迄今为止，水土流失仍是影响我国生态环境的重大问题。云南多山坡陡的地貌特征致使农业用地以坡耕地为主，水土流失严重。2015年云南省土壤侵蚀面积为10.47万km²，占全省土地面积的27.33%，全省年均土壤流失总量48 143万t^[1]。大量的水土流失不仅淤积河道产生洪涝灾害，还导致土地生产力下降；径流泥沙中的养分流失还会形成面源污染，导致水体富营养化^[2]。

林下经济是依托林地的土地资源以及林荫空间，在林冠下充分开展林业和农业的一种双项复合式经营^[3]。根据云南省森林资源清查第9次复查，云南省土地总面积3 826.44万hm²，其中林地面积2 599.44万hm²，覆盖率67.93%。云南拥有丰富的森林资源，林下小气候适宜多种中草药的生长。学者分析全球三七(Panax notoginseng)产地的环境因素得出中国是三七最适合产地，同时云南是中国境内最适合的产区^[4]，然而由于三七种植存在严重的连作障碍，且大田种植降低了三七的药效。为解决三七的连作障碍和提高三七的药效，我国科学家提出林下三七种植模式。林下三七种植是利用林下生物间“相生相克”和林下生态环境与三七对生长环境的需求相耦合的原理, 建立药效第一的药材种植模式^[5]。目前，林下三七主要是在松树(Pinus)林下种植，松树天然挥发性物质中具有大量的活性物质，不仅能够抑制三七病原菌、趋避害虫吸引天敌，还能够促进三七生长及诱导其抗病性^[5-6]。对于林下三七的大量研究均为提高三七产量与品质^[7]，而林下三七种植是否会对林地水土保持功能产生影响还未开展过系统研究。

目前，对于水土流失的研究多集中在坡耕地等农业用地上，坡度、降雨、耕作措施等因素对于坡耕地水土流失的影响已形成较为完善的研究体系。林地水土流失的研究也多为探究不同植被以及植被覆盖度，根系生长情况等因素对水土的固持作用^[8-9]，以及林下土壤侵蚀和降雨因子的响应^[10]。伴随着林下三七种植的迅速发展，大量人工林林下生态位得到充分利用，但是林下种植三七改变林地原有稳定的地形、植被结构以及土壤结构，从而可能对林地水土保持功能产影响。因此，开展林下三七种植对林地的水土流失影响研究，对于林地的可持续发展提供理论参考和数据支撑。

本研究试验点位于云南省临沧市临翔区博尚镇小道河林场(E 100°07′12″，N 23°45′40″)，属中山地区典型的亚热带气候类型，多年平均气温17.2 ℃，多年平均降水量为1 164 mm。植被为云南松(Pinus yunnanensis)人工林，郁闭度0.7，平均树高17.5 m，平均胸径27 cm，研究区的土壤类型为黄壤。

在三七种植过程中整地包括林地除杂、翻耕、起垄以及排水沟设置。三七在林外集中育苗1 a后，运输至林下种植基地按株行距10~15 cm的规格在林下整地后的墒面进行移栽，移栽结束后进行松针覆盖，厚度为2.5 cm，此后减少扰动，枯落物通过林地自然凋落增加。通常三七在林下种植年限为2 a。

试验共设3种处理：自然林地(CK)、种植三七2 a的林地(BP)、种植三七3 a的林地(TP)，3种处理分别设置5°、15°和20°坡度水平。每个处理下的坡度设2次重复，共设野外观测径流小区18个，用于产流、产沙观测。观测时间为2022年雨季(6—11月)，观测期间内的降雨特征，在每次降雨后对产流量与产沙量进行观测。并于雨季前采集土壤样品，对不同处理的地表枯落物储量及土壤理化性质进行测定。

降雨量数据利用自记式雨量计(美国，Onset HOBO RG 3- M)进行记录，在雨季结束后对监测数据进行读取，获取降雨特征数据，并按降雨累计曲线计算5、10、30和60 min最大降雨强度(分别为I₅、I₁₀、I₃₀和I₆₀)以及平均降雨强度(I_m)。在次降雨产流结束后，及时前往样地采样，次产流量采用五点法在径流池内使用水尺测量水的深度；再将径流池内径流泥沙充分搅拌均匀后，用0.625 L采集瓶采集径流水样，带回实验室后采用烘干法测定泥沙质量分数。根据径流池水深换算径流深和产流量，再结合样品泥沙质量分数计算产沙量。

参照GB/T 33027—2016《森林生态系统长期定位观测方法》对本研究所需物理指标进行测定，地表枯落物储量采用样方法测定；土壤密度、总孔隙度采用环刀法测定，土壤有机质采用重铬酸钾外加热容量法^[11]测定。

1) 坡面土壤入渗率。根据水量平衡方程^[12]

式中：I为坡面土壤入渗率，mm/min；P_r为降雨量，mm；θ为坡面的坡度，(°)；R为次降雨坡面径流深度，mm；t为降雨历时，min。

2) 降雨侵蚀力。采用吴光艳等^[13]提出的次降雨量估算模型来计算降雨侵蚀力。

式中：E为降雨侵蚀力，MJ ·mm/(hm² ·h)；E_C为自然降雨的动能，MJ/hm²；e为次降雨降雨动能，MJ/(hm² ·mm)；I₃₀为一次降雨最大30 min降雨量，mm/h；P_r为该时段降雨量，mm；i为某降雨强度较为平均的降雨时段的降雨强度，mm/h。

试验数据采用Excel进行初步整理，利用SPSS 26.0对数据进行具体分析，采用单因素方差分析对不同处理不同坡度条件下坡面产流产沙情况进行差异显著性检验，利用Pearson相关性分析法对降雨特征和土壤理化性质与坡面产流、产沙进行相关性检验。并使用Origin 2021绘制图表。

研究区2022年6—11月侵蚀性降雨共14场(图 1)，总降雨量为1 220.2 mm，占全年降雨量的88.75%，降雨侵蚀力6 643.47 MJ ·mm/(hm²·h)。I₅范围为19.2~117.6 mm/h，I₁₀范围为19.2~99.6 mm/h，I₃₀范围为4.0~51.6 mm/h，I₆₀范围为3.4~25.6 mm/h，I_m范围为2.3~10.5 mm/h，降雨侵蚀力范围为28.04~1 213.25 MJ·mm/(hm²·h)。观测期间最大次降雨发生在8月30日，降雨量145.4 mm，历时1 753.49 min，降雨侵蚀力为1 213.25 MJ·mm/(hm²·h)。

图 1(Fig. 1)

Ra：降雨量；Rd：降雨历时；E：降雨侵蚀力；I5：5 min最大降雨强度；I10：10 min最大降雨强度；I30：30 min最大降雨强度；I60：60 min最大降雨强度；Im：平均降雨强度。 Ra: rainfall; Rd: rainfall duration; E: rainfall erosivity; I5: maximum rainfall intensity in 5 min; I10: maximum rainfall intensity in 10 min; I30: maximum rainfall intensity in 30 min; I60: maximum rainfall intensity in 60 min; Im: mean rainfall intensity. 图 1 研究区降雨特征 Fig. 1 Rainfall characteristics in the study area

对照自然林地和三七种植林地，地表枯落物储量及土壤理化性质差异显著(表 1)。自然林地枯落物储量为1 568.43 g/m²，显著高于种植三七林地(P < 0.05)，分别是种植2年生和3年生三七林地的3.19倍和1.86倍；自然林地土壤有机质质量分数、土壤密度、总孔隙度分别为70.83 g/kg、1.25 g/cm³、7.71%，与种植2年生和3年生三七林地之间差异显著(P < 0.05)，而种植2年生和3年生三七林地无显著差异；自然林地、种植2年生和3年生三七林地土壤入渗率差异显著(P < 0.05)，其土壤入渗率分别为7.71%、7.10%和7.47%。

表 1(Tab. 1)

表 1 三七种植林地枯落物储量及土壤基本理化性质 Tab. 1 Litter storage and soil basic physical and chemical properties of Panax notoginseng plantation forest land 处理 Treatment 枯落物储量 Litter storage/(g·m-2) 土壤有机质 Soil organic matter content/(g·kg-1) 土壤密度 Soil bulk density/(g·cm-3) 总孔隙度 Total porosity/% 入渗率 Infiltration rate/% CK 1 568.43±62.13 A 70.83±4.43 A 1.25±0.14 B 54.34±4.21 A 7.71±0.40 A BP 492.12±23.43 C 30.23±4.02 B 1.40±0.09 A 42.45±1.67 B 7.10±0.37 C TP 843.24±32.14 B 35.35±3.18 B 1.37±0.13 A 46.87±3.40 B 7.47±0.38 B 注：BP为种植2年生三七林地，TP为种植3年生三七林地，CK为自然林地，下同；表中数据为平均值±标准差，不同大写字母表示处理之间显著性差异(P < 0.05)。Notes: BP refers to 2-year-old Panax notoginseng plantation forest, TP refers to 3-year-old Panax notoginseng plantation forest, and CK refers to natural forest. The same below. Data in the table are mean ± standard deviation, and different capital letters indicate significant differences between treatments(P < 0.05).

表 1 三七种植林地枯落物储量及土壤基本理化性质 Tab. 1 Litter storage and soil basic physical and chemical properties of Panax notoginseng plantation forest land

不同处理次降雨条件下产流量、产沙量特征见图 2a和2b。次降雨条件下不同坡度自然林地和种植三七林地产流量和产沙量均以种植2年生三七林地最大，其次为种植3年生三七林地，自然林地最小。不同坡度条件下，5°、15°和20°种植三七林地平均产沙量分别为8.72、10.77和12.78 mm，分别比自然林地高45.25%、66.10%和79.19%；5°、15°和20°种植三七林地平均产沙量为1.52、1.99和2.40 t/km²，分别比对照自然林地高169.64%、135.09%和148.05%。

图 2(Fig. 2)

同一指标相同字母表示没有显著性差异(P>0.05)，不同大写字母表示处理之间显著性差异(P < 0.05)，不同小写字母表示坡度之间差异性显著(P < 0.05)。 The same letter of the same index indicates no significant difference(P>0.05), different capital letters indicates significant difference between treatments(P < 0.05), and different lowercase letters indicate significant difference between slopes(P < 0.05). 图 2 种植三七林地次降雨和年产流、产沙特征 Fig. 2 Characteristics of event rainfall, annual runoff and sediment yield in the forestland with Panax notoginseng cultivation

2022年研究区降雨88.75%集中在6—11月，因此可用雨季产流量、产沙量代表年流失量，2022年种植三七林地年产流量、产沙量见图 2c和2d。同一坡度条件下，种植三七林地年产流量和产沙量显著高于自然林地(P < 0.05)，且随着坡度的增加，年产流量和产沙量呈增加的趋势。不同坡度种植三七林地平均年产流量和产沙量分别为150.59 mm和27.6 t/(km² ·a)，分别比对照自然林地高64.48%和148.56%。不同坡度年产流量和产沙量，以20°坡面最大，分别为233.66 mm和36.76 t/(km² ·a)。

次降雨条件下产流量、产沙量和坡度关系见图 3。产流量、产沙量与坡度呈指数函数关系，其模型为：y=ae^bx，式中，x为坡度，y分别为次产流量和产沙量，a、b为模型系数。由图 3可知，产流量、产沙量与坡度回归模型R²>0.93，产流量和产沙量随着坡度的增加呈指数增长。

图 3(Fig. 3)

图 3 种植三七林地坡度与降雨产流量、产沙量的关系 Fig. 3 Relationship between slope and rainfall, runoff and sediment yield in forestland with Panax notoginseng cultivation

种植三七林地次产流量和产沙量与降雨特征指标、枯落物储量以及土壤基本理化性质相关性分析见表 2。产流量和产沙量与土壤密度呈显著(P < 0.01)正相关关系，而与枯落物储量、总孔隙度和入渗率呈显著(P < 0.01)负相关关系。产流量和产沙量与降雨量、I₅、I₁₀、I₃₀、I₆₀和降雨侵蚀力均呈极显著(P < 0.01)正相关关系，而与I_m无显著相关关系。次产流量、产沙量与降雨量和降雨侵蚀力相关性最大。为了进一步分析降雨特征和产流产沙的关系，本研究对不同处理的降雨量、降雨侵蚀力与次产流量和产沙量进行回归分析，结果见表 3。降雨量、降雨侵蚀力与产流量和产沙量均呈显著(P < 0.01)线性关系，即：y=ax+b，式中，x分别为降雨量和降雨侵蚀力，y分别为次产流量和产沙量，降雨量- 产流量、产沙量回归方程R²>0.55；降雨侵蚀力- 产流量、产沙量回归方程R²>0.32。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同处理产流量、产沙量和降雨特征、枯落物储量以及土壤理化性质的相关性(n=28) Tab. 2 Correlation of runoff yield, sediment yield and rainfall characteristics, litter storage and soil physical and chemical properties under different treatments(n=28) 因子类别 Category of factor 因子 Factor 产流量 Runoff 产沙量 Sediment yield 降雨特征因子 Rainfall characteristic factor 降雨量 Rainfall 0.622** 0.567** E 0.480** 0.442** I5 0.446** 0.402** I10 0.439** 0.404** I30 0.307** 0.269** I60 0.264** 0.224** Im -0.010 -0.031 枯落物储量及土壤理化因子 Litter storage and soil physical and chemical factors 枯落物储量 Litter storage -0.505** -0.658** 土壤有机质质量分数 Soil organic matter content -0.473** -0.655** 土壤密度 Soil bulk density 0.487** 0.659** 总孔隙度 Total porosity -0.510** -0.655** 入渗率 Infiltration rate -0.515** -0.614** 注：*表示在P < 0.05水平(双侧)上显著相关，**表示在P < 0.01水平(双侧)上显著相关。Notes: * indicates significant association at the P < 0.05 level (two-sided) and ** indicates significant association at the P < 0.01 level (two-sided).

表 2 不同处理产流量、产沙量和降雨特征、枯落物储量以及土壤理化性质的相关性(n=28) Tab. 2 Correlation of runoff yield, sediment yield and rainfall characteristics, litter storage and soil physical and chemical properties under different treatments(n=28)

表 3(Tab. 3)

表 3 不同处理产流、产沙量与降雨特征之间的回归方程(n=28) Tab. 3 Regression equations between runoff, sediment and rainfall characteristics under different treatments(n=28) 降雨特征 Rainfall characteristic 处理 Treatment 产流量回归方程 Regression equation of runoff 产沙量回归方程 Regression equation of sediment BP y=0.142 0x+0.309 3 R2=0.557 y=0.018 5x+0.651 6 R2=0.638 降雨量 Rainfall TP y=0.080 1x++1.849 6 R2=0.877 y=0.022 2x+-0.249 2 R2=0.684 CK y=0.071 3x++0.320 9 R2=0.773 y=0.011 3x+-0.195 3 R2=0.706 BP y=0.009 8x++8.029 4 R2=0.321 y=0.001 3x++1.623 5 R2=0.407 降雨侵蚀力 Rainfall erosivity TP y=0.005 6x++6.173 3 R2=0.516 y=0.001 5x++0.950 8 R2=0.399 CK y=0.005 2x++4.070 9 R2=0.496 y=0.000 8x++0.410 9 R2=0.429 注：x分别为降雨量和降雨侵蚀力，y分别为次产流量和产沙量。产流量和产沙量均与降雨量降雨侵蚀力呈正相关关系(P＜0.01)。 Notes: x is rainfall and rainfall erosivity, and y is event runoff depth and sediment yield, respectively. Runoff and sediment yield are positively correlated with rainfall erosivity (P < 0.01).

表 3 不同处理产流、产沙量与降雨特征之间的回归方程(n=28) Tab. 3 Regression equations between runoff, sediment and rainfall characteristics under different treatments(n=28)

降雨是土壤侵蚀的主要驱动力，短历时强降雨强度也是影响产流产沙的关键因子^[14-15]。本研究发现种植三七林地产流量和产沙量与降雨量、降雨侵蚀力相关性最好，其次为I₅和I₁₀(表 2)。在相同下垫面条件下，降雨量越大，汇集于坡面而形成的产流量越大，在重力作用下径流向坡下冲刷，产沙量增加^[16]。降雨侵蚀力是综合性降雨特征指标，作为通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation)的重要参数之一，能全面的反映降雨特征对产流产沙的影响^[17]。降雨侵蚀力与产流、产沙量呈显著正相关关系。短历时大降雨强度的降雨，对土壤表面强烈的溅蚀作用会堵塞地表土壤孔隙、减少降雨入渗、增加超渗产流，从而加剧坡面土壤流失^[10]。此外土壤结构性、地表覆盖和入渗性能也是影响产流产沙的主要因素^[18]。土壤有机质是促使土壤结构性形成的重要条件之一^[19]，土壤结构性越好，土壤密度越小，总孔隙度越大，入渗能力越强，通过土壤孔隙入渗的降雨增加，从而较少了产流量；结构性好的土壤，具有较强的土壤抗蚀能。地表枯落物具有一定的吸水性，枯落物覆盖能够提高地表糙率，减缓径流流速，增加入渗时间，从而增加坡面入渗量，减少地表产流量，枯落物还可以减弱降雨对地面的溅蚀作用^[20]，减小降雨对地表土壤结构的破坏，从而减少产沙量。

坡度作为反映地形条件的主要指标，也是影响坡面产流产沙的主要因素，坡度与产流、产沙量具有一定的正相关关系^[21]。本研究发现，种植三七林地坡度与产流量和产沙量呈指数函数关系，产流、产沙量随着坡度的增加而增加，20°和15°坡面年产流量和年产沙量比5°坡面分别增加39.49%、19.63%和60.26%、33.70%(图 3)。随着坡度的增大，径流沿斜面向下的分力增加，加快径流的流速，缩短径流的入渗时间导致入渗量减少^[22]，产流量增加；另外，产流量和流速的增加，使径流对土体冲刷能力增强，被侵蚀的土壤增加，从而导致产沙量增加。

林下种植三七对林地产流产沙产生显著影响，主要是因为地表覆盖、土壤结构和渗透性对产流产沙的影响^[18-19]。在不同坡度条件下，种植三七林地年均产流量和产沙量分别为150.59 mm和27.60 t/(km² ·a)，比自然林地增加64.48%和148.56%(图 2)。一方面由林下种植过程中林地清理和整地，减少地面枯落物储量(表 1)，从而使产流量和产沙量显著增加；另一方面，种植过程中整地工作，破坏了林地原有的土壤结构，整地使土壤变得松散，易被侵蚀，而且垄间排水沟由于管理过程中人为踩踏，使得其土壤密度增大，总孔隙度减小，入渗率减小(表 1)，地表径流增大。此外，在强降雨下，较高的种植垄可能会坍塌造成更大的土壤侵蚀^[22]。

不同种植年限的三七林地产流量和产沙量也存在差异，主要是因为枯落物和土壤结构对产流产沙的影响。种植2年生三七林地年产流量和年产沙量相比种植3年生三七林地分别增加43.64%和34.43%。一方面是因为种植3年生三七林地相对于种植2年生三七林地枯落物储量增加71.35%(表 1)。另一方面种植3年生三七林地土壤结构在整地后逐渐恢复，有机质质量分数、总孔隙度和入渗率相对于种植2年生三七林地分别增加16.94%、10.41%、5.21%(表 1)。三七移栽至林下时为提高产量而合理密植，在2年生长期内盖度为65%~75%，盖度变化较小，因此植株生长差异对产流产沙影响较小。

虽然种植三七林地的产沙量显著高于自然林地，然而即使在种植2年生三七林地20°坡面产沙量最大，也仅为36.76 t/(km² ·a)，仍属于微度侵蚀，其产沙量远低于西南土石山区容许产沙量500 t/(km² ·a)。这是因为种植林下三七对水土流失的影响并不都是不利影响，林下种植三七过程等高沟垄耕作以及松针覆盖在一定程度上减小了产流量和产沙量^{[20, 23]}。

1) 种植三七显著增加林地的产流量和产沙量，种植三七林地年产流量和产沙量比自然林地分别增加64.48%和148.56%；不同种植年限三七林地水土流失量也有一定差异，2年生种植三七林地年产流量和产沙量比3年生种植三七林地高43.64%和34.43%。

2) 不同坡度条件下种植三七林地产流、产沙量均随坡度的增加而增加，种植三七林地次产流量、产沙量与坡度之间具有较好的指数函数关系(R²>0.93，P < 0.05)。

3) 种植三七林地次产流量、产沙量与降雨特征之间具有显著相关关系，不同处理的产流量和产沙量与降雨量和降雨侵蚀力呈线性正相关关系(R²>0.32，P < 0.01)；种植三七林地产流量和产沙量与枯落物储量、有机质质量分数、总孔隙度以及入渗率之间呈显著正相关关系，而与土壤密度呈显著负相关关系。