彭圣軍，王 姣，劉 穎，胡 強(qiáng)

(1.江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，南昌 330029)

梯田是山區(qū)人民在丘陵山坡地上沿等高線方向建造的階梯式田塊，是人類充分利用山地資源獲取農(nóng)產(chǎn)品而形成的一種歷史悠久的農(nóng)業(yè)耕作方式，也是保水保墑提高作物產(chǎn)量的一種有效坡耕地治理措施[1]。梯田有旱梯田和水梯田之分，旱梯田一般無可見水面，常用來種植茶葉、馬鈴薯、玉米、果樹等需水量不大的農(nóng)作物或經(jīng)濟(jì)林，如黃土高原旱梯田、陜北宜君旱梯田等；水梯田可見明顯的水面，常用于種植水稻，故又稱稻作梯田。國(guó)內(nèi)比較有名的稻作梯田有云南哈尼梯田、湖南紫鵲界梯田和廣西龍脊梯田等[2-4]，并稱為中國(guó)三大古梯田。稻作梯田灌溉需水量較大，而梯田一般無塘無庫，也無提水灌溉等水利設(shè)施，卻有充足的灌溉水源，這得益于稻作梯田完善的自流灌溉系統(tǒng)。梯田自流灌溉過程是地面灌溉和地下灌溉的耦合過程，雨季主要為地面灌溉，旱季主要為地下灌溉。而影響梯田自流灌溉能力的因素有區(qū)域氣候、周邊植被、地質(zhì)土壤及人類活動(dòng)等，這些因素在保證梯田自流灌溉過程中必不可少[5]。稻作梯田自流灌溉過程能夠長(zhǎng)盛不衰，與科學(xué)、合理的水利管理制度和管理手段也是分不開的。然而，在當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，人們生活方式、價(jià)值觀念不斷變化，稻作梯田及其自流灌溉過程的存續(xù)正面臨諸多問題。因此，如何實(shí)現(xiàn)稻作梯田的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，需要不同部門、不同行業(yè)的科技工作者共同研究探討。本文從系統(tǒng)組成、影響因素、管理手段等方面對(duì)稻作梯田自流灌溉系統(tǒng)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)分析，為相關(guān)研究和管理人員提供參考。

1 灌溉系統(tǒng)組成

梯田自流灌溉即完全借助水的重力作用，而不需要消耗電能、機(jī)械能等額外的能量，灌溉水源自高處向低處自流進(jìn)入梯田的過程[6,7]。圖1給出了梯田自流灌溉過程示意圖，其灌溉過程由地面灌溉和地下灌溉組成。梯田自流灌溉系統(tǒng)主要由三大部分組成，即灌溉水源、灌排設(shè)施和控制設(shè)施[8]。梯田區(qū)人民從灌溉水源，蓄水保水工程、輸泄水工程及灌溉控制方式等方面創(chuàng)造性地采用多種技藝，通過科學(xué)、簡(jiǎn)易的工程設(shè)施實(shí)現(xiàn)了梯田的自流灌溉過程。

圖1 梯田自流灌溉過程Fig.1 Gravity irrigation process of terrace

1.1 灌溉水源

要實(shí)現(xiàn)梯田的自流灌溉，首要條件必須要有灌溉水源。梯田區(qū)域大多無塘無庫，其蓄水之庫為森林、土壤。森林生態(tài)系統(tǒng)從上到下對(duì)降雨的再分配有三個(gè)作用層，即林冠層、枯落物層和土壤層。林冠層是森林生態(tài)系統(tǒng)傳輸水分的第一層，通過對(duì)降水分配和水分入林過程進(jìn)行調(diào)配，直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)過程[9]。林冠層涵養(yǎng)水源能力的大小由林冠層對(duì)降雨的截留量來反映，而林冠層對(duì)降雨的截留能力與林分郁閉度、冠幅大小、樹葉面積等有關(guān)。枯落物是森林植被凋落物聚集在土壤表面形成的枯枝落葉覆蓋層，是森林水文循環(huán)過程的第二層?？萋湮锖B(yǎng)水源的能力取決于枯落物的持水能力?？萋湮锍渥陨淼某炙芰ν?，還具有改良土壤物理性質(zhì)、增加土壤孔隙度等功能，起到攔蓄降水和徑流，從而提高了其持水能力。土壤是自然界水文循環(huán)過程的重要場(chǎng)所，土壤水也是植被生長(zhǎng)和生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤涵養(yǎng)水源的能力與其持水能力有關(guān)，而土壤的持水能力主要受土壤非毛管孔隙度影響。非毛管孔隙度越大，土壤通氣性越好，其持水能力越強(qiáng)[10]。森林生態(tài)系統(tǒng)的三個(gè)作用層共同作用，提高了林地及其土壤的蓄水和滲透能力，保證了梯田的灌溉水源。因此，梯田區(qū)域的森林、土壤被形象比喻為“天然水庫”。湖南紫鵲界山頭植被條件好，可將降雨有效截留蓄存，相關(guān)研究表明[11]，紫鵲界梯田區(qū)域最大儲(chǔ)水量為0.12～0.15 億m3，梯田可獲灌溉水量為3 萬m3/hm2，干旱季節(jié)土壤所儲(chǔ)水量可灌溉20 d。

1.2 灌排設(shè)施

水稻田灌區(qū)通常都修建了干、支、斗、農(nóng)、毛渠系，而梯田由于水源千頭萬緒、地形復(fù)雜等原因，基本上都未開鑿大型渠道，也沒有常規(guī)水稻田那樣布設(shè)完善的灌溉渠系。梯田田間的輸引水主要通過毛細(xì)溝圳、簡(jiǎn)易管道以及田埂開口來實(shí)現(xiàn)。因此，通常我們看到的梯田輸水方法大多采用借田而過；梯田施肥的時(shí)候，為了不影響相鄰田塊的肥力，往往不采用串田而過的方式，而是通過在田塊內(nèi)側(cè)修建矮埂和田埂形成小溝渠實(shí)現(xiàn)輸水灌溉；有的則采用竹筒、木枧來實(shí)現(xiàn)水源地與田塊的有效連接。廣西龍脊廖家寨的梯田灌溉用水主要為山頂?shù)纳綕舅饕墓喔人疁嫌?條，還有分散于梯田之間的細(xì)小溝渠，總共有近百條[12]。這些溝渠將山體和森林中涵養(yǎng)的水源輸送到每一層梯田，最后匯入金江河水。此外，梯田還存在天然的地下輸排水網(wǎng)絡(luò)。如湖南紫鵲界山體為花崗巖，地表以下基本完整無較大的裂縫，其構(gòu)成了一個(gè)不透水的蓄水之庫，山頂和山坡所截留的雨水，只能從山腰坡地滲出[13]。細(xì)細(xì)觀察，山坡石縫常年有山泉水流出，土坎下也有無數(shù)水滴滲出，這些滲水口如米篩之孔遍布山坡面。梯田區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造和無數(shù)的滲水口形成了天然的地下輸排水網(wǎng)絡(luò)，為梯田提供不竭的水源。

1.3 控制設(shè)施

現(xiàn)代農(nóng)田水利工程中通常采用水閘來控制和分配灌溉水量。在梯田自流灌溉系統(tǒng)中，勤勞智慧的勞動(dòng)人民根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件因地制宜發(fā)明創(chuàng)造了分水木(石)刻等簡(jiǎn)單實(shí)用的工程設(shè)施來解決田塊之間的水量分配問題。可以說，分水木刻蘊(yùn)含了現(xiàn)代水利科學(xué)中的“水位～流量關(guān)系”知識(shí)。分水木刻在梯田自流灌溉系統(tǒng)中起神經(jīng)中樞控制作用，精確地調(diào)配和管控梯田的灌溉用水量，同時(shí)也對(duì)水流流速、流向進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。分水木即一段木頭根據(jù)灌溉面積、灌溉需水量的不同刻鑿出幾個(gè)寬窄不一的凹槽[14](見圖2)，寬槽通過的水量用于灌溉面積較大、灌溉需水量較多的梯田區(qū)域，窄槽通過的水量用于灌溉面積較小、灌溉需水量較少的梯田區(qū)域。為保證分水木的制作質(zhì)量和分水的合理性，分水木要求采用耐腐蝕、耐磨損的木材制作，且必須在管理人員的監(jiān)督下由技術(shù)專人完成，其他人員不得擅自制作。為合理利用水資源、避免用水糾紛，我國(guó)云南哈尼梯田和廣西龍脊梯田均設(shè)有分水木刻控制設(shè)施，龍脊梯田當(dāng)?shù)厝藢⒎炙究谭Q之為“分水門”。印度尼西亞巴厘島水稻梯田也是通過在長(zhǎng)條石頭或木頭上鑿有不同尺寸的凹槽來度量并限定從水渠流向梯田的分水量[15]。經(jīng)估算，在印度尼西亞巴厘島水稻梯田灌溉系統(tǒng)中，一般8 cm×2 cm(寬×高)的凹槽通過的灌溉水量可灌溉0.3～0.7 hm2的梯田[16]。

圖2 分水木刻結(jié)構(gòu)(單位：cm)Fig.2 Water-allocating woods structure

2 灌溉系統(tǒng)影響因素

森林植被作為蓄水之庫為梯田提供了充足的水源，地質(zhì)土壤的保水與入滲功能為梯田蓄存水分和輸送水量提供了條件；此外，獨(dú)特的山區(qū)氣候和當(dāng)?shù)厝嗣窨茖W(xué)合理的耕作方式，均為保證梯田自流灌溉系統(tǒng)經(jīng)久不息的運(yùn)行起到了重要作用。因此，影響梯田自流灌溉系統(tǒng)的因素可概括為地形地貌、地質(zhì)土壤、氣候條件和人類活動(dòng)[17]。

2.1 地形地貌

梯田上部山坡一般較陡，較大的坡度使水流流向下游的速度加快，有利于蓄存于山體“隱形水庫”中的水順利從孔隙和溝縫中滲出，實(shí)現(xiàn)對(duì)梯田的灌溉。受地形條件限制，梯田田塊面積一般很小，平面呈狹長(zhǎng)型，這決定了梯田基本只能采用鋤耕模式，鋤耕模式不會(huì)破壞田塊耕作層和隔水層，起到保水作用。此外，獨(dú)特的地形條件也可以影響局部氣候。湖南紫鵲界梯田處在雪峰山彎曲延伸轉(zhuǎn)折部位的山腰，受湖南省中部氣候垂直性變化的影響，梯田區(qū)降水量比其他區(qū)域多，保證了自流灌溉的水源補(bǔ)給。

梯田上部山體植被地貌條件往往較好，且層落明顯，頂層為枝葉繁茂的喬木，中層為密織如麻的灌木，下層為鋪厚如蓋的蕨類和枯落物。降雨經(jīng)過各層植被的截留和吸納，最終一部分雨水通過枯枝落葉的吸水和持水能力儲(chǔ)藏于山體中。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同林分類型的枯落物的凋落量、截持降水、減緩地表土壤侵蝕等方面進(jìn)行了相關(guān)研究[18-20]。對(duì)于梯田區(qū)森林枯落物水文特性的研究，王龍等[21]以廣西龍脊梯田水源區(qū)5種天然次生林為研究對(duì)象，采用野外取樣與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法，得出5種林分類型的枯落物最大持水率處于580.5%～725.9%之間，可截留降雨量為8.9～22.3 mm。段興鳳等[22]對(duì)湖南紫鵲界梯田區(qū)天然林枯落物進(jìn)行了研究，結(jié)果為枯落物浸泡24 h后的重量為自身干重的3.88～5.50倍，說明枯落物持水能力較強(qiáng)。

2.2 地質(zhì)土壤

梯田自流灌溉系統(tǒng)的形成，其獨(dú)特的地質(zhì)土壤條件也是重要的影響因素，一方面要具備蓄存水分的能力，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)輸送水分。廣西龍脊梯田上部山體巖石裂隙發(fā)育，雨水可以滲入山體形成含水量豐富的地下“隱形水庫”；同時(shí)因?yàn)閹r石的弱透水性，約束了“隱形水庫”中的水流在山坡面與梯田田坎孔隙中的流速，不至于使水量在短時(shí)間內(nèi)“滲完”，保證了旱季梯田的灌溉時(shí)長(zhǎng)[23]。湖南紫鵲界梯田周邊獨(dú)特的花崗巖地質(zhì)條件，形成一個(gè)不透水的塘底，雨水蓄積而不容易流失，進(jìn)而形成一個(gè)天然的地下水庫。

林地蓄水量不僅指枯落物蓄水量，還包括土壤層蓄水量，且土壤層蓄水量是林地蓄水量的主要組成部分[24]。王沖等[25]對(duì)云南哈尼梯田區(qū)域12種林分類型下的土壤涵養(yǎng)水源能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果顯示木姜子、紅果樹闊葉混交林的土壤涵養(yǎng)水分能力較強(qiáng)。除了土壤的持水能力，入滲性能也是影響土壤涵養(yǎng)水源能力大小的一個(gè)關(guān)鍵因素[26,27]。劉澄靜等[28]通過采用Hood IL-2700土壤水分入滲儀對(duì)哈尼梯田不同景觀類型土壤水分入滲特性進(jìn)行了分析，為梯田林分種植與改造提供了技術(shù)參考。與梯田田塊土壤保水與入滲功能一樣，林地土壤在保證梯田自流灌溉過程中扮演了重要的角色。

2.3 氣候條件

梯田區(qū)一般山高林密，易形成垂直性變化的獨(dú)特氣候特征，可提高灌溉水源的補(bǔ)給能力。紫鵲界梯田位于溫暖濕潤(rùn)、多雨的中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，該氣候條件一方面因豐富的降水為梯田自流灌溉過程供給良好的水源，另一方面提高了梯田區(qū)森林植被覆蓋率，通過林地植被截水蓄水的作用間接增強(qiáng)了區(qū)域涵養(yǎng)水源的能力。得益于紫鵲界溫和潮濕的氣候，梯田區(qū)域森林覆蓋率高達(dá)90%，其樹冠截水率達(dá)30%，而通過枯枝落葉和林地土壤蓄存的降雨量為40%～45%，形成了梯田豐富的灌溉水源。

2.4 人類活動(dòng)

人們科學(xué)合理的梯田耕作、保養(yǎng)方式等都對(duì)梯田自流灌溉過程有重要影響。因梯田坡度較大、田塊面積窄小，梯田耕作不能采用現(xiàn)代機(jī)械，只能保持傳統(tǒng)的鋤耕方式，這樣不會(huì)對(duì)梯田底部起隔水作用的保水薄層造成破壞。且人們?cè)诟鬟^程中比較注重表層耕作土的均勻細(xì)密，有利于土壤水分的均衡分布。為保證梯田的肥力和保水能力，人們通常一年只種一季稻，其余時(shí)間基本處于休耕狀態(tài)，休耕時(shí)往往保持梯田水滿田疇，以防止梯田土層干裂破壞保水層。此外，由于梯田獨(dú)特的地形條件，自流灌溉方式大多采用借田而過，即通過田埂開口將分布于同一坡面的梯田串接起來，形成類似“長(zhǎng)藤結(jié)瓜”[29]的灌溉模式。借田而過的灌溉方式可充分利用水資源，實(shí)現(xiàn)“開源”與“節(jié)流”，充分體現(xiàn)了勞動(dòng)人民的勤勞與智慧。

3 灌溉系統(tǒng)管理

梯田自流灌溉系統(tǒng)能夠一直沿用至今，與人們尊重自然、科學(xué)合理的管理理念和管理方式分不開。梯田自流灌溉系統(tǒng)的管理包括對(duì)灌溉水源、灌排設(shè)施和水量分配的統(tǒng)一管理。

3.1 灌溉水源的管理

水資源是梯田的命脈，是維持梯田自流灌溉系統(tǒng)正常運(yùn)行的源動(dòng)力，而森林則是灌溉系統(tǒng)中重要的水源之地。因此，當(dāng)?shù)厝嗣裉貏e重視對(duì)水源涵養(yǎng)林的培育和保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)梯田灌溉水資源的長(zhǎng)久保護(hù)。位于云南的哈尼梯田，海拔2 000 m以上分布的森林植被是梯田的水源林，哈尼族人民自己制定的村規(guī)民約就規(guī)定嚴(yán)禁砍伐水源涵養(yǎng)林。為了讓人們產(chǎn)生對(duì)水源涵養(yǎng)林的敬畏之情，哈尼村寨都設(shè)有自己的寨神林，如最具代表性的元陽縣有寨神林約431處[30]。哈尼族人每年都舉行重要儀式來祭祀寨神林，且平時(shí)不能隨便出入寨神林，以防止人為破壞。哈尼族人敬畏自然，自覺保護(hù)森林的意識(shí)和手段使梯田區(qū)擁有較高森林覆蓋率，而蔥郁的森林涵養(yǎng)的水源形成了巨大的綠色水庫，成就了哈尼梯田自流灌溉系統(tǒng)，養(yǎng)育了一代又一代的哈尼人。

3.2 灌排設(shè)施的管理

因枯枝落葉和泥沙淤泥等原因，容易淤塞灌溉溝渠，因此梯田灌排設(shè)施的管理主要是對(duì)溝渠的管理與維護(hù)。于是，人們會(huì)根據(jù)需要推選出有能力、有責(zé)任心的人擔(dān)任溝長(zhǎng)，溝長(zhǎng)類似于現(xiàn)在的河長(zhǎng)、湖長(zhǎng)，其主要職責(zé)是巡查和維修溝渠，保證水流暢通。以哈尼梯田溝渠管理為例，每條溝渠由水溝的受益者共同商討選舉一個(gè)叫“嘎收”來負(fù)責(zé)日常維養(yǎng)，維養(yǎng)內(nèi)容包括水溝淤塞時(shí)的及時(shí)疏通及損毀加固[31]。為肯定“嘎收”所做的溝渠管理工作，溝渠受益者需向“嘎收”交納一定的稻谷作為其護(hù)理溝渠的報(bào)酬。溝長(zhǎng)的日常管理對(duì)實(shí)現(xiàn)溝渠的長(zhǎng)久利用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，每年冬季(一般為農(nóng)歷十一月至次年一月)要組織梯田所有者投資投勞，對(duì)溝渠進(jìn)行較大規(guī)模的維修加固，即我們所稱作的“冬修”。

3.3 水量分配的管理

梯田灌溉水量的分配除了采用分水木刻實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配灌溉水量外，還需根據(jù)不同情況采用人工方法實(shí)現(xiàn)公平合理的梯田水源分配。如梯田在水稻生長(zhǎng)用水緊張期，為了使每戶人家的梯田都能順利耕作，按照灌溉面積的大小，經(jīng)協(xié)商將溝渠劃分成幾段，由遠(yuǎn)到近按照順序輪流放水，或者抽簽決定先放水的溝渠段，沒有輪到放水的區(qū)域必須將水口關(guān)閉。此外，由于一條溝渠灌溉梯田的面積是有限的，所以通常指定某個(gè)山坡或梁子為界線標(biāo)志，界線以外的梯田原則上不允許開口子引用該溝渠的水進(jìn)行灌溉。為規(guī)范和嚴(yán)格梯田用水行為，對(duì)于違反梯田用水制度的人員要有相應(yīng)的處罰措施。如私自更改分水木刻的尺寸、截檔水流、人為堵塞溝渠等偷水行為，對(duì)于行為者除了要進(jìn)行通報(bào)和罰款外，還應(yīng)限制其用水量，情節(jié)嚴(yán)重的不得引用水源進(jìn)行灌溉。

4 結(jié) 語

(1)梯田自流灌溉過程中灌溉水源完全借助自身重力作用，由高處向低處自流實(shí)現(xiàn)梯田層層灌溉，其灌溉系統(tǒng)應(yīng)是灌溉水源、灌排設(shè)施和控制設(shè)施的結(jié)合體，三者缺一不可。

(2)森林植被對(duì)降雨的截留，林地對(duì)雨水的吸納儲(chǔ)存，森林與土壤共同成為梯田灌溉水源地，其造就的“隱形水庫”是梯田自流灌溉系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行的重要保障。

(3)科學(xué)有效的梯田耕作和管理方式是人類敬畏自然、順應(yīng)自然、可持續(xù)利用資源的行為體現(xiàn)，梯田自流灌溉系統(tǒng)折射出的人與自然和諧相處的理念可為現(xiàn)代農(nóng)田水利的建設(shè)與管理工作提供借鑒。