水土流失
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3研究方法
3.1试验设计
3.1.1径流小区设计
径流小区位于宁化水保站后山，建于2007年11月，2008年1月开始观测。共有8个径流小区，每个径流小区均按照标准径流小区建造，即小区垂直投影长20m、宽5m、坡度15º，每个小区之间四周边缘用水泥筑隔墙，隔墙深入地下80 cm，高出地面30 cm，墙顶呈45°刀棱形分水界。本试验共设计了8种处理，其中5个为生物措施（小区号为1、4、5、6、7），2个为工程和生物相结合的措施（小区号为2、3），1个径流小区为对照（小区号为8），具体的设计处理见表1。径流小区下用集流槽承接泥沙和径流，并通过管道将泥沙和径流量汇聚到集流桶中，如果集流桶不够承接径流量，可以分流到集流桶旁的分流箱中。通过对不同试验处理的径流小区的观测，研究不同试验处理对紫色土水土流失的影响以及降雨量与水土流失量的关系。
表1 径流小区设计
Table1 the designs of plot scales
径流小区号 1 2 3 4 5 6 7 8
试验
处理 穴种狼尾草，株行距1m×1m 梯田（无埂）种铁观音，梯壁不种草 梯田种铁观音，梯壁种草 种百喜草，采用封禁植被恢复的方式 种百喜草和胡枝子，株行距1.2m×50cm 顺坡垦复种植油茶，株行距2m×3m，每行后种胡枝子作为生物带 与6一样，但无作生物带 对照
3.1.2野外模拟降雨试验设计
由于自然降雨变化不均匀，造成降雨强度和降雨侵蚀力的变化也不均匀，为了分析各种自然因素对水土流失的影响，必须使各试验样地的降雨条件一致，模拟降雨容易控制雨强和降雨量，因此采用野外模拟降雨。本次试验所采用的仪器是便携式模拟降雨器，型号为M2760。根据国家对小雨、中雨和大雨的规定，为模拟降雨仪器设置了3个雨强（10mm/h、20mm/h、100mm/h），每种雨强的降雨时间为半小时。按照不同坡度、不同坡长、不同植被覆盖度、不同土地利用方式的原则选择六块试验样地，在每个试验样地设置3个简易径流小区（3个径流小区分别采用小雨、中雨和大雨3种雨强进行试验），小区所采用的材料是1m×0.8m的铁板，插入土层厚度1m，在有代表性的地方将1m×0.8m规格的铁板插入土壤中，就形成一个临时性的径流小区。试验时，将模拟降雨仪器放置于简易径流小区上方，每种雨强降雨半小时，每次降雨用量筒收集每次降雨所产生的径流，记录下每种雨强所产生的径流量。泥沙量采用烘干称重法获得，即在每次降雨产生的径流中取水样，过滤烘干后，称重，根据所取水样的量就可以得到每次降雨所侵蚀的泥沙量。这个试验主要是用于分析坡度、植被覆盖度对径流量和泥沙量产生的影响。
表2 野外模拟降雨试验样地概况
Table2 the general circumstances of the sampling terra for simulated raifall test in open country
样地号 土地利用方式 植物类型 坡度（°） 坡长（m） 植被覆盖度（%）
1 耕地（顺坡） 辣椒 15 40 70
2 园地 油茶 23 70 80
3 草地 类芦 8 40 60
4 荒地 少数草本植物 38 50 40
5 林地 马尾松、胡枝子、类芦 17 10 68
6 林地 马尾松、油茶 26 100 75
3.2调查方法
对进行野外模拟降雨试验的各样地进行调查，调查的内容包括了：土地利用方式、植物类型、坡度、坡长、植被覆盖度，通过收集当地的文献资料和实地调查的方法，调查这六个样地的土地利用方式，坡度和坡长是利用经纬仪观测，在样地中设置3m×3m的小样方，调查样地的植物类型和植被覆盖度；每次降雨结束后，自记雨量计观测降雨量，径流深可以通过集流桶中的刻度读出，进而换算径流量，泥沙量用烘干称重法，但要把集流槽中的泥沙清入径流量中，然后将径流搅拌均匀，取出200ml水样，过滤烘干后称重，即可得到泥沙量。6个样地的情况见表2。
3.3数据处理
经过野外试验后，得到两组试验数据，分别是径流小区和野外模拟降雨试验，径流小区的试验数据采用Excel处理，用SPSS对野外模拟降雨试验数据进行分析，得出坡度和植被覆盖度对径流量和泥沙量的关系。
4结果与分析
4.1不同试验处理对紫色土水土流失的影响
径流小区设计中所设计的7个试验处理是宁化水土保持最常见的措施，通过5个月对降雨量和径流小区的监测，得到7种不同试验处理的径流小区径流量和泥沙量的数据（见表3和表4）。通过分析不同试验处理对径流量和泥沙量的影响，得到最佳的试验处理，为选择最佳的水土保持措施提供数据支持。
表3 不同措施径流小区径流量
Table3 the monthly runoff of runoff plot under different measures
月
份 降雨
量
（mm） 径流量（m3）
穴种
狼尾草 梯田（无梗） 梯田 封禁种百喜草 种百喜草和胡枝子 顺坡种植油茶（有生物带） 顺坡种植油茶（无生物带） 对照
1 159.2 1.30 0.90 0.75 1.11 1.26 1.41 2.11 2.52
2 68.7 0.41 0.25 0.22 0.31 0.37 0.49 0.84 1.43
3 113.3 0.86 0.45 0.38 0.66 0.80 0.98 1.60 2.13
4 123.2 0.99 0.65 0.57 0.84 0.91 1.06 1.51 2.06
5 107.2 0.84 0.52 0.47 0.68 0.76 0.91 1.26 1.63
合计 571.6 4.40 2.77 2.39 3.61 4.10 4.85 7.31 9.78
表4 不同措施径流小区泥沙量
Table5 the monthly sediment of of runoff plots under different measures
月
份 降雨
量
（mm） 泥沙量（kg）
穴种
狼尾草 梯田（无梗） 梯田 封禁种百喜草 种百喜草和胡枝子 顺坡种植油茶（有生物带） 顺坡种植油茶（无生物带） 对照
1 159.20 676.36 17.96 10.84 382. 486.85 387. 1979.49 74.87
2 68.70 254.59 5.27 3.42 106.71 135.86 122.90 928.26 5093.76
3 113.30 344.48 7.67 4.33 177.63 228.92 193.40 1043.85 5460.31
4 123.20 477.21 14.72 8.57 275.60 318.96 244.85 1447. 6755.06
5 107.20 341.80 6.87 4.00 172.04 226.18 190.44 1028.80 5045.20
合计 571.60 2094.44 52.49 31.16 1114.63 1396.76 1139.48 28.30 30249.20
4.1.1不同试验处理对紫色土径流量的影响
径流的流动常常伴随着养分的流失，因此径流量大小往往能够说明土壤保持养分的能力。对8个径流小区的径流量进行累加排序,见表3，发现7个处理产生的径流量大小：无生物带顺坡种植油茶 >有生物带顺坡种植油茶 >穴种狼尾草 >种百喜草和胡枝子 >封禁种植百喜草 >无梗的梯田 >梯田。
在相同的自然条件下，顺坡种植油茶（无生物带）的试验处理产生径流量是最大的，而有生物带的试验处理产生的径流量比无生物带的少了近一倍。梯田（有埂）产生的径流量是最少的，这是因为当降雨时，梯田上的植被能截留一部分雨水，并且梯田的阶梯能逐层地截留雨水。从表3还可以了解，穴种狼尾草和百喜草产生的径流量只占顺坡种植油茶（无生物带）的60%和49%，可以说草比灌木截留径流的能力更强。
4.1.2不同试验处理对紫色土泥沙量的影响
通过把5个月的泥沙量进行累加，可以对7种试验处理产生的泥沙量进行比较，见表7，比较结果：无生物带顺坡种植油茶 >穴种狼尾草 >种百喜草和胡枝子 >有生物带顺坡种植油茶 >封禁种植百喜草 >无梗的梯田 >梯田,其中梯田（无埂）产生的泥沙量最少，仅为对照地的0.1%，顺坡种植油茶（有生物带）产生的泥沙量也较少，无生物带的泥沙量是有生物带的6倍，可以说明生物带可以有效地减小土壤流失。从表4发现种百喜草产生的泥沙量是114.63kg，种狼尾草的泥沙量为2094.44kg，说明种百喜草的效果好于种狼尾草。种百喜草和胡枝子产生的泥沙量比种百喜草的泥沙量大，但两者相差不多。
综合以上两部分的分析，可以得出，梯田产生的泥沙量和径流量最小，种百喜草的顺坡种植油茶（无生物带）产生的泥沙量和径流量最多，而有生物带的处理可以大幅度地减少径流量和泥沙量。
4.2紫色土流失区水土流失量与降雨量的关系研究
4.2.1径流量与降雨量的关系研究
从表3可以直观地看出不同试验处理径流小区的径流量均随着降雨量的增加而增加，随着降雨量的减少而减少。3月份和5月份的降雨量只相差6.1mm，所在月份的各种试验处理产生的径流量的差值也很小，各种措施的变幅为2.3%～23.5%。1月与2月的降雨量相差90.5mm，各种措施的变幅达到43.3%～72.2%。由此可以发现各种措施的径流量变化与降雨量关系紧密。
为了进一步分析径流量与降雨量的关系，采用相关分析和曲线估计的方法，分析径流量和降雨量的关系，根据文献资料径流量和降雨量存在线性关系[17]，通过对实验数据进行分析得出不同措施产生径流量与降雨量的关系式，见表5。从表5可以看出，每个处理产生的径流量和降雨量的相关系数都在0.9以上，说明径流量与降雨量的关系很紧密。
表5 径流小区径流量与降雨量的关系式
Table4 the relation model between runoff of the plot scales and rainfall
措施 关系式 相关系数 N
穴种狼尾草
5
梯田（无梗）
5
梯田
5
种百喜草（封禁）
5
种百喜草和胡枝子
5
顺坡种植油茶（有生物带）
5
顺坡种植油茶（无生物带）
5
对照
5
4.1.2泥沙量与降雨量的关系研究
从表4可以明显看出，各种措施产生的泥沙量都随着降雨量的增加而增加，减小而减小的，且两者关系很密切，3、4、5月份的降雨量两两间相差不多，它们对应的泥沙量也相差不多。对于降雨量最大的月份与降雨量最小的月份，泥沙量相差很大，这两个月泥沙量变化最大的是封禁种百喜草，相差3.6倍，变化最小的是对照小区，仅差1.5倍。通过相关分析，发现泥沙量与降雨量也存在着线性关系[17]，可以用线性方程表示泥沙量与降雨量的关系，见表6。
表6 径流小区泥沙量与降雨量的关系式
Table6 the relation model between sediment of the plot scales and rainfall
措施 关系式 相关系数 N
穴种狼尾草
5
梯田（无梗）
5
梯田
5
种百喜草（封禁）
5
种百喜草和胡枝子
5
顺坡种植油茶（有生物带）
5
顺坡种植油茶（无生物带）
5
对照
5
4.3不同土地利用方式对水土流失的影响研究
采用野外模拟降雨的方法，在每块样地上设置了三种雨强的模拟试验，分别测出每种雨强条件下的径流量和泥沙量。从表7可以发现：径流量最大的样地的土地利用方式为荒地，通过调查发现，荒地的植被覆盖度只有40%，地表长期没有植被覆盖，土壤风化强烈而且干旱，当降雨一段时间后，土壤持水饱和后，就会产生大量的径流量和泥沙量，从试验中就可以看出，而其的径流量和泥沙量也是几个土地利用方式中最大的，而且远远大于其他土地利用方式。林地的坡度仅比耕地大2°，两个样地的植被覆盖度也仅差2%，但是耕地产生的泥沙量为220.66 g/m2，大于林地产生的泥沙量，从径流量来说，也是耕地的径流量大于林地产生的径流量。园地和林地的坡度很接近，且园地的植被覆盖度大于林地的植被覆盖度，从表7发现，园地的泥沙量和径流量均小于林地。土地利用方式为园地和耕地的样地因为坡度和植被覆盖度存在较大的差异，无法对它们进行比较。
综合以上分析，可以对不同利用方式产生的水土流失量进行比较，比较结果发现：荒地 >园地 >林地，荒地 >耕地 >林地。从以上比较结果，可见造成这个结果的原因主要是人为影响，园地和耕地都是受人为影响频繁的利用方式，而林地每年均有一定枯枝落叶归还林地，使得林地有机质含量较高，加上表层植物根系穿插切割，土壤水稳性结构较好，因此土壤渗透性能较好，土壤不易受到侵蚀[20]。经过研究[20]土壤的各项可蚀性指标（包括土壤的分散率、水稳性团聚体含量、出渗值和稳渗值等），得出不同的利用方式下，土壤的可蚀性大小比较，比较结果：荒地>园地>林地。这也说明了，在相同条件下，荒地产生的水土流失量最多，林地的最少，与本文的研究结果一致。
表7 野外模拟降雨产生的径流量和泥沙量
Table7 slope and the runoff and sediment of sampling terras
土地利用方式 坡度（°） 小雨产生的泥沙量（g/m2） 中雨产生的泥沙量（g/m2） 大雨产生的泥沙量（g/m2） 总的泥沙量（g/m2） 小雨产生的径流量（m3） 中雨产生的径流量（m3） 大雨产生的径流量（m3） 总的径流量（m3）
草地 8 0.05 5.00 25.22 30.27 146.88 8521.88 366.88 45315.63
耕地 15 1.67 59.34 159.65 220.66 150.00 8468.75 43212.50 51831.25
林地 17 5.54 31.45 136.59 173.58 662.50 7818.75 34718.75 43200.00
园地 23 3.63 56.45 195.43 255.51 750.00 11478.13 49881.88 62110.00
林地 26 0.15 36.91 213.52 250.59 52.50 6396.25 44293.75 50742.50
荒地 38 10.00 86.30 23.31 2739.61 12.50 3256.25 27875.00 31143.75
注：样地的植物类型为：1:类芦, 2:辣椒, 3:马尾松、胡枝子、类芦, 4:油茶, 5:马尾松和油茶, 6:只有少数草本植物
4.4紫色土坡地坡度和植被覆盖度与径流量和泥沙量的关系研究
4.4.1坡度与径流量和泥沙量的关系研究
当降雨量和植被覆盖度一定时，坡度是决定水土流失程度的重要因子。坡度越大，水流受到重力向下分力越大，这时的水流来不及渗透，沿着坡度流动，流动占主导地位。坡度越小，受到重力分力越小，水流速度小，有更多的时间渗透，以渗透占主导地位[21]。
从表7可以看出随着坡度的增加，泥沙量总体上呈现随着坡度的增加而增加，减小而减小的变化规律。虽然泥沙量总体上与坡度呈正相关，但是在小雨和中雨条件下，有些样地并没有遵守这种规律。在小雨条件下，但是23°样地产生的泥沙量比26°样地产生的泥沙量大，主要是因为本身两个样地的坡度相差不大，主要是由土地利用类型影响它们小雨产生的泥沙量，26°的样地土地利用方式是林地，受人为影响小，23°的样地土地利用类型是园地，受人为影响大，表面土壤结构较26°的松散，所以在小雨的降雨条件下，坡度为23°的样地会比坡度为26°的样地产生更多的泥沙量。在中雨条件下， 15°和17°的样地也不随坡度的增加而增加，这主要也与土地利用方式有关，15°的样地的利用方式是耕地，经过所采土样分析，发现该样地的容重为1.24，是六个样地中最小，说明受到人为干扰，土壤松散。
从总体上来看，泥沙量是随着坡度的增加而增加的，两者呈正相关，为了验证这一说法，把坡度、覆盖度和大雨产生的泥沙量数据输入SPSS进行两个变量的相关系数分析，坡度与大雨产生的泥沙量呈显著的正相关性（r=0.830），由于每个样地的实验处理方法一样（即降雨条件和降雨时间一样），因此可以把每次降雨产生的泥沙量相加进行数据处理和分析，总的泥沙量也是随着坡度的增加而增加，两者的相关系数为0.835，呈显著正相关。从表7还可以得到，紫色土坡度每增加1°，平均泥沙流失量就会相应增加48.09g/m2。
为了进一步探求坡度与泥沙量的定量关系，对坡度和总的泥沙量进行了回归分析，得到关系式：
L——泥沙量,单位：g/cm2
S——坡度，单位：°
把数据绘点制图，见图1。从图中可以发现当坡度大于30°时，泥沙量产生突增，8°～26°时，产生的泥沙量变化稳定，随着坡度的增加缓慢上升。
一般来说，随着坡度的增加，径流量增加，但由于野外实验样地地表植被和利用方式不同，从实验数据来看，随着坡度的增加，径流量并没有呈现规律的变化。
图1 紫色土坡地坡度与泥沙量的关系
Fig.1 the relation of slope and sediment in sloping field with purple soil
4.4.2植被覆盖度与径流量和泥沙量的关系
土壤表面的植被覆盖可以减弱降雨带来的雨滴冲击力，使土壤不至于因冲击而分散，从而减少对土壤的侵蚀，植被覆盖又增加了地表的摩擦力，增加了水流在坡面的时间，减小水流速度，使水流有更多的时间下渗[22]。因此紫色土坡地的植物覆盖度对水土流失有明显的影响。另一方面，土壤表面的植被可以改善土壤的物理化学性质，优化土壤团粒结构，提高土壤肥力，土壤团粒结构的形成可以提高土壤抵抗侵蚀的能力[23]，同样采用野外模拟降雨试验，得到不同雨强下的泥沙量与径流量，见表8。
表8 各样地的植物覆盖度与产生的径流量和泥沙量
Table8 vegetal coverage and the runoff and sediment of sampling terras
土地利用方式 植被覆盖度（%） 小雨产生的泥沙量（g/m2） 中雨产生的泥沙量（g/m2） 大雨产生的泥沙量（g/m2） 总的泥沙量（g/m2） 小雨产生的径流量（m3） 中雨产生的径流量（m3） 大雨产生的径流量（m3） 总的径流量（m3）
荒地 40 10.00 86.30 23.31 2739.61 12.50 3256.25 27875.00 31143.75
草地 60 0.05 5.00 25.22 30.27 146.88 8521.88 366.88 45315.63
林地 68 5.54 31.45 136.59 173.58 662.50 7818.75 34718.75 43200.00
耕地 70 1.67 59.34 159.65 220.66 150.00 8468.75 43212.50 51831.25
林地 75 0.15 36.91 213.52 250.59 52.50 6396.25 44293.75 50742.50
园地 80 3.63 56.45 195.43 255.51 750.00 11478.13 49881.88 62110.00
注：样地编号的植物类型为：1:少数草本植物, 2:类芦, 3:马尾松、胡枝子、类芦, 4:辣椒, 5:马尾松和油茶, 6:油茶
通过本次研究表明，随着覆盖度的增加，各种雨强条件下泥沙量总体趋势表现上表现为逐渐减少，经过SPSS计算，植被覆盖度与大雨产生的泥沙量的相关系数为-0.850，呈显著负相关。但是植被覆盖率为60%的泥沙量很小，不符合泥沙量逐渐减少的趋势。排除60%这个样地后的数据，植物覆盖度与大雨产生的泥沙量的相关系数为-0.947，与没有排除60%样地数据的相关性比较，排除覆盖度60%样地数据后的植物覆盖度与大雨产生的泥沙量更相关，导致这种现象的原因是覆盖率为60%的样地坡度是这几个样地中最小的，仅8°，因此，覆盖度为60%的样地泥沙量主要受到坡度控制。排除植被覆盖度为60%样地的数据后，植物覆盖度和总的泥沙量的相关性系数是-0.946，两者是显著的负相关，即覆盖度越大，在相同坡度和降雨条件下产生的泥沙量越小。从表8还可以推算出覆盖度每增加10%，泥沙量就会减少50.57 g/m2，把植被覆盖度和泥沙量用散点图表示出来，再使用SPSS的回归分析（排除60%这个样地的影响）进一步得出覆盖度和泥沙量的定量关系：
L——泥沙量，单位：kg
c——植被覆盖度(%)
发现散点图和这个定量关系式画出的图相似，见图2。因此可以用 定量表示泥沙量和植被覆盖度的关系。
从表8可以发现径流量随着植被覆盖度的增加而增加，植被覆盖度为40%、60%、68%、70%、75%和80%的样地，总的径流量逐渐增加，分别为31143.75、45315.625、43200、51831.25、50742.5和62110m3，小雨、中雨、大雨产生的径流量也大体上呈现波动上升的趋势，植被覆盖度和总的径流量的相关系数为0.928，呈极显著正相关。简易径流小区的规格小，坡长只有0.8m，因此降水在坡长很短的情况下没有足够的时间下渗，此外土壤覆盖度是一个重要的影响因素，裸露在地表的紫色土很容易风化，所以在植被覆盖度小的土地，降水很快就会渗透入土中，植被覆盖度大的坡地本身土壤有一定的含水量，而且有植物覆盖地表，降水不易在较短的时间内下渗，就会形成径流流动。降雨越来越大后，降水渗透能力逐渐变小，就会产生径流，这时植被覆盖度很小的地表不能阻挡水流带走松散的泥沙，径流量和泥沙量剧增，覆盖度为40%的样地反映了这一点。因此植被覆盖度越大径流量越大，覆盖度越小径流量越小。
图2 紫色土坡地植物覆盖度与泥沙量的关系
Fig.2 the relation of vegetal coverage and sediment in sloping field with purple soil
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