紫鵲界梯田原生態(tài)自流灌溉的環(huán)境因素探析

許文盛，尤 偉，李亞龍，程冬兵，劉曉路，張平倉

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010;2.水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京 100053)

1 概述

紫鵲界梯田是一處新發(fā)現(xiàn)的我國古代農(nóng)耕稻作文化遺存，它起源于秦漢，盛于唐宋，至今已有2 000余年的歷史，是當(dāng)今世界開墾最早的梯田之一［1，2］。這些梯田均為水稻田，不僅分布于25°～40°之間的山坡上(通常大于25°的坡地，因保水困難，很難進行水稻田耕作)，而且在無任何人工水利設(shè)施的全天然條件下，長久以來卻能利用自流灌溉過程實現(xiàn)旱澇保收，因此可以說是世界灌溉工程之奇跡。

目前，隨著紫鵲界梯田旅游開發(fā)的進行，為更好地保護梯田“中國自然和文化遺產(chǎn)”，并為梯田的規(guī)劃旅游開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，同時為人工水資源優(yōu)化調(diào)配及類似地質(zhì)地貌條件下的坡耕地水土資源開發(fā)與保護提供借鑒，紫鵲界梯田原生態(tài)自流灌溉機制的研究成為必然。對此，已有學(xué)者進行了初步探討，秦仁秋［3］從地貌地形、地質(zhì)土壤、氣象水文以及人類活動等因素方面，對紫鵲界梯田的保水機理進行了解析;許志方等［2］從梯田的地下蓄水、地下排水、地面灌溉以及田間蓄水等方面，闡述了紫鵲界梯田的自流灌溉體系;甘德欣等［4］以該梯田為例，分析山地梯田景觀災(zāi)害防御機制與效益時，指出“隱形水庫”是紫鵲界梯田旱澇保收的根本原因;段興鳳等［5，6］通過對紫鵲界梯田區(qū)森林土壤物理性質(zhì)與土壤持水量、枯落物持水率、土壤水分入滲的分析，對梯田區(qū)的森林土壤水源涵養(yǎng)功能進行了探討。然而，現(xiàn)有成果對紫鵲界梯田的自流灌溉機制還缺乏全面的認(rèn)識。

本文將依據(jù)水力學(xué)和水文學(xué)原理，從水流運動與循環(huán)的角度對紫鵲界梯田原生態(tài)自流灌溉過程進行分析，并在此基礎(chǔ)上對影響該過程的因素進行系統(tǒng)歸納與分析，以期對進一步揭示紫鵲界梯田原生態(tài)自流灌溉機制奠定一定的基礎(chǔ)。

2 梯田概況

紫鵲界梯田位于湖南省新化縣西部山區(qū)的水車鎮(zhèn)，介于東經(jīng) 110°52'-111°01'，北緯 27°40'-27°45'，東鄰搓溪鎮(zhèn)，西接奉家鎮(zhèn)，北靠文田鎮(zhèn)，南與隆回縣鴨田鎮(zhèn)、金石橋鎮(zhèn)接壤，西南與淑浦縣相連，屬于雪峰山脈，主峰白馬山高 1 781 m。梯田總面積115.5 km2，呈帶狀遍布在海拔500～1 200 m之間的山坡上，共500余級、10余萬丘。梯田平均寬度1.75 m(最窄處0.2 m，最寬約10 m)，級與級之間平均高差1.25 m，田埂平均寬度0.3 m、高0.25 m，如圖1所示。梯田橫跨8面坡、5條溝、4列支山脈，雖然坡度介于25°～40°之間，無任何人工水利設(shè)施，然而其水分儲存和分配體系卻已近趨完善，能一年四季水滿田疇，旱澇保收，無任何水土流失災(zāi)害，可謂當(dāng)?shù)孛?、瑤、漢多民族傳統(tǒng)保土保水耕作與特定的生態(tài)環(huán)境自然耦合而創(chuàng)造出來的奇跡。2005年12月，紫鵲界梯田被國務(wù)院確定為第6批國家重點風(fēng)景名勝區(qū)之一［3，4］。

圖1 紫鵲界部分梯田形貌Fig.1 Landform of part of the Ziquejie Terrace

3 自流灌溉過程分析

自流灌溉是指借助于水的重力作用，灌溉水從水源由高向低自流進入灌溉田地的灌溉方法，它突出的特點是灌溉水源比灌溉田地高，能充分利用自然壓差所形成的勢能，不需要另外消耗機械能就可以完成灌溉［7，8］。根據(jù)水流運動規(guī)律，可以將灌溉系統(tǒng)分為灌溉水源、輸水系統(tǒng)以及排水系統(tǒng)3部分。

圖2給出了紫鵲界梯田自流灌溉過程的示意圖。對于紫鵲界梯田而言，其自流灌溉過程由2部分組成，即由地表徑流、梯田及山坡細(xì)溝組成的地面灌溉過程和由地下徑流、滲水口、隙泉以及山坡細(xì)溝組成的地下灌溉過程。

地面灌溉過程中，坡頂?shù)乇硭髟谥亓ψ饔孟拢瑓R入坡頂細(xì)溝，再由細(xì)溝進入梯田，經(jīng)梯田由上至下逐級灌溉，最后多余水量再由坡底細(xì)溝排出進入河道。在該過程中，由坡頂森林植被截水和涵養(yǎng)水構(gòu)成了灌溉水源，由梯田和坡面細(xì)溝構(gòu)成了輸水與排水系統(tǒng)。地下灌溉過程中，滲入地下的水流在主要驅(qū)動力——重力作用下，經(jīng)滲水口和隙泉進入梯田，多余水量再由梯田匯流，最后經(jīng)坡底細(xì)溝排出進入河道。該過程中，灌溉水源由位于梯田地下的“隱形水庫”構(gòu)成，輸水系統(tǒng)由滲水口和隙泉構(gòu)成，排水系統(tǒng)由梯田和坡面細(xì)溝構(gòu)成。該灌溉過程的最大特點是隙泉和滲水口大量分布于梯田田坎，完成了灌溉的輸水過程。

圖2 自流灌溉過程示意圖Fig.2 Process of gravity irrigation

地面灌溉過程與地下灌溉過程是2個相互耦合的過程，地面灌溉過程中有部分水流滲入地下，對地下“隱形水庫”形成了重要的水源補充，而地下灌溉過程中經(jīng)隙泉和滲水口進入梯田的水流又補充為地表灌溉水源，因此，水流通過滲入和滲出使地面灌溉過程與地下灌溉過程有機地耦合起來，共同構(gòu)成了紫鵲界梯田的自流灌溉過程。在該自流灌溉過程中，雨季以地面灌溉過程為主，旱季則以地下灌溉過程為主。

4 影響自流灌溉的因素分析

自流灌溉過程的實質(zhì)是水流在重力作用下運動過程的一種表現(xiàn)形式，依據(jù)水文學(xué)原理，可以將影響該過程的因素概括為植被因素、地質(zhì)因素、地貌因素、人類活動因素以及氣象因素等5個方面。

對于紫鵲界梯田來說，各因素對其自流灌溉過程的具體影響分析如下。

4.1 植被因素

紫鵲界梯田區(qū)森林茂密，植被覆蓋率90%以上。山頂高程1 200 m以上實行“戴帽子”，山腰高程500～1 200 m之間實施“圍帶子”，山腳高程500 m以下實行“穿裙子”。林田比例約2∶1。植物種類繁多，從林冠至地下可分為4層，1層為松、柏、楓等喬木;2層為山茶、紫荊等灌木;3層為蕨草和落葉;4層為樹、草之根［2，3］。

蔥郁的植被是梯田自流灌溉的先決條件。一方面，降水被4層植被充分?jǐn)r截和接納。小雨只沾濕葉干，無雨滴直擊地面;中雨被樹葉枝干攔截后成水滴落下，無坡面漫流形成;暴雨經(jīng)林、草、落葉接納后，均勻浸入地下，坡面有緩慢表流，但無集中急流［2］;另一方面，植被經(jīng)過長年累月的更替演變，在林下地表形成了一厚厚的枯枝落葉層?？葜β淙~層不僅能很好地防止雨水直接沖刷地面，而且自身具有很好的吸水率和儲水量。據(jù)研究，紫鵲界梯田區(qū)枯枝落葉層24 h飽和持水率最大為450.03%，最小為288.13%，平均值365.48%，明顯高于一般杉木林和竹林地枯枝落葉層的飽和持水率［6］。同時，良好的植被加大了紫鵲界梯田局部區(qū)域內(nèi)的蒸騰作用，進而在一定程度上有利于加快局部區(qū)域內(nèi)的水循環(huán)速度，使梯田區(qū)的年降水量增加(如圖2)。

總之，植被對紫鵲界梯田區(qū)的水資源起到了重要的調(diào)配作用，不僅使區(qū)域內(nèi)的水循環(huán)速度加快，增加區(qū)域內(nèi)的年降水量，而且被樹葉枝干攔截和被枯枝落葉層接納的降水，在坡面細(xì)溝匯流形成地面灌溉過程的灌溉水源的同時，也有相當(dāng)一部分滲入地下進入地下“隱形水庫”(約 40% ～45%［3］)，形成了地下灌溉過程的水源。這使天然降水在紫鵲界梯田區(qū)，年內(nèi)得到了充分的調(diào)節(jié)和重新分配，減緩了降水年內(nèi)分配不均的現(xiàn)象，保障梯田自流灌溉一年四季得以進行，實現(xiàn)旱澇保收。

4.2 地質(zhì)因素

紫鵲界屬于新構(gòu)造運動上升區(qū)花崗巖體發(fā)育形成的剝蝕地層，整個土壤與基巖界面似一塊花崗巖磐石，地表以下完整無縫，如一塊不透水塘底，滲入地下的水流只能通過山腰坡地滲出［2，3］。表1給出了紫鵲界梯田區(qū)花崗巖風(fēng)化殼綜合剖面分析結(jié)果?？煽闯?，梯田區(qū)剖面由上至下依次由耕作土層、黃壤土層、淀積層、殘積層和母質(zhì)層組成，其中黃壤土層滲透性較弱，淀積層和殘積層滲透性較強，母質(zhì)層為不透水層。

這樣的地質(zhì)條件，一方面使?jié)B入地下的水流均會被存儲在黃壤土層、淀積層以及殘積層中，進而形成含水量豐富的地下“隱形水庫”。據(jù)統(tǒng)計［2］，紫鵲界梯田區(qū)土壤具有良好的水源涵養(yǎng)功能，每立方米土壤含水量約0.2～0.4 m3，地下“隱形水庫”最大儲水量達0.12 ～0.15億 m3，如果在一般干旱無雨季節(jié)，每公頃梯田灌溉水量按3 000 m3計算，每天相應(yīng)的蒸發(fā)和滲漏水量按10 mm計算，則地下“隱形水庫”儲水可供梯田灌溉20余d。另一方面，黃壤土層的弱透水性，不僅使存儲于地下“隱形水庫”中的水流通過無數(shù)個分布于梯田田坎的裂泉和滲水口中滲出成為了可能，而且還限制了水流滲出時的速度，使“隱形水庫”中的水量不至于在下一次降水來臨之前的短時期內(nèi)“滲完”，從而保障了旱季梯田地下灌溉過程的時長。

表1 紫鵲界梯田區(qū)花崗巖風(fēng)化殼綜合剖面分析［3］Table 1 Analysis on the section of granite weathered crust at Ziquejie Terrace

因此，紫鵲界特定的地質(zhì)條件為梯田自流灌溉過程的順利實現(xiàn)提供了重要的保障，在使?jié)B入地下的水流形成地下“隱形水庫”，調(diào)配梯田區(qū)水資源年內(nèi)時間分布，為梯田地下灌溉過程提供穩(wěn)定的灌溉水源的同時，也限制了地下灌溉的灌溉速度，保障了旱季地下灌溉過程的時長。

4.3 地貌因素

從大尺度來看，紫鵲界梯田位于雪峰山中段的白馬山東麓。雪峰山發(fā)脈于云貴高原，海拔800～1 900 m，從湖南省西南部彎曲延伸至東北部。由于湖南省地形呈馬蹄形，周邊東南部為南嶺，西部為武陵山脈，中部為湘中丘陵盆地，北部為洞庭湖平原，而雪峰山位于中部，因此雪峰山將湖南盆地分成東南與西北兩部分［2］。該地形使湖南省中部氣候隨雪峰山升高成垂直性變化，而紫鵲界梯田正處于雪峰山彎曲延伸轉(zhuǎn)折部位的山腰，因此受氣候垂直性變化的影響，其降水比坡底平丘地區(qū)多(300 mm左右)，進而使梯田的自流灌溉得到了充足的水源補給。

從小尺度來看，紫鵲界梯田區(qū)屬于小起伏-中起伏的中山地貌類型，起伏高度600～1 200 m，山頂呈尖棱或圓頂狀，山坡坡度介于30°～40°之間，局部大于50°，海拔在600 m以下的山坡，坡度在15°～30°之間［3］。一方面，較大的山坡坡度加大了重力對水流的作用，進而加快了地下徑流的流速，使存儲于地下“隱形水庫”中的水流能夠相對快速和容易地從隙泉與滲水口中滲出，對梯田進行地下灌溉;另一方面，由中、小地形起伏形成的多條山間細(xì)溝，與坡面細(xì)溝一道，共同構(gòu)成梯田自流灌溉輸水與排水系統(tǒng)的重要組成部分，使梯田能夠在洪水期正常灌溉，免遭洪水的侵害。

總之，紫鵲界特殊的地貌條件，不僅使梯田區(qū)降水多于坡底平丘地區(qū)，梯田自流灌溉的水源得到充足補給，而且加大了重力對水流的作用，加快了梯田地下灌溉的速度，同時由地形起伏形成的多條山間細(xì)溝，與坡面細(xì)溝一道，成為梯田灌溉輸水與排水系統(tǒng)的重要組成。

4.4 人類活動因素

對于紫鵲界梯田而言，人類活動對其自流灌溉過程的影響主要體現(xiàn)在如下幾方面:

首先，紫鵲界梯田已經(jīng)有2 000余年的耕作歷史，長期以來，由于梯田坡度大、田面窄、田坎高，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民始終保持著鋤耕方式，并十分注意保持表土層的均勻細(xì)密，進而經(jīng)過漫長的歲月，梯田區(qū)風(fēng)化殼表層的自然土壤形成了松軟肥沃的紫色、暗褐色沙壤耕作土層(該土層特性如表1所示)，使土壤剖面特征發(fā)生了質(zhì)的變化，并在其底部形成了相對隔水的保水薄層［3］。

其次，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民特別注重田埂質(zhì)量，田埂雖窄，但筑砌密實，嚴(yán)格做好防滲與黏土抹面;同時，為不讓鱔魚、泥鰍打洞鉆孔，造成田埂滲漏，農(nóng)民夜晚還照燈火細(xì)心檢查田間是否有鱔魚、泥鰍等破壞田?。?］。

再次，紫鵲界梯田一年只進行一季水稻種植，其余時間梯田一般均處于休耕狀態(tài)，梯田休耕時，為了保護田塊的蓄水功能，防止土層干裂，破壞蓄水保水條件，田塊均保持水滿田疇。

此外，紫鵲界梯田依山順坡而建，由上至下逐級布設(shè)，分布均勻，自流灌溉可以借田而過，把分布于同一坡面的梯田串聯(lián)起來，形成“長藤結(jié)瓜”［9，10］式的灌溉模式，小水大用，使梯田的水資源得以充分利用。據(jù)統(tǒng)計［4］，在這一模式下，梯田可以攔截70% ～95%的地表徑流，田間水層可保持0.2 m，梯田可蓄積水量0.1億m3。

因此，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民對梯田的精耕細(xì)作，不僅使耕作層底部形成了相對隔水的保水薄層，增加了梯田田埂的防滲漏效果，而且還形成了“長藤結(jié)瓜”式的灌溉模式，使水資源可以得到充分的利用，最終實現(xiàn)了紫鵲界梯田在自流灌溉過程中對水源的“開源”和“節(jié)流”。

4.5 氣候因素

紫鵲界梯田位于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)域內(nèi)干濕季節(jié)明顯;年降雨量1 600 mm，年徑流深900 mm，降雨年內(nèi)分布不均，水稻生長的需水期常出現(xiàn)少雨狀況;最大暴雨量達30 mm/h;年平均氣溫16.5℃，最高氣溫 39℃，最低氣溫－5℃;年無霜期290余d，初霜一般在11月15日左右，終霜一般在翌年 2 月 28 日左右;年均日照時長約 1 400 h［2－4］。

氣候因素對紫鵲界梯田自流灌溉過程的影響包括直接影響和間接影響2個方面。直接影響方面，豐富的降水給梯田的自流灌溉過程提供了良好的水源保障，但降水的年內(nèi)分布不均也給該灌溉過程帶來了一定的不利影響。間接影響方面，該氣候條件使梯田區(qū)域內(nèi)的自然植被以常綠闊葉林為主，植物資源極為豐富，進而為梯田區(qū)域內(nèi)的水資源年內(nèi)調(diào)配奠定了重要的基礎(chǔ);同時，該氣候條件也促使當(dāng)?shù)剞r(nóng)民發(fā)揮聰明才智，在對梯田的精耕細(xì)作中實現(xiàn)了對梯田自流灌溉水源的“開源”與“節(jié)流”。

4.6 綜合分析

在植被、地質(zhì)、地貌、人類活動及氣候等因素的綜合影響下，紫鵲界梯田實現(xiàn)了原生態(tài)自流灌溉過程，長年累月，經(jīng)久不息，使梯田作物能旱澇保收。這些因素之間相互耦合作用，對于實現(xiàn)梯田的自流灌溉而言，缺一不可。例如位于福建省東南部、晉江西溪上游的安溪梯田茶園，人類過度地開發(fā)和缺少對梯田的保護，造成了嚴(yán)重的水土流失，在其后期治理過程中，把加大植被覆蓋率、加強人類活動管理及改造優(yōu)化梯田區(qū)地貌確定為相應(yīng)的治理對策，然而由于該梯田區(qū)缺乏與紫鵲界相類似的地質(zhì)條件，因此改造后的梯田無法實現(xiàn)自流灌溉［11］。

在自流灌溉過程中，良好的氣候條件與梯田所在的局部區(qū)域內(nèi)地貌引起的氣候垂直性變化，使梯田區(qū)的降水量較坡底平丘地區(qū)多，保障了自流灌溉過程中輸入性水源的補給;蔥郁的植被與特殊的地質(zhì)一起，對梯田區(qū)的水資源進行了優(yōu)化與調(diào)配，使梯田區(qū)水資源能夠在年內(nèi)得到相對均勻的重新分配，植被在攔截和接納降水，給地面灌溉提供水源的同時，也給降水滲入地下提供了良好的條件，特殊的地質(zhì)使降水可以順利滲入地下形成“隱形水庫”，進而在無降水或降水較少的干旱季節(jié)，存儲于“隱形水庫”中的水可通過地下灌溉過程對梯田進行灌溉;特定的地貌條件使梯田具有良好的排水系統(tǒng)，并加快了地下灌溉速度;當(dāng)?shù)剞r(nóng)民對梯田的精耕細(xì)作，實現(xiàn)了對梯田自流灌溉水源的“開源”與“節(jié)流”。

5 結(jié)論

(1)紫鵲界梯田原生態(tài)自流灌溉過程是地面灌溉過程與地下灌溉過程的有機耦合過程，雨季以地面灌溉過程為主，旱季以地下灌溉過程為主;地面灌溉過程中，坡頂森林植被截水和涵養(yǎng)水構(gòu)成了灌溉水源，地下灌溉過程中，儲存于梯田地下“隱形水庫”中的地下水構(gòu)成了灌溉水源。

(2)森林植被攔截和接納降水，特殊的地質(zhì)形成地下“隱形水庫”用于存儲滲入地下的水流，它們一起對紫鵲界梯田區(qū)的水資源進行優(yōu)化調(diào)配，使本來年內(nèi)分布不均的水資源能得到相對均勻的再分配，從而保障梯田在干旱季節(jié)自流灌溉過程能順利進行。

(3)紫鵲界梯田所在區(qū)域氣候特征隨地形高度的垂直性變化，相對增大了梯田區(qū)的降水量，從而保障了自流灌溉過程中外部輸入性水源的補給，同時，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民對梯田的精耕細(xì)作，實現(xiàn)了對梯田灌溉水源的“開源”與“節(jié)流”，又進一步保障了梯田正常自流灌溉的水源。

(4)特殊的地質(zhì)限制了梯田地下灌溉的速度，而中山地貌和相對較陡的坡度，卻加大了重力對水流的作用，進而加快了梯田地下灌溉的速度，兩者在長時期的相互作用中取得了均衡與協(xié)調(diào)，從而保障了旱季梯田地下灌溉的時長。

(5)對于實現(xiàn)梯田的自流灌溉而言，植被、地質(zhì)、地貌、人類活動及氣候等因素缺一不可。

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