水土保持防護林的作用第1頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六水資源：短缺過剩，調節方法：水庫、森林、水源涵養、水土保持。水土保持林的水文效應：指水土保持林對一個流域或區域的水文要素的影響。第2頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六水土保持林與水的關系實質是水土保持林的水量平衡，即水土保持林對水分循環各要素的影響。它對這些要素進行改變、調控，最終改變地下水與地表水的分配比例，從而改變水文過程，調節地表徑流，保持水土。有林才有水，古長安城“七水繞長安”，由于植被破壞，現只?！拔妓?。土蓄水，水養林，林固土第3頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六第一節保持水土、涵養水源作用第4頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六（一）林冠對降雨的截留作用1.有關概念(1)林冠截留作用*指降水到達林冠層時，有一部分被林冠層枝葉和樹干所臨時容納，而后又蒸發返回大氣中去的作用。第5頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六(2)林冠截留量在降雨過程的某一時段內，從林冠表面通過蒸發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到樹干流入地表形成樹干徑流，稱為干流量。第6頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六

(5)林內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第7頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六（1）林冠特性林冠結構：重疊多、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第8頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六01020304050420降雨量mm截留量mm油松、山楊林冠截留第9頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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)29．522．018．93．822．44．04．0郁閉度0．90．80．70．70．90．70．7樹冠厚（m）10．27．55．21．73．51．41．4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(%)26．616．514．88．222．218．518．3備注中國科學院地理研究所水文室，陜西黃龍林區仙姑河上游寺溝流域，單叢觀測。第10頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六（2）降水量和林冠截留

截留量（mm）1234524681012降水量（mm）第11頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六

（3）降水性質和林冠截留同樣數量的降水量，當降水性質不同時，截留數量相差很大。當雨水沖擊力很大時，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蒸發到大氣中去，它由濕而變干，這樣一來又增加了截留雨水的潛力，這種因蒸發而增加的截留稱為“附加截留”。第12頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六（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，在雨前林冠愈干燥，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的前次截留量，存留雨水的潛在能力就小了。第13頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六總結：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料從樹冠輸送到土壤。第14頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六二、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、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）第15頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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：殘體組織結構肉眼可辨

A0層：不可辨第16頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六2.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，最高可達其6倍。（2）徹底消滅降雨動能，形成地表保護層，維持土壤結構穩定；

4-9m/s降雨，可將小土粒擊濺60－90cm高，1.5m遠；雨強50mm/h，每公頃雨滴產能相當于625壓力，可在1h內使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，枯枝落葉層下滲速度達125mm/分。第17頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六2.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，起到調節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（1978－1981）：枯枝落葉層地表徑流速度為0.824m/min；150～170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，對連續洪峰或超大洪峰作用僅25－30％。（5）攔截過濾固體徑流，沉積沙粒，避免土沙流入河川和水庫。

12－15m寬林帶每年可沉積泥沙5－7cm,生物籬。第18頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六①枯落物的水容量*單位干重枯落物所能吸收的水分的數量，一般用它干重吸水的百分數或相當的降雨毫米數表示。LC(%)=SL/WL×100%LC(mm)=SL/(ρ·AL)×10Lc－水容量；SL－截留降雨量(g)；WL－枯落物干重(g)；ρ－水的密度(g/cm3)；AL－樣本面積(cm2)。3.影響枯落物截留量的因素第19頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六則干重為WL的枯落物截留量If:

If=WL×LC

影響水容量的因子：

枯落物的組成：葉90％以上

分解程度

第20頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六②枯落物的數量枯落物的數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＞干燥數量與厚度的關系1cm以上有作用第21頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六③枯枝落葉的干燥程度干燥＞濕潤暴雨時明顯，連續降雨不明顯。第22頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六枯枝落葉的水容量森林類型枯落物年產量(kg/hm2)枯枝落葉層特征組成各組成物重量(kg/hm2)自然含水率(%)最大持水率(%)有效蓄水率(%)一次降水正常有效儲水深度(mm)厚度(cm)重量(kg/hm2)松林20303．52782枝葉半腐物1621025160064119552．3251027711818264櫟林26804．02865枝葉半腐物36592015804272302．7482982509710646第23頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六三、水分在森林土壤內滲透儲存和移動1.森林的水源涵養功能

不同森林類型涵養水源的機能與土壤物理性質的好壞和林地枯枝落葉層的狀況關系極大，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，有利于涵養水源。第24頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六廣西大明山林區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第25頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六皆伐后直接流量和洪峰流量的增加率

試驗地點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20～30436611860430～4025466120540～5020366228350～6023525011960～801841365280～10024332441100～120833968120～16018233838160～28393184龍之口北谷20～30793894310330～40653493311140～50441065911450～603611111013160～8029767512980～100596746110100～120517064124120～1404577113153140～16053796982第26頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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11－48％（直接徑流量）10－30％（洪峰流量）日本多摩川：

P=31－32mm:

荒地：直接徑流量4.3mm，洪峰流量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

第27頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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kg/s.km2洪峰過程的峰度系數Ce相對歷時％雨量cm歷時min強度mm/h歷時min徑流深mm9月22～30王家河119.60131.200．73140.77724．850．90187黨家川106.8114.050．91681.605167．5010．501007月26～28王家河55.036.101．51140.23402．751．75119黨家川56.918.561．5960.321011．9613．0010010月6～13王家河28.776.40．41560.19984．850．62130黨家川28.650.240．61200.24556．8613．80100第28頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六第29頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六第30頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六森林水源涵養作用的定義

森林減少地表徑流，促使水流均勻進入河川或水庫，在枯水期間仍然維持一定量的水進入河川或水庫的作用。（P18）森林水源涵養作用是指：①由于促進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（調節洪水的效能）；②由于滲入地下的降水均變為地下水而逐漸流入河川，所以河川流量基本接近一定狀態（緩和枯水的效能）。（P20第7行）第31頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六產流過程：降雨初損，坡面漫流，流域匯流產流機理：蓄滿產流，超滲產流第32頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六蓄滿產流*包氣帶未達到蓄水容量以前不產流，達到蓄水容量以后全部產流，受控條件為包氣帶的水分虧缺量。超滲產流*指降雨強度超過土壤入滲能力時就產流，否則不產流，受控條件為降雨強度和入滲能力的大小。第33頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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小雨，中雨，森林削洪作用明顯連續降雨，大雨，森林有一定的削洪作用第34頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六基本觀點森林可以起到涵養水源，改善河流水文狀況的作用在一些地區恢復植被可以增加流域的出水量在另外一些地區恢復植被降低流域的總水量一般來說，恢復植被都可以增加地下徑流量第35頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六多林區與少林區河流洪、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)多林區的河流亞馬孫河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5600.037.00第36頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六第37頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六2.林地入滲特征

(1)影響因子土壤含水量：土壤物理性質：孔隙度、結構、質地、間層、結皮

團粒結構土壤：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：500～700萬個蚯蚓/ha，貧瘠無林地1～10萬個/ha。降雨強度和歷時土壤表層植被覆蓋條件

第38頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六(2)入滲特征*一般規律：林地>非林地初始入滲率和穩滲率都升高，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；單位時間內的入滲量提高，對暴雨、大強度降雨的作用明顯。第39頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六入滲率與土壤結構和植被的關系

土壤結構入滲能力（mm/h）裸土植被覆蓋的土壤粘土0～55～10粘壤土5～1010～20壤土10～1520～30沙壤土15～2020～40沙土20～2540～50第40頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六不同林地土壤水文性質平均值處理容重(g/cm3)前期含水量(cm3/cm3)吸力(10-4m/s)有效飽和導水率(m/s)集水前時間(s)未擾動1．0929．151．1645．145×10－534．3集材道1．1628．000．9490．545×10－519．1碾壓1．3932．210．5280．070×10－55．8第41頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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第42頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六黃土地區（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耕地陰坡708．3166．5152．877．294．1陽坡179．261．578．494．828．4坡底131．885．282．259．964．5坡頂205．4136．895．062．675．3平均306．2112．5102．173．665．6第43頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六第44頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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，增強了大孔隙的作用；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45頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六第二節

水土保持防護林固持土壤作用根系網絡固持土壤的分析喬灌木樹種依靠其深長的垂直根系，以及放射形擴展較廣的水平根和斜根，心狀根，能以相當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，促使其土壤和母質層之間的過渡的狀態，從而減輕了土壤滑落面的形成，為減少重力侵蝕及石洪，泥石流創造條件。第46頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六

例：16年生青楊，根幅7.5×4.5m，主根深4.6m，40多條側根，7－8條水平根。

15年生刺槐，屬淺根性樹種，干旱黃土區能下扎8~10m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定性起著決定的作用。第47頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六一、根系形態分布1.形態主根型（深根型）、散生型、水平型（淺根型）第48頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六2.傾斜面上根系的分布第49頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六傾斜面上根系的分布的特點*根系在土壤中分布的深度與坡度關系不大；不論坡度怎樣變化，根系總是沿垂直于坡面的方向生長；根系的數量以朝向坡下部伸展為多一些；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。第50頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六幾種林地及草坡根系調查統計

根系地類根徑0～1mm根徑1～3mm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第51頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六二、林木對坡體的穩定的作用根系的增強作用－彈性阻力轉變為抗剪力；土壤水分的減少作用－蒸騰、截留；支撐作用－樹干的直接支撐與固定；載荷的作用－林木的重量；根楔的作用－根系深入巖隙。第52頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六網狀根樁的作用第53頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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23．91年生草11．9多年生草6．5河岸森林5．3橡樹沙巴拉群落2．6植物型滑坡面積闊葉沙巴拉群落1．2第54頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六3.林木對坡體的穩定作用分析GsGsGfT0R0TtRt無林有林第55頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六三、影響林木固土作用的因子分析1.樹種的生物學特性2.環境因素3.地質條件第56頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六1.樹種的生物學特性樹種

根型根系發育狀況根系的穿透能力根系的表面積第57頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六根系的物理特性根系的直徑根系的抗拉強度根系的通直性第58頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六穿過剪切面的根量根面積率越高抗剪強度越大地上生物量與地下根系量緊密相關小葉錦雞兒虎榛子地上生物量與根量冪函數關系第59頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六樹木的年齡樹木的年齡與根系的固土能力有緊密關系幼林小中狀林大老林下降日本柳杉5－20齡易滑坡，是成林的5～6倍第60頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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4～5年易發生滑坡

20年生刺槐，伐后2年、4年固土能力分別下降了49.1％、60.15％第61頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六2.環境因素土壤種類沙質→壤質→粘質：摩擦力增加。土壤緊實度緊實度越高摩擦力也越高，但緊實度越高根系生長越不良。土壤水分水分增加，摩擦力減小。第62頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六3.地質條件A類：土層薄，無過渡層，巖石無裂隙，根系不能深入基巖。第63頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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定性，采伐森林使坡體不穩定。第64頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六C類土層薄，有過渡層存在，過渡層的抗剪強度大于表土，過渡層導水率低，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。根系對土體的穩定性起了很大作用，使表土層與過渡層之間的抗剪強度極大增強。采伐森林使坡體不穩定。第65頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六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。第66頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六四、減少崩塌和石洪的發生水土保持林對重力侵蝕的效應重力侵蝕：是土體或巖體在重力作用下產生的位移。其主要類型有：滑坡、崩塌、瀉溜第67頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六

1．林木對重力侵蝕起促進或抑制效應，國內外尚有爭論原因：樹木蒸發蒸騰作用，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；但暴風雨會搖動樹木，增加承壓力，林地土壤又有利于水分滲入和土內徑流。

2．樹木根系會對重力侵蝕的作用力產生各種抵抗應力,若根系抵抗應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生。

3.水保林能控制瀉留，淺層滑坡和小削塌。

第68頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六防止崩塌的作用崩塌發生在地質比較疏松、巖石物理風化強烈、地震頻繁的地區。森林改善風化條件：濕度、溫度、日照。樹木的直接阻擋作用。與工程措施相結合。第69頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六對泥石流的緩和作用泥石流發生條件：大量疏松堆積物，足夠的降雨量，充足的前期降雨量，快速的徑流反應時間。森林的作用發生區：蒸騰、蒸發，減少土壤水分；林木根系的網絡、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：阻擋作用，減少沿途兩側的物質、流量補給作用；減少泥石流的運動距離；降低泥石流的能量。第70頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六五、正確評價根系的固土作用1.根系范圍(一般為40~60cm)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定產生負作用；坡很陡，地表幾十厘米以下的基巖不透水；高海拔地區的凍融層；樹大招風。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71頁，共79頁，2023年，2月20日，星期六第三節

水土保持防護林的其他作用一、防風固沙，保護農田

1．現狀：沙漠10.6億畝，戈壁8.5億畝，合計19.1億畝，占13.3%，全國風蝕面積191萬km2。

2．植被