Rehabilitation engineering of gully filling in the Mollisols farmland of Northeast China
1. Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, 150081, Harbin, China;
2. College of Resources and Environmental Sciences, Jilin Agricultural University, 130118, Changchun, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, 100049, Beijing, China
沟道侵蚀是土地退化的最严重的表现[1]，其危害表现在损毁土地，造成土地支离破碎，阻碍机械行走，降低机械作业效率，致使区域生态恶化，人们生产、生活甚至生命受到伤害[2]。据全国第1次水利普查侵蚀沟专项调查，东北黑土区是我国除黄土高原外沟道侵蚀最为严重的区域，现有＞100 m侵蚀沟数量为29.6万条[3]。另据调查，尚有相近数量＜100 m的侵蚀沟，侵蚀沟总数量高达60万条，仅侵蚀沟道自身就损毁土地5 000 km2以上[4-5]。东北黑土区沟道侵蚀的显著特征是多为近代新成沟、发展沟、耕地中沟，呈发展危害加剧的态势[6-7]，严重削减了作为我国最大商品粮生产基地的东北黑土区粮食可持续生产和生态安全能力[8]。东北黑土区侵蚀沟的治理得到了国家的充分重视，2017年国家启动了东北黑土区侵蚀沟治理专项工程，使侵蚀沟得以规模化治理。
沟道侵蚀最佳途径是预防，其次是生态防治，均需将部分耕地转换为林草地[9-10]；然而，我国由于人口众多，不能单纯走生态治理的道路，需利用与保护、粮食生产与生态保护等协调发展。形成于耕地中的侵蚀沟，如采取传统的修筑沟头跌水、沟底谷坊、栽植水保林的生态修复模式，虽实现了沟道稳固、植被恢复、功能提升的生态治理目标，但沟道侵蚀造成田块破碎、机械不能通过、损毁耕地等弊端未能解决，对东北黑土侵蚀区农业可持续发展、维持粮食产能、保障粮食安全未能发挥应有的作用[11]。鉴于多发育于耕地中的侵蚀沟形成时间短、小，易于治理[12]，充分利用作物秸秆资源丰富和机械化的优势，在国家重点研发计划项目的支持下，探索建立通过秸秆填埋实现沟毁耕地再造，恢复垦殖，变沟道地表汇流为地下暗管导排，填埋后不再重新成沟，创新研发的独具东北特色的侵蚀沟复垦新技术，已获得了国家授权发明专利，编制了地方技术标准，正在东北黑土区水土保持生态治理工程中应用，深受农民欢迎[4]，是实现秸秆资源利用、黑土地保护、国土整治、现代农业发展的重要技术保障措施，还可被我国其他生态类型区侵蚀沟治理所借鉴。
1 工程原理
东北农业生产具有地块大、大机械作业、集约化种植等特点。为了满足大机械化作业，以往对形成于耕地中的侵蚀沟多就地取土填埋，但沟线仍为汇水线，夏季暴雨新成的股流冲刷，单纯用土填埋的再次成沟，周而反复，耕地中侵蚀沟治理成为困扰当地土地管理者的主要难题，也是现代农业发展必须破解的问题。通过填埋消除耕地的侵蚀沟，恢复垦殖，保障机械行走，必须解决2个问题：一是填埋材料，二是填埋后稳固不再成沟。
东北黑土区是我国最大的玉米产区，在禁烧的形势下秸秆如何利用成为当前的热点。尝试着将秸秆直接填入侵蚀沟，再利用机械上层覆土，但发现填埋后的侵蚀沟表土极易塌陷，再次成沟。发现问题主要源于秸秆过于疏松，在上层覆土的重力作用下压塌，加之降雨时泥水极易进入秸秆空隙，稳定性差。随着秸秆打捆机的出现和普及，利用打捆机将秸秆挤压成紧实的方块，摆放到侵蚀沟后，实施的效果显著改善，满足了填埋后机械通行的功能。监测发现填埋后的侵蚀沟位在第2年雨季多打出浅沟，原沟道处种植的作物冲毁，需秋耕时填土恢复；秸秆只在沟道区填埋，未与下游排水沟连通，秸秆层水过饱和，在下游溢出地表；对于大中型侵蚀沟，再次成沟，复垦效果较差。分析得出，原沟道之所以发育形成侵蚀沟，是由于超出了侵蚀沟发生临界条件，汇水形成股流在填埋处只有很少部分渗入秸秆层，仍是侵蚀沟形成的外营力。削减地表径流，减小地表冲刷，阻止沟道形成，是侵蚀沟复垦成功与否的关键。借鉴东北黑土区“鱼眼泡”渗井和暗管排水的原理，增设暗管导排水系统，多点试验示范结果显示，除极少数比降较大的区段有少许浅沟出现外，复垦后的沟道位土体稳定，作物能够很好地生长，达到复垦目标。
本侵蚀沟复垦工程原理为利用侵蚀沟道附近作物收获后的秸秆，打包后填充到沟道内，上层覆土，覆土厚度要兼顾有利于径流垂直入渗和作物种植的需求；将原沟道位汇集的地表径流通过表土入渗和渗井垂直导入地下暗管，由暗管将汇流导出到下游排水沟中，消除或削减地表径流冲刷，复垦后不再形成新的侵蚀沟，以此实现沟毁耕地再造，恢复垦殖。核心关键技术为变地表径流为地下暗管排水，地表径流汇集和冲刷是侵蚀沟形成的主要外营力，在填埋的同时构建地下导排水系，削减冲刷，阻止再次形成侵蚀沟。
2 侵蚀沟填埋复垦工程的组成与主要工序
2.1 工程组成
侵蚀沟填埋复垦工程主要包含沟道整形、暗管布设、秸秆打捆、秸秆铺设、表层覆土、截流埂修筑、渗井修筑和出口防护8项工程措施组成。
沟道整形：将侵蚀沟形状修整成规整的长方体，其作用一是为秸秆捆紧实铺设创造条件，二是为表层覆土准备土壤。
暗管布设：在整形后的沟底铺设暗管，沟底需有一定的比降，以利于排水。
秸秆打捆；利用秸秆打捆机，将收获后的作物秸秆打成紧实的方形捆。
秸秆铺设：将秸秆作为主要填埋物铺设于整形后的侵蚀沟中。
表层覆土：将沟道整形堆放在沟道两侧的土覆于秸秆捆上方，消除侵蚀沟。
截流埂修筑：在沟线中部，间隔横向修筑的缓弧形土埂，起到拦截汇流的作用，机械可行走并耕种。
渗井修筑：在截流埂迎水面修筑方形井，下部与暗管相连，内部用碎石填充，表层用粗砂填充。
出口防护：暗管末端延伸到排水沟，秸秆铺设到出口近处，沟道出口处修建宽度不少于2 m的土挡墙或进行浆砌石坝体护坡。
2.2 主要工序
2.2.1 施工要点
1) 暗管铺设于整形后沟底中部，秸秆层下，暗管直径应依据洪峰流量确定。
2) 秸秆填埋后上层留出覆土空间。
3) 表层覆土来自于沟道整形从沟道中开挖的土。
4) 沟道整形宽度依据侵蚀沟的自然宽度可分成若干宽度区段。
5) 整形后的沟道深度和宽度应满足覆土量需求。
6) 截流埂和渗井的布设应依据复垦沟洪峰流量和复垦后沟道区域入渗能力设计。
2.2.2 主要工序
1) 侵蚀沟测量。
对欲复垦的侵蚀沟进行勘测，是设计的重要前提。现代科技的发展为侵蚀沟勘测提供快速、便捷、高精度测量手段。有条件的建议采用无人机和差分RTK组合的天地一体化测量。具体为2 000万像素以上的无人机航拍，飞行高度100 m，照片重叠率控制在60%以上，地面控制点5个，采用差分RTK地面控制点精准测量，航测精度可达30 cm以内，绘制比例1:2 000以上的地形图。由于侵蚀沟易受植被覆盖影响，野外调查时间选在4—6月；此外无人机航测易受春季大风影响，无人机航拍时间选在每天早晨05：00—08：00。无人机航测获取的是带有空间信息的照片，应用无人机和RTK获取调查侵蚀沟航拍影像及全貌图，并应用立体摄影测量软件PIX4D，结合RTK控制点高精度数据的校对和配准，生成汇水区及沟道的面积、坡度、土地利用等信息。应用无人机和RTK测量数据，建立调查侵蚀沟及汇水区的三维模型，后期在室内应用ArcGIS等地理信息系统软件，从三维模型上获取侵蚀沟的三维信息，开展治理措施的大小尺寸及空间分布等设计，绘制三维数字化侵蚀沟治理模式图。无法直接测量的，需采用1:1万地形图计算。沟道形状采用沿沟道每隔20 m直接测量沟道横断面宽和深，绘制沟道横断面图。
2) 排水量测算。
计算沟道线洪峰流量，作为排水系统设计的依据，采用10年一遇6 h最大降水强度公式(1)计算：
|
$
Q_{\mathrm{m}}=16.67 \phi q A。$
|
(1) |
式中：Qm为设计洪峰流量，m3/s；ϕ为径流系数，复垦沟集水区均为坡耕地单一土地利用方式时，取值0.4~0.6；有2种或2种以上不同地表种类时，应按不同地表种类面积加权求得平均径流系数，具体取值见GB 51018—2014《水土保持工程设计规范》中表A.4.1-1；q为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，mm/min；有10年以上自记雨量计资料时，应利用实测资料整理分析得到设计重现期的降雨强度。当缺乏自记雨量计资料时，依据当地降雨强度等值线图取值，取值范围为1.5~2.0；A为集水面积，km2。
3) 沟道整形。
将侵蚀沟修整成利于暗管和秸秆捆铺设的形状，整形沟道线基于大弯就势小弯取直的原则，应沿复垦前的沟道自然线确定整形沟道线，依据表层覆土50 cm所需土量和沟道截面设计特征，分段确定整形后的沟深和沟宽，沟线设置见图 1。
整形挖土采用机械沿线并按标志桩设定深度和宽度将侵蚀沟道修整成长方体沟道，沟壁笔直；挖掘出的土壤应分层次堆放沟岸处，表土在下，底土在上，沟道整形见图 2。
4) 暗管布设。作为地下排水通道的暗管铺设于整形后沟道底部中央位置，沟底比降不应＜2%；暗管应选取塑料材质抗压耐腐的螺纹管或盲管；暗管上开有水分进入的空隙，对于无孔螺纹管，应在螺纹管中上部纵横间隔5 cm钻直径为0.5~1.0 cm孔；暗管管径应满足设计洪峰流量Qm排渍流量要求，宜取200 mm，排渍流量要求不能满足时，增加管径；铺设前应包透水阻土等杂质进入的土工布；暗管连接处用防腐的金属线连接，并用土工布包封。
5) 秸秆打捆。是利用秸秆打包机打成符合设计要求的秸秆捆。秸秆宜选麦秸和玉米秸秆，也可用水稻和大豆秸秆；打捆前需先经机械破碎；秸秆需打成紧实的方形捆，单秸秆捆应控制在总重量不＞50 kg，便于人工搬运码放，密度不＜230 kg/m3；捆绑绳应采用耐腐烂抗拉能力不＜50 kg的材质绳。
6) 秸秆铺设。是将秸秆捆均匀紧实码放于整形后侵蚀沟体中下部。秸秆捆沿侵蚀沟道的一端开始铺设，最底层先横向紧挨暗管铺设，第2层先在暗管正上方横向铺设一个秸秆捆，此后依次铺设，应遵循同层秸秆捆横竖兼顾，不同层秸秆错位布设，码放紧凑，秸秆层厚度应为整形后沟道深度减去0.5 m土层厚度，且应为秸秆捆高度的倍数，暗管布设和秸秆铺设见图 3。
7) 表层覆土。将沟道整形挖掘堆放在沟道两侧的土回填到秸秆层上，消除侵蚀沟。逐层回填，先回填下层生土，最后回填原表土；填埋处机械压实后表土应高出地面10 cm~20 cm，为自然沉降留出空间，表层覆土见图 4。
8) 截流埂和渗井布设。复垦后沟道区仍为田块的汇流区，易发生超渗产流，需设计修筑截流埂和渗井，截流埂和渗井为一组合拦导水设施，截流埂横向修筑于沟道位，拦截汇流，其迎水面布设渗井，垂直向下导水。依据设计洪峰流量的导排水能力设定修筑截流埂和渗井的数量，数量以能够将汇流及时导入沟中为准。依据设计的位置，应先行在下端修筑高50~100 cm宽不＜2 m的横向弧形土埂，起拦截径流作用的同时便于机械通过和作物种植；在截流埂的迎水侧暗管上方利用秸秆捆叠成中空的方井，渗井横向宽不宜超过沟宽，纵向长不宜超过1 m；内填碎石，上铺设约20 cm左右厚的沙层，过滤泥沙。截流埂和渗井组合系统布设见图 5。
9) 出口防护。暗管需一直延伸到农田排水沟渠或自然沟道处，保证排水畅通，需对暗管出口加固。沟口端需填埋至少横向1 m厚的压实土体，也可修筑浆砌石护坡墙体防护。
3 案例分析与工程应用前景
3.1 应用效果
1) 应用案例。
为了验证完善后的工程效果，在典型黑土带的中部，漫川漫岗黑土区核心地带，松嫩平原粮食核心产区，也是沟道侵蚀严重区域的黑龙江省海伦市前进乡光荣村(E 126°49′56.71″，N 47°21′22.52″)，建设一条秸秆填埋复垦试验示范沟。侵蚀沟为发育于耕地中的小型沟，沟下端与横向交叉的一条大型沟连接，切沟长280 m，宽约3 m，深1.5 m，上端与2条分叉的浅沟相连，浅沟长各约100 m，达分水岭处。土壤属典型黑土，黑土层厚度约30 cm，过渡层40 cm，下为母质层，深约8 m。横坡垄作，种植作物为玉米和大豆。
秸秆打捆：秸秆来源于沟周围2 km内的玉米地，联合收割机收获后，玉米秸秆被粉碎后均匀抛撒于地表，利用秸秆打捆机收集打捆，打捆绳采用耐腐烂的塑料绳，尽量打成最为紧实，秸秆捆规格随打捆机定，设为40 cm×50 cm×60 cm，紧实度控制在不＜230 kg/m3。
沟道整形：依据沟道自然形状，将整形后的沟宽设定为3.5 m和2 m两个宽度，采用日立120挖掘机，将前者挖成长120 m深2.0 m和后者长160 m深1.5 m 2个矩形断面沟段。
暗管布设：暗管选取塑料排水盲管，管壁是由塑料丝编织而成，透水性极佳，外部土工布包裹，单管长2 m，管间用带皮金属线连接，直至沟底出水口，沟底比降3%~5%。
秸秆填埋：下端宽体段秸秆捆铺设3层，上端窄体段秸秆捆铺设2层。
拦截埂和竖井：共布设2道，分别位于距沟尾120 m和200 m处，单井规格2 m×1 m，内填直径2 cm左右的碎毛石，上覆约20 cm厚的粗沙。
出口防护：以暗管出口为中心，修筑砖混挡墙。
修复沟毁耕地再造面积740 m2，工程投资2.53万元，每再造1 m2耕地35元。工程量见表 1，复垦后效果见图 6。
表 1(Tab. 1)
表 1 示范沟复垦工程量
Tab. 1 Rehabilitation engineering amount of demonstration gully
土方
Earthwork/m3 |
秸秆捆
Straw/Bundles |
暗管
Conceal conduit/m |
人工
Labour/d |
复垦
Rehabilitation/m2 |
投资
Input/(Yuan·m-2) |
| 760 |
6 400 |
300 |
25 |
740 |
35 |
|
表 1 示范沟复垦工程量
Tab. 1 Rehabilitation engineering amount of demonstration gully
|
填埋后的原侵蚀沟位田面全部恢复了作物种植，保证了农业机械通行。除封冻外，暗管连续排水，降雨期增大。在2018年的丰水年，也未重新成沟，达到了设计要求，取得了预期效果，实现了沟毁耕地再造。
2) 区域应用。
东北黑土区当前已成为国家重大的商品粮基地，成为保障国家粮食安全的“压舱石”，鉴于长期高强度掠夺式经营，导致的黑土退化，尤其是水土流失导致的黑土层变薄，沟毁耕地，严重威胁着东北粮食产能，近几年，国家相继启动了黑土地保护试点工程、东北黑土区侵蚀沟治理专项工程、黑土地整治工程、秸秆综合利用工程等，以实现东北农业的可持续发展。侵蚀沟填埋复垦技术已被纳入上述工程，在黑龙江省宁安黑土地保护试点、辽宁省开原市侵蚀沟治理专项、黑龙江省红光农场黑土地整治工程中得以规模化应用，深受所在地农民的欢迎，截至目前，已在东北累计修复耕地中的侵蚀沟300余条，再造耕地近1.33 km2[4]。
3.2 应用前景
1) 适用范围。
侵蚀沟的发育取决于其临界条件，由其汇水面积和坡度决定[13-14]。填埋复垦后的侵蚀沟临界条件没有改变，在未采取坡面水土流失防治措施的前提下，沟道汇流量并未改变，仍存在重新发育侵蚀沟的可能，因此减弱或消除地表径流冲刷是复垦成功与否的关键。本侵蚀沟复垦工程技术采取的解决途径一是通过控制表土覆盖厚度增加修复沟道区渗水速率，二是修筑渗井和布设暗管导排水系统，变地表径流为地下暗管排水，以此实现减弱或消除地表冲刷，阻止再次成沟，达到修复沟毁耕地，从而实现复垦的目的。然而该导排水能力不可能无限大，首先表层覆土不能过厚或过薄，厚度愈薄，土壤水入渗能力愈强，但不利于作物种植，也不抗机械碾压；覆土过厚，虽有利于作物种植和机械行走，但降低了水入渗能力。通过广泛调研和田间实测，最后将表层厚度确定为50 cm为佳。渗井和布设暗管导排水能力也受渗井数量、暗管直径、暗管比降等限制。
沟道汇水量是本工程是否适用的关键衡量指标。自然形成的侵蚀沟大小与侵蚀沟汇流量极其相关，即侵蚀沟的大小可直观反映汇流量。基于秸秆填埋后效果的调查，小型沟能够满足排水量要求，同时为了便于实施者的选取，以沟道大小和沟深作为适用判定指标，适用复垦的侵蚀沟需满足：①水土流失严重地区的浅沟和中小型切沟，包括坡耕地中、耕地边、道路边等股流较小的侵蚀沟或支沟，不宜在大型沟应用；②侵蚀沟深度不超过2 m；③侵蚀沟所在地土层厚度不＜1 m。
2) 应用前景。
东北黑土区侵蚀沟以中小型为主，且多形成于耕地中，为本工程的应用提供了广阔空间。以技术发源地黑龙江省引龙河农场为例，耕地面积2.3万hm2，实测侵蚀沟447条，沟毁耕地面积92 hm2，占总耕地的0.4%。依照工程适用条件，396条可复垦，占侵蚀沟总数量的88.6%；可再造耕地77.2 hm2，占总沟毁耕地面积的83.9%(图 7)。以每m2工程造价50元计，需投入资金3 860万元。以每hm2年种植粮食收益1.2万元计，需41年收回成本。虽单纯经济回报期较长，但每年可增收粮食69.5万kg，实现秸秆还田70万t，尤其是解决了侵蚀沟阻碍大机械作业的问题，对保障现代农业生产、生态保护工作有效推进乃至化解社会纠纷起到积极的作用。
侵蚀沟填埋复垦工程是一项东北黑土区独具特色的涵盖水土保持、农田生态修复、土地整理、粮食产能建设、资源高效利用及乡村振兴的创新技术体系，可应用性强。通过侵蚀沟复垦，有如下几个方面的优点：实现了耕地整理，增加了耕地面积提高粮食产量；平整了土地，解决了农机行走问题，提高了农机效率；创建了秸秆还田新模式，保护了环境，减少碳排放和雾霾的形成；修复了耕地，避免了用地矛盾，有利于社会和谐；实现了坡耕地水保高效种植，保障了现代农业发展。被地方管理者和农民接受，应用前景广。
国家给东北的首要任务是保证国家粮食安全，要求面积不能少，黑土不退化。东北黑土区势必面临粮食生产的长期高压态势，所以只能走保护性利用的可持续发展道路，修复受损耕地。退化黑土保育是实现这一目标的重要途径。据测算，东北黑土区60万条侵蚀沟中，20万条上的侵蚀沟可通过本工程措施修复，可再造并恢复耕地1 333 km2，增粮6亿kg/a，对保障国家粮食需求起到应有的作用。此外，本工程还可适用于我国其他生态类型区，可供沟毁耕地修复工程所借鉴。
4 结论
1) 变地表径流为地下导排水系统是沟毁耕地再造的关键。将草地和森林开垦为农田，导致汇流量增大、汇流时间短、冲刷力增强是侵蚀沟形成的根本原因。在土地利用不改变的前提下，填埋消除侵蚀沟，并未消除侵蚀沟发生的流水动能，沟道仍会重新发育。通过工程措施，削弱径流动能，是阻止侵蚀沟形成的根本途径。笔者所构建的秸秆填埋侵蚀沟复垦工程，组建了地表垂直入渗、渗井+暗管导排水体系，极大地削弱了地表冲刷，不再形成冲刷沟，使得填埋复垦得以实现。
2) 耕地中的侵蚀沟可通过秸秆填埋实现沟毁耕地再造复垦。侵蚀沟不但损毁耕地，减少种植面积，还造成耕地支离破碎，降低农机作业效率。土地使用者治理需求迫切，每年秋整地时常以表土回填，多第二年再次冲刷成沟，耕地中的侵蚀沟成为困扰着农民的难题。就近利用丰富的秸秆资源，打捆压实后紧实码放于侵蚀沟，具有不坍塌且有良好的导排水功能。通过表层覆土，消除侵蚀沟，恢复种植的同时，保证了机械行走；因此，秸秆填埋复垦技术是一项操作简单、可复制、可规模化应用的实用技术，已被国家黑土地保护、侵蚀沟治理、土地整治等重大工程所采纳，将成为东北粮食产能和生态安全建设的重要措施。
2019, Vol. 17 
