農業水資源工程與自然生態環境關係

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埔頭農路


◎行政院農業委員會特有生物保育研究中心研究員兼組長李訓煌

◎行政院農業委員會特有生物保育研究中心研究員莊明德

 

前言

水是所有生物賴以維生的重要物質,其在生物多樣性三大層次之生態系多樣性中更扮演舉足輕重的角色。惟過去之農業水資源建設,多以生產面為主要考量,鮮少重視生態功能。更因為人類對自然資源無知的開發利用,造成維持生物多樣性永續發展之基因、物種及生態系等多樣性面臨嚴重威脅。鑒於自然生態保育不僅是世界潮流,亦是維護人類生存環境的重要基石,身為國際地球村成員的我們,更有責任共同珍惜現存有限的自然資源。本文旨在闡述農業水資源工程在整個農業生態系所扮演的重要角色,特別是目前河川整治正積極推動近自然工法之際,農業水路更扮演為保育生物多樣性、維護農業生態環境及農村生活環境品質之重要角色。以近自然工法改善現有之水路,隙的棲地空間並提供附近住民遊憩可由排水路之生態改善開始,爾後再考慮灌溉系統末端之田間輸水路。施作之原則應以創造多樣性、多變性及多孔,以利野生動、植物棲息及生長,的親水空間以及美化當地的生活環境。二十一世紀之農業水資源建設需以經營完整之環境生態系為目標,負起維護生物多樣性及維持生態系平衡的重要使命,以實現「永續發展的綠色產業」、「尊嚴活力的人民生活」、「萬物共榮的生態環境」的願景,達到「農業水資源建設」與「生物多樣性保育」共存之雙嬴。

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西方農地水路


生態水路之功能特性

(一)防止洪泛:

 如果水路彎曲,內面工亦係以土、石或木頭堆置,而兩邊護岸又有植被,大雨時因可延緩洪水立即到達下游之時間,則可減輕洪水氾濫為害的程度。

(二)涵養水源:

 如果水路不封底,田埂及灌排水圳岸都不水泥化,則灌排水或雨水均會慢慢滲入地下,因能穩定和保持地下水位,有利於地下水補注,增加田間滲漏量,自可涵養水源。

(三)淨化水質:

 如果水路彎曲,水流減緩後容有水生植物存在,且圳岸亦有植生覆蓋,水路內有植物、微生物等吸收養分或分解有機物,就可以淨化水質。

(四)增加水生物棲息空間:

 如果水路不完全是混凝土三面工,而係以土、石或木材為護岸施作材料,因能營造更多的孔隙、孔洞或凹處等特殊棲地,提供更直接、更理想的水生物棲息及避難處所。

(五)增進生物多樣性:

 如果生態水路營造成功,不僅只是增加水生物即魚、蝦、蟹、貝類或水生昆蟲等,包括兩棲類、爬蟲類、蜻蜓、蝴蝶及螢火蟲等其他昆蟲亦會相繼出現,因動、植物生息的機會增加,生物多樣性也隨之提昇。除前述較具體之功能特性外,如果在大格局上亦做好生態保育及生態環境的維持,更可能淨化大氣、調節微氣候、防止溫室效應及土地沙漠化,進而維護人類健康,提供人類更多自然景觀與親水空間,有利於生物多樣性的永續發展。

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黃厝農地水路


水路生態單元之解析

從景觀生態學的角度解析水路之生態單元解析,其要件原則茲介紹如下:

(一)嵌塊體(Patch)

 嵌塊體為環境或景觀中最小之均質單位,如水路中之動、植物群落及水路中單獨之構造物(如水路中之石塊、沙洲、跌水及水門等)。其外觀與特性不同於周圍環境之非線性地表區域,是由於自然營力或人為利用之干擾下而產生,並以塊狀型態分布於環境或景觀中;因其是外在環境之干擾而生成之小環境,故其組成和功能與外圍環境有所差異,而自成一個生態系。

1.形成自然群落:以原生物種配合當地生態系環境,讓生物有彈性生長的空間,並呈異質性分布,且能包含較多的邊緣種,增加總體物種的共存能力。

2.避免使用外來種及優勢種:外來種入侵將可能使原生種滅絕,而優勢種繁殖過速亦會使植被種類趨於單純化,違反生物多樣性原則。

3.岸邊植栽與多種原生植物之應用:岸邊植栽水生植物無論沉水植物、浮水植物或挺水植物應符合生物多樣性原則,有利於水生植物與兩棲生物生存。

(二)基質(Matrix)

 基質所占面積最大,為構成整體環境最主要之組成因子,對整體環境具有決定性之影響。無論從事環境規劃或生態之相關研究,都必須由基質之功能與特性著手進行,作為最基本的背景研究,而後再分析其與其他構成因子間之交互作用。在農水路中最大的組成因子應為土壤要件,是所有動植物生存所倚賴的成份,但在混凝土化後之水路便缺少土壤因子,取而代之的是生物難以棲息的混凝土因子。基質條件方面,有以下兩項原則:

1.多樣化的地形:多樣化的地形環境可符合多樣性生物生存的條件,並使其呈異質性分布。

2.土壤要件:土壤是許多動植物賴以生長的環境要件,其分布狀況將影響養分(礦物質、能量等)分布,也影響著生物的生存。

(三)廊道(Corridor)

 廊道係指不同於兩側環境特性之狹長地帶,其形成原因主要以自然營力與人為開發干擾影響所致。在整體環境中具有運輸、阻隔、過濾等功能,使環境中之能量與物質產生交換與流動,形成一個循環系統。在農水路中之行水區即為廊道,因水流有運輸、阻隔、過濾之功能,其內在環境與外圍陸地部分有完全不同的生態系,可做為物質之傳輸、魚類之生產等之作用。

 廊道之條件:大多數動物棲息與繁殖,都必須要擁有小空間。環境中小空間的多寡往往決定動物量的多寡。因此,水路環境(包括護岸、渠底)設計應提供多孔質空間,如創造洞穴、配置穿孔的木材、石堆空間及多孔質之水域等。

(四)推移帶(Ecotone)

 推移帶為一個概念,並非確切的範圍區域,主要之意義在於其為兩個或多個生態系或是不同土地形式之交會地帶,此地帶具有相當特殊的環境特性。對生態環境而言,推移帶在邊緣效應之作用下形成具有高生產力且多樣性的生態區,其更積極之作用則在於使不同生態系得以共存,降低其潛在之衝突。推移帶是水域與陸域交界區,是指兩種生態系或兩種相異環境之間的過渡帶,也稱為「生態交會區」或「生態交會帶」,此區域通常具有較多的生態種類,擁有豐富的生物相,生產力也較為旺盛,如農業水路中之護岸或水、陸域交界之地帶等。其水域與陸域交接之一定範圍內,岸邊生物藉由交界區域進行繁殖、交換能量等。推移帶形成的幾項要件:

1.枯枝落葉的堆積:枯枝落葉是許多生物的生存空間與食物的來源。堆積枯枝落葉可使此環境之營養物質得以保存,維持該區的肥沃力。

2.窪地的創造:可提供水生、兩棲生物棲息的空間,並使其在低水位時期,依然有窪地可供生存。

3.植群的配置:儘可能創造出多樣的物種類型,使其呈異質性分布,以增加總體物種共存的潛在能力。

4.水路斷面:採複式斷面以提供不同水位時生物生存之需求,而護岸以較緩的坡度設計較利於生物棲息。

(五)生態網路 (Ecological net-work)

 網路是指生態環境中各類廊道(包括河川、埤、塘及農水路等)聯結所構成之架構生態環境中,各構成因子間之交互作用必須透過網路產生能量、物質、物種之流動與交換,其在生態環境中之主要功能猶如人體內之血管,使整體環境組成一完整之架構。各水路系統間之聯結,將整個生態系串聯起來,可使物種之交流更加充分。

 

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西方農路


當前農田水利工程之生態問題

(一)混凝土化渠道造成水路生態環境改變

1.渠道材料:渠道的混凝土化造成渠道內面粗糙係數減小,使得水流速大,並且缺乏空隙提供植物生長及動物棲息。斷面較小的田間輸水路也因為三面內面工造成水溫的溫差變化大,不適合動植物棲息及生長。

2.渠岸坡度:現有農用水路多呈矩型、U型及梯型,以致渠岸坡度陡峭,植物難以附著生存,動物難以棲息。渠岸陡峭,致使水路變化影響水路生態的穩定發展。

3.水流流況:混凝土內面工護坡與渠底的平滑少變化,造成渠道水流流速快以及流速變化少,水流狀態單調少變化,使得水中植物無法生長,水中生物無法產卵以及棲息。

4.渠道水位變化:引水期與非引水期水位變化太大,尤其以灌溉性質之水路最為明顯,對渠岸生態交會區造成嚴重衝擊,渠岸是水域生態系統中,生物相最複雜的區域,一旦無法在穩定的生態環境下演進,對水路生態影響甚鉅。相對的,天然河道的水位變化造成的生態衝擊較小。

5.渠道直線化:農用水路的渠道施工以截彎取直的施工方式居多,使得流況呈現均勻的流況,這樣的情形下造成渠道流速快且均勻分佈,而使得流速與渠底空間的多樣化減少。相較於截彎取直的河道,天然河道彎曲使水流充分攪拌,有助於水域多樣化、水體溶氧以及自淨等作用。

(二)渠道兩旁陸域生態環境

1.遭受混凝土化:渠道護岸的混凝土化,不但影響水路本身的生態環境,也阻斷了水域生態與陸域生態的連續空間。影響最劇的是渠岸植物的生長空間被剝奪,同時減少了棲地環境的遮光性與遮密性。兩棲動物與水生昆蟲幼蟲其生命週期的完成,必須同時仰賴水域與陸域生態環境,而混凝土化使得這些生命無法生存。

2.緊鄰農路:渠道緊鄰農路使得陸域生態系的生物棲息地缺乏,同時農路上的人為活動項目容易造成水體的污染、棲息地的人為破壞以及對生物的生長、產卵等生息有負面影響。最明顯的例子是台灣地區的水生黃緣螢受到人為的光害影響,無法完成交配延續後代。

3.緊鄰農地:農水路緊鄰農地的結果便是水體受農藥污染,影響水質。另一方面,農民侵耕以及人類作為都會對水路生態造成影響。

4.缺乏植栽:農水路兩旁之植栽除了可以穩定水體溫度以及提供水中生物遮蔭、藏匿以及避免光害之外,尚可提供渠道內生物之食物來源,形成食物鏈,這是異營系統的河川生態所不能或缺的,而混凝土化的渠道往往失去植栽的功能,使生物缺乏食物來源。

 

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后頭農地水路


生態農水路之營造

一、國內有關生態農水路之研究

賴平雄等(1995)於「保護生態環境水路工法之研究」中指出台灣地區目前之灌排水路,大多以輸配水或排水為目標,忽略水邊原有生態維持之功能,水路若以混凝土內面工為護岸並挖去所有水生植物,則將失去原有棲息之生物,說明保護水邊「生態交會帶」對保護野生動物及維護自然景觀的重要性,並對自然低水護岸、水路蛇行效果與近自然工法之採行加以研究,進而呼籲停止採用破壞自然生態的混凝土工法。劉銓忠等(1996)於「保護生態環境水路工-多功能灌溉排水路之做法」中提及水路彎曲且內面工材以土石為之,而兩岸有植生之水路有較佳生態功能;考量渠道防漏等輸水功能者,亦應儘量設法使其水路能有孔洞而使生物有棲息之所;在經由社區之水路如妥善引水供住民做親水空間,亦可有效美化生活環境;若以成本最低之工法考量,以混凝土砌卵石內面工為優,也還適合生物之棲息及生態之維護,乾砌卵石內面工之成本雖高於混凝土砌卵石內面工,但其工法卻是最有利於生物之繁衍及生態景觀之維護。邱金火等(1996)於「維護生態灌溉排水渠道工法之研究」中將水路整治分為:(一)考慮魚蝦類棲息環境之水路作法。(二)親水公園之水路作法。(三)考慮昆蟲棲息環境之水路作法,並建議多處保有良好生態環境的水路能採用生態工法。

杜逸正(1998)於「台灣農用水路結合水利發展之可行性研究」中曾分析現有農用水路混凝土化後產生之生態問題,並提出混凝土渠道的改善方式及未來之規劃方向,另外指出現有農用水陸兩旁陸域生態環境遭受到人為的嚴重破壞,影響水路的生態發展,未來之水路生態應同時考量陸域生態環境的保育。陳獻等(1998)於「生態保育水路施作材料及工法之研究」中特別蒐集在台灣及日本具有水態保育之水路案例,並分析其在生態保育上之功能如護岸之多孔質空間及水邊林可提供昆蟲、爬蟲類、小型哺乳類之棲息空間,鳥類因有餌料會在水邊草上或樹上築巢,而構成一完整之食物鏈。陳章瑞等(1999)於「近自然工法應用在農村水路再生之問題點與可行性的研究」中指出:目前許多自然工法之護坡為施工迅速方便、節省土地以及表現石材美感等因素,以大型機具去除原有植生,反而摧毀原有生態環境與生物所需的棲息空間;其實傳統工法若以土渠與乾砌石水路交互運用的方式,來塑造多孔隙環境與水畔林棲息環境,則有利於生態發展。

另提到渠道內的固床工若採取自然拋石及不封底工法,有助形成濃縮的棲地環境,有益於水生動植物發展,但在混凝土渠道化後則形成一區一區隔絕發展的小型封閉生態系。蔡西銘等(2000)於「都會小川、農水路之生態觀察」中提到都會小川、農水路是與人最接近之自然生態區,是人與自然生物共處最近之處,從這些地區之生物多寡,可以瞭解該地區生活環境之優質與否。同時,亦指出直線河道使水中生物失去棲息空間,進行棲地改善時,應避免過度截彎取直,以維持及保存原有多孔、彎曲具多樣性的水邊環境。林獻川(2000)於「由景觀生態學觀點探討農業排水路設計之研究」論文中亦分析目前混凝土排水路所產生之生態問題,提出未來排水路規劃設計之原則;為農村自然生態環境得以永續發展,農業排水路結合生態設計將是未來重要的工程。中華民國自然生態保育協會(2000)於「都會區小型河川防洪暨生態保育對策之研究-以外雙溪支流為例」的報告中指出:溪流與水岸發展為近半世紀以來各國都市更新與整建中一項重要的課題,水岸的處理從傳統與築堤防單純為「防洪」目標之工程導向,轉變為兼具親水休憩與綠地系統發展的「遊憩」導向,然而許多規劃設計在以「人」為考量的前提下,常忽略河川生態演替的必然性,原本珍貴的生態資源因人類的無知遭受有形、無形的破壞,希望藉案例的研究不但可有效提供防止洪患的功能,並能創造可親水並保障行水區生態多樣性與資源永續利用之機會。郭勝豐(2000)在「都市化地區農用水路生態工法規劃研究」中敘及都會區農用水路採用生態工法配合岸邊景觀設計,將成為都會居民之親水遊憩空間,並具有生態教育推廣功能;另外,就農用水路工法之適用性進行分析,並提出農用水路生態工法基本規劃設計之原則。

二、營造生態農水路的原則與做法

(一)現有水路中灌溉水路在灌溉期間水位高且流速大,而非灌溉期間渠道水位則是乾枯見底,短時間內灌溉水路較難結合生態發展,宜從排水路的生態改善開始,其次再考慮灌溉系統末端之田間輸水路。

(二)為維持整個農田生態系的空間連慣性,建議農政或水利單位不要再補助農民興築完全混凝土化之田埂,並適時宣導水泥田埂對生態的負面影響,杜絕繼續擴大推廣。

(三)在水路整理或灌排水工程進行時,不要貪圖施工方便,將所有渠道內之水生植物及濱岸之植被全部清除,摧毀原有生物的棲息環境。

(四)灌排水路或其他溝渠之護岸不要完全水泥化,水路亦不要加以封底,以利涵養水源、改善水質。並提供底棲生物息及產卵之用。

(五)即便採用近自然工法施作,護岸亦不能過於陡直,要使其適當之緩斜,最好是含有適度水分的土岸,且容許岸頂有些草叢或矮樹林,讓野生動物能順利遷移,並有所遮蔽及躲藏。

(六)欲創造彎曲水路,在國內短期內想捨直取曲尚有困難,可設法於渠道內拋置塊石,形成多樣化的水流,而讓凹部受侵蝕變成深淵、凸部因堆積變成淺灘、草澤或沙洲,提供多樣且富於變化的生息環境。

(七)欲營造多樣化及多孔質空間,宜讓渠底或護岸增加孔洞或孔隙、放置土、石堆或木頭等,除提供野生動物棲息外,缺水時亦可創造窪地,以利野生動物躲藏或避難。

(八)為讓水路周遭的野生動物增加遮蔽,提供更多的食物來源予水生物,可設法於水路之推移帶或護岸栽植原生植物形成河畔林。

(九)為能增加溶氧,有利於水生物存活,可考慮設置連續性之低矮跌水工或以塊石堆砌成小型丁壩等擾流結構,有助於產生各種流水型態,供底棲生物藏匿或產卵附著之用。

(十)為減少人為不當使用農葯、除草劑、傾倒垃圾或將廢水直接排放入農水路造成水體的污染,除宣導生態衝擊可能的災難,及推動水質污染防治計畫外,流經社區、村落的農水路,宜儘量設計可供附近住民遊憩的親水空間,進而美化當地之生活環境。

 

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大山頂重劃區的水路


結語

農業生產最重要的資源是陽光、空氣、水、土壤等自然資源,如果這些基本物質的品質不好,所生產出來的農產品品質自然大受影響。在農業永續經營的目標下,農村生態環境的維護工作已漸受重視,「邁進二十一世紀農業新方案」有關農田水利建設生態化方面,即主張要推廣水田生態環境維護,涵養補注地下水及發揮調蓄洪水功能,維護農業水資源及生態環境,確保生物棲息、繁衍成長之環境;另外,要規劃利用現有水邊環境及水利設施機能,推動圳路生態與綠美化,創造親水空間,確保生物棲息環境,並配合農村社區改善,提升農村社區居民生活品質。

農業資源之水利建設及營運管理措施除對農業增產有所貢獻外,對自然生態保育與水循環系統的維護,亦具有相當大的貢獻。但在工業快速發展,人口急遽增加,產業大量投資,部分河川、灌溉水甚至地下水已遭致污染,而部分農田亦遭致重金屬及有機污染物之污染,農業生態環境品質日趨惡化。鑒於生物多樣性保育是世界的大潮流,河川水利工程在水利處黃處長金山之督促下都已開始推動近自然工法,而農水路在整個農業生態系又扮演如此重要的角色,實有急起直追針對混凝土內面工之灌排水路以近自然工法加以改善為生態水路之必要。為推動水利建設生態化,廿一世紀的農田水利工程除著眼農業生產外,尤須注重自然生態保育,始能負起自然生態環境保育及生態系維護之發展使命,實現「永續發展的綠色產業」、「尊嚴活力的農民生活」、「萬物共榮的生態環境」的願景,達到「農業水資源建設」與「生物多樣性保育」共存之雙嬴。

 


 

 

烈嶼鄉農塘浚深及農田排水溝整建工程

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