“排水保土”探索与实践

程 冬 兵，张 平 仓，孙 宝 洋，丁 文 峰，黄 金 权，汤 崇 军

(1.长江科学院 水土保持研究所，湖北 武汉 430010； 2.江西省水利科学院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

0 引 言

中国是世界上水土流失最为严重的国家之一，量大面广。由于复杂多变的气候类型和地形地貌特征，水土流失类型多样，成因复杂，水土保持工作任务尤为艰巨。新中国成立以来，党和国家高度重视水土保持工作，投入了大量人力、物力和财力，推动水土保持事业取得了长足发展[1]。然而，目前水土流失防治工作依然艰巨，在当前生态文明建设重大战略部署的时代背景下，水土保持作为其重要组成部分，急需加快水土流失治理进程，进一步丰富发展水土保持理论和创新水土保持技术。

长期以来，由于黄土高原和黄河流域水土流失的特殊性，中国水土保持工作很长一段时间主要集中在黄土高原区域，众多专家和学者投入大量精力研究了该区域的水土流失规律和水土保持措施，结合不断实践，形成了较为完善的水土保持理论体系和防治措施体系[1]。其中，最核心的思想即为“蓄水保土”[2]，强调“全部降水就地入渗拦蓄”，充分利用深厚土层的蓄水能力，通过各种拦挡截留为主的措施，促进降水全部就地入渗，以此消除外营力，扼制水流冲刷搬运，实现保持土壤的目的。“蓄水保土”重点在“蓄”，关键是有深厚或较厚的土层，具备蓄水的条件。当降水量较小时，因为只要有一定的蓄水能力即可，对于土层要求更加宽泛，适用范围更加广泛。该方针在具有深厚土层的黄土区取得了显著成效。过去由于其他区域研究较为缺乏，基于黄土高原的水土保持理论体系和防治措施体系作为学科和行业的基准向全国各区域推广应用，取得了显著成效，且一直沿用至今。近年来随着其他区域研究的深入和学科的发展，以及水土保持工作精细化推进，有些区域逐渐意识到“蓄水保土”不是万能的，尤其是南方降水量大、土层薄的地方，基于“蓄水保土”水土保持技术体系实际保土效果并不太理想，逐渐引起有些专家学者开始思索新的水土保持方针理念。

1 “排水保土”由来

张平仓于2002年分析三峡库区秭归县王家桥小流域产流产沙机制时，指出长江中上游地区多年来的土壤保持工作仍按照黄土高原的许多水土保持的观点，重点放在坡面保水保土方面，效果并不显著。首先因土壤蓄水能力有限而很难实现，再是过多的水份将使坡面土壤饱和而加剧流失。因此在长江中上游地区不能按照黄土高原水土保持的观点进行保水保土。他首次提出土壤保持应该提倡“保土排水”(也叫“保土减水”)的观点，保土的关键应该是减少土壤水分入渗和壤中流对土壤的作用，所以坡面应该以排水、减少土壤水分入渗和壤中流形成为主减少土壤入渗[3]。2004年张平仓在探讨长江中上游水土流失基本问题中，再次重申长江中上游地区水土保持应提倡“排水保土”(将“保土减水”调整为“排水保土”)[4]。2009年“十一五”科技支撑项目“长江上游坡耕地整治与高效生态农业关键技术实验示范”启动实施，“排水保土”得到进一步探索应用，研发了半透性截水沟、“大横坡+小顺坡”等技术，并在此基础上总结提出了“坡地高效生态农业的基础设施配套技术”[5]。而后张平仓团队依托水利部技术示范项目、重点研发计划项目等相关科研项目[6]，一方面对“排水保土”理论进行进一步验证，另一方面向对以“排水保土”为理论指导的治理技术体系向整个长江流域及南方进行推广试验。结果表明，基于“排水保土”的水土保持规划布局与措施体系，在南方地区较传统的“蓄水保土”措施土壤保持效果更加显著[6]。2020年，张平仓等进一步总结提出了基于“排水保土”的长江流域水土流失治理方略，即“径流截排池蓄，米粮下地上梯，林果上坡进岔，树草上山下沟，坊坝堵沟治岗”[7]。

经过多年不断实践和推广，“排水保土”逐渐为学界和水土保持从业人员所了解和接受，现已基本形成共识，并逐渐应用到实际防治工作中。史东梅[8]在探讨紫色丘陵区坡耕地耕作因子取值时，肯定土壤保持基本方针为“保土减水”，坡面应以排水、减少土壤水分入渗和壤中流形成为主。鲍玉海等[9]指出西南紫色土区水土流失治理的关键是坡耕地整治，而且随着对紫色土坡地水土流失机制认识的不断深入，对地表径流以拦蓄为主逐渐演变为排水保土、先排后蓄、蓄以为用的径流调控方式。

2 “排水保土”内涵

“排水保土”指充分利用以截排水沟为主的坡面截排蓄工程，对坡面地表径流和壤中流进行安全有效快速排导，减少土壤水分入渗和壤中流的数量及对土壤作用时间，扼制或减少水土流失发生的地表径流冲刷外动力和壤中流的潜蚀作用，保护土壤抗蚀内聚力，从而实现坡面土壤结构稳定，保护坡地土壤资源。笔者认为其内涵主要包括以下几个方面：

(1) “排水保土”体现了水土保持“因地制宜”的方针。中国地域辽阔，自然环境差异大，尤其是南北方之间，不仅外营力存在显著差异，而且土壤侵蚀对象土壤类型及下垫面状况完全不同，势必造成水土流失发生机制和水土保持对策也会有所不同。“排水保土”是在对南方普遍土层较薄、雨量较大情况下水土流失机制新认识的基础上提出的新的水土保持策略，极大丰富了水土保持理论，有力推动了水土保持学科发展和水土保持工作精细化管理。

(2) 排水是方法手段，保土是目的。降雨水量丰富、土层薄时，一方面蓄水能力有限，降水无法全部蓄存，另一方面多余的水产生的地表径流和壤中流，对高含水量的土壤会造成严重的水土流失。通过排导出多余水，切断外营力或降低外营力的强度，实现保持土壤的目的。

(3) “排”是指截水、排水、引水的统称，适当考虑灌溉用水的需求，配套一定的蓄水工程。特别强调以“排”为主，以“蓄”为辅，排水并非是将所有的水都废弃不用，还要满足基本的生产用水。

(4) “水”包括降水以及其产生的地表径流和壤中流。它是土壤侵蚀发生的外营力，水的多少可能直接决定了水土流失发生的严重程度。通过截排蓄工程，变害为利，将外营力的水转化为水资源。

(5) “保”主要指保持、保护，以及改良等含义。将土壤保持在原位就是保护，控制土壤含水量，改善土壤结构，提高抗蚀性就是改良。

(6) “土”主要指土壤资源，是生存之本。在土层薄的区域，土壤资源缺乏，直接影响当地的农林业发展，保护好土壤资源意义重大。

(7) “排水保土”与“蓄水保土”相同点都是以保护土壤、防止土壤流失为目标。二者的不同点，“蓄水保土”重点在“蓄”，主要适应于深厚或较厚的土层的水力侵蚀区域，强调具备较好的蓄水的条件，保土效果更佳。当降水量较小时，因为只要有一定的蓄水能力即可，对于土层要求更加宽泛，适用范围更加广泛。“排水保土”重点在“排”，主要适用于降水量丰富、土层较薄的水力侵蚀区域，强调具备较好的快速排水条件，也适用于无蓄水需求时水土流失防治。

(8) “排水保土”与“蓄水保土”适用范围原则上全国通用，没有严格区分南北方，只是由于南北方自然条件和下垫面总体特征表现的规律性，“排水保土”与“蓄水保土”的适用范围也大体表现出南北方的规律性，但并不是绝对的。南方大部分地区降水量丰富、土层较薄，符合“排水保土”的适用条件，南方也同样有一些地区土层较厚，符合“蓄水保土”的适用条件，所以南方地区主要以“排水保土”为主，“蓄水保土”为辅。北方尤其是西北黄土高源，土层深厚，符合“蓄水保土”的适用条件，而像北方土石山区等区域，土层较薄，更符合“排水保土”的适用条件，所以北方地区主要以“蓄水保土”为主，“排水保土”为辅，全国不同区域根据降水条件和下垫面等具体条件因地制宜确定，甚至同一区域不同地块下垫面条件不同，也应因地制宜选择“排水保土”与“蓄水保土”。

(9) 鉴于生产建设项目的特点及水土流失防治需求，“排水保土”的方针也适用于生产建设项目水土流失防治，尤其是施工期要经历雨季时，应重点强化临时截排水沟等为代表的“排水保土”技术措施。

3 “排水保土”技术示范

3.1 示范区概况

依托水利部技术示范项目，在江西省宁都县石上镇池布村池布小流域开展坡耕地“排水保土”技术示范。示范区距离宁都县城25 km，属于典型的南方红壤区，多年平均降雨量1 630 mm。示范区占地面积15 000 m2，土壤类型为红壤，成土母质为第四系红黏土，土壤总体呈现酸、黏、板、瘦等特性，土壤较为黏重，呈酸性，营养元素缺乏。原土地利用类型为坡耕地，以顺坡耕作为主，主要种植油菜、芝麻等作物。原地块较为破碎，地形坡度在5°～15°之间(大部分在10°左右)。

3.2 关键技术原理

3.2.1半透水型截水沟

半透水型截水沟上沟壁保持原土面(或用自然毛石堆砌或其他方式)透水加固，保证上坡壤中流可自然排出，下沟壁、沟底砖砌或混凝土或其他不透水方式，具备一定防渗抗冲强度，达到既能截、排地表径流，又能排、拦壤中流的目的。下沟壁稍高于原土壤坡面，配套设计田间道路，便于田间作业通行。根据野外定位观测，该截水沟径流收集效率比传统方法收集径流提高12%～15%，与传统坡改梯相比，增加了10%的耕地面积，且建造成本节省40%[7]。

图1 半透水型截水沟剖面图

3.2.2抗蚀增肥技术

抗蚀增肥技术的核心为抗蚀增肥剂，可与其他植生方法结合，喷洒于坡面上，形成弹性多孔结构固结层，能有效地防止坡面因雨水打击和径流冲刷而受到侵蚀，且不影响植物(作物)的生长。目前广泛应用的抗蚀增肥剂种类较多，应根据实际情况选用合适的抗蚀增肥剂。本次技术示范选择了两种抗蚀增肥剂[10-11]：

(1) 改性亲水性聚氨酯树脂(W-OH)，呈淡黄色至褐色油状体，以水为溶剂，与水反应生成具有良好力学性能的弹性凝胶体，其主要技术参数如表1所列。

表1 W-OH主要技术参数

(2) 环境友好型新型多糖高分子材料(SA-01)，以海藻多糖材料为基材制得的乳白色粉末状固体，以水为溶剂，可与水以任意比例互溶，其水溶液透明无味且具有一定黏度。该材料加入土壤后能在土壤表面产生厚度可调的透水透气的固结保护层(见表2)。

表2 新型多糖SA-01主要技术参数

3.3 规划布局

在详细勘测地形地貌的基础上，按照笔者前期提出的“排水保土”的坡耕地治理布局[7]，以“调控坡面径流”为核心，重点对半透水型截水沟和抗蚀增肥剂技术进行示范推广。

示范区根据功能主要划分为技术示范区和实验观测区，如图2所示。其中技术示范区设置了半透水型截水沟、排水沟、沉沙池、田间道路等技术集成示范区，及以新型多糖和W-OH为代表的新材料示范区等；实验观测区共设置了6个径流小区(水平投影面积2 m×8 m，坡度为10°)，即：对照、顺坡耕作、横坡耕作、顺坡耕作+半透水型截水沟、新型多糖和W-OH，用于排水保土效益对比评估(见图3)。示范区内按当地耕作习惯正常耕种。示范区于2018年4月正式开工建设，2018年10月完工，2018年下半年正常种植作物。其中实验观测区2018年6月完工，沉降半年后，2019年正式开始实验观测，直到2020年12月结束。

图2 示范点措施布局示意

图3 实验观测区径流小区设计示意

3.4 效益评价

3.4.1排水保土效益

根据技术示范区直观反映，基于“排水保土”的措施布局体系水土保持效益明显，小流域下游水质清澈，泥沙显著减少。为进一步量化效益指标，根据2019～2020年实验观测区资料，整理了5次典型降雨事件，分别为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)，对比分析不同处理产流量和产沙量。

对于产流量，如图4所示，总体上顺坡耕作小区产流量最大，横坡耕作小区产流量最小。顺坡耕作有利于产汇流发生和水流运动，导致产流量最大，而横坡耕作通过截短坡长，改变水流方向，延缓了径流时间，导致水分入渗较多，从而减少了坡面产流。顺坡耕作+半透水型截水沟小区，由于在顺坡耕作的基础上，横向设置了半透水型截水沟，一定程度上消减了部分的水流流速，但半透水型截水沟主要功能还是排水，产流量只是比顺坡耕作小区稍小。新材料新型多糖和W-OH小区，通过改变土壤表面结构形成了保护层，比原土壤坡面糙率更小，更易发生产汇流，相比对照小区，产流量要大。两种材料小区之间，产流量差异不明显，同时与顺坡耕作+半透水型截水沟小区产流量也基本相当。

图4 不同处理措施下产流量对比

对于产沙量，如图5所示，总体上顺坡耕作小区产沙量最大，对照小区稍小，新材料小区产沙量最小。横坡耕作、顺坡耕作+半透水型截水沟小区，由于横向拦截作用，大大消减了水流冲刷力和泥沙搬动，从而减少了土壤侵蚀。且半透水型截水沟具有良好的疏导排水作用，所以顺坡耕作+半透水型截水沟小区保土效果更佳。新材料新型多糖和W-OH小区，由于在土壤表面形成保护层，有效减少土壤破坏和搬运，从而减少土壤侵蚀的发生，所以保土效果最好。两种材料小区之间产沙量差异不大。

图5 不同处理产沙量对比

不同降雨场次之间，各小区规律特征基本一致，随降雨量增大，各小区之间产流量和产沙量差异越明显。

根据观测结果统计分析(见表3)，相比对照小区，顺坡耕作、顺坡+新型截水沟和新材料小区有利于排水，增加排水效益达25%～48%，但横坡耕作小区有阻碍排水的表现，减少排水效益9.4%。在保土减沙方面，相比对照小区，除顺坡耕作小区外，横坡耕作、顺坡+新型截水沟和新材料小区均表现明显保土效益，最高保土效益近70%，尤其是顺坡+新型截水沟和新材料等新技术小区保土效益均在50%以上，可有效阻控坡耕地土壤流失。

表3 不同处理方式下排水保土效益分析

3.4.2投入产出效益

在投入产出方面，据初步框算，单位面积建设成本大约60 000元/hm2(4 000元/亩)，是传统坡改梯治理投入的一半。根据2019～2020年调查统计，平均一年内单位面积作物产量油菜籽达4 500斤/hm2(300斤/亩)和芝麻3 000斤/hm2(200斤/亩)，是之前未治理的近2倍，按市场价油菜籽4元/斤，芝麻8元/斤，一年每亩地可增收约1 500元。2～3 a，即可冲抵建设成本，而后可一直保持较高的土地产生率。

同时，通过技术示范，当地农民和水土保持部门认为该技术体系简单易懂、易实施，施工期对耕种影响较小，容易被当地农民接受。

4 结论与展望

4.1 结 论

(1) “排水保土”理论是基于多年实践总结发现而来，体现了水土保持“因地制宜”的方针，丰富了水土保持理论，有力推动了水土保持学科发展和水土保持工作精细化管理。

(2) “排水保土”主要适用于降水量丰富、土层较薄的水力侵蚀区域，也适用于无蓄水需求时水土流失防治。对生产建设项目水土流失防治也具有积极参考意义。

(3) 基于多年实践，提出了以半透水型截水沟和抗蚀增肥技术为代表的坡耕地排水保土关键技术，通过技术示范显示具有显著的保土效益，为梯田建设条件不适宜或经济条件受限等地区的坡(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”理论基础和措施体系亟待丰富完善。“排水保土”从提出到现在，大约经历了20 a酝酿和发展，理论基础和措施体系还不健全，学术界和行业内熟知度亟待提高，一方面需要进一步强化专项基础研究和技术研发，丰富完善理论基础和措施体系；另一方面进一步扩大适用性验证，结合示范推广，加大宣传引导，提高“排水保土”的认知度。

(2) 加强对生产建设项目水土流失防治的应用推广。目前“排水保土”相关研究实践主要围绕生态治理项目开展，还未在生产建设项目水土流失防治中进行试验或应用。后期项目组将尝试开展相关工作，进一步丰富完善生产建设项目水土保持理论和措施体系。