水土保持防护林的作用.ppt

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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第一章 水土保持防护林的作用水土保持防护林的作用水资源：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：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，

2、水养林，林固土第一节 保持水土、涵养水源作用（一）林冠对降雨的截留作用（一）林冠对降雨的截留作用1.1.有关概念有关概念(1)(1)林冠截留作用林冠截留作用*指降水到达林冠层时，有一指降水到达林冠层时，有一部分被林冠层枝叶和树干所部分被林冠层枝叶和树干所临时容纳，而后又蒸发返回临时容纳，而后又蒸发返回大气中去的作用。大气中去的作用。(2)(2)林冠截留量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)(3)截留率截留率该时段内林冠截留量与林外降水量之比。(4)(4)干流量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

3、形成树干径流，称为干流量。(5)(5)林内降雨量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。2.2.影响林冠截留量的因素影响林冠截留量的因素01020304050420降雨量降雨量mmmm截截留留量量mmmm油松、山杨林冠截留树种与截留率树种与截留率树种树种树树冠冠特征特征及截及截留率留率针叶针叶阔叶阔叶灌木灌木油松油松软阔叶

4、软阔叶硬阔叶硬阔叶沙柳沙柳杭子梢杭子梢茶条槭茶条槭山杨山杨海棠海棠辽东栎辽东栎树树冠冠投投影影面面积积(m2)295220189382244040郁闭度郁闭度09080707090707树冠厚（树冠厚（m）102755217351414树冠形状树冠形状塔型塔型圆锥型圆锥型漏斗漏斗型型圆锥型圆锥型馒头状馒头状圆锥状圆锥状圆锥状圆锥状平均截留率平均截留率(%)26616514882222185183备注备注中中国国科科学学院院地地理理研研究究所所水水文文室室，陕陕西西黄黄龙龙林林区区仙仙姑姑河河上上游游寺寺沟沟流流域域，单丛观测。单丛观测。（2）降水量和林冠截留 截留量（mm）1234524681

5、012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

6、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

7、：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6090cm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）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

8、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（19781981）：枯枝落叶层地表径流速度为0.824m/min；150170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2530。（5）拦截过滤固体径流，沉积沙粒，避免土沙流入河川和水库。1215m宽林带每年可沉积泥沙57cm,生物篱。枯落物的水容量枯落物的水容量*单单位位干干重重枯枯落落物物所所能能吸吸收收的的水水分分的的数数量量，一一般般用用它它干干重吸水的百分数或相当的降雨毫米数表示。重吸水的百分数或相当的降雨毫米数表示。L LCC(

9、%)=S(%)=SL L/W/WL L100%100%LLCC(mm)=S(mm)=SL L/(A/(AL L)10)10LcLc水容量；水容量；S SLL截留降雨量截留降雨量(g)(g)；WWLL枯落物干重枯落物干重(g)(g)；水的密度水的密度(g/cm(g/cm33)；A ALL样本面积样本面积(cm(cm22)。3.影响枯落物截留量的因素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=WLLC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

10、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，连续降雨不明显。枯枝落叶的水容量森林类型枯落物年产量(kg/hm2)枯枝落叶层特征组成各组成物重量(kg/hm2)自然含水率(%)最大持水率(%)有效蓄水率(%)一次降水正常有效储水深度(mm)厚度(cm)重量(kg/hm2)松林2030352782枝叶半腐物16210251600641195523251027711818264栎林2680402865枝叶半腐物365920158042723027482982509710646三、水分在森林土壤内渗透储存和移动三、水分在森林土壤内渗透储存和移动1.1.森林的水源涵养功能森林的水

11、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森林森林类类型型天然林天然林天然次生天然次生林林马马尾松木尾松木莲莲混交林混交林马马尾松尾松林林杉木林杉木林草坡草坡非毛管孔隙度非毛管孔隙度（%）17.5817.5813.5813.5810.7310.7311.5811.589.569.5

12、67.947.940-200-20厘米土厘米土层层降水降水贮贮存量存量（吨（吨/公公顷顷）351.6351.6277.0277.0214.6214.6231.6231.6 191.2191.2 158.8158.8皆伐后直接流量和洪峰流量的增加率 试验地点试验地点一次雨量级一次雨量级直接径流量直接径流量平均平均增加率增加率()最大最大洪峰流量洪峰流量平均平均增加率增加率(%)最大最大釜渊二号集水区2030436611860430402546612054050203662283506023525011960801841365280100243324411001208339681201601823

13、383816028393184龙之口北谷203079389431033040653493311140504410659114506036111110131608029767512980100596746110100120517064124120140457711315314016053796982更新造林美国松树河流域：美国松树河流域：P=150mm:P=150mm:幼苗幼苗郁闭，郁闭，2020年年 径流量是无林流域的径流量是无林流域的11114848（直接径流量）（直接径流量）10103030（洪峰流量）（洪峰流量）日本多摩川：P=3132mm:荒地荒地：直接径流量4.3mm，洪峰流量1.4

14、m3/s幼林：幼林：直接径流量0.79mm，洪峰流量3.3m3/s成林：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 雨洪日期测站雨情洪峰最大流量模数kg/s.km2洪峰过程的峰度系数Ce相对历时雨量cm历时min强度mm/h历时min径 流深mm9月2230王家河119.60131.20073140.7772485090187党家川106.8114.05091681.6051675010501007月2628王家河55.036.10151140.2340275175119党家川56.918.5615960.32101196130010010月613

15、王家河28.776.4041560.1998485062130党家川28.650.24061200.24556861380100森林水源涵养作用的定义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，流域汇流产流机理：蓄满产流，超渗产流蓄满产流*包气带未达

16、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1.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，小雨或中雨，有林与无林流域径流都比较小2.土壤干燥，大雨，森林削洪作用明显土壤干燥，大雨，森林削洪作用明显3.连续小雨，中雨，森林削洪作用明显连续小雨，中雨，森林削洪作用明显4.连续降雨，大雨，森林有一定的削洪作用连续降雨，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

17、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 河流名称最大流量与最小流量比平 均 含 沙 量(kg/m3)多林区的河流亚马孙河3.00.06刚果河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少林区的河流尼罗河49.01.25印度河637.02.08密苏里河210.02.97科罗拉多河16.60辽河9000.06.86永定河40000.060.80黄河5600.037.002.林地入渗特征林地入渗特征 (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

18、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：500700万个蚯蚓/ha，贫瘠无林地110万个/ha。降雨强度和历时 土壤表层植被覆盖条件 (2)入渗特征*v一般规律：林地非林地v初始入渗率和稳渗率都升高，曲线上移；v入渗率随时间增加而平缓降低，曲线呈圆滑形；v土壤的积水前时间tP明显延长；v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 土壤结构入渗能力（mm/h）裸土植被覆盖的土壤粘土05510粘壤土5101020壤土10152030沙壤土15202040沙土20254050不同林地土壤水文性质

19、平均值处理容重容重(g/cm3)前期含水前期含水量量(cm3/cm3)吸力吸力(10-4m/s)有效饱和导水有效饱和导水率率(m/s)集水前时集水前时间间(s)未扰动109291511645145105343集材道116280009490545105191碾压13932210528007010558北海道各地不同地被的终期入渗率（mm/h）地被类别地被类别林地林地草地草地耕地耕地放牧地放牧地裸露地裸露地终终期期下下渗渗率率414128563714黄土地区（吉县）不同地类和地形条件下30分钟土壤累积入渗量（mm）地类部位灌木林油松林刺槐林荒草地农耕地阴坡708316651528772941阳坡1

20、792615784948284坡底1318852822599645坡顶20541368950626753平均306211251021736656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

21、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7.54.5m，主根深4.6m，40多条侧根，78条水平根。15年生刺槐，属浅根性树种，干旱黄土区能下扎810m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

22、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、根系形态分布一、根系形态分布1.形态 主根型（深根型）、散生型、水平型（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 根系地类根径01mm根径13mm根径3mm总计备注根长m干重kg根长m干重kg根长m干重kg根长m干重kg青海云杉249.80.1585.61.3370.22.55405.64.03祁连山圆柏844.

23、00.34146.40.5471.91.661062.32.54高山灌丛1167.50.32308.70.6157.31.371533.52.30草坡1518.80.52二、林木对坡体的稳定的作用二、林木对坡体的稳定的作用根系的增强作用根系的增强作用弹性阻力转变为抗剪弹性阻力转变为抗剪力；力；土壤水分的减少作用土壤水分的减少作用蒸腾、截留；蒸腾、截留；支撑作用支撑作用树干的直接支撑与固定；树干的直接支撑与固定；载荷的作用载荷的作用林木的重量；林木的重量；根楔的作用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 鼠尾草和高山淫羊藿鼠尾草和高山淫羊藿2391年生草年生草1

24、19多年生草多年生草65河岸森林河岸森林53橡树沙巴拉群落橡树沙巴拉群落26植物型植物型滑坡面积滑坡面积阔叶沙巴拉群落阔叶沙巴拉群落123.林木对坡体的稳定作用分析GsGsGfT0R0TtRt无林无林有林有林三、影响林木固土作用的因子分三、影响林木固土作用的因子分析析1.树种的生物学特性树种的生物学特性2.环境因素环境因素3.地质条件地质条件1.树种的生物学特性树种的生物学特性树种树种树种树种根型根型根系发育状况根系发育状况根系的穿透能力根系的穿透能力根系的表面积根系的表面积根系的物理特性根系的直径根系的直径根系的抗拉强度根系的抗拉强度根系的通直性根系的通直性穿过剪切面的根量根根面积率越高抗剪

25、强度越大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树木的年龄与根系的固土能力有紧密关系系幼林小中状林大老林下降日本柳杉日本柳杉日本柳杉日本柳杉日本柳杉日本柳杉5 5 5202020龄易滑坡，是成林的龄易滑坡，是成林的龄易滑坡，是成林的龄易滑坡，是成林的龄易滑坡，是成林的龄易滑坡，是成林的5 5 56 6 6倍倍倍倍倍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随时间的推移而降低采伐后采伐后45年易发

26、生滑坡年易发生滑坡 20年生刺槐，伐后年生刺槐，伐后2年、年、4年固土能力年固土能力分别下降了分别下降了49.1、60.152.环境因素v土壤种类土壤种类沙质壤质 粘质：摩擦力增加。v土壤紧实度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。v土壤水分土壤水分水分增加，摩擦力减小。3.地质条件A类：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

27、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,若根系抵抗应力大于可能位移的土体及其上林木重量的作用

28、力，就能阻止重力侵蚀的发生。3.水保林能控制泻留，浅层滑坡和小削塌。防止崩塌的作用v崩塌发生在地质比较疏松、岩石物理风化强烈、地震频繁的地区。v森林改善风化条件：湿度、温度、日照。v树木的直接阻挡作用。v与工程措施相结合。对泥石流的缓和作用v泥石流发生条件：大量疏松堆积物，足够的降雨量，充足的前期降雨量，快速的径流反应时间。v森林的作用v发生区：蒸腾、蒸发，减少土壤水分；林木根系的网络、固持作用；树干的支撑、阻挡作用；流域上部森林减少径流量。v流通区：阻挡作用，减少沿途两侧的物质、流量补给作用；减少泥石流的运动距离；降低泥石流的能量。五、正确评价根系的固土作用v1.根系范围(一般为4060cm

29、)为固持土壤的范围，对更深层则无能为力；v2.有时树体地上部分的重量对坡面稳定产生负作用；坡很陡，地表几十厘米以下的基岩不透水；高海拔地区的冻融层；树大招风。v3.对较小滑动体的固持作用较明显，对很大滑动体不明显。第三节水土保持防护林的其他作用一、防风固沙，保护农田 1现状：沙漠10.6亿亩，戈壁8.5亿亩，合计19.1亿亩，占13.3%，全国风蚀面积191万km2。2植被固沙是最有效而持久的方式 降低风速：不起沙(4m/s)；使已起沙沉积。3效果：植被覆盖率40，固定沙地；1540，半固定沙地；15%，流动沙丘。例子：新疆林科所试验：骆驼刺草带48.3cm高，60.7%覆盖率，风越草带244

30、m，降低45.4%；沙漠高速公路，兰新铁路；沙漠绿洲；塔里木河放水，胡杨林恢复。第三节水土保持防护林的其他作用二、改良土壤，增强地力 林地：吸收养分只相当于农作物1/101/15，只3040%生长木材，6070以枯枝落叶形式归还土壤，30006000kg/hm2。林地枯枝落叶微生物、土壤动物共同作用。如同鲁迅说的“吃的是草，而给予的是奶和血”三、调节气候，改善环境1调节温度林冠层反射，吸收太阳辐射能，蒸腾吸热；林内空气交流弱；有利于农作物生长发育。2提高湿度，增加雨量影响降雨三大因素：大气环流、地理位置、海拔高度。1）林木蒸发、蒸腾，提高湿度，夏季温低，湿度高，易成云致雨；2）无林区温高，上升

31、气流，有林区温低，下降气流，空气对流，湿空气受森林阻碍成雨。（林外日出林内雨，道是无晴却有晴）3降低风速，减少蒸发农田防护林带，海防林带森林下垫面的特点*v林分的活动层比裸地厚得多；v下垫面粗糙度增加；v森林有三个作用面，使辐射和热量交换更为复杂；林冠上层、林冠层、林下土壤层。v随季相、林分结构、生长发育阶段变化。森林下垫面作用结果v改变了热量平衡；v改变了垂直乱流交换与水平热交换；v改变了近地层垂直的温度、湿度；v改变了水分垂直交换的数量和过程；v改变了降雨的分配量、水汽凝结、蒸发过程。森林小气候的特点*v净辐射高，大于裸地25，资源利用率提高；v潜热量增多、感热量减少，大气湿度增加；v林下热通量减小，蒸发降低，林内温度变化缓和；v林冠上方乱流交换增强，热量不易集中，近地层温度缓和；v林内乱流交换减弱，是林外风速的2050；v总之，森林小气候向增湿、缓和气温和天气过程变化。第三节水土保持防护林的其他作用四、减少泥沙，净化水质净化水质：枯枝落叶层起作用对比例子：有林区 6.4t/km2（溶解物质），无林区 16.9t/km2思考题：v如何正确评价水保林对降雨的作用及根系的固土作用？