程 冬 兵，張 平 倉，孫 寶 洋，丁 文 峰，黃 金 權(quán)，湯 崇 軍

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所，湖北 武漢 430010； 2.江西省水利科學(xué)院 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029)

0 引 言

中國是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一，量大面廣。由于復(fù)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(fù)雜，水土保持工作任務(wù)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(cái)力，推動(dòng)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(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)重大戰(zhàn)略部署的時(shí)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(jìn)程，進(jìn)一步豐富發(fā)展水土保持理論和創(chuàng)新水土保持技術(shù)。

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(shí)間主要集中在黃土高原區(qū)域，眾多專家和學(xué)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(jié)合不斷實(shí)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(qiáng)調(diào)“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(jìn)降水全部就地入滲，以此消除外營力，扼制水流沖刷搬運(yùn)，實(shí)現(xiàn)保持土壤的目的?！靶钏Ｍ痢敝攸c(diǎn)在“蓄”，關(guān)鍵是有深厚或較厚的土層，具備蓄水的條件。當(dāng)降水量較小時(shí)，因?yàn)橹灰幸欢ǖ男钏芰纯?，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(xué)科和行業(yè)的基準(zhǔn)向全國各區(qū)域推廣應(yīng)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(xué)科的發(fā)展，以及水土保持工作精細(xì)化推進(jìn)，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(shù)體系實(shí)際保土效果并不太理想，逐漸引起有些專家學(xué)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(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)制時(shí)，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(diǎn)，重點(diǎn)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(shí)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(diǎn)進(jìn)行保水保土。他首次提出土壤保持應(yīng)該提倡“保土排水”(也叫“保土減水”)的觀點(diǎn)，保土的關(guān)鍵應(yīng)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(yīng)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(yīng)提倡“排水保土”(將“保土減水”調(diào)整為“排水保土”)[4]。2009年“十一五”科技支撐項(xiàng)目“長江上游坡耕地整治與高效生態(tài)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)示范”啟動(dòng)實(shí)施，“排水保土”得到進(jìn)一步探索應(yīng)用，研發(fā)了半透性截水溝、“大橫坡+小順坡”等技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)提出了“坡地高效生態(tài)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施配套技術(shù)”[5]。而后張平倉團(tuán)隊(duì)依托水利部技術(shù)示范項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等相關(guān)科研項(xiàng)目[6]，一方面對“排水保土”理論進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，另一方面向?qū)σ浴芭潘Ｍ痢睘槔碚撝笇?dǎo)的治理技術(shù)體系向整個(gè)長江流域及南方進(jìn)行推廣試驗(yàn)。結(jié)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(jìn)一步總結(jié)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(jìn)岔，樹草上山下溝，坊壩堵溝治崗”[7]。

經(jīng)過多年不斷實(shí)踐和推廣，“排水保土”逐漸為學(xué)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(yīng)用到實(shí)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(shí)，肯定土壤保持基本方針為“保土減水”，坡面應(yīng)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(guān)鍵是坡耕地整治，而且隨著對紫色土坡地水土流失機(jī)制認(rèn)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(diào)控方式。

2 “排水保土”內(nèi)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(jìn)行安全有效快速排導(dǎo)，減少土壤水分入滲和壤中流的數(shù)量及對土壤作用時(shí)間，扼制或減少水土流失發(fā)生的地表徑流沖刷外動(dòng)力和壤中流的潛蝕作用，保護(hù)土壤抗蝕內(nèi)聚力，從而實(shí)現(xiàn)坡面土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保護(hù)坡地土壤資源。筆者認(rèn)為其內(nèi)涵主要包括以下幾個(gè)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(jī)制和水土保持對策也會(huì)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(jī)制新認(rèn)識的基礎(chǔ)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(dòng)了水土保持學(xué)科發(fā)展和水土保持工作精細(xì)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(shí)，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(chǎn)生的地表徑流和壤中流，對高含水量的土壤會(huì)造成嚴(yán)重的水土流失。通過排導(dǎo)出多余水，切斷外營力或降低外營力的強(qiáng)度，實(shí)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(dāng)考慮灌溉用水的需求，配套一定的蓄水工程。特別強(qiáng)調(diào)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(chǎn)用水。

(4) “水”包括降水以及其產(chǎn)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(yán)重程度。通過截排蓄工程，變害為利，將外營力的水轉(zhuǎn)化為水資源。

(5) “?！敝饕副３?、保護(hù)，以及改良等含義。將土壤保持在原位就是保護(hù)，控制土壤含水量，改善土壤結(jié)構(gòu)，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(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林業(yè)發(fā)展，保護(hù)好土壤資源意義重大。

(7) “排水保土”與“蓄水保土”相同點(diǎn)都是以保護(hù)土壤、防止土壤流失為目標(biāo)。二者的不同點(diǎn)，“蓄水保土”重點(diǎn)在“蓄”，主要適應(yīng)于深厚或較厚的土層的水力侵蝕區(qū)域，強(qiáng)調(diào)具備較好的蓄水的條件，保土效果更佳。當(dāng)降水量較小時(shí)，因?yàn)橹灰幸欢ǖ男钏芰纯桑瑢τ谕翆右蟾訉挿?，適用范圍更加廣泛?！芭潘Ｍ痢敝攸c(diǎn)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(qiáng)調(diào)具備較好的快速排水條件，也適用于無蓄水需求時(shí)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(yán)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(jù)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(yīng)因地制宜選擇“排水保土”與“蓄水保土”。

(9) 鑒于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的特點(diǎn)及水土流失防治需求，“排水保土”的方針也適用于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治，尤其是施工期要經(jīng)歷雨季時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)化臨時(shí)截排水溝等為代表的“排水保土”技術(shù)措施。

3 “排水保土”技術(shù)示范

3.1 示范區(qū)概況

依托水利部技術(shù)示范項(xiàng)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(shù)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(zhì)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(guān)鍵技術(shù)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(qiáng)度，達(dá)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(shè)計(jì)田間道路，便于田間作業(yè)通行。根據(jù)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(shù)

抗蝕增肥技術(shù)的核心為抗蝕增肥劑，可與其他植生方法結(jié)合，噴灑于坡面上，形成彈性多孔結(jié)構(gòu)固結(jié)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(yīng)用的抗蝕增肥劑種類較多，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用合適的抗蝕增肥劑。本次技術(shù)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(yīng)生成具有良好力學(xué)性能的彈性凝膠體，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 W-OH主要技術(shù)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(chǎn)生厚度可調(diào)的透水透氣的固結(jié)保護(hù)層(見表2)。

表2 新型多糖SA-01主要技術(shù)參數(shù)

3.3 規(guī)劃布局

在詳細(xì)勘測地形地貌的基礎(chǔ)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(diào)控坡面徑流”為核心，重點(diǎn)對半透水型截水溝和抗蝕增肥劑技術(shù)進(jìn)行示范推廣。

示范區(qū)根據(jù)功能主要?jiǎng)澐譃榧夹g(shù)示范區(qū)和實(shí)驗(yàn)觀測區(qū)，如圖2所示。其中技術(shù)示范區(qū)設(shè)置了半透水型截水溝、排水溝、沉沙池、田間道路等技術(shù)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(shí)驗(yàn)觀測區(qū)共設(shè)置了6個(gè)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(nèi)按當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣正常耕種。示范區(qū)于2018年4月正式開工建設(shè)，2018年10月完工，2018年下半年正常種植作物。其中實(shí)驗(yàn)觀測區(qū)2018年6月完工，沉降半年后，2019年正式開始實(shí)驗(yàn)觀測，直到2020年12月結(jié)束。

圖2 示范點(diǎn)措施布局示意

圖3 實(shí)驗(yàn)觀測區(qū)徑流小區(qū)設(shè)計(jì)示意

3.4 效益評價(jià)

3.4.1排水保土效益

根據(jù)技術(shù)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(zhì)清澈，泥沙顯著減少。為進(jìn)一步量化效益指標(biāo)，根據(jù)2019～2020年實(shí)驗(yàn)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(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。

對于產(chǎn)流量，如圖4所示，總體上順坡耕作小區(qū)產(chǎn)流量最大，橫坡耕作小區(qū)產(chǎn)流量最小。順坡耕作有利于產(chǎn)匯流發(fā)生和水流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)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(shí)間，導(dǎo)致水分入滲較多，從而減少了坡面產(chǎn)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(chǔ)上，橫向設(shè)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(chǎn)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(jié)構(gòu)形成了保護(hù)層，比原土壤坡面糙率更小，更易發(fā)生產(chǎn)匯流，相比對照小區(qū)，產(chǎn)流量要大。兩種材料小區(qū)之間，產(chǎn)流量差異不明顯，同時(shí)與順坡耕作+半透水型截水溝小區(qū)產(chǎn)流量也基本相當(dāng)。

圖4 不同處理措施下產(chǎn)流量對比

對于產(chǎn)沙量，如圖5所示，總體上順坡耕作小區(qū)產(chǎn)沙量最大，對照小區(qū)稍小，新材料小區(qū)產(chǎn)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(dòng)，從而減少了土壤侵蝕。且半透水型截水溝具有良好的疏導(dǎo)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(hù)層，有效減少土壤破壞和搬運(yùn)，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(chǎn)沙量差異不大。

圖5 不同處理產(chǎn)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(chǎn)流量和產(chǎn)沙量差異越明顯。

根據(jù)觀測結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(dá)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(shù)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(chǎn)出效益

在投入產(chǎn)出方面，據(jù)初步框算，單位面積建設(shè)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(jù)2019～2020年調(diào)查統(tǒng)計(jì)，平均一年內(nèi)單位面積作物產(chǎn)量油菜籽達(dá)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(jià)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(shè)成本，而后可一直保持較高的土地產(chǎn)生率。

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

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

(1) “排水保土”理論是基于多年實(shí)踐總結(jié)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(dòng)了水土保持學(xué)科發(fā)展和水土保持工作精細(xì)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(shí)水土流失防治。對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治也具有積極參考意義。

(3) 基于多年實(shí)踐，提出了以半透水型截水溝和抗蝕增肥技術(shù)為代表的坡耕地排水保土關(guān)鍵技術(shù)，通過技術(shù)示范顯示具有顯著的保土效益，為梯田建設(shè)條件不適宜或經(jīng)濟(jì)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(chǔ)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(jīng)歷了20 a醞釀和發(fā)展，理論基礎(chǔ)和措施體系還不健全，學(xué)術(shù)界和行業(yè)內(nèi)熟知度亟待提高，一方面需要進(jìn)一步強(qiáng)化專項(xiàng)基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)，豐富完善理論基礎(chǔ)和措施體系；另一方面進(jìn)一步擴(kuò)大適用性驗(yàn)證，結(jié)合示范推廣，加大宣傳引導(dǎo)，提高“排水保土”的認(rèn)知度。

(2) 加強(qiáng)對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治的應(yīng)用推廣。目前“排水保土”相關(guān)研究實(shí)踐主要圍繞生態(tài)治理項(xiàng)目開展，還未在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治中進(jìn)行試驗(yàn)或應(yīng)用。后期項(xiàng)目組將嘗試開展相關(guān)工作，進(jìn)一步豐富完善生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持理論和措施體系。