净水梯田生态环境效应研究进展

金晶 张饮江

[摘 要] 水资源短缺、水体环境污染和城乡雨洪灾害三大水资源问题肆虐交替，水资源问题的频繁出现严重阻碍了坡地植被的自然更新与人工修复。为提升水体净化能力、提高坡地植被成活率和覆盖度，国内外许多地区实施了坡改梯工程，以遏制坡地进一步退化、缓解水资源问题，构建海绵城市。本文对净水梯田的水体生态修复展开研究，剖析净水梯田工程对土壤属性及其质量、生境构建、地表水文、植被恢复、水质净化及景观生态系统等的影响效应，推动净水梯田技术相关研究的深入发展，为水体生态工程的实施提供依据。

[关键词] 净水梯田;生境;生物多样性;水文效应;景观生态系统

[中图分类号] S157.3 [文献标识码] A [文章编号] 1674-7909（2020）13-114-4

在全球气候变化、人类活动范围扩大及对环境影响力加剧的大背景下，水资源短缺、水体环境污染和城乡雨洪灾害三大水资源问题交替出现，导致地表生境不断恶化，阻碍了坡地植被的自然更新与人工修复[1]，减缓生态文明建设进程，制约城鄉发展。科学系统地探究坡地改造技术，以缓解水资源问题，遏制坡地退化，构建海绵城市，维持生态系统平衡，维持人类生存环境的各种功能与效用，已然成为一个重大且紧迫的科学命题。在坡地人工修复过程中，为有效提升水体净化能力、提高坡地植被成活率和覆盖度，常采用坡地上沿山体等高线开垦建造一种波浪式断面的田地，即梯田，已被广泛应用于许多国家[2]，如北非、中美洲及亚洲等地区的一些国家。农耕文明发达、山地众多的我国，也是最早开发梯田的国家之一，修筑历史悠久，梯田景观资源丰富[3]。

梯田的生态效应研究及对其保护与管理的研究从20世纪后期便开始，且取得了一定进展[4]。但因更为系统深入的实验设计缺乏、关键过程和作用机理不明等，导致无法研判梯田的长期生态环境效果[1]。而梯田的应用却越来越广泛，不断被应用于水体生态修复工程中。因此，如何充分运用生态工程学的物种多样性原理、物质循环再生原理、协调与平衡原理等对净水梯田进行设计、修建与管理逐渐成为净水梯田生态修复技术研究的重要方向之一，深入探讨净水梯田对生态环境的影响效应，有助于深入探究其作用机理，更有助于促进人类与环境和谐发展。

本文剖析了当前净水梯田工程对土壤属性及其质量、生境构建、地表水文、植被恢复、水质净化及景观生态系统等影响效应的研究进展，以期能引起更多学者的关注与思考，推动净水梯田相关研究的深入发展，为我国水体生态修复工程的实施提供理论依据，以全面有效提高生态环境质量，加速推进可持续发展的生态文明建设进程。

1 净水梯田功能

《大百科全书·水利卷》将梯田描述为：“在丘陵山区坡地上，沿等高线修筑的等高带状台阶式田块。”《大百科全书·农业工程卷》则描述为：“在坡地上沿等高线修筑的阶台式或波浪式断面农田。”梯田是传统农耕文明的自然智慧，沿等高线合理修筑与管理形成的阶台式断面，具有减缓坡度、截短径流长度、减小径流冲刷动力等效果[3]。根据台阶形式，梯田分为水平梯田、坡式梯田、隔坡梯田、反坡梯田等，具有改变地表径流系数、减少水土流失、保持土壤养分等作用，从而创造有利的水生态环境，降低洪涝等自然灾害的发生风险，提高生态系统的碳汇功能。净水梯田以净水为目的，通过改变地形，污水经过土壤、植物、微生物等的过滤截留，净化效果良好。

此外，净水梯田作为一个开放的生态系统，遵循生态平衡原理，可以充分利用土地资源，改变作物的生长条件，提高作物产量和土地承载力，促进农业生产可持续发展。另外，净水梯田的景观空间格局使系统内的物质流动以水的流动为主，为生物提供生境和廊道，丰富并保护生物多样性，调节微气候，形成一道独特的乡村景观，具有视觉吸引力和旅游发展潜力[1]。

2 净水梯田对土壤属性及其质量的影响研究现状

土壤是“有生命”的动态资源，是植物扎根的基础，是人类社会赖以生存与发展的重要物质保障[5]。土壤是由固、液、气三相组成的分散体系，其本身的性状及地表结皮情况影响土壤水分的入渗[6]。大量研究表明，净水梯田技术能改善土壤结构，改变地表径流系数，减少水土流失;入渗能力随土壤黏粒含量增加递减，随沙砾含量增加递减;集流梯田工程能改善土壤理化性状，是一种水土保持工程措施，其土壤含水率较水平梯田高;对红壤丘陵区不同类型梯田的径流、泥沙和土壤水分的研究，得出梯田措施能有效改善土壤水分状况，对土壤容重、土壤孔隙等具有比较显著的改善作用。

净水梯田技术还能保持土壤养分，提高生态系统碳汇功能。土壤肥力是土壤的本质属性，是保证食物产量的重要基础[5]。植物根系死亡后，能增加土壤下层的有机质含量、阳离子交换量，并促进土壤结构的形成。土地利用方式发生变化，其土壤物化性质会随之发生变化，势必对土壤入渗性能产生重要影响，不同土地利用方式可以通过植被覆盖度、土壤有机质、土壤容量及孔隙度等因素间接或直接地影响土壤入渗性能[7]。对不同年限的坡改梯进行研究，发现梯田具有较好的土壤有机碳固持能力，土壤有机碳在0～60 cm的农田土层下处于持续累积状态。

然而，坡改梯也会导致梯田边缘土壤的侵蚀加剧，梯田的存在加重了两个连续台阶之间的边缘侵蚀，土壤疏松、易于膨胀时这种现象表现得更为严重。在净水梯田实施中，不建议利用大型机械对台阶进行压实，压实平台水分入渗率低，易对边坡造成更严重的冲蚀，可采取净水梯田边缘硬化处理（见图1）。

3 净水梯田对生境廊道构建的影响研究现状

净水梯田可创造出不同的地表微高程、粗糙度、起伏度和覆盖方式，增加土壤容量，形成局地小气候，增加景观异质性，影响生物群落的结构与功能。生境连接是影响物种迁移的重要原因，生境破碎化可能会阻碍基因的流动和减少物种多样性，而维护和创建廊道有利于减少生境破碎化带来的不利影响。假设导致生态系统退化的压力只是暂时的，那么部分丧失的生境和减少的种群是可以恢复的。净水梯田通过人工灌排沟渠从河流等溪沟中引水到梯田中，并在系统中重复利用，形成田埂廊道、溪沟廊道等不同形式，这些不同廊道在空间上相互交错形成网络，其空间景观格局影响系统内的生态水文效应、水流、营养物质循环和能量流动，形成微生境。梯田的生境再造可增加土壤生物活性，改善土壤质量，为植被的恢复、生物多样性的增加创造条件，有利于生态修复。詹鹏研究发现梯田式人工湿地存在大量的微生物，并且微生物的种类与数量随水中溶解氧含量的变化呈梯度变化[5]。

良好的生境条件，是净水梯田发挥功能的有力保障。对净水梯田生境廊道的构建还需进行进一步深入研究，如植物覆盖度与土壤水分径流的相关性分析、梯田内的水深达到何种程度才最有利于维持梯田景观等。

4 净水梯田对水文效应的影响研究现状

水是任何生物体都不可缺少的重要组成成分，是生命活动的基础，而水的利用是山坡地最大的困难。水分通过土壤由地表向下渗入并在土壤中运动和存储，形成土壤水，其多少与地表产流、降雨后土壤水分再分配等情况相关[6]，净水梯田通过增加水文连通性的作用达到调控地表、地下水位的功能，降低流域内水文连通性，改变汇水面积及洪峰流量。谭宁等研究了龙脊梯田灌溉系统的功能以及水循环与水补给特征[8]。李仕华研究了梯田水文生态系统，发现坡改梯后，土地的立地条件和土壤水分的微循环状况从根本上得到改善，耕地的蓄水保土能力也大大提高[9]。高璇等研究发现，巴厘岛梯田沟渠利用其作为景观输水廊道的功能，在地表形成比自然坡面河流更多的线路和节点网络，增加了地表的水文结构连通性，也直接影响该地区的地下水位;另外，沟渠在梯田中的分布格局呈现接近与等高线平行或近似平行的角度，产生增加土壤渗透、截留坡面产流和对自然河流分流的水文效应，增加了梯田景观在坡地的保水功能，为大面积的水稻梯田分布提供了有利的水资源条件[10]。

土壤渗透性能与土壤孔隙度存在密切关系，土壤孔隙度大，径流渗入速度就会越快。研究发现，植物根系腐烂，留下许多孔道，能有效改善土壤通气性并有利于重力水下排。土壤的渗透性能，除了与梯田所处地形地貌有关，也与产汇流条件相关，有关净水梯田水文地貌的动态响应研究有待进一步深入探讨。

5 净水梯田对植被恢复的影响研究现状

净水梯田能改变自然条件下水资源的时空分布格局、迁移和循环过程，改变流域水系格局，打破水流与土壤运动的平衡，改变栖息地条件，构建新的生境环境，为植被的耕作和生产提供必要的水肥条件。植被生物生产对于水文过程的变化呈现明显的动态响应。集流梯田具有显著提高作物产量的效果，增加农民收入。在亚热带丘陵山地，合理的坡改梯措施有效改善了树高和胸径。退化滨水带利用生态袋等坡改梯后进行植物群落的构建。黄土高原坡改梯工程提高生物累积量27%～53%。秘鲁安第斯山脉修建水平梯田2～4 a相比临近坡耕地，植被种植密度增加，产量提高20%。不同地形条件下（如地形因素、坡度坡向等）的坡改梯对植物恢复影响不同，徐勇等在陕西燕沟流域种植玉米、大豆、绿豆，当坡地为15°时，作物产量分别提高6.35%、2.8%、1.79%;而当坡地为25°时，作物产量提高16.74%、5.58%、4.55%[11]。

梯田的构建，不仅增加作物产量，还能增加植物种类。单一或少数的植物群落结构不稳定，容易受外界环境的影响。净水梯田能丰富植物物种，保证水体生态系统稳定与连续。同时，不同类型植被的恢复对水文过程会产生反作用，形成的新水循环系统反过来又对净水梯田景观内的种植条件及生态环境产生影响，形成植被的物候变化。有关学者连续2 a在巴勒斯坦地区开展试验研究，发现第2年修建梯田比第1年干物质量增加975 kg/hm2。Liu等研究發现黄土高原地区修建3 a的梯田产量比坡地耕作提高27%，且在后续耕作年份，产量将提高27%～52%[12]。

然而，对植被恢复的研究主要集中于梯田作物的产量，有关净水梯田的植被群落构建模式、优化设计与量化配置研究可以作为今后净水梯田植物研究的重要方向。

6 净水梯田对水质净化的影响研究现状

净水梯田对山坡地进行整改，能最大限度地进行植物群落空间配置，有效增加生物多样性，削减污染物负荷，充分发挥植物、土壤的净水能力，如表1所示。植被作为初级生产者，通过其矿质营养代谢实现并调节生态系统的物质循环、能量流动和信息传递，其根系向周围土壤分泌碳水化合物、维生素和氨基酸等，有效增加根围微生物的种类与数量，提高其对水体中污染物的降解和无害化处理能力，影响并稳定水体理化指标。詹鹏通过构建梯田式人工湿地，能较好地去除生活污水中的氮磷元素，增加水中溶解氧，出水水质满足污水综合排放标准一级标准[5]。张饮江等在后滩湿地利用净水梯田净化雨、污混合水体[7]。包耀贤研究得出梯田中土壤的氮素特征及其影响因素。梯田改变了原有地形，更具减蚀能力，水平梯田的减蚀效益在92%～100%[2]。姚敏等研究发现哈尼梯田具有较好的涵养水源能力，且水质随海拔降低呈现“好—差—好”的垂直特征[13]。净水梯田在水质净化等方面的作用被不断认识，在上海、重庆、南宁等市得到了广泛应用，通过素土层、砾石层、防渗材料层、沙壤土层及水生植物，提高水体生态系统的稳定性和连续性，使水质得到了良好的净化。

7 净水梯田对景观生态系统的影响研究现状

景观的生态系统服务是耦合社会—生态系统的产物，不仅取决于自然过程，而且取决于社会的因素和变量，是一种动态关系。梯田是“农耕文明”的活化石，悠久的历史赋予了其丰厚的、独特的文化底蕴[3]，净水梯田构建时应努力挖掘本身具有的农耕文化、梯田水文化、民俗文化和形式各异的地域文化，通过景观要素的合理配置，使其在纵、横、深三维方向都具有丰富的景观异质性，形成有利于景区人—水—梯田生态系统的和谐。巴厘岛梯田景观体现了生计文化、宗教文化、历史遗传文化、地域乡土文化和旅游观赏文化。文化特征是梯田长期稳定发展的重要基础、生态保护的内在力量。

净水梯田具有保持水土、净化水质的重要作用，在山地环境中的存在会形成特定的人居环境和城镇体系，体现出净水梯田的生态、经济、社会功能。充分利用有利的自然资源发展梯田生态农业和旅游业，为旅游者提供原生态农产品和体验劳动乐趣的机会。李刚将海南省五指山市牙胡梯田的土地整治与梯田旅游开发结合，进行总体规划设计[14]。杨滨娟等就农业生态环境问题及成因、农业生态保护现状与存在问题等，针对性地提出崇义客家梯田农业生态保护的总体思路与途径[15]。

8 展望

我国净水梯田工程的应用较为广泛，主要用于有目的地改善立地条件和生态环境质量[1]。对于梯田的研究，主要集中在旅游开发、建设与施工、减水减沙和蓄水保土等效益方面。本文就净水梯田土壤属性及其质量、生境构建、地表水文、植被恢复、水质净化及景观生态系统效应等的研究进展进行了剖析，发现净水梯田的生态环境效应研究尚处于定性、单一层面，对梯田形态特征的深入挖掘较为缺乏。从研究方法和尺度看，垂直和水平空间上的格局和过程是净水梯田可持续研究的重点，梯田作为一种特殊的自然—社会—经济复合生态系统，其生态环境效应研究将逐渐成为国内外一个比较热门的研究，未来有关净水梯田水文地貌动态响应研究、净水机理量化探究、梯田内植被群落构建模式、植被覆盖与土壤水分径流的相关性分析、梯田内的水深达到何种程度才最有利于梯田景观的维持、净水梯田的建设与科学管理等将逐步成为我国净水梯田生态工程建设研究的重要方向。

参考文献

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