圩区的水文调蓄及营养盐拦截作用研究

摘 要：圩区是南方平原沿江滨湖地带特有的景观，且广泛分布在我国经济发达、人口稠密的长江中下游地区。本文介绍了圩区的概念及形成原因，分析了圩区的生态系统服务价值，明确了圩区对人民生产生活及生态安全的重要性。圩区河网出流受人工调控，使得圩区内水域的水位波动相对较小，且保持较高水位，保证了圩区较强的水文调蓄和土壤保水保湿作用。而圩区特殊的水文调控特征，导致其营养盐（如磷）的总输入量远远高于其输出量，表明其水域有较大的营养盐拦截滞留功能，成为营养盐的储存库。由于有效的调控机制，在气候变化背景下，圩区可削减水安全情势带来的不利影响。

关键词：圩垸；生态系统服务；径流；磷

中图分类号：K903       文献标识码：A       文章编号：1005-5207（2024）07-0003-05

一、圩区是沿江滨湖地区重要的地理集水单元

1.圩区的概念及形成原因

在平原河网或平原湖区的滨水低洼地区，人们用堤坝阻止江水漫流，形成了沿江、滨湖低地四周修筑堤防、内有灌排系统的自然和人工生态系统的复合体，这些圩堤集中分布的区域在长江下游叫“圩”，在中游的江汉平原叫“垸”，所以一般称为圩区或者圩垸。

我国东部季风气候显著，使得江湖具有显著的洪枯水季。如长江干流及其调蓄湖泊鄱阳湖、洞庭湖等，一年水位的季节差可达10 m以上。因此，为了维持稳定的农业生产，也为了开垦大面积的河湖滩地，圩区的建设成为一种必需，使之成为沿江滨湖地带特有的景观。我国圩区广泛分布于南方沿江滨湖地区的低洼区，如长江中下游的洞庭湖流域、太湖流域、鄱阳湖流域及珠江三角洲地区。据资料统计，我国圩区堤防总长2.7×104 km，控制总面积4.07×105 km2，保护人口4.79亿。

圩区内外呈现出景观的规律性分布，最外部为防洪大堤，海拔可比内部高出十余米；往内部海拔逐渐降低，依次呈现出旱地、水田、鱼塘等景观。为了方便灌溉和排水，还需有多条沟渠与外部的江湖相连，并在大堤修筑水闸以控制水流［1-2］（图1）。而出于防洪的考虑，居民区通常建在地势相对较高的地方，甚至紧挨着防洪大堤。

西汉中叶，司马迁在《史记》中有“江南卑湿，丈夫早夭”的说法，当时长江中下游地区因为洪涝灾害、病菌造成的传染病严重，不太适合人类居住。东汉时期，孙权建立吴国，在太湖流域进行屯田，使得环太湖地区的农业得到深入发展。后来的东晋、南朝宋修建了大量的水利设施，主要是开通灌溉水渠并修造堤坝，防止江湖泛滥。到了唐代初年，江南地区在全国经济上的重要性已经十分显著。太湖地区在唐朝中叶时已形成了密集的水网，圩田遍布太湖沿岸。除增加粮食生产外，圩区的建设还大大减少了水灾的发生，从而出现了“苏湖熟，天下足”的说法。到明代中后期，又有了“湖广熟，天下足”的说法，此时以湖南、湖北为中心的长江中游地区因云梦泽解体等原因，为圩垸的开垦提供了广阔的空间，使之成为新的全国粮食基地。由此可见，圩区的建设是人类改造环境、拓展生存空间的一大创举，从而造就了江南的富庶和繁华。

2.圩区的生态系统服务价值

太湖流域内圩区面积有10 630.91 km2，占流域总面积的28.81%［3］（图2）。圩区生态系统提供了形成及维持人类生存与发展的产品供给、调节服务、支持服务和社会文化服务等方面的环境条件与效用，称为生态系统服务。太湖流域圩区在产品供给方面，圩区的人工林（以马尾松、杉木为主）、混交林及竹林等提供了直接的林木来源，林木密度平均值为0.58 g/cm3，产值效益6.0 × 108 元/a，而农田占圩区陆地面积的59.1%，在初级产品供给方面的价格可达78.1 × 108 元/a［3］。另外，太湖流域圩区可为居民生产生活供应水量8.61 ×108 m3/a，流域的水体还供应鱼类和虾类等水产品，产量在不同区域中约500～900 t/km2，折算为货币，圩区中的水域在水源供给和水产品供应方面的价值分别为4.3×108 元/a和41.1 × 108 元/a［4］。

调节服务中，农田、林地生态系统在植物生长过程中能够固定CO2、吸收SO2、释放O2，改善大气成分、减缓全球变暖进程，并局部调节水分的时空分配格局，减少水土流失。太湖流域圩区陆地生态系统的调节服务价值为140.0 × 108 元/a［3］。同时，水生态系统还提供着水量调节、水源储存、净化水质、调蓄洪水、气温调节和固碳释氧等服务。圩区在减少旱涝灾害威胁、保证农业生产和居民生活方面发挥着独特的作用。例如，太湖流域圩区水域的正常水位与允许的最高水位之间的差距为洪水滞留提供了一定空间，其水体调蓄洪水的总量为4.3 ×108 m3，可减少0.17 m3 s-1 km-2的排涝装机容量［4］。而通过稀释、吸附、氧化还原等自然净化过程，圩区内河流和沟渠的平均氮、磷去除率分别可达32.8%和50.1%［5］。而太湖流域陆地和水体中植被的初级生产固碳量分别为151.16 × 108 t/a 和129.08 × 104 t/a。将所有价值折算为货币，太湖流域圩区陆地和水体生态系统的调节服务价值为404.5 ×108 元/a［3-4］。由此可见，圩区的间接调节价值远远高于其直接价值，表明圩区内植被和水体在生态调节与维持方面的重要性。

支持功能主要是对生物多样性的维持，其中陆地生态系统主要取决于景观综合指数，即人类活动干扰较少，景观类型分布均匀则景观维持功能较强，反之景观破碎化程度高、多样性较差，则维持功能较弱。圩区的陆地生态系统支持功能与其地形和人口密度等有关，如太湖流域的西部丘陵区景观综合指数较大，而东部平原区生境维持功能较弱［3］。水生态系统的支持功能可用水生生物的多样性指数来评价，太湖流域表现为流域北部、东部沿海经济发达地区的水位下降严重，景观破碎化程度高，水环境质量恶化，水生生物多样性减小，造成水生态系统服务价值效益的下降，而流域西部和南部的地势较高，区域水位高，水质良好，水生物种丰富，是流域水生态服务价值的高值区。

社会文化功能是指生态系统为社会提供的教育、科研、文化等多方面的服务效应。圩区作为一种重要的湿地生态系统，其独特的水分、营养物质循环与生态结构，使其成为农学、生态学、水文水利学等学科的天然实验室，具有重要的文化和科研价值。另外，圩区部分区域水域辽阔、景色秀丽，具有旅游的功能。对这方面价值的评估难度较大，参考前人研究得出的中国单位面积湿地的平均文化与科研价值382 元/ hm2和全球湿地生态系统科研与文化价值881 美元/ hm2，取二者平均值计算可得，太湖流域的社会文化功能价值为4.6 ×108 元/a［4，6-7］。

二、平原圩区具有水文调蓄作用

1.平原圩区水文过程特征

由于圩区所处的平原河网密集区地势平坦，地下水位浅，水网密集且出流受人为调控，进而造成圩区水文过程与自然出流区相比有着鲜明的特点（图3）。圩区的水文过程主要有以下几个特点。

（1）空间上的封闭隔离性

圩区是一个由堤坝围筑的相对封闭的区域，阻隔了圩内外的自然水力联系，使其只能通过人为控制的涵闸或泵站实现圩内外的水流交换。

（2）地下水与包气带的紧密耦合

由于圩区地下水位较浅，土壤包气带水分不仅存在重力作用下的下渗，也会明显地受到与浅层地下水相关的毛细管上升水的影响。

（3）地下水与地表水频繁交换

圩区低洼的地势、较浅的地下水位和周围密集的河网水系，导致圩内河流、沟渠、坑塘等地表水体与农田地下水接触面广，联系更为紧密。圩区通过泵站、涵闸调控坑塘、沟渠等地表水位，可达到优化调控地下水水位的目的。当地下水位高于地表水位时，地下水排泄到地表水体。而地下水位低于地表水位时，地下水发生逆流，形成地表水体对地下水的下渗补给。

（4）圩区降雨产流、汇流与排水过程呈高度时空异步性

圩区的水文过程主要包括圩区降雨产流、汇流和排水三个过程，三者呈高度时空异步性。

圩区降雨产流与下垫面情势密切相关。圩区地处平原河网湖荡区，人多地少，土地利用强度高、类型多，且水田、旱地、林地、城镇村庄、坑塘等交错分布。不同下垫面有着迥异的产流规律，如水稻田需着重考虑水稻不同生长时期的需水量与水位控制差异，具有独特的灌溉与排水模式。而旱地的产流明显与水田不同，基本不会进行人工灌溉。另外圩区产流还需考虑土壤包气带与地下水的互馈关系。

圩区汇流主要指地面产流进入田间毛渠后，顺次沿农渠、斗渠、支渠、干渠等灌排渠体系逐级向泵站前的蓄滞水体汇集的过程，其速度和持续时间与不同类型圩区面积大小、地形差、水系连通情况等有关。

当圩区降雨产流汇至泵站前的蓄滞水体后，并非直接排到圩外，而是根据当地泵站或涵闸的调度规则适时排到圩外河道［8］（图4）。汛期一般圩外河道水位高于圩内坑塘、沟渠水位，圩内自排困难，当坑塘积水位高于控制性警戒水位，达到泵站开启水位时，将开启排涝泵站把圩内洪水排出，形成人工径流。旱季圩外河道水位通常低于圩内地表水位，涵洞常保持开启状态。当坑塘积水位高于涵洞高程时，涵闸利用水位落差将圩内多余水分自然排出，产生径流。而当坑塘、沟渠水位未达到涵闸或泵站启动的水位时，则流量为零。

2.圩区的水文调蓄作用机制

通过对比分析平原圩区与非圩区水文与氮磷输移过程，发现圩区具有调蓄径流、保水、保湿功效。受水域的存储和泵站的控制，圩区闸泵排水过程相比自然出流更易出现径流“陡峰低谷”的现象［9］（图5）。这是因为在洪水期，一方面，泵站会以恒定的大功率排水，有较大的流量，且为了给沟渠和坑塘留有足够的蓄水容量，泵站关闭水位往往低于启动水位，进而使得更多的水量排出，出现较高的峰值流量；另一方面，由于涵闸和泵站的拦截，圩区水域一般会保持较高的水位，这样就可调控地下水位，补充土壤包气带水分，保证农田土壤具有较高的湿度，使得当发生降雨时，农田可产生更多的地面径流，从而促使更高径流峰值的出现。正因为这样的人工调控，使得圩区内水域的水位波动相对较小，显示了圩区较强的水文调蓄作用。不仅如此，圩内水体对土壤包气带水分的补充，表明了圩区对土壤的保水保湿作用，对农业生产有较好的促进作用。

在洪水退水期或旱季时，当降雨产流较小且水域水位未达到警戒值时，圩区不排水，使得被拦截的水流随着停留时间的增长，被蒸发和下渗损耗的水量增加，因而总体上圩区的排水量少于自然河流。

三、圩区是水体营养盐的储存库

磷元素作为我国大部分湖泊富营养化的重要限制性因子，也是世界大多数湖泊解决富营养化问题的关键要素。一般认为当水体中磷浓度超过0.02 mg/L时，可明显促进水体的富营养化，因此减磷是水体治理的重要目标之一。水体中磷元素有颗粒态和溶解态两种形式，颗粒态磷可通过矿化转化为溶解态磷，只有后者才能被植物所吸收利用。两种状态的磷在自然降水、出入流河道、圩内水田旱地和居民区径流中普遍存在，同时，水下沉积物中的磷与上覆水体还可相互交换，底泥可发生磷的再悬浮和释放，水体中的颗粒态磷也可发生沉降。

对圩区整体系统来说，主要磷收入项包括大气降水带来的磷输入、用于灌溉的外部江水或湖水的引入、施肥、生活污水与人畜粪便，其中施肥和人类生活的输入是两个主要的磷输入源，占比分别约70%和26%。输出项主要包括农作物收割、排水以及向圩外河道的下渗，其中农作物收割和排水是圩区磷输出量中最大的两项［9］（图6）。

将圩区各类型磷的输入量与磷的入河量进行对比后发现，圩区水域全年接受的各种类型磷的输入量大于其向圩外的输出量［9-11］。而从圩区整体系统中磷的年收支平衡来看，圩区磷的总输入量也远远高于其输出量。表明圩区沟渠、坑塘等水域有较大的营养盐拦截滞留功能，成为营养盐的储存库，这与人们传统地认为圩区是平原区非点源污染来源的认识不同。之所以如此，是因为圩区有着特殊的水文调控机制和较高的水面率。一方面，圩区水稻生长期间，从圩外河道引入大量的灌溉水，而圩外的河水受上游污染的影响，含磷量高，所以圩区通过灌溉的方式吸收了大量圩外磷元素；另一方面，由于平原圩区地势平缓，水流缓慢，且由于泵站的拦截效应，当降雨小或者水位较低时，泵站不启动排水，使得径流暂时存储在泵前的坑塘水域，减少了营养元素的排出。而且与有一定坡度的自然流域相比，圩区径流在沟渠和坑塘等蓄水体中的停留时间较长，促使营养盐的沉降、大型水生植被和底泥的吸收吸附等去磷过程的反应时间充分，从而有效降低了水体中的营养盐浓度，增强了对磷的拦截功效。因此，相对于非圩区集水单元，平原圩区有较大的滞留吸附营养元素的作用，对减少周边河网湖泊的水环境污染负荷具有明显作用［10-11］。