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1、水土保持林学 主讲人 何丙辉 第一节保持水土 涵养水源作用第二节水土保持防护林固持土壤作用第三节水土保持防护林的其他作用 第一章水土保持防护林的作用 水资源 短缺过剩 调节方法 水库 森林 水源涵养 水土保持 水土保持林的水文效应 指水土保持林对一个流域或区域的水文要素的影响 水土保持林与水的关系实质 是水土保持林的水量平衡 即水土保持林对水分循环各要素的影响 它对这些要素进行改变 调控 最终改变地下水与地表水的分配比例 从而改变水文过程 调节地表径流 保持水土 有林才有水 古长安城 七水绕长安 由于植被破坏 现只剩 渭水 土蓄水 水养林 林固土 第一节保持水土 涵养水源作用 一 林冠对降雨的
2、截留作用 1 有关概念 1 林冠截留作用 指降水到达林冠层时 有一部分被林冠层枝叶和树干所临时容纳 而后又蒸发返回大气中去的作用 2 林冠截留量在降雨过程的某一时段内 从林冠表面通过蒸发返回大气中的降水量和降水终止时林冠层还保留的降水量 3 截留率该时段内林冠截留量与林外降水量之比 4 干流量大气降水过程中 有一部分雨量从林冠枝叶体转到树干流入地表形成树干径流 称为干流量 5 林内降雨量林外降雨量去除林冠截留量和干流量后的雨量 由林冠间隙直接降落到地面的林冠通过雨量和从林冠枝叶体表面降落至地面的林冠滴下雨两部分雨量组成 林冠通过雨量林冠滴下雨 1 林冠特性林冠结构 重叠多 孔隙少 截留量多枝叶
3、量 多 少湿润程度 干 湿树种 针叶 灌木 软阔 硬阔林冠贮水量C 一次降雨中林冠所能容纳的最大降水量 2 影响林冠截留量的因素 01020304050 420 降雨量mm 截留量mm 油松 山杨林冠截留 树种与截留率 2 降水量和林冠截留 降水量 mm 3 降水性质和林冠截留同样数量的降水量 当降水性质不同时 截留数量相差很大 当雨水冲击力很大时 林冠就有可能承受不了 另外 由于 附加截留 的存在 林冠的总截留量有可能超过林冠的饱和截留量的那个极限值 附加截留指的是对于历时长的降水在这个阶段中枝叶体还将水继续蒸发到大气中去 它由湿而变干 这样一来又增加了截留雨水的潜力 这种因蒸发而增加的截留
4、称为 附加截留 4 雨前林冠的湿润程度和林冠截留一次降水与前次降水相隔的时段愈长 则通过较长时段的蒸发 在雨前林冠愈干燥 存留雨水的潜在能力愈大 反之 与前次降水相隔的时间愈短 则林冠含有较多的未来得及蒸发的前次截留量 存留雨水的潜在能力就小了 总结 林冠截留的作用 直接消减径流量 推迟林下降雨和出流 减少洪水径流 控制水土流失 对降雨起再分配作用 改变林下降雨的雨滴动能 相对延长降雨历时 穿透雨和截留后二次降雨将大量养料从树冠输送到土壤 二 枯枝落叶层在森林水文中的作用1 枯枝落叶层 由林木及林下植被凋落下来的茎 叶 枝条 花 果实 树皮和枯死的植物残体所形成的一层地面覆盖层 地表特有的一个
5、层次 枯枝落叶层的两种分层方法 未分解层 外形完整 颜色黄至棕黄 半分解层 外形可见易碎 有白色菌丝体 颜色褐至黑褐色 完全分解层 呈粉末状 颜色黑褐色 A00层 残体组织结构肉眼可辨A0层 不可辨 2 枯枝落叶层作用 1 截留 吸收部分降雨 1kg枯枝落叶可吸收2 4kg水分 最高可达其6倍 2 彻底消灭降雨动能 形成地表保护层 维持土壤结构稳定 4 9m s降雨 可将小土粒击溅60 90cm高 1 5m远 雨强50mm h 每公顷雨滴产能相当于625压力 可在1h内使17 5cm厚土层跃至90cm高86次 山地水保林很少完全郁闭 枯枝落叶层防止溅蚀发生 如南方马尾松纯林扒掉针叶后的影响 3
6、 提高土壤入渗能力 增加土壤入渗量 减少地表径流 50年天然常绿阔叶林 枯枝落叶层下渗速度达125mm 分 2 枯枝落叶层作用 4 增加地表粗糙度 分散 滞缓 吸收过滤地表径流 起到调节河川流量和削弱洪峰的作用 1cm厚枯枝落叶层 地表径流速度是裸地的1 6 付辉恩在祈连山试验 1978 1981 枯枝落叶层地表径流速度为0 824m min 150 170年生苔藓层为1 348m min 滞流削峰的局限性 对孤立洪峰或常年洪峰明显 对连续洪峰或超大洪峰作用仅25 30 5 拦截过滤固体径流 沉积沙粒 避免土沙流入河川和水库 12 15m宽林带每年可沉积泥沙5 7cm 生物篱 枯落物的水容量
7、单位干重枯落物所能吸收的水分的数量 一般用它干重吸水的百分数或相当的降雨毫米数表示 LC SL WL 100 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 样本面积 cm2 3 影响枯落物截留量的因素 则干重为WL的枯落物截留量If If WL LC影响水容量的因子 枯落物的组成 叶90 以上分解程度 枯落物的数量 枯落物的数量决定于输入量和分解速度输入量阔 针 密度大 小 年龄大 小 旺盛 衰弱分解速度 微生物完成阔 针 高温 低温 湿润 干燥数量与厚度的关系1cm以上有作用 枯枝落叶的干燥程度 干燥 湿润暴雨时明显 连续降
8、雨不明显 枯枝落叶的水容量 三 水分在森林土壤内渗透储存和移动1 森林的水源涵养功能不同森林类型涵养水源的机能与土壤物理性质的好坏和林地枯枝落叶层的状况关系极大 而森林贮水量的大小主要取决于森林土壤非毛管孔隙度 每公顷降水储存量 t 10000m2 土层厚度 m 土壤非毛管孔隙度 水容重 t m3 由下表看出 土壤非毛管孔隙率大 其降水贮存量也大 有利于涵养水源 广西大明山林区不同森林类型的土壤非毛管孔隙度与土壤蓄水量 皆伐后直接流量和洪峰流量的增加率 更新造林 美国松树河流域 P 150mm 幼苗郁闭 20年径流量是无林流域的11 48 直接径流量 10 30 洪峰流量 日本多摩川 P 31
9、 32mm 荒地 直接径流量4 3mm 洪峰流量1 4m3 s幼林 直接径流量0 79mm 洪峰流量3 3m3 s成林 直接径流量0 048mm 洪峰流量0 51m3 s 各测站相似雨情洪峰过程线特征比较 森林水源涵养作用的定义森林减少地表径流 促使水流均匀进入河川或水库 在枯水期间仍然维持一定量的水进入河川或水库的作用 P18 森林水源涵养作用是指 由于促进了山地降水渗入地下 减少了降雨后的地表径流量 所以在暴雨涨水期 能降低洪峰 调节洪水的效能 由于渗入地下的降水均变为地下水而逐渐流入河川 所以河川流量基本接近一定状态 缓和枯水的效能 P20第7行 产流过程 降雨初损 坡面漫流 流域汇流产
10、流机理 蓄满产流 超渗产流 蓄满产流 包气带未达到蓄水容量以前不产流 达到蓄水容量以后全部产流 受控条件为包气带的水分亏缺量 超渗产流 指降雨强度超过土壤入渗能力时就产流 否则不产流 受控条件为降雨强度和入渗能力的大小 前期雨量影响 土壤干燥 小雨或中雨 有林与无林流域径流都比较小土壤干燥 大雨 森林削洪作用明显连续小雨 中雨 森林削洪作用明显连续降雨 大雨 森林有一定的削洪作用 基本观点 森林可以起到涵养水源 改善河流水文状况的作用在一些地区恢复植被可以增加流域的出水量在另外一些地区恢复植被降低流域的总水量一般来说 恢复植被都可以增加地下径流量 多林区与少林区河流洪 枯流量与含沙量对比 2
11、林地入渗特征 1 影响因子土壤含水量 土壤物理性质 孔隙度 结构 质地 间层 结皮团粒结构土壤 渗透性好林地土壤 枯枝落叶分解 土壤中的树根 草根腐烂更新 土壤动物或微生物多 例子 肥沃橡胶林 500 700万个蚯蚓 ha 贫瘠无林地1 10万个 ha 降雨强度和历时土壤表层植被覆盖条件 2 入渗特征 一般规律 林地 非林地初始入渗率和稳渗率都升高 曲线上移 入渗率随时间增加而平缓降低 曲线呈圆滑形 土壤的积水前时间tP明显延长 单位时间内的入渗量提高 对暴雨 大强度降雨的作用明显 入渗率与土壤结构和植被的关系 不同林地土壤水文性质平均值 北海道各地不同地被的终期入渗率 mm h 黄土地区 吉
12、县 不同地类和地形条件下30分钟土壤累积入渗量 mm 水土保持林在减低洪水流量方面能起的作用 留住土壤中的水分 保持或增加土壤的渗透能力和土壤中的大孔隙 使贮存空间更多 增强了大孔隙的作用 减少侵蚀 从而减少因冲击物造成的大量的洪水水流 在第一次暴雨过后第二次暴雨来到之前 可将水分从土壤贮存处较快的移走 第二节水土保持防护林固持土壤作用 根系网络固持土壤的分析乔灌木树种依靠其深长的垂直根系 以及放射形扩展较广的水平根和斜根 心状根 能以相当大的幅度和深度固持土体 加之树与树之间的根系纵横交错 构成地下钢筋 固土作用将更加增大 此外 深根性树种和浅根性树种树种混交的异龄林 由于根系呈多层分布 促
13、使其土壤和母质层之间的过渡的状态 从而减轻了土壤滑落面的形成 为减少重力侵蚀及石洪 泥石流创造条件 例 16年生青杨 根幅7 5 4 5m 主根深4 6m 40多条侧根 7 8条水平根 15年生刺槐 属浅根性树种 干旱黄土区能下扎8 10m深 祁连山固柏林 根量17 35t干重 ha 长度19590km ha高山灌木锦鸡儿 根量21 81t干重 ha 长度22017km ha山丘地区营造水土保持林的意义主要是利用植物的地上部分和地下部分综合地保护斜坡 它对减少地表径流 削弱和显著削弱土壤侵蚀 加固斜坡和固定陡坡麓堆积物的稳定性起着决定的作用 一 根系形态分布 1 形态主根型 深根型 散生型 水
14、平型 浅根型 2 倾斜面上根系的分布 倾斜面上根系的分布的特点 根系在土壤中分布的深度与坡度关系不大 不论坡度怎样变化 根系总是沿垂直于坡面的方向生长 根系的数量以朝向坡下部伸展为多一些 根系对坡面土壤的固持范围是以垂直于坡面的而非垂直于地心的 几种林地及草坡根系调查统计 二 林木对坡体的稳定的作用 根系的增强作用 弹性阻力转变为抗剪力 土壤水分的减少作用 蒸腾 截留 支撑作用 树干的直接支撑与固定 载荷的作用 林木的重量 根楔的作用 根系深入岩隙 网状根桩的作用 几种植被型土地利用下滑坡面积百分比 3 林木对坡体的稳定作用分析 Gs Gs Gf T0 R0 Tt Rt 无林 有林 三 影响林
15、木固土作用的因子分析 1 树种的生物学特性2 环境因素3 地质条件 1 树种的生物学特性 树种 根型根系发育状况根系的穿透能力根系的表面积 根系的物理特性 根系的直径根系的抗拉强度根系的通直性 穿过剪切面的根量 根面积率越高抗剪强度越大地上生物量与地下根系量紧密相关 小叶锦鸡儿 虎榛子地上生物量与根量幂函数关系 树木的年龄 树木的年龄与根系的固土能力有紧密关系 幼林小中状林大老林下降 日本柳杉5 20龄易滑坡 是成林的5 6倍 采伐对根系固土能力的影响 采伐后 根系逐渐腐烂 根系的固土能力随时间的推移而降低采伐后4 5年易发生滑坡20年生刺槐 伐后2年 4年固土能力分别下降了49 1 60 1
16、5 2 环境因素 土壤种类沙质 壤质 粘质 摩擦力增加 土壤紧实度紧实度越高摩擦力也越高 但紧实度越高根系生长越不良 土壤水分水分增加 摩擦力减小 3 地质条件 A类 土层薄 无过渡层 岩石无裂隙 根系不能深入基岩 B类 土层薄无过度层 岩石有裂隙 根系可以深入基岩 森林的根系可以极大地增加土壤的稳定性 采伐森林使坡体不稳定 C类 土层薄 有过渡层存在 过渡层的抗剪强度大于表土 过渡层导水率低 易对表土造成孔隙水压力 森林根系在表土分布密 在过渡层分布稀 根系对土体的稳定性起了很大作用 使表土层与过渡层之间的抗剪强度极大增强 采伐森林使坡体不稳定 D类 土层深厚 土壤对林木根系生长没有限制作用 根系分布比较深 四 减少崩塌和石洪的发生 水土保持林对重力侵蚀的效应重力侵蚀 是土体或岩体在重力作用下产生的位移 其主要类型有 滑坡 崩塌 泻溜 1 林木对重力侵蚀起促进或抑制效应 国内外尚有争论原因 树木蒸发蒸腾作用 使不透水层潜流减少 水保林防溅蚀和地表冲刷 起了消能保土作用 但暴风雨会摇动树木 增加承压力 林地土壤又有利于水分渗入和土内径流 2 树木根系会对重力侵蚀的作用力产生各种抵抗应力
