重慶市丘陵區(qū)耕作田塊修筑工程的設(shè)計(jì)研究

陳曦　劉秀華　劉勇

摘要：針對(duì)丘陵區(qū)耕作田塊設(shè)計(jì)的整體研究和深層分析不足的問(wèn)題，以重慶市忠縣復(fù)興鎮(zhèn)天子村的耕作田塊修筑工程為例，對(duì)研究區(qū)耕作田塊修筑工程的設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論及實(shí)際分析。結(jié)果表明：條田田面設(shè)計(jì)寬度不小于8 m，長(zhǎng)度不小于30 m；6°～<15°的中坡地和15°～25°的陡坡地，田面設(shè)計(jì)寬度分別在8～10 m、5～10 m范圍內(nèi)。條田和坡改梯田田坎設(shè)計(jì)均采用條石坎以節(jié)約用地保持水土，為保證堅(jiān)固性，條石坎高超過(guò)1.0 m時(shí)需增設(shè)“丁”字石。土方工程量的計(jì)算需要一種便于操作且精度較高的方法。耕作田塊修筑工程要以保護(hù)環(huán)境為前提，明確優(yōu)劣勢(shì)，考慮當(dāng)前和長(zhǎng)遠(yuǎn)需要，因地制宜地開(kāi)展工作。

關(guān)鍵詞：丘陵區(qū)；耕作田塊；修筑工程；原理；設(shè)計(jì)；工程量；土方量；測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)： S284 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）03-0341-05

耕作田塊一般指條田或梯田，是田間耕作、生產(chǎn)管理和土地平整工程的基本單元[1]。條田以水平方田為建設(shè)對(duì)象，可以改善農(nóng)田環(huán)境，消除對(duì)作物生長(zhǎng)的限制因素，提高土地利用率[2]；梯田是在坡地上分段沿等高線建造的階梯式農(nóng)田，可以使水土流失相比于坡地減少80%左右[3]，保障農(nóng)田肥力。合理地設(shè)計(jì)耕作田塊有助于田間耕作、作物生長(zhǎng)及灌排系統(tǒng)的規(guī)劃布局，有利于提高土地利用率。因此，耕作田塊修筑工程設(shè)計(jì)作為土地平整工程的一個(gè)重要內(nèi)容受到廣泛關(guān)注。

我國(guó)土地平整工程開(kāi)展10年多來(lái)，許多學(xué)者對(duì)耕作田塊修筑工程進(jìn)行研究并取得了成果。黃琪等運(yùn)用數(shù)字高程模型劃分耕作田塊并計(jì)算最優(yōu)設(shè)計(jì)高程[4]；鮑海君等建立了耕作田塊優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 [5]；郝光研究了農(nóng)用地整理項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)的原理[6]；蔣悅悅針對(duì)如何設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)精細(xì)型耕作田塊做了分析[7]。這些研究多為針對(duì)某一專(zhuān)項(xiàng)內(nèi)容的理論分析，注重工程實(shí)施后的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益的研究，缺乏對(duì)某一地形條件下耕作田塊設(shè)計(jì)的整體研究和深層分析，尤其是對(duì)丘陵區(qū)的研究更是寥寥無(wú)幾。耕作田塊修筑工程的實(shí)施關(guān)系到土地利用集約度的升降、耕地質(zhì)量的好壞，其設(shè)計(jì)模式不是固定的，要因地制宜地規(guī)劃設(shè)計(jì)。因此，在人多地少的重慶丘陵區(qū)，其研究必不可少。本研究以重慶市忠縣復(fù)興鎮(zhèn)天子村為研究對(duì)象，分析耕作田塊修筑工程的設(shè)計(jì)，以期為丘陵區(qū)耕作田塊修筑提供依據(jù)，便于實(shí)踐工作的開(kāi)展，促進(jìn)土地規(guī)模化、集約化。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市忠縣縣城南岸，海拔180～473.5 m，幅員3.5 km2，處于108°03′25″～108°05′46″E、30°16′26″～30°18′06″N之間（圖1），涉及復(fù)興鎮(zhèn)天子村一社至五社共5個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合作社。研究區(qū)屬于忠縣忠州向斜區(qū)，微地貌表現(xiàn)為丘陵。

2 研究思路及方法

耕作田塊修筑工程的設(shè)計(jì)首先要了解設(shè)計(jì)原則，其次再根據(jù)實(shí)際情況并結(jié)合相關(guān)圖件、軟件及數(shù)據(jù)資料因地制宜地進(jìn)行設(shè)計(jì)。本研究先介紹了設(shè)計(jì)原理，然后以研究區(qū) 1 ∶2000 地形圖和土地利用現(xiàn)狀圖為主要數(shù)據(jù)源，用 AutoCAD 矢量化后轉(zhuǎn)換格式，利用ArcGIS中的3D analysis功能，生成數(shù)字高程模型，以0°～<2°、2°～<6°、6°～<15°、15°～25° 為坡度分級(jí)體系，提取坡度圖，接著將研究區(qū)分為水田區(qū)和旱地區(qū)，結(jié)合地形、土壤、排灌、機(jī)耕等因素分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括田塊設(shè)計(jì)、土層管理、田坎設(shè)計(jì)及土方工程量的計(jì)算等。

3 耕作田塊修筑工程的設(shè)計(jì)原理

3.1 耕作田塊方向

耕作田塊方向是指耕作田塊長(zhǎng)邊的方向，往往是播種與耕作管理的方向，也是末級(jí)固定渠道、田間道和護(hù)田林帶的方向。耕作田塊方向應(yīng)為作物生長(zhǎng)提供良好的光照條件，保證作物盡可能多的吸收光熱。試驗(yàn)結(jié)果顯示，南北行較東西行增產(chǎn)，作物品質(zhì)也有所提高[8]。但在丘陵區(qū)，耕作田塊方向直接影響到機(jī)械作業(yè)效率和灌排體系。因此，為降低機(jī)械作業(yè)功率損失，減少土壤侵蝕度，有利于截排地下水，耕作田塊方向應(yīng)先根據(jù)地形條件確定，其方向宜平行于等高線。在地形條件允許時(shí)，再盡量將耕作田塊方向設(shè)計(jì)為南北方向或盡可能接近南北方向。

3.2 耕作田塊規(guī)模

3.2.1 耕作田塊長(zhǎng)度

相同條件下，從機(jī)械作業(yè)上看，耕作田塊越長(zhǎng)，機(jī)組轉(zhuǎn)變次數(shù)就越少，機(jī)械作業(yè)效率也就越高；從土地平整工程上看，耕作田塊越長(zhǎng)，耕作田塊的面積也越大，得到比較均勻一致的地形難度增加，土地平整工程量也隨之增加；從灌溉角度來(lái)看，耕作田塊越長(zhǎng)，沿著長(zhǎng)邊配置的灌溉渠道的流量和流速就會(huì)越大，就會(huì)造成上段水多下段干旱；從排水角度來(lái)看，耕作田塊越長(zhǎng)，農(nóng)溝就越長(zhǎng)，就不能將水盡快送入集水溝或輸水溝中去。由此可見(jiàn)，耕作田塊變長(zhǎng)，雖然提高了機(jī)械作業(yè)效率，但會(huì)給土地平整和灌排工作帶來(lái)麻煩，因此研究區(qū)耕作田塊長(zhǎng)度應(yīng)綜合考慮以上因素，根據(jù)重慶市土地開(kāi)發(fā)整理工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，不同地形不同坡度區(qū)耕作田塊長(zhǎng)度如表1所示。

3.2.2 耕作田塊寬度

在地形較平坦地區(qū)，為便于機(jī)組作業(yè)，常把耕作田塊劃分為若干小區(qū)，耕作田塊寬度宜為小區(qū)寬度的整數(shù)倍，同時(shí)也應(yīng)考慮機(jī)組行程率；在地形起伏較大的地區(qū)，為避免挖填土方工程量過(guò)大，耕作田塊不宜過(guò)寬。在灌溉區(qū)或者排水區(qū)，耕作田塊寬度要結(jié)合田間臨時(shí)渠道（灌水畦田、灌水溝等）最佳長(zhǎng)寬度或者排水溝間距來(lái)確定。根據(jù)重慶市土地開(kāi)發(fā)整理工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，不同地形不同坡度區(qū)耕作田塊寬度如表2所示。

3.3 耕作田塊形狀

不整齊的田塊外形不僅降低機(jī)械作業(yè)質(zhì)量，破壞土壤結(jié)構(gòu)，甚至直接影響作物生長(zhǎng) [9]。耕作田塊形狀應(yīng)盡量規(guī)整，長(zhǎng)邊與短邊交角宜為直角或接近直角， 形狀選擇盡量為長(zhǎng)方形、正方形、下拉梯形，要減少三角形、銳角梯形等對(duì)機(jī)械作業(yè)和田間管理不利的形狀。在地形較復(fù)雜地段，可以通過(guò)土地平整工程，盡量保持長(zhǎng)邊的平行，以降低機(jī)械化耕作空行行程比率。耕作田塊形狀的規(guī)劃不能僅追求外形規(guī)整，還要考慮實(shí)際情況做出合理設(shè)計(jì)。endprint

3.4 耕作田塊對(duì)土壤的要求

土層厚度直接反映土壤的發(fā)育程度，是野外土壤肥力鑒別的重要指標(biāo)[10]。它既是土壤養(yǎng)分的補(bǔ)源，又是土壤礦質(zhì)元素的儲(chǔ)存庫(kù)[11]。耕作田塊土層厚度應(yīng)在15 cm以上，耕作層有機(jī)質(zhì)含量一般不能低于2%。土壤理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)也應(yīng)滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的最低要求。一般情況下，耕作田塊pH值要求在5.5～7.5之間，耕作層含鹽量≤0.3%，不宜為極端的沙土或重黏土，特殊情況下，可放寬標(biāo)準(zhǔn)，但不能影響作物出苗。

3.5 耕作田塊細(xì)部規(guī)劃

地形平坦區(qū)以種植水稻為主，一般對(duì)田塊內(nèi)部劃分格田，以便較好地控制田間作業(yè)。格田設(shè)計(jì)應(yīng)滿足排灌暢通，保證作物生長(zhǎng)階段對(duì)水分的需求，其田面高差應(yīng)在3 cm以?xún)?nèi)。但在低山丘陵地區(qū)，多根據(jù)地形、坡度、土層厚度等具體情況修筑成梯田，并盡量集中。梯田田面長(zhǎng)邊應(yīng)沿等高線布設(shè)，梯田的形狀一般呈長(zhǎng)條形或帶形。梯田田坎的設(shè)計(jì)要遵循占地少，用料少，安全可靠的原則。

4 耕作田塊修筑工程的設(shè)計(jì)

研究區(qū)的微地貌表現(xiàn)為丘陵，地勢(shì)北高南低，旱地多成坡?tīng)睿镆詨Y田為主。25°是土壤侵蝕方式的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)[12]，也是國(guó)家退耕還林臨界點(diǎn)，因此本研究不考慮25°以上的坡地。以1 ∶2 000地形圖和土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)，建立數(shù)字高程模型（DEM），并以0°～<2°、2°～<6°、6°～<15°、15°～25° 為坡度分級(jí)體系，通過(guò)ArcGIS軟件Spatial Analyst工具中的Surface Analysis命令提取研究區(qū)坡度圖[13]（圖2）。由圖可知，研究區(qū)的坡度集中在6°～25°之間，有利于條田整治和坡改梯工程的實(shí)施。

研究區(qū)旱地和水田各坡度級(jí)毛面積統(tǒng)計(jì)如表3所示，水田田坎面積占水田總面積的17.85%，旱地田坎面積占旱地總面積17.38%。由于受傳統(tǒng)土地承包制影響，現(xiàn)有地塊大多面積較小，且形狀不規(guī)則，不利于開(kāi)展機(jī)械化作業(yè)和規(guī)模經(jīng)營(yíng)，整治潛力較大，可通過(guò)整治建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的耕作田塊。

將研究區(qū)耕作田塊修筑工程設(shè)計(jì)分為水田區(qū)和旱地區(qū)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，水田區(qū)集中在2°～<15°，主要進(jìn)行條田整治；旱地均在6°～25°，主要進(jìn)行坡改梯，具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

4.1 水田區(qū)耕作田塊修筑工程的設(shè)計(jì)

4.1.1 水田田坎歸并

根據(jù)地形圖和現(xiàn)狀圖并結(jié)合實(shí)際得知，灌溉水田已經(jīng)是水平梯田，大都有成形田坎，但由于田坎系數(shù)高，耕地的使用率受到影響，應(yīng)挖除相鄰?fù)桓叱虄商锩骈g多余的子埂，對(duì)同一臺(tái)面相鄰田塊進(jìn)行歸并，以減少田坎占地。

4.1.2 條田整治

選擇土壤條件良好的二社大屋溝及生井灣水田未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展為大棚蔬菜基地的水田，四社夏家山未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展為露地標(biāo)準(zhǔn)化蔬菜基地的水田，進(jìn)行條田整治，在原有田塊臺(tái)面和田坎基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，對(duì)不規(guī)則田塊進(jìn)行平整。同時(shí)，為滿足蔬菜排水與道路要求，縱向布設(shè)路帶溝，沿田坎布設(shè)生產(chǎn)路，排水與道路成網(wǎng)，使得田塊規(guī)整且配套設(shè)施完善便于集中排灌和規(guī)模化高效生產(chǎn)，以有利于未來(lái)蔬菜基地的發(fā)展。

4.1.2.1 田塊設(shè)計(jì)

依據(jù)上述耕作田塊修筑工程原理，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)蔬菜大棚跨度8m，長(zhǎng)度根據(jù)地形一般處于25～ 35 m的規(guī)格要求，以及機(jī)械作業(yè)效率，土地平整工程量及灌排工作等需要，適當(dāng)調(diào)整條田田塊的規(guī)格。田塊寬度一般取決于末級(jí)固定排渠（農(nóng)排）的間距[14]，但土壤狀況不同的地區(qū)排渠間距也不同。因此，綜合以上因素設(shè)計(jì)田塊寬度不小于8 m，長(zhǎng)度不小于30 m，條田整理區(qū)內(nèi)以田坎為界，原有條田田塊方向符合要求故不再更改。

4.1.2.2 土層管理

研究區(qū)土壤主要為棕紫泥土和紫色水稻土，土壤pH值6.0～8.5，有機(jī)質(zhì)為0.8%～1.4%，耕作層平均厚度為30 cm左右，土層較貧瘠。在同一條田區(qū)域內(nèi)，盡量使土壤類(lèi)型一致，避免給田間作業(yè)帶來(lái)不便[15]。為保護(hù)耕作層，條田挖填工作前，先將表層土壤進(jìn)行剝離，待挖填工作完成后，再將其回填至原來(lái)地方，以保證原有土壤肥力。

4.1.2.3 田坎設(shè)計(jì)

已有研究表明，無(wú)論哪種田坎，坡度和田坎占地都成正相關(guān)，即坡面越陡，田坎占地面積越大[16]。在地面坡度一定的情況下，塊石坎由于存在外坡邊坡率，占地面積明顯大于條石坎。為節(jié)約用地，保持水土，采用路坎合一形式的條石坎，根據(jù)平整后田塊臺(tái)面高差決定條石坎高度，田坎采用漿砌條石坎。為提高石坎的穩(wěn)定性，條石坎高超過(guò)10 m時(shí)增設(shè)“丁”字石。石坎基礎(chǔ)必須置于堅(jiān)硬的基巖或土質(zhì)上，條石之間互相嵌實(shí)，保證不垮塌。

4.1.2.4 土方工程量計(jì)算

將條田整治區(qū)單獨(dú)提取出來(lái)，并將地形圖中未勾繪出的原田坎在條田整治區(qū)中勾繪出來(lái)，并實(shí)地勾繪出每個(gè)田塊的位置和大小。以補(bǔ)充田坎后圖中的高程點(diǎn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)面積加權(quán)平均的方法算出每個(gè)設(shè)計(jì)田塊的設(shè)計(jì)高程和挖填放量。

4.2.2.3 坡改梯工程

旱地耕作層平均厚度為20 cm左右，坡改梯工程的實(shí)施會(huì)降低土壤養(yǎng)分，如自然恢復(fù)到平整前的土壤養(yǎng)分環(huán)境，約需要5～8年時(shí)間[17]。為保護(hù)耕作層，坡改梯工作前，先將表土剝離再回填至原位置。

4.2.2.4 田坎設(shè)計(jì)

5 結(jié)論與討論

耕作田塊的設(shè)計(jì)方案并不是一成不變的，它與地形、土壤、機(jī)耕、排灌等因素均有關(guān)系。本研究以重慶市忠縣復(fù)興鎮(zhèn)天子村土地平整工程為例，建立數(shù)字高程模型，以0°～<2°、2°～<6°、6°～<15°、15°～25°為坡度分級(jí)體系導(dǎo)出坡度圖，對(duì)耕作田塊修筑工程的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，以期為重慶丘陵區(qū)耕作田塊修筑工程的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)，便于實(shí)踐工作的開(kāi)展。分析結(jié)果表明：（1）研究區(qū)的水田集中在2°～<15°，主要進(jìn)行條田整治，田塊設(shè)計(jì)寬度不小于8 m，長(zhǎng)度不小于30 m；旱地均在6°～25°，主要進(jìn)行坡改梯，在坡度為6°～<15°的中坡地，田面設(shè)計(jì)寬度在8～10 m左右為最佳；在坡度為15°～25°的陡坡區(qū)域，田面設(shè)計(jì)寬度在5～10 m左右為最佳。（2）為節(jié)約用地，條田和坡改梯田坎設(shè)計(jì)均采用條石坎。為保證其堅(jiān)固穩(wěn)定，條石坎高超過(guò)1.0 m時(shí)，下部起第二輪條石增設(shè)“丁”字石。（3）條田土方工程量采用面積加權(quán)平均法計(jì)算，較精確，但計(jì)算量大，對(duì)地形圖的要求也較高；坡改梯土方工程量采用斷面法計(jì)算，過(guò)程較簡(jiǎn)單，但精度不夠高。由此可見(jiàn)，土方工程量的計(jì)算需要一種能夠利用現(xiàn)有資料，便于操作，且計(jì)算精度高的方法。endprint

耕作田塊修筑工程要明確整理區(qū)的優(yōu)劣勢(shì)，考慮當(dāng)前和長(zhǎng)遠(yuǎn)的需要。項(xiàng)目區(qū)部分水田將來(lái)要發(fā)展蔬菜基地，田塊修筑工程就應(yīng)按蔬菜種植的要求，針對(duì)蔬菜需水量比一般農(nóng)作物大及重慶低山丘陵區(qū)實(shí)際情況，需要考慮泵站建設(shè)保證蔬菜需水。耕作田塊修筑工程還要與保護(hù)生態(tài)環(huán)境相結(jié)合，考慮到項(xiàng)目區(qū)水土流失，部分田塊土層較薄，應(yīng)修筑石坎而不是土坎；為保護(hù)耕作層，應(yīng)先將表土剝離再回填，不再直接通過(guò)爆破把平整地段的高出部分全部鏟除移填他處。

本研究雖對(duì)耕作田塊修筑工程進(jìn)行了一定程度的分析，但對(duì)相關(guān)的灌溉與排水工程及田間道路工程未做深入分析，故所得結(jié)論有一定的片面性，因此，還需依據(jù)具體實(shí)踐情況進(jìn)行大量的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳次芳，葉艷妹. 土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2002：45.

[2]余 端，魏朝富，殷 帥. 四川盆地丘陵區(qū)條田規(guī)劃與工程設(shè)計(jì)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（2）：1-9.

[3]于宏濱. 淺談朝陽(yáng)市水平梯田的修筑及其效益[J]. 農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2011，31（5）：57-58.

[4]黃 琪，劉友兆，班春峰，等. 基于數(shù)字高程模型和數(shù)學(xué)規(guī)劃的土地平整工程設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（11）：313-318.

[5]鮑海君，吳次芳，葉艷妹，等. 土地整理中田塊設(shè)計(jì)和“3S”技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18（1）：169-172.

[6]郝 光. 農(nóng)用土地整理項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)理論與實(shí)施研究—以岳陽(yáng)汩羅白塘鄉(xiāng)土地整理項(xiàng)目為例[D]. 長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[7]蔣悅悅. 優(yōu)質(zhì)精細(xì)型基本農(nóng)田整理田塊規(guī)劃設(shè)計(jì)研究—以福建市建陽(yáng)縣小湖鎮(zhèn)基本農(nóng)田為例[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2010.

[8]中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部. 土地開(kāi)發(fā)整理標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2000.

[9]邵明安，王全九，黃明斌. 土壤物理學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[10]范玉芳. 重慶丘陵區(qū)梯田規(guī)劃與工程設(shè)計(jì)分析[D]. 重慶：西南大學(xué)，2010.

[11]劉創(chuàng)民，李昌哲，史敏華，等. 多元統(tǒng)計(jì)分析在森林土壤肥力類(lèi)型分辨中的應(yīng)用[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，1996，16（4）：444-447.

[12]GB 50007—2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

[13]李志林，朱 慶. 數(shù)字高程模型[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[14]闞興華.條田規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì)，2006，12（7）：425-426.

[15]蔣小健，謝紹紅，王 瓊. 對(duì)條田規(guī)劃問(wèn)題的探討[J]. 黑龍江水利科技，2003，31（1）：10-11.

[16]田 蜜，高 明，鮑金星，等. 地形地貌對(duì)土地整理新增耕地?cái)?shù)量的影響[J]. 西南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，32（11）：98-103.

[17]鄭財(cái)貴，朱玉碧.淺析南方丘陵地區(qū)土地平整中的表土問(wèn)題及對(duì)策[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2006，22（7）：512-515.

[18]GB/T 16453.1—2008 水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范坡耕地治理技術(shù)[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.endprint