日本農田水利建設規劃中的土層改良規劃設計

潘傳柏 楊夢云

(湖北省荊州市水利水電勘測設計院，湖北 荊州 434000) (南京明輝建設有限公司，江蘇 南京 210000)

日本耕地面積僅占世界耕地面積的0.4%，人口卻占世界人口的2.2%，日本土地零星分散、價格昂貴，土地經營規模難以擴大。為提高農業生產率，日本于1949年制定了《土地改良法》，并根據此法于1959年成立了所有土地耕作受益者必須參加、具有法人資格的土地改良區[1-2]。最初，土地改良工程是通過改善農業生產的基礎條件來提高農用土地的生產力和增加總產，同時為有目的地進行農業擴大再生產和改善農業生產結構服務。2001年組建農村振興局后，為適應農業和社會經濟形勢的變化,在新村建設的基礎上，日本的土地改良工程內容也得到了擴充,除了為實現農業的穩產高產而實施的水土條件整治開發項目外,也包括了農村生產基礎的整頓和環境、景觀方面的建設[3]。從廣義上,這些工程項目都統稱為土地改良工程[4]。日本土地改良整治的模式對我國南方地區和東部發達地區的農田水利基本建設有一定的借鑒作用[5]。但關于日本土地改良方面的文獻多為制度、法律、組織、模式等方面的介紹[1-6]，涉及日本土地改良工程中最基本、最核心的土壤改良的具體內容與方法的文獻十分鮮見[7-9]。筆者擬根據在日本工作期間的研究并結合在中日政府間專項技術合作“湖北省江漢平原四湖澇漬地綜合開發計劃”項目的具體實踐在此加以介紹。

1 有效土層

1.1 有效土層的條件

所謂耕層土是指耕耘、整地時被翻動、旋動的土壤。有效土層厚度根據作物根系的分布來決定。所謂有效土層，指作物根系活力最強、分布最廣的土層，通常指下列6項中任何一項連續厚度不超過10cm的土層范圍：(1)粗砂含量40%以上(重量%)；(2)砂礫含量50%以上(重量%)；(3)粗砂及砂礫合計55%以上(重量%)；(4)土層致密度24mm以上(山中式硬度計)；(5)含泥炭層或黑泥炭層；(6)磷酸吸收系數2000以上。

1.2 土層改良方法

日本的土層改良與農田改造一起規劃并實施，以實施前土壤調查結果為依據，以保持有效土層為目的的土層改良方法[10]有下列幾種。

(1)通過培肥管理改良土壤層 因不進行表土處理，挖土部和填土部不均勻很可能影響作物生育，應通過施肥改善、翻耕等手段來謀求土層的均勻化。挖土部可能出現強烈表現氮素不足的影響和磷酸吸收系數很大的情況，多施肥是十分必要的；填土部常出現因氮素過多而瘋長的情況。由于農田平整改造，下層土成為耕層土時常常成為水稻生育障礙的原因，因此有必要進行施肥管理。

土壤類型差異雖有不同，但一般采取增施堆肥(2t/1000m2)、施用硅鈣(300kg/1000m2)、比普通施肥量增加5%～10%的措施[10]。對火山灰質土壤增施磷肥效果較好，另外，下層土作耕層土時往往看到紅銹斑，因此應避免過多施用未熟堆肥，以防止由于曬田等導致異常還原。當下層土壤性狀很差時不宜一次性過深翻耕而應以逐年加深耕層為宜。

(2)表土處理 表土是經過農民長年累月培育出來的，對產量有很大影響，除了根據各種條件判斷不能進行表土處理的情況外，應盡量按有必要、有困難、不必要3種情況進行表土處理。

有必要進行表土處理的情況：有效土層薄且下層土是砂礫質、有機質少且與耕層土極不一樣的土壤，即使進行培肥管理也不能將下層土變成與耕層土一樣，有效土層在30cm以下時；下層土透水性不一致，農田改造后土層透水系數有可能極度惡化時；由于后茬或水、旱輪作等引進收益性很高的特種作物必需保持現在耕層土肥沃度時。

表土處理困難的情況：排水不良的軟弱地基及濕地施工時、大坡度水田施工時。

不必要處理表土情況：下層土與耕層土幾乎一樣，即使省掉表面處理，整地后的有效土層厚在30cm以上，而且經過培肥管理能夠得到耕層土時；耕層土肥沃度很低，表土和下層土混合后相反增加地力時；挖方與填方深度在5cm以內的平坦地。

(3)客土 客土是指由別處移來用于改良或置換原生的對農業生產有某些障礙的土壤。采用客土改良是為了保持作物生產有良好的耕層土壤，目的在于改良原地耕層土壤的物理、化學性質。通過客土改良后，土壤的透水性和承載力等物理性質在短期內就會改善，而土壤化學性質的改良效果則是逐漸體現出來的。對一般的土壤來說，除需要抬高地面外，將客土與耕層土進行充分混合是比較理想的，但在泥炭上放置客土時不能馬上深耕，要隨著泥炭的不斷分解讓其一點一點逐漸與下層土混合。

以補充有機質為目的的客土可以利用溝河湖泊的沉泥，在摻入前必須充分讓其干燥以促進有機物分解，同時還要充分注意防止氮素過多。

(4)清除小石塊 根據日本野辟地區調查，農田改造施工后的三年中，人工消除小石塊平均達0.48t/1000m2，清除小石塊的費用約占改造費的10%[10]，因此，可能會帶入耕層的小石塊必須在整地施工時消除掉，同時也要注意施工時不要將下層土中的小塊石混入到耕層中。

消除小石塊的方法除人工消除外，還有網篩清除，通過深耕、攪拌讓小石塊沉到下層土等方法。

2 透水性

2.1 土層透水性的范圍

對于大型機械的運行及水、旱輪作來說，非灌溉期及種植旱作時土壤透水性大則排水性好，但對于灌溉期來說，透水性太大滲透量就大，從水資源及水稻生育上來看是不理想的。一般水田土壤中的滲透速度是由以排水溝水位等為代表的水力條件和土壤透水性兩方面的相互關系來決定的。其中土壤透水性的大小是左右滲透量的重要因素，水力條件的好壞是在土壤透水性達到一定程度時才開始成為影響滲透量變化的要因。

一般從水稻生育及栽培管理上講，適宜的滲透量被認為是20mm/d，為了達到這個滲透量，滲透系數控制在約2～5×10-5cm/s的范圍內是最理想的[10]。

2.2 土壤透水性的改良方法

土壤透水性的改良分為增加粘質土水田等的透水性和減少漏水水田等的透水性2種情況。

(1)增加透水性方法 土壤透水性不良表現為粘質土整體不透水、犁底層等土層一部分不透水、施工時機械碾壓形成不透水層等情況。針對上述情況解決的方法有栽培法和施工改良法，原則上首先研究采用栽培法，當栽培法不可以時才采用施工改良法。

栽培法：該方法是充分利用田面的蒸發干燥，讓土壤發生龜裂從而增加土壤透水性。在栽培方法上，有干田直播、水稻半干栽培、水旱輪作等。在蒸發最強的夏季不灌水以促進龜裂，以期改良土壤結構。在水管理上應強化曬田管理或采用間歇灌溉，從而延長田面露出干燥時間，促進龜裂發生。這些方法要與降低地下水位相結合，從而發揮其效果，如果將暗管排水與上述栽培管理相結合，效果將更明顯[10]。但栽培法對土壤透水性改良的效果因土壤特性及氣象條件等存在一定的限度，當不透水層淺時會達到一定的效果，而不透水土層在田面下幾十厘米時，就得靠后述的施工改良法了。

施工改良法：當利用栽培法龜裂程度很難加深或即使有龜裂但發生速度慢而不能成為有效的解決方法時，則有必要采取通過鼠道、心土破碎等機械作業來破壞幾十厘米以下的土層給土壤增加透水通道的方法。粘土的情況下通過暗管排水組合效果很好，在只有一部分不透水土層存在的情況下通過深耕、重復翻耕等有時也是有效的。特別是小型暗渠，投資小，施工效果也很理想。

(2)抑制透水性的方法 在砂質土、火山灰土等漏水田地帶以及因農業改造犁底層被破壞而成為漏水田的情況下，除在水稻生育、節約用水量上采取措施外，降低透水性也是必要的。改良的方法有壓緊心土層、滲入粘質客土、混入膨潤土等。上述方法在農田改造平整土地工程時結合進行、綜合應用是最理想的。砂質土的情況下，在整地施工時通過增加推土機的碾壓次數來壓實基土往往能達到理想的效果，火山灰的情況下則易采用破碎碾壓施工法。

2.3 因施工帶來的透水性變化及其改進措施

隨著機械化程度的提高，農田改造工程整地施工與過去人力施工不同，大都使用推土機等大型工程機械，使用這些重型機械施工時，由于反復碾壓，使表土處理部分的下層和心土上部附近的土層的透水性降低，除耕作層極淺及火山灰開墾地等情況外，土壤透水性一般都呈現減少傾向。

土壤透水性降低主要是由于反復的碾壓造成土壤整體孔隙率的減少及已經形成的通水孔道的龜裂，根穴、蟲類穴道等連通的粗孔隙由于土的移動而被破壞、切斷等原因造成的。碾壓對透水性的影響與施工時土壤水分狀況有密切關系，由于土壤移動導致的結構破壞也極大地引起透水性降低，這也是為什么很多情況下被攪拌碾壓的填土部分的透水系數比挖土部分小的原因。

由于施工機械碾壓導致透水性降低的土層范圍因機械的類型、地形坡度的不同而呈現差異，不過多波及到田面下35～40cm處，日耗水深20～30mm的水田，其滲透量變成幾乎接近0的狀態，從而導致水稻根腐病等生育障礙，且容易產生早期田面不能變干等不好的情況發生。由于土壤條件的不同也有通過進行曬田讓土壤發生龜裂，從而使降低了土壤透水性回到幾乎原來一樣的事例。為了防止透水性的過度減少，施工時注意水分管理，采用盡量減少機械來回遍數的施工方法。如果施工時這些管理未能實施，對這類水田必須考慮在施工后使用機械破碎心土的方法，以及采取通過加強曬田、旱期干田等管理以促進龜裂加深的措施來進行改進。

3 土壤承載力

3.1 必要土壤承載力的主要考慮因素

(1)作業機械及作業內容 必要土壤承載力因作業機械的種類、車輪型號、農機具、作業內容等有很大的差異。

(2)田面漬水狀況 一般農作業中，田面沒有漬水的春季耕耘、施工、播種作業及秋季收獲時的機械行走車輪壓力主要靠耕層表層來支撐，而在積水中進行翻耕整地作業時是靠耕層下面的土層(犁底層)來支撐，因此，必要土壤承載力必須考慮田面有無漬水2種情況。

3.2 土壤承載力的測定方法

土壤承載力的測定采用圓錐貫入儀的靜貫入試驗，貫入抵抗值用硬度指數表示。該方法非常簡單，而且已被廣泛普及使用。在施工后進行測定時，每耕區設5個以上測定點，在每個測定點針對不同深度每層測3次以上，其平均值為該層硬度指數，測定深度為地表下40cm為止，每5cm為一層，貫入速度1.0cm/s[10]。

3.3 提高土壤承載力的方法

存在影響機械作業土壤承載力問題的水田是那些開墾初期的水田、長期排水不良的粘重田以及泥炭土水田等，其中又分為本身土壤基礎軟弱而達不到指標和干燥時具有充分的土壤承載力，但因降雨等使耕層土含水率升高而導致機械打滑、下沉2種情況。前者情況下，通過暗管排水降低地下水位的同時，對粘質土要采取措施；在后者情況下，應采取措施迅速排除田面漬水，讓耕層土能盡快變干。不管是哪種情況，要想提高土壤承載力，加強地表和地下排水是絕對比必要的條件，只有在此前提下其他的改良措施才能有效發揮。

4 平整度

4.1 田面平整

平整精度以水平儀所測與平均標高的高低差來表示。全測點的高低差按水稻栽培的要求至少應在平均標高的±5cm以內才是理想的，田面傾斜的積水深度差要控制在±5cm以內，渠道側和排水溝的積水深度差要控制在10cm以內[10]?？紤]到工程費用以及常年形成的不均勻沉降等因素，全測點中不超過±10cm，其中80%以上控制在±5cm以內也是被認可的。

整地時將田塊分成渠道側和排水側2個區，在各區內的高低差分別按上述標準范圍驗收，而在2個區的平均標高可以相同，也可以將排水溝的一側稍降低。同時要考慮到在今后的生產中，靠渠道一側由于修路取土而變低，靠排水溝一側由于清溝推土則變高等因素。

為了加快取水時進水口向田塊灌水的時間和從排水口盡量完全排除地表水，將田面整成側斜狀是必要的，因田面平整程度不好使地表水不能完全排除時應開挖臨時排水溝。當田塊區劃面積達3000m2左右時，灌排明渠的間隔會加大，田面平整度會降低，且地表水排干會變難，為了提高機械作業、藥劑防治、曬田、液肥流入、收獲期落干、水稻生育期內的干濕管理等農業生產技術水平，盡快排除田間澇漬則顯得尤為重要。

當施工或以后翻耕都不能將田面整平時，應采取積極性的淹水平整方法，用推土機將土翻動使田面大致平整，然后灌水，用濕地推土機等機械整平，或用機械牽引電桿等趕平。不過，這些方法因為是在水中將土揉和，其結果可能會導致土壤結構惡化，使得粘土透水性過小，這時就必須通過曬田來使透水性恢復。

4.2 心土基礎平整

在同一田塊進行挖填施工時，考慮到可能產生的不均勻下沉，尤其要特別注意心土的平整，心土平整不好時會造成田面不能同時干燥或搬入的耕層土不均一，產生生育狀況不齊的隱患。

為了修正填土部分因不均勻下沉產生的坑洼，保持田面平整而必須搬走挖土部分的耕層土，此時當挖土部分的心土是砂礫質土壤時會帶來很大的危害，在這種情況下尤其要注意心土表面的平整施工。在積雪地帶比較有效的方法是在秋天進行大致的心土平整，來年春天修正坑洼后回填耕層土。

5 結語

日本的土層改良規劃設計主要從有效土層、土層的透水性、土壤的承載力、田面的平整度等方面綜合考慮。其基于土壤調查結果通過培肥管理、表土處理及以補充有機質為目的的客土改良土壤層的方法，對施工帶來的透水性變化采取的改進措施，土壤承載力的測定和提高土壤承載力的方法，田面平整的方法對我國的土壤改良與土地平整都有一定的借鑒和參考價值。

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