黄土高原区壤中流综合调控技术与实践探索

马卫鹏

摘要    研究和探索适合黄土高原区土地综合整治的科学方法具有十分重要的理论和实践意义。本文介绍了壤中流的含义和特征，分析了黄土高原区壤中流综合调控技术机理，并以延安市宝塔区南泥湾镇九龙泉项目为例，介绍了壤中流综合调控技术工程实践情况，探讨了工程实践后的社会效益、生态效益和经济效益，提出了壤中流研究未來发展方向。该研究可为土地工程科研人员提供参考，也可为黄土高原其他地区实施治沟造地提供有益借鉴。

关键词    壤中流;综合调控;工程示范;黄土高原

中图分类号    S27        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）22-0118-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    It is of great theoretical and practical significance to study and explore the core technologies of land consolidation in Loess Plateau area. In this paper，the meaning and characteristics of interflow were introduced and the technical mechanism of comprehensive regulation and control of interflow in Loess Plateau was analyzed. Taking the Jiulongquan Project in Nanniwan Town，Baota District，Yan′an City as an example，the research focused on the engineering practice of comprehensive regulation and control of interflow，discussed the social，ecological and economic benefits after the engineering practice，and the future development direction of research on interflow was put forward，which can not only provide references for land engineering researchers，but also were beneficial for inplementing gully control and land creation projects in other regions in Loess Plateau.

Key words    interflow;comprehensive regulation and control;engineering demonstration;Loess Plateau

黄土高原地跨晋、陕、甘、宁、内蒙、青、豫七省（区），是中国典型的生态环境脆弱带，也是世界上水土流失最严重的地区，沟道众多、类型复杂[1]。黄土高原区耕地生产力水平低下及水土流失等问题，导致耕地面积减少、粮食减产，严重制约着农业的可持续发展和农民的增收致富。事实上，水土流失形成的黄土高原沟道中的土地肥沃，十分适宜农作物生长，耕地后备资源丰富[2]。然而，在治沟造地过程中发现黄土高原沟壑区存在着丰富的壤中流。壤中流的产生导致有限的水资源渗漏和流失，致使土壤次生盐渍化，对土壤有机质和养分的迁移和分布产生重要影响，并且会破坏农田基本设施，造成粮食减产，探讨壤中流的调控机理，对指导黄土高原区开展土地整治具有十分重要的理论和现实意义。一些专家学者对不同区域不同土壤类型的壤中流进行了研究，并得出了一些研究成果。如刘祥章[3]研究认为，在降雨量不变的条件下，壤中流持续时间、流出数量、径流系数与降雨的强度成负相关关系。耿洁[4]研究表明，红壤黏粒含量较高，质地黏重，土壤水分流动相比黄棕壤缓慢。贾海燕等[5]研究发现，紫色土坡耕地壤中流十分活跃，土质越松散，壤中流流量越大。尹忠东等[6]研究表明，壤中流量与雨量、雨强、降雨历时、初渗雨量成正相关关系。曹程鹏等[7]研究表明，在质地条件不变的情况下，影响壤中流强度的关键因素是坡度，坡度越大，壤中流越显著。本文在借鉴相关研究成果的基础上，对黄土高原区壤中流机理进行研究，并用实例进行了验证，以期通过探索黄土高原区土地综合整治核心技术，破解“退耕还林与农业发展争地”难题，实现生态环境保护和耕地保护、粮食安全协调发展。

1    壤中流的含义和特征

壤中流是坡面径流的主要组成部分和水分在土壤内部的运动过程[8]，主要发生在不同层次土壤或有机质的不连续界面上。界面以下土层是透水性较差的相对不透水层。下渗水流在不连续界面上受阻积蓄，形成暂时饱和带，发生壤中流。影响因素有土的物理特性、层次和厚度等。伴随着壤中流发生的往往是流域土壤养分流失、灾害预报、径流产生、水土流失和流域水资源的充分利用等[9]。壤中流包括水分在土壤内的垂直下渗和水平侧流，它与地表径流、地下径流一起构成流域的径流过程[10]。壤中流不仅可以改变降雨—径流关系，使地表侵蚀状况发生相应变化，而且会对坡面养分的输出特征产生影响，土壤养分借助壤中流进入相邻受纳水体，造成一定的水体污染。

壤中流是一种多孔介质中的水流运动，其流动的速度慢于地表径流的速度。在降雨形成径流的过程中，壤中流的集流过程缓慢，有时可持续数天、几周甚至更长时间。当壤中流占一次径流总量较大比例时[11-13]，将使径流过程变得比较平缓。

2    黄土高原区壤中流综合调控技術机理

在黄土高原地区，壤中流综合调控技术是基于土体有机重构核心理论，综合沟道拦蓄水库、排洪沟、截水沟、灌排两用渠等灌排措施[14]，对沟道地表水、土壤水和地下水资源的无动力调控与利用，提高水资源的利用效率，实现治沟造地农田墒情的适时调节，保护沟道农田免受洪涝、干旱、泥石流等水土流失灾害的影响。通过对土壤持水性和土体壤中流研究，实施土地平整工程、灌溉排水工程、田间道路工程、农田防护与保护工程等，在田块落差较大的地方进行截水沟挖取，截断上游地块土体壤中流对下游地块的影响，同时控制截水沟水位，调节地下水，兼顾“旱时蓄，涝时排”2个功能。通过“拦、蓄、排”三者相结合的方式，科学布设拦水坝、蓄水池、灌排设施，解决了水源和灌溉排水问题[15]。采取工程技术和生物措施，提高土体稳定性，对壤中流进行有效的控制和蓄流，增强土壤抵抗土壤中水分运动对其的搬移和运输能力，减少土壤侵蚀，减轻养分流失和自然灾害发生几率，提高土壤水资源利用效率。在灌排两用渠的实施过程中，在渠上铺设盖板，一方面为生物提供了可以顺畅通行的生命廊道，有利于保持田块间的生态平衡;另一方面便于游客深入田块，近距离感受田间自然风光。

在延安治沟造地过程中，受沟道山体降水汇流作用影响，天然降水后汇流作用将引起治沟造地土壤含水量增加，农田易受到洪涝灾害影响。利用综合调控系统，拦蓄水库能有效缓冲沟道汇流对农田的冲击，同时起到对水资源的拦蓄和存储作用[16]。降雨量较大超过蓄水警戒时，可打开排洪沟积水闸门，排出多余水量。同时，可通过灌排两用渠将地表积水快速引入排洪沟，可及时减小积水对作物生长的影响。另外，降水后区域地下水位上升，易造成农田盐渍化，截水沟的修建不仅可及时将壤中流通过截水导流排入排洪沟，而且可降低地下水位。

当治沟造地田块干旱时，根据田块梯度逐级关闭排洪沟积水闸门，打开水库阀门，水库中的蓄水进入排洪沟[17]。随着排洪沟水位上升，受水势差影响，排洪沟积水将进入灌排两用渠，最终灌溉进入田块;同时，排洪沟上升的水位还可引入截水沟，提高地下水位，不仅能起到对作物根系的灌溉作用，同时可有效缓解明水灌溉的快速渗漏，快速缓解旱情，提高资源利用效率。

3    壤中流综合调控技术工程示范

3.1    项目区概况

延安市宝塔区南泥湾镇九龙泉项目地处汾川河上游，位于宝塔区南部的梁峁丘陵沟壑区，属河谷川、台地貌[18]。项目南北长7.5 km、东西宽7 km，面积为397.35 hm2，其中耕地面积360.91 hm2。该项目区土壤主要为灰褐土。土壤发育在黄土田质和页岩母质上，剖面层明显，质地轻壤或中壤，上部密实，土壤养分含量高、水分条件好、热量稍低，是良好的森林土壤。

3.2    工程实践内容

3.2.1    土体普探工程。土体普探工程直接影响着整治新增耕地的土壤剖面构造，又进一步影响着新增耕地的质量水平[19-21]。项目区土层厚度存在一定程度的高度差，科研工作者采用普探工程探测土层厚度，采取就近原则，把土层厚度较为相近的田块划分在一起，提升了田块的平整度，实现了田块集中连片，提高了机械化耕作水平，使土地整治工程更加科学合理。

3.2.2    土体有机重构工程。一是坝地修筑。在坝地区，根据淤地坝规模进行田块规格设计。大中型淤地坝内的坝地长80～150 m、宽20～30 m;小型淤地坝内的坝地长25～50 m、宽7～15 m;土地平整度在建设竣工时应控制在±15 cm以内，耕作后宜达到±5 cm以内，田边修筑地边埂。二是条田修筑。在边坡条田区，条田应修筑在土质好、坡度缓、交通方便、邻近水源的沟道两侧坡面，沿等高线集中布置;修筑阶坡式条田时，缓坡区梯田以10～15 m为宜，陡坡区梯田以5～8 m为宜。机械化作业的边坡宽度不宜>6 m（图1）;梯田平整度在建设竣工时应控制在±15 cm以内;田边修筑埂坎，或反坡梯田。对于汇水面积较大的坡面，可因地制宜地布设一定数量的水窖，用以拦蓄道路径流和梯田内排出的雨水，大力发展集雨灌溉农业。三是客土回填。客土土源应尽量接近项目区，减少运输距离，节约运输费用;客土的土壤质地、pH值、物理黏粒含量、砾石含量、容重、有机质含量、速效磷含量、速效钾含量、含盐量等应适宜农作物生长需要，覆土土层厚度一般>60 cm，耕层达到30 cm以上。四是表土剥离与回填。为保持耕作层土壤水肥条件的可持续性，对于田块土层厚薄不均的区域要进行厚度整治。整治过程中首先对挖土厚度>25 cm、填土厚度>50 cm的进行表土剥离，在田块内部另行堆放，然后根据土体厚度进行增加处理，填土完工后再进行回填，以保持耕作层土质不变（图2）。五是田块布局。由于生产路、田间路、排水渠和田坎的间隔，田块被分割为一定规模的各个田块，田块形状以长方形规划设计施工，对于局部边角地带，依据实际地形确定。田块布设统筹考虑塬、沟、坡等多种地形，大弯就势，小弯取直，有利于耕作和机械作业。梯田原则上布置在<15°的坡耕地上，耕地的土层厚度要在50 cm以上，具有良好的保水和保肥能力，适宜农作物生长。六是土地翻耕。针对新增耕地耕作层密实、较坚硬、夹沙夹黏的实际情况，需要进行土壤改良，宜采用机械、蓄力、人工翻耕等1种或多种方法相结合对土壤进行疏松，翻耕深度一般≥30 cm。

3.2.3    灌溉排水工程。受区域气候条件控制，黄土沟道农田具有易旱易涝的特征[22]。特别是治沟造地壤中流的现象，不仅造成水资源的浪费，严重时甚至对农田的质量和安全产生威胁。基于对研究区降雨、沟道壤中流以及边坡径流的综合分析，针对不同径流特征提出具体的调控措施，最终形成治沟造地沟道水资源综合调控技术，实现黄土丘陵沟壑区的节水灌溉理念。

根据当地种植经验，结合实测数据和区域施工条件，在水稻田区域布设灌排一体渠来满足灌溉、排水，灌溉系统拦、蓄、排并用，充分利用壤中流、沟道来水构建拦、蓄、排系统，科学合理布置截水沟，依据实际规划设计拦水坝、蓄水池、排洪渠和灌排设施，灌时蓄水抬高水位，排时沟系贯通，保证了行洪顺畅。

3.2.4    田间道路工程。田间道路面应保证足够的强度和良好的稳定性，其表面应平整、抗滑[23]。项目区一级田间道按混凝土或泥结石道路设计，二级田间道按泥结石道路设计，生产路为素土路面。一级田间道路面宽以4～5 m为宜，二级田间道路面宽以3～4 m为宜，路面高出田面0.3～0.5 m;生产路路面应保证强度高、有良好的稳定性并且平整，一级生产路的路面宽度以2～3 m为宜，二级生产路的路面宽度以1～2 m为宜。

3.2.5    农田防护与生态环境保持工程。由于黄土具有较强的湿陷性，长期侵蚀发育容易崩塌和滑坡，影响坝地耕作[24-25]，甚至威胁群众生命财产安全。为切实增强沟道的稳定性、安全性和生态性，需十分注重农田防护与生态环境建设。本项目布设边坡植物防护工程、岸坡防护工程、沟道治理工程和坡面防护工程，形成集生物防护、工程防护于一体的两用综合防护体系，对沟头、沟底、沟坡及部分梁峁坡面进行全方位防护。

3.3    综合效益分析

3.3.1    社会效益。通过项目的实施，对项目区内的宜农未利用地进行开发和现状耕地的土地整理，增加了耕地面积，提高了耕地质量等级，形成了较完善的田间道路系统、防洪排水系统和农田防护林网[26]，提高了土地利用率和生产能力，提高了项目区内的农业生产条件，促进了南泥湾经济社会发展（图3）;完善了农村基础设施和公共服务设施建设，改善了农村村容村貌，落实了国家扶贫战略。

3.3.2    生态效益。种植包括护路林、护岸林共1.7万株的农田防护林，提高了项目的农田林网覆盖率;农田防护林体系强大的生态防护体系，将有效地防止水土流失，提高了土地的利用率和土地植被覆盖度，改善了生态环境。

3.3.3    经济效益。项目增加了有效耕地面积和农田基础设施;基本控制了水土流失，达到了保水、保土、保肥的“三保田”，显著提高了耕地质量，全面提升了基本农田生产能力。区内水浇地面积由11.16 hm2增加到16.25 hm2，水稻产量也由3 000 kg/hm2增至6 000 kg/hm2，玉米产量由4 500 kg/hm2增至7 500 kg/hm2。

4    壤中流综合调控技术推广应用

运用壤中流综合调控技术在南泥湾建成高标准水田100 hm2，恢复弃耕土地约266.7 hm2，增加了耕地面积，改善了耕地质量，实现了土地资源可持续利用[1，27]。在借鉴南泥湾治沟造地成功经验的基础上，研究团队在延安12个县（区）建设规模约0.8万hm2的国家重大土地整治工程中，结合灌排一体渠和沟道积水—排洪系统，推广应用壤中流综合调控技术，以期实现地表水、壤中流、地下水的协调利用，形成黄土高原区水土资源高效利用技术体系，为其他地区土地工程开展提供技术参考和实践经验，也为土地工程科研人员提供了重要理论依据。

5    结语

延安南泥湾治沟造地项目既是国家治沟造地土地整治重大工程项目的典范，也是采用壤中流核心技术实现黄土高原区生态保护与耕地保护双赢的范例。在南泥湾治沟造地工程实践过程中，科研工作者通过对壤中流的形成机制进行研究，提出了“壤中流无动力调节灌溉”这一理念，实现了土地整治项目区社会效益、经济效益和生态效益，开创了一条利用工程技术在黄土高原沟壑区开展土地综合整治和生态修复的先例，为我国其他地区开展理论研究和工程实践提供了参考。

在人类文明进程中，科学技术的发展是人与自然关系历史演变的重要驱动力。开展土壤水动力学参数分析、土壤壤中流的形成机理与影响因素分析、土壤壤中流出流过程模拟、壤中流诱发地质灾害的机理研究，加强土壤养分以及污染物在壤中流中的运移分析、壤中流调控体系与调控措施等研究，是黄土高原区壤中流无动力调节灌溉的综合调控技术需要进一步研究和探讨的问题。在未来土地工程实践和科研工作中，需要土地工程、水文学等领域的学者，持续开展壤中流无动力调节灌溉重大技术联合攻关，尽快形成指导实践的壤中流基础理论和共性关键性技术，不断提升我国土地工程技术创新水平，促进生态环境状况的持续改善。

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