稻作梯田自流灌溉系統的組成及其管理

彭圣軍，王 姣，劉 穎，胡 強

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

梯田是山區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產品而形成的一種歷史悠久的農業耕作方式，也是保水保墑提高作物產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作物或經濟林，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。國內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。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域氣候、周邊植被、地質土壤及人類活動等，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盛不衰，與科學、合理的水利管理制度和管理手段也是分不開的。然而，在當今社會經濟快速發展的背景下，人們生活方式、價值觀念不斷變化，稻作梯田及其自流灌溉過程的存續正面臨諸多問題。因此，如何實現稻作梯田的保護和可持續發展，需要不同部門、不同行業的科技工作者共同研究探討。本文從系統組成、影響因素、管理手段等方面對稻作梯田自流灌溉系統研究進展進行總結分析，為相關研究和管理人員提供參考。

1 灌溉系統組成

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、機械能等額外的能量，灌溉水源自高處向低處自流進入梯田的過程[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。梯田自流灌溉系統主要由三大部分組成，即灌溉水源、灌排設施和控制設施[8]。梯田區人民從灌溉水源，蓄水保水工程、輸泄水工程及灌溉控制方式等方面創造性地采用多種技藝，通過科學、簡易的工程設施實現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

要實現梯田的自流灌溉，首要條件必須要有灌溉水源。梯田區域大多無塘無庫，其蓄水之庫為森林、土壤。森林生態系統從上到下對降雨的再分配有三個作用層，即林冠層、枯落物層和土壤層。林冠層是森林生態系統傳輸水分的第一層，通過對降水分配和水分入林過程進行調配，直接影響森林生態系統水文循環過程[9]。林冠層涵養水源能力的大小由林冠層對降雨的截留量來反映，而林冠層對降雨的截留能力與林分郁閉度、冠幅大小、樹葉面積等有關。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，是森林水文循環過程的第二層。枯落物涵養水源的能力取決于枯落物的持水能力。枯落物除其自身的持水能力外，還具有改良土壤物理性質、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過程的重要場所，土壤水也是植被生長和生存的物質基礎。土壤涵養水源的能力與其持水能力有關，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[10]。森林生態系統的三個作用層共同作用，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，相關研究表明[11]，紫鵲界梯田區域最大儲水量為0.12～0.15 億m3，梯田可獲灌溉水量為3 萬m3/hm2，干旱季節土壤所儲水量可灌溉20 d。

1.2 灌排設施

水稻田灌區通常都修建了干、支、斗、農、毛渠系，而梯田由于水源千頭萬緒、地形復雜等原因，基本上都未開鑿大型渠道，也沒有常規水稻田那樣布設完善的灌溉渠系。梯田田間的輸引水主要通過毛細溝圳、簡易管道以及田埂開口來實現。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，而是通過在田塊內側修建矮埂和田埂形成小溝渠實現輸水灌溉；有的則采用竹筒、木枧來實現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的山澗水，全寨主要的灌溉水溝有5條，還有分散于梯田之間的細小溝渠，總共有近百條[12]。這些溝渠將山體和森林中涵養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絡。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，其構成了一個不透水的蓄水之庫，山頂和山坡所截留的雨水，只能從山腰坡地滲出[13]。細細觀察，山坡石縫常年有山泉水流出，土坎下也有無數水滴滲出，這些滲水口如米篩之孔遍布山坡面。梯田區特殊的地質構造和無數的滲水口形成了天然的地下輸排水網絡，為梯田提供不竭的水源。

1.3 控制設施

現代農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中，勤勞智慧的勞動人民根據當地條件因地制宜發明創造了分水木(石)刻等簡單實用的工程設施來解決田塊之間的水量分配問題。可以說，分水木刻蘊含了現代水利科學中的“水位～流量關系”知識。分水木刻在梯田自流灌溉系統中起神經中樞控制作用，精確地調配和管控梯田的灌溉用水量，同時也對水流流速、流向進行恰當的調節。分水木即一段木頭根據灌溉面積、灌溉需水量的不同刻鑿出幾個寬窄不一的凹槽[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域。為保證分水木的制作質量和分水的合理性，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督下由技術專人完成，其他人員不得擅自制作。為合理利用水資源、避免用水糾紛，我國云南哈尼梯田和廣西龍脊梯田均設有分水木刻控制設施，龍脊梯田當地人將分水木刻稱之為“分水門”。印度尼西亞巴厘島水稻梯田也是通過在長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]。經估算，在印度尼西亞巴厘島水稻梯田灌溉系統中，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 分水木刻結構(單位：cm)Fig.2 Water-allocating woods structure

2 灌溉系統影響因素

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，獨特的山區氣候和當地人民科學合理的耕作方式，均為保證梯田自流灌溉系統經久不息的運行起到了重要作用。因此，影響梯田自流灌溉系統的因素可概括為地形地貌、地質土壤、氣候條件和人類活動[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，實現對梯田的灌溉。受地形條件限制，梯田田塊面積一般很小，平面呈狹長型，這決定了梯田基本只能采用鋤耕模式，鋤耕模式不會破壞田塊耕作層和隔水層，起到保水作用。此外，獨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，梯田區降水量比其他區域多，保證了自流灌溉的水源補給。

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藏于山體中。國內外許多學者對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行了相關研究[18-20]。對于梯田區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5種天然次生林為研究對象，采用野外取樣與室內實驗的方法，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]對湖南紫鵲界梯田區天然林枯落物進行了研究，結果為枯落物浸泡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。

2.2 地質土壤

梯田自流灌溉系統的形成，其獨特的地質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，另一方面也可以實現輸送水分。廣西龍脊梯田上部山體巖石裂隙發育，雨水可以滲入山體形成含水量豐富的地下“隱形水庫”；同時因為巖石的弱透水性，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間內“滲完”，保證了旱季梯田的灌溉時長[23]。湖南紫鵲界梯田周邊獨特的花崗巖地質條件，形成一個不透水的塘底，雨水蓄積而不容易流失，進而形成一個天然的地下水庫。

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]對云南哈尼梯田區域12種林分類型下的土壤涵養水源能力進行了實驗分析，結果顯示木姜子、紅果樹闊葉混交林的土壤涵養水分能力較強。除了土壤的持水能力，入滲性能也是影響土壤涵養水源能力大小的一個關鍵因素[26,27]。劉澄靜等[28]通過采用Hood IL-2700土壤水分入滲儀對哈尼梯田不同景觀類型土壤水分入滲特性進行了分析，為梯田林分種植與改造提供了技術參考。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

梯田區一般山高林密，易形成垂直性變化的獨特氣候特征，可提高灌溉水源的補給能力。紫鵲界梯田位于溫暖濕潤、多雨的中亞熱帶季風氣候區，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森林植被覆蓋率，通過林地植被截水蓄水的作用間接增強了區域涵養水源的能力。得益于紫鵲界溫和潮濕的氣候，梯田區域森林覆蓋率高達90%，其樹冠截水率達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

人們科學合理的梯田耕作、保養方式等都對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代機械，只能保持傳統的鋤耕方式，這樣不會對梯田底部起隔水作用的保水薄層造成破壞。且人們在耕作過程中比較注重表層耕作土的均勻細密，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，其余時間基本處于休耕狀態，休耕時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“長藤結瓜”[29]的灌溉模式。借田而過的灌溉方式可充分利用水資源，實現“開源”與“節流”，充分體現了勞動人民的勤勞與智慧。

3 灌溉系統管理

梯田自流灌溉系統能夠一直沿用至今，與人們尊重自然、科學合理的管理理念和管理方式分不開。梯田自流灌溉系統的管理包括對灌溉水源、灌排設施和水量分配的統一管理。

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正常運行的源動力，而森林則是灌溉系統中重要的水源之地。因此，當地人民特別重視對水源涵養林的培育和保護，以實現對梯田灌溉水資源的長久保護。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民約就規定嚴禁砍伐水源涵養林。為了讓人們產生對水源涵養林的敬畏之情，哈尼村寨都設有自己的寨神林，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，自覺保護森林的意識和手段使梯田區擁有較高森林覆蓋率，而蔥郁的森林涵養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，養育了一代又一代的哈尼人。

3.2 灌排設施的管理

因枯枝落葉和泥沙淤泥等原因，容易淤塞灌溉溝渠，因此梯田灌排設施的管理主要是對溝渠的管理與維護。于是，人們會根據需要推選出有能力、有責任心的人擔任溝長，溝長類似于現在的河長、湖長，其主要職責是巡查和維修溝渠，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叫“嘎收”來負責日常維養，維養內容包括水溝淤塞時的及時疏通及損毀加固[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理溝渠的報酬。溝長的日常管理對實現溝渠的長久利用是遠遠不夠的，因此，每年冬季(一般為農歷十一月至次年一月)要組織梯田所有者投資投勞，對溝渠進行較大規模的維修加固，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現自動分配灌溉水量外，還需根據不同情況采用人工方法實現公平合理的梯田水源分配。如梯田在水稻生長用水緊張期，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，經協商將溝渠劃分成幾段，由遠到近按照順序輪流放水，或者抽簽決定先放水的溝渠段，沒有輪到放水的區域必須將水口關閉。此外，由于一條溝渠灌溉梯田的面積是有限的，所以通常指定某個山坡或梁子為界線標志，界線以外的梯田原則上不允許開口子引用該溝渠的水進行灌溉。為規范和嚴格梯田用水行為，對于違反梯田用水制度的人員要有相應的處罰措施。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，對于行為者除了要進行通報和罰款外，還應限制其用水量，情節嚴重的不得引用水源進行灌溉。

4 結 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現梯田層層灌溉，其灌溉系統應是灌溉水源、灌排設施和控制設施的結合體，三者缺一不可。

(2)森林植被對降雨的截留，林地對雨水的吸納儲存，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能夠順利運行的重要保障。

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