紫鹊界梯田原生态自流灌溉的环境因素探析

许文盛，尤 伟，李亚龙，程冬兵，刘晓路，张平仓

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010;2.水利部 水土保持监测中心，北京 100053)

1 概述

紫鹊界梯田是一处新发现的我国古代农耕稻作文化遗存，它起源于秦汉，盛于唐宋，至今已有2 000余年的历史，是当今世界开垦最早的梯田之一［1，2］。这些梯田均为水稻田，不仅分布于25°～40°之间的山坡上(通常大于25°的坡地，因保水困难，很难进行水稻田耕作)，而且在无任何人工水利设施的全天然条件下，长久以来却能利用自流灌溉过程实现旱涝保收，因此可以说是世界灌溉工程之奇迹。

目前，随着紫鹊界梯田旅游开发的进行，为更好地保护梯田“中国自然和文化遗产”，并为梯田的规划旅游开发提供科学依据，同时为人工水资源优化调配及类似地质地貌条件下的坡耕地水土资源开发与保护提供借鉴，紫鹊界梯田原生态自流灌溉机制的研究成为必然。对此，已有学者进行了初步探讨，秦仁秋［3］从地貌地形、地质土壤、气象水文以及人类活动等因素方面，对紫鹊界梯田的保水机理进行了解析;许志方等［2］从梯田的地下蓄水、地下排水、地面灌溉以及田间蓄水等方面，阐述了紫鹊界梯田的自流灌溉体系;甘德欣等［4］以该梯田为例，分析山地梯田景观灾害防御机制与效益时，指出“隐形水库”是紫鹊界梯田旱涝保收的根本原因;段兴凤等［5，6］通过对紫鹊界梯田区森林土壤物理性质与土壤持水量、枯落物持水率、土壤水分入渗的分析，对梯田区的森林土壤水源涵养功能进行了探讨。然而，现有成果对紫鹊界梯田的自流灌溉机制还缺乏全面的认识。

本文将依据水力学和水文学原理，从水流运动与循环的角度对紫鹊界梯田原生态自流灌溉过程进行分析，并在此基础上对影响该过程的因素进行系统归纳与分析，以期对进一步揭示紫鹊界梯田原生态自流灌溉机制奠定一定的基础。

2 梯田概况

紫鹊界梯田位于湖南省新化县西部山区的水车镇，介于东经 110°52'-111°01'，北纬 27°40'-27°45'，东邻搓溪镇，西接奉家镇，北靠文田镇，南与隆回县鸭田镇、金石桥镇接壤，西南与淑浦县相连，属于雪峰山脉，主峰白马山高 1 781 m。梯田总面积115.5 km2，呈带状遍布在海拔500～1 200 m之间的山坡上，共500余级、10余万丘。梯田平均宽度1.75 m(最窄处0.2 m，最宽约10 m)，级与级之间平均高差1.25 m，田埂平均宽度0.3 m、高0.25 m，如图1所示。梯田横跨8面坡、5条沟、4列支山脉，虽然坡度介于25°～40°之间，无任何人工水利设施，然而其水分储存和分配体系却已近趋完善，能一年四季水满田畴，旱涝保收，无任何水土流失灾害，可谓当地苗、瑶、汉多民族传统保土保水耕作与特定的生态环境自然耦合而创造出来的奇迹。2005年12月，紫鹊界梯田被国务院确定为第6批国家重点风景名胜区之一［3，4］。

图1 紫鹊界部分梯田形貌Fig.1 Landform of part of the Ziquejie Terrace

3 自流灌溉过程分析

自流灌溉是指借助于水的重力作用，灌溉水从水源由高向低自流进入灌溉田地的灌溉方法，它突出的特点是灌溉水源比灌溉田地高，能充分利用自然压差所形成的势能，不需要另外消耗机械能就可以完成灌溉［7，8］。根据水流运动规律，可以将灌溉系统分为灌溉水源、输水系统以及排水系统3部分。

图2给出了紫鹊界梯田自流灌溉过程的示意图。对于紫鹊界梯田而言，其自流灌溉过程由2部分组成，即由地表径流、梯田及山坡细沟组成的地面灌溉过程和由地下径流、渗水口、隙泉以及山坡细沟组成的地下灌溉过程。

地面灌溉过程中，坡顶地表水流在重力作用下，汇入坡顶细沟，再由细沟进入梯田，经梯田由上至下逐级灌溉，最后多余水量再由坡底细沟排出进入河道。在该过程中，由坡顶森林植被截水和涵养水构成了灌溉水源，由梯田和坡面细沟构成了输水与排水系统。地下灌溉过程中，渗入地下的水流在主要驱动力——重力作用下，经渗水口和隙泉进入梯田，多余水量再由梯田汇流，最后经坡底细沟排出进入河道。该过程中，灌溉水源由位于梯田地下的“隐形水库”构成，输水系统由渗水口和隙泉构成，排水系统由梯田和坡面细沟构成。该灌溉过程的最大特点是隙泉和渗水口大量分布于梯田田坎，完成了灌溉的输水过程。

图2 自流灌溉过程示意图Fig.2 Process of gravity irrigation

地面灌溉过程与地下灌溉过程是2个相互耦合的过程，地面灌溉过程中有部分水流渗入地下，对地下“隐形水库”形成了重要的水源补充，而地下灌溉过程中经隙泉和渗水口进入梯田的水流又补充为地表灌溉水源，因此，水流通过渗入和渗出使地面灌溉过程与地下灌溉过程有机地耦合起来，共同构成了紫鹊界梯田的自流灌溉过程。在该自流灌溉过程中，雨季以地面灌溉过程为主，旱季则以地下灌溉过程为主。

4 影响自流灌溉的因素分析

自流灌溉过程的实质是水流在重力作用下运动过程的一种表现形式，依据水文学原理，可以将影响该过程的因素概括为植被因素、地质因素、地貌因素、人类活动因素以及气象因素等5个方面。

对于紫鹊界梯田来说，各因素对其自流灌溉过程的具体影响分析如下。

4.1 植被因素

紫鹊界梯田区森林茂密，植被覆盖率90%以上。山顶高程1 200 m以上实行“戴帽子”，山腰高程500～1 200 m之间实施“围带子”，山脚高程500 m以下实行“穿裙子”。林田比例约2∶1。植物种类繁多，从林冠至地下可分为4层，1层为松、柏、枫等乔木;2层为山茶、紫荆等灌木;3层为蕨草和落叶;4层为树、草之根［2，3］。

葱郁的植被是梯田自流灌溉的先决条件。一方面，降水被4层植被充分拦截和接纳。小雨只沾湿叶干，无雨滴直击地面;中雨被树叶枝干拦截后成水滴落下，无坡面漫流形成;暴雨经林、草、落叶接纳后，均匀浸入地下，坡面有缓慢表流，但无集中急流［2］;另一方面，植被经过长年累月的更替演变，在林下地表形成了一厚厚的枯枝落叶层。枯枝落叶层不仅能很好地防止雨水直接冲刷地面，而且自身具有很好的吸水率和储水量。据研究，紫鹊界梯田区枯枝落叶层24 h饱和持水率最大为450.03%，最小为288.13%，平均值365.48%，明显高于一般杉木林和竹林地枯枝落叶层的饱和持水率［6］。同时，良好的植被加大了紫鹊界梯田局部区域内的蒸腾作用，进而在一定程度上有利于加快局部区域内的水循环速度，使梯田区的年降水量增加(如图2)。

总之，植被对紫鹊界梯田区的水资源起到了重要的调配作用，不仅使区域内的水循环速度加快，增加区域内的年降水量，而且被树叶枝干拦截和被枯枝落叶层接纳的降水，在坡面细沟汇流形成地面灌溉过程的灌溉水源的同时，也有相当一部分渗入地下进入地下“隐形水库”(约 40% ～45%［3］)，形成了地下灌溉过程的水源。这使天然降水在紫鹊界梯田区，年内得到了充分的调节和重新分配，减缓了降水年内分配不均的现象，保障梯田自流灌溉一年四季得以进行，实现旱涝保收。

4.2 地质因素

紫鹊界属于新构造运动上升区花岗岩体发育形成的剥蚀地层，整个土壤与基岩界面似一块花岗岩磐石，地表以下完整无缝，如一块不透水塘底，渗入地下的水流只能通过山腰坡地渗出［2，3］。表1给出了紫鹊界梯田区花岗岩风化壳综合剖面分析结果。可看出，梯田区剖面由上至下依次由耕作土层、黄壤土层、淀积层、残积层和母质层组成，其中黄壤土层渗透性较弱，淀积层和残积层渗透性较强，母质层为不透水层。

这样的地质条件，一方面使渗入地下的水流均会被存储在黄壤土层、淀积层以及残积层中，进而形成含水量丰富的地下“隐形水库”。据统计［2］，紫鹊界梯田区土壤具有良好的水源涵养功能，每立方米土壤含水量约0.2～0.4 m3，地下“隐形水库”最大储水量达0.12 ～0.15亿 m3，如果在一般干旱无雨季节，每公顷梯田灌溉水量按3 000 m3计算，每天相应的蒸发和渗漏水量按10 mm计算，则地下“隐形水库”储水可供梯田灌溉20余d。另一方面，黄壤土层的弱透水性，不仅使存储于地下“隐形水库”中的水流通过无数个分布于梯田田坎的裂泉和渗水口中渗出成为了可能，而且还限制了水流渗出时的速度，使“隐形水库”中的水量不至于在下一次降水来临之前的短时期内“渗完”，从而保障了旱季梯田地下灌溉过程的时长。

表1 紫鹊界梯田区花岗岩风化壳综合剖面分析［3］Table 1 Analysis on the section of granite weathered crust at Ziquejie Terrace

因此，紫鹊界特定的地质条件为梯田自流灌溉过程的顺利实现提供了重要的保障，在使渗入地下的水流形成地下“隐形水库”，调配梯田区水资源年内时间分布，为梯田地下灌溉过程提供稳定的灌溉水源的同时，也限制了地下灌溉的灌溉速度，保障了旱季地下灌溉过程的时长。

4.3 地貌因素

从大尺度来看，紫鹊界梯田位于雪峰山中段的白马山东麓。雪峰山发脉于云贵高原，海拔800～1 900 m，从湖南省西南部弯曲延伸至东北部。由于湖南省地形呈马蹄形，周边东南部为南岭，西部为武陵山脉，中部为湘中丘陵盆地，北部为洞庭湖平原，而雪峰山位于中部，因此雪峰山将湖南盆地分成东南与西北两部分［2］。该地形使湖南省中部气候随雪峰山升高成垂直性变化，而紫鹊界梯田正处于雪峰山弯曲延伸转折部位的山腰，因此受气候垂直性变化的影响，其降水比坡底平丘地区多(300 mm左右)，进而使梯田的自流灌溉得到了充足的水源补给。

从小尺度来看，紫鹊界梯田区属于小起伏-中起伏的中山地貌类型，起伏高度600～1 200 m，山顶呈尖棱或圆顶状，山坡坡度介于30°～40°之间，局部大于50°，海拔在600 m以下的山坡，坡度在15°～30°之间［3］。一方面，较大的山坡坡度加大了重力对水流的作用，进而加快了地下径流的流速，使存储于地下“隐形水库”中的水流能够相对快速和容易地从隙泉与渗水口中渗出，对梯田进行地下灌溉;另一方面，由中、小地形起伏形成的多条山间细沟，与坡面细沟一道，共同构成梯田自流灌溉输水与排水系统的重要组成部分，使梯田能够在洪水期正常灌溉，免遭洪水的侵害。

总之，紫鹊界特殊的地貌条件，不仅使梯田区降水多于坡底平丘地区，梯田自流灌溉的水源得到充足补给，而且加大了重力对水流的作用，加快了梯田地下灌溉的速度，同时由地形起伏形成的多条山间细沟，与坡面细沟一道，成为梯田灌溉输水与排水系统的重要组成。

4.4 人类活动因素

对于紫鹊界梯田而言，人类活动对其自流灌溉过程的影响主要体现在如下几方面:

首先，紫鹊界梯田已经有2 000余年的耕作历史，长期以来，由于梯田坡度大、田面窄、田坎高，当地农民始终保持着锄耕方式，并十分注意保持表土层的均匀细密，进而经过漫长的岁月，梯田区风化壳表层的自然土壤形成了松软肥沃的紫色、暗褐色沙壤耕作土层(该土层特性如表1所示)，使土壤剖面特征发生了质的变化，并在其底部形成了相对隔水的保水薄层［3］。

其次，当地农民特别注重田埂质量，田埂虽窄，但筑砌密实，严格做好防渗与黏土抹面;同时，为不让鳝鱼、泥鳅打洞钻孔，造成田埂渗漏，农民夜晚还照灯火细心检查田间是否有鳝鱼、泥鳅等破坏田埂［2］。

再次，紫鹊界梯田一年只进行一季水稻种植，其余时间梯田一般均处于休耕状态，梯田休耕时，为了保护田块的蓄水功能，防止土层干裂，破坏蓄水保水条件，田块均保持水满田畴。

此外，紫鹊界梯田依山顺坡而建，由上至下逐级布设，分布均匀，自流灌溉可以借田而过，把分布于同一坡面的梯田串联起来，形成“长藤结瓜”［9，10］式的灌溉模式，小水大用，使梯田的水资源得以充分利用。据统计［4］，在这一模式下，梯田可以拦截70% ～95%的地表径流，田间水层可保持0.2 m，梯田可蓄积水量0.1亿m3。

因此，当地农民对梯田的精耕细作，不仅使耕作层底部形成了相对隔水的保水薄层，增加了梯田田埂的防渗漏效果，而且还形成了“长藤结瓜”式的灌溉模式，使水资源可以得到充分的利用，最终实现了紫鹊界梯田在自流灌溉过程中对水源的“开源”和“节流”。

4.5 气候因素

紫鹊界梯田位于中亚热带季风气候区，区域内干湿季节明显;年降雨量1 600 mm，年径流深900 mm，降雨年内分布不均，水稻生长的需水期常出现少雨状况;最大暴雨量达30 mm/h;年平均气温16.5℃，最高气温 39℃，最低气温－5℃;年无霜期290余d，初霜一般在11月15日左右，终霜一般在翌年 2 月 28 日左右;年均日照时长约 1 400 h［2－4］。

气候因素对紫鹊界梯田自流灌溉过程的影响包括直接影响和间接影响2个方面。直接影响方面，丰富的降水给梯田的自流灌溉过程提供了良好的水源保障，但降水的年内分布不均也给该灌溉过程带来了一定的不利影响。间接影响方面，该气候条件使梯田区域内的自然植被以常绿阔叶林为主，植物资源极为丰富，进而为梯田区域内的水资源年内调配奠定了重要的基础;同时，该气候条件也促使当地农民发挥聪明才智，在对梯田的精耕细作中实现了对梯田自流灌溉水源的“开源”与“节流”。

4.6 综合分析

在植被、地质、地貌、人类活动及气候等因素的综合影响下，紫鹊界梯田实现了原生态自流灌溉过程，长年累月，经久不息，使梯田作物能旱涝保收。这些因素之间相互耦合作用，对于实现梯田的自流灌溉而言，缺一不可。例如位于福建省东南部、晋江西溪上游的安溪梯田茶园，人类过度地开发和缺少对梯田的保护，造成了严重的水土流失，在其后期治理过程中，把加大植被覆盖率、加强人类活动管理及改造优化梯田区地貌确定为相应的治理对策，然而由于该梯田区缺乏与紫鹊界相类似的地质条件，因此改造后的梯田无法实现自流灌溉［11］。

在自流灌溉过程中，良好的气候条件与梯田所在的局部区域内地貌引起的气候垂直性变化，使梯田区的降水量较坡底平丘地区多，保障了自流灌溉过程中输入性水源的补给;葱郁的植被与特殊的地质一起，对梯田区的水资源进行了优化与调配，使梯田区水资源能够在年内得到相对均匀的重新分配，植被在拦截和接纳降水，给地面灌溉提供水源的同时，也给降水渗入地下提供了良好的条件，特殊的地质使降水可以顺利渗入地下形成“隐形水库”，进而在无降水或降水较少的干旱季节，存储于“隐形水库”中的水可通过地下灌溉过程对梯田进行灌溉;特定的地貌条件使梯田具有良好的排水系统，并加快了地下灌溉速度;当地农民对梯田的精耕细作，实现了对梯田自流灌溉水源的“开源”与“节流”。

5 结论

(1)紫鹊界梯田原生态自流灌溉过程是地面灌溉过程与地下灌溉过程的有机耦合过程，雨季以地面灌溉过程为主，旱季以地下灌溉过程为主;地面灌溉过程中，坡顶森林植被截水和涵养水构成了灌溉水源，地下灌溉过程中，储存于梯田地下“隐形水库”中的地下水构成了灌溉水源。

(2)森林植被拦截和接纳降水，特殊的地质形成地下“隐形水库”用于存储渗入地下的水流，它们一起对紫鹊界梯田区的水资源进行优化调配，使本来年内分布不均的水资源能得到相对均匀的再分配，从而保障梯田在干旱季节自流灌溉过程能顺利进行。

(3)紫鹊界梯田所在区域气候特征随地形高度的垂直性变化，相对增大了梯田区的降水量，从而保障了自流灌溉过程中外部输入性水源的补给，同时，当地农民对梯田的精耕细作，实现了对梯田灌溉水源的“开源”与“节流”，又进一步保障了梯田正常自流灌溉的水源。

(4)特殊的地质限制了梯田地下灌溉的速度，而中山地貌和相对较陡的坡度，却加大了重力对水流的作用，进而加快了梯田地下灌溉的速度，两者在长时期的相互作用中取得了均衡与协调，从而保障了旱季梯田地下灌溉的时长。

(5)对于实现梯田的自流灌溉而言，植被、地质、地貌、人类活动及气候等因素缺一不可。

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