水土保持防護(hù)林的作用課件

1、水土保持林學(xué)主講人：何丙輝第一節(jié) 保持水土、涵養(yǎng)水源作用第二節(jié) 水土保持防護(hù)林固持土壤作用第三節(jié) 水土保持防護(hù)林的其他作用第一章 水土保持防護(hù)林的作用水資源：短缺 過剩， 調(diào)節(jié)方法： 水庫、森林、水源涵養(yǎng)、水土保持。水土保持林的水文效應(yīng)： 指水土保持林對一個流域或區(qū)域的 水文要素的影響。水土保持林與水的關(guān)系實(shí)質(zhì)是水土保持林的水量平衡，即水土保持林對水分循環(huán)各要素的影響。它對這些要素進(jìn)行改變、調(diào)控，最終改變地下水與地表水的分配比例，從而改變水文過程，調(diào)節(jié)地表徑流，保持水土。有林才有水，古長安城“七水繞長安”，由于植被破壞，現(xiàn)只?！拔妓?。土蓄水，水養(yǎng)林，林固土第一節(jié) 保持水土、涵養(yǎng)水源作用（一）

2、林冠對降雨的截留作用1.有關(guān)概念(1)林冠截留作用*指降水到達(dá)林冠層時，有一部分被林冠層枝葉和樹干所臨時容納，而后又蒸發(fā)返回大氣中去的作用。(2)林冠截留量在降雨過程的某一時段內(nèi)，從林冠表面通過蒸發(fā)返回大氣中的降水量和降水終止時林冠層還保留的降水量。(3)截留率該時段內(nèi)林冠截留量與林外降水量之比。(4)干流量大氣降水過程中，有一部分雨量從林冠枝葉體轉(zhuǎn)到樹干流入地表形成樹干徑流，稱為干流量。 (5)林內(nèi)降雨量林外降雨量去除林冠截留量和干流量后的雨量。由林冠間隙直接降落到地面的林冠通過雨量和從林冠枝葉體表面降落至地面的林冠滴下雨兩部分雨量組成。 林冠通過雨量 林冠滴下雨（1）林冠特性 林冠結(jié)構(gòu)：重

3、疊多、孔隙少，截留量多 枝葉量：多少 濕潤程度：干濕 樹種：針葉灌木軟闊硬闊 林冠貯水量C：一次降雨中林冠所能 容納的最大降水量。2.影響林冠截留量的因素0 10 20 30 40 504 20降雨量mm截留量mm油松、山楊林冠截留樹種與截留率 樹種樹 冠 特征 及截 留率針葉闊葉灌木油松軟闊葉硬闊葉沙柳杭子梢茶條槭山楊海棠遼東櫟樹冠投影面積(m2)295220189382244040郁閉度09080707090707樹冠厚（m）102755217351414樹冠形狀塔型圓錐型漏斗型圓錐型饅頭狀圓錐狀圓錐狀平均截留率(%)26616514882222185183備注中國科學(xué)院地理研究所水文室，

4、陜西黃龍林區(qū)仙姑河上游寺溝流域，單叢觀測。（2）降水量和林冠截留 截留量（mm）1234524681012降水量（mm） （3）降水性質(zhì)和林冠截留 同樣數(shù)量的降水量，當(dāng)降水性質(zhì)不同時，截留數(shù)量相差很大。 當(dāng)雨水沖擊力很大時，林冠就有可能承受不了。 另外，由于“附加截留”的存在，林冠的總截留量有可能超過林冠的飽和截留量的那個極限值。附加截留指的是對于歷時長的降水在這個階段中枝葉體還將水繼續(xù)蒸發(fā)到大氣中去，它由濕而變干，這樣一來又增加了截留雨水的潛力，這種因蒸發(fā)而增加的截留稱為“附加截留”。（4）雨前林冠的濕潤程度和林冠截留 一次降水與前次降水相隔的時段愈長，則通過較長時段的蒸發(fā)，在雨前林冠愈干燥

5、，存留雨水的潛在能力愈大；反之，與前次降水相隔的時間愈短，則林冠含有較多的未來得及蒸發(fā)的前次截留量，存留雨水的潛在能力就小了?？偨Y(jié)：林冠截留的作用 直接消減徑流量，推遲林下降雨和出流，減少洪水徑流，控制水土流失 ； 對降雨起再分配作用； 改變林下降雨的雨滴動能； 相對延長降雨歷時； 穿透雨和截留后二次降雨將大量養(yǎng)料從樹冠輸送到土壤。 二、枯枝落葉層在森林水文中的作用1. 枯枝落葉層* 由林木及林下植被凋落下來的莖、葉、枝條、花、果實(shí)、樹皮和枯死的植物殘體所形成的一層地面覆蓋層。（地表特有的一個層次）枯枝落葉層的兩種分層方法 未分解層：外形完整，顏色黃至棕黃； 半分解層：外形可見易碎，有白色菌絲

6、體，顏色褐至黑褐色； 完全分解層：呈粉末狀，顏色黑褐色。 A00層：殘體組織結(jié)構(gòu)肉眼可辨 A0層：不可辨2.枯枝落葉層作用：（1）截留、吸收部分降雨； 1kg枯枝落葉可吸收2-4kg水分，最高可達(dá)其6倍。（2）徹底消滅降雨動能，形成地表保護(hù)層，維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定； 4-9m/s降雨，可將小土粒擊濺6090cm高，1.5m遠(yuǎn)； 雨強(qiáng)50mm/h，每公頃雨滴產(chǎn)能相當(dāng)于625壓力，可在1h內(nèi)使17.5cm厚土層躍至90cm高86次。 山地水保林很少完全郁閉，枯枝落葉層防止濺蝕發(fā)生。如南方馬尾松純林扒掉針葉后的影響。（3）提高土壤入滲能力，增加土壤入滲量，減少地表徑流； 50年天然常綠闊葉林，枯枝落葉層

7、下滲速度達(dá)125mm/分。2.枯枝落葉層作用：（4）增加地表粗糙度，分散、滯緩、吸收過濾地表徑流，起到調(diào)節(jié)河川流量和削弱洪峰的作用； 1cm厚枯枝落葉層，地表徑流速度是裸地的1/6; 付輝恩在祈連山試驗(yàn)（19781981）：枯枝落葉層地表徑流速度為0.824m/min；150170年生苔蘚層為1.348m/min， 滯流削峰的局限性：對孤立洪峰或常年洪峰明顯，對連續(xù)洪峰或超大洪峰作用僅2530。（5）攔截過濾固體徑流，沉積沙粒，避免土沙流入河川和水庫。 1215m寬林帶每年可沉積泥沙57cm,生物籬?？萋湮锏乃萘?單位干重枯落物所能吸收的水分的數(shù)量，一般用它干重吸水的百分?jǐn)?shù)或相當(dāng)?shù)慕涤旰撩讛?shù)

8、表示。 LC(%)=SL/WL100% LC(mm)=SL/(AL)10Lc水容量；SL截留降雨量(g)；WL枯落物干重(g)；水的密度(g/cm3)；AL樣本面積(cm2)。3.影響枯落物截留量的因素則干重為WL的枯落物截留量If : If=WLLC影響水容量的因子： 枯落物的組成：葉90以上 分解程度枯落物的數(shù)量枯落物的數(shù)量決定于輸入量和分解速度輸入量闊針，密度大小，年齡大小，旺盛衰弱分解速度：微生物完成闊針，高溫低溫，濕潤干燥數(shù)量與厚度的關(guān)系1cm以上有作用枯枝落葉的干燥程度干燥濕潤暴雨時明顯，連續(xù)降雨不明顯?？葜β淙~的水容量森林類型枯落物年產(chǎn)量(kg/hm2)枯枝落葉層特征組 成各組成

9、物重量(kg/hm2)自然含水率(%)最大持水率(%)有效蓄水率(%)一次降水正常有效儲水深度(mm)厚度(cm)重量(kg/hm2)松林2030352782枝葉半腐物16210251600641195523251027711818264櫟林2680402865枝葉半腐物365920158042723027482982509710646三、水分在森林土壤內(nèi)滲透儲存和移動1.森林的水源涵養(yǎng)功能 不同森林類型涵養(yǎng)水源的機(jī)能與土壤物理性質(zhì)的好壞和林地枯枝落葉層的狀況關(guān)系極大，而森林貯水量的大小主要取決于森林土壤非毛管孔隙度。 每公頃降水儲存量（t）=10000m2 * 土層厚度(m) *土壤非毛管孔

10、隙度(%) * 水容重(t/m3) 由下表看出，土壤非毛管孔隙率大，其降水貯存量也大，有利于涵養(yǎng)水源。廣西大明山林區(qū)不同森林類型的土壤非毛管孔隙度與土壤蓄水量森林類型天然林天然次生林馬尾松木蓮混交林馬尾松林杉木林草坡非毛管孔隙度（%）17.5813.5810.7311.589.567.940-20厘米土層降水貯存量（噸/公頃）351.6277.0214.6231.6191.2158.8皆伐后直接流量和洪峰流量的增加率 試驗(yàn)地點(diǎn)一次雨量級直接徑流量平均增加率()最大洪峰流量平均增加率(%)最大釜淵二號集水區(qū)203043661186043040254661205405020366228350602

11、3525011960801841365280100243324411001208339681201601823383816028393184龍之口北谷203079389431033040653493311140504410659114506036111110131608029767512980100596746110100120517064124120140457711315314016053796982更新造林美國松樹河流域： P=150mm:幼苗 郁閉，20年 徑流量是無林流域的1148（直接徑流量） 1030（洪峰流量）日本多摩川： P=3132mm: 荒地： 直接徑流量4.3mm， 洪

12、峰流量1.4m3/s 幼林：直接徑流量0.79mm， 洪峰流量3.3m3/s 成林：直接徑流量0.048mm，洪峰流量0.51m3/s 各測站相似雨情洪峰過程線特征比較 雨洪日期測站雨情洪峰最大流量模數(shù)kg/s.km2洪峰過程的峰度系數(shù)Ce相對歷時雨量cm歷時min強(qiáng)度mm/h歷時min徑流深mm9月2230王家河119.60131.20073140.7772485090187黨家川106.8114.05091681.6051675010501007月2628王家河55.036.10151140.2340275175119黨家川56.918.5615960.32101196130010010月

13、613王家河28.776.4041560.1998485062130黨家川28.650.24061200.24556861380100森林水源涵養(yǎng)作用的定義 森林減少地表徑流，促使水流均勻進(jìn)入河川或水庫，在枯水期間仍然維持一定量的水進(jìn)入河川或水庫的作用。 （P18） 森林水源涵養(yǎng)作用是指：由于促進(jìn)了山地降水滲入地下，減少了降雨后的地表徑流量，所以在暴雨漲水期，能降低洪峰（調(diào)節(jié)洪水的效能）；由于滲入地下的降水均變?yōu)榈叵滤饾u流入河川，所以河川流量基本接近一定狀態(tài)（緩和枯水的效能）。（P20第7行）產(chǎn)流過程：降雨初損，坡面漫流，流域匯流產(chǎn)流機(jī)理：蓄滿產(chǎn)流，超滲產(chǎn)流蓄滿產(chǎn)流*包氣帶未達(dá)到蓄水容量以

14、前不產(chǎn)流，達(dá)到蓄水容量以后全部產(chǎn)流，受控條件為包氣帶的水分虧缺量。超滲產(chǎn)流*指降雨強(qiáng)度超過土壤入滲能力時就產(chǎn)流，否則不產(chǎn)流，受控條件為降雨強(qiáng)度和入滲能力的大小。前期雨量影響土壤干燥，小雨或中雨，有林與無林流域徑流都比較小土壤干燥，大雨，森林削洪作用明顯連續(xù)小雨，中雨，森林削洪作用明顯連續(xù)降雨，大雨，森林有一定的削洪作用基本觀點(diǎn)森林可以起到涵養(yǎng)水源，改善河流水文狀況的作用在一些地區(qū)恢復(fù)植被可以增加流域的出水量在另外一些地區(qū)恢復(fù)植被降低流域的總水量一般來說，恢復(fù)植被都可以增加地下徑流量多林區(qū)與少林區(qū)河流洪、枯流量與含沙量對比 河流名稱最大流量與最小流量比平均含沙量(kg/m3)多林區(qū)的河流亞馬孫河

15、3.00.06剛果河3.50.05多瑙河10.00.14松花江3.60.16伊洛瓦底江4.90.62怒江18.00.39少林區(qū)的河流尼羅河49.01.25印度河637.02.08密蘇里河210.02.97科羅拉多河16.60遼河9000.06.86永定河40000.060.80黃河5600.037.002. 林地入滲特征 (1)影響因子 土壤含水量： 土壤物理性質(zhì)： 孔隙度、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、間層、結(jié)皮 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)土壤：滲透性好 林地土壤：枯枝落葉分解，土壤中的樹根、草根腐爛更新，土壤動物或微生物多，例子：肥沃橡膠林：500700萬個蚯蚓/ha，貧瘠無林地110萬個/ha。 降雨強(qiáng)度和歷時 土壤表層植

16、被覆蓋條件 (2)入滲特征*一般規(guī)律：林地非林地初始入滲率和穩(wěn)滲率都升高，曲線上移；入滲率隨時間增加而平緩降低，曲線呈圓滑形；土壤的積水前時間tP明顯延長；單位時間內(nèi)的入滲量提高，對暴雨、大強(qiáng)度降雨的作用明顯。入滲率與土壤結(jié)構(gòu)和植被的關(guān)系 土壤結(jié)構(gòu)入滲能力（mm/h）裸土植被覆蓋的土壤粘 土05510粘壤土5101020壤 土10152030沙壤土15202040沙 土20254050不同林地土壤水文性質(zhì)平均值處理容重(g/cm3)前期含水量(cm3/cm3)吸力(10-4m/s)有效飽和導(dǎo)水率(m/s)集水前時間(s)未擾動109291511645145105343集材道1162800094

17、90545105191碾 壓139322105280070105 58北海道各地不同地被的終期入滲率（mm/h）地被類別林地草地耕地放牧地裸露地終期下滲率414128563714黃土地區(qū)（吉縣）不同地類和地形條件下30分鐘土壤累積入滲量（mm） 地類部位灌木林油松林刺槐林荒草地農(nóng)耕地陰坡708316651528772941陽坡1792615784948284坡底1318852822599645坡頂20541368950626753平均306211251021736656水土保持林在減低洪水流量方面能起的作用：留住土壤中的水分；保持或增加土壤的滲透能力和土壤中的大孔隙，使貯存空間更多，增強(qiáng)了大孔

18、隙的作用；減少侵蝕，從而減少因沖擊物造成的大量的洪水水流；在第一次暴雨過后第二次暴雨來到之前，可將水分從土壤貯存處較快的移走。第二節(jié)水土保持防護(hù)林固持土壤作用根系網(wǎng)絡(luò)固持土壤的分析 喬灌木樹種依靠其深長的垂直根系，以及放射形擴(kuò)展較廣的水平根和斜根，心狀根，能以相當(dāng)大的幅度和深度固持土體，加之樹與樹之間的根系縱橫交錯，構(gòu)成地下鋼筋，固土作用將更加增大。 此外，深根性樹種和淺根性樹種樹種混交的異齡林，由于根系呈多層分布，促使其土壤和母質(zhì)層之間的過渡的狀態(tài)，從而減輕了土壤滑落面的形成，為減少重力侵蝕及石洪，泥石流創(chuàng)造條件。 例：16年生青楊，根幅7.54.5m，主根深4.6m， 40多條側(cè)根，78條

19、水平根。 15年生刺槐，屬淺根性樹種，干旱黃土區(qū)能下扎810m深。 祁連山固柏林：根量17.35t干重/ha，長度19590km/ha 高山灌木錦雞兒：根量21.81t干重/ha，長度22017km/ha 山丘地區(qū)營造水土保持林的意義主要是利用植物的地上部分和地下部分綜合地保護(hù)斜坡。它對減少地表徑流，削弱和顯著削弱土壤侵蝕，加固斜坡和固定陡坡麓堆積物的穩(wěn)定性起著決定的作用。一、根系形態(tài)分布1.形態(tài) 主根型（深根型）、散生型、水平型（淺根型）2.傾斜面上根系的分布傾斜面上根系的分布的特點(diǎn)*根系在土壤中分布的深度與坡度關(guān)系不大；不論坡度怎樣變化，根系總是沿垂直于坡面的方向生長；根系的數(shù)量以朝向坡下

20、部伸展為多一些；根系對坡面土壤的固持范圍是以垂直于坡面的而非垂直于地心的。幾種林地及草坡根系調(diào)查統(tǒng)計 根 系地 類根徑01mm根徑13mm根徑3mm總 計備注根長m干重kg根長m干重kg根長m干重kg根長m干重kg青海云杉249.80.1585.61.3370.22.55405.64.03祁連山圓柏844.00.34146.40.5471.91.661062.32.54高山灌叢1167.50.32308.70.6157.31.371533.52.30草坡1518.80.52二、林木對坡體的穩(wěn)定的作用根系的增強(qiáng)作用彈性阻力轉(zhuǎn)變?yōu)榭辜袅Γ煌寥浪值臏p少作用蒸騰、截留；支撐作用樹干的直接支撐與固定；

21、載荷的作用林木的重量；根楔的作用根系深入巖隙。網(wǎng)狀根樁的作用幾種植被型土地利用下滑坡面積百分比 鼠尾草和高山淫羊藿2391年生草119多年生草65河岸森林53橡樹沙巴拉群落26植物型滑坡面積闊葉沙巴拉群落123.林木對坡體的穩(wěn)定作用分析GsGsGfT0R0TtRt無林有林三、影響林木固土作用的因子分析1. 樹種的生物學(xué)特性2. 環(huán)境因素3. 地質(zhì)條件1.樹種的生物學(xué)特性樹種 根型 根系發(fā)育狀況 根系的穿透能力 根系的表面積根系的物理特性根系的直徑根系的抗拉強(qiáng)度根系的通直性穿過剪切面的根量根面積率越高抗剪強(qiáng)度越大地上生物量與地下根系量緊密相關(guān)小葉錦雞兒虎榛子地上生物量與根量冪函數(shù)關(guān)系樹木的年齡樹

22、木的年齡與根系的固土能力有緊密關(guān)系幼 林 小中狀林 大老 林 下降日本柳杉520齡易滑坡，是成林的56倍采伐對根系固土能力的影響采伐后，根系逐漸腐爛，根系的固土能力隨時間的推移而降低采伐后45年易發(fā)生滑坡 20年生刺槐，伐后2年、4年固土能力分別下降了49.1、60.152.環(huán)境因素土壤種類沙質(zhì)壤質(zhì) 粘質(zhì)：摩擦力增加。土壤緊實(shí)度緊實(shí)度越高摩擦力也越高，但緊實(shí)度越高根系生長越不良。土壤水分水分增加，摩擦力減小。3.地質(zhì)條件A類： 土層薄，無過渡層，巖石無裂隙，根系不能深入基巖。B類 土層薄無過度層，巖石有裂隙，根系可以深入基巖。森林的根系可以極大地增加土壤的穩(wěn)定性，采伐森林使坡體不穩(wěn)定。C類 土

23、層薄，有過渡層存在，過渡層的抗剪強(qiáng)度大于表土，過渡層導(dǎo)水率低，易對表土造成孔隙水壓力。 森林根系在表土分布密，在過渡層分布稀。根系對土體的穩(wěn)定性起了很大作用，使表土層與過渡層之間的抗剪強(qiáng)度極大增強(qiáng)。采伐森林使坡體不穩(wěn)定。D類 土層深厚，土壤對林木根系生長沒有限制作用，根系分布比較深。四、減少崩塌和石洪的發(fā)生水土保持林對重力侵蝕的效應(yīng) 重力侵蝕：是土體或巖體在重力作用下產(chǎn)生的位移。 其主要類型有：滑坡、崩塌、瀉溜 1林木對重力侵蝕起促進(jìn)或抑制效應(yīng)，國內(nèi)外尚有爭論 原因：樹木蒸發(fā)蒸騰作用，使不透水層潛流減少，水保林防濺蝕和地表沖刷，起了消能保土作用；但暴風(fēng)雨會搖動樹木，增加承壓力，林地土壤又有利于

24、水分滲入和土內(nèi)徑流。 2樹木根系會對重力侵蝕的作用力產(chǎn)生各種抵抗應(yīng)力,若根系抵抗應(yīng)力大于可能位移的土體及其上林木重量的作用力，就能阻止重力侵蝕的發(fā)生。 3. 水保林能控制瀉留，淺層滑坡和小削塌。 防止崩塌的作用崩塌發(fā)生在地質(zhì)比較疏松、巖石物理風(fēng)化強(qiáng)烈、地震頻繁的地區(qū)。森林改善風(fēng)化條件：濕度、溫度、日照。樹木的直接阻擋作用。與工程措施相結(jié)合。對泥石流的緩和作用泥石流發(fā)生條件：大量疏松堆積物，足夠的降雨量，充足的前期降雨量，快速的徑流反應(yīng)時間。森林的作用發(fā)生區(qū)：蒸騰、蒸發(fā)，減少土壤水分；林木根系的網(wǎng)絡(luò)、固持作用；樹干的支撐、阻擋作用；流域上部森林減少徑流量。流通區(qū)：阻擋作用，減少沿途兩側(cè)的物質(zhì)、流

25、量補(bǔ)給作用；減少泥石流的運(yùn)動距離；降低泥石流的能量。五、正確評價根系的固土作用1.根系范圍(一般為4060cm)為固持土壤的范圍，對更深層則無能為力；2.有時樹體地上部分的重量對坡面穩(wěn)定產(chǎn)生負(fù)作用；坡很陡，地表幾十厘米以下的基巖不透水；高海拔地區(qū)的凍融層；樹大招風(fēng)。3.對較小滑動體的固持作用較明顯，對很大滑動體不明顯。第三節(jié)水土保持防護(hù)林的其他作用一、防風(fēng)固沙，保護(hù)農(nóng)田 1現(xiàn)狀：沙漠10.6億畝，戈壁8.5億畝，合計19.1億畝，占13.3%，全國風(fēng)蝕面積191萬km2。 2植被固沙是最有效而持久的方式 降低風(fēng)速：不起沙(4m/s)； 使已起沙沉積。 3效果：植被覆蓋率40，固定沙地；1540，半固定沙地；15%