近数十年来，为了有效控制水土流失，我国陆续实施了一系列坡耕地水土保持措施^[1-2]。刘宝元等^[3]按照科学性、适用性和定量化原则，将我国水土保持措施分为生物措施、工程措施和耕作措施3个一级类型，32个二级类型和59个三级类型；吴发启^[4]从单项措施或两种措施组合的角度，将水土保持农业技术措施划分为以改变微地形为主的蓄水保墒技术，以提高土壤抗蚀力为主的保护性耕作措施，以增加植物覆盖为主的栽培技术3类。植物篱技术应用于山地生态保护和面源污染防治已经开展了很多工作，其中，植物篱以固持土壤、改善土壤肥力、增强养分循环和地下相互作用的特点呈现出较好的水土保持效果。已有研究显示，三峡地区植物篱间作的径流量和土壤流失量分别仅为传统管理农业坡耕地的24.8% 和16.9%^[5]。

已有研究集中于不同水土保持措施对水土流失的影响^[6]，而长期试验条件下，坡耕地植物篱技术对微地形的影响及如何开展后续管理均未曾涉及。在降水、地表径流、地下径流的作用下，土壤、土体或其他地面组成物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积^[7]。由于侵蚀和淤积，坡耕地微地形会发生改变，而坡耕地套作植物篱对这一变化产生影响^[8]。微地形的变化不仅进一步影响坡面产流与侵蚀，而且改变了微域生态条件，进而影响坡耕地的后续利用与管理。本文利用连续15 a试验的不同管理措施坡耕地径流场，参考不同的方法^[9-10]，观测分析了不同管理措施下坡耕地微地形变化特征，从而为后续管理措施优化提供决策依据。

1 材料与方法 1.1 野外试验布设

试验点位于三峡库区湖北省秭归县水田坝乡上坝村(30.9°10’21.8”N，110°38’51.9”E)，海拔235 m。区域地处亚热带湿润季风气候，年平均气温16 ~ 19 ℃，年降水量1 100 mm左右，70% 以上分布于4—10月。区域土壤为秭归向斜出露侏罗纪紫色砂岩发育的紫色土，质地均为壤土，2 ~ 0.05 mm、0.05 ~ 0.002 mm和 < 0.002 mm颗粒含量分别为43%、38% 和19%。

试验用径流场建于2002年，共设5个处理：多年生牧草，G1；旱作饲草与大豆轮作，G2；香椿植物蓠，G3；紫花苜蓿植物蓠，G4；小麦–花生轮作，G5。其中，处理G1为多年生黑麦草种植，具有很好的水土保持效果，但是由于连作障碍，小区中途废弃，故现存4个处理小区。试验中篱笆植物的筛选通常考虑符合3个特点：①植物篱容易建立与维护，植物生物量高；②可促进土壤养分循环，改善土壤肥力；③具有一定经济价值，如可作为饲料、柴火、绿肥等多种用途^[6]。本试验以当地普遍采用的小麦–花生顺坡耕作(G5)为对照；G3、G4处理分别以香椿和紫花苜蓿作为篱笆植物，沿等高线按行距20 cm，两行之间植株“品”字型交错布设，套作于小麦–花生坡耕地；G2处理以黑麦草为优质饲草，选择秋冬季浅耕、撒播，翌年5月份清地后点播大豆(或籽粒苋)，实行免少耕，减少耕翻引起的土壤流失。各小区年施肥量均为N 0.9、P₂O₅ 0.59、K₂O 0.63 kg/plot。

各小区水平投影面积为4.92 m×8.46 m= 41.62 m²，按均一坡面设置，采用水泥预制板围隔而成。顺坡向隔板呈坡度27°直线分布，与坡面平行；垂直坡向隔板等高布设。垂直坡面土层厚度为40 cm以上，隔板垂向顶端距坡面约10 cm，埋深约40 cm，土壤坡面为降水落实后均一坡面。各小区设有独立出水口和集水池。在自然降水时记录各小区产生的地表径流量，取各小区径流水的混合水样，测其泥沙含量，记录为径流降雨，即降雨达到产生径流时进行记录。室内分析：各小区径流水的混合水样，过滤后，采用105 ℃烘干测其泥沙含量；降雨量与时段雨量、雨强测定采用SJ-1虹吸式雨量自记人工判读法。

1.2 坡面地形观测与分析

2002年开始各小区开展连续试验，由于不同处理引起的侵蚀淤积，小区微地形逐渐产生变化。2011年7月对微地形变化开展相应观测。以小区上部垂直坡向隔板为起点，依据坡面地形起伏，按照20 ~ 50 cm间距，采用0.1 cm精度标尺测定小区两侧顺坡隔板顶端到坡面的平均垂直距离。进一步采用空间插值法绘制坡面起伏剖面线。

空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其他空间现象的分布模式进行比较，包括了空间内插和外推两种算法。本文采用空间内插算法中常见的边界内插法即通过已知点的数据推求同一区域未知点数据，使用边界内插法时，首先要假定任何重要的变化都发生在区域的边界上，边界内的变化则是均匀的、同质的。

$ Z(X_{0}) =μ+α_{k}+ε $

式中：Z是在X₀位置的属性值，μ是总体平均值，α_k是K类平均值与μ的差，ε为类间平均误差，该模型假设每一类别K的属性值是正态分布；每类K的平均值(μ+α_k)由一个独立样品集估计，并假设它们是与空间无关的，类间平均误差ε假设所有类间都是相同的。分类效果的显著性检验可以用F检验。根据Excel 2010数据处理得出G2、G3、G4、G5处理的F分别为49.39、90.67、83.64和45.85，均大于0.05，由此证明分类效果显著。

试验数据分析采用Excel、Origin 2018等统计分析软件，通过对比分析和方差齐性分析等方法，分析不同处理措施的水土保持效果。运用AutoCAD绘制坡耕地的坡面断面图，分析微地形变化。具体参数包括：坡面淤积坎个数、宽幅、相对高度以及淤积坎的坡长、坡比、坡度。坡面淤积坎个数测定通过目测法，以每个淤积坎的最高点为界，将G3分为2段，G4分为4段，G2和G5为一段。淤积坎宽幅为每一段的水平距离；淤积坎相对高度为每一段的垂直高度；淤积坎坡长为段前点到段后点的直线距离；淤积坎坡比计算公式为：tan∠α=相对高度/坎宽幅；淤积坎坡度计算公式为：α (坡度)=arc tan (相对高度/坎宽幅)。

2 结果 2.1 坡耕地径流场保护性模式对坡面水土保持的效果

7年中一共统计记录了110次的监测，结果(表 1，表 2)表明，坡面径流量以常规对照G5坡面径流量最高，达55.51 mm；与G5相比，G2、G3、G4处理的坡面平均年径流量分别减少23.89%、33.2% 和26.99%。说明与小麦–花生种植模式相比，坡耕地香椿植物蓠、紫花苜蓿植物篱均能有效拦截径流，增高入渗，降低坡面径流量。饲草与大豆轮作减少耕翻，降低雨滴溅蚀，增加入渗，也可以减少坡面径流量。7年平均坡面产沙量以常规对照G5处理最高，达57.3 g/m²；与G5相比，G2、G3和G4处理坡面平均年产沙量分别减少61.36%、86.34% 和85.83%。可见，坡耕地采用香椿植物篱和套种紫花苜蓿植物篱能够大幅降低坡面产沙量，具有较好的水土保持功效；旱作饲草与大豆轮作稍逊于G3和G4，也具有一定的水土保持功效。

统计表明，径流池水深随降雨量增高而呈显著线性增高(图 1、表 3)。结合图 1与表 3可见，G2、G3、G4的回归系数均大大低于G5，说明与对照相比，采用套种植物篱和黑麦草–大豆(籽粒苋)替代模式小区的单位降雨的产流量较低。各处理泥沙含量和产沙量与降雨量变化的散点图(图 1)显示，逐次降雨G5处理径流泥沙含量和产沙量一直高于其他处理，G2处理径流泥沙含量和产沙量偶尔高于G5处理，整体低于G5；G3、G4处理径流泥沙含量和产沙量一直处于较低的水平。说明植物篱措施控制水土流失效果显著，而黑麦草–大豆(籽粒苋)替代模式虽然能够一定程度上控制水土流失，但效果不稳定。

2.2 坡耕地径流场地形变化

各小区在试验初始时地形保持一致，为坡度27°均匀斜坡。经过15 a的水力侵蚀和淤积，不同处理地形发生分化。根据2017年测量数据，利用空间插值法构造的各处理坡地断面图(图 2)显示，不同措施下，坡地微地形变化显著。

由断面图 2看出，G2与G5坡面平缓均匀，几乎没有起伏。G3与G4坡面起伏较大，在栽种了植物篱的地方，地面增高，形成篱坎，篱坎下沿则出现侵蚀区。G3区域种植了两排香椿植物篱，形成2级植物篱淤积坎，坎宽幅平均达到420.8 cm，淤积坎相对高差为40.43 cm，平均坡度下降1.4度，两级截坡平均坡长为465.5 cm(表 4)，其下部为侵蚀区，侵蚀深度最高。由于香椿植物篱地上部分植被拦滤截阻作用和地下根系较强固持能力，淤积区坡面显著增高，但位于淤积区下部土壤流失更加严重。G4区域为4排紫花苜蓿植物篱，形成4级篱坎，平均坎宽幅为210.3 cm，平均坡长为238.1 cm，平均坡度下降0.3度，淤积坎平均相对高度为110.6 cm，同样在篱坎下部高度降低，出现侵蚀。可见，由于植物篱的拦截固土，形成篱坎，坡面地形由均一坡地演替为沿植物篱分布的阶梯型坡地，各阶梯坡面坡度降低，坡长被截短，有利于进一步降低坡面侵蚀。而常规的小麦–花生模式和黑麦草–大豆(籽粒苋或油菜)模式虽然坡面侵蚀较为严重，但坡面坡度几乎未见变化；尤其常规小麦–花生模式产沙量最高，但坡度无明显改变。一方面与坡面利用管理有关，人为耕翻和整理使坡面保持相对稳定；其次雨季坡面植被覆盖和人为整理减少严重侵蚀类沟蚀的发生，地面侵蚀以溅蚀、片蚀和细沟类侵蚀为主。

3 讨论

三峡库区是我国重要的水蚀区之一，区域农业过度开发是造成水土流失的重要原因^[11]。本试验的对照选择小麦–花生轮作模式，是当地典型耕作模式之一，水土流失较为严重。试验结果显示，对照小区平均产沙量最高仅为56.8 t/km²，甚至低于区域允许侵蚀模数。一方面，该值仅指示小区流失量，并非小区所发生的被侵蚀总量，因为部分侵蚀泥沙形成小区内淤积^[12]；另一方面，试验小区为均一坡面，且坡长较短，加上四周围隔，实际产沙量主要来自于耕作造成的坡面土壤位移，以及雨滴溅蚀、坡面片蚀和细沟侵蚀，不包括一般意义上的深度侵蚀，如沟蚀、崩塌甚至滑坡引起的重力侵蚀^[13-17]，其中细沟侵蚀占直线型坡面侵蚀中的主导地位^[18]。降水强度、坡面原始坡度、土壤特性、植被覆盖和人为耕作等，均能对土壤侵蚀造成影响^[19]。本试验中自然降雨侵蚀和耕翻引起陡坡地土壤向下迁移是坡面产沙的主要驱动力。区域雨季分布于4—10月，而常规小麦–花生处理年度分别在5月和9—10月两次耕翻，以松土施肥、播种和收获，耕翻与降雨重叠，土壤侵蚀较为严重^[20]。与之相比，黑麦草–大豆(籽粒苋或油菜)处理年度耕翻1次，所以与对照相比，侵蚀量相对较低。本项试验在四周围隔的小区中开展，主要观测不同利用方式和生态保护措施下，坡面径流和土壤流失的差异。试验表明，采用保护性植物篱技术，由于长期的侵蚀和淤积，形成篱坎，改变坡面微地形。深入地分析不同类型植物篱坡面地形演变驱动机制和演替趋势，以及进一步优化生态保护措施，防治水土流失，保护地力，以实现坡地可持续利用具有重要的现实意义。

植物篱作为水土保持生态措施的一种，起到缓解面源污染，拦蓄坡地表面的径流、泥沙，减缓坡度，形成生物梯田，并增加土壤抗蚀性等作用，进而达到控制坡耕地水土流失的目的^[21]。在该试验的坡耕地中，陡坡地采取紫花苜蓿植物篱和香椿植物篱模式，产沙量均显著降低，与其他试验结果相符^{[13, 15]}。多年生紫花苜蓿为豆科草本植物，可茎蔓生根繁殖，形成植物篱区域密集的蔓生茎，对过境径流具有较好的拦滤功能^[22]。产流降雨发生时，紫花苜蓿植物篱阻滞径流，降低流速和径流夹砂力，过滤泥沙形成淤积。由于紫花苜蓿为草本植物，直立主茎高度约20 cm左右，抗冲刷力相对较弱，因此试验小区以顺坡2.1 m间隔等高设置，以增强其水土保持功效。香椿为落叶乔木，杆生长50 cm左右去顶促分枝，当分枝高于50 cm左右时将其截断，残枝横置篱带植株间地表，形成植株加残枝复合篱，具有拦截径流、过滤泥沙功能。木本植物抗冲刷能力强，因此试验小区以顺坡4.03 m间隔等高设置。植物篱区域仅在设置初期需要整地，后期无需耕翻，且雨季篱带地上植被覆盖好，地下根系具有较好的固土能力，因此篱带土壤稳定^[23]。由于拦滤作用形成篱带基部地面泥沙淤积，从而逐步抬高形成篱坎^[24]。篱坎的形成，使坡面逐步被截成2段或4段较低坡度的短坡长斜坡，有利于进一步降低坡面径流冲刷，减少侵蚀，增高淤积。篱坎区域土壤不仅淤积泥沙，而且篱笆植物枯枝落叶及其形成的有机物质改变坡面土壤的条件和性质，有利于改善土壤透气、透水性，提高入渗速率；且由于根系固定，土壤的抗蚀性、抗冲性以及土体的稳定性提高，起到保土保肥作用^[25]。由于香椿和紫花苜蓿植被类型、篱带设置、覆盖密度、根系固着等方面差异，其水土保持效果各有其特点，也是引起微地形差异的重要原因之一^[26]。

微地形条件是影响坡耕地坡面侵蚀的重要因素之一，也是反映地表局部变化与侵蚀程度的指标。植物篱造成了坡耕地微坡度和微坡向的变化，该变化与坡面时段侵蚀量呈显著正相关^[27]。由于坡面径流经过植物篱阻滤，过境后径流含沙量大幅降低，在径流量较大时，挟沙能力增强，引起植物篱下部土壤较强侵蚀，逐步引起篱坎上下部高差增大。高差增大后过境径流形成跌落，势能转化为动能，进一步增强其侵蚀搬运能力^[28-29]]，因此两种植物篱模式的篱坎下部均出现侵蚀，G3淤积坎下部侵蚀高度约为30 cm，G4淤积坎下部侵蚀高度约为25 cm。有研究发现植物篱小区内部，局部的径流流速变化是导致侵蚀产沙量变化和微地形变化的根本原因，即在植物篱条带的上坡位置，径流流速下降，而在条带的下坡位置，径流流速增加，经过流速的一增一减，使得径流携沙能力下降，而导致泥沙侵蚀本身的减少和已侵蚀泥沙的淤积，逐渐造成了坡耕地微地形的改变^[27]。香根草植物篱改变坡耕地微地形的效应会随着栽种时间的推移逐渐显现(≥2 a)，在篱带前端逐渐出现泥沙淤积带，篱带间农地坡度变缓，篱带下出现土坎^[30]。可见，植物篱上淤下蚀是篱坎形成的重要机制。这一机制既是篱坎形成的驱动力，也将是未来篱坎稳定的威胁因子。过篱后的坡面径流挟沙能力较强，加之跌落势能转为径流动能，不仅加剧篱坎下部位置侵蚀，且后期会对篱坎土体的稳定造成负面影响。因此，采用植物篱技术的坡耕地需要完善配套坡耕地灌排基础设施^[31-32]，以防止径流冲刷引起侵蚀或间接诱发篱坎崩塌^[33]。

植物篱技术在我国三峡库区得到了广泛应用，但这些研究主要集中于其控制水土流失和面源污染的短期试验，其长期应用对坡面地形的影响和后期管理如何应对，鲜有相关文献。梯田是治理坡耕地水土流失的有效措施，具有显著的保土、蓄水、增产作用，在三峡库区陡坡地治理中得到广泛应用。有研究认为，三峡库区土坎梯田高度宜控制在1.2 m之内，外边坡约60°较为适宜。本试验小麦–花生套作紫花苜蓿植物篱模式淤积坎平均高度为1 m，坎宽幅2 m左右，可考虑进一步修整为土坎梯田。而套作香椿植物篱模式虽然篱坎相对高度仅2 m，但坎宽幅达4 m左右，在陡坡条件下坡改梯工程量过大，坡改梯后两级梯田，土梯梯坎过高而不稳定。后期管理可考虑维持香椿植物篱的两级坡地，种植少、免耕类作物；或增加两级植物篱以逐步坡改梯^[34-35]。可见坡耕地如果采用植物篱技术要实行后续坡改梯，必须充分利用篱带距离，以确保土梯梯坎安全和稳定^[36]。

篱坎的稳定是陡坡地植物篱技术后期管理的重要方面。篱笆植物不仅地上部分控制水土流失，其地下根系也是固持土体、稳定篱坎和防止水土流失的重要措施^[37]。木本植物根系粗壮且扎根较深，而草本植物根系密集但深度相对较浅，两类植物套种构建复合植物篱既能控制坡面地表侵蚀，又能稳固篱坎，控制水土流失。除了本试验采用的香椿，木本植物用于植物篱的还包括新银合欢、紫穗槐、桑树和黄荆等；草本植物还有香根草、蓑草等，这些植物还具有药用或饲用价值，用于水土保持的同时，具有一定经济价值^[38-39]。

4 结论

陡坡地采用植物蓠能有效控制坡面水土流失，通过连续15 a的试验，不同处理坡面地形发生明显分异。常规小麦–花生利用模式和黑麦草–大豆(籽粒苋或油菜)替代模式下，坡地厚度降低，但坡面地形没有明显变化；小麦–花生套种紫花苜蓿、香椿植物篱处理的坡面均出现篱带部上淤下蚀，形成篱坎，篱坎下部侵蚀较强。

小麦–花生套种紫花苜蓿植物篱处理随着篱坎的继续增高，可利用植物篱辅助优化设置坡改梯，并建议后期完善配套坡耕地灌排设施，以免出现强度侵蚀。依据不同类型植物根系特点可考虑利用已优选的植物品种设计木本与草本套种的复合植物篱，以改善土体根系分布，稳固篱坎，进一步控制水土流失。