卫 伟，余 韵，贾福岩，杨 磊，陈利顶

(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

在全球范围内的很多地区，特别是一些关键的生态脆弱区和半干旱区，恶劣的生态环境本底与贫瘠的下垫面严重阻碍了植被自然更新和人工修复进程，致使区域植被恢复效果不佳、生态环境改善进度缓慢［1-3］。尤其在当前全球气候变化和人类活动加剧的大背景下，气温、降水、蒸发散等特征指标发生异常的概率趋于增多，暖干化的长期趋势以及极端事件的不断涌现，在不少地区已成不争事实［4-5］。这种情形将有可能进一步恶化地表生境，使得下垫面条件更加不适于植被恢复和生态演替。科学研发更为有效的立地改良技术和下垫面管理措施，遏制环境和土地退化势头、促使生态系统朝着有利于充分发挥其服务功能的方向发展，已经成为一个重大而紧迫的科学命题，亟待解决和完善。

在这些关键地区，历史上曾开展多次大规模植被恢复和流域综合治理［1-3，6］。在具体恢复和治理过程中，为了有效提高植被成活率和覆盖度，采用了形式多样的下垫面改造和整地措施，塑造了形态各异的微地形和集水区，从而对不同立地条件下的微景观、土壤水文和植被恢复进程产生重要影响［1，7］。尽管国际上有关微地形改造影响生态环境的研究已经取得一定进展［8］，但由于缺乏更为系统深入的实验设计，许多和微地形改造有关的关键过程和作用机理不明，导致无法研判不同改造措施的长期生态环境效果和后续效应，难以实现改造技术的优化和改良。而这一状况与我国大规模植被恢复的历史背景严重脱节，致使现有研究成果难以满足和支撑国家脆弱区生态恢复的理论需求。同时，从机理研究的角度，忽视微地形改造在生态恢复以及各种地表过程中的作用，可能会导致研究结论出现偏差并导致模拟失实［8-9］。深入探讨微地形改造措施对生态环境效应的影响，对于深入理解其作用机理、促进生境改良、人地关系和谐发展都具有重要意义。

鉴于此，本文通过文献综述和系统总结，深入剖析了当前微地形改造在生态水文效应方面的重要研究进展、存在的不足和突出问题。以期能引起更多学者对微地形改造措施及其生态环境效应研究的持续关注和思考，籍以推动微地形改造相关研究的深入发展，为脆弱生态区植被恢复、生态系统管理和水土资源保持提供科学依据。

1 国内外研究进展

微地形改造是指人类根据科学研究或改造自然的实际需求，有目的对地表下垫面原有形态结构进行的二次改造和整理，从而形成大小不等、形状各异的微地形和集水单元，能有效增加景观异质性、改变水文循环和物质迁移路径，其空间尺度一般在0—1 m范围内波动［10］。而无论采取什么形式的微地形改造措施，其主观意愿和基本目标都是为了改善立地条件、遏制土地退化、提高土壤质量和促进生态系统恢复。鉴于微地形改造的重要科学意义和实践价值，国内外学者立足于不同的生态系统类型与功能区，从各自专业背景和科学视野出发，围绕土壤属性及其质量、小气候和微生境、地表水蚀和降雨入渗、植被恢复及其生态服务等多个方面开展了微地形改造对生态环境效应的影响研究。

(1)微地形改造对土壤属性及其质量有重要影响

大量研究表明，不同微地形改造措施及其空间组合模式能够创造出许多不同的斑块镶嵌体，使之显著区别于周围环境的微地貌结构和生物地球化学过程［11］。而微地形改造的这种影响在不同自然地理单元和生态系统类型区均发挥重要作用。譬如，在美国乔治亚洲一片被洪水淹没的森林区，在自然驱动力和人为因子的主导和干预下，不同微地形改造方式及其时空变异有效调整和改变了土壤中铝铁氧化物，进而显著影响生物地球化学过程［12］。在得克萨斯州的半干旱生境区，人工改造成凹陷洼地的微地形，其有机质含量远远高于改造前的自然地面［13］。在腾格尔干旱沙漠区，微地形改造对地表生物化学过程的影响迥异，沙丘丘顶、背风坡、迎风坡和沙凹槽的土壤养分积累显著不同［14］。马尾松林地的实验表明，不同微地形改造和整地措施改善土壤肥力的效果有较大差异［11］。近年来，研究发现微地形改造能创造厌氧和需氧环境下不同的土壤氮固定与转化机制，进而加速N循环过程［15］。还有学者从微观视野出发，通过跟踪监测和精细实验，发现凸状微地形含氧量明显高于凹槽，从而使土壤表层通过硝化作用将更多的NH+4氧化成NO3-，最终影响土壤属性及其质量［10］。在半干旱黄土丘陵区，有学者发现不同微地形改造措施对土壤养分和生产力的影响存在较大差异［16］。

(2)微地形改造对周边小气候及其微生境有重要影响

通过实施不同的微地形改造技术，地表微高程、粗糙度、起伏度和覆盖方式都会发生某种程度变化，从而对热辐射接收、能量吸附、水热迁移和转化过程产生关键影响［3，12，15-17］。相应地，近地面温度、湿润度、风速、风向以及对太阳光的吸收和散射程度等都可能随之发生改变。而这些改变无疑会对地表凋落物的储存分解、微生物种群活性、土壤动物群落繁衍、种子萌发等诸多细微过程产生重要影响［18-20］。正缘于此，有学者认为微地形改造能够创造出许多不同的地表微生境和局地小气候，进而显著增加坡面微景观的异质性。而微环境的异质性会对生物群落的结构和功能产生重大影响［21，22］。因此，为了改善生态系统的微环境，国际上不少地区利用手工、挖掘机、车辙、圆盘式耙地等方法对下垫面进行改造，从而形成各式各样的微地形结构［23］。另外，不同微地形改造措施及其对周边小气候的影响特征在空间上具有高度异质性。如有学者发现低海拔处微地形的水分散失率和温度变异明显低于中高海拔地区［24］。这些研究对于现实中进行微地形改造和评估其生态影响具有重要的参考价值。

(3)微地形改造对降雨入渗和水蚀过程有重要影响

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、降低坡面漫流的连通性，从而显著提升降雨在坡面土壤中的保持能力［3，11，25］。在不同的降雨条件下，通过实施科学合理的微地形改造和整地措施，能够使20%到潜在的200%不等的降雨量就地入渗［9］。相对于平滑地面，微地形改造能够有效降低土壤颗粒物、水分含量和有机质的流出比例，并延长其汇流时间［7］。在云南干热河谷区，微地形改造后，雨后土壤水的消退过程明显减缓，水分在土壤中滞留的时间延长，从而更有利于植物吸收利用［26］。还有研究表明，不同微地形改造和整地措施如水平沟、鱼鳞坑和自然都坡地之间的土壤水分变化过程迥异，并呈现出明显的季节分异特征［27］。受降雨波动胁迫和影响，水平台、台间坡面和自然坡面之间的土壤水分存在较大差异，雨季时不同坡位土壤水分为台间坡面＞水平台＞自然坡面，而雨季时则为水平台＞台间坡面＞自然坡面;表明水平台改造不仅能够改善水分状况，更有利于抵御极端干旱，从而降低对气候波动的依赖［28］。陕北黄土高原连续9a的观测表明，修建有鱼鳞坑的林地，能够将58%—90%的地表径流量就地拦蓄，水平沟等微地形改造方式则可以分别减少25.7%—40.5%的径流量和33.7%—56.1%的侵蚀量，而这种雨水拦蓄能力的浮动范围主要取决于降雨强度及其历时［29］。在山东泰安丘陵山地，内倾角为5度和10度的反坡台，能分别降低57.9%和89.8%的土壤流失、以及89.3%和95.9%的养分流失量［30］。因此，微地形改造对于有效促进地表径流向入渗转化、保障植被充分吸收利用水资源以及地貌、水文和生态系统的协同进化都发挥了重要影响，而这将为半干旱脆弱区生态系统管理和植被恢复提供宝贵启示［8］。

(4)微地形改造影响植被恢复效果及其生态服务功能

科学合理的微地形改造措施对于提高植被生产力、积累生物量和促进生态系统正向演替发挥着重要作用，这主要和实施改造措施后能有效降低水土养分的流失比率、改善地表微环境密切相关［13，31］。譬如，有学者发现，植被地上生物量与下垫面微地形结构及其坡面分布格局显著相关(R2=91%)，昭示着通过科学合理的微地形改造和整地，有目的塑造出各种微地形和集水区，进而促进植被恢复效果的充分发挥［10，23，32］。在黄土高原，坡改梯田会使生物量积累提高27%—53%［33］。在亚热带丘陵山地，与对照相比，合理的坡面整地措施可以将树高、胸径和蓄积量分别提高124%、130%和226%［34］。而良好的植被覆盖和正向演替则可以逐步改善土壤水肥条件、提高遏制水土流失的能力［35］。进一步的研究显示，坡面植被恢复状况与对应的生态功能、水文特性、生物多样性和碳沉降过程都有非常紧密的联系［9，36］。因此，有目的地开展微地形改造和整地措施，人为创造更为适宜的微生境，对于改善植被生长状况、遏制重点区域水土流失和土地退化态势、提高生态系统服务功能都有重要现实意义。

2 尚存在的突出问题

尽管微地形改造的生态环境效应研究已经取得重要进展，但总体而言，目前尚存在不少难点和困境亟待解决突破。这里面既涉及微地形本身的特点和改造方式、其空间尺度界定标准及量化技术等基础理论和技术问题，也有微地形改造影响生态环境效应的关键驱动和时空作用机制等重要科学问题。一方面，探讨微地形改造本身的科学界定标准和量化技术，有利于促进和深化机理研究及实践改良;另一方面，微地形改造的生态环境效应也需要在优化改造措施及其空间格局基础上更好地体现和发挥，而生态环境效应优劣又是评判和检验微地形改造措施是否科学合理的客观标准，以便于在具体恢复过程中給予维护或适时调整。

2.1 微地形改造的科学界定方法与分类标准有待系统化

科学合理的微地形改造界定方法，是开展进一步生态环境效应研究的基础和前提。截至目前，学术界尚未形成一套微地形改造的系统方法和理论体系。根据国内外文献记载，目前主要涉及两种划分方法和界定标准。(1)根据立地尺度上微地貌特征和土壤粗糙度的变异程度，结合实践中的具体目的而划分的一类微地形改造标准，其空间尺度一般远远小于1 m。这类微地形改造和整地措施以平原区的精耕农业为典型代表，已有的国内外研究还涵盖幼林栽培地、自然草地、各种湿地以及矿物开发恢复地等其他生态系统类型［9，12-13，15，23，37］;(2)直接以野外人工整地方式命名并开展的系统研究。其空间尺度灵活多变，主要受限或取决于微地形改造的实际需要并兼顾其多样性。类似的微地形改造措施很多，如黄土高原、云南干热河谷、西班牙地中海及其他类似地区修建的鱼鳞坑、反坡台、水平阶、水平沟、水平槽、各类梯田，以及沟道内的谷坊和淤地坝建设等，都属于大小不一和形状各异的微地形改造措施［2，16，26-28］。一般来讲，坡面上这些微地形改造和整地措施，其空间尺度大多在1 m范围内，但谷坊和沟谷淤地坝建设则会较大。通过这些措施的实施，有效起到了遏制侵蚀、改善生境和促进植被恢复的作用［1，38］。而造成微地形改造界定标准差异的原因较多。其中，微地形改造及其时空镶嵌结构本身的多样性及其复杂性是重要原因之一。研究者的知识背景、研究目标和研究侧重点的不同也可能成为重要原因。此外，不同生态系统类型对于微地形改造的实际要求以及不同地理单元和自然区域之间微地形的实际差异也是重要因素。譬如，对于湿地、农田、草地和森林等不同生态系统，其要求微地形改造所要达到的形状结构和发挥的服务功能存在较大差别［15，23，39］，而不同区域(如平原区、土石山区、高寒山地和丘陵沟壑区等)自然地貌和关键生态环境问题也存在显著差别。但毫无疑问，尽管目前微地形改造的界定方法在某种程度上有其研究的便利性和多样性，但这种多元分类手段，由于缺乏系统的理论体系和更为科学的标准，容易导致认识上的模糊和误区，从长远看并不利于有关研究的深化。

2.2 微地形改造实地量化技术有待进一步完善

定量刻画和量测微地形改造的时空特点及其分布格局，并将其与具体的生物地球化学过程有机耦合，对于揭示不同微地形改造措施的生态环境效应至关重要。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，同时又具有显著的时空异质性，致使其野外测算难度很大［6］。当前国内外研究中，主要存在现状调查、机械测定、光学成像以及三维激光扫描等4种典型实地勘测技术和数据采集量化方法［40-41］。其中，现状调查法属于最传统的方法，主要基于野外踏查和肉眼勾绘等基本方法，试图通过定性描述和半定量记录的方式勾勒、分析微地形的结构及其形状学特征。这种方法在过去技术设备不完备的条件下应用普遍，但对专业人员的地貌制图能力和经验判断要求很高，由于费时费力，已经难以满足大范围、高精度的采样要求。接触式机械测定法主要包括测针法、方格法、杆尺法和链条法等［42］，在早期的地形和微地貌量测中也有较多应用，主要通过测定地表糙度来反映微地貌特征。由于在具体测算过程中直接接触地表，对微地形结构有较大破坏，不利于后期生态环境效应的跟踪监测。光学成像法虽然成功克服了机械测定法对地表的破坏性，在快速取样方面也较为便捷，但由于固有的平面成像缺陷，难以实现立体式的微地形刻画模式，因而很难满足全面准确的微地形格局分析。激光扫描技术是目前正在发展的一项高新科技，也是测绘学领域的一次革命，是一种非接触式高速激光测量方式［43］。相对于其他方法，该方法具有精度高(可以毫米计)、分辨率强的明显优势，是较为理想的微地形量测和分析方法。早在90年代中期，就有学者发明了用于室内测定侵蚀和微地形的扫描系统，并认为在合适的照明条件下也可以适用于野外自然环境［41］。该项技术由于成本较高，目前尚未得到普及，但应用前景十分广阔。同时，如何将三维激光扫描技术应用于野外大尺度的实地监测和量化分析，并将其与具体的生态过程有机耦合，也是当前需要重点解决的关键问题。目前微地形定量刻画主要采用数字高程建模、分形理论和神经智能网络等基本方法［43-44］。

2.3 微地形改造的地表水文效应研究有待加强

微地形改造普遍存在于不同生态系统类型区，种类多样且复杂多变。但系统梳理国内外文献，发现除了在计算地表粗糙系数时将微地形作为参数外，直接将微地形改造和水文效应有机联系的定量研究并不多见［8，19］。加之不同尺度植被特征对水文过程存在显著影响，使得这一问题更趋复杂［45-46］。正因为此，国内外有关微地形改造影响水文过程的结论并不一致。譬如，在西班牙，自然陡坡改造成水平梯田后，由于没有实施合适的地埂措施，年均土壤流失量不仅没有减少，反而增加了26.5%，土壤水分也有不同程度下降［47］。当水平台的台间坡地超过一定坡度时，受雨水冲刷而发生坍塌损毁的风险剧增，平均径流系数将增加6%—31%，而其值主要取决于雨强及其侵蚀力［48］。同样的问题存在于中国的黄土高原。在陕北延安，陡峭的水平阶间坡面容易崩毁，从而诱发更为严重的水土流失［49］。而现实中，由于缺乏精细设计和技术指导，却又不受任何环境立法的制约，导致微地形改造和陡坡地水平化的处理极为随意，其直接后果是构建了大范围并不稳定的人工系统，并被忧虑会进一步加剧土壤侵蚀和环境退化［50］。具体来看，不同微地形改造方式(如形状结构、坡面曲率、汇水面积及其分布等)在土壤水分衰减、降水入渗、植被蒸发散、地表径流、壤中流及侵蚀过程中发挥何种作用，其作用有何异同;微地形改造后的时空镶嵌结构和分布格局如何影响地表水文过程，反过来，这些过程又会对微地形改造及其镶嵌体变化产生什么样的影响?在植被以及其他人工干预措施的综合影响下，微地形对水文过程的贡献率究竟如何?类似问题都需要通过强化基础研究给予解答。

2.4 微地形改造影响植被恢复的机理不明

截至目前，微地形改造对植被群落动态与分布格局的影响研究较少，植被恢复对不同时空尺度微地形改造方式和累积效应的响应机制不明。尽管国内外有限的研究已经表明微地形改造所创造的生境异质性对植被生长发育起着重要作用，但很难精确回答到底发挥多大程度的影响，尤其是在有其他自然因子和人为干扰介入的条件下。同时，有关人工创造的微地形如何影响引种植被的种群分布、群落动态和格局建成尚不清楚［10，20］。以我国黄土高原为例，尽管大规模植被建设和整地方式创造了复杂多样的微地形和小生境，但目前研究多集中在微地形改造对土壤质量的影响上，微地形改造影响植被生长动态及其分布格局的机理研究亟需补充和加强［2，16，28］。其次，微地形改造在诸多生物地球化学循环过程的作用研究有待强化和深入。譬如，不同微地形改造措施到底在土壤属性改良过程中发挥何种作用，这种作用在不同时空尺度上和不同区域有何变化?另外，土壤种子库和种子雨过程对于植被恢复和格局分布有较大影响，微地形改造在这些种子储存和运动变化过程中发挥什么样的作用，目前仍是一个科学谜团［51-52］。从较长的时间尺度出发，微地形改造在植被恢复过程的不同时期(前期、中期和后期)的作用有何异同?类似问题对于植被恢复的成效至关重要，应该在以后的研究中给予重点关注［53］。由于区域差异性和影响因素的多样性，定量对比不同微地形改造措施的生态环境效应难度加大，导致理论和实践中不清楚如何从空间上优化微地形改造措施的空间组合及其配置结构，以提高生态服务的供给能力［53-54］。同时，从区域尺度看，大范围复杂多样的微地形改造措施所带来的累积效应不明，而目前尚没有科学可行的推算方法和定量评估手段。此外，全球气候变化背景下，在不少干旱和半干旱区，暖干化趋势呈进一步加重态势，极端气候和水文事件对地表生境与植被恢复的危害日渐增加而不容忽视，而微地形改造在减缓立地条件恶化、降低灾害对植被恢复的影响方面能发挥多大作用，这种作用随不同时空尺度的推演是否存在一定的增减规律?凡此种种，许多重要科学问题和相关研究都亟待加强与深化。

3 结语

本文综述了微地形改造的生态环境效应相关研究进展，并指出了当前存在的突出问题和研究难点。总体而言，微地形改造及其效应研究是一个古老而崭新的科学命题。说其古老，是因为长期以来，在很多生态系统类型区的历史实践中，微地形改造技术已经广泛存在，用于有目的改善立地条件和生态环境质量。说其崭新，是因为截至目前，很多涉及微地形改造及其生态环境效应的研究仍然很不系统、很不深入，相关基础研究依旧严重滞后于实际需求。进一步发展和优化微地形改造技术，则是当前生态恢复和水土资源保持领域亟待解决的科学问题。鉴于此，建议今后重点围绕以下关键点，寻求突破，促进相关学科深入发展。

(1)加强微地形改造的分类体系和野外测定技术研发，发展基于微地形改造的结构特征和功能分异量化方法。同时，科学设计实验方案，开展野外长期定位监测研究，依托先进设备和手段，跟踪监测其动态特征，以深入探讨不同尺度微地形改造与生态系统间的内在关系，特别是要搞清楚生态恢复前、中、后等不同时期微地形改造作用的异同。在此基础上，制定出适用于不同地区和治理目标的微地形改造技术导则，完善野外微地形数据采集和室内刻画分析等一整套的技术方法，为科学评估、筛选和优化微地形改造技术提供依据。

(2)鉴于微地形改造对土壤、植被和地表水文过程有复杂影响，而且这种影响还具有显著的尺度效应。因此，要强化不同时空尺度微地形改造的生态水文效应研究。重点关注微地形改造措施对土壤属性和微生境、对水平方向上的水土流失和养分迁移、以及对垂直方向上的降雨入渗-土壤水分-植被拦蓄过程的综合影响。基于长期监测数据和水量平衡原理，构建微地形改造措施-土壤属性-植被恢复水文效应之间的定量关系表达，以揭示微地形改造的作用机理，服务重点区域水土保持、生境改良和植被恢复的客观需求。

(3)鉴于当前全球变化对区域生态环境的影响趋于增强，需要密切关注气候变化背景下，不同尺度微地形改造方式在降低下垫面对气候和环境因子变化敏感性、遏制土壤退化和水土流失、保障生境健康适宜及促进植被恢复中的重要作用。重点关注微地形改造措施在抵御极端干旱、暴雨、高温、寒害及病虫害等不良事件对生态系统影响方面的能力，筛选和研发适应气候变化的下垫面关键改造技术，为最终实现生态环境良性运转提供科技支撑。

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