梯田同位素生态水文研究

第1章梯田与水文生态系统 梯田是人类在长期的农业生产实践中不断发展、完善而创造的产物。《中国大百科全书 水利卷》明确了梯田的定义，即“梯田是在丘陵山坡地上沿等高线修筑的条状阶台式或波浪式断面的田地”。梯田对于改善农业生产条件，满足农业发展对粮食增产的需求，促进粮食生产的稳步发展以及综合治理与开发，控制水土流失有着显著的生态效益和经济效益。 1.1梯田的形成与发展 梯田是人类在农业生产实践中创造的一种行之有效的增产和水土保持措施。梯田的出现，是古代农业发展的一个显著进步。梯田修筑历史悠久，而且普遍分布于世界各地，尤其是地少人多的山丘地区。中国是世界上*早修筑梯田的国家之一，早在西汉时期已经出现了梯田的雏形。中国的梯田以数量多、修筑的历史悠久而闻名于世，它的形成与发展大致可分为四个时期(姚云峰和王礼先，1991)。 (1)梯田的雏形期(公元前2世纪至公元10世纪前后）。这一时期以便于耕作、保水、保肥、增加产量的小面积区田的形成为标志，并且已经注意到了修筑山地池塘，以收集径流进行灌溉。中国的梯田历史可以追溯至春秋战国时期。《诗经 正月》有‘‘瞻彼阪田，有菀其特”的诗句，阪田是原始型的梯田，说明中国早在春秋时就已对山坡地进行了改造(毛廷寿，1986；王星光，1990)。另外，从《汉书》《氾胜之书》中也可以得知，中国在西汉时已出现了梯田的雏形。从对出土文物的考古方面，也证实了中国梯田出现的历史。四川省彭水县(今重庆市彭水苗族土家族自治县）曾在东汉的古墓中出土一具陶器模型，模型为长方形，一端为水塘，塘中有两条鱼，塘下为田，有两条弯曲的田埂，很像现在当地的水梯田。陕西省汉中市和四川省宜宾县(今四川省宜宾市)也在东汉古墓中出土了类似的水稻梯田陶器模型(毛廷寿，1986)。 (2)梯田的形成期(公元10世纪至16世纪）。这一时期已形成了严格意义上的梯田。梯田已经不是零星分布的局部小块，而是沿坡面修筑而成阶阶相连的成片梯田。这一时期继承和发扬了修建山坡池塘、拦截雨水、灌溉梯田的传统。在中国文献中“梯田”一词出现*早的记载是宋代范成大所著的《骖鸾录》，书中云：“出庙三十里，至仰山，缘山腹乔松之磴甚危，岭阪上皆禾田，层层而上至顶，名曰梯田”。仰山位于宋代袁州（今江西省宜春市），在此后的几十年中，袁州一带梯田建设的速度非常快，到了淳祐六年(1246年)袁州知州张成己反映：“江西良田，多占山冈，望委守令讲陂塘灌溉之利”，其中提到的高山梯田，标志着中国的梯田建设已进入一个新的历史阶段。元代《王祯农书》对梯田的定义、分类、布设与修筑方法进行了系统的描述(王星光，1990)。 (3)梯田建设与治山治水的结合期(公元16世纪至20世纪40年代）。这一时期梯田推广的范围越来越大。修筑梯田在获取粮食的基础上同治山治水结合了起来，进一步发挥了梯田的作用。在16世纪后期，已形成了引洪漫淤、保水、保土、肥田的技术和理论。在明朝，梯田建设已和治山、治水结合了起来，进一步发挥了梯田的作用。如徐光启所著《农政全书》中水利篇述及发展梯田可以“均水田间，水土相得 ，若遍地耕垦，沟洫纵横 必减大川之水”。清初，蒲松龄在《农桑经》一书中，对梯田的作用也讲得很清楚：“一则不致冲决，二则雨水落淤，名为天下粪”。民国时期(20世纪40年代)著名水利专家李仪祉在其著述中曾主张用梯田“沟洫法”以“清泥沙之来源”。 (4)梯田工程技术体系的发展完善期(20世纪40年代至今）。这一时期梯田得到了大面积推广。由梯田沟洫工程到培地埂、修坡式梯田到一次修平梯田，并由人工修筑发展到大面积机械修筑梯田，特别是注重了配套设施的建设，如坡面水系工程和生产道路等，加强了田埂利用，积极引导和培育特色产业。目前，梯田建设以小流域为单元，坡面与沟道统筹治理，综合考虑小流域水资源利用，在合理利用土地与保持水土原则下，形成了农业耕作梯田、果园梯田、造林整地梯田等类型，注意到了全流域的综合治理与开发。 1.2梯田的分布与类型 1.2.1梯田的分布 中国是世界上梯田分布*广的国家之一。除中国外，世界许多国家和地区也有分布，如地中海沿岸的西班牙、法国、意大利、希腊、突尼斯、阿尔及利亚，非洲的埃塞俄比亚、肯尼亚、坦桑尼亚、乌干达、卢旺达，美洲的墨西哥、巴西、秘鲁，亚洲的菲律宾、印度尼西亚、泰国、越南、印度、斯里兰卡、韩国、日本等。其中著名的有中国的黄土高原梯田、哈尼梯田、龙脊梯田、紫鹊界梯田、河北涉县梯田，菲律宾的巴纳韦水稻梯田，瑞士的拉沃梯田，秘鲁的马丘皮克丘梯田，意大利的五渔村梯田，越南的沙巴梯田，以及印度尼西亚巴厘岛的乌布梯田等(陈蝶等，2016)。 1.2.2中国梯田的分布 中国有东西南北分区的传统，但对梯田来说，由于东部多平原，西部多高山山地，因此，中国梯田按地区主要可分为南北两大区域，若细分，则又可分出黄土高原、云贵高原以及江南丘陵等梯田，其中，黄土高原和云贵高原梯田堪作北、南方梯田的代表。 北方梯田主要分布在黄土高原、华北土石山区、东北漫岗区。目前黄土高原著名的梯田区有甘肃省平凉市庄浪县（1998年被水利部命名为“中国梯田化模范县”）、定西市安定区、庆阳市西峰区和宁县、陕西省志丹县、宁夏回族自治区隆德县等，这些县（区)被水利部命名为“全国梯田建设模范县”。华北土石山区著名的梯田有2014年被农业部评定为中国重要农业文化遗产的河北涉县旱作梯田。它起源于公元前514年的战国赵简子“屯兵筑城”，经过元末明初的开发初期、清中后期大规模发展期及中华人民共和国成立前后直至“农业学大寨”期间的稳量提质期，涉县旱作梯田目前已达到26.8万亩①。作为一种独*的石灰岩山区土地利用系统和半干旱地区抗灾减灾农耕生产系统，旱作梯田是涉县先民为躲避战乱、适应当地自然环境的文化创造，保留有浓郁而深厚的传统农业文化底蕴(颜佩珊，2018)。 南方梯田主要分布在陕南山区、湖北丘陵山区、湖南丘陵山区、皖南山区、皖中丘陵岗地区、四川丘陵山区、粤桂丘陵山区和云贵高原山区。南方梯田目前保存完好、规模较大的古梯田以云南哈尼梯田、湖南紫鹊界梯田和广西龙脊梯田*为著名。 根据地域特点，梯田的分布大致可以划分为以下五个类型区，每个类型区的梯田有不同的结构特点和利用上的差异(祁长雍和王威，2000)。 (1)西北黄土高原区。以土坎旱作梯田为主，大多梯田是有坎无埂，一般只是保土、涵水但不蓄水，不能水作。 (2)东北、内蒙古漫岗丘陵区。多是修成等宽的水平梯田，田面宽，单块田的面积较大，坎顶多高出田面，一般只拦截径流，保护地坎不被冲刷，但不蓄水。 (3)华北、东北土石山区。多数为石坎梯田，埂坎较齐全，但埂多裂隙，难以蓄水。埂坎上大多栽种经济型的树、草和花，梯田的多种经营效益较好。 (4)南方亚热带地区。这里主要农作物是水稻和旱作茶、果、桑、麻等经济作物，其种植地以岗丘缓坡地带上的土坎梯田（当地群众称作“谤田”和“冲田”）*普遍，石坎梯田较少。这里的梯田多是埂、坎齐全，且多数都可水、旱(埂端设1～2个进、出水口)两作。 (5)华南热带地区。这里的山丘坡地上多以发展橡胶、荔枝、龙眼、香蕉、胡椒等经济作物为主，坡地上的梯田也多是埂坎齐全，亦可水、旱(埂端设1～2个放水口）两作。 1.2.3中国梯田的类型 由于中国各地的自然地理条件、劳动力多少、土地利用方式、耕作习惯和治理程度等均不同，因此修筑梯田形式各异，其分类方法也有很多种，但主要为以下几种。 1)按断面形式分类 (1)阶台式梯田：阶台式梯田在坡地上沿等高线修筑，为逐级升高的阶台形的田地。阶台式梯田又可分为水平梯田、坡式梯田、反坡梯田和隔坡梯田4种。①水平梯田是为保持水土，发展农业生产，将坡地沿等高线修筑成田面水平的一种阶台式梯田。适宜种植水稻、其他大田作物、果树等。②坡式梯田是山丘坡面地埂呈阶梯状而地块内呈斜坡状的一类旱式耕地。为了减少斜坡耕地的水土流失，在适当的位置垒石筑埂，形成初步的梯田，之后便逐步将地埂加高，把地块内坡度逐步减小，从而增加地表水的下渗量，减缓水流对土壤的冲刷，向水平梯田过渡。③反坡梯田是水平阶整地后坡面外高内低的梯田，反坡角度一般为1°～3°，能改善立地条件，蓄水保土，并使暴雨产生的过多径流由梯田内侧安全排走，适用于干旱及水土冲刷较为严重而坡面平整的山坡地带及黄土高原。干旱地区造林所修筑的反坡梯田一般宽度仅为1～2m。④隔坡梯田是水平梯田和坡式梯田的过渡形态，相邻两水平阶台之间保留一定宽度原状坡面，适宜劳动力不够充足的山区。梯田水平部分种植大田作物，坡式部分可种植果树或牧草，逐渐改造成完全的水平梯田。 (2)波浪式梯田：波浪式梯田是在缓坡上修筑的断面呈波浪式的梯田，又称软埝或宽埂梯田。一般是在7°～10°的缓坡上，每隔一定距离沿等高线方向修建软埝和截水沟，两软埝和截水沟之间保持原来的坡面。软埝有水平和斜坡2种：水平软埝能拦蓄全部的径流，适于较干旱的地区；斜坡软埝能将径流由截水沟安全排出，适于较湿润的地区。软埝的边坡平缓，可种植物。两软埝和截水沟之间的距离较宽，面积较大，便于农业机械化耕作。 (3)复式梯田：复式梯田是根据当地不同的环境和气候条件，因山就势在山丘坡面上开辟的集多种梯田类型于一体的综合梯田模式。 2)按田坎建筑材料分类 按照田坎建筑材料分类，可分为土埂梯田、石垒梯田和植物埂梯田。黄土高原地区，土层深厚，年降雨量少，主要修筑土埂梯田。土石山区，石多土薄，降雨量多，主要修筑石垒梯田。陕北黄土丘陵区，地面广阔平缓，人口稀少，多采用灌木、牧草为田埂的植物埂梯田。 3)按土地利用类型分类 按土地利用类型分类，可将梯田分为农田梯田、果园梯田和林木梯田等。 4)按灌溉方法分类 按照灌溉方法分类，梯田可分为旱地梯田和灌溉梯田。其中，灌溉梯田可分为长期淹水梯田和季节性淹水梯田。 5)按施工方法分类 按施工方法分类，梯田可分为人工梯田和机修梯田。 1.3梯田的景观结构与特征 梯田景观结构主要包括梯田及其田埂、田面、断面、村落等因素，梯田景观特征主要由以上要素的特征、空间格局、分布及其相互之间的关系所构成。在综合考虑自然地理状况和维修梯田的要素的前提下，北方梯田和南方梯田呈现出不同的景观特征(姬婷，2007)。 1.3.1梯田的景观结构 1.北方梯田 北方梯田一般是没有任何灌溉条件的纯旱地，其垂直景观结构体现了“山顶植被戴帽，山间梯田缠腰，埂顼牧草锁边，沟底顼库穿鞋”的生态梯田综合治理模式，能够有效利用水土资源，提高农业生产效率。 北方梯田将梯田建设与林草种植、道路、渠道、蓄水池、堤顼等建设相配套，把工程措施同生物措施相结合，形成了一种复合农业生态工程。通过在田面上布设汇流坡面，能够有效地调控地表径流，使雨水就地入渗；通过修建水窖、小型拦蓄工程、燕翅坑和道路林网等，合理利用降水，拦截泥沙；通过作物间作套种技术，如埂顼的牧草、山头沟底的林带，形成作物、林草复合生态系统，综合治理水土流失。 北方梯田一般以小流域为单元，集中连片布设连台水平梯田，田片根据地貌及明显切割地貌地物(如道路、陡坎、沟壑、非耕地等)界定，宜大则大，宜小则小。这样不仅便于机耕、施肥等农事作业，而且形成了一种山、水、田、林、路的景观格局。 北方梯田在实际设计和施工中，根据不同的坡度、坡向、土质特点，田块结构依山布形、顺沟列势，采用“等高线，沿山转；宽适当，长不限；大弯就势，小弯取直”的方法修建梯田。田面宽按坡度分级：陡坡区（15°～25°)—般为9～15m，缓坡区(5°～15°)一般为15～30m。为防止田块过长引起的径流集中冲刷问题，沿纵向每隔30～50m修横向软埝，埝顶应低于地埂。地埂采用梯形断面人工筑成，顶宽0