日本农田水利建设规划中的土层改良规划设计

潘传柏 杨梦云

(湖北省荆州市水利水电勘测设计院，湖北 荆州 434000) (南京明辉建设有限公司，江苏 南京 210000)

日本耕地面积仅占世界耕地面积的0.4%，人口却占世界人口的2.2%，日本土地零星分散、价格昂贵，土地经营规模难以扩大。为提高农业生产率，日本于1949年制定了《土地改良法》，并根据此法于1959年成立了所有土地耕作受益者必须参加、具有法人资格的土地改良区[1-2]。最初，土地改良工程是通过改善农业生产的基础条件来提高农用土地的生产力和增加总产，同时为有目的地进行农业扩大再生产和改善农业生产结构服务。2001年组建农村振兴局后，为适应农业和社会经济形势的变化,在新村建设的基础上，日本的土地改良工程内容也得到了扩充,除了为实现农业的稳产高产而实施的水土条件整治开发项目外,也包括了农村生产基础的整顿和环境、景观方面的建设[3]。从广义上,这些工程项目都统称为土地改良工程[4]。日本土地改良整治的模式对我国南方地区和东部发达地区的农田水利基本建设有一定的借鉴作用[5]。但关于日本土地改良方面的文献多为制度、法律、组织、模式等方面的介绍[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体内容与方法的文献十分鲜见[7-9]。笔者拟根据在日本工作期间的研究并结合在中日政府间专项技术合作“湖北省江汉平原四湖涝渍地综合开发计划”项目的具体实践在此加以介绍。

1 有效土层

1.1 有效土层的条件

所谓耕层土是指耕耘、整地时被翻动、旋动的土壤。有效土层厚度根据作物根系的分布来决定。所谓有效土层，指作物根系活力最强、分布最广的土层，通常指下列6项中任何一项连续厚度不超过10cm的土层范围：(1)粗砂含量40%以上(重量%)；(2)砂砾含量50%以上(重量%)；(3)粗砂及砂砾合计55%以上(重量%)；(4)土层致密度24mm以上(山中式硬度计)；(5)含泥炭层或黑泥炭层；(6)磷酸吸收系数2000以上。

1.2 土层改良方法

日本的土层改良与农田改造一起规划并实施，以实施前土壤调查结果为依据，以保持有效土层为目的的土层改良方法[10]有下列几种。

(1)通过培肥管理改良土壤层 因不进行表土处理，挖土部和填土部不均匀很可能影响作物生育，应通过施肥改善、翻耕等手段来谋求土层的均匀化。挖土部可能出现强烈表现氮素不足的影响和磷酸吸收系数很大的情况，多施肥是十分必要的；填土部常出现因氮素过多而疯长的情况。由于农田平整改造，下层土成为耕层土时常常成为水稻生育障碍的原因，因此有必要进行施肥管理。

土壤类型差异虽有不同，但一般采取增施堆肥(2t/1000m2)、施用硅钙(300kg/1000m2)、比普通施肥量增加5%～10%的措施[10]。对火山灰质土壤增施磷肥效果较好，另外，下层土作耕层土时往往看到红锈斑，因此应避免过多施用未熟堆肥，以防止由于晒田等导致异常还原。当下层土壤性状很差时不宜一次性过深翻耕而应以逐年加深耕层为宜。

(2)表土处理 表土是经过农民长年累月培育出来的，对产量有很大影响，除了根据各种条件判断不能进行表土处理的情况外，应尽量按有必要、有困难、不必要3种情况进行表土处理。

有必要进行表土处理的情况：有效土层薄且下层土是砂砾质、有机质少且与耕层土极不一样的土壤，即使进行培肥管理也不能将下层土变成与耕层土一样，有效土层在30cm以下时；下层土透水性不一致，农田改造后土层透水系数有可能极度恶化时；由于后茬或水、旱轮作等引进收益性很高的特种作物必需保持现在耕层土肥沃度时。

表土处理困难的情况：排水不良的软弱地基及湿地施工时、大坡度水田施工时。

不必要处理表土情况：下层土与耕层土几乎一样，即使省掉表面处理，整地后的有效土层厚在30cm以上，而且经过培肥管理能够得到耕层土时；耕层土肥沃度很低，表土和下层土混合后相反增加地力时；挖方与填方深度在5cm以内的平坦地。

(3)客土 客土是指由别处移来用于改良或置换原生的对农业生产有某些障碍的土壤。采用客土改良是为了保持作物生产有良好的耕层土壤，目的在于改良原地耕层土壤的物理、化学性质。通过客土改良后，土壤的透水性和承载力等物理性质在短期内就会改善，而土壤化学性质的改良效果则是逐渐体现出来的。对一般的土壤来说，除需要抬高地面外，将客土与耕层土进行充分混合是比较理想的，但在泥炭上放置客土时不能马上深耕，要随着泥炭的不断分解让其一点一点逐渐与下层土混合。

以补充有机质为目的的客土可以利用沟河湖泊的沉泥，在掺入前必须充分让其干燥以促进有机物分解，同时还要充分注意防止氮素过多。

(4)清除小石块 根据日本野辟地区调查，农田改造施工后的三年中，人工消除小石块平均达0.48t/1000m2，清除小石块的费用约占改造费的10%[10]，因此，可能会带入耕层的小石块必须在整地施工时消除掉，同时也要注意施工时不要将下层土中的小块石混入到耕层中。

消除小石块的方法除人工消除外，还有网筛清除，通过深耕、搅拌让小石块沉到下层土等方法。

2 透水性

2.1 土层透水性的范围

对于大型机械的运行及水、旱轮作来说，非灌溉期及种植旱作时土壤透水性大则排水性好，但对于灌溉期来说，透水性太大渗透量就大，从水资源及水稻生育上来看是不理想的。一般水田土壤中的渗透速度是由以排水沟水位等为代表的水力条件和土壤透水性两方面的相互关系来决定的。其中土壤透水性的大小是左右渗透量的重要因素，水力条件的好坏是在土壤透水性达到一定程度时才开始成为影响渗透量变化的要因。

一般从水稻生育及栽培管理上讲，适宜的渗透量被认为是20mm/d，为了达到这个渗透量，渗透系数控制在约2～5×10-5cm/s的范围内是最理想的[10]。

2.2 土壤透水性的改良方法

土壤透水性的改良分为增加粘质土水田等的透水性和减少漏水水田等的透水性2种情况。

(1)增加透水性方法 土壤透水性不良表现为粘质土整体不透水、犁底层等土层一部分不透水、施工时机械碾压形成不透水层等情况。针对上述情况解决的方法有栽培法和施工改良法，原则上首先研究采用栽培法，当栽培法不可以时才采用施工改良法。

栽培法：该方法是充分利用田面的蒸发干燥，让土壤发生龟裂从而增加土壤透水性。在栽培方法上，有干田直播、水稻半干栽培、水旱轮作等。在蒸发最强的夏季不灌水以促进龟裂，以期改良土壤结构。在水管理上应强化晒田管理或采用间歇灌溉，从而延长田面露出干燥时间，促进龟裂发生。这些方法要与降低地下水位相结合，从而发挥其效果，如果将暗管排水与上述栽培管理相结合，效果将更明显[10]。但栽培法对土壤透水性改良的效果因土壤特性及气象条件等存在一定的限度，当不透水层浅时会达到一定的效果，而不透水土层在田面下几十厘米时，就得靠后述的施工改良法了。

施工改良法：当利用栽培法龟裂程度很难加深或即使有龟裂但发生速度慢而不能成为有效的解决方法时，则有必要采取通过鼠道、心土破碎等机械作业来破坏几十厘米以下的土层给土壤增加透水通道的方法。粘土的情况下通过暗管排水组合效果很好，在只有一部分不透水土层存在的情况下通过深耕、重复翻耕等有时也是有效的。特别是小型暗渠，投资小，施工效果也很理想。

(2)抑制透水性的方法 在砂质土、火山灰土等漏水田地带以及因农业改造犁底层被破坏而成为漏水田的情况下，除在水稻生育、节约用水量上采取措施外，降低透水性也是必要的。改良的方法有压紧心土层、渗入粘质客土、混入膨润土等。上述方法在农田改造平整土地工程时结合进行、综合应用是最理想的。砂质土的情况下，在整地施工时通过增加推土机的碾压次数来压实基土往往能达到理想的效果，火山灰的情况下则易采用破碎碾压施工法。

2.3 因施工带来的透水性变化及其改进措施

随着机械化程度的提高，农田改造工程整地施工与过去人力施工不同，大都使用推土机等大型工程机械，使用这些重型机械施工时，由于反复碾压，使表土处理部分的下层和心土上部附近的土层的透水性降低，除耕作层极浅及火山灰开垦地等情况外，土壤透水性一般都呈现减少倾向。

土壤透水性降低主要是由于反复的碾压造成土壤整体孔隙率的减少及已经形成的通水孔道的龟裂，根穴、虫类穴道等连通的粗孔隙由于土的移动而被破坏、切断等原因造成的。碾压对透水性的影响与施工时土壤水分状况有密切关系，由于土壤移动导致的结构破坏也极大地引起透水性降低，这也是为什么很多情况下被搅拌碾压的填土部分的透水系数比挖土部分小的原因。

由于施工机械碾压导致透水性降低的土层范围因机械的类型、地形坡度的不同而呈现差异，不过多波及到田面下35～40cm处，日耗水深20～30mm的水田，其渗透量变成几乎接近0的状态，从而导致水稻根腐病等生育障碍，且容易产生早期田面不能变干等不好的情况发生。由于土壤条件的不同也有通过进行晒田让土壤发生龟裂，从而使降低了土壤透水性回到几乎原来一样的事例。为了防止透水性的过度减少，施工时注意水分管理，采用尽量减少机械来回遍数的施工方法。如果施工时这些管理未能实施，对这类水田必须考虑在施工后使用机械破碎心土的方法，以及采取通过加强晒田、旱期干田等管理以促进龟裂加深的措施来进行改进。

3 土壤承载力

3.1 必要土壤承载力的主要考虑因素

(1)作业机械及作业内容 必要土壤承载力因作业机械的种类、车轮型号、农机具、作业内容等有很大的差异。

(2)田面渍水状况 一般农作业中，田面没有渍水的春季耕耘、施工、播种作业及秋季收获时的机械行走车轮压力主要靠耕层表层来支撑，而在积水中进行翻耕整地作业时是靠耕层下面的土层(犁底层)来支撑，因此，必要土壤承载力必须考虑田面有无渍水2种情况。

3.2 土壤承载力的测定方法

土壤承载力的测定采用圆锥贯入仪的静贯入试验，贯入抵抗值用硬度指数表示。该方法非常简单，而且已被广泛普及使用。在施工后进行测定时，每耕区设5个以上测定点，在每个测定点针对不同深度每层测3次以上，其平均值为该层硬度指数，测定深度为地表下40cm为止，每5cm为一层，贯入速度1.0cm/s[10]。

3.3 提高土壤承载力的方法

存在影响机械作业土壤承载力问题的水田是那些开垦初期的水田、长期排水不良的粘重田以及泥炭土水田等，其中又分为本身土壤基础软弱而达不到指标和干燥时具有充分的土壤承载力，但因降雨等使耕层土含水率升高而导致机械打滑、下沉2种情况。前者情况下，通过暗管排水降低地下水位的同时，对粘质土要采取措施；在后者情况下，应采取措施迅速排除田面渍水，让耕层土能尽快变干。不管是哪种情况，要想提高土壤承载力，加强地表和地下排水是绝对比必要的条件，只有在此前提下其他的改良措施才能有效发挥。

4 平整度

4.1 田面平整

平整精度以水平仪所测与平均标高的高低差来表示。全测点的高低差按水稻栽培的要求至少应在平均标高的±5cm以内才是理想的，田面倾斜的积水深度差要控制在±5cm以内，渠道侧和排水沟的积水深度差要控制在10cm以内[10]。考虑到工程费用以及常年形成的不均匀沉降等因素，全测点中不超过±10cm，其中80%以上控制在±5cm以内也是被认可的。

整地时将田块分成渠道侧和排水侧2个区，在各区内的高低差分别按上述标准范围验收，而在2个区的平均标高可以相同，也可以将排水沟的一侧稍降低。同时要考虑到在今后的生产中，靠渠道一侧由于修路取土而变低，靠排水沟一侧由于清沟推土则变高等因素。

为了加快取水时进水口向田块灌水的时间和从排水口尽量完全排除地表水，将田面整成侧斜状是必要的，因田面平整程度不好使地表水不能完全排除时应开挖临时排水沟。当田块区划面积达3000m2左右时，灌排明渠的间隔会加大，田面平整度会降低，且地表水排干会变难，为了提高机械作业、药剂防治、晒田、液肥流入、收获期落干、水稻生育期内的干湿管理等农业生产技术水平，尽快排除田间涝渍则显得尤为重要。

当施工或以后翻耕都不能将田面整平时，应采取积极性的淹水平整方法，用推土机将土翻动使田面大致平整，然后灌水，用湿地推土机等机械整平，或用机械牵引电杆等赶平。不过，这些方法因为是在水中将土揉和，其结果可能会导致土壤结构恶化，使得粘土透水性过小，这时就必须通过晒田来使透水性恢复。

4.2 心土基础平整

在同一田块进行挖填施工时，考虑到可能产生的不均匀下沉，尤其要特别注意心土的平整，心土平整不好时会造成田面不能同时干燥或搬入的耕层土不均一，产生生育状况不齐的隐患。

为了修正填土部分因不均匀下沉产生的坑洼，保持田面平整而必须搬走挖土部分的耕层土，此时当挖土部分的心土是砂砾质土壤时会带来很大的危害，在这种情况下尤其要注意心土表面的平整施工。在积雪地带比较有效的方法是在秋天进行大致的心土平整，来年春天修正坑洼后回填耕层土。

5 结语

日本的土层改良规划设计主要从有效土层、土层的透水性、土壤的承载力、田面的平整度等方面综合考虑。其基于土壤调查结果通过培肥管理、表土处理及以补充有机质为目的的客土改良土壤层的方法，对施工带来的透水性变化采取的改进措施，土壤承载力的测定和提高土壤承载力的方法，田面平整的方法对我国的土壤改良与土地平整都有一定的借鉴和参考价值。

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