“排水保土”探索與實踐

程 冬 兵，張 平 倉，孫 寶 洋，丁 文 峰，黃 金 權，湯 崇 軍

(1.長江科學院 水土保持研究所，湖北 武漢 430010； 2.江西省水利科學院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029)

0 引 言

中國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一，量大面廣。由于復雜多變的氣候類型和地形地貌特征，水土流失類型多樣，成因復雜，水土保持工作任務尤為艱巨。新中國成立以來，黨和國家高度重視水土保持工作，投入了大量人力、物力和財力，推動水土保持事業(yè)取得了長足發(fā)展[1]。然而，目前水土流失防治工作依然艱巨，在當前生態(tài)文明建設重大戰(zhàn)略部署的時代背景下，水土保持作為其重要組成部分，急需加快水土流失治理進程，進一步豐富發(fā)展水土保持理論和創(chuàng)新水土保持技術。

長期以來，由于黃土高原和黃河流域水土流失的特殊性，中國水土保持工作很長一段時間主要集中在黃土高原區(qū)域，眾多專家和學者投入大量精力研究了該區(qū)域的水土流失規(guī)律和水土保持措施，結合不斷實踐，形成了較為完善的水土保持理論體系和防治措施體系[1]。其中，最核心的思想即為“蓄水保土”[2]，強調“全部降水就地入滲攔蓄”，充分利用深厚土層的蓄水能力，通過各種攔擋截留為主的措施，促進降水全部就地入滲，以此消除外營力，扼制水流沖刷搬運，實現(xiàn)保持土壤的目的?！靶钏Ｍ痢敝攸c在“蓄”，關鍵是有深厚或較厚的土層，具備蓄水的條件。當降水量較小時，因為只要有一定的蓄水能力即可，對于土層要求更加寬泛，適用范圍更加廣泛。該方針在具有深厚土層的黃土區(qū)取得了顯著成效。過去由于其他區(qū)域研究較為缺乏，基于黃土高原的水土保持理論體系和防治措施體系作為學科和行業(yè)的基準向全國各區(qū)域推廣應用，取得了顯著成效，且一直沿用至今。近年來隨著其他區(qū)域研究的深入和學科的發(fā)展，以及水土保持工作精細化推進，有些區(qū)域逐漸意識到“蓄水保土”不是萬能的，尤其是南方降水量大、土層薄的地方，基于“蓄水保土”水土保持技術體系實際保土效果并不太理想，逐漸引起有些專家學者開始思索新的水土保持方針理念。

1 “排水保土”由來

張平倉于2002年分析三峽庫區(qū)秭歸縣王家橋小流域產流產沙機制時，指出長江中上游地區(qū)多年來的土壤保持工作仍按照黃土高原的許多水土保持的觀點，重點放在坡面保水保土方面，效果并不顯著。首先因土壤蓄水能力有限而很難實現(xiàn)，再是過多的水份將使坡面土壤飽和而加劇流失。因此在長江中上游地區(qū)不能按照黃土高原水土保持的觀點進行保水保土。他首次提出土壤保持應該提倡“保土排水”(也叫“保土減水”)的觀點，保土的關鍵應該是減少土壤水分入滲和壤中流對土壤的作用，所以坡面應該以排水、減少土壤水分入滲和壤中流形成為主減少土壤入滲[3]。2004年張平倉在探討長江中上游水土流失基本問題中，再次重申長江中上游地區(qū)水土保持應提倡“排水保土”(將“保土減水”調整為“排水保土”)[4]。2009年“十一五”科技支撐項目“長江上游坡耕地整治與高效生態(tài)農業(yè)關鍵技術實驗示范”啟動實施，“排水保土”得到進一步探索應用，研發(fā)了半透性截水溝、“大橫坡+小順坡”等技術，并在此基礎上總結提出了“坡地高效生態(tài)農業(yè)的基礎設施配套技術”[5]。而后張平倉團隊依托水利部技術示范項目、重點研發(fā)計劃項目等相關科研項目[6]，一方面對“排水保土”理論進行進一步驗證，另一方面向對以“排水保土”為理論指導的治理技術體系向整個長江流域及南方進行推廣試驗。結果表明，基于“排水保土”的水土保持規(guī)劃布局與措施體系，在南方地區(qū)較傳統(tǒng)的“蓄水保土”措施土壤保持效果更加顯著[6]。2020年，張平倉等進一步總結提出了基于“排水保土”的長江流域水土流失治理方略，即“徑流截排池蓄，米糧下地上梯，林果上坡進岔，樹草上山下溝，坊壩堵溝治崗”[7]。

經過多年不斷實踐和推廣，“排水保土”逐漸為學界和水土保持從業(yè)人員所了解和接受，現(xiàn)已基本形成共識，并逐漸應用到實際防治工作中。史東梅[8]在探討紫色丘陵區(qū)坡耕地耕作因子取值時，肯定土壤保持基本方針為“保土減水”，坡面應以排水、減少土壤水分入滲和壤中流形成為主。鮑玉海等[9]指出西南紫色土區(qū)水土流失治理的關鍵是坡耕地整治，而且隨著對紫色土坡地水土流失機制認識的不斷深入，對地表徑流以攔蓄為主逐漸演變?yōu)榕潘Ｍ?、先排后蓄、蓄以為用的徑流調控方式。

2 “排水保土”內涵

“排水保土”指充分利用以截排水溝為主的坡面截排蓄工程，對坡面地表徑流和壤中流進行安全有效快速排導，減少土壤水分入滲和壤中流的數(shù)量及對土壤作用時間，扼制或減少水土流失發(fā)生的地表徑流沖刷外動力和壤中流的潛蝕作用，保護土壤抗蝕內聚力，從而實現(xiàn)坡面土壤結構穩(wěn)定，保護坡地土壤資源。筆者認為其內涵主要包括以下幾個方面：

(1) “排水保土”體現(xiàn)了水土保持“因地制宜”的方針。中國地域遼闊，自然環(huán)境差異大，尤其是南北方之間，不僅外營力存在顯著差異，而且土壤侵蝕對象土壤類型及下墊面狀況完全不同，勢必造成水土流失發(fā)生機制和水土保持對策也會有所不同?！芭潘Ｍ痢笔窃趯δ戏狡毡橥翆虞^薄、雨量較大情況下水土流失機制新認識的基礎上提出的新的水土保持策略，極大豐富了水土保持理論，有力推動了水土保持學科發(fā)展和水土保持工作精細化管理。

(2) 排水是方法手段，保土是目的。降雨水量豐富、土層薄時，一方面蓄水能力有限，降水無法全部蓄存，另一方面多余的水產生的地表徑流和壤中流，對高含水量的土壤會造成嚴重的水土流失。通過排導出多余水，切斷外營力或降低外營力的強度，實現(xiàn)保持土壤的目的。

(3) “排”是指截水、排水、引水的統(tǒng)稱，適當考慮灌溉用水的需求，配套一定的蓄水工程。特別強調以“排”為主，以“蓄”為輔，排水并非是將所有的水都廢棄不用，還要滿足基本的生產用水。

(4) “水”包括降水以及其產生的地表徑流和壤中流。它是土壤侵蝕發(fā)生的外營力，水的多少可能直接決定了水土流失發(fā)生的嚴重程度。通過截排蓄工程，變害為利，將外營力的水轉化為水資源。

(5) “?！敝饕副３帧⒈Ｗo，以及改良等含義。將土壤保持在原位就是保護，控制土壤含水量，改善土壤結構，提高抗蝕性就是改良。

(6) “土”主要指土壤資源，是生存之本。在土層薄的區(qū)域，土壤資源缺乏，直接影響當?shù)氐霓r林業(yè)發(fā)展，保護好土壤資源意義重大。

(7) “排水保土”與“蓄水保土”相同點都是以保護土壤、防止土壤流失為目標。二者的不同點，“蓄水保土”重點在“蓄”，主要適應于深厚或較厚的土層的水力侵蝕區(qū)域，強調具備較好的蓄水的條件，保土效果更佳。當降水量較小時，因為只要有一定的蓄水能力即可，對于土層要求更加寬泛，適用范圍更加廣泛?！芭潘Ｍ痢敝攸c在“排”，主要適用于降水量豐富、土層較薄的水力侵蝕區(qū)域，強調具備較好的快速排水條件，也適用于無蓄水需求時水土流失防治。

(8) “排水保土”與“蓄水保土”適用范圍原則上全國通用，沒有嚴格區(qū)分南北方，只是由于南北方自然條件和下墊面總體特征表現(xiàn)的規(guī)律性，“排水保土”與“蓄水保土”的適用范圍也大體表現(xiàn)出南北方的規(guī)律性，但并不是絕對的。南方大部分地區(qū)降水量豐富、土層較薄，符合“排水保土”的適用條件，南方也同樣有一些地區(qū)土層較厚，符合“蓄水保土”的適用條件，所以南方地區(qū)主要以“排水保土”為主，“蓄水保土”為輔。北方尤其是西北黃土高源，土層深厚，符合“蓄水保土”的適用條件，而像北方土石山區(qū)等區(qū)域，土層較薄，更符合“排水保土”的適用條件，所以北方地區(qū)主要以“蓄水保土”為主，“排水保土”為輔，全國不同區(qū)域根據降水條件和下墊面等具體條件因地制宜確定，甚至同一區(qū)域不同地塊下墊面條件不同，也應因地制宜選擇“排水保土”與“蓄水保土”。

(9) 鑒于生產建設項目的特點及水土流失防治需求，“排水保土”的方針也適用于生產建設項目水土流失防治，尤其是施工期要經歷雨季時，應重點強化臨時截排水溝等為代表的“排水保土”技術措施。

3 “排水保土”技術示范

3.1 示范區(qū)概況

依托水利部技術示范項目，在江西省寧都縣石上鎮(zhèn)池布村池布小流域開展坡耕地“排水保土”技術示范。示范區(qū)距離寧都縣城25 km，屬于典型的南方紅壤區(qū)，多年平均降雨量1 630 mm。示范區(qū)占地面積15 000 m2，土壤類型為紅壤，成土母質為第四系紅黏土，土壤總體呈現(xiàn)酸、黏、板、瘦等特性，土壤較為黏重，呈酸性，營養(yǎng)元素缺乏。原土地利用類型為坡耕地，以順坡耕作為主，主要種植油菜、芝麻等作物。原地塊較為破碎，地形坡度在5°～15°之間(大部分在10°左右)。

3.2 關鍵技術原理

3.2.1半透水型截水溝

半透水型截水溝上溝壁保持原土面(或用自然毛石堆砌或其他方式)透水加固，保證上坡壤中流可自然排出，下溝壁、溝底磚砌或混凝土或其他不透水方式，具備一定防滲抗沖強度，達到既能截、排地表徑流，又能排、攔壤中流的目的。下溝壁稍高于原土壤坡面，配套設計田間道路，便于田間作業(yè)通行。根據野外定位觀測，該截水溝徑流收集效率比傳統(tǒng)方法收集徑流提高12%～15%，與傳統(tǒng)坡改梯相比，增加了10%的耕地面積，且建造成本節(jié)省40%[7]。

圖1 半透水型截水溝剖面圖

3.2.2抗蝕增肥技術

抗蝕增肥技術的核心為抗蝕增肥劑，可與其他植生方法結合，噴灑于坡面上，形成彈性多孔結構固結層，能有效地防止坡面因雨水打擊和徑流沖刷而受到侵蝕，且不影響植物(作物)的生長。目前廣泛應用的抗蝕增肥劑種類較多，應根據實際情況選用合適的抗蝕增肥劑。本次技術示范選擇了兩種抗蝕增肥劑[10-11]：

(1) 改性親水性聚氨酯樹脂(W-OH)，呈淡黃色至褐色油狀體，以水為溶劑，與水反應生成具有良好力學性能的彈性凝膠體，其主要技術參數(shù)如表1所列。

表1 W-OH主要技術參數(shù)

(2) 環(huán)境友好型新型多糖高分子材料(SA-01)，以海藻多糖材料為基材制得的乳白色粉末狀固體，以水為溶劑，可與水以任意比例互溶，其水溶液透明無味且具有一定黏度。該材料加入土壤后能在土壤表面產生厚度可調的透水透氣的固結保護層(見表2)。

表2 新型多糖SA-01主要技術參數(shù)

3.3 規(guī)劃布局

在詳細勘測地形地貌的基礎上，按照筆者前期提出的“排水保土”的坡耕地治理布局[7]，以“調控坡面徑流”為核心，重點對半透水型截水溝和抗蝕增肥劑技術進行示范推廣。

示范區(qū)根據功能主要劃分為技術示范區(qū)和實驗觀測區(qū)，如圖2所示。其中技術示范區(qū)設置了半透水型截水溝、排水溝、沉沙池、田間道路等技術集成示范區(qū)，及以新型多糖和W-OH為代表的新材料示范區(qū)等；實驗觀測區(qū)共設置了6個徑流小區(qū)(水平投影面積2 m×8 m，坡度為10°)，即：對照、順坡耕作、橫坡耕作、順坡耕作+半透水型截水溝、新型多糖和W-OH，用于排水保土效益對比評估(見圖3)。示范區(qū)內按當?shù)馗髁晳T正常耕種。示范區(qū)于2018年4月正式開工建設，2018年10月完工，2018年下半年正常種植作物。其中實驗觀測區(qū)2018年6月完工，沉降半年后，2019年正式開始實驗觀測，直到2020年12月結束。

圖2 示范點措施布局示意

圖3 實驗觀測區(qū)徑流小區(qū)設計示意

3.4 效益評價

3.4.1排水保土效益

根據技術示范區(qū)直觀反映，基于“排水保土”的措施布局體系水土保持效益明顯，小流域下游水質清澈，泥沙顯著減少。為進一步量化效益指標，根據2019～2020年實驗觀測區(qū)資料，整理了5次典型降雨事件，分別為1次中雨(13.2 mm)、2次大雨(32.9 mm和46.8 mm)、1次暴雨(95.3 mm)、1次大暴雨(110.1 mm)，對比分析不同處理產流量和產沙量。

對于產流量，如圖4所示，總體上順坡耕作小區(qū)產流量最大，橫坡耕作小區(qū)產流量最小。順坡耕作有利于產匯流發(fā)生和水流運動，導致產流量最大，而橫坡耕作通過截短坡長，改變水流方向，延緩了徑流時間，導致水分入滲較多，從而減少了坡面產流。順坡耕作+半透水型截水溝小區(qū)，由于在順坡耕作的基礎上，橫向設置了半透水型截水溝，一定程度上消減了部分的水流流速，但半透水型截水溝主要功能還是排水，產流量只是比順坡耕作小區(qū)稍小。新材料新型多糖和W-OH小區(qū)，通過改變土壤表面結構形成了保護層，比原土壤坡面糙率更小，更易發(fā)生產匯流，相比對照小區(qū)，產流量要大。兩種材料小區(qū)之間，產流量差異不明顯，同時與順坡耕作+半透水型截水溝小區(qū)產流量也基本相當。

圖4 不同處理措施下產流量對比

對于產沙量，如圖5所示，總體上順坡耕作小區(qū)產沙量最大，對照小區(qū)稍小，新材料小區(qū)產沙量最小。橫坡耕作、順坡耕作+半透水型截水溝小區(qū)，由于橫向攔截作用，大大消減了水流沖刷力和泥沙搬動，從而減少了土壤侵蝕。且半透水型截水溝具有良好的疏導排水作用，所以順坡耕作+半透水型截水溝小區(qū)保土效果更佳。新材料新型多糖和W-OH小區(qū)，由于在土壤表面形成保護層，有效減少土壤破壞和搬運，從而減少土壤侵蝕的發(fā)生，所以保土效果最好。兩種材料小區(qū)之間產沙量差異不大。

圖5 不同處理產沙量對比

不同降雨場次之間，各小區(qū)規(guī)律特征基本一致，隨降雨量增大，各小區(qū)之間產流量和產沙量差異越明顯。

根據觀測結果統(tǒng)計分析(見表3)，相比對照小區(qū)，順坡耕作、順坡+新型截水溝和新材料小區(qū)有利于排水，增加排水效益達25%～48%，但橫坡耕作小區(qū)有阻礙排水的表現(xiàn)，減少排水效益9.4%。在保土減沙方面，相比對照小區(qū)，除順坡耕作小區(qū)外，橫坡耕作、順坡+新型截水溝和新材料小區(qū)均表現(xiàn)明顯保土效益，最高保土效益近70%，尤其是順坡+新型截水溝和新材料等新技術小區(qū)保土效益均在50%以上，可有效阻控坡耕地土壤流失。

表3 不同處理方式下排水保土效益分析

3.4.2投入產出效益

在投入產出方面，據初步框算，單位面積建設成本大約60 000元/hm2(4 000元/畝)，是傳統(tǒng)坡改梯治理投入的一半。根據2019～2020年調查統(tǒng)計，平均一年內單位面積作物產量油菜籽達4 500斤/hm2(300斤/畝)和芝麻3 000斤/hm2(200斤/畝)，是之前未治理的近2倍，按市場價油菜籽4元/斤，芝麻8元/斤，一年每畝地可增收約1 500元。2～3 a，即可沖抵建設成本，而后可一直保持較高的土地產生率。

同時，通過技術示范，當?shù)剞r民和水土保持部門認為該技術體系簡單易懂、易實施，施工期對耕種影響較小，容易被當?shù)剞r民接受。

4 結論與展望

4.1 結 論

(1) “排水保土”理論是基于多年實踐總結發(fā)現(xiàn)而來，體現(xiàn)了水土保持“因地制宜”的方針，豐富了水土保持理論，有力推動了水土保持學科發(fā)展和水土保持工作精細化管理。

(2) “排水保土”主要適用于降水量豐富、土層較薄的水力侵蝕區(qū)域，也適用于無蓄水需求時水土流失防治。對生產建設項目水土流失防治也具有積極參考意義。

(3) 基于多年實踐，提出了以半透水型截水溝和抗蝕增肥技術為代表的坡耕地排水保土關鍵技術，通過技術示范顯示具有顯著的保土效益，為梯田建設條件不適宜或經濟條件受限等地區(qū)的坡(耕)地水土流失治理提供了多元化治理方案。

4.2 展 望

(1) “排水保土”理論基礎和措施體系亟待豐富完善?！芭潘Ｍ痢睆奶岢龅浆F(xiàn)在，大約經歷了20 a醞釀和發(fā)展，理論基礎和措施體系還不健全，學術界和行業(yè)內熟知度亟待提高，一方面需要進一步強化專項基礎研究和技術研發(fā)，豐富完善理論基礎和措施體系；另一方面進一步擴大適用性驗證，結合示范推廣，加大宣傳引導，提高“排水保土”的認知度。

(2) 加強對生產建設項目水土流失防治的應用推廣。目前“排水保土”相關研究實踐主要圍繞生態(tài)治理項目開展，還未在生產建設項目水土流失防治中進行試驗或應用。后期項目組將嘗試開展相關工作，進一步豐富完善生產建設項目水土保持理論和措施體系。