衛(wèi) 偉，余 韻，賈福巖，楊 磊，陳利頂

(中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085)

在全球范圍內的很多地區(qū)，特別是一些關鍵的生態(tài)脆弱區(qū)和半干旱區(qū)，惡劣的生態(tài)環(huán)境本底與貧瘠的下墊面嚴重阻礙了植被自然更新和人工修復進程，致使區(qū)域植被恢復效果不佳、生態(tài)環(huán)境改善進度緩慢［1-3］。尤其在當前全球氣候變化和人類活動加劇的大背景下，氣溫、降水、蒸發(fā)散等特征指標發(fā)生異常的概率趨于增多，暖干化的長期趨勢以及極端事件的不斷涌現(xiàn)，在不少地區(qū)已成不爭事實［4-5］。這種情形將有可能進一步惡化地表生境，使得下墊面條件更加不適于植被恢復和生態(tài)演替?？茖W研發(fā)更為有效的立地改良技術和下墊面管理措施，遏制環(huán)境和土地退化勢頭、促使生態(tài)系統(tǒng)朝著有利于充分發(fā)揮其服務功能的方向發(fā)展，已經成為一個重大而緊迫的科學命題，亟待解決和完善。

在這些關鍵地區(qū)，歷史上曾開展多次大規(guī)模植被恢復和流域綜合治理［1-3，6］。在具體恢復和治理過程中，為了有效提高植被成活率和覆蓋度，采用了形式多樣的下墊面改造和整地措施，塑造了形態(tài)各異的微地形和集水區(qū)，從而對不同立地條件下的微景觀、土壤水文和植被恢復進程產生重要影響［1，7］。盡管國際上有關微地形改造影響生態(tài)環(huán)境的研究已經取得一定進展［8］，但由于缺乏更為系統(tǒng)深入的實驗設計，許多和微地形改造有關的關鍵過程和作用機理不明，導致無法研判不同改造措施的長期生態(tài)環(huán)境效果和后續(xù)效應，難以實現(xiàn)改造技術的優(yōu)化和改良。而這一狀況與我國大規(guī)模植被恢復的歷史背景嚴重脫節(jié)，致使現(xiàn)有研究成果難以滿足和支撐國家脆弱區(qū)生態(tài)恢復的理論需求。同時，從機理研究的角度，忽視微地形改造在生態(tài)恢復以及各種地表過程中的作用，可能會導致研究結論出現(xiàn)偏差并導致模擬失實［8-9］。深入探討微地形改造措施對生態(tài)環(huán)境效應的影響，對于深入理解其作用機理、促進生境改良、人地關系和諧發(fā)展都具有重要意義。

鑒于此，本文通過文獻綜述和系統(tǒng)總結，深入剖析了當前微地形改造在生態(tài)水文效應方面的重要研究進展、存在的不足和突出問題。以期能引起更多學者對微地形改造措施及其生態(tài)環(huán)境效應研究的持續(xù)關注和思考，籍以推動微地形改造相關研究的深入發(fā)展，為脆弱生態(tài)區(qū)植被恢復、生態(tài)系統(tǒng)管理和水土資源保持提供科學依據(jù)。

1 國內外研究進展

微地形改造是指人類根據(jù)科學研究或改造自然的實際需求，有目的對地表下墊面原有形態(tài)結構進行的二次改造和整理，從而形成大小不等、形狀各異的微地形和集水單元，能有效增加景觀異質性、改變水文循環(huán)和物質遷移路徑，其空間尺度一般在0—1 m范圍內波動［10］。而無論采取什么形式的微地形改造措施，其主觀意愿和基本目標都是為了改善立地條件、遏制土地退化、提高土壤質量和促進生態(tài)系統(tǒng)恢復。鑒于微地形改造的重要科學意義和實踐價值，國內外學者立足于不同的生態(tài)系統(tǒng)類型與功能區(qū)，從各自專業(yè)背景和科學視野出發(fā)，圍繞土壤屬性及其質量、小氣候和微生境、地表水蝕和降雨入滲、植被恢復及其生態(tài)服務等多個方面開展了微地形改造對生態(tài)環(huán)境效應的影響研究。

(1)微地形改造對土壤屬性及其質量有重要影響

大量研究表明，不同微地形改造措施及其空間組合模式能夠創(chuàng)造出許多不同的斑塊鑲嵌體，使之顯著區(qū)別于周圍環(huán)境的微地貌結構和生物地球化學過程［11］。而微地形改造的這種影響在不同自然地理單元和生態(tài)系統(tǒng)類型區(qū)均發(fā)揮重要作用。譬如，在美國喬治亞洲一片被洪水淹沒的森林區(qū)，在自然驅動力和人為因子的主導和干預下，不同微地形改造方式及其時空變異有效調整和改變了土壤中鋁鐵氧化物，進而顯著影響生物地球化學過程［12］。在得克薩斯州的半干旱生境區(qū)，人工改造成凹陷洼地的微地形，其有機質含量遠遠高于改造前的自然地面［13］。在騰格爾干旱沙漠區(qū)，微地形改造對地表生物化學過程的影響迥異，沙丘丘頂、背風坡、迎風坡和沙凹槽的土壤養(yǎng)分積累顯著不同［14］。馬尾松林地的實驗表明，不同微地形改造和整地措施改善土壤肥力的效果有較大差異［11］。近年來，研究發(fā)現(xiàn)微地形改造能創(chuàng)造厭氧和需氧環(huán)境下不同的土壤氮固定與轉化機制，進而加速N循環(huán)過程［15］。還有學者從微觀視野出發(fā)，通過跟蹤監(jiān)測和精細實驗，發(fā)現(xiàn)凸狀微地形含氧量明顯高于凹槽，從而使土壤表層通過硝化作用將更多的NH+4氧化成NO3-，最終影響土壤屬性及其質量［10］。在半干旱黃土丘陵區(qū)，有學者發(fā)現(xiàn)不同微地形改造措施對土壤養(yǎng)分和生產力的影響存在較大差異［16］。

(2)微地形改造對周邊小氣候及其微生境有重要影響

通過實施不同的微地形改造技術，地表微高程、粗糙度、起伏度和覆蓋方式都會發(fā)生某種程度變化，從而對熱輻射接收、能量吸附、水熱遷移和轉化過程產生關鍵影響［3，12，15-17］。相應地，近地面溫度、濕潤度、風速、風向以及對太陽光的吸收和散射程度等都可能隨之發(fā)生改變。而這些改變無疑會對地表凋落物的儲存分解、微生物種群活性、土壤動物群落繁衍、種子萌發(fā)等諸多細微過程產生重要影響［18-20］。正緣于此，有學者認為微地形改造能夠創(chuàng)造出許多不同的地表微生境和局地小氣候，進而顯著增加坡面微景觀的異質性。而微環(huán)境的異質性會對生物群落的結構和功能產生重大影響［21，22］。因此，為了改善生態(tài)系統(tǒng)的微環(huán)境，國際上不少地區(qū)利用手工、挖掘機、車轍、圓盤式耙地等方法對下墊面進行改造，從而形成各式各樣的微地形結構［23］。另外，不同微地形改造措施及其對周邊小氣候的影響特征在空間上具有高度異質性。如有學者發(fā)現(xiàn)低海拔處微地形的水分散失率和溫度變異明顯低于中高海拔地區(qū)［24］。這些研究對于現(xiàn)實中進行微地形改造和評估其生態(tài)影響具有重要的參考價值。

(3)微地形改造對降雨入滲和水蝕過程有重要影響

研究表明，微地形改造最直接有效的作用是增加了地表起伏度、降低坡面漫流的連通性，從而顯著提升降雨在坡面土壤中的保持能力［3，11，25］。在不同的降雨條件下，通過實施科學合理的微地形改造和整地措施，能夠使20%到潛在的200%不等的降雨量就地入滲［9］。相對于平滑地面，微地形改造能夠有效降低土壤顆粒物、水分含量和有機質的流出比例，并延長其匯流時間［7］。在云南干熱河谷區(qū)，微地形改造后，雨后土壤水的消退過程明顯減緩，水分在土壤中滯留的時間延長，從而更有利于植物吸收利用［26］。還有研究表明，不同微地形改造和整地措施如水平溝、魚鱗坑和自然都坡地之間的土壤水分變化過程迥異，并呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)分異特征［27］。受降雨波動脅迫和影響，水平臺、臺間坡面和自然坡面之間的土壤水分存在較大差異，雨季時不同坡位土壤水分為臺間坡面＞水平臺＞自然坡面，而雨季時則為水平臺＞臺間坡面＞自然坡面;表明水平臺改造不僅能夠改善水分狀況，更有利于抵御極端干旱，從而降低對氣候波動的依賴［28］。陜北黃土高原連續(xù)9a的觀測表明，修建有魚鱗坑的林地，能夠將58%—90%的地表徑流量就地攔蓄，水平溝等微地形改造方式則可以分別減少25.7%—40.5%的徑流量和33.7%—56.1%的侵蝕量，而這種雨水攔蓄能力的浮動范圍主要取決于降雨強度及其歷時［29］。在山東泰安丘陵山地，內傾角為5度和10度的反坡臺，能分別降低57.9%和89.8%的土壤流失、以及89.3%和95.9%的養(yǎng)分流失量［30］。因此，微地形改造對于有效促進地表徑流向入滲轉化、保障植被充分吸收利用水資源以及地貌、水文和生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同進化都發(fā)揮了重要影響，而這將為半干旱脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理和植被恢復提供寶貴啟示［8］。

(4)微地形改造影響植被恢復效果及其生態(tài)服務功能

科學合理的微地形改造措施對于提高植被生產力、積累生物量和促進生態(tài)系統(tǒng)正向演替發(fā)揮著重要作用，這主要和實施改造措施后能有效降低水土養(yǎng)分的流失比率、改善地表微環(huán)境密切相關［13，31］。譬如，有學者發(fā)現(xiàn)，植被地上生物量與下墊面微地形結構及其坡面分布格局顯著相關(R2=91%)，昭示著通過科學合理的微地形改造和整地，有目的塑造出各種微地形和集水區(qū)，進而促進植被恢復效果的充分發(fā)揮［10，23，32］。在黃土高原，坡改梯田會使生物量積累提高27%—53%［33］。在亞熱帶丘陵山地，與對照相比，合理的坡面整地措施可以將樹高、胸徑和蓄積量分別提高124%、130%和226%［34］。而良好的植被覆蓋和正向演替則可以逐步改善土壤水肥條件、提高遏制水土流失的能力［35］。進一步的研究顯示，坡面植被恢復狀況與對應的生態(tài)功能、水文特性、生物多樣性和碳沉降過程都有非常緊密的聯(lián)系［9，36］。因此，有目的地開展微地形改造和整地措施，人為創(chuàng)造更為適宜的微生境，對于改善植被生長狀況、遏制重點區(qū)域水土流失和土地退化態(tài)勢、提高生態(tài)系統(tǒng)服務功能都有重要現(xiàn)實意義。

2 尚存在的突出問題

盡管微地形改造的生態(tài)環(huán)境效應研究已經取得重要進展，但總體而言，目前尚存在不少難點和困境亟待解決突破。這里面既涉及微地形本身的特點和改造方式、其空間尺度界定標準及量化技術等基礎理論和技術問題，也有微地形改造影響生態(tài)環(huán)境效應的關鍵驅動和時空作用機制等重要科學問題。一方面，探討微地形改造本身的科學界定標準和量化技術，有利于促進和深化機理研究及實踐改良;另一方面，微地形改造的生態(tài)環(huán)境效應也需要在優(yōu)化改造措施及其空間格局基礎上更好地體現(xiàn)和發(fā)揮，而生態(tài)環(huán)境效應優(yōu)劣又是評判和檢驗微地形改造措施是否科學合理的客觀標準，以便于在具體恢復過程中給予維護或適時調整。

2.1 微地形改造的科學界定方法與分類標準有待系統(tǒng)化

科學合理的微地形改造界定方法，是開展進一步生態(tài)環(huán)境效應研究的基礎和前提。截至目前，學術界尚未形成一套微地形改造的系統(tǒng)方法和理論體系。根據(jù)國內外文獻記載，目前主要涉及兩種劃分方法和界定標準。(1)根據(jù)立地尺度上微地貌特征和土壤粗糙度的變異程度，結合實踐中的具體目的而劃分的一類微地形改造標準，其空間尺度一般遠遠小于1 m。這類微地形改造和整地措施以平原區(qū)的精耕農業(yè)為典型代表，已有的國內外研究還涵蓋幼林栽培地、自然草地、各種濕地以及礦物開發(fā)恢復地等其他生態(tài)系統(tǒng)類型［9，12-13，15，23，37］;(2)直接以野外人工整地方式命名并開展的系統(tǒng)研究。其空間尺度靈活多變，主要受限或取決于微地形改造的實際需要并兼顧其多樣性。類似的微地形改造措施很多，如黃土高原、云南干熱河谷、西班牙地中海及其他類似地區(qū)修建的魚鱗坑、反坡臺、水平階、水平溝、水平槽、各類梯田，以及溝道內的谷坊和淤地壩建設等，都屬于大小不一和形狀各異的微地形改造措施［2，16，26-28］。一般來講，坡面上這些微地形改造和整地措施，其空間尺度大多在1 m范圍內，但谷坊和溝谷淤地壩建設則會較大。通過這些措施的實施，有效起到了遏制侵蝕、改善生境和促進植被恢復的作用［1，38］。而造成微地形改造界定標準差異的原因較多。其中，微地形改造及其時空鑲嵌結構本身的多樣性及其復雜性是重要原因之一。研究者的知識背景、研究目標和研究側重點的不同也可能成為重要原因。此外，不同生態(tài)系統(tǒng)類型對于微地形改造的實際要求以及不同地理單元和自然區(qū)域之間微地形的實際差異也是重要因素。譬如，對于濕地、農田、草地和森林等不同生態(tài)系統(tǒng)，其要求微地形改造所要達到的形狀結構和發(fā)揮的服務功能存在較大差別［15，23，39］，而不同區(qū)域(如平原區(qū)、土石山區(qū)、高寒山地和丘陵溝壑區(qū)等)自然地貌和關鍵生態(tài)環(huán)境問題也存在顯著差別。但毫無疑問，盡管目前微地形改造的界定方法在某種程度上有其研究的便利性和多樣性，但這種多元分類手段，由于缺乏系統(tǒng)的理論體系和更為科學的標準，容易導致認識上的模糊和誤區(qū)，從長遠看并不利于有關研究的深化。

2.2 微地形改造實地量化技術有待進一步完善

定量刻畫和量測微地形改造的時空特點及其分布格局，并將其與具體的生物地球化學過程有機耦合，對于揭示不同微地形改造措施的生態(tài)環(huán)境效應至關重要。由于微地形包括垂直方向的微高程和水平方向的地表粗糙度，同時又具有顯著的時空異質性，致使其野外測算難度很大［6］。當前國內外研究中，主要存在現(xiàn)狀調查、機械測定、光學成像以及三維激光掃描等4種典型實地勘測技術和數(shù)據(jù)采集量化方法［40-41］。其中，現(xiàn)狀調查法屬于最傳統(tǒng)的方法，主要基于野外踏查和肉眼勾繪等基本方法，試圖通過定性描述和半定量記錄的方式勾勒、分析微地形的結構及其形狀學特征。這種方法在過去技術設備不完備的條件下應用普遍，但對專業(yè)人員的地貌制圖能力和經驗判斷要求很高，由于費時費力，已經難以滿足大范圍、高精度的采樣要求。接觸式機械測定法主要包括測針法、方格法、桿尺法和鏈條法等［42］，在早期的地形和微地貌量測中也有較多應用，主要通過測定地表糙度來反映微地貌特征。由于在具體測算過程中直接接觸地表，對微地形結構有較大破壞，不利于后期生態(tài)環(huán)境效應的跟蹤監(jiān)測。光學成像法雖然成功克服了機械測定法對地表的破壞性，在快速取樣方面也較為便捷，但由于固有的平面成像缺陷，難以實現(xiàn)立體式的微地形刻畫模式，因而很難滿足全面準確的微地形格局分析。激光掃描技術是目前正在發(fā)展的一項高新科技，也是測繪學領域的一次革命，是一種非接觸式高速激光測量方式［43］。相對于其他方法，該方法具有精度高(可以毫米計)、分辨率強的明顯優(yōu)勢，是較為理想的微地形量測和分析方法。早在90年代中期，就有學者發(fā)明了用于室內測定侵蝕和微地形的掃描系統(tǒng)，并認為在合適的照明條件下也可以適用于野外自然環(huán)境［41］。該項技術由于成本較高，目前尚未得到普及，但應用前景十分廣闊。同時，如何將三維激光掃描技術應用于野外大尺度的實地監(jiān)測和量化分析，并將其與具體的生態(tài)過程有機耦合，也是當前需要重點解決的關鍵問題。目前微地形定量刻畫主要采用數(shù)字高程建模、分形理論和神經智能網(wǎng)絡等基本方法［43-44］。

2.3 微地形改造的地表水文效應研究有待加強

微地形改造普遍存在于不同生態(tài)系統(tǒng)類型區(qū)，種類多樣且復雜多變。但系統(tǒng)梳理國內外文獻，發(fā)現(xiàn)除了在計算地表粗糙系數(shù)時將微地形作為參數(shù)外，直接將微地形改造和水文效應有機聯(lián)系的定量研究并不多見［8，19］。加之不同尺度植被特征對水文過程存在顯著影響，使得這一問題更趨復雜［45-46］。正因為此，國內外有關微地形改造影響水文過程的結論并不一致。譬如，在西班牙，自然陡坡改造成水平梯田后，由于沒有實施合適的地埂措施，年均土壤流失量不僅沒有減少，反而增加了26.5%，土壤水分也有不同程度下降［47］。當水平臺的臺間坡地超過一定坡度時，受雨水沖刷而發(fā)生坍塌損毀的風險劇增，平均徑流系數(shù)將增加6%—31%，而其值主要取決于雨強及其侵蝕力［48］。同樣的問題存在于中國的黃土高原。在陜北延安，陡峭的水平階間坡面容易崩毀，從而誘發(fā)更為嚴重的水土流失［49］。而現(xiàn)實中，由于缺乏精細設計和技術指導，卻又不受任何環(huán)境立法的制約，導致微地形改造和陡坡地水平化的處理極為隨意，其直接后果是構建了大范圍并不穩(wěn)定的人工系統(tǒng)，并被憂慮會進一步加劇土壤侵蝕和環(huán)境退化［50］。具體來看，不同微地形改造方式(如形狀結構、坡面曲率、匯水面積及其分布等)在土壤水分衰減、降水入滲、植被蒸發(fā)散、地表徑流、壤中流及侵蝕過程中發(fā)揮何種作用，其作用有何異同;微地形改造后的時空鑲嵌結構和分布格局如何影響地表水文過程，反過來，這些過程又會對微地形改造及其鑲嵌體變化產生什么樣的影響?在植被以及其他人工干預措施的綜合影響下，微地形對水文過程的貢獻率究竟如何?類似問題都需要通過強化基礎研究給予解答。

2.4 微地形改造影響植被恢復的機理不明

截至目前，微地形改造對植被群落動態(tài)與分布格局的影響研究較少，植被恢復對不同時空尺度微地形改造方式和累積效應的響應機制不明。盡管國內外有限的研究已經表明微地形改造所創(chuàng)造的生境異質性對植被生長發(fā)育起著重要作用，但很難精確回答到底發(fā)揮多大程度的影響，尤其是在有其他自然因子和人為干擾介入的條件下。同時，有關人工創(chuàng)造的微地形如何影響引種植被的種群分布、群落動態(tài)和格局建成尚不清楚［10，20］。以我國黃土高原為例，盡管大規(guī)模植被建設和整地方式創(chuàng)造了復雜多樣的微地形和小生境，但目前研究多集中在微地形改造對土壤質量的影響上，微地形改造影響植被生長動態(tài)及其分布格局的機理研究亟需補充和加強［2，16，28］。其次，微地形改造在諸多生物地球化學循環(huán)過程的作用研究有待強化和深入。譬如，不同微地形改造措施到底在土壤屬性改良過程中發(fā)揮何種作用，這種作用在不同時空尺度上和不同區(qū)域有何變化?另外，土壤種子庫和種子雨過程對于植被恢復和格局分布有較大影響，微地形改造在這些種子儲存和運動變化過程中發(fā)揮什么樣的作用，目前仍是一個科學謎團［51-52］。從較長的時間尺度出發(fā)，微地形改造在植被恢復過程的不同時期(前期、中期和后期)的作用有何異同?類似問題對于植被恢復的成效至關重要，應該在以后的研究中給予重點關注［53］。由于區(qū)域差異性和影響因素的多樣性，定量對比不同微地形改造措施的生態(tài)環(huán)境效應難度加大，導致理論和實踐中不清楚如何從空間上優(yōu)化微地形改造措施的空間組合及其配置結構，以提高生態(tài)服務的供給能力［53-54］。同時，從區(qū)域尺度看，大范圍復雜多樣的微地形改造措施所帶來的累積效應不明，而目前尚沒有科學可行的推算方法和定量評估手段。此外，全球氣候變化背景下，在不少干旱和半干旱區(qū)，暖干化趨勢呈進一步加重態(tài)勢，極端氣候和水文事件對地表生境與植被恢復的危害日漸增加而不容忽視，而微地形改造在減緩立地條件惡化、降低災害對植被恢復的影響方面能發(fā)揮多大作用，這種作用隨不同時空尺度的推演是否存在一定的增減規(guī)律?凡此種種，許多重要科學問題和相關研究都亟待加強與深化。

3 結語

本文綜述了微地形改造的生態(tài)環(huán)境效應相關研究進展，并指出了當前存在的突出問題和研究難點。總體而言，微地形改造及其效應研究是一個古老而嶄新的科學命題。說其古老，是因為長期以來，在很多生態(tài)系統(tǒng)類型區(qū)的歷史實踐中，微地形改造技術已經廣泛存在，用于有目的改善立地條件和生態(tài)環(huán)境質量。說其嶄新，是因為截至目前，很多涉及微地形改造及其生態(tài)環(huán)境效應的研究仍然很不系統(tǒng)、很不深入，相關基礎研究依舊嚴重滯后于實際需求。進一步發(fā)展和優(yōu)化微地形改造技術，則是當前生態(tài)恢復和水土資源保持領域亟待解決的科學問題。鑒于此，建議今后重點圍繞以下關鍵點，尋求突破，促進相關學科深入發(fā)展。

(1)加強微地形改造的分類體系和野外測定技術研發(fā)，發(fā)展基于微地形改造的結構特征和功能分異量化方法。同時，科學設計實驗方案，開展野外長期定位監(jiān)測研究，依托先進設備和手段，跟蹤監(jiān)測其動態(tài)特征，以深入探討不同尺度微地形改造與生態(tài)系統(tǒng)間的內在關系，特別是要搞清楚生態(tài)恢復前、中、后等不同時期微地形改造作用的異同。在此基礎上，制定出適用于不同地區(qū)和治理目標的微地形改造技術導則，完善野外微地形數(shù)據(jù)采集和室內刻畫分析等一整套的技術方法，為科學評估、篩選和優(yōu)化微地形改造技術提供依據(jù)。

(2)鑒于微地形改造對土壤、植被和地表水文過程有復雜影響，而且這種影響還具有顯著的尺度效應。因此，要強化不同時空尺度微地形改造的生態(tài)水文效應研究。重點關注微地形改造措施對土壤屬性和微生境、對水平方向上的水土流失和養(yǎng)分遷移、以及對垂直方向上的降雨入滲-土壤水分-植被攔蓄過程的綜合影響?；陂L期監(jiān)測數(shù)據(jù)和水量平衡原理，構建微地形改造措施-土壤屬性-植被恢復水文效應之間的定量關系表達，以揭示微地形改造的作用機理，服務重點區(qū)域水土保持、生境改良和植被恢復的客觀需求。

(3)鑒于當前全球變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響趨于增強，需要密切關注氣候變化背景下，不同尺度微地形改造方式在降低下墊面對氣候和環(huán)境因子變化敏感性、遏制土壤退化和水土流失、保障生境健康適宜及促進植被恢復中的重要作用。重點關注微地形改造措施在抵御極端干旱、暴雨、高溫、寒害及病蟲害等不良事件對生態(tài)系統(tǒng)影響方面的能力，篩選和研發(fā)適應氣候變化的下墊面關鍵改造技術，為最終實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境良性運轉提供科技支撐。

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