在植被生长过程中，除N5处理外，生物结皮总盖度整体表现为增加趋势（图 2c），其中苔藓和藻结皮盖度分别表现为增加和降低趋势（图2a 和图2b）。5—9 月，N0处理苔藓结皮盖度的平均变化速率为3.0%～146.3%，分别是 N2.5、N5和 N10的 1.4、1.6 和 2.4 倍。N0处理的藻结皮盖度变化速率为-81.1%～14.3%，分别是其他处理的1.7、4.5 和6.6 倍。总体而言，施氮促进了白羊草和藻结皮的盖度，抑制了苔藓结皮的发育。

图2 生物结皮盖度对施氮梯度的响应Fig.2 Responses of biological soil crusts coverage to nitrogen addition gradients

2.2 白羊草群落坡面流流态特征

水流流态是表征坡面薄层水流动力学特性的基本参数，与坡面流平均流速和输沙关系密切，因此研究坡面薄层水流流态具有重要意义，可用雷诺数（Re）和佛汝德数（Fr）进行判别[19]。根据明渠均匀流的基本理论，雷诺数小于500 则属于层流，大于2 000 属于紊流，介于二者之间属于过渡流。此外，坡面流流态也可通过佛汝德数的大小进行表征，当Fr大于1 时，表明坡面流流态是急流，Fr小于1 则属于缓流。在本研究设定的降雨强度下，不同施氮处理间雷诺数和佛汝德数的波动范围分别为87～381 和0.038～0.264（图3）。该结果表明各处理坡面流的流型流态均为层流和缓流，说明草地群落能显著抑制坡面流。

2.3 不同施氮处理坡面流水动力特征

2.3.1 施氮对坡面流水动力特征的影响

将某施氮处理 4 个月不同降雨强度下获得的值取平均，得到其对应水动力学参数值（图4）。结果表明，坡面径流量随施氮量呈增加趋势，变化范围为 0.136～0.154 L/s，然而，由于试验前水分条件控制一致，且本研究中采用的降雨强度较大，因此不同施氮处理的坡面径流量没有明显差异。此外，随着施氮量的增加，坡面平均流速逐渐加快，水深变浅，径流阻力减小。其中，施氮处理（N2.5、N5和N10）的平均流速较不施氮处理（N0）增加了 32.0%～44.0%，径流深减小了 25.1%～28.7%，Darcy-Weisbach 阻力系数和曼宁糙率系数分别减少了68.6%～71.5%和44.7%～47.4%。坡面侵蚀过程实质上是一个不断耗能和做功的过程，受下垫面状况及土壤特性的影响。随着施氮量的增加，坡面水流沿程的能耗也随之增强，表现为径流剪切力、水流功率增大，分别比不施氮处理（N0）增大了 228.7%～327.4%和 313.5%～543.2%。过水断面单位能是指以过水断面最低点基准面的单位水质量的动能及势能之和，是反映坡面侵蚀程度及侵蚀方式变化的重要参数[20]。随着施氮量的增加，过水断面单位能量整体呈降低趋势，相较于不施氮处理（N0）减少了 24.4%～27.9%。整体上，除径流量外，白羊草坡面流水动力学参数值均表现为N0处理与其他处理之间存在明显差异。

图3 不同施氮处理坡面水流流态特征Fig.3 Characteristics of overland flow patterns under different nitrogen addition treatments

图4 不同施氮处理下白羊草群落坡面流水动力学特征Fig.4 Hydrodynamic characteristics of overland flow ofBothriochloa ischaemum(Linn.) Keng community under different nitrogen addition treatments

2.3.2 白羊草生长期内坡面流水动力特征动态变化

将每个月 4 个施氮处理各降雨强度下获得的参数值取平均，得到其对应的水动力学参数值（图5）。结果表明，随着白羊草的生长，不同生长期白羊草群落坡面径流量没有显著差异。除此之外，其他水动力参数在植被不同生长阶段均存在明显变化规律。植被生长过程中，白羊草群落坡面的平均流速逐渐减缓，径流深增加，坡面流阻力增大。其中，坡面流平均流速和径流深分别表现为减缓和增大趋势，9 月（0.026 m/s和5.99 mm）较生长前中期分别减少了23.5%～29.7%，增大了36.4%～66.9%，Darcy-Weisbach 阻力系数和曼宁糙率系数（339.87 和 0.79）分别比前中期时增加了220.2%～496.9%和 79.5%～139.4%。坡面径流沿坡面方向流动过程中，需要克服草被及生物结皮的阻碍、土壤黏结力等一系列沿程阻力，从而分散剥离土壤颗粒，同时消耗大量水体动能及势能。随着季节变化，径流剪切力明显降低，较生长初期（28.79×10-3Pa）降低了97.7%～99.4%。此外，单位质量水体沿程所消耗的功率逐渐减小，表现为水流功率降低，较生长初期（11.74×10-4N/(m·s)）减少了 98.1%～99.7%。此外，植被生长后期，坡面流流速较缓，动能较低，但由于水深较大，势能高，总体导致过水断面单位能随植被发育而逐渐升高，较白羊草生长初期（0.355 cm）增加了20.8%～64.2%。

图5 白羊草群落坡面流水动力学特征动态变化Fig.5 Dynamics fo hydrodynamic characteristics of overland flow in theBothriochloa ischaemum(Linn.) Keng community

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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