农田沟渠研究进展

摘要：农田排水沟渠作为农田景观中的“廊道”[1]同样具有物质传输通道、过滤或阻隔、物质能量的源或汇、生物栖息地等方面的生态功能[1]。作为农田基础水利设施重要组成部分，对农业生产和水生态安全都产生了显著影响。本文通过从去除农业面源污染、植物和非植物措施、动物保育等方面进行梳理分析，提出从生态环境角度对农田沟渠进行研究的重要性。以期为农田沟渠以后的发展提供参考依据。

关键词：农田沟渠；护砌结构；动物保育

农田沟渠主要用于收集地表水和地下水，以排干多余的水和/或防止土壤侵蚀，还可以控制污染和保护生物多样性[2]。农田沟渠是一种人工水道，其目的是排水和灌溉，但是它不仅具有排水的作用，还担负着净化水质及维持农田生物多样性的任务[3]。

农田排水沟渠作为农田景观中的“廊道”同样具有物质传输通道、过滤或阻隔、物质能量的源或汇、生物栖息地等方面的生态功能[1]。根据生态系统服务的基本分类（《千年生态系统评估》，2005年），沟渠可被视为调节生态系统服务的提供者。

1 研究进展

1.1 国外研究进展

国外学者的研究指出，针对排水沟的研究多集中在美国、荷兰、英国和德国，包括农业排水沟的生态、养分、农药、沉积研究等方面[4]。同时，国外学者对农田沟渠生物多样性的研究指出，农田生态系统中沟渠的生物多样性，包括沟渠中的植物、动物和微生物等[5]。学者Costanza等指出，在农业生态系统中，排水/灌溉沟渠系统为生物提供了一个重要的残留栖息

地[6]，以支持在其他不发达的排水/灌溉沟渠系统中的生物多样性[7]。

Lehr等学者在研究农业水道的排水维护中指出，它们是水、营养物质、鱼类、野生动物、传粉者甚至植物在景观中移动的路径[4]。作为道路、连接和残留栖息地，农业水道及其河岸带为人类提供了从自然到景观等广泛的利益；也称为“生态系统服务”，没有这些服务，人类的健康福祉和经济都将受到影响。参见表1。

排水对水生生态系统的影响包括直接影响和间接影响。直接的影响包括由于河流渠道化和湿地变成农田而造成的生境丧失。间接影响包括农业径流中的沉积物、磷、氮和其他污染物对水质和生境的影响，以及以径流量和时间改变的形式出现的水文变化。

为了减轻农田生态系统功能的压力，不同地方采取不一样的措施。在日本，使用低农药和化肥的地方规模水稻生产。在密西西比河流域，两级沟渠的排水管理方法越来越受欢迎，因为它提供了一种更可持续的排水维护方法，同时，可能减少养分和沉积物的输出。在瑞典，通过建造两级或浅坡沟渠进行沟渠补救，不仅减少营养物输出和水文形态压力的解决方案，同时还能保持良好的排水系统。

近年来的研究还表明，在农业景观中恢复生态系统服务功能的关键，除发展有机农业、实施间套作等传统措施外，一方面，还需要完善农田景观结构，促进生境异质性；另一方面，则需要营造农田有益昆虫所适应的生境和植被结构，完善植物多样性，为农田生物提供所需要的生态资源。因此，学者们提出了乡土野花组合、昆虫野化带等措施。

1.2 国内研究进展

现阶段，国内针对农田沟渠生物多样性的研究较少，只有少数学者在阐述农田沟渠的环境效应与生态功能的时候，提出排水沟渠作为农田生态系统边缘的交错带，为植物和动物的生长提供了环境的支持，对农田生态系统中生物的多样性有着重要的作用，但并未有深入的研究。

现有的研究关于农田沟渠的研究主要包括：沟渠的护砌结构类型、沟渠去除农业面源污染等功能、动物保育、有植物的沟渠水力学特性研究等。沟渠的设计技术和功能性是今后农地整理亟须解决的重要技术问题。

1.3 发展趋势

国内外对农田沟渠的研究大多数是从农田沟渠功能出发，与此同时，国外有越来越多的学者关注生物多样性，对农田沟渠的研究方法与角度由功能需求转变为生物多样性需求。近年来，国内相关的研究也逐渐开始展开。

2 研究内容

2.1 去除农业面源污染

农业排水是我国流域水污染和农业非点源污染中占最大的污染源。农业排水中氮、磷超标会引起水体富营养化、面源污染等一系列水环境问题。排水沟的生态功能对减少污染具有重要意义。

利用毛沟梯级平底湿地构建技术构建的带状湿地，在农田排水不同时期的运行工况主要有：农田排水总体由农田排水口流至毛沟平底湿地净化系统，农田排水逐级流过毛沟平底湿地净化之后，再流到下一级的排水农沟内。在农田排水期，当毛沟排水量较小时，石笼下部的不透水区将阻止水体快速下泄，为湿地植物提供生长水体，维持“湿地植物”在枯水期的生态系统需水要求；当农田正常排水时，石笼上部的透水区起到透水、排水作用，由于透水区石头间空隙间隔较大、适合微生物膜生长，这些微生物能够净化通过孔隙的水体，降解污染物质。当农田排水沟排泄水量较大时，如暴雨期，农田排水则从石笼上部溢流而过，不会影响毛沟排泄雨洪涝水。毛沟带状湿地净化系统内的水生植物可选择水稻、水芹菜等农作物，因为农田排水沟数量多，总体占地面积较大，利用毛沟内的湿地净化系统中的水生植物，能够在净化农田排水的同时增加经济收入。在农田排水间歇期，毛沟梯级平底带状湿地能够截留部分农田排水，进一步深度净化截留下来的水体，同时能够维持湿地系统的生态系统健康，保证净化效果，减少湿地维护

工作。农田沟渠内的水体一般情况下流动性较差。由于混凝土本身具有一定的碱性，大量的混凝土长期浸泡在水体内，使得水的碱性增强，尤其是在夏季高温天气，不利于农业灌溉和水生动植物的生存。同时，混凝土施工中使用的各种添加剂，也会影响水质和水环境。

2.2 植物和非植物措施

植物对养分的吸收是净化的主要途径，植物根系的巨大表面积和强大的微生物都是污染物去除的主要贡献者，农田沟渠除了对沟底、沟壁进行植物配置以外，还可以采取非植物配置的方法以发挥其生态功能。在上面自然固着一些特定藻类，逐渐形成固着藻膜，即固着藻反应器，不另外人工接种其他生物，结果表明该生态沟渠能有效改善沟渠水质，有效治理富营养化水体。

除了植物措施以及非植物措施外，还有工程控制排水措施、生态拦截建筑物、WRSIS系统、生态沟渠和生物措施等污染控制措施。有学者通过控制灌排模式，使2次典型降雨过程的排水量分别减少了47.5%和31.3%，峰值排水量分别减少了38.9%和14.4%。

2.3 沟渠的动物保育

在衬砌渠道中设置类似于自然沟渠的生态带，也可以形成良好的生物通道。例如，在满足渠道正常输水和节水条件的同时，通过渠底正中设置一道纵向生态带，并在渠底及边坡设置多道横向生态带形成连通的生态网格，利于两栖动物迁移和水生动物栖息繁衍，还具有一定的净化水质及调节水温等功能。

适当设置生态走廊，便于动物穿越沟渠；或者可沿沟渠纵向设计适宜坡度和高度的生态护坡和生态阶梯；在渠壁预留生态栖息孔洞、在渠底两侧设置凹槽等为动物提供栖息空间。参见图1。

3 结论

本文通过文献研究法，梳理关于农田沟渠的护砌结构型式、去除农业面源污染、动物保育等研究。得到以下结论：农田排水沟渠通过其排水和存水功能调节农田水分含量改变流域的水文情势。同时，农田沟渠的生态学作用，越来越被重视，生态沟渠具有独特的水体、底泥、动植物、微生物系统，除了在去除农田径流污染物方面发挥重要作用以外，还具有良好的生态效应，包括生物栖息地功能以及提高农田生态系统多样性。

参考文献

[1] 邬建国.生态学范式变迁综论[J].生态学报，1996（5）：449-459.

[2] Herzon I，Helenius J.Agricultural drainage ditches，their biological importance and functioning[J].Biological Conservation，2008，141（5）：1171-1183.

[3] 郗敏，吕宪国，刘红玉.人工沟渠的生态环境效应研究综述[J].生态学杂志，2005（12）：1471-1476.

[4] Lehr，Jay H.Keeley，Jack Lehr，etal.Water Encyclopedia

[M].Ist ed.New york：John wiley & sons 2nc，2004：87-92.

[5] Coulson J C，Butterfield J E L，Henderson E.The Effect of Open Drainage Ditches on the Plant and Invertebrate

Communities of Moorland and on the Decomposition of

Peat[J].Journal of Applied Ecology，1990，27（2）：

549-561.

[6] Costanza R，Mageau M.What is a healthy ecosystem？[J].Aquatic Ecology，1999，33：105-115.

[7] Rideout N K，Lapen D R，Peters D L，etal.Ditch the low flow：Agricultural impacts on flow regimes and consequences for aquatic ecosystem functions[J].Ecohydrology，2022，15（5）：e2364.