源污染防控方案，为宁夏黄河灌区农业非点源污染防治提供理论依据[13]。

4.2 控制阶段划分

杨林章、薛利红等总结提炼了农村面源污染治理的“4R”理论，即源头减量(Reduce)、过程阻断(Retain)、养分再利用(Reuse)和生态修复(Restore)[14]。“4R”理论从源头上来控制污染物，这是控制污染的关键一步，可明显降低污染控制成本；在污染物的传播过程中给予阻断，减少污染影响范围；利用作物对养分的再利用减少入水体的污染物含量，同时对水体进行生态修复，从而达到水环境保护的目的。此控制技术体系从时间和空间两方面全面对污染物进行控制，效果更持久。