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）沙粒的起動起動風(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不同含水率時沙粒的起動風(fēng)速值不同含水率下沙粒的起動風(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)速大于啟動風(fēng)速時，土壤和沙粒物質(zhì)隨風(fēng)

運動，其運動方式有懸移、躍移、蠕移3種形式。懸移質(zhì)占7%~25%搬運比例*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)的搬運能力與摩阻流速的3次方成正比：土壤顆粒被風(fēng)搬運的距離取決于風(fēng)速大小、土壤顆粒或團聚體的粒徑和重量，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．土壤抗蝕性我國干旱區(qū)風(fēng)成沙的力度成分，以細沙為主，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、有機質(zhì)含量等。表3-5我國干旱區(qū)主要沙漠沙的粒度組成沙漠名稱各粒級（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土壤有機質(zhì)能促進土壤團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風(fēng)蝕的一面。因為雨滴擊壞了土塊和團聚體，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)速和攔截運動的泥沙顆粒來減慢土壤風(fēng)蝕。降雨降雨使表層土壤濕潤而不能被風(fēng)吹蝕。降雨還通過促進植物生長間接地減少風(fēng)蝕。4．土丘坡度表3-7坡面上相對于平坦地面的風(fēng)蝕量坡度（%）坡度（%）相對風(fēng)蝕量坡頂

坡上部相對風(fēng)蝕量坡頂

坡上部0~1.5（平坦）

1003.0

1501001306.010.03206602303705．裸露地塊長度風(fēng)力侵蝕強度隨被侵蝕地塊長度而增加，對于一定的風(fēng)力，挾沙能力是一定的。土壤可蝕性越高（抗蝕性越低），則飽和路徑長度越短。6．植被覆蓋增加地面植被覆蓋（生長的作物或作物殘體），是降低風(fēng)的侵蝕性最有效的途徑。植被的保護作用與植物種類（決定覆蓋度和覆蓋季節(jié)）、植物個體形狀和群體結(jié)構(gòu)、行的走向等有關(guān)。二、風(fēng)沙運動規(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，吹蝕量和堆積量相等，地面無堆積；當(dāng)

<1>1時，為不飽和狀態(tài)，繼續(xù)吹時為飽和狀態(tài)，形成堆積；當(dāng)蝕。風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)式（二）沙丘的移動1.沙丘移動的方向和方式沙丘移動的方向移動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、沙丘移動的速度沙丘移動的速度取決于風(fēng)速和沙丘本身的高度。沙丘在單位時間里前移的距離與背風(fēng)坡一測堆積的總沙量的關(guān)系2、沙丘移動的速度沙丘移動的速度取決于風(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)沙運動規(guī)律，即蝕積原理。原理和途徑概括為下述幾個方面：增大地表粗糙度，降低近地層風(fēng)速阻止氣流對地面直接作用提高沙粒起動風(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)。干旱和流沙的活動性是影響植物最普遍、最深刻的2個限制因素，是制定各項植物治沙技術(shù)措施的主要依據(jù)。（一）植物對干旱的適應(yīng)性在長期干旱氣候條件下，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，根系生長迅速而發(fā)達具有旱生形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理機能植物化學(xué)成分發(fā)生變化（二）植物對風(fēng)蝕、沙埋的適應(yīng)流動沙丘上的植物對風(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）植物對風(fēng)蝕、沙埋的適應(yīng)沙生植物對流沙環(huán)境活動性的適應(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）植物對流沙環(huán)境變異性的適應(yīng)植物對環(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技術(shù)措施的理論基礎(chǔ)。二、植物對流沙環(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。二、植物對流沙環(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，相對濕度提高。小氣候改變后，加速成土過程。（四）植物對風(fēng)沙土的改良植物對風(fēng)沙土的改良作用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①機械組成發(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）侵蝕起動流速起動流速或臨界流速分為滑動起動和滾動起動2種。泥沙顆粒的滑動起動流速滾動起動流速搬動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。起動流速的經(jīng)驗公式（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)化式侵蝕強度分為微度、輕度、中度、強度、極度和劇烈侵蝕6級。2．水流搬運作用水流搬運作用有懸移和推移2種。坡面流挾沙能力經(jīng)驗公式水流挾沙能力經(jīng)驗公式侵蝕率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。雨滴打擊增強地表薄層徑流的紊動強度，導(dǎo)致了侵蝕和輸沙能力增大。降雨侵蝕力指標（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，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）降雨對土壤水蝕的影響雨型降雨強度降雨量（二）地形對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，坡度愈大，流速愈大，土壤侵蝕量愈大。坡度對雨滴的擊濺侵蝕也有一定影響。坡長條件相同時，坡面長度直接影響水力侵蝕強度。（二）地形對土壤水蝕的影響結(jié)合降雨條件，歸納起來有三種情況：⑴特大及較大暴雨情況下，坡長與徑流量、沖刷量均成正相關(guān)；⑵降雨平均強度小，或平均強度較大而持續(xù)時間較短的情況下，坡長與徑流量成反相關(guān)，而與沖刷量成正相關(guān)；⑶一次降雨量很小，歷時也很短的情況下，坡長與徑流量、沖刷量均成負相關(guān)。地形地形對水力侵蝕的影響，是坡度和坡長綜合作用的結(jié)果。坡向坡向不同，太陽輻射不同，從而影響土壤環(huán)境因子的不同，其侵蝕過程也有差異。（二）地形對土壤水蝕的影響（三）土壤條件對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）植被對土壤侵蝕的影響植被對抑制土壤侵蝕發(fā)生起積極作用。攔截降雨調(diào)節(jié)徑流團結(jié)土體改良土壤性狀（五）人為活動對水力侵蝕的影響人為活動的影響有2個作用：是人為過度的經(jīng)濟活動，成為水蝕荒漠化發(fā)生、發(fā)展的主導(dǎo)因素；是人們促進退化土壤逆轉(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)來源巖石風(fēng)化物；含鹽地層風(fēng)化和再循環(huán)；火山活動的產(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。從大中地形來看，低洼地區(qū)積鹽形成漬土。從小地形來看，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)，造成或加強鹽漬化。（二）我國鹽漬土的分布我國鹽漬土主要分布在干旱、半干旱和亞濕潤的干旱地區(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)。其中三北防護林地區(qū)是我國鹽漬土集中分布區(qū)，鹽堿地2170.48萬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、水肥鹽運動規(guī)律（一）水鹽運動規(guī)律垂直運動水鹽垂直運動有積鹽和脫鹽2種。水平運動大地形在洼處形成鹽漬化。小地