皖東低丘陵麻櫟薪炭林水保水文效益研究-碩士論文

獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu) 的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均 已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 研究生簽名：墨蘭磁t 時(shí)間：少，護(hù)年加幾 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán) 保留送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。同意安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)可以用不同方式在不同 媒體上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議) 研究生簽名：魚(yú)蔓監(jiān) 第一導(dǎo)師簽名：絲 時(shí)間：抄礦彩月幾 時(shí)間：少z 多年鄉(xiāng)月廠日 I I 摘要 在野外實(shí)測(cè)和室內(nèi)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)皖東低丘陵麻櫟薪炭林開(kāi)展水土保持、 水文效益研究，通過(guò)微觀指標(biāo)的分析，建立以綜合指標(biāo)土壤侵蝕模數(shù)為自變量， 指示指標(biāo)土壤抗沖系數(shù)、滲透系數(shù)和崩解系數(shù)為因變量的回歸模型。具體闡述了 林分三個(gè)層次水文效益，包括林冠層、地表枯落物層、根系土壤層，通過(guò)三個(gè)層 次對(duì)大氣降雨的重新分配，產(chǎn)生地表徑流與土壤侵蝕進(jìn)行系統(tǒng)研究，結(jié)果如下： ( 1 ) 本研究的1 2 個(gè)林分林冠層截留降雨存在差異，而且季節(jié)降雨量不同導(dǎo)致 林冠截留量的變化。天然林林冠截留最大，截留率為6 3 4 0 ，最小為1 a 麻櫟， 截留率為0 3 6 ，8 種不同類型的麻櫟林分隨著林齡和郁閉度的增加，林冠截留 呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。 ( 2 ) 地表枯落物儲(chǔ)量不同，分解有差異，導(dǎo)致林分地表層有效攔蓄水量和持 水能力不同。在調(diào)查林分中，8 年生麻櫟林?jǐn)r蓄能力最強(qiáng)，有效攔蓄量達(dá) 3 4 4 8 t h m 2 ，相當(dāng)于3 4 4 m m 水深，7 a 生麻櫟林有效攔蓄量已超過(guò)1 4 a 生馬尾松 林，8 年生其枯落物儲(chǔ)量高于當(dāng)?shù)胤植嫉闹饕脖?。麻櫟林具有良好的水源涵養(yǎng) 和保持水土能力。 ( 3 ) 通過(guò)分析植被根系和土壤的理化性質(zhì)，二者影響土壤抗侵蝕性能，并建 立它們之間的相關(guān)模型。l m m 根徑的根長(zhǎng)、l m m 根徑的根量、l m m 根徑 的根密度三指標(biāo)對(duì)土壤抗蝕性影響最大，l m m 根徑的細(xì)根具有顯著改善土壤 內(nèi)環(huán)境，增強(qiáng)土壤抗沖、抗蝕能力，而 l m m 的粗根徑能夠改善土壤孔隙容積， 增加入滲水量。徑流量的產(chǎn)生與土壤滲透速率大小、抗沖性強(qiáng)弱、抗蝕性能優(yōu)越 三者的關(guān)系顯著，地表徑流大則土壤侵蝕量大。 ( 4 ) 在土地利用上，合理利用林糧間作模式，在一定程度上增加了土壤水穩(wěn) 性團(tuán)聚體含量，從而加強(qiáng)了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，該研究系統(tǒng)1 a 麻櫟、3 a 麻櫟和 坡耕地前期都套種農(nóng)作物，大量腐爛的根系形成的土壤結(jié)構(gòu)體，增加了土壤孔隙 度和滲透性能，所以在減少地表徑流，完善水土保持功能上作用顯著。 ( 5 ) 在水土保持綜合功能評(píng)價(jià)中，麻櫟純林和松櫟混交林抗蝕、保水、保土 性能較當(dāng)?shù)仄渌址诛@著。 ( 6 ) 麻櫟作為混交林主要組成樹(shù)種，充分發(fā)揮了林木水文系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，麻櫟 不但是經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，而且是良好的生態(tài)樹(shù)種。 關(guān)鍵詞：麻櫟薪炭林滲透性抗沖性抗蝕性地表徑流 A b s t r a c t B a s e do nt h er e s u l t sf r o mt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dt h ef i e l d t e s t m e a s u r e m e n t ，t h ef u n c t i o no fh y d r o l o g i ci n f o r m a t i o na n dw a t e ra n ds o i lc o n v e r s a t i o n o fQ u e r c u sa c u t i s s i m aC a n u t h , ( S a w t o o t hO a k ) f i r e w o o df o r e s to ft h el o wh i l l si nt h e e a s to fA n h u ii ss t u d i e d T h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em i c r o c o s m i ci n d e x e s ，t h ep a p e r e s t a b l i s h e st h er e g r e s s i o nm o d e lb yc o m p r e h e n s i v ei n d e xo fs o i le r o s i o nm o d u l u sa s t h ed e p e n d e n tv 撕a b l e ，t h ei n d i c a t e di n d e xo ft h es o i lr e s i s t a n c ec o e 街c i e n t ，t h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ta n dt h ed i s i n t e g r a t i o nc o e f f i c i e n ta st h ei n d e p e n d e n tv a r i a b l e s A n di ts t u d i e si nd e t m lt h eh y d r o l o g i ci n f o r m a t i o no ff o r e s ts t a n d ，i n c l u d i n gt h e c a n o p yl a y e r s ，t h el i t t e rl a y e r sa n dt h er o o t z o n es o i lm i x t u r e ，a n de x a m i n e s s y s t e m a t i c a l l yt h er e d i s t r i b u t i o no fr a i n f a l l ，s u r f a c en m o f fa n ds o i le r o s i o n ，t h er e s u l t s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) T h e r ea r ed i f f e r e n c e sa m o n g t h e1 2f o r e s t s t a n d sa sf a ra sc a n o p yi n t e r c e p t i o n o fr a i n f a l li sc o n c e r n e d ，a n ds e a s o n a lr a i n f a l lc h a n g e dt h ei n t e r c e p t i o no fr a i n f a l l T h e i n t e r c e p t i o no fr a i n f a l l f o rn a t u r a lf o r e s ts t a n d sa ti t sh i g h e s t ，w i t ham a x i m u m i n t e r c e p t i o nr a t eo f6 3 4 0p e r c e n t ；w h i l et h ei n t e r c e p t i o no fr a i n f a l lf o ro n e - y e a r Q u e r c u sa c u t i s s i m aC a r r u t hh a sa l li n t e r c e p t i o nr a t eo f0 3 6p e r c e n t T h ei n t e r c e p t i o n o fr a i n f a l lo f8d i f f e r e n tt y p e so fS a w t o o t hO a ki n c r e a s e sw i t ht h ea g ea n dc r o w n d e n s i t yo ft h ef o r e s t ( 2 ) A si st h ed i f f e r e n ti ns t o c k sc a p a c i t yo fl i t t e rl a y e ra n dd e c o m p o s e r , S Oi s w a t e r - h o l d i n gc a p a c i t ya n di n t e r c e p t i o nc a p a c i t y I nt h i ss u r v e y , t h ee i g h ty e a r s S a w t o o t hO a ki nt h ef o r e s ti n t e r c e p t i o nc a p a c i t yi ss t r o n g ，t h ee f f e c t i v ei n t e r c e p t i o n c a p a c i t ya m o u n t st o3 4 4 8 t h m z e q u i v a l e n tt oaw a t e rd e p t ho f3 4 4 m m T h ee f f e c t i v e i n t e r c e p t i o nc a p a c i t yf o r t h es e v e n t h - y e a rQ u e r c u sa c u t i s s i m aC a r r u t hs u r p a s s e st h a t o ft h ef o u r t e e n t h - y e a rM a s s o n , a n di t ss t o c k sc a p a c i t yo fl i t t e rf o rt h ee i g h t h - - y e a r e x c e e d st h a to fl o c a lm a i nv e g e t a t i o n ，i tp o s s e s s e sb e t t e rw a t e rc o n s e r v a t i o na b i l i t y ( 3 ) T h r o u g ht h ea n a l y s i so fr o o t s y s t e ma n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fs o i l ，i ti s d i s c o v e r e dt h a tt h e ya f f e c ts o i le r o s i o nr e s i s t a n c ea b i l i t y , a n dt h er e l a t i v em o d e l b e t w e e nt h e mi se s t a b l i s h e d T h r e ei n d i c e s ，i e ，r o o tl e n g t h ，r o o tv o l u m e ，a n dr o o t d e n s i t yo fl e s st h a nlm m c o r ed i a m e t e r , i n f l u e n c eg r e a t l yt h es o i la n t i e r o d i b i l i t y W h e r e a st h i c kc o r ed i a m e t e ro fm o r et h a nlm m ，h o w e v e r , C a ni m p r o v es o i lp o r e v o l u m e ，a n di n c r e a s ea m o u n to fi n f i l t r a t i n gW a t e r T h eg e n e r a t i o no fr u n o f fb e a r s d i r e c t l yo nt h er a t eo fs o i li n f i l t r a t i o np r o p e r t y , t h es t r e n g t ho fs o i la n t i s c o u r a b i l i t y a n dt h ew e l l - f u n c t i o n i n go fa n t i e r o d i b i l i t y T h eg r e a t e rt h er u n o f f , t h eg r e a t e rt h es o i l e r o s i o n T h er o o ts y s t e ml e s st h a n1 O m mi nd i a m e t e rs i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e si n t e r n a l e n v i r o n m e l l La n de n h a n c e ss o i lr e s i s t a n c e ，b u tt h er o o ts y s t e mg r e a t e rt h a n1 0 m mi n d i a m e t e ri m p r o v e ss o i lw a t e ri n f i l t r a t i o n ( 4 ) I nt h eu t i l i z a t i o no fl a n d ，t h em o d eo fi n t e r p l a n t i n g o ft r e e sa n dc r o p s i n c r e a s e st h ec a p a c i t yo fw a t e r s t a b l ea g g r e g a t e ，t h e r e b ys t r e n g t h e n i n g r e u n i o nc o n t e n t o fs o i ls t r u c t u r es t a b i l i t y I nt h i ss y s t e m ，m el a n d so ft h ef i r s ty e a ra n dt h et h i r dy e a r Q u e r c u sa c u t i s s i m aC a r r u t h ，s l o ps o i li n t e r p l a n tc r o p s ，a l lt h er o t t e ni n t e r p l a n t i n g r o o t s s v s t e ms t r e n g t h e nt 1 1 es o i ls t r u c t u r e ，i n c r e a s et h ep o r o s i t ya n dp e r m e a b i l i t yo fs o i l ，S O t h ef u n c t i o no ft h es o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o ni so u t s t a n d i n g ( 5 ) I nt h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fs o i la n d w a t e rc o n s e r v a t i o nf u n c t i o n ，t h e p u r ef o r e s to fQ u e r c u sa c u t i s s i m aC a r r u t ha n d t h em i x e df o r e s to fQ u e r c u sa c u t i s s i m a C 缸m t ha n dP i n u se l l i o t t i i ，t h ew a t e ra n ds o i le r o s i o nr e s i s t a n c ep r o p e r t i e sa r eb e t t e r t h a no t h e rl o c a lp l a n t a t i o n s ( 6 ) A st h em a i nm i x e df o r e s t ，t h eS a w t o o t hO a kg i v e sf u l lp l a yt o i t sh y d r o l o g i c b e n e f i t s Q u e r c u sa c u t i s s i m a , t h ep r i m a r ys o u r c e so fi n d u s t r i a lt r e e ，i sn o to n l yo n e o f t h em o s ti m p o r t a n te c o n o m i ct r e es p e c i e s ，b u ta l s oa l li m p o r t a n te c o l o g i c a ls p e c i e s K e yW o r d s ：Q u e r c u sa c u t i s s i m aC a r r u t hf i r e w o o df o r e s t ，o i l i n f i l t r a t i o np r o p e r t y , S o i l a n t i s c o u r a b i l i t y , S o i la n t i e r o d i b i l i t y , S u r f a c er u n o f f 目錄 1 文獻(xiàn)綜述1 1 1 水土流失的概況 1 1 1 國(guó)內(nèi)外水土流失的現(xiàn)狀 1 1 2 安徽省水土流失現(xiàn)狀 1 1 3 水土流失的成因與危害 1 2 水土保持研究的進(jìn)展和機(jī)理 1 2 1 土壤滲透性能研究 1 2 2 土壤抗沖性能研究： 1 2 3 根系固土功能研究 1 2 4 水土保持機(jī)理研究 1 3 水文效益研究進(jìn)展 1 3 1 森林水文學(xué)研究成果 1 3 2 林冠、枯枝落葉層研究成果 2 引言9 3 研究區(qū)概況9 3 1 植被特征9 3 2 氣候特征1 0 3 3 土壤特征1 0 4 研究方法1 1 4 1 徑流場(chǎng)的建設(shè)1 1 4 1 1 徑流場(chǎng)植被狀況1 1 4 2 林冠層、地表層、土壤層調(diào)查方法1 2 4 2 1 喬木層生物量測(cè)定1 2 4 2 2 枯落物吸水量測(cè)定1 2 4 2 3 根系及土壤抗侵蝕指標(biāo)測(cè)定1 2 4 3 相關(guān)水文指標(biāo)求算1 3 4 4 樹(shù)種拉丁學(xué)名1 3 4 5 數(shù)據(jù)處理1 3 4 6 技術(shù)路線1 3 5 結(jié)果與分析1 5 5 1 不同林地類型林冠層水文特性1 5 5 1 1 研究區(qū)大氣降雨特征1 5 5 1 2 對(duì)大氣降雨的再分配1 5 5 1 3 五種林分水文分量的動(dòng)態(tài)格局1 6 5 2 不同林地類型地表枯落物水文特性研究1 9 5 2 1 不同林分枯落物儲(chǔ)量1 9 5 2 2 枯落物水文持性2 0 5 3 不同林地類型根系土壤層研究2 3 5 3 1 不同林地根系剖面分布特征研究2 3 5 3 2 不同徑級(jí)根系分布特征2 6 5 3 3 不同林地類型土壤滲透性研究2 8 5 3 4 林地特征與土壤入滲的關(guān)系3 0 5 3 5 土壤含水量對(duì)滲透性的影響3 1 5 3 6 土壤的物理性狀與入滲的關(guān)系3 2 5 3 7 植被根系與土壤抗沖性研究3 3 5 3 8 土壤抗沖指數(shù)與土壤根系的相關(guān)分析3 3 5 3 9 植被根系固土與抗沖性能綜合分析3 3 5 3 1 0 不同植被類型土壤抗蝕性研究3 5 5 3 1 1 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤抗蝕性的影響3 5 5 3 1 2 不同植被類型土壤抗蝕性能評(píng)價(jià)3 6 5 4 不同森林類型地表徑流與土壤侵蝕模數(shù)研究3 7 5 4 1 觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的產(chǎn)流數(shù)據(jù)3 7 5 4 2 觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的土壤侵蝕模數(shù)3 9 5 4 3 徑流量與土壤因子的關(guān)系4 1 5 4 4 徑流量與林分因子的關(guān)系4 2 5 4 5 徑流量與降雨量、降雨強(qiáng)度的關(guān)系4 4 6 結(jié)論與討論4 5 6 1 林冠層水文效益4 5 6 2 地表層水文效益4 5 6 3 土壤層水文效益4 5 6 4 討論4 6 7 參考文獻(xiàn)4 7 致謝 個(gè)人簡(jiǎn)介 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 1 文獻(xiàn)綜述 1 1 水土流失的概況 1 1 1 國(guó)內(nèi)外水土流失的現(xiàn)狀 全世界水土流失主要發(fā)生在北緯4 0 度與南緯4 0 度之間，美國(guó)、中國(guó)、印度、 菲律賓、澳大利亞、埃塞俄比亞及非洲各國(guó)的水土流失都比較嚴(yán)重。全世界土壤 侵蝕面積已達(dá)2 5 0 0 萬(wàn)k m 2 ，占全球陸地總面積的1 8 5 ，全球土壤年侵蝕量約為 6 0 0 億T ，每年因土壤侵蝕而退化的土地面積為5 7 萬(wàn)k m 2 ，美 9 3 6 萬(wàn)k m 2 的土地 上，遭強(qiáng)烈水蝕或風(fēng)蝕的有1 1 4 萬(wàn)k m 2 ，占全國(guó)土地總面積的1 2 2 ，部分遭到破 壞或受到侵蝕威脅的有3 1 3 萬(wàn)k m 2 ，占3 3 4 ，平均年土壤侵蝕產(chǎn)生的泥沙總量達(dá) 4 0 億T ，由于泥沙危害，每年要損失大約5 億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水土流失面積達(dá) 1 5 0 萬(wàn)k m 2 ，每年流入江河的泥沙量為5 0 億T ，相當(dāng)于全國(guó)耕地被刮去l e n a 厚的土 層，流失的氮、磷、鉀相當(dāng)于4 0 0 0 萬(wàn)T 化肥。造成這種情況的主要原因是我國(guó) 森林，植被遭到嚴(yán)重破壞，成為人民貧困和江河泥沙淤積的主要根源。印度約有 2 5 0 萬(wàn)k m 2 的土地易遭水害，1 7 5 萬(wàn)k m 2 的土地因土壤侵蝕而退化，僅僅由于農(nóng)業(yè) 及耕作活動(dòng)，每年土壤流失量約達(dá)5 3 3 3 億T 。澳大利亞有2 6 0 萬(wàn)h m 2 受到侵蝕；菲 律賓的1 3 9 萬(wàn)h m 2 耕地中有0 8 1 萬(wàn)h m 2 遭受水土流失；埃塞俄比亞每年流失表土1 0 億T 以上。由于世界人口的增加，糧食需求量亦將成倍增長(zhǎng)，這樣，一方面耕地 土壤在嚴(yán)重流失，一方面人口對(duì)糧食需求量急劇增加，形成十分棘手又必須解決 的矛盾。聯(lián)合國(guó)環(huán)境保護(hù)組織的有關(guān)研究斷定，非洲3 5 的土地( 赤道以北) ， 近東地區(qū)6 0 的農(nóng)田和印度5 1 的農(nóng)業(yè)土地正在受到危害，并且面臨著“如不迅速 采取有效的水土保持措施，就一定發(fā)生土地退化的威脅”。 1 1 2 安徽省水土流失現(xiàn)狀 安徽省跨長(zhǎng)江、淮河、錢塘江三大流域，總面積1 3 9 6 萬(wàn)k m 2 ，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì) 的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，尤其是局部地方不合理的生產(chǎn)方式， 砍伐森林，地被遭到破壞，水土流失加劇，根據(jù)全國(guó)第二次水土流失遙感調(diào)查結(jié) 果，我省水土流失面積為1 8 8 萬(wàn)k m 2 ，占全省總面積的1 3 5 。山區(qū)是安徽省水土 流失最為嚴(yán)重的地區(qū)，其中，大別山土壤流失面積達(dá)7 4 4 9 3 k i n 2 ，占土地總面積的 5 3 7 ，年均土壤侵蝕量2 0 5 4 t k r n 。皖南山區(qū)的原徽州地區(qū)，土壤侵蝕面積為 4 1 7 9 3 k m z ，占土地總面積的3 1 9 ，其中強(qiáng)度侵蝕面積占受侵蝕面積的5 3 4 。土 壤侵蝕危害嚴(yán)重2 1 。從各市水土流失分布來(lái)看，水土流失面積占當(dāng)?shù)乜偯娣e10 以上的市有8 個(gè)，即黃山市占2 6 ，銅陵市、池州市占2 5 ，安慶市、宣州市占 2 4 ，六安市占2 0 ，蕪湖市占1 2 ，滁州市占1 1 。從流失程度上看，中低山 區(qū)以中、強(qiáng)度侵蝕為主；丘陵區(qū)以輕、中度侵蝕為主陽(yáng)1 。 如今水土流失已成為全球性的公害，嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展，已引起 全世界的關(guān)注。保護(hù)現(xiàn)有土地資源免遭侵蝕是各國(guó)所面臨的一大難題。 1 1 3 水土流失的成因與危害 水土流失，也叫土壤侵蝕，是指地球陸地表面的土壤及其母質(zhì)、巖石等在受 到水力、風(fēng)力、凍融和重力作用下產(chǎn)生的侵蝕、搬運(yùn)及堆積過(guò)程。根據(jù)自然界某 一侵蝕外營(yíng)力在一較大的區(qū)域里起主導(dǎo)作用的原則，全國(guó)劃分為風(fēng)力、水力、凍 融侵蝕為主的三大水土類型區(qū)u 1 。水土流失是由各種自然因素和人為因素引起 的。自然因素包括：地形、地質(zhì)、植被、降雨、土壤等。人為因素包括：土地利 用方式的不合理、毀林毀草、濫墾濫伐、順坡耕種等等。從歷史上看，在遠(yuǎn)古時(shí) 候( 五六千年前) ，人們主要在平地上種糧維持生存，山區(qū)、丘陵區(qū)到處都有茂 密的森林和草原，基本上沒(méi)有水土流失的現(xiàn)象發(fā)生，隨著人口的急劇增加，糧食 則成為人們生存的唯一理由，由此出現(xiàn)毀林開(kāi)荒、順坡耕種等不合理土地利用方 式，造成重大的水土資源流失。土地越瘠薄，越耕種，生態(tài)環(huán)境日益惡化。黃土 高原成為典型的例證。所以人為的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)則成為當(dāng)前影響水土流失的核心要 素。 由于植被的破壞，水土流失加劇化，土地沙化，礫石化，巖石裸露，形成荒 漠景觀，氣候變差，空氣相對(duì)濕度降低，雨量減少，災(zāi)害性天氣增多，使得河道 淤積，水利工程報(bào)廢，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。據(jù)科學(xué)觀測(cè)，1 5 - - 2 5 度的坡耕地每年 每公頃流失水量4 0 0 - - 6 0 0 m 3 ，土壤流失3 0 - - 1 5 0 T ；皖西大別山區(qū)每年流失2 7 0 0 萬(wàn)T 土壤，約損失有機(jī)質(zhì)4 0 5 萬(wàn)T ，氮素2 7 萬(wàn)T ，磷素O 1 4 萬(wàn)T ，鉀素0 3 8 萬(wàn)T 2 1 。土 壤中肥力的流失，造成土壤養(yǎng)分瘠薄，耕種環(huán)境惡化，其結(jié)果是農(nóng)作物產(chǎn)量大幅 度降低，群眾生活貧困。黃土區(qū)，每年人均糧食收A 2 5 0 - - - 3 0 0 k g ，災(zāi)年甚至顆粒 無(wú)收，靠國(guó)家糧食救濟(jì)。由于水土流失，泥沙淤積在河道，加上其他因素，國(guó)內(nèi) 很多河道縮短，如大別山區(qū)興建的佛子嶺、梅山、磨子潭、響洪甸、龍河口等五 大水庫(kù)，自建庫(kù)近3 0 年中，淤積泥沙1 1 5 億m 3 ，占總庫(kù)容的4 6 。其中佛子嶺水庫(kù) 淤砂6 0 0 0 多m 3 ，占庫(kù)容量的1 6 7 ，嚴(yán)重影響了水庫(kù)灌溉、防洪、發(fā)電等效益2 。 廣東省內(nèi)河航運(yùn)里程，建國(guó)前有2 萬(wàn)k m ，5 0 年代減少為1 5 9 萬(wàn)k m ，7 0 年代減少為 1 1l 刀 k m 。東北松花江流域，原有航運(yùn)里程1 5 0 0 k m ，到9 0 年代減少為5 8 0 k m 。水 土流失還造成大面積的洪澇災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失無(wú)法估計(jì)。 1 2 水土保持研究的進(jìn)展和機(jī)理 1 2 1 土壤滲透性能研究 土壤入滲是指降雨落到地面上的水從土壤表面滲入土壤形成土壤水的過(guò)程， 土壤水分的入滲是自然界水循環(huán)中的關(guān)鍵一環(huán)，它是降水、地面水、土壤水和地 下水相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，土壤入滲是分析土壤侵蝕過(guò)程的重 要參數(shù)，而入滲又是一個(gè)十分復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，主要受到土壤理化性質(zhì)、土壤初 始含水量、降雨因子以及植被因素和人為因素的影響。入滲分為滲吸和滲透兩個(gè) 階段，在非飽和土壤中，水分的下滲是在土壤的吸力梯度和重力梯度聯(lián)合作用下 進(jìn)行的“1 。 土壤的滲透性是土壤物理特征的重要參數(shù)，反映土壤地表水轉(zhuǎn)為地下水性能 的高低，也是土壤質(zhì)地優(yōu)劣的表征值。測(cè)定水分入滲的方法較多，例如雙環(huán)法、 環(huán)刀法、定水頭滲透法、變水頭滲透法、模擬降雨法、土柱法、鉆孔法、穩(wěn)定通 量法、滲透桶法6 1 。 在處理土壤入滲時(shí)常用的四個(gè)指標(biāo)為初滲率、平均滲透速率、穩(wěn)滲率以及滲 透總量，各指標(biāo)處理方法為：初滲率= 最初入滲時(shí)段內(nèi)滲透量入滲時(shí)間；平均 滲透速率= 達(dá)穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量達(dá)穩(wěn)滲時(shí)的時(shí)間；穩(wěn)滲率為單位時(shí)間內(nèi)的滲透 量趨于穩(wěn)定( 即內(nèi)環(huán)水頭趨于穩(wěn)定) 時(shí)的滲透速率。 入滲速率可以直接影響地表產(chǎn)匯流過(guò)程，進(jìn)而決定地表徑流的沖刷能力和水 蝕過(guò)程n ，。多年來(lái)，世界各國(guó)科學(xué)家和學(xué)者對(duì)土壤水分入滲機(jī)制做了大量的研 究，蔣太明6 1 將水分入滲分為三個(gè)過(guò)程：第一個(gè)過(guò)程是土表濕潤(rùn)階段，開(kāi)始時(shí) 表土含水量小，入滲速率大，持續(xù)降雨，表土含水量增加，土表的入滲速率等于 降雨強(qiáng)度，為通量控制階段；土表飽和后進(jìn)入第二階段，入滲速率隨時(shí)間增加而 逐漸減小，表土開(kāi)始積水，甚至產(chǎn)生徑流；經(jīng)過(guò)比較長(zhǎng)時(shí)間后進(jìn)入第三階段，這 時(shí)入滲速率趨于穩(wěn)定，這一階段為剖面控制階段，滲透率由土壤性質(zhì)決定。劉賢 趙等n 2 1 等在陜西野外田間實(shí)地研究認(rèn)為，土體內(nèi)任一埋深度處土壤含水率的變 化一般經(jīng)歷穩(wěn)定不變、急劇上升、緩慢增大和再穩(wěn)定階段共4 個(gè)階段，每一階段 所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)短與土壤密度、初始含水率、入滲性能及距地面的深度相關(guān)。在 均一質(zhì)地的土壤剖面上，入滲結(jié)束時(shí)表土可能有一個(gè)不太厚的飽和層( 有時(shí)沒(méi) 有) ；飽和層下是一層近似飽和的延伸層( 或過(guò)渡層) ；延伸層下是厚度不大的濕 潤(rùn)層，濕潤(rùn)層含水量迅速降低；濕潤(rùn)層的下緣是濕潤(rùn)鋒。查軒認(rèn)為，表土層滲透 速率最高，林地高達(dá)1 2 5 m m m i n ，草地次之( 1 0 2 m m m i n ) ，而耕地僅為 2 8 8 m m m i n 。隨著土層深度的增加，入滲速率降低，林草地中表層的入滲速率 是2 0 - 3 5 c m 土層的2 1 倍，是1 0 0 c m 的1 4 4 倍。這是由于隨著土層的加深，植物( 根 系) 對(duì)土壤理化性質(zhì)影響減弱的緣故釃1 。蔣定生等對(duì)黃土高原地區(qū)研究9 1 ，土壤 入滲速率具有明顯的地域性。高值區(qū)穩(wěn)滲速率為5 1 2 m m m i n ，分布于高原腹地 的子午嶺，黃龍山，嶗山等森林植被條件較好的地區(qū)，其次是植被條件較好或土 壤結(jié)構(gòu)良好，肥力水平較好的黃麻土、黑麻土黑壚土等；穩(wěn)滲率的地域性分布于 森林植被分布區(qū)基本吻合。大量研究證明，有林地土壤滲透速率高于無(wú)林地或宜 林地。卞相玲等在山東濟(jì)南地區(qū)不同林分類型中小區(qū)為單元，用同心環(huán)法測(cè) 定了各林分土壤滲透性能，發(fā)現(xiàn)林地土壤滲透速率的大d , J t 頃序?yàn)榇袒绷?側(cè)柏林 黑松林，闊葉林地入滲速率大于針葉林地。張曉勉在處理8 種林分類型的入滲速 率中，發(fā)現(xiàn)茶園 灌木林 混交林 農(nóng)田 松林 杉木林 竹林。 土壤入滲模型是土壤滲透性研究的重要內(nèi)容。降雨入滲重要是非飽和土壤水 分的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，D a r c y 通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出了描述飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，由此 開(kāi)始了產(chǎn)流機(jī)制研究的土壤物理學(xué)途徑。R c h a r d s 達(dá)西定律進(jìn)行修訂后，認(rèn)為其 可以適用于非飽和條件，從而推動(dòng)了非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)研究的發(fā)展。G r e e n 等 與S m i t h 等分別建立了一定條件下的入滲模型，推動(dòng)了入滲研究的發(fā)展t i l l 。目前 較為常用的模型很多，有考斯加可夫( K o c t a k o b ) 、霍頓( H o r t o n ) 、P h i l i p 公式和 通用經(jīng)驗(yàn)公式。唐紹忠1 發(fā)現(xiàn)在入滲的瞬時(shí)階段( O 1 0 m i n ) 考斯加可夫公式與 實(shí)驗(yàn)擬合最好，在入滲漸變階段( 1 0 2 0 m i n ) ，通用經(jīng)驗(yàn)公式與霍頓公式擬合最 好。朱冰冰等3 1 通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江中上游地區(qū)9 個(gè)省( 市) 境內(nèi)的3 7 個(gè)縣市土壤入滲雙 環(huán)測(cè)試，分析了長(zhǎng)江中上游地區(qū)土壤入滲性能特征及其區(qū)域分異特征，發(fā)現(xiàn)蔣定 生經(jīng)驗(yàn)公式適用于我國(guó)長(zhǎng)江流域的土壤入滲過(guò)程模擬。 土壤滲透性的測(cè)定方法各有差異，同心環(huán)法測(cè)定方便，盡管測(cè)定結(jié)果與實(shí)際 情況有一定差距，但此法不需要太多的復(fù)雜儀器設(shè)備，操作簡(jiǎn)單易行；環(huán)刀法用 于測(cè)定滲透試驗(yàn)，由于滲透面積較小，土壤容易受到擠壓變形，改變了土壤原始 特征，誤差較大：人工模擬降雨法雖然測(cè)定數(shù)據(jù)可靠，但耗費(fèi)的人力物力太大， 而且不易操作和控制，需要現(xiàn)代化的儀器設(shè)備；田間試驗(yàn)法測(cè)定比較準(zhǔn)確，但難 以推廣開(kāi)來(lái)。 在入滲機(jī)制研究從初始的小區(qū)為主的功能與機(jī)理研究階段到以流域及區(qū)域 尺度研究經(jīng)歷了跨越式的發(fā)展，無(wú)論在理論還是實(shí)踐上都豐富了土壤水分入滲機(jī) 理。但目前對(duì)土壤入滲特性影響的因素研究主要集中在土壤理化性質(zhì)方面，特別 是土壤物理性質(zhì)宏觀表征指標(biāo)對(duì)入滲特性影響的研究最多。 1 2 2 土壤抗沖性能研究 土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與土壤侵蝕之間的關(guān)系很早就受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān) 注，并提出了不同的土壤抗侵蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)，很多學(xué)者引入土壤腐殖質(zhì)含量、水穩(wěn) 性團(tuán)聚體數(shù)量、根系密度以及非毛管孔隙度等指標(biāo)作為表征土壤抗沖性的重要指 標(biāo)。土壤抗沖性是土壤抗侵蝕性能的重要方面，是指土壤抵抗徑流和風(fēng)等外營(yíng)力 機(jī)械破壞的能力，受土壤理化性狀、土壤剖面構(gòu)造及生物因素的影響。土壤抗沖 性概念是由朱顯漠在5 0 年代提出 1 4 1 0 他將黃土區(qū)土壤受侵蝕和抵抗徑流破壞的 能力區(qū)分為抗沖性和抗蝕性兩種特征性能。經(jīng)過(guò)多年的研究性進(jìn)展，土壤的抗沖 性趨向多面化，包括抗沖性與植被的關(guān)系研究、與林分結(jié)構(gòu)的研究、與土壤質(zhì)地 的研究，甚至與土壤根系的分布特性研究最為活躍，建立了一系列的多重指標(biāo)與 土壤抗沖性的相關(guān)模型和回歸方程。早在6 0 年代，朱顯謨先生就指出，生物措施 是水土保持中最有效和最根本的方法。他認(rèn)為土壤抗沖性的增強(qiáng)，主要取決于根 系的纏繞和固結(jié)作用，這種作用使土體有較高的水穩(wěn)結(jié)構(gòu)和抗蝕強(qiáng)度，從而不易 被徑流帶走。吳欽孝n 5 1 ，李勇采用保留和去掉莖葉兩種處理方法，模擬測(cè)定了 黃土高原幾種常見(jiàn)的天然草本植物根系提高表層土壤抗沖刷的能力，定量研究了 土壤沖刷過(guò)程中土壤沖刷量與沖刷歷時(shí)的關(guān)系。土壤沖刷量與沖刷歷時(shí)成冪函數(shù) 的關(guān)系。蔣定生等“釘根據(jù)大量的研究認(rèn)為，黃土區(qū)土壤抗沖性存在自北向南和 自西北向東南逐漸遞增的趨勢(shì)，并根據(jù)該區(qū)土壤抗沖性能的大小，劃分為5 個(gè)區(qū) 域。張金池等，在蘇北海堤林帶樹(shù)木根系固土功能的研究中認(rèn)為，同一地段， 土壤的抗沖、抗蝕指數(shù)表土層大于底土層，并且樹(shù)木根系，尤其是根徑小于2 m m 的細(xì)根有較強(qiáng)的固持土壤功能，與土壤抗沖性相關(guān)性較大。李勇等盯利用索波 列夫抗沖儀器，分別測(cè)定了3 3 個(gè)小區(qū)4 種土壤，多重指標(biāo)與抗沖性的多元回歸方 程。張金池等1 對(duì)不同根徑的根量、根長(zhǎng)及土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤抗沖指數(shù)間 進(jìn)行了直線、冪指數(shù)和對(duì)數(shù)等多種形式的單相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)2 m m 根徑的根量、 根長(zhǎng)和土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤抗沖指數(shù)存在明顯的直線回歸關(guān)系。 在土壤抗沖性的測(cè)定中，根據(jù)各種土壤類型不盡相同，方法不同，大體上分 為原狀土沖刷法、靜水崩解法、土壤理化性質(zhì)分析法及野外小區(qū)放水法等。由于 各種特性的土壤研究方法不同，處理指標(biāo)各異，抗沖性評(píng)價(jià)指標(biāo)目前有5 種u ： 一是用每升水沖走土樣的克數(shù)( g L ) 或每沖走1 9 土所需要的水量來(lái)描述，即L g ； 二是在定雨強(qiáng)下，沖走l g 土所需時(shí)間；三是采用能量指標(biāo)，用沖走1 9 土或其它 物質(zhì)所需水能表示。單位為J g ；四是用單位徑流深所引起侵蝕模數(shù)來(lái)表示：五 是從床底泥沙起動(dòng)角度，用土壤抗沖性能力表示，即土體承受水的流動(dòng)所引起的 一定切線應(yīng)力的能力。 1 2 3 根系固土功能研究 森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在發(fā)揮生態(tài)功能的同時(shí)，更加注重物質(zhì)的生 產(chǎn)、維持生態(tài)系統(tǒng)的有序進(jìn)程，其中森林一土壤作用體在9 0 年代是國(guó)際土壤學(xué)家 和生態(tài)學(xué)家研究的熱點(diǎn)，但以往的研究更加注重地上部分，隨著研究的深入，人 們?cè)絹?lái)越關(guān)注森林整體的一部分，林木根系在實(shí)現(xiàn)固土、抗蝕作用中發(fā)揮的特定 功能的研究。植物根系一方面構(gòu)成土壤自肥的一部分，另一方面不同徑級(jí)根系在 土壤中穿插，構(gòu)成根系土壤的特殊網(wǎng)絡(luò)體，從而能夠?qū)崿F(xiàn)固沙固土的功能。國(guó)內(nèi) 開(kāi)展了根系多方面的研究，力學(xué)的研究是始于2 0 世紀(jì)8 0 年代末，主要通過(guò)拔拉試 驗(yàn)，原位剪切試驗(yàn)和根系抗拉試驗(yàn)完成。史敏華嘲1 等1 9 9 4 年對(duì)林木根系抗拉試驗(yàn) 滿足冪函數(shù)關(guān)系乃刊礦，林木對(duì)土壤固結(jié)力大小決定于根系分布特征、根徑、 根的抗拉等因素，認(rèn)為根的抗拉力是衡量水土保持樹(shù)種的個(gè)重要指標(biāo)。范興科、 蔣定生1 9 9 7 年認(rèn)為土壤抗剪強(qiáng)與土壤物理因素有關(guān)，土壤抗剪強(qiáng)度的增加歸結(jié)為 植物根系存在的結(jié)果。根系在土壤中穿插能明顯增大土壤剪切強(qiáng)度，其中草本植 物根系密度大，須根多，單位須根密度的剪切強(qiáng)度增加值是樹(shù)木根系的2 3 倍。代 全厚2 等1 9 9 8 年試驗(yàn)表明牛毛草地抗剪強(qiáng)O 1 6 3 k g c m 2 ，天然草地0 11 9 k g c m 2 ，比 農(nóng)地O 0 5 8 k g c m 2 高。植物根系除了能提高土壤的抗沖性，抗剪性，具有加筋作用外， 還具有錨固力作用。楊亞川等1 9 9 6 年對(duì)節(jié)節(jié)草根土復(fù)合體研究表明，當(dāng)復(fù)合體的 體積密度含水量一定時(shí)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的C 值與含根量正相關(guān)，痧與根量關(guān)系不 大，原因是根含量增加時(shí)，根系的錨固力顯著增大，根系錨固力是C 值的重要組成 部分。C 是土粒與土粒，土粒與根系之間的凝聚力，以及由土的剪切應(yīng)力傳遞給根 系而引起的根系抗拔力之和( 1 6 - 6 0 k P a ) 。劉國(guó)彬乜釘1 9 9 6 年在研究草本植物根系 固結(jié)土壤，根系纏繞、固結(jié)土壤、強(qiáng)化抗沖性作用有3 種方式：網(wǎng)絡(luò)串連作用、根 土黏結(jié)作用及根系生物化學(xué)作用。根系化學(xué)作用效應(yīng)通過(guò)植物繁生改善土體構(gòu)型 來(lái)實(shí)現(xiàn)。黃綿土中其效應(yīng)達(dá)5 1 ，根土黏結(jié)作用是網(wǎng)絡(luò)串連作用的2 倍，二者都隨 有效根面積增加而增加。F e r r a i o l o 乜2 1 概述了植被對(duì)斜坡穩(wěn)定作用機(jī)制和機(jī)械力 學(xué)機(jī)制，數(shù)學(xué)模型上根系加固土壤抗拉阻力轉(zhuǎn)變成剪應(yīng)力的增加值 A S = T r ( A r A ) ( c o s O t a n 痧+ s i n O ) 式中：廳一根系平均抗拉強(qiáng)度；彳刪一單位土壤橫截面根系面積；西一內(nèi)摩擦角； 乒_ f 麗角。 許多學(xué)者還做了關(guān)于根系微觀的研究，在降水沖刷過(guò)程中，植物根系尤其是 1 O m m 的細(xì)根，纏繞、穿插、固結(jié)土體，抵制雨水的沖刷，增強(qiáng)了土壤抗沖性 能，所以細(xì)根是影響土壤抗沖性的關(guān)鍵因子。張金池也在蘇北海堤林帶樹(shù)木根系 固土功能研究中提出：土壤抗沖性與林木根系，尤其是、 2 m m 細(xì)根系的數(shù)量、長(zhǎng) 度及土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)密切，單相關(guān)系數(shù)均大于O 8 盯。 在國(guó)外的研究中也有大量關(guān)于根系的研究報(bào)告，如柳樹(shù)根系力學(xué)為9 3 6 M P a ，楊樹(shù)5 - - 3 8 M P a ，榿樹(shù)4 7 4 M P a ，黃杉1 9 - - 6 M P a ，銀槭1 5 - - 3 0 M P a ，西鐵 杉2 7 M P a ，越橘1 0 M P a ，大麥1 5 3 7 M P a ，地衣僅2 7 M P a ，禾草非禾本科草2 2 0 M P a ，香根草4 0 - - 1 8 0 M p a 。但是由于樹(shù)木根系統(tǒng)研究比較困難，這方面數(shù)據(jù)不 容易獲得2 。G r e e nW a y ( 1 9 8 7 ) 年總結(jié)植物根系對(duì)大多數(shù)斜坡有凈穩(wěn)定作用。 G r e e n L e i s e r ( 1 9 8 2 ) 年認(rèn)為在理想條件下垂直根伸展到滑動(dòng)淺層的斜坡中起穩(wěn) 定作用。W a l d r o n “3 1 ，W u ( 1 9 7 7 ) ，B r e n n e r & J a m e s ( 1 9 7 7 ) 年提出數(shù)學(xué)模型，考慮到可 變情況，彈塑性及延伸性，根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度增加值 A S r = T r ( A r A ) ( c o s O t a n 西+ s i n O ) 式中? 辦一植物根系平均抗拉強(qiáng)度蒯一土壤橫截面中根系面積比j 垂一內(nèi)摩擦 角? 旺拉動(dòng)的剪切角。 綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)多學(xué)科、多領(lǐng)域關(guān)于根系在實(shí)現(xiàn)固土、防沙、防 止土壤侵蝕、防止土壤荒漠化，植物根系固土機(jī)制或模式問(wèn)題的解決，有助于揭 示植被措施防治水土流失關(guān)鍵問(wèn)題的解決等等，都關(guān)系到生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展 戰(zhàn)略。 1 2 4 7 9 土保持機(jī)理研究 綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)森林保持水土功能研究成果，可以概括為三個(gè)主要方面“5 1 ： 森林保持水土的功能與機(jī)理研究。依據(jù)森林結(jié)構(gòu)，把其分為四個(gè)層次，即喬木 層、灌木草本層、枯枝落葉層和根系一土壤層，研究不同層次的水土保持作用與