林業(yè)工程課件-荒漠化防治原理

荒漠化防治原理第一節(jié)風(fēng)蝕荒漠化防治的風(fēng)沙物理學(xué)原理第二節(jié)風(fēng)蝕荒漠化防治的生態(tài)學(xué)原理

第三節(jié)水蝕荒漠化的防治原理第四節(jié)鹽漬荒漠的防治原理第一節(jié)風(fēng)蝕荒漠化防治的風(fēng)沙物理學(xué)原理一、風(fēng)力侵蝕作用（一）沙粒的起動(dòng)起動(dòng)風(fēng)速理論公式表3-1沙粒粒徑與起沙風(fēng)速值（新疆莎車）沙粒粒徑（mm)起沙風(fēng)速（m/s)0.1~0.254.00.25~0.50.5~1.0>1.05.66.77.1表3-2不同含水率時(shí)沙粒的起動(dòng)風(fēng)速值不同含水率下沙粒的起動(dòng)風(fēng)速（m/s)含

水

率（%）沙粒粒徑（mm）干燥狀態(tài)12342.0~1.09.010.812.0——1.0~0.56.07.09.512.0—0.5~0.254.85.87.512.0—0.25~0.1753.84.66.010.512.0起動(dòng)風(fēng)速（m/s)地表狀況戈

壁

灘12.0風(fēng)蝕殘丘9.0半固定沙丘7.0流

沙5.0表3-3不同地表狀況下沙粒的起動(dòng)風(fēng)速（二）風(fēng)力作用過程（3-3）D=f(v*)2式中

D——侵蝕力；V*——侵蝕床面上的摩阻流速。。1．風(fēng)力侵蝕作用風(fēng)的侵蝕能力（二）風(fēng)力作用過程（3-4）W

= f

（Vp、dp、Sa、a）式中

W——磨蝕量（g/kg）；Vp——顆粒速度（cm/s）；dp——顆粒直徑（mm）；Sa——被蝕物穩(wěn)定度（J/m2）；a——入射角（。）。1．風(fēng)力侵蝕作用磨蝕強(qiáng)度（二）風(fēng)力作用過程懸移質(zhì)占

3%~38%躍移質(zhì)占

55%~72%2．風(fēng)力輸移作用當(dāng)風(fēng)速大于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，土壤和沙粒物質(zhì)隨風(fēng)

運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式有懸移、躍移、蠕移3種形式。懸移質(zhì)占7%~25%搬運(yùn)比例*Q

=

f（

P

V3

）

（3-5）g在特定條件下輸沙量與風(fēng)速的關(guān)系（新疆莎車）為：V3.7Q

=

1.47×10-3

（3-6）式中Q——輸沙率[g/（cm

.min）]；V——風(fēng)速（m/s）。（二）風(fēng)力作用過程2．風(fēng)力輸移作用風(fēng)的搬運(yùn)能力與摩阻流速的3次方成正比：土壤顆粒被風(fēng)搬運(yùn)的距離取決于風(fēng)速大小、土壤顆?；驁F(tuán)聚體的粒徑和重量，以及地表狀況。（二）風(fēng)力作用過程3．風(fēng)力沉積作用（1）沉降堆積（2）阻遇堆積（三）影響風(fēng)蝕的因素1．土壤抗蝕性我國(guó)干旱區(qū)風(fēng)成沙的力度成分，以細(xì)沙為主，很難形成抗風(fēng)蝕的結(jié)構(gòu)單位，易被吹蝕。土壤抵抗風(fēng)蝕的性能主要取決于土粒質(zhì)量及土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量等。表3-5我國(guó)干旱區(qū)主要沙漠沙的粒度組成沙漠名稱各粒級(jí)（mm）>1.00

1.00~0.50

0.50~0.25

0.25~0.10

0.10~0.05

<0.050.02—19.324.001.98—0.010.010.27———塔克拉瑪干沙漠—古爾班通古特沙漠—巴丹吉林沙漠—騰格里沙漠烏蘭布和沙漠庫(kù)布齊沙漠寧夏河?xùn)|沙區(qū)平

均微量3.401.600.781.100.161.004.548.7023.406.6117.311.9017.9911.4934.1568.2061.4086.8872.1185.3075.0569.0141.9719.109.824.909.5211.706.1614.740.673.75土壤有機(jī)質(zhì)能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成并提高其穩(wěn)定性，提高抗蝕能力。2．地表土襲降雨還有促進(jìn)風(fēng)蝕的一面。因?yàn)橛甑螕魤牧送翂K和團(tuán)聚體，提高了土壤的可蝕性。3由耕作過程形成的地表土襲，能夠通過降低地表風(fēng)速和攔截運(yùn)動(dòng)的泥沙顆粒來(lái)減慢土壤風(fēng)蝕。降雨降雨使表層土壤濕潤(rùn)而不能被風(fēng)吹蝕。降雨還通過促進(jìn)植物生長(zhǎng)間接地減少風(fēng)蝕。4．土丘坡度表3-7坡面上相對(duì)于平坦地面的風(fēng)蝕量坡度（%）坡度（%）相對(duì)風(fēng)蝕量坡頂

坡上部相對(duì)風(fēng)蝕量坡頂

坡上部0~1.5（平坦）

1003.0

1501001306.010.03206602303705．裸露地塊長(zhǎng)度風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度隨被侵蝕地塊長(zhǎng)度而增加，對(duì)于一定的風(fēng)力，挾沙能力是一定的。土壤可蝕性越高（抗蝕性越低），則飽和路徑長(zhǎng)度越短。6．植被覆蓋增加地面植被覆蓋（生長(zhǎng)的作物或作物殘?bào)w），是降低風(fēng)的侵蝕性最有效的途徑。植被的保護(hù)作用與植物種類（決定覆蓋度和覆蓋季節(jié)）、植物個(gè)體形狀和群體結(jié)構(gòu)、行的走向等有關(guān)。二、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律（一）風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征1．沙粒粒徑隨高度的分布特征高度

cm高度

cm粒>0.1mm徑%<0.1mm粒>0.1mm徑%<0.1mm120.9679.0467.9292.08218.2581.7574.4995.51312.8087.2082.1997.81410.5589.4592.0297.9858.7291.28101.7598.25表3-8風(fēng)沙流中沙粒粒徑隨高度的分布特征%2．含沙量隨高度的分布特征表3-9不同高度風(fēng)沙流中含沙量的分布（V=9.8m/s）高度（cm）0~1010~2040~5050~6060~70沙量（%）20~30

30~4079.32

12.3

4.79

1.50

0.95

0.400.743．含沙量隨風(fēng)速變化風(fēng)沙流中含沙量與風(fēng)速的關(guān)系表3-10

風(fēng)速與含沙量的關(guān)系（新疆莎車）離地面2m高處風(fēng)速（m/s）

4.5

5.5

6.5

7.4

13.215.00~10cm高度的含沙量[g/(cm·min)]

0.37

1.04

1.20

2.27

19.44

35.58結(jié)構(gòu)數(shù)S表征判斷風(fēng)沙流飽和程度的特征值當(dāng)

=1時(shí)，吹蝕量和堆積量相等，地面無(wú)堆積；當(dāng)

<1>1時(shí)，為不飽和狀態(tài)，繼續(xù)吹時(shí)為飽和狀態(tài)，形成堆積；當(dāng)蝕。風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)式（二）沙丘的移動(dòng)1.沙丘移動(dòng)的方向和方式沙丘移動(dòng)的方向移動(dòng)的總方向是和起沙風(fēng)的年合成風(fēng)向大致相一致。沙丘移動(dòng)的方式取決于風(fēng)向及其變率，分為3種情況（圖3-5）。2、沙丘移動(dòng)的速度沙丘移動(dòng)的速度取決于風(fēng)速和沙丘本身的高度。沙丘在單位時(shí)間里前移的距離與背風(fēng)坡一測(cè)堆積的總沙量的關(guān)系2、沙丘移動(dòng)的速度沙丘移動(dòng)的速度取決于風(fēng)速和沙丘本身的高度。三、風(fēng)蝕與沙質(zhì)荒漠化（一）土地風(fēng)蝕退化土壤退化表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：土壤流失土壤質(zhì)地變化生產(chǎn)力降低磨蝕（一）土地風(fēng)蝕退化土壤退化表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（3）養(yǎng)分流失三、風(fēng)蝕與沙質(zhì)荒漠化（二）風(fēng)蝕荒漠化的成因類型我國(guó)北方現(xiàn)代荒漠化土壤中94.5%為人為因素所致！四、風(fēng)蝕荒漠化防治的基本原理風(fēng)蝕荒漠化的實(shí)質(zhì)就是土地的風(fēng)蝕退化過程。制定風(fēng)蝕荒漠化防治的技術(shù)措施主要依據(jù)土壤風(fēng)

蝕原因及風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即蝕積原理。原理和途徑概括為下述幾個(gè)方面：增大地表粗糙度，降低近地層風(fēng)速阻止氣流對(duì)地面直接作用提高沙粒起動(dòng)風(fēng)速，增大抗蝕能力改變風(fēng)沙流蝕積規(guī)律第二節(jié)風(fēng)蝕荒漠化防治的生態(tài)學(xué)原理植物治沙成為防治土地沙質(zhì)荒漠化最

有效的首選措施。利用植物改造沙質(zhì)荒漠

化土地，首要問題是植物在流沙上如何成

活與保存，及其改造流沙環(huán)境的生態(tài)功能。一、植物對(duì)流沙環(huán)境的適應(yīng)性原理可以利用天然植物在流沙地區(qū)去恢復(fù)和建立植被，這便是植物治沙的物質(zhì)條件和理論基礎(chǔ)。干旱和流沙的活動(dòng)性是影響植物最普遍、最深刻的2個(gè)限制因素，是制定各項(xiàng)植物治沙技術(shù)措施的主要依據(jù)。（一）植物對(duì)干旱的適應(yīng)性在長(zhǎng)期干旱氣候條件下，流沙上分布的植物，產(chǎn)生一定的適應(yīng)干旱的特征，表現(xiàn)為：萌芽快，根系生長(zhǎng)迅速而發(fā)達(dá)具有旱生形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理機(jī)能植物化學(xué)成分發(fā)生變化（二）植物對(duì)風(fēng)蝕、沙埋的適應(yīng)流動(dòng)沙丘上的植物對(duì)風(fēng)蝕、沙埋的適應(yīng)能力可歸納為以下4種類型：1．速生型適應(yīng)2．穩(wěn)定型適應(yīng)3．選擇型適應(yīng)4．多種繁殖型適應(yīng)沙拐棗、花棒、楊柴、梭梭、木蓼等。楊柴、沙拐棗、紅柳、駱駝刺、沙柳、麻黃、沙蒿、白刺、沙竹、牛心樸子、沙旋復(fù)花等。例例（二）植物對(duì)風(fēng)蝕、沙埋的適應(yīng)沙生植物對(duì)流沙環(huán)境活動(dòng)性的適應(yīng)途徑

主要是避免風(fēng)蝕，適度沙埋。沙埋的適度范圍可用沙埋厚度與灌木本身高度之比值（A）來(lái)衡量。A=0~0.7為適度沙埋，A>0.7為過度沙埋。天然灌木、半灌木產(chǎn)生灌叢沙堆效應(yīng)，以消除風(fēng)蝕。（三）植物對(duì)流沙環(huán)境變異性的適應(yīng)植物對(duì)環(huán)境變異的適應(yīng)性變化，亦即沙地植被演替規(guī)律，這是恢復(fù)天然植被和建立人工植被各項(xiàng)技術(shù)措施的理論基礎(chǔ)。二、植物對(duì)流沙環(huán)境的作用原理（一）植物固沙作用植物以其茂密的枝葉和聚積枯落物庇護(hù)表

層沙粒，降低近地層風(fēng)速，加速土壤形成過程，提高臨界風(fēng)速值，起到固沙作用。當(dāng)沙面逐漸

穩(wěn)定以后，便開始了成土過程。二、植物對(duì)流沙環(huán)境的作用原理（二）植物的阻沙作用輸沙量與風(fēng)速的三次方成正相關(guān)，風(fēng)速的降低，起到阻沙作用。植被阻沙作用大小與覆蓋度有關(guān)，不同植物固沙和阻沙能力取決于近地層枝葉分布狀況。灌木固沙和阻沙能力較強(qiáng)。二、植物對(duì)流沙環(huán)境的作用原理（三）植物改善小氣候作用在植被覆蓋下，反射率、風(fēng)速、水面蒸發(fā)量顯著降低，相對(duì)濕度提高。小氣候改變后，加速成土過程。（四）植物對(duì)風(fēng)沙土的改良植物對(duì)風(fēng)沙土的改良作用，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①機(jī)械組成發(fā)生變化。②物理性質(zhì)發(fā)生變化。③水分性質(zhì)發(fā)生變化。④有機(jī)質(zhì)含量增加。⑤氮、磷、鉀三要素含量增加。⑥碳酸鈣含量增加，PH值提高。⑦土壤微生物數(shù)量增加。⑧沙層含水率減少。二、植物對(duì)流沙環(huán)境的作用原理第三節(jié)水蝕荒漠化的防治原理一、水力侵蝕作用（一）侵蝕起動(dòng)流速起動(dòng)流速或臨界流速分為滑動(dòng)起動(dòng)和滾動(dòng)起動(dòng)2種。泥沙顆粒的滑動(dòng)起動(dòng)流速滾動(dòng)起動(dòng)流速搬動(dòng)的沙粒顆粒的體積或重量總與流速的六次方成正比，即G∞V6。起動(dòng)流速的經(jīng)驗(yàn)公式（二）水力侵蝕作用過程1．水流侵蝕作用水力侵蝕作用分為下蝕和側(cè)蝕2種方式。土壤侵蝕模數(shù)侵蝕深度轉(zhuǎn)化式侵蝕強(qiáng)度分為微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極度和劇烈侵蝕6級(jí)。2．水流搬運(yùn)作用水流搬運(yùn)作用有懸移和推移2種。坡面流挾沙能力經(jīng)驗(yàn)公式水流挾沙能力經(jīng)驗(yàn)公式侵蝕率3．泥沙堆積泥沙沉速公式泥沙的沉積條件可分為3個(gè)不同區(qū)域：在COD線以上V*>V*e，F(xiàn)OD部分以推移為主，其余以懸移為主。在EOD線以下V*<V*c及V*<w，泥沙迅速淤積。在COE線左側(cè)w<V*<V*c，不發(fā)生過多沉積。二、土壤侵蝕規(guī)律水力侵蝕過程中剝蝕、搬運(yùn)和沉積3種狀態(tài)的發(fā)生

是在不同條件下，水的破壞力大于土體的抵抗力的結(jié)果。（一）雨滴擊濺侵蝕雨滴濺蝕主要表現(xiàn)在下列3個(gè)方面：破壞土壤結(jié)構(gòu)，形成“板結(jié)”。直接打擊地面，產(chǎn)生土粒飛濺和沿坡面遷移。雨滴打擊增強(qiáng)地表薄層徑流的紊動(dòng)強(qiáng)度，導(dǎo)致了侵蝕和輸沙能力增大。降雨侵蝕力指標(biāo)（二）地表徑流侵蝕1．坡面徑流侵蝕沖刷流速和粒徑、容重間關(guān)系穩(wěn)定條件下，水流流過單位面積坡面時(shí)產(chǎn)生的沖刷作用2．溝蝕侵蝕溝谷分為淺溝、切溝、沖溝、坳溝4個(gè)不同發(fā)育階段。坡面徑流集中向下切入底土，形成深度超過1m，寬度超過深度0.5~1倍以上（在生產(chǎn)影響下可達(dá)幾倍到幾十倍）的寬而淺的溝道，即淺溝。淺溝徑流集中切入地面很深，出現(xiàn)溝頭，即為切溝。切溝的深度為10~50m，橫斷面呈“V”字型。切溝進(jìn)一步發(fā)育，跌水出現(xiàn)在上游，橫斷面一般呈“V”型或?qū)挕癠”型，下游出現(xiàn)堆積物及沖積物，即沖溝階段。沖溝發(fā)育到一定階段時(shí)，侵蝕溝逐步停止發(fā)育，坡腳形成穩(wěn)定的坡積物，溝頭和溝坡上逐漸長(zhǎng)出植物，稱為坳溝階段或安息階段。（三）下滲侵蝕水流下滲，增加了土體重力，土體顆粒

之間凝聚力減弱，發(fā)生滑坡、崩塌、瀉溜等，造成土壤侵蝕。水力對(duì)土壤侵蝕還有混合侵蝕。最常見的混合侵蝕就是泥石流。三、影響土壤水蝕的因素（一）降雨對(duì)土壤水蝕的影響雨型降雨強(qiáng)度降雨量（二）地形對(duì)土壤水蝕的影響坡度坡面坡度是決定徑流沖刷能力的基本因素之一。條件相同時(shí)，坡度愈大，流速愈大，土壤侵蝕量愈大。坡度對(duì)雨滴的擊濺侵蝕也有一定影響。坡長(zhǎng)條件相同時(shí)，坡面長(zhǎng)度直接影響水力侵蝕強(qiáng)度。（二）地形對(duì)土壤水蝕的影響結(jié)合降雨條件，歸納起來(lái)有三種情況：⑴特大及較大暴雨情況下，坡長(zhǎng)與徑流量、沖刷量均成正相關(guān)；⑵降雨平均強(qiáng)度小，或平均強(qiáng)度較大而持續(xù)時(shí)間較短的情況下，坡長(zhǎng)與徑流量成反相關(guān)，而與沖刷量成正相關(guān)；⑶一次降雨量很小，歷時(shí)也很短的情況下，坡長(zhǎng)與徑流量、沖刷量均成負(fù)相關(guān)。地形地形對(duì)水力侵蝕的影響，是坡度和坡長(zhǎng)綜合作用的結(jié)果。坡向坡向不同，太陽(yáng)輻射不同，從而影響土壤環(huán)境因子的不同，其侵蝕過程也有差異。（二）地形對(duì)土壤水蝕的影響（三）土壤條件對(duì)水力侵蝕的影響土壤是影響徑流的因素。影響土壤的因素有土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)及水穩(wěn)性、土壤孔隙、剖面結(jié)構(gòu)、土層厚度、土壤濕度及土地利用方式等。（四）植被對(duì)土壤侵蝕的影響植被對(duì)抑制土壤侵蝕發(fā)生起積極作用。攔截降雨調(diào)節(jié)徑流團(tuán)結(jié)土體改良土壤性狀（五）人為活動(dòng)對(duì)水力侵蝕的影響人為活動(dòng)的影響有2個(gè)作用：是人為過度的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，成為水蝕荒漠化發(fā)生、發(fā)展的主導(dǎo)因素；是人們促進(jìn)退化土壤逆轉(zhuǎn)。第四節(jié)鹽漬荒漠化的防治原理一、鹽漬土的形成與分布（一）鹽漬土的形成鹽漬土形成條件主要有：1．物質(zhì)來(lái)源巖石風(fēng)化物；含鹽地層風(fēng)化和再循環(huán)；火山活動(dòng)的產(chǎn)物；深層鹽水外冒；風(fēng)蝕風(fēng)積鹽類；生物累積的鹽分等等。第四節(jié)鹽漬荒漠化的防治原理一、鹽漬土的形成與分布（一）鹽漬土的形成鹽漬土形成條件主要有：2．地形條件土壤鹽分的累積必須具有適宜的地形條件。從大中地形來(lái)看，低洼地區(qū)積鹽形成漬土。從小地形來(lái)看，高處積鹽，形成鹽斑。第四節(jié)鹽漬荒漠化的防治原理一、鹽漬土的形成與分布（一）鹽漬土的形成鹽漬土形成條件主要有：水文條件地下水位高，礦化度高是形成鹽漬化的重要條件。氣候條件干旱、半干旱地區(qū)或季節(jié)性干旱地區(qū)，易于積鹽。第四節(jié)鹽漬荒漠化的防治原理一、鹽漬土的形成與分布（一）鹽漬土的形成鹽漬土形成條件主要有：生物條件植被稀疏或光板地極易積鹽形成鹽漬化。人為因素灌溉地區(qū)，人為用水不當(dāng)，造成或加強(qiáng)鹽漬化。（二）我國(guó)鹽漬土的分布我國(guó)鹽漬土主要分布在干旱、半干旱和亞濕潤(rùn)的干旱地區(qū)，主要有濱海、華北、西北、東北、灌區(qū)次生等五大鹽漬土區(qū)。其中三北防護(hù)林地區(qū)是我國(guó)鹽漬土集中分布區(qū)，鹽堿地2170.48萬(wàn)hm2，占全區(qū)土地總面積的5.3%。沼澤鹽土三北地區(qū)境內(nèi)共有5個(gè)亞類：旱鹽土

草甸鹽土堿化鹽土（蘇打鹽土）濱海鹽土二、水肥鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律（一）水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律垂直運(yùn)動(dòng)水鹽垂直運(yùn)動(dòng)有積鹽和脫鹽2種。水平運(yùn)動(dòng)大地形在洼處形成鹽漬化。小地