随着人类活动对自然环境的影响不断加深，以及对森林资源需求持续增长，南方红壤丘陵区的林地面临严峻的土壤侵蚀挑战。因此，有效防控林地内的土壤侵蚀显得尤为重要^[1]。目前，关于水土流失的研究大多集中在农业用地，如坡耕地，形成相对完善的研究体系^[2-4]。针对林地内土壤侵蚀现状的研究尚显不足，国内外学者大多从林地类型、覆盖度、管理措施到栽植密度等方面展开阐述。如朱元皓^[5]研究表明，不同林地坡面抗蚀性存在差异，具体表现为：茶园＞针阔混交林＞脐橙林＞竹林＞荒地。Zhang等^[6]通过模拟乔木和灌木物种在西北干旱地区的长期变化，推导出最佳植被覆盖率，以控制土壤侵蚀。Razafindrabe等^[7]的研究则表明，森林管理可以通过调节林分密度减少土壤流失量。另外，李小倩等^[8]则通过对比不同密度的黑松林对土壤侵蚀的影响，表明2 000株/hm²的黑松林减蚀效果最显著。

樟(Cinnamomum camphora)作为南方红壤区常绿乔木树种，在日用化工和医药上有广泛的应用。根据其精油主要成分的不同，将富含芳樟醇的樟树称为芳樟，以其为香料原料林通常采用矮林作业模式，1年平茬1次或2年平茬3次。这种管理方式技术简单，能快速恢复成林，能在短时间内提供林产品用于化工原料，满足市场对芳樟醇型樟油的需求^[9]。在生态效益方面，香樟林下枯落物对坡面产流产沙有显著的减少作用^[10]；因此，栽植芳樟矮林不仅可以获得经济效益，还具有防治水土流失的作用。然而，目前国内外对樟树与土壤侵蚀特征的研究较少。

为深入研究樟树对土壤侵蚀特征的影响，笔者以芳樟矮林为研究对象，比较不同栽植密度下坡面细沟的形态特征差异，利用无人机摄影测量技术分析其栽植密度、坡度与细沟侵蚀之间的定量关系，旨在为芳樟矮林生长初期的种植管理和预防红壤坡面水土流失提供科学参考。

研究区位于南昌工程学院校内生态科技园(E 116°03′41.18″，N 28°69′30.34″)，属于亚热带湿润季风气候，日照与降雨充足。多年平均日照时间在1 680~1 800 h，日照率为40%左右，多年平均降雨量为1 500~1 700 mm，一年中降雨时间达140~150 d，年相对湿度为78%。一年中春秋季短，冬夏季长，且最高气温可达到40 ℃，最低气温可达到-9.5 ℃，多年平均气温17~18 ℃，为典型的冬冷夏热地区。试验区土壤类型为南方典型赤红壤土，质地较黏重，土壤母质为第四纪红黏土。土壤pH5.8，土壤密度1.0~1.4/(g·cm^-3)，全氮质量分数2.1/(g·kg^-1)，全磷质量分数0.8/(g·kg^-1)。

本研究设置3个不同坡度5°(S1)、10°(S2)和15°(S3)，且坡向相同均为阳坡的标准径流小区(长20 m和宽5 m)，芳樟矮林的栽植密度分别为1.5 m× 1.5 m(D1)、1.0 m×1.5 m(D2)和1.0 m×1.0 m(D3)，共9个处理(图 1)。供试芳樟矮林幼苗品种为“赣芳1号”，为1年生扦插苗，于2023年2月25日栽植，布设横坡种植方式，生长期间不施加肥料，仅人工除草，供水方式为天然降雨，其余田间管理措施均按当地习惯进行。同年10月28日刈割，历时8个月，期间累积降雨量为251.3 mm。

图 1(Fig. 1)

图 1 坡面芳樟矮林栽植密度布设示意图 Fig. 1 Arrangement of planting density of Cinnamomum camphor in dwarf forest on slope

细沟数据在刈割后立即对裸露的径流小区进行航拍获取。同时，为避免刈割过程中坡面细沟受人为影响，试验设计合理流程和人员行走路线，以减少对坡面细沟的直接接触，并在刈割前用卷尺实地测量坡面细沟形态，后期可与无人机测量数据矫正。

采用DJI M300 RTK型无人机(深圳市大疆创新科技有限公司)进行航拍，根据试验地范围规划飞行航线，并在每个径流小区水泥挡墙角点及坡上设置标靶，用于后期影像拼接与矫正，无人机飞行高度为30 m，速度2.5 m/s，设定自动捕捉，航向和旁向的重叠率分别为75%和65%。垂直坡面以及水平面各飞1次。

将航拍影像导入软件Agisoft PhotoScan Professional中，通过对影像进行拼接、矫正、识别，生成密集点云、去除无效点云，从而获取试验小区的数字高程模型(digital elevation model, DEM)。再导入ArcGIS 10.8软件中提取坡面细沟长度、宽度与深度，用来分析坡面细沟侵蚀情况及形态分布。

笔者通过提取坡面细沟的长度、宽度和深度，用以表征细沟几何特征，并选取细沟的其余衍生参数，如细沟密度^[11]、割裂度^[11]、复杂度^[11]、宽深比^[11]和体积^[12]，用来表征细沟形态特征。坡面侵蚀量采用容积法进行计算，即细沟体积与土壤密度的乘积^[13]。

采用SPSS 26.0进行数据分析，对不同条件下细沟形态特征指标变量进行差异显著性检验；利用origin 2021进行绘图。

研究中发现，增加栽植密度从D1到D3时，不同坡度下细沟的平均沟长、沟宽与沟深分别减少29.8%、30.1%、21.05%(表 1)。特别是在D3栽植密度下，细沟的平均沟长、沟宽与沟深相较于D1分别减少0.34、0.19、0.31倍，表明高栽植密度条件下，沟长与沟深更易受影响。此外，随着芳樟矮林栽植密度的增加，坡面植被覆盖度增加，有效阻止细沟的延长和下切发展(图 2)。当坡度从S1增至S3时，不同栽植密度条件下，细沟的平均沟长、沟宽与沟深分别增加158.3%、116.7%、139.55%。尤其是在S3坡度下，相较于S1，细沟的平均沟长、沟宽与沟深增加1.24、0.77、1.91倍，表明高坡度条件下，沟深增加的幅度远大于沟长和沟宽，沟深受坡度影响最为显著。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同栽植密度及坡度下细沟几何特征值对比 Tab. 1 Comparison of rill geometric feature indexes under different planting densities and slopes 坡度 Slope/(°) 栽植密度 Density of planting 细沟几何特征 Rill geometric feature index 长度 Length/m 宽度 Width/cm 深度 Depth/cm 最大值 Max 最小值 Min 均值 Mean 最大值 Max 最小值 Min 均值 Mean 最大值 Max 最小值 Min 均值 Mean D1 8.8 6.2 7.6±0.9 9.2 6.3 8.5±1.5 4.5 2.1 2.7±0.5 S1 D2 6.6 5.0 6.0±0.7 7.7 5.5 7.2±0.7 3.1 2.2 2.3±0.3 D3 5.0 4.4 4.7±0.3 7.4 5.4 6.6±0.4 2.2 1.8 2.1±0.2 D1 15.2 9.9 12.7±2.1 15.4 8.1 11.8±2.3 6.8 4.1 5.0±1.0 S2 D2 12.4 8.4 11.3±1.4 13.2 7.9 10.2±1.6 5.1 3.1 4.1±0.6 D3 8.6 7.0 7.8±0.7 10.1 8.3 8.6±0.7 4.1 3.1 3.2±0.4 D1 19.5 9.4 14.5±3.5 21.9 10.5 14.3±4.0 11.1 6.2 8.8±2.3 S3 D2 18.7 10.9 13.3±2.9 18.4 8.4 13.0±2.9 7.9 2.8 6.1±1.4 D3 16.9 9.2 12.4±2.4 17.1 8.6 12.8±2.7 7.1 4.4 6.0±0.8 注：S1：5°；S2：10°；S3：15°；D1：1.5 m×1.5 m、D2：1.0 m×1.5 m、D3：1.0 m×1.0 m。 Notes: S1: 5°; S2: 10°; S3: 15°. D1: 1.5 m×1.5 m. D2: 1.0 m×1.5 m. D3: 1.0 m×1.0 m.

表 1 不同栽植密度及坡度下细沟几何特征值对比 Tab. 1 Comparison of rill geometric feature indexes under different planting densities and slopes

图 2(Fig. 2)

图 2 不同处理下植被盖度差异 Fig. 2 Difference in vegetation coverages under different treatments

笔者还发现，在不同坡度条件下，D3栽植密度能够有效阻止细沟的发育，但对各小区坡面侵蚀的防控效果存在差异。例如，S1坡度下，相较于D1与D2，D3栽植密度使细沟长度、宽度、深度平均减少30.2%、24.9%、22.2%；S2坡度下，减少24.5%、17.7%、25.6%；S3坡度下，减少10.1%、8.7%、27.5%。因此，在S1坡度下改变栽植密度以阻碍细沟进一步发展效果最佳，其次是S2坡度，S3坡度下效果较差。

本试验条件下，细沟密度、复杂度、割裂度、体积与宽深比的变化范围分别为0.19~1.48/(m ·m^-2)、1.01~1.42、0.01~0.23、0.06~1.70 m³、1.63~3.25(表 2)。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同栽植密度及坡度下细沟形态特征值对比 Tab. 2 Comparison of rill morphological characteristics under different planting densities and slopes 坡度 Slope/(°) 栽植密度 Density of planting 细沟形态特征指标 Rill morphological characteristics index 细沟密度 Rill density/(m·m-2) 细沟复杂度 Rill complexity c 细沟割裂度 Rill cleavage degree μ 细沟体积 Rill volume/m3 细沟宽深比 Rill width-depth ratio RWD D1 0.31 1.04 0.03 0.06 3.08 S1 D2 0.24 1.03 0.02 0.03 3.14 D3 0.19 1.01 0.01 0.02 3.25 D1 0.75 1.11 0.09 0.41 2.36 S2 D2 0.67 1.09 0.07 0.26 2.49 D3 0.31 1.05 0.03 0.16 2.69 D1 1.48 1.42 0.23 1.70 1.63 S3 D2 1.22 1.36 0.17 1.12 1.91 D3 0.93 1.25 0.14 0.78 2.13

表 2 不同栽植密度及坡度下细沟形态特征值对比 Tab. 2 Comparison of rill morphological characteristics under different planting densities and slopes

通过对比各小区坡面细沟的形态特征参数，发现在不同坡度条件下，随栽植密度从D1增至D3，细沟宽深比呈增加趋势，平均增加率为7.5%。这表明细沟更倾向于侧向侵蚀，同时细沟密度、复杂度、割裂度和体积则呈现减少趋势，平均减少率分别为24.7%、3.4%、33.6%和37.1%；在不同栽植密度条件下，随着坡度从S1增至S3，细沟的形态特征与上述栽植密度变化相反。细沟宽深比呈现减少趋势，平均减少率为22.7%。这表明细沟更倾向于下切侵蚀。细沟密度、复杂度、割裂度和体积则呈增加趋势，平均增加率分别为126.6%、14.7%、219.1%和513.65%。

试验表明，细沟密度、复杂度、割裂度和体积随栽植密度增而减，随坡度增而增，宽深比反之。栽植密度对各形态指标影响不显著，坡度影响显著(P < 0.05)。坡度S3相较于S2以及S1，细沟形态特征值均呈显著增加。此外，坡度S3相较于S1，细沟体积呈极显著增加。坡度S2相较于S1，细沟体积呈显著增加(图 3)。

图 3(Fig. 3)

图 3 栽植密度与坡度对细沟形态指标差异性分析 Fig. 3 Significance analysis of planting density and slope on rill morphology index

为了更准确地反映细沟发育过程中下切与侧蚀的关系，笔者绘制各小区上坡、中坡、下坡处的细沟横断面特征(图 4)。结果显示，在相同试验处理下，随着栽植密度的增加，细沟横断面积呈现减小趋势。在形态方面，坡上与坡下部无明显变化，且均呈现类U型；而在坡中部，由类V型逐渐转变为类U型。随着坡度的增加，细沟横断面积则呈增加趋势。坡中部的细沟形态类V型更加明显，而坡上与坡下部则有变为类V型的趋势，但未完全转变，仍然为类U型。此外，对于不同栽植密度条件下的坡度S1试验处理，发现坡下部的细沟横断面积均小于坡上部，然而随着坡度的增加，细沟横断面积在坡下部开始大于坡上部。总体来看，所有细沟横断面中类U型的比例较高。

图 4(Fig. 4)

图 4 细沟形态剖面图 Fig. 4 Profiles of rill morphology

对坡面侵蚀量与细沟形态进行相关性分析。可知，坡面侵蚀量与细沟密度、复杂度和割裂度呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.975、0.991、0.988(表 3)，与细沟宽深比为极显著负相关关系，相关系数为-0.937。结果表明，坡面侵蚀量与细沟形态指标密切相关，并且细沟宽深比越大，坡面侵蚀程度越小。此外，对于各形态指标之间相关性来看，均呈极高相关性关系。因此，在用细沟形态表征坡面侵蚀量时，细沟的密度、复杂度与割裂度均可作为评价坡面侵蚀量的优选指标。

表 3(Tab. 3)

表 3 细沟形态特征指标与侵蚀量之间相关性分析 Tab. 3 Correlation analysis between erosion amount and rill morphological characteristic indexes 指标 Index 侵蚀量 Erosion amount 细沟密度 Rill density ρ 细沟复杂度 Rill complexity c 细沟割裂度 Rill cleavage degree μ 细沟宽深比 Rill width-depth ratio RWD 侵蚀量 Erosion amount 1 细沟密度 Rill density ρ 0.975** 1 细沟复杂度 Rill complexity c 0.991** 0.973** 1 细沟割裂度 Rill cleavage degree μ 0.988** 0.993** 0.985** 1 细沟宽深比 Rillwidth-depth ratio RWD -0.937** -0.973** -0.935** -0.962** 1 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 3 细沟形态特征指标与侵蚀量之间相关性分析 Tab. 3 Correlation analysis between erosion amount and rill morphological characteristic indexes

笔者发现，不同栽植密度条件下，细沟基本几何特征值(长、宽、深)随坡度增大而增大，其中细沟平均宽度增长率(62.4%)明显小于平均深度增长率(145.7%)。这与麻力文等^[14]的研究结果相同。相较于黄土地区的细沟，红壤地区由于其较强的黏性和抗蚀性，其平均宽度和深度较小。此外，笔者还对细沟密度、复杂度、割裂度、体积以及宽深比等衍生参数，在坡面侵蚀中的作用进行研究。在试验中，随着坡度增加，细沟密度、复杂度、割裂度和体积特征值均增加，而宽深比则减小(P < 0.05)。这与李熙等^[11]的研究结果相一致。另外，随坡度增加，细沟体积平均增长率(553.2%)最高，细沟复杂度(14.7%)最低。这可能是因为坡度增加增强水流的侵蚀和搬运能力，使细沟宽度和深度增加，导致体积大幅增长，而复杂度不仅取决于深度和宽度的变化，还受到细沟分支、弯曲程度和连接方式等多个复杂因素^[12]。此外，在陡峭的坡面上，由于可用空间有限，细沟更倾向于沿着重力方向发展，难以形成复杂的分支和交错，这导致细沟密度和割裂度的增加，符合对细沟发展的一般认知。细沟宽深比的降低以及细沟平均宽度与深度增幅的差异，则是由于坡度增加使地表径流量增加，细沟内股流流速加强，下切侵蚀剧烈^[15]。

细沟横断面可以反映径流的水力学变化特征，从而揭示细沟侵蚀机理。随着坡度增加，细沟横断面呈现出更明显的类V型和U型，整体呈类U型，与廖凯涛等^[16]的研究相符。在坡下部分，细沟断面积达到最大，这与与黄土细沟变化一致^[15]。同时研究发现，栽植密度相同时，坡度为10°时植被对坡面减蚀明显，15°时作用降低，与Woodruff^[17]的研究结果基本相符。可能是因为10°坡度时水流侵蚀力较弱，植被的阻挡和固土作用能有效发挥，减蚀效果明显。

当土壤侵蚀因地形加剧时，栽植植被或提高其栽植密度是防治水土流失的重要举措。本试验表明，在不同坡度下，芳樟矮林栽植密度增大时，植被覆盖度上升，而坡面细沟的基本几何特征指标下降。这在一定程度上抑制细沟的发展，与常松涛等^[18]的研究结论相符。其中，细沟平均宽度减少率(30.55%)高于平均深度减少率(20.25%)，说明增加栽植密度更能减缓细沟沟壁两侧的侵蚀强度。细沟的密度、复杂度、割裂度和体积特征值随栽植密度增加而降低，细沟宽深比则相反。这与Guo等^[19]的研究结果一致。主要原因是栽植密度增加使植被覆盖度上升，减少冠层截留的雨水量和雨滴动能，增强土壤下渗能力，降低径流量^[20]，导致细沟条数和支沟数量减少，细沟密度和复杂度减小。此外，植物根系生长和活动改善土壤结构，增强土壤团聚性和稳定性，阻碍细沟的侵蚀和移动，使细沟割裂度和体积下降。细沟宽深比增加是因为植被的基径和凋落物阻碍径流向下流动，降低细沟内径流的动能和流速，使细沟下切侵蚀强度减弱，深度减小。同时，研究还发现，栽植密度增大时，坡中部细沟的断面积由类V型逐渐变为类U型。

然而，并非植被种植密度越高，土壤抗侵蚀能力就越强。如彭琼等^[21]研究指出，冬小麦种植密度为9.0万株/hm²时，其覆盖度和减流减沙效益低于7.5万株/hm²。Zhao等^[22]发现，植物五节芒在极高种植密度下，根系表面积和根长减少，在中种植密度30 cm×30 cm时土壤水稳性和抗蚀性最佳。这是因为过高的种植密度会导致植物间养分竞争加剧，使植物生长势头减弱，植被覆盖度降低，进而加剧侵蚀现象^[21]。因此，合理配置植被栽植密度对于减缓细沟发育、提高土壤生产力和增加林业经济效益具有重要意义。

综上所述，坡度相较于栽植密度，是影响细沟形态变化的主要因素；但通过配置合理的栽植密度能够减少芳樟矮林平茬后坡面水土流失量。因此，研究不同芳樟矮林栽植密度对红壤坡面水土流失治理的效果，并兼顾植被生长情况，寻找最优栽植密度，对于红壤丘陵区芳樟矮林的种植管理和水土流失防治至关重要，有助于提高林地侵蚀预测和防治的效果。本研究结果，主要为红壤坡面上水土保持措施的香樟林初期栽植密度优化配置提供相关理论与数据支撑，而未来还会进一步深入研究坡向，坡长，降雨强度等影响因素之间的相互作用，以及它们对土壤侵蚀的协同影响。

1) 不同坡度条件下，细沟几何特征均随栽植密度增加而减小，S1坡度上植被减蚀效果最好；相同栽植密度时，随坡度增大而增大。相较于栽植密度，坡度为影响坡面侵蚀的主要因素。

2) 细沟密度、复杂度、割裂度和体积随栽植密度增加而减小(平均减率分别为24.7%、3.4%、33.6%和37.1%)，随坡度增加而增大(平均增率分别为126.6%、14.7%、219.1%和513.65%)。细沟宽深比变化与之相反，随栽植密度增大而增大(平均增率7.5%)、随坡度增大而减小(平均减率22.7%)。坡度对各指标影响显著，栽植密度影响不显著。

3) 细沟剖面多为类U型，随栽植密度增加横断面积减小，坡中部由类V型渐变为类U型；随坡度增加横断面积增加，坡中部类V型更明显，坡上与坡下部有向类V型转变趋势。S1坡度上，坡下部横断面积起初小于坡上部，随坡度增加变为大于坡上部。

4) 细沟密度、复杂度、割裂度与坡面侵蚀量极显著正相关(相关系数分别为0.975、0.991和0.988)，细沟宽深比极显著负相关(相关系数为-0.937)，前三者可优选为评价坡面侵蚀量的指标。