《水土保持学》第六章水土保持林业措施.doc

第六章水土保持林业措施水土流失地区经人工控制的(水土保持林业措施)土地经济系统和土地自然系统耦合构成土地经济系统，如何使这个复杂系统的结构合理，水土流失处于正常侵蚀范围之内，经济效益最佳，运行高效，是多年来林业工作者研究的重大课题之一。林业措施不仅是技术和社会经济问题，而且是发展经济与充分发挥土地的生产潜力和环境保护的生态经济问题。通过林业措施使相对稳定的土地生态经济系统，在一定范围内，可使它对外界的干扰、破坏，有一定的自我调节能力，因而在一定的情况下能保持相对的平衡，持续发展。第一节水土保持林的水文效应第一节水土保持林的水文效应在地球水圈层中大约含有1386108立方公里的水。这些水在太阳辐射和地心引力的作用下不停地运动着，时刻都在改变着地球的自然景观。水不仅是生命存在和延续的先决条件，而且是全球与局部气候状况的重要决定因素。随着人类文明的发展，人们对水的用途要求越来越高，用量越来越大，例如我国到本世纪末的全国年总需水量将由80年代的4400亿m3增加到6500亿m3，即需增加近50%。而美国在未来的几十年里某些地区也需增加20%以上。当前，在第三世纪的一些国家中干旱、半干旱地区，水资源的短缺已成为工农业生产发展的严重障碍。但是，由于水的性质所决定，它不仅对人类的生活带来方便，而且有时造成不便甚至对人类生命财产造成严重威胁。据估计，地球大陆上的总降水量约119万立方公里。这些水一部分以水蒸汽的形式反回大气，而另一部分则变成地表径流。由于这些降水在时间和空间上分配的不均匀性，过量的地表径流常常超出正常的河槽，形成洪水而淹没平原，破坏农田与城镇，引起重大伤亡事故，造成毁灭性的灾害。另一方面，当高空的水蒸汽以雨滴的形式下降时，雨滴的动能又可使土壤颗粒崩解，形成结皮，迅速降低地表土壤的入渗能力，引起坡面侵蚀，并增加洪水量，引起沟道、河流侵蚀，甚至引起泥石流暴发，诱导滑坡等重力侵蚀的产生。被冲入河流的矿质和有机质沉积，可造成河床、湖泊、水库的淤积，降低其调洪能力，并使水质受到污染，成倍地增加了洪水所造成的损失。一方面是水资源的严重缺乏，另一方面是大量降雨所造成的破坏。在长期的生产实践和科学研究中，人们不仅认识到了通过修建水利工程可以解决水资源不平衡的矛盾，而且也认识到了陆地森林的巨大调节作用。地球上现有约四十亿公顷的森林正在保护着地球上的主要江河的安全。森林对水资源的这种调节作用就是所谓的“涵养水源，保持水土”的作用，并相应的产生了森林水文学这门专门的学科来研究森林与水的关系，同时也就是确立了森林流域水资源管理的基础并把其成果应用到一般流域管理中去。近代随着人们对森林采伐与更新，干旱地造林，水资源问题如水量、水质等及环境问题的日益关心，有关森林与水资源的关系正在进行深入地研究，一方面企图确定这种关系的机制，另一方面企图定量出这种影响的水平大小，从而为改善水资源的管理方法，为林业事业的发展提供所必需的基本依据。水土保持林与水的关系其实质是水土保持林的水量平衡，即水土保持林对各水量平衡要素的影响。水土保持林的水量平衡系统同其它的森林水量平衡系统一样，是一个极为复杂的系统，不同林分对各平衡要素的影响是随时空而变化的。同时，由于这种影响也受到气候、地形、土壤、地质等多方面的影响，因此，在综合评价中如何区分出水土保持林的作用是极为重要的。总的来说，水土保持林对涵养水源，保持水土，调节径流，防止洪水，改造局部地区水文循环、调节局部气候等都起到了一定的作用，也就是说与原无林地相比水量平衡发生了较大的变化。但是，由于这种变化的时空性比较大，因此在实际中我们应当谨慎对待，以免造成不必要的损失。一、水土保持林对降雨的再分配作用在有林流域中，当降雨到达林冠层上时，从林冠层向下运动的过程中就要被重新分配，总的趋势是到达林地上土壤表面的降雨有所减少。其中相当的一部分降雨要被林冠层(乔木、下木、灌木和活地被物)和枯枝落叶层截留，通过蒸发返回大气中去，对林地土壤来说成为无效降雨。但是这种林冠或枯枝落叶湿润条件下的蒸发又可以增加大气湿度从而抑制林木的蒸腾和地表土壤的蒸发，使进入土壤的水分有充足的时间在土内重新分配，尔后更有效地供给林木及其它植物的蒸腾需要。同时这种从林冠至地面上对降雨的再分配作用对降雨的雨滴动能可以起到一定的消耗作用，即减少或消灭雨滴对土壤的分散力，防止地表土壤被侵蚀。这种截留作用的一个直接后果是地面净雨量的减小，即在降雨强度比较大时可以起到减缓洪水的作用。(一)地上部分对降雨的再分配过程大气降水落到水土保持林表面时，首先被林冠层截留(这里的林冠层泛指所有森林植物地上部分)引起降水的第一次分配。然后，当降水量足够大时，一部分降水到达枯枝落叶层引起降水的第二次再分解。这种再分配持续的时间和各层所能容纳的降水量，与它们的数量、性质和降水特性有关系。对于林冠层来说，与当时的气象条件如降水量，降水强度、风速等和林冠的特征如郁闭度、林冠干燥度、林冠特性、林龄等因子有关。对于枯枝落叶层来说，除了降水条件外，主要与枯枝落叶层的数量、性质、分布及干燥程度有关。1林冠层对降水的截留作用所谓林冠截留作用，是指降水到达林冠层时，有一部分被林冠枯枝和树干所临时容纳，尔后又蒸发返回大气中去的作用。在降雨过程中的某一时段内，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称为该时段内的林冠截留量，或简称为截留量；在该时段内林冠截留量与林外降水量之比称为林冠截留率 ，或简称为截留率。同时，在大气降水过程中还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。林外降雨量与林冠截留量和干流量的差就形成了林内降雨量。林内降雨量由从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到地面的冠滴下雨两部分雨量所组成的。其中前者的雨滴动能不受林冠截留作用的影响，而后者则要受林冠截留作用的影响。(1)林冠特性与截留量林冠其所以对降水有一定的截留作用，是由林冠枝叶特性和水分的物理性质所决定的。雨滴作为一种液体具有一定的粘滞力，当其浸润枝叶体表面时形成一层水膜，并在叶缘形成水滴，从而产了一定的表面张力。同时，雨滴又具有一定的重量。因此，当降雨的雨滴落到林木的枝叶干等树体表面后，在表面张力与重力的均衡作用下被吸附着。这样，林冠截留量的大小就由林冠所能产生的这种总的表面张力的大小所决定。一旦降雨量增加到一定量时，表面张力之间就会失去平衡，其中一部分雨滴就会自然的下滴，产生冠滴下雨，或由于风加大了重力的作用也会产生冠滴下雨。当降水量达到某一值之后，降水量增加，林冠截留量不再增加，达到它的极限值，即所谓的林冠饱和截留量，也叫林冠贮水容量。从林冠截留作用产生的机理来看，对林分的林冠截留量影响比较大的林冠特性因子有：a树种。树种不同，枝叶的质地、表面粗糙度、湿润角的大小不同，因而产生的表面张力也不同；b树冠结构。树冠结构不同，枝叶的排列方式不同，枝叶的重叠程度不同，因而截留的效率也不同；c林冠郁闭度。林冠层的郁闭度不同，枝叶量不同，所产生的总的表面张力也不同；d林冠的湿润状况与截留量也有关系。经过多年的研究证明，一般的规律是，针叶树因为枝叶茂密，层次多，树枝水平或轮状重迭排列，枝叶面积大，截留量比较大；阔叶树较针叶树枝叶稀疏，层次少，枝叶总面积小，截留量也比较小；硬阔叶树比软阔叶树枝叶还稀疏，叶表面光滑，因而截留量比软阔叶还小；灌木的截留量则居于针叶树和阔叶树之间，如表6-1所示。表6-1树种与截流率的关系项目树种针叶树阔叶树灌木油松软阔叶树硬阔叶树山杨海棠辽东栎沙柳点子稍茶条槭树冠投影面积m2295220189382244040郁闭度09080707090707树冠厚 m102755217351414树冠形状塔型圆锥状漏斗状圆锥状馒头状圆锥状圆锥状平均截流率 %26616514882222185183备注此为中国科学院地理所水文室在陕西省黄龙山林区仙姑河上游寺沟流域森林坡地上进行的单株(丛)观测结果林冠贮水量c就定量地表征了林冠特性对林冠截留量的影响作用的大小。它可以通过测量降雨量P，林内降雨量T和干流量S来求得(假设PC)：C=(1-)P-T-S(6-1)式中表示降雨期蒸发掉的那一部分雨量。上式可简化为：C=Ic+P(6-2)显然，6-1、6-2式中的Ic就代表了林冠截留量。图6-1截留与降雨的关系(2)降雨量降雨性质与林冠截留量林冠截留量的大小受降雨量、降雨性质的影响很大。一般来说，降雨量大截留量也大，但并非直线关系。如图6-1所示，在我国东北五营林区的实验结果表明，如果用截留率来表示截留量与降雨量的关系，截留率不是一个常数，而是随降雨量增加逐渐减小的。当降雨量较小，截留量随降雨量的增加而增加，相应截留率也随降雨量的增加而增加，直至林冠截留达到饱和，即e值。这时，降雨量增加截留量则不再增加而截留率相对减小。从图6-1可以看出，截留量和降雨量的关系呈曲线关系，即指数型关系。降雨强度对截留量的影响有时甚至超过了降雨量的影响。在野外实验中经常可以观测到这种现象，即同样的降雨量但林冠截留的数量却大不相同。前面我们已经分析过林冠截留量的多少主要由林冠表面水的张力与水滴之间的重力的均衡性所定。因此，当降雨强度较小时，雨滴的直径也比较小，相应地雨滴的动能也比较小，降雨对林冠枝叶体表面的打击力也较小，雨滴在表面张力的作用下很容易被林冠所截留；而当降雨强度比较大时，雨滴动能也比较大，对林冠枝叶体表面的打击力也比较大，枝叶体的晃动幅度也比较大，这样就加大了重力的作用使林冠截留量减小。另一方面，降雨强度比较小但历时比较长，或者间歇性降雨，截留降雨不仅能均匀湿润枝叶体表面，而且它蒸发到大气中的时间也比较长，因而截留量也大。一般来说，林冠截留量与降雨量成反比关系，即随降雨强度增加，截留量减小。对于历时较长的降雨，在降雨过程中林冠的枝叶体表面还会蒸发掉一部分截留降雨到大气中去，又会增加一部分截留量。一般把这种因蒸发作用而增加的截留量称为附加截留量。即P2部分。所以，对于历时较长的降雨林冠总截留量一般都超过林冠贮水容量e。(3)林冠截留的观测结果据中野秀章(1976)推算日本的森林的林冠年截留率大约为15-20%左右，美国、新西兰的一些地方年截留率达40%以上(小雨和降雪占的比例比较大的地区)。在日本赤松林的截留率(1956-1960年) 在19-35%，日本落叶松(1966-1969)在19-38%。据福特(1978)在南苏格兰人工云杉林内观测，1976年降水量为1639毫米，林冠截留率30%。据在我国江西杉木林和马尾松中观测(1985-1986年)平均截留率在1992-2418%。总的来说，对于不同地区不同林种来说，截留量的变化比较大，一次降雨的截留率在小雨时非常大，在大雨时却非常小，例如赤松林在降雨量小于1毫米时林冠截留率为83%，而在降雨量大于150毫米时林冠截留率仅8%，因此，要指出一个能代表一般而且在各种情况下都适合的截留数据是比较困难的，只能给出一个大概的范围。总的来说，对成林截留率在5-30%可能是比较恰当的。(4)干流干流也称为树干截留或径流，是指在降雨时由于林冠截留作用降雨的一部分从林冠转向树干流向地面而形成干径流。干流的数量虽然不大，一般常被人们忽略，但它却有一定的水文学意义。水土保持林如果生长在比较干旱的地区，在降雨量比较小时由于林冠截留作用林内雨量很小，这时干流则很可能直接流到树干基部周围被林木根系所吸收。所以当林地土壤比较干燥以及水分渗透到下层土壤受到限制时，干流一般不会变成地表径流而流走，对于林木根系生长是十分有益的。干流量一般随着降雨量，降雨强度的增加而增加。当降雨量很小时(一般小于5毫米)一般不会产生干流。干流量的变化范围很大，从零到百分之十以上。例如，松林降雨量小于60毫米，干流率(干流量占林外降雨量的百分比)小于25%；降雨量在60-100毫米时，干流率33-42%;降雨量在150-180毫米时，干流率在43-63%。又如，日本落叶松林分，雨量级在0-3毫米时，无干流产生；雨量级在10-15毫米时，干流率在59%，雨量级在100-150毫米时，干流率在69%。但是，在赤松林中，林外雨量为151毫米，干流率才08%，降雨量在202毫米，干流率06%。从前面四个方面的分析中我们可以对降雨量与林冠截留量，林内降雨量和干流量的关系作为简单的总结。如图6-2所示，对于一次降雨：1)林内雨量随林外雨量的增加而增加，但在雨量级很低时，林内雨量最初增加很缓慢，以后增加较快，大致呈现直线上升；2)林内雨量对林外雨量的比率，在低雨量级时，随林外雨量的增加激增，但在高雨量级时逐渐趋于稳定，并保持一定值；3)干流量只有在一定雨量时才会发生，在低雨量级时干流量增加缓慢，以后随雨量增加而急剧增加；4)干流率在低雨量级时急剧增加，在高雨量级时接近一定值；5)林冠截留量在低雨量级时急剧增加，但达到饱和截留量之后缓慢的增加；6)林冠截留率在低雨量级时急剧下降，随后缓慢下降并逐渐趋近于一定值。图6-2林外雨量与树冠截留、林内雨量、干流量的关系(赤松壮龄林)2枯枝落叶层对降雨的截留作用林地枯枝落叶层，也叫枯落物层，是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。它是林地地表所特有的一个层次。有些文献中把这一层分为三个亚层，即枯落物未分解层，半分解层，完全分解层或腐殖质化层。另外一些文献则把这一层分为两层，有机残体的组织结构仍可用肉眼辨认的上部层次叫A00层，而肉眼已不能辨认其原有组织结构，大部分以无定形腐殖质态存在的下部层次叫做A0层。这样，根据枯落物层的存在状态一般把林地分为两大类型：以A00为主的类型和以A0为主的类型。林地枯枝落叶层的结构和其位置决定了它在水土保持林的经营管理中具有特别重要的意义。水土保持林的多种水土保持效益，包括水文效益的产生都是依赖于枯枝落叶层的存在。降雨是形成地上水成为地表径流流走，还是转化成土壤水贮存在土壤内或变成土内径流，枯枝落叶层是必须经过一个层次，而这个层次由于它本身结构的性质所决定，它是参于水土保持林整个水文过程的一个极为积极而重要的一个因素。其中以A0型为主的类型在水文及防止土壤侵蚀中的意义更为突出。因此，是否具有良好的枯枝落叶层也成为评价水土保持林效益的一项重要指标，保护好林地枯枝落叶层，也成为水土保持林经营管理的一项重要指标。降雨被林冠层进行第一次再分配之后到达林地枯枝落叶层，被枯枝落叶吸收、分散、消能之后再到达土壤矿物质层进行第三次再分配。林地枯枝落叶层在水土保持中的作用是多方面的，总括起来有这样几个方面：1)彻底消灭降雨动能，2)吸收降雨，3)增加地表糙度，分散、滞缓、过滤地表径流，4)形成地表保护层，维持土壤结构的稳定，5)增加土壤有机质，改良土壤结构，提高土壤肥力。(1)枯落物的水容量枯落物的水容量也叫枯落物的持水量，是指单位干重的枯落物所能吸收的水分的数值。枯落物的水容量一般以它干重吸水的百分数或相当的降雨毫米数来表示：LC=SLWL100%(%)(6-3)或LC=SLAL10(mm)(6-4)式中LC枯落物的水容量(mm)SL枯落物截留的降雨量(g)WL枯落物干重(g)水的比重(g/cm3)AL采集枯落物的面积(cm2)这样，枯落物截留降雨量的多少，根据林地枯落物的数量和水容量就可以估算出来。(2)枯落物数量与截留量优良的水源涵养和水土保持树种，应能产生大量的枯落物，在林地上形成连续交织覆盖的深厚枯枝落叶层，不同类型的森林枯落物的输入量变化很大。但是，林地枯落物的数量不仅决定于输入量，而且也决定于枯落物的分解速率。一般来说，枯落物的输入量主要决定于树种，林分密度、林龄、林分生长状况等气候条件；而分解速度则主要决定于枯落物的性质和环境条件。总的规律是阔叶分解快，针叶分解慢；高温地区分解快，低温地区分解慢；湿润条件下分解快，干燥条件下分解慢。就其枯落物分解的动力学来说，因为其分解速率主要是在土壤微生物的作用下进行的，所以其分解速率受其C/N的影响。由于枯枝落叶的分解速度一般小于输入速度，所以枯落物在林地上不断积累形成了枯落物层。这一层的现存量就决定了它截留降雨量的多少。据西北林学院王建让测定，在秦岭南坡华山松林中枯落物的现存量在21220-26578吨 /公顷，油松林25409吨/公顷，落叶松为13366吨/公顷，冷杉林24158吨/公顷，云杉林26609kgbn/公顷，桦木林19717吨/公顷，栎林20297吨/公顷。又据陈国定(1982)福建天然柏林区中枯落物的现存量分别为：福建柏阔叶混交林290吨/公顷，福建柏水青冈甜槠混交林1121吨/公顷，铁杉阔叶混交林1590吨/公顷。显然，不同地区不同林种枯落物的现存量差异很大，因而截留降雨的能力也有很大的差异。(3)枯落物性质与截留量枯落物的水容量与其性质也有很大的关系。枯落物的组成中枝占3%，叶占91%，果占6%左右，其吸水作用最大的是叶子。不同树种的枯落物水容量一般是阔叶大于针叶；不同分解程度的枯落物一般是分解的越彻底水容量越高。如表6-2所示，栎林的枯落物年产量比松林高32%，但枯落物层中的叶量及半腐物均较低，表明其腐烂分解程度较松林为高。单位厚度枯落物的吸水量栎林要高于松林一些。另据北京林业大学水土保持系对广西大明山森林枯落物水源涵养作用的研究，50年生常绿阔叶林，14年生马尾松林的枯枝落叶层分别可保持水量约37毫米和10毫米。表6-2松林和栎林枯枝落叶层的数量及其水文特征森林类型凋落物年产量(Kg/ha)枯枝落叶层厚度(cm)重量(Kg/ha)组成特征各组成物重量(Kg/ha)自然含水率(%)最大持水率(%)有效蓄水率(%)一次降雨正常有效贮水深度(mm)松林2030352782枝1626411955叶10252510277半付物16001181826423栎林2680402865枝365427230叶92048298250半付物1580971064627二、林地土壤水文性质的改良作用(一)林地土壤入渗能力土壤的入渗能力是土壤一个十分重要的水文性质，林地是否能产生地表径流和地表冲刷侵蚀，是否能起到削弱暴雨洪峰流量以及涵养水源、补充地下水及河川流量等作用的关键所在。一般的情况是土壤的入渗能力常常起初比较高，后来减缓下来，最终接近于一个成为该土壤特征的稳定速率。对于不同强度的降雨土壤剖面不同深度的稳渗率就决定了降雨第三再分配的数量，即形成了不同降雨强度的产流影响层决定了降雨的入渗量和产流量。因此，凡是构成对土壤物理影响的因素，都对土壤的入渗能力，进而对水土保持的效益都构成了重要的影响。影响土壤入渗率的因素是多方面的。首先，土壤的入渗率主要依赖于土壤的含水量而变化。土壤的初始湿度越大则初期入渗率愈小，反之土壤的初始湿度愈小是则初渗率愈大。这主要是土壤的水吸力梯度小的缘故。而且初始湿度大土壤入渗达到稳渗的历时也短。土壤的稳渗率一般与土壤初始含水量无关。但需要注意土壤入渗率与土壤含水量的关系不同于导水率与含水量的关系。其次，在土壤物理性质中影响土壤入渗率的主要因素是土壤和孔隙状况，土壤质地，土壤结构的稳定性，地表是否有结皮，土内是否有间层等。一般来说，地表土壤的孔隙度越高，土壤结构的通透越好，初期入渗率也越高。但是，土壤的稳渗率却基本是一定值，因为它是受下面传导层的较小的导水率所制约的。当然，剖面通体的孔隙度越高土壤的稳渗率也越高。然而，如果土壤表面被压实，或有地表结皮产生时，地表层将会被导水率极低的结皮盖住，土壤的入渗率就会极大的降低。对于不同质地的土壤来说，一般是土壤质地越粘重，土壤的入渗率越小。如表6-3所示。结构性不稳定的土壤在入渗过程中因土壤团粒的崩解易形成结皮，特别是在降雨雨滴的打击之下。若土壤结构不稳定，在入渗过程中土壤剖面因结构破坏而使孔隙度降低而降低入渗率。土壤剖面中间层的存在也会影响土壤的入渗过程和入渗率，视间层的情况而不同。显然较紧实的间层对土壤的入渗有不利的影响。表6-3渗透率与土壤结构和植物的关系土壤结构渗透能力(mm/时)裸土植物复盖的土壤粘土0-55-10粘壤土5-1010-20壤土10-1520-30砂壤15-2020-40砂土20-2540-50图6-3火山灰地带不同地被的下渗率曲线(在900厘米小区内按相当于400毫米/小时雨量强度沿地表流下给水)a:林地(阔叶林)b:林地(赤松)c:草地(大穗结缕草)d:裸露地在易产生水土流失危险的地区营造水土保持林之后，伴随着水土保持林的生长发育其必然对林下的土壤性质起到一定的改良作用，并且随着林龄的增加这种改良作用逐渐增强。因此在同植被覆盖下和土壤中林地土壤与非林地土壤相比，土壤的入渗能力必然有很大的不同。经过许多研究者多年的研究取得大量可靠的观测实验数据证实，林地土壤的入渗能力一般要高于非林地，反映在入渗曲线上一是曲线上移，二是曲线的形状发生变化，如图6-3所示。这样，即使由于林冠、枯枝落叶的截留作用，虽然使达到林地地面上可供入渗的总水量有所减少，但是总的入渗容量却不一定小于非林地，特别是在高强度的降雨条件下。另外一方面由于枯枝落叶对地表径流的滞缓分散作用，相应地也增加了下渗容量。从图6-3可以看出，林地土壤和非林地土壤相比，相应地初期入渗能力和终期入渗能力却要高于非林地，而且下渗曲线在图上呈圆滑型，而非林地的初期入渗能力比较低，且入渗率随时间增加迅速降低，在图上入渗曲线呈急剧转折而迅速趋于平稳达到终期入渗能力。林地具有较高的入渗能力，据北京林业大学对江西修水不同地类土壤入渗能力的研究表明，马尾松林地、杉木林地和灌木林地的饱和导水率Ks分别是裸地的2125,3054,1121倍。据地理所在我国黄土地区的陕西省黄龙林区的研究，用雨强在003mm/min-50mm/min范围内的人工降雨法进行入渗试验，得出林地的稳渗率是农耕地的24-29倍，疏草地的16-18倍。而据中野秀章在日本北海道林地的稳渗率比其它地类的差别还要大得多，如表6-4所示。表6-4北海道各地不同地被的终期下渗率比较地被类别林地采草地耕地放牧地裸露地终期下渗率(毫米/小时)414128563714林地土壤其所以维持了较高的入渗能力，主要是因水土保持林改良土壤的作用而改善了影响入渗能力的土壤物理性质，总的来说可以归于以下几个方面。图6-4林地与草地终期下渗率的比较注1：人工草地：鸭茅、K31羊茅、H1黑麦草等放牧林地：麻栎、槲树，树高3-4米，胸高直径4-5厘米，树冠疏密度75%，下草为芒草等标准林地：同上自然草地：芒、蕨、结缕草等注2：洒水强度100毫米/小时首先，林地枯枝落叶层的存在以及分解转化是林地维持高的入渗能力的重要原因之一。第一枯枝落物层可以减少或避免雨滴的击溅作用，防止地表在雨滴打击之下土壤颗粒分散引起地表结皮；第二，枯落物层对泥沙具有一定的过滤作用，把细小泥沙过滤出来，防止了土壤孔隙的堵塞；第三，枯落物层不断分解转化，增加了土壤腐殖质含量，而腐殖质又是粘粒的胶结剂，有利于形成大量的水稳性团粒，稳定土壤结构；第四，枯落物层增加了土壤有机质含量，为微生物及土壤中的动物、昆虫提供食物和保护条件，促进了土壤孔隙的发育和稳定性结构的增加。其次，林木生长发育过程，就是对土壤理化性质不断改善的过程。林木根系和林下活地被物根系大量生长于林地土壤中，并且有老根系的死亡和新根系的生长，就在土壤深层留下了大量孔隙和有机质。死亡的根系腐烂分解转化成腐殖质，又促进了土壤内微生物、动物的活动，特别是软体动物蚯蚓的活动，不仅形成了大量的大孔隙、毛管孔隙增加了土壤的孔隙度，而且这些微生物、动物活动的中间产物胶结了土壤颗粒，形成了大量的水稳性团粒，促进了土壤骨架的稳定。此外，林木根系在生长发育过程中，不仅对土壤有机械作用，而且根系也分泌一些胶状化学物质，有利于根系所形成的孔隙周围土粒的胶合，保持孔隙的稳定连通。因此，在林地土壤中，表层和深层的孔隙度，特别是非毛管孔隙度，一般都要高于非林地。同时，林木的生长可以调节小气候，尤其可以调节冻土的深度和频度，有利于土壤入渗率的保持。但是，如果林地得不到很好的保护，如木材采运，过渡放牧，人为清除枯落物层等人为干扰活动，林地土壤的入渗能力就会降低。如表15木材采运对林地土壤入渗能力有显著的降低作用。如图6-4所示，不同地类的终期入渗率的比较，放牧林地要低于无干扰林地，人工草地要低于天然草地。我们还应当注意到有些林分因为经营不当也可能降低土壤的入渗率。例如落叶松、松类根系外面共生菌根可能对入渗形成阻碍；在叶片质硬而宽大的阔叶林中，落叶在未分解前象岩板一样堆积地面也会对入渗形成阻碍。因此，在水土保持林的设计及经营管理中要充分注意这些问题，通过混交林一系列措施促进枯落物的分解及微生物的活动，改良这些对入渗有影响的不利因素。(二)土内径流由于水土保持林改良土壤的独特作用，林地土壤不仅能维持较高的入渗能力而且其有机质、根系活动对土壤结构、孔隙度产生有益的影响。一般来说，林地土壤有机质含量高，土壤孔隙度发达，结构稳定，土壤物理性质的垂直梯度变化较农牧地缓和，整个剖面上的渗透能力比较高。死亡或腐烂的根系能形成各个方向的重要孔隙，特别是垂直向下的孔隙。生长发育的根系和动物的活动也能形成重要的垂直孔隙通道。这样土内径流发生的条件就起了很大的变化。在降雨形成土内径流时，其主要特征是发生的深度增加土壤剖面上的饱和导水率提高了，流路变得更为复杂，径流量减小土壤剖面蓄水能力提高，垂直渗透能力增加水分可进入更深的土层。这样林地土内径流的形式就完全不同于非林地，使降雨进入地下水的机会增加，对水源涵养作用，暴雨削洪作用都起到了非常重要的作用。此外，在细质地土壤和间层发达的土壤中，由于林木在生长发育过程中的横断作用和穿透作用，使其土壤的饱和导水率提高，间层上下形成通道，结果避免了浅层降雨亚表层流的发生， 增加了土内径流的发生深度。与林地相比，农耕地的犁底层由于容重大，导水率低，在降雨时极易形成浅层的反应时间短，流速高的中间径流。目前，有关水土保持林土内径流的研究工作不是很多还缺乏系统的研究资料，又待于今后的进一步研究。据MPMosley(1982)的研究，土内径流的流速是前期降雨量和地被物类型的函数。他在新西兰的观测研究结果是，无扰动林地的土内径流流速是045cm/s，砍伐森林后是069cm/s，而砍伐后火烧以后重新造林是064cm/s。同时，土内径流的流程也发生了变化，如图6-5所示，对于未扰动林地流径主要是3+7，但也仅占输入量的18%，其余多被4和5贮存后再进入7流出，地表径流大部分转成2流出。而对于土壤容重较高，孔隙度较小的扰动土壤，则主要是通过流径1+2流出。由此可见，破坏森林对于下游洪峰流量的形成起到了很大的促进作用。 图6-5土内径流示意图 (三)林地土壤水分贮存与评价降雨除了地表径流和冠层、枯枝落叶层的截留之外，进入土壤的水分相当大的一部分要被土壤贮存，其余部分则可能成为土内径流向下方运动最终进入河槽或直接向下渗透到深层变成地下水贮存起来。前者起到了水土保持的作用，以后被林木蒸腾或直接蒸发到大气中去，后者则构成了水土保持林水源涵养的部分。1土壤水分贮存在水土保持上土壤水分的贮存有两个方面的含意。一是在降雨时，特别是在降暴雨时林地土壤吸收贮存水分的能力；二是在降雨停止以后林地土壤吸收的水分的保持能力及多余水分的排除能力。按照土壤对水分的贮存形式，一般可分为吸收贮水量和重力持水量两个方面，前者属于土壤基质贮水量部分，后者则属于深层渗透进入地下水或土内径流或深层土壤再分配的那部分水量。在我国大部分地区年降雨量分配不均，多集中在夏季以暴雨形式下降，因此，土壤水分贮存能力的大小，无论对于林木自身的生长发育还是对于控制洪峰，防止土壤侵蚀都是一个极为重要的影响因子。近几年来，随着对森林水源涵养作用和森林拦洪能力的不断深入研究，土壤水分贮存量已成为评价森林作用的一项重要指标。土壤水分的状态、运动方式是由土壤水分所处的能量状态所决定的。对于垂直一维流，在土壤完全饱和时，理论上它的基模势为零(实际上因土壤很难达到完全饱和，仍有很小的基模势存在)，其水力势主要由重力势和基模势组成。因此，在降雨时决定土壤吸收速率的土壤因子在初期主要是土壤的毛管孔隙而后期主要是土壤的非毛管孔隙；而降雨停止以后土壤保持水分的能力主要决定于土壤毛管孔隙度；降雨过程中和降雨后重力的排除则决定于土壤的非毛管孔隙度。水土保持林的作用正是通过对土壤的各种孔隙比的影响来改善土壤的贮水能力的。一方面林地土壤的入渗能力要高于非林地，另一方面林地土壤也具有较好的保水性能，即吸收贮水量和重力持水量均较高。因此，对于某一次降雨，当降雨量比较小时由于截留损失入渗量比其它类型的土壤要小一些，但对于雨量和雨强都比较大的降雨则林地土地的贮水量要大于非林地。水土保持林地具有比较高的重力持水量，主要是由于它有分布范围较深，数量较多的非毛管孔隙(大孔隙)。据北京林业大学(1981)在西北黄土地区20年生的刺槐水土保持林中的研究，发现每亩的垂直根系孔道在1000条以上，多数由于根系腐烂以后形成的。又据水土保持系对广西大明山林区土壤重力持水量的测定如表6-5所示，在0-20cm层中重力持水量天然林最高，人工林居中，而荒草坡较低。重力持水量较高说明林地的土壤与非林地土壤相比更利于水土保持和水源涵养，即更加利于降雨的吸收和吸收后重力水的排除。表6-5广西大明山林区不同森林类型的土壤非毛孔隙与重力持水量测定结果森林类型天然林天然次生林马尾松、木莲混交林马尾松林杉木林草坡非毛管孔隙率(%)17581385107511589567940-20cm重力持水量(t/ha)351627702146231619121588这是因为在高强度大雨量的情况下，不仅土壤的入渗能力高，产生地表径流的潜能减小，而且渗入土壤中的水量若土壤具备产生土内径流的条件则一部分产生土内径流而其余部分则迅速穿过林木根系分布层向下输送至饱和带或在土层较深时变成吸收贮水量，恢复地表的入渗能力。若土壤不具备产生土内径流的条件则主要供非毛管孔隙全部垂直渗透，以恢复表层土壤的入渗能力。土壤吸收贮水量的大小反映了土壤的保水性能及土壤水分对林木生长的有效性。它的大小主要取决于土壤水分的再分布过程或内排水过程，也就是取决于土壤的非饱和导水性或土壤的毛管孔隙度。大孔隙(非毛管孔隙)越多土壤的保水性越差，但是，透水性强，毛管孔隙度越高土壤的保水性越好，且保持水分的有效性也越高。水土保持林不仅提高了土壤的非毛管孔隙，而且也提高了土壤的毛管孔隙度，因此土壤的保水性，即吸收贮水量远大于非林地土壤。2土壤水分贮存评价近年来，由于受到日本林野厅有关森林公益机能数量化研究的影响，有关林地土壤水分贮存的评价问题引起了普遍关注。但是由于从不同的角度出发，所以计量的结果有不同的理解，当然这也是由于受到了各专业的专业知识的局限性所致。总括起来土壤水分贮存的评价方法以静态方法为主，主要包括以下几种方法：(1)土壤重力持水量WgWg=10,000HdSf(t/ha)(6-5)或Wg=10,000Hd(W0-Wf)rd(t/ha)=6667Hd(W0-Wf)rd(t/mu)(6-6)式中W0土壤饱和含水量(%)Wf土壤田间持水量(%)rd土壤干容量(t/m3)Hd土层厚(m)Sf土壤粗孔隙度(%)(2)土壤实际蓄水量WMWM=(W后-W前)HMrd10000(6-7)式中WM降雨后土壤蓄水量(t/ha)HM土壤湿润深度(m)rd土壤干容重(t/m3)W后降雨后土壤含水量(%)W前降雨前土壤含水量(3)土壤吸收贮水量Ws=10000HZrd(Wf-W0)(6-8)式中Ws土壤吸收贮水量(t/ha)HZ水分入渗峰面深，一般取有效土层厚(m)rd土壤干容重(t/m3)Wf土壤最大持水量，一般取田间持水量(%)W0土壤最小持水量，一般取凋萎湿度(%)三、削减洪峰涵养水源的作用降水在经林冠层和枯枝落叶层截留之后，一部分进入土壤被土壤进行再分配，另一部分则直接从地面流走。进入土壤中的水分有一部分进入地下水层或变成土内径流，其余部分则被林木吸收蒸腾或直接从地面蒸发掉。通过多年的森林水文试验，在对森林采伐、更新和人工造林对径流的影响深入研究的基础之上，已充分论证了在流域中不同林分的存在，对地下径流量，洪峰流量及流域的总水量都产生深刻的影响，虽然对这种影响作用的程度和正负性存在分歧。在我国水土保持林的水土保持作用得到充分肯定的基础之上，在水土流失的干旱多暴雨地区营造大面积的水土保持林的主要目的之一就是调节该地的年际内径流分配，减免洪水的危害和径流冲刷造成的严重土壤侵蚀；在重要的江河流域内营造和保护大面积的水源涵养林，以调节河流的流态，减少汛期洪量并提高水质。水土保持林的水文效应，最终集中在林分对径流的影响上。即水土保持林对径流的调节作用是水土保持林水文效应的中心。因此，多年来对不同林型的径流调节作用的研究就成为水土保持工作者和水文工作者的重要研究课题。通过多年的研究，各国学者对于林分肯定影响径流的结论是一致的，但对其影响的数量却存在不同的认识。这主要是各个国家的地理环境、实验的气候条件、地质条件及实验方法的精确性等因素不同所致，有待于今后进一步的研究。(一)削减洪水的作用水土保持林对径流形成的因素有着显著的影响，这已在理论上得到了证明。一般来说水土保持林改良土壤的作用，对地表的覆盖作用及地被物对径流的阻力作用可以促使降雨向地下渗透从而减小地表径流，同时当土壤水分达到饱和时一部分水分以土内径流的形式流入河道，成为河川径流的一部分，另一方面林地地被物具有一定的截留作用，土壤的饱和持水量也比较高。这样，水土保持林在客观上就起到了削减洪峰流的积极作用，即延长了洪水总历时，降低了洪峰，减小了洪水总量。这个结论已得到多数专家的公认，在全世界各地无论是采用皆伐、择伐或人工更新造林等实验方法均已证实了水土保持林的这种作用。图6-6荒地流域造林后直接径流量减少和径流持续时间延长的一例(Pine Tree Branch)1造林对洪峰的影响一般情况下在无林流域随着森林的建立和覆被率的提高，直接径流量一般都是减小的，洪峰流量明显下降。例如，在美国松树河流域的实验中，用标准流域法实验的结果表明，在松苗栽植、幼林形成和20年后郁闭的整个过程中，降雨的直接径流和洪峰流量几乎都明显地减少，而且延长了涨水时间。在一次150毫米左右的降雨中，郁闭林分的直接径流量只有荒地流域的11-48%，而且洪峰流量减少到10-30%，如图6-6所示。又如在美国白洼试验地中，对流域中的4%耕地，26%弃耕地和4%草地进行造林，栽植松树和杨树，其余阔叶林进行林相改造，24年后的观测结果证明涨水时间有所延长，且在夏季涨水期间洪峰量减少5-27%，在冬季减少到72%。在日本多摩川上游进行多年观测证实，随着森林的成长，洪峰流量降低，径流时间显著延长，即洪水逐渐缓和。2有林区的洪水径流特征对现有森林覆被流域的径流过程的研究，也证明了水土保持林具有降低洪峰、缓和洪水的作用，一般多采用对比流域法进行研究森林覆被与洪水的关系。原电力工业部东北电力勘测设计院(1979)对东北三省无林流域和有林流域的统计分析指出，有林流域比无林流域或少林流域汇流历时平均延长162-50倍。例如，位于长白山原始林区下游的梨树径流站测到的汇流历时平均延长765倍，最少延长36倍，最多延长133倍。1960年观测到的洪峰流量为492立方米/秒，而汇流历时长达304小时。据推算如发生在无林区则洪峰流量平均达3766立方米/秒，汇流历时平均40小时。黄河水利委员会西峰水土保持试验站对子午岭林区森林植被的拦洪效益的调查结果表明，森林能拦蓄暴雨径流平均达70%，最高达90%，削减洪峰流量在60%以上，基本削除了猛涨猛落的洪水灾害。他们应用对比流域法研究了有林流域王家河(森林覆被率90%，面积4708km2),无林流域党家川(森林覆被率0，面积约4570km2)的拦洪效益，在所研究的8次洪水中，王家河平均拦洪效益为544%，最高达891%。图6-7和表6-6说明了1962年的几次洪水的洪水过程线和洪峰特征。表6-6各测站相似雨情洪峰过程线特征比较表 雨洪日期(1962年)测站雨情洪峰雨量(厘米)历时(时分)强度(毫米/时)历时(毫米)径流深(毫米)最大流量模数(公斤/秒/公里2)相对洪量指数(n)(%)洪峰过程线流量之变差系数(CV)洪峰过程之峰度系数(Ce)相对历时(%)9月王家河11960131:20073140077724852491749084409018712230日党家川1068114:0509168016051675033231003100105010007月王家河55036:10151140023402752582248116417511902628日党家川56918:5615960032101196104010025001300100010月王家河28776:404156001998485670756802880621300613日党家川28650:24061200024556861181100137013801000图6-7王家河、党家川洪峰过程线(1962年7月26日-27日)从上面的例子中可以看出，水土保持林对于削减洪峰的作用是非常明显的。但是，这种作用受到森林植被条件，土壤地质条件，地形条件及气候条件的制约，在不同的地理环境条件其程度有所不同，不能一概而论，应针对不同的条件进行深入的研究方可提出一个较为谨慎的具体数值应用于生产实践中。3采伐对洪峰的影响从世界各地的试验结果来看，没有例外的是，由于进行皆伐，一般都可能引起降雨的直接径流量的增加，而且直接径流的洪峰流量也相应增加，虽然这种增加因降雨量、降雨强度以及其它流域条件而有所不同。根据世界各地的资料大致估计，皆伐后的直接径流量为皆伐前的15-20倍，洪峰流量为105-109倍(中野秀章，1976)。在特殊的情况下，如地表很干燥，也可能引起直接径流量的减小。皆伐引起洪峰流量增加的原因是：采伐和集运作业，地表被破坏或被压实，土壤的下渗能力减弱，致使地表径流量增加；林冠及枯枝落叶截留减小，植被的蒸腾量减小，也会减小产流的初损量。当然由于皆伐后有时土壤蒸发量很大，因土壤过于干燥降雨初损量也比大因而直接径流量也可能比较小。根据日本的研究，不论在多雨区或少雨区，皆伐后的直接径流量和洪峰流量都是增加的。例如根据釜渊、龙之口山的试验结果，一次雨量达100毫米以上的大雨时，皆伐后的直接径流量和洪峰流量可分别达皆伐前的12-155倍和136-181倍。在釜渊的试验中，融雪径流皆伐地比有林地大约增加10%，但洪峰流量却要增加50%左右。(二)水源涵养作用水土保持林的水土保持作用主要是指在降雨时通过截留、渗蓄等途径吸收降雨，减少地表径流，以水分暂时贮存的方式防止水土流失；而水源涵养作用则是指暂时贮存的水分的一部分以土内径流的形式或以地下水的方式补充给河川，从而起到调节河流流态，特别是季节性河川水文状况的作用。因此，水土保持林调节径流的实质就是它的水源涵养作用的表现。这种作用在不同的条件虽然表现不尽相同，但它对国民经济的发展及人类的生存环境却有着十分重要意义。