1.3 降雨过程及指标测定

降雨试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行，采用QYJY-503 固定式人工模拟降雨系统，该降雨设备采用组合式喷头，安置高度为18 m，可调节降雨强度范围为30～300 mm/h，雨滴大小控制在0.4～6.0 mm，降雨均匀度大于80%，雨滴终点速度近似天然降雨。降雨前，对所有土槽进行预降雨试验，以消除土壤含水率差异对试验的影响。试验共设置3 个降雨强度（60、90 和120 mm/h），其中60 mm/h降雨强度为黄土高原地区较为常见的侵蚀性降雨强度，90 和120 mm/h 可模拟极端降雨情况[18]。通过预试验得出，降雨进行60 min 后，各处理的产流速率均达到稳定，故本试验的降雨历时为 90 min，具体研究时段为最后30 min。在该降雨时段内，每4 min 收集1 次径流泥沙全样并测定 1 次表面流速和水温，故每场降雨每个土槽共收集7 次径流泥沙全样并测定7 次表面流速和水温。测定流速时，在车槽距顶部和底部各0.5 m 处的1 m 区域内，沿坡面中轴线，采用高锰酸钾法测定表面流速，同时测定相应水温。径流泥沙全样经过称质量、沉淀、烘干泥沙后计算得到径流质量。降雨试验在2016 年6—9 月（共计 4 个月）进行，为避免每个月降雨过程中不同处理植被的生长状况变化较大，结合实际降雨状况，每个月尽量保证在连续2 周内完成8 个土槽在3 个雨强下的降雨试验，共计96 场降雨。

1.4 白羊草和生物结皮盖度测定

2016 年5—9 月，每月第1 次降雨试验前测定白羊草和生物结皮盖度。测定白羊草盖度时，垂直于土槽坡面方向进行拍照，利用PCOVER 软件对获取的图像进行处理，采用自动判别模型计算得到白羊草植被盖度。每次拍照时，每个土槽重复 3 次，取均值作为当月该土槽的白羊草盖度。生物结皮盖度通过网格法测量。选取边长为30 cm 的正方形塑胶框，用1 mm 直径的尼龙绳在框内编织 2 cm×2 cm 的网格，框内共计 196 个交叉点。用蒸馏水喷湿地表，采用抛投法在土槽内随机选择5 个样方，将直径1 mm 的钎针沿每个交叉点垂直于坡面轻触地表，若该点为苔藓结皮，记1 次“0”，藻结皮则记1 次“1”。分别统计“0”和“1”的次数，并用各自占总数（196）的百分比作为此样方框内该生物结皮类型的盖度。最后，取5 个样方的均值作为当月土槽内生物结皮的盖度。

1.5 水动力参数计算

为准确描述不同施氮处理下坡面流水动力学特征及其对土壤侵蚀影响，本研究选取径流量（q，L/s）、平均流速（V，m/s）、径流深（h，m）、雷诺数（Re）、弗劳德数（Fr）、Darcy-Weisbach 阻力系数（f）、曼宁糙率系数（n）、径流剪切力（τ，Pa）、水流功率（ω，N/(m·s)）及过水断面单位能（E，cm）10 个常用参数进行坡面水动力学特征研究，计算公式如下：

式中Q为t时间内的径流量，L；t为径流取样间隔时间，s；k为修正系数（层流，k=0.67；过渡流，k=0.70；紊流，k=0.80）；Vs为表面流速，m/s；B为过水断面宽度，m；R为水力半径，用水深h代替，m；u为水流的运动黏滞系数，m2/s；g为重力加速度，m/s2；J为水力能坡，用试验坡度的正弦值；Pa；γ为含沙水流密度，kg/m3；α为能动校正系数，α=1；θ为坡度，（°）。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理白羊草群落特征

盖度是植物生长发育过程中获取空间和光照资源能力的重要表征参数，容易测定，是最常用的植被特征之一。5—6 月，不同施氮处理间的草被盖度无显著差异（P＞0.05）（图1）。而在7—9 月，施氮显著增加了草被盖度，N0处理在这3 个月的草被盖度分别为 61.6%、66.3%和 74.2%，均低于同期其他处理的草被盖度（P＜0.05）；但施氮处理间（N2.5、N5和 N10）白羊草盖度不存在显著差异。

图1 不同施氮处理白羊草盖度月份变化Fig.1 Monthly changes of coverages ofBothriochloa ischaemum(Linn.) Keng with different nitrogen treatments

由于施氮影响，N2.5、N5和N10处理草被盖度的增幅随月份变化逐渐减小（图1）。相较于上个月份，同一施氮处理白羊草盖度的增幅变化范围分别为 5.2%～95.6%（N2.5）、4.6%～68.2%（N5）和5.8%～116.4%（N10）。而 N0处理草被盖度的增幅呈先降后增的趋势，分别为80.4%、4.7%、7.6%和 11.9%。总体表现为生长前中期N2.5、N5和N10处理白羊草盖度增幅较大，而在生长末期（9 月），N0处理的增幅较大。

整个生长期，不同处理间苔藓结皮盖度均表现为N0＞N5＞N2.5＞N10，与藻结皮相反（图 2a 和图 2b）。5—9月，N0处理苔藓结皮盖度的变化范围为14.7%～86.5%（平均为59.0%），不同程度地高于同期其他处理的盖度。与N0处理苔藓结皮盖度的变化趋势相反，其藻结皮盖度的变化范围为7.0%～59.3%（平均为28.1%），分别较其他处理的盖度有所降低。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0223/519.html

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