張興義, 祁 志, 張晟旻, 李 浩, 杜書立, 胡 偉, 丁 超, 韓 興?
(1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,150081,哈爾濱;2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,130118,長春; 3.中國科學(xué)院大學(xué),100049,北京)
溝道侵蝕是土地退化的最嚴(yán)重的表現(xiàn)[1],其危害表現(xiàn)在損毀土地,造成土地支離破碎,阻礙機(jī)械行走,降低機(jī)械作業(yè)效率,致使區(qū)域生態(tài)惡化,人們生產(chǎn)、生活甚至生命受到傷害[2]。據(jù)全國第1次水利普查侵蝕溝專項(xiàng)調(diào)查,東北黑土區(qū)是我國除黃土高原外溝道侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域,現(xiàn)有>100 m侵蝕溝數(shù)量為29.6萬條[3]。另據(jù)調(diào)查,尚有相近數(shù)量<100 m的侵蝕溝,侵蝕溝總數(shù)量高達(dá)60萬條,僅侵蝕溝道自身就損毀土地5 000 km2以上[4-5]。東北黑土區(qū)溝道侵蝕的顯著特征是多為近代新成溝、發(fā)展溝、耕地中溝,呈發(fā)展危害加劇的態(tài)勢[6-7],嚴(yán)重削減了作為我國最大商品糧生產(chǎn)基地的東北黑土區(qū)糧食可持續(xù)生產(chǎn)和生態(tài)安全能力[8]。東北黑土區(qū)侵蝕溝的治理得到了國家的充分重視,2017年國家啟動(dòng)了東北黑土區(qū)侵蝕溝治理專項(xiàng)工程,使侵蝕溝得以規(guī)?;卫?。
溝道侵蝕最佳途徑是預(yù)防,其次是生態(tài)防治,均需將部分耕地轉(zhuǎn)換為林草地[9-10];然而,我國由于人口眾多,不能單純走生態(tài)治理的道路,需利用與保護(hù)、糧食生產(chǎn)與生態(tài)保護(hù)等協(xié)調(diào)發(fā)展。形成于耕地中的侵蝕溝,如采取傳統(tǒng)的修筑溝頭跌水、溝底谷坊、栽植水保林的生態(tài)修復(fù)模式,雖實(shí)現(xiàn)了溝道穩(wěn)固、植被恢復(fù)、功能提升的生態(tài)治理目標(biāo),但溝道侵蝕造成田塊破碎、機(jī)械不能通過、損毀耕地等弊端未能解決,對東北黑土侵蝕區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、維持糧食產(chǎn)能、保障糧食安全未能發(fā)揮應(yīng)有的作用[11]。鑒于多發(fā)育于耕地中的侵蝕溝形成時(shí)間短、小,易于治理[12],充分利用作物秸稈資源豐富和機(jī)械化的優(yōu)勢,在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下,探索建立通過秸稈填埋實(shí)現(xiàn)溝毀耕地再造,恢復(fù)墾殖,變溝道地表匯流為地下暗管導(dǎo)排,填埋后不再重新成溝,創(chuàng)新研發(fā)的獨(dú)具東北特色的侵蝕溝復(fù)墾新技術(shù),已獲得了國家授權(quán)發(fā)明專利,編制了地方技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),正在東北黑土區(qū)水土保持生態(tài)治理工程中應(yīng)用,深受農(nóng)民歡迎[4],是實(shí)現(xiàn)秸稈資源利用、黑土地保護(hù)、國土整治、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)保障措施,還可被我國其他生態(tài)類型區(qū)侵蝕溝治理所借鑒。
東北農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有地塊大、大機(jī)械作業(yè)、集約化種植等特點(diǎn)。為了滿足大機(jī)械化作業(yè),以往對形成于耕地中的侵蝕溝多就地取土填埋,但溝線仍為匯水線,夏季暴雨新成的股流沖刷,單純用土填埋的再次成溝,周而反復(fù),耕地中侵蝕溝治理成為困擾當(dāng)?shù)赝恋毓芾碚叩闹饕y題,也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展必須破解的問題。通過填埋消除耕地的侵蝕溝,恢復(fù)墾殖,保障機(jī)械行走,必須解決2個(gè)問題:一是填埋材料,二是填埋后穩(wěn)固不再成溝。
東北黑土區(qū)是我國最大的玉米產(chǎn)區(qū),在禁燒的形勢下秸稈如何利用成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。嘗試著將秸稈直接填入侵蝕溝,再利用機(jī)械上層覆土,但發(fā)現(xiàn)填埋后的侵蝕溝表土極易塌陷,再次成溝。發(fā)現(xiàn)問題主要源于秸稈過于疏松,在上層覆土的重力作用下壓塌,加之降雨時(shí)泥水極易進(jìn)入秸稈空隙,穩(wěn)定性差。隨著秸稈打捆機(jī)的出現(xiàn)和普及,利用打捆機(jī)將秸稈擠壓成緊實(shí)的方塊,擺放到侵蝕溝后,實(shí)施的效果顯著改善,滿足了填埋后機(jī)械通行的功能。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)填埋后的侵蝕溝位在第2年雨季多打出淺溝,原溝道處種植的作物沖毀,需秋耕時(shí)填土恢復(fù);秸稈只在溝道區(qū)填埋,未與下游排水溝連通,秸稈層水過飽和,在下游溢出地表;對于大中型侵蝕溝,再次成溝,復(fù)墾效果較差。分析得出,原溝道之所以發(fā)育形成侵蝕溝,是由于超出了侵蝕溝發(fā)生臨界條件,匯水形成股流在填埋處只有很少部分滲入秸稈層,仍是侵蝕溝形成的外營力。削減地表徑流,減小地表沖刷,阻止溝道形成,是侵蝕溝復(fù)墾成功與否的關(guān)鍵。借鑒東北黑土區(qū)“魚眼泡”滲井和暗管排水的原理,增設(shè)暗管導(dǎo)排水系統(tǒng),多點(diǎn)試驗(yàn)示范結(jié)果顯示,除極少數(shù)比降較大的區(qū)段有少許淺溝出現(xiàn)外,復(fù)墾后的溝道位土體穩(wěn)定,作物能夠很好地生長,達(dá)到復(fù)墾目標(biāo)。
本侵蝕溝復(fù)墾工程原理為利用侵蝕溝道附近作物收獲后的秸稈,打包后填充到溝道內(nèi),上層覆土,覆土厚度要兼顧有利于徑流垂直入滲和作物種植的需求;將原溝道位匯集的地表徑流通過表土入滲和滲井垂直導(dǎo)入地下暗管,由暗管將匯流導(dǎo)出到下游排水溝中,消除或削減地表徑流沖刷,復(fù)墾后不再形成新的侵蝕溝,以此實(shí)現(xiàn)溝毀耕地再造,恢復(fù)墾殖。核心關(guān)鍵技術(shù)為變地表徑流為地下暗管排水,地表徑流匯集和沖刷是侵蝕溝形成的主要外營力,在填埋的同時(shí)構(gòu)建地下導(dǎo)排水系,削減沖刷,阻止再次形成侵蝕溝。
侵蝕溝填埋復(fù)墾工程主要包含溝道整形、暗管布設(shè)、秸稈打捆、秸稈鋪設(shè)、表層覆土、截流埂修筑、滲井修筑和出口防護(hù)8項(xiàng)工程措施組成。
溝道整形:將侵蝕溝形狀修整成規(guī)整的長方體,其作用一是為秸稈捆緊實(shí)鋪設(shè)創(chuàng)造條件,二是為表層覆土準(zhǔn)備土壤。
暗管布設(shè):在整形后的溝底鋪設(shè)暗管,溝底需有一定的比降,以利于排水。
秸稈打捆;利用秸稈打捆機(jī),將收獲后的作物秸稈打成緊實(shí)的方形捆。
秸稈鋪設(shè):將秸稈作為主要填埋物鋪設(shè)于整形后的侵蝕溝中。
表層覆土:將溝道整形堆放在溝道兩側(cè)的土覆于秸稈捆上方,消除侵蝕溝。
截流埂修筑:在溝線中部,間隔橫向修筑的緩弧形土埂,起到攔截匯流的作用,機(jī)械可行走并耕種。
滲井修筑:在截流埂迎水面修筑方形井,下部與暗管相連,內(nèi)部用碎石填充,表層用粗砂填充。
出口防護(hù):暗管末端延伸到排水溝,秸稈鋪設(shè)到出口近處,溝道出口處修建寬度不少于2 m的土擋墻或進(jìn)行漿砌石壩體護(hù)坡。
2.2.1 施工要點(diǎn)
1)暗管鋪設(shè)于整形后溝底中部,秸稈層下,暗管直徑應(yīng)依據(jù)洪峰流量確定。
2)秸稈填埋后上層留出覆土空間。
3)表層覆土來自于溝道整形從溝道中開挖的土。
4)溝道整形寬度依據(jù)侵蝕溝的自然寬度可分成若干寬度區(qū)段。
5)整形后的溝道深度和寬度應(yīng)滿足覆土量需求。
6)截流埂和滲井的布設(shè)應(yīng)依據(jù)復(fù)墾溝洪峰流量和復(fù)墾后溝道區(qū)域入滲能力設(shè)計(jì)。
2.2.2 主要工序
1)侵蝕溝測量。
對欲復(fù)墾的侵蝕溝進(jìn)行勘測,是設(shè)計(jì)的重要前提?,F(xiàn)代科技的發(fā)展為侵蝕溝勘測提供快速、便捷、高精度測量手段。有條件的建議采用無人機(jī)和差分RTK組合的天地一體化測量。具體為2 000萬像素以上的無人機(jī)航拍,飛行高度100 m,照片重疊率控制在60%以上,地面控制點(diǎn)5個(gè),采用差分RTK地面控制點(diǎn)精準(zhǔn)測量,航測精度可達(dá)30 cm以內(nèi),繪制比例1∶2 000以上的地形圖。由于侵蝕溝易受植被覆蓋影響,野外調(diào)查時(shí)間選在4—6月;此外無人機(jī)航測易受春季大風(fēng)影響,無人機(jī)航拍時(shí)間選在每天早晨05:00—08:00。無人機(jī)航測獲取的是帶有空間信息的照片,應(yīng)用無人機(jī)和RTK獲取調(diào)查侵蝕溝航拍影像及全貌圖,并應(yīng)用立體攝影測量軟件PIX4D,結(jié)合RTK控制點(diǎn)高精度數(shù)據(jù)的校對和配準(zhǔn),生成匯水區(qū)及溝道的面積、坡度、土地利用等信息。應(yīng)用無人機(jī)和RTK測量數(shù)據(jù),建立調(diào)查侵蝕溝及匯水區(qū)的三維模型,后期在室內(nèi)應(yīng)用ArcGIS等地理信息系統(tǒng)軟件,從三維模型上獲取侵蝕溝的三維信息,開展治理措施的大小尺寸及空間分布等設(shè)計(jì),繪制三維數(shù)字化侵蝕溝治理模式圖。無法直接測量的,需采用1∶1萬地形圖計(jì)算。溝道形狀采用沿溝道每隔20 m直接測量溝道橫斷面寬和深,繪制溝道橫斷面圖。
2)排水量測算。
計(jì)算溝道線洪峰流量,作為排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù),采用10年一遇6 h最大降水強(qiáng)度公式(1)計(jì)算:
Qm=16.67φqA。
(1)
式中:Qm為設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s;φ為徑流系數(shù),復(fù)墾溝集水區(qū)均為坡耕地單一土地利用方式時(shí),取值0.4~0.6;有2種或2種以上不同地表種類時(shí),應(yīng)按不同地表種類面積加權(quán)求得平均徑流系數(shù),具體取值見GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中表A.4.1-1;q為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度,mm/min;有10年以上自記雨量計(jì)資料時(shí),應(yīng)利用實(shí)測資料整理分析得到設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的降雨強(qiáng)度。當(dāng)缺乏自記雨量計(jì)資料時(shí),依據(jù)當(dāng)?shù)亟涤陱?qiáng)度等值線圖取值,取值范圍為1.5~2.0;A為集水面積,km2。
3)溝道整形。
將侵蝕溝修整成利于暗管和秸稈捆鋪設(shè)的形狀,整形溝道線基于大彎就勢小彎取直的原則,應(yīng)沿復(fù)墾前的溝道自然線確定整形溝道線,依據(jù)表層覆土50 cm所需土量和溝道截面設(shè)計(jì)特征,分段確定整形后的溝深和溝寬,溝線設(shè)置見圖1。
①壟及壟向Ridge and its direction; ②等高線Contour line; ③原溝岸線 Original line of gully bank;④整形后溝岸線Reformed line of gully bank;⑤水流方向Direction of water flow. 圖1 整形溝岸線設(shè)置示意圖Fig.1 Schematic of the reformed gully line
整形挖土采用機(jī)械沿線并按標(biāo)志樁設(shè)定深度和寬度將侵蝕溝道修整成長方體溝道,溝壁筆直;挖掘出的土壤應(yīng)分層次堆放溝岸處,表土在下,底土在上,溝道整形見圖2。
①整形前溝坡土體Soil body before gully reformed; ②挖出土體堆放位置Stowed location of dug soil;③原溝坡表土線Original line of gully slope;④整形后溝壁線Reformed line of gully slope;K整形后溝寬Gully width after gully reformed;H 整形后溝深Gully depth after gully reformed.圖2 溝道整形橫斷面示意圖Fig.2 Cross-sectional schematic of the reformed gully
4)暗管布設(shè)。作為地下排水通道的暗管鋪設(shè)于整形后溝道底部中央位置,溝底比降不應(yīng)<2%;暗管應(yīng)選取塑料材質(zhì)抗壓耐腐的螺紋管或盲管;暗管上開有水分進(jìn)入的空隙,對于無孔螺紋管,應(yīng)在螺紋管中上部縱橫間隔5 cm鉆直徑為0.5~1.0 cm孔;暗管管徑應(yīng)滿足設(shè)計(jì)洪峰流量Qm排漬流量要求,宜取200 mm,排漬流量要求不能滿足時(shí),增加管徑;鋪設(shè)前應(yīng)包透水阻土等雜質(zhì)進(jìn)入的土工布;暗管連接處用防腐的金屬線連接,并用土工布包封。
5)秸稈打捆。是利用秸稈打包機(jī)打成符合設(shè)計(jì)要求的秸稈捆。秸稈宜選麥秸和玉米秸稈,也可用水稻和大豆秸稈;打捆前需先經(jīng)機(jī)械破碎;秸稈需打成緊實(shí)的方形捆,單秸稈捆應(yīng)控制在總重量不>50 kg,便于人工搬運(yùn)碼放,密度不<230 kg/m3;捆綁繩應(yīng)采用耐腐爛抗拉能力不<50 kg的材質(zhì)繩。
6)秸稈鋪設(shè)。是將秸稈捆均勻緊實(shí)碼放于整形后侵蝕溝體中下部。秸稈捆沿侵蝕溝道的一端開始鋪設(shè),最底層先橫向緊挨暗管鋪設(shè),第2層先在暗管正上方橫向鋪設(shè)一個(gè)秸稈捆,此后依次鋪設(shè),應(yīng)遵循同層秸稈捆橫豎兼顧,不同層秸稈錯(cuò)位布設(shè),碼放緊湊,秸稈層厚度應(yīng)為整形后溝道深度減去0.5 m土層厚度,且應(yīng)為秸稈捆高度的倍數(shù),暗管布設(shè)和秸稈鋪設(shè)見圖3。
①秸稈捆Straw bundle;②暗管Conceal conduit.圖3 暗管布設(shè)和秸稈鋪設(shè)示意圖Fig.3 Schematic of conceal conduit and straw bundle laying
7)表層覆土。將溝道整形挖掘堆放在溝道兩側(cè)的土回填到秸稈層上,消除侵蝕溝。逐層回填,先回填下層生土,最后回填原表土;填埋處機(jī)械壓實(shí)后表土應(yīng)高出地面10 cm~20 cm,為自然沉降留出空間,表層覆土見圖4。
①秸稈捆Straw bundle;②暗管Conceal conduit;③回填土Refilled soil.圖4 回填土鋪設(shè)示意圖Fig.4 Schematic of soil refilled
8)截流埂和滲井布設(shè)。復(fù)墾后溝道區(qū)仍為田塊的匯流區(qū),易發(fā)生超滲產(chǎn)流,需設(shè)計(jì)修筑截流埂和滲井,截流埂和滲井為一組合攔導(dǎo)水設(shè)施,截流埂橫向修筑于溝道位,攔截匯流,其迎水面布設(shè)滲井,垂直向下導(dǎo)水。依據(jù)設(shè)計(jì)洪峰流量的導(dǎo)排水能力設(shè)定修筑截流埂和滲井的數(shù)量,數(shù)量以能夠?qū)R流及時(shí)導(dǎo)入溝中為準(zhǔn)。依據(jù)設(shè)計(jì)的位置,應(yīng)先行在下端修筑高50~100 cm寬不<2 m的橫向弧形土埂,起攔截徑流作用的同時(shí)便于機(jī)械通過和作物種植;在截流埂的迎水側(cè)暗管上方利用秸稈捆疊成中空的方井,滲井橫向?qū)挷灰顺^溝寬,縱向長不宜超過1 m;內(nèi)填碎石,上鋪設(shè)約 20 cm左右厚的沙層,過濾泥沙。截流埂和滲井組合系統(tǒng)布設(shè)見圖5。
①秸稈捆Straw bundle;②暗管Conceal conduit;③回填土Refilled soil;④沙層 Sandy layer;⑤碎石層 Breadstone layer;⑥截留埂 Earth bund.圖5 截留埂和滲井組合系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig.5 Schematic of the earth bund and seepage pit system
9)出口防護(hù)。暗管需一直延伸到農(nóng)田排水溝渠或自然溝道處,保證排水暢通,需對暗管出口加固。溝口端需填埋至少橫向1 m厚的壓實(shí)土體,也可修筑漿砌石護(hù)坡墻體防護(hù)。
1) 應(yīng)用案例。
為了驗(yàn)證完善后的工程效果,在典型黑土帶的中部,漫川漫崗黑土區(qū)核心地帶,松嫩平原糧食核心產(chǎn)區(qū),也是溝道侵蝕嚴(yán)重區(qū)域的黑龍江省海倫市前進(jìn)鄉(xiāng)光榮村(E 126°49′56.71″,N 47°21′22.52″),建設(shè)一條秸稈填埋復(fù)墾試驗(yàn)示范溝。侵蝕溝為發(fā)育于耕地中的小型溝,溝下端與橫向交叉的一條大型溝連接,切溝長280 m,寬約3 m,深1.5 m,上端與2條分叉的淺溝相連,淺溝長各約100 m,達(dá)分水嶺處。土壤屬典型黑土,黑土層厚度約30 cm,過渡層40 cm,下為母質(zhì)層,深約8 m。橫坡壟作,種植作物為玉米和大豆。
秸稈打捆:秸稈來源于溝周圍2 km內(nèi)的玉米地,聯(lián)合收割機(jī)收獲后,玉米秸稈被粉碎后均勻拋撒于地表,利用秸稈打捆機(jī)收集打捆,打捆繩采用耐腐爛的塑料繩,盡量打成最為緊實(shí),秸稈捆規(guī)格隨打捆機(jī)定,設(shè)為40 cm×50 cm×60 cm,緊實(shí)度控制在不<230 kg/m3。
溝道整形:依據(jù)溝道自然形狀,將整形后的溝寬設(shè)定為3.5 m和2 m兩個(gè)寬度,采用日立120挖掘機(jī),將前者挖成長120 m深2.0 m和后者長160 m深1.5 m 2個(gè)矩形斷面溝段。
暗管布設(shè):暗管選取塑料排水盲管,管壁是由塑料絲編織而成,透水性極佳,外部土工布包裹,單管長2 m,管間用帶皮金屬線連接,直至溝底出水口,溝底比降3%~5%。
秸稈填埋:下端寬體段秸稈捆鋪設(shè)3層,上端窄體段秸稈捆鋪設(shè)2層。
攔截埂和豎井:共布設(shè)2道,分別位于距溝尾120 m和200 m處,單井規(guī)格2 m×1 m,內(nèi)填直徑2 cm左右的碎毛石,上覆約20 cm厚的粗沙。
出口防護(hù):以暗管出口為中心,修筑磚混擋墻。
修復(fù)溝毀耕地再造面積740 m2,工程投資2.53萬元,每再造1 m2耕地35元。工程量見表1,復(fù)墾后效果見圖6。
填埋后的原侵蝕溝位田面全部恢復(fù)了作物種植,保證了農(nóng)業(yè)機(jī)械通行。除封凍外,暗管連續(xù)排水,降雨期增大。在2018年的豐水年,也未重新成溝,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,取得了預(yù)期效果,實(shí)現(xiàn)了溝毀耕地再造。
表1 示范溝復(fù)墾工程量Tab.1 Rehabilitation engineering amount of demonstration gully
圖6 侵蝕溝填埋后的耕地Fig.6 Farmland after gully refilled by straw and soil
2) 區(qū)域應(yīng)用。
東北黑土區(qū)當(dāng)前已成為國家重大的商品糧基地,成為保障國家糧食安全的“壓艙石”,鑒于長期高強(qiáng)度掠奪式經(jīng)營,導(dǎo)致的黑土退化,尤其是水土流失導(dǎo)致的黑土層變薄,溝毀耕地,嚴(yán)重威脅著東北糧食產(chǎn)能,近幾年,國家相繼啟動(dòng)了黑土地保護(hù)試點(diǎn)工程、東北黑土區(qū)侵蝕溝治理專項(xiàng)工程、黑土地整治工程、秸稈綜合利用工程等,以實(shí)現(xiàn)東北農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。侵蝕溝填埋復(fù)墾技術(shù)已被納入上述工程,在黑龍江省寧安黑土地保護(hù)試點(diǎn)、遼寧省開原市侵蝕溝治理專項(xiàng)、黑龍江省紅光農(nóng)場黑土地整治工程中得以規(guī)模化應(yīng)用,深受所在地農(nóng)民的歡迎,截至目前,已在東北累計(jì)修復(fù)耕地中的侵蝕溝300余條,再造耕地近1.33 km2[4]。
圖7 黑龍江省引龍河農(nóng)場耕地中侵蝕溝及可復(fù)墾侵蝕溝Fig.7 Gullies and rehabilitated gullies in the farmland of Yinlonghe State Farm, Heilognjiang province
1) 適用范圍。
侵蝕溝的發(fā)育取決于其臨界條件,由其匯水面積和坡度決定[13-14]。填埋復(fù)墾后的侵蝕溝臨界條件沒有改變,在未采取坡面水土流失防治措施的前提下,溝道匯流量并未改變,仍存在重新發(fā)育侵蝕溝的可能,因此減弱或消除地表徑流沖刷是復(fù)墾成功與否的關(guān)鍵。本侵蝕溝復(fù)墾工程技術(shù)采取的解決途徑一是通過控制表土覆蓋厚度增加修復(fù)溝道區(qū)滲水速率,二是修筑滲井和布設(shè)暗管導(dǎo)排水系統(tǒng),變地表徑流為地下暗管排水,以此實(shí)現(xiàn)減弱或消除地表沖刷,阻止再次成溝,達(dá)到修復(fù)溝毀耕地,從而實(shí)現(xiàn)復(fù)墾的目的。然而該導(dǎo)排水能力不可能無限大,首先表層覆土不能過厚或過薄,厚度愈薄,土壤水入滲能力愈強(qiáng),但不利于作物種植,也不抗機(jī)械碾壓;覆土過厚,雖有利于作物種植和機(jī)械行走,但降低了水入滲能力。通過廣泛調(diào)研和田間實(shí)測,最后將表層厚度確定為50 cm為佳。滲井和布設(shè)暗管導(dǎo)排水能力也受滲井?dāng)?shù)量、暗管直徑、暗管比降等限制。
溝道匯水量是本工程是否適用的關(guān)鍵衡量指標(biāo)。自然形成的侵蝕溝大小與侵蝕溝匯流量極其相關(guān),即侵蝕溝的大小可直觀反映匯流量?;诮斩捥盥窈笮Ч恼{(diào)查,小型溝能夠滿足排水量要求,同時(shí)為了便于實(shí)施者的選取,以溝道大小和溝深作為適用判定指標(biāo),適用復(fù)墾的侵蝕溝需滿足:①水土流失嚴(yán)重地區(qū)的淺溝和中小型切溝,包括坡耕地中、耕地邊、道路邊等股流較小的侵蝕溝或支溝,不宜在大型溝應(yīng)用;②侵蝕溝深度不超過2 m;③侵蝕溝所在地土層厚度不<1 m。
2)應(yīng)用前景。
東北黑土區(qū)侵蝕溝以中小型為主,且多形成于耕地中,為本工程的應(yīng)用提供了廣闊空間。以技術(shù)發(fā)源地黑龍江省引龍河農(nóng)場為例,耕地面積2.3萬hm2,實(shí)測侵蝕溝447條,溝毀耕地面積92 hm2,占總耕地的0.4%。依照工程適用條件,396條可復(fù)墾,占侵蝕溝總數(shù)量的88.6%;可再造耕地77.2 hm2,占總溝毀耕地面積的83.9%(圖7)。以每m2工程造價(jià)50元計(jì),需投入資金3 860萬元。以每hm2年種植糧食收益1.2萬元計(jì),需41年收回成本。雖單純經(jīng)濟(jì)回報(bào)期較長,但每年可增收糧食69.5萬kg,實(shí)現(xiàn)秸稈還田70萬t,尤其是解決了侵蝕溝阻礙大機(jī)械作業(yè)的問題,對保障現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)保護(hù)工作有效推進(jìn)乃至化解社會(huì)糾紛起到積極的作用。
侵蝕溝填埋復(fù)墾工程是一項(xiàng)東北黑土區(qū)獨(dú)具特色的涵蓋水土保持、農(nóng)田生態(tài)修復(fù)、土地整理、糧食產(chǎn)能建設(shè)、資源高效利用及鄉(xiāng)村振興的創(chuàng)新技術(shù)體系,可應(yīng)用性強(qiáng)。通過侵蝕溝復(fù)墾,有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):實(shí)現(xiàn)了耕地整理,增加了耕地面積提高糧食產(chǎn)量;平整了土地,解決了農(nóng)機(jī)行走問題,提高了農(nóng)機(jī)效率;創(chuàng)建了秸稈還田新模式,保護(hù)了環(huán)境,減少碳排放和霧霾的形成;修復(fù)了耕地,避免了用地矛盾,有利于社會(huì)和諧;實(shí)現(xiàn)了坡耕地水保高效種植,保障了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。被地方管理者和農(nóng)民接受,應(yīng)用前景廣。
國家給東北的首要任務(wù)是保證國家糧食安全,要求面積不能少,黑土不退化。東北黑土區(qū)勢必面臨糧食生產(chǎn)的長期高壓態(tài)勢,所以只能走保護(hù)性利用的可持續(xù)發(fā)展道路,修復(fù)受損耕地。退化黑土保育是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。據(jù)測算,東北黑土區(qū)60萬條侵蝕溝中,20萬條上的侵蝕溝可通過本工程措施修復(fù),可再造并恢復(fù)耕地1 333 km2,增糧6億kg/a,對保障國家糧食需求起到應(yīng)有的作用。此外,本工程還可適用于我國其他生態(tài)類型區(qū),可供溝毀耕地修復(fù)工程所借鑒。
1)變地表徑流為地下導(dǎo)排水系統(tǒng)是溝毀耕地再造的關(guān)鍵。將草地和森林開墾為農(nóng)田,導(dǎo)致匯流量增大、匯流時(shí)間短、沖刷力增強(qiáng)是侵蝕溝形成的根本原因。在土地利用不改變的前提下,填埋消除侵蝕溝,并未消除侵蝕溝發(fā)生的流水動(dòng)能,溝道仍會(huì)重新發(fā)育。通過工程措施,削弱徑流動(dòng)能,是阻止侵蝕溝形成的根本途徑。筆者所構(gòu)建的秸稈填埋侵蝕溝復(fù)墾工程,組建了地表垂直入滲、滲井+暗管導(dǎo)排水體系,極大地削弱了地表沖刷,不再形成沖刷溝,使得填埋復(fù)墾得以實(shí)現(xiàn)。
2)耕地中的侵蝕溝可通過秸稈填埋實(shí)現(xiàn)溝毀耕地再造復(fù)墾。侵蝕溝不但損毀耕地,減少種植面積,還造成耕地支離破碎,降低農(nóng)機(jī)作業(yè)效率。土地使用者治理需求迫切,每年秋整地時(shí)常以表土回填,多第二年再次沖刷成溝,耕地中的侵蝕溝成為困擾著農(nóng)民的難題。就近利用豐富的秸稈資源,打捆壓實(shí)后緊實(shí)碼放于侵蝕溝,具有不坍塌且有良好的導(dǎo)排水功能。通過表層覆土,消除侵蝕溝,恢復(fù)種植的同時(shí),保證了機(jī)械行走;因此,秸稈填埋復(fù)墾技術(shù)是一項(xiàng)操作簡單、可復(fù)制、可規(guī)模化應(yīng)用的實(shí)用技術(shù),已被國家黑土地保護(hù)、侵蝕溝治理、土地整治等重大工程所采納,將成為東北糧食產(chǎn)能和生態(tài)安全建設(shè)的重要措施。