全 文 ： 第 vz卷 第 x期u s s t年 | 月
林 业 科 学
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黄土高原森林植被水土保持机理研究
赵鸿雁 吴钦孝 刘国彬
k中国科学院水利部水土保持研究所 杨凌 ztutssl
关键词 } 黄土高原 o森林植被 o水土保持 o机理
收稿日期 }usss2sz2ts ∀
基金项目 }本研究得到国家重大基础/ |zv0研究项目资助kŠusssst{yssl ∀
ΜΕΧΗΑΝΙΣΜ ΟΝ ΣΟΙΛ ΑΝ∆ ΩΑΤΕΡ ΧΟΝΣΕΡ ς ΑΤΙΟΝ ΟΦ ΦΟΡΕΣΤ
ς ΕΓΕΤΑΤΙΟΝ ΟΝ ΤΗΕ ΛΟΕΣΣ ΠΛΑΤΕΑΥ
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kΙνστιτυτε οφ Σοιλ ανδ Ωατερ Χονσερϖατιον o Χηινεσε αχαδεµψ οφ Σχιενχε ανδ Μινιστρψ οφ Ωατερ Ρεσουρχεσ Ψανγλινγ ztutssl
Αβστραχτ } ≥²¬¯¤±§º¤·¨µ¦²±¶¨µ√¤·¬²± °¨ ¦«¤±¬¶° ²©√¨ ª¨·¤·¬²± «¤¶¥¨ ±¨ ¬¨³¯¤¬±¨ §·«µ²∏ª«¤±¤¯¼¶¬±ª·«¨ ©¨©¨¦·¶²©
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¤¯¼¨ µ¶¯¨ ¤§ ∏´¬¦®¯¼µ¨§∏¦·¬²±²©¶²¬¯ µ¨²¶¬²±¤°²∏±·¤¶·²µ¨¤¯¬½¨ ¥µ¬±ª©∏±¦·¬²±²©√¨ ª¨·¤·¬²±¶²¬¯¤±§º¤·¨µ¦²±¶¨µ√¤2
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Κεψ ωορδσ} ²¨¶¶³¯¤·¨¤∏o≥²¬¯ ¤±§º¤·¨µ¦²±¶¨µ√¤·¬²±o  ¦¨«¤±¬¶°oƒ²µ¨¶·√¨ ª¨·¤·¬²±
土壤侵蚀是造成环境退化的一个主要因素 ∀长期以来因不合理的利用自然资源 o日积月累的结果
使得植被生存的环境受到极大的破坏 o导致植被衰退 o引发了严重的水土流失 ~水土流失的不断加剧 o破
坏了土地的生产力 o土壤肥力降低 o土壤蓄水能力减弱 o植被生存的环境进一步恶化 o如此以往使生态环
境陷入恶性循环状态 ∀黄土高原严重的水土流失与该区植被覆被率低有密切的关系 ∀据/七五0统计 o
主要水土流失区现有森林面积约 u1x ≅ tsy «°u o其中人工林占 ws h左右 o有林地森林覆盖率仅为 |1v h o
而且能发挥水土保持功能的森林覆被率仅为 z1s h o这些覆被率高的地区 o地处六盘山 !乔山 !黄龙山等
地 o该区域人口密度较低 o人为活动轻微 o水土流失小 ~在黄土高原水土流失严重的地区 o森林覆被率更
低 o仅 x1| h o即使发挥水土保持功能 o在宏观范围内仍然难以体现出保持水土的效益k中共陕西省委研
究室等 ot||| ~吴钦孝等 ot||{l ∀
森林植被有强大的水土保持功能 o体现在下列几个方面 }植被冠层及地被物的截留作用 o使大气降
水的损失量较大 o减小了产生径流的净雨量 ~地被物层对汇流的延长作用 o使得地表径流速率减小 o增加
了径流下渗的时间 o使地表径流量减小 o地下径流和地表径流的比例变大 o径流的侵蚀能量减小 o从本质
上削弱了径流冲刷挟沙的能力 ~植物根系改良土壤结构 o提高土壤的抗冲和抗蚀性k李勇等 ot||sl o增加
土壤的下渗能力 o诸如此类的作用 o极大的促进了植被保持水土的功能 o发挥了植被涵养水源 o改善生态
环境的作用 ∀
1 森林植被冠层的截留作用
t1t 冠层截留量的年际变化规律 对黄土高原人工油松林截留降雪的测定表明 o截留的降雪率占降雪
总量的 ys h ∗ {s h之间 o而对降雨的截留平均占 tt1s h左右 o当然对小降水级别 o如 t °°左右时 o人
工油松林可以将其尽截留 o截留率占 tss h ∀一般情况下 o降水量越小 o截留率越大 ~降水量越大 o截留
率越小 o反映了冠层截留是有极限值k王彦辉等 ot||{l ∀植被冠层枝叶吸咐凝聚的降水达到饱和时 o冠
层截留量达到极限值 o对持续降水的影响较小 o植被冠层的截留量达到极限值时 o对净雨不再发生影响 o
而对大气降水仍然有再分配现象 o这种作用一直延续 ∀
植被冠层的截留量的多少 o直接影响着大气降水所产生净雨量的多少 o截留量越大 o损失的大气降
水越多 o产生的净雨越小 o形成的径流量小 o对缓解水土流失起到一定的作用 ∀
t1u 植被冠层截留的动态变化规律 水土流失是次降水在区域范围内所引起的 o黄土高原更是如此 ∀
往往一次暴雨所引发的水土流失相当于全年土壤侵蚀的绝对量甚至多年土壤侵蚀的总和 ∀为此 o次降
水过程对水土流失的影响最大 o研究植被保持水土的机理 o必然要考虑植被冠层对次降雨截留的动态过
程 o才能准确的阐明植被冠层对水土保持所起的作用 ∀
通过多年对黄土高原人工油松林林冠截留动态模型的研究 o我们得出 o人工油松林的林冠截留的动
态过程并不是无限制的增加 o且截留的最大值出现的过程并不完全在降水终止时 o常常出现在降水的中
间 ∀林冠截留量的变化在降雨开始是线性增加的过程 o到一定时间后 o林冠截留出现最大值 o尔后一直
在此值左右波动变化 o受风和气象因素的影响也较大k见表 tlkŠ¤¶« ‹ ≤ ot|z| ~崔云鹏等 ot||{ ~王礼
先等 ot|{|l ∀根据人工油松林截留的动态过程 o构造了人工油松林林冠截留的动态模型为 }
Ι¦ € ¤τ n ¥# π #¶¬±¦τ
Ι¦ }林冠截留量的累积量 ~α !β !χ }常数 ~π }大气降水的累计量 ~τ }降水历时
表 1 人工油松林林冠截留量动态变化
Ταβ .1 ∆ψναµιχ προχεσσ οφιντερχεπτιον αµουντ βψτηε χανοπψ
降水历时 ≠
•¤¬±¬±ª
·¬° k¨«l
大气降水量
°µ¨¦¬³¬·¤2
·¬²±k°°l
林冠截留量
Œ±·¨µ¦¨³·¬²±
¤°²∏±·k°°l
降水历时 
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大气降水量
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林冠截留量
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降水历时 ≈
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大气降水量
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林冠截留量
Œ±·¨µ¦¨³·¬²±
¤°²∏±·k°°l
t u1{ t1y t t1{ t1y t s1t s1t
u {1v t1| u t{1y v1{ u s1u s1u
v tu1y u1s v uv1y w1z v s1v s1v
w tz1{ v1s w uz1s w1w w s1w s1w
x t|1w v1u x u|1u w1w x s1{ s1{
y us1{ v1v y vu1v w1w y u1t u1t
z uw1x v1{ z vw1s x1s z u1{ u1u
{ u{1w w1v { vw1{ w1{ { y1s w1|
| vs1w w1w | vx1y w1u | z1{ w1t
ts vv1w w1y ts v{1t w1{ ts ts1v x1t
tt vy1t x1v tt wt1z w1| tt tt1{ w1t
tu wv1s y1v tu ww1w x1| tu tu1z v1x
tv wx1{ y1| tv wx1s w1{ tv tu1| v1w
tw wy1{ x1| tw tv1v v1x
tx wz1v y1u tx tv1z v1y
ty wz1v y1t ty tx1t w1{
tz tx1z x1t
t{ ty1v x1w
t| tz1t x1|
us t{1s x1z
ut us1v z1u
uu uv1{ {1|
uv uw1v z1w
uw ux1| z1t
ux uy1t y1u
uy uy1t x1y
uz uy1w x1u
u{ uy1z x1x
u| uy1| x1x
≠降水 t•¤¬±t ~降水 u •¤¬±u ~≈降水 v •¤¬±v q
用表 t的数据对动态模型拟合 o所得的结果较好k见表 ul o在 s1sst水平上呈极显著水平 ∀表明上
twt 第 x期 赵鸿雁等 }黄土高原森林植被水土保持机理研究
述林冠截留模型符合人工油松林林冠截留的特性 o从而可用该模型对人工油松林林冠截留的机理作一
概括和总结 ∀模型中后一项反映了林冠截留达到一定程度后 o并不是随降水历时的增加而增加 o而是呈
现正弦函数的波动 o从而也解释了林冠截留的过程 ~整个模型是有极大值的 o只要参数确定 o便可以解出
该值的出现时间 ∀
表 2 人工油松林林冠截留动态过程参数值 ≠
Ταβ . 2 Χονσεντ ϖαλυε οφιντερχεπτιον δψναµιχ προχεσσ βψ χανοπψ
降水编号k•¤¬±¬±ª‘²ql ¤ ¥ ¦ ± • u
降水 t •¤¬± t t1sxt tz|1svw s1ssw ty s1||z
降水 u •¤¬± u t1xu{ s1|tv s1s|u tv s1|||
降水 v •¤¬± v v1xzs p s1tsu p w1z|u u| s1{{y
≠截留动态模型为 Œ±·¨µ¦¨³·¬²± §¼±¤°¬¦¨´ ∏¤·¬²±}Ι¦€ ¤τ n ¥# π#¶¬±¦τ
2 植被地被物层保持水土的作用
u1t 枯枝落叶防治土壤击溅侵蚀的功能 地表一旦被枯枝落叶覆盖后 o大气降水的雨滴不能直接掉落
到裸土表面 o从而避免了雨滴直接击溅土壤侵蚀的作用 ∀据埃利森研究表明 o土壤击溅侵蚀量的经验公
式为 }
ω € ®# ϖw qvv # ∆t1stz # Ιs1yx
ω}半小时雨滴击溅的土壤量kªl ~ϖ}雨滴速度k°#¶ptl ~∆ }雨滴直径k°°l ~Ι }降雨强度k¦°#°ptl ~
®}与土壤有关的常数 ∀
利用埃利森溅蚀板 o在宜川对 vs龄人工油松林枯枝落叶防止土壤溅蚀进行了研究 o结果表明当油
松林枯枝落叶厚度各为 t1s ¦°和 t1x ¦°时 o土壤溅蚀量分别减少 z|1y h和 |w1s h ~当枯枝落叶厚
u1s¦°时 o土壤溅蚀量为 s o说明枯枝落叶防止土壤溅蚀的作用明显 ∀
u1u 植被枯枝落叶对径流能量的影响 水土流失是由于坡面上径流位能和降雨动能的存在而导致的
结果 ∀降雨动能被枯枝落叶层所缓冲消耗了 o剩余的能量便是径流的位能 ∀ • ∞ ‹¤µ·¤°从磨擦阻力概
念出发 o提出在稳定条件下 o水流流过 t °长 !t °宽的坡地时 o单位时间内克服磨擦阻力所做的功等于
重量与径流速度的乘积即 }
χ € ωt # ∆ξtsss # ϖ¶¬±Η
ωt }每 °v 含沙水流的重量 ~∆ξ }距分水岭 ξ处的径流深k°°l ~ϖ}ξ处的流速k°#¶ptl ~Η}坡度 ∀
由于单位时间所做的功等于作用力 Φ与速度的乘积 o因此 o消耗在单位面积上与坡度平行的力为 }
Φ € χϖ € ωt #
∆ξ
tsss #¶¬±Η
从该式可以看出 }控制侵蚀力大小的因子主要是径流深 !坡度或流速 ∀
据  „雅里加诺夫的研究 o坡面径流的挟沙能力可以用下式计算 }
π € Α# ϖ
x
γηω
π }径流的含沙浓度 ~η }径流深 ~ϖ}径流速度 ~γ }重力加速度 ~ω}泥沙的水力粘度 ~Α}系数 ∀
在薄层径流的条件下 o雨滴对水流的紊动影响较大 oΑ是随降水特征值而变化的系数 o尽管如此 o当
径流速度减小 t倍时 o径流的挟沙能力减小 tΠvu o说明枯枝落叶减小径流速度后 o径流的挟沙能力大幅
度的减小 o也从挟沙的角度阐明了森林流域洪水径流中泥沙含量低的原因 ∀
利用流水槽测定了枯枝落叶对径流速度的影响 o结果表明在 usβ坡面上 o与没有枯枝落叶比较 ot °°
径流深时 ot¦°厚油松枯枝落叶可使径流速度减小到 tΠ{ ∀由此可见 o径流中的含沙浓度减小的更大 ∀
3 植被根系层的水土保持功能
土壤因植物根系的存在变得疏松多孔 o不仅与地表层枯枝落叶分解过程中微生物的强烈活动有关 o
uwt 林 业 科 学 vz卷
而且主要是根系层微生物 !酶以及腐烂更新的植物根系 o特别是大量毛根的更新快 o导致死亡的毛根所
占的土壤空间在一定时间后 o形成孔状的形态 o增大了土壤下渗的能力 o减小了地表径流量 ∀表 v是在
宜川森林水文站所做的土壤入渗试验 ∀
表 3 山杨林地和荒山土壤入渗性能比较
Ταβ 3 . Ινφιλτρατιον ιν ωοοδλανδ χοµ παρεδ ωιτη βαρε2λανδ
深度
≥²¬¯ §¨³·«k¦°l
类型
×¼³¨¶
平均初渗速率
„√¨ µ¤ª¨ ¥¨ª¬±±¬±ª
¬±©¬¯·µ¤·¬²±µ¤·¨k°°#°¬±ptl
平均稳渗速率
„√ µ¨¤ª¨ ¦²±¶·¤±·
¬±©¬¯·µ¤·¬²±µ¤·¨ k°°#°¬±ptl
入渗方程
Œ±©¬¯·µ¤·¬²± ¨´ ∏¤·¬²±
s ∗ ts 山杨林地 • ²²§¯¤±§荒山 …¤µ¨ ¤¯±§
ty1uv
y1uu
{1tx
s1zx
φ € { q{u n w qx{ ¬¨³k p s1sywτl
φ € s1xs n v qzy ¬¨³k p s1ttuτl
ts ∗ us 山杨林地 • ²²§¯¤±§荒山 …¤µ¨ ¤¯±§
tt1|w
w1s|
x1tt
s1ys
φ € z1zs n x qxz ¬¨³k p s1szwτl
φ € s1yx n u1v| ¬¨³k p s1utsτl
从山杨林地和荒山的入渗能力看 o山杨林入渗速率较荒坡大 o导致土壤下渗的径流量大 o同一时间
内 o减小的地表径流量亦大 o坡面径流深度减小 ∀由曼宁公式可知 }ϖ€ tν θ
u
v αtu o径流的速度变小 o径流
在坡面上流动的时间延长 o径流的下渗量增大 o使得地表径流量急剧下降 o影响了径流冲刷能量和挟沙
能量 o大大地减小了水土流失的量 ∀
据李勇kt||sl对该地油松林根系提高土壤抗冲性的研究得出 o在坡度一定时 o林地土壤抗冲性沿剖
面深而减弱 ∀森林植物根系增强土壤的抗冲能力与根量 ![ t °°的须根系有关 o并且在不同的雨强下 o
油松林根系增强土壤的抗冲性均为幂函数关系 ∀
4 森林植被保持水土的整体效应
植被保持水土是植被的不同层次对大气降水所产生的土壤侵蚀效应同时作用的结果 o并不是间断
的作用 o这种连续作用的特征既具有时间效应 o也具有系统效应或整体效应k朱显谟 ot|ysl ∀表现在影
响径流量减小的同时 o土壤侵蚀的能量和土壤侵蚀量同步减小 o且减小的效应并不是线性的关系 o而是
非线性锐减 o从而导致土壤侵蚀量急剧下降 ∀
w1t 森林植被保持水土的时间效应 植被不同层次削弱的净雨过程 o使产流的时间延长 o产流时间的
延长有助于地表径流量转化为地下径流量 o地表径流量的减小同样对汇流时间起到了延长作用 o表现出
植被对洪水削弱并增加枯水径流的功能 o无疑枯水径流的增加直接影响了生态环境的改善和流域下游
的长治久安 o对生态环境的可持续发展起到积极的作用 ∀
w1u 森林植被保持水土能量效应 坡面径流速度为 }ϖ€ tν θ
u
v # αtu ∀植被减小的地表径流量和增加的
地下径流量与径流速度直接有关 o当 θ减小时 o即使 ν值相同 o则速度的减小量为 ∃ϖ€ tν α
t
u # θuv ~因径
流能量与 ϖu 呈正比 ~径流的挟沙能力与 ϖy 呈正比 o若 θu € tu θt 时 o则 ∃ϖ€
s1vz
ν #α
t
u #θuvt o径流的速度减
小了 vz h o即由原来的速度变为 s1yv倍数 ~径流的能量降到≈ tu µks qyvϖl
u 原来的 t|1{x h ~挟沙能力
降到原来的 y1ux h ∀由此可见 o当坡面径流深度减小 t倍时k即径流量减小 tΠul o径流的能量及其挟沙
能力急据下降 o从土壤侵蚀的能量考虑 o所引起的侵蚀量减小 ~此外由于植物根系和地被物层对土壤本
身抵抗水土流失能力的提高是增大的 o因此 o这种侵蚀正效应的急剧下降和抗侵蚀负效应的明显增大 o
导致土壤侵蚀力的作用效果甚微 o发挥了植被巨大的水土保持功能 ∀
w1v 森林植被保持水土的原因 植被保持水土显示出巨大的功能 o其主要原因是植被系统不同层次在
vwt 第 x期 赵鸿雁等 }黄土高原森林植被水土保持机理研究
同时 !连续的对产生水土流失的源在消耗着 o这种源就是径流量的大小 o它直接决定了径流的冲刷力和
挟沙力 o该源的减小使产生水土流失的所有能量均在锐减 ~对源的消耗体现在植被不同层次对其的吸
收 !截留和阻滞等方面 o实现消耗源功能的发挥是植被系统整体同时 !连续作用的结果 o所有各层次叠加
的结果使植被整体的效应比任一层次单独发挥的作用之和都大 ∀据此要营造水土保持林必须应该考虑
到植被层次的完整性和空间结构的合理性 o在充分体现植被不同层次的完整性后 o营造水土保持林才能
收到植被保持水土的效益 o仅此而已 o才能充分发挥植被保持水土的功能 ∀
参 考 文 献
崔元鹏 o蒋定生编 q水土保持工程学 q西安 }陕西人民出版社 ot||{
李 勇等 q黄土高原植物根系强化土壤抗冲性能的研究 q水土保持学报 ot||s owktl }t ∗ x
王礼先 o余新晓 q森林水文学 o北京 }北京林业大学出版社 ot|{|
王彦辉 o于彭涛 o徐德应 q林冠截留降雨模型的转化和参数规律的初步研究 q北京林业大学学报 ot||{ ouskyl }us ∗ vs
吴钦孝等主编 q黄土高原植被建设与持续发展 q北京 }科学出版社 ot||{
中共陕西省委政研究室等编 q跨世纪的陕西生态环境建设 q陕西林业科技特刊 ot||| ou
朱显谟 q黄土高原植被因素对水土流失的影响 q土壤学报 ot|ys o{kul
Š¤¶« ‹ ≤ q„± ¤±¤¯¼·¬¦¤¯ °²§¨¯²©µ¤¬±©¤¯¯¬±·¨µ¦¨³·¬²± ¥¼©²µ¨¶·¶q ±•  ·¨¨²µ²¯ ≥²¦qot|z| otsx }wv ∗ xx
5林业科学6usss年评刊指标又有大幅提高
根据 usst年 |月中国科技信息研究所信息分析中心出具的期刊检索报告 o在全部 {项评刊指标
中 o5林业科学6除地区分布数 !海外作者论文数略低于 t|||年外 o其余 y项指标均有较大幅度的提高 ∀
其中 o总被引频次为 yw{ o比 t|||年的 wxx提高了 wu1w h ~影响因子为 s1w|y o比 t|||年的 s1vv|提高了
wy1v h ~即年指标为 s1tuv o比 t|||年的 s1sxy提高了 tt|1y h ~他引总引比 s1{{t o比 t|||年的 s1{w提
高了 w1{{ h ~基金和资助论文比例为 s1zu o比 t|||年的 s1yt提高了 t{1s h ~指标综合加权评分为 |t1u o
比 t|||年的 wy1{w提高了 |w1z h ∀
5林业科学6编辑部
wwt 林 业 科 学 vz卷