2.3.3 降雨强度对坡面流水动力特征的影响

降雨作为重要的驱动力来源，其对坡面流特征和土壤侵蚀过程也存在显著影响。将某降雨强度下 4 个施氮处理在 4 个月中某特征参数值取平均，得到该雨强下该参数最终值，见表1。由表1 可知随着降雨强度的增大，径流量、平均流速和径流深均显著增加，90 和120 mm/h降雨强度下的径流量分别比 60 mm/h 增加了 62.1%和146.8%，平均流速增加了19.3%和60.8%，径流深增加了32.1%和43.7%。流速的加快降低了坡面流阻力，增大了水流功率和过水断面单位能等参数。其中，90 和120 mm/h降雨强度下的Darcy-Weisbach 阻力系数比60 mm/h 降低了23.5%、62.6%，曼宁糙率系数降低了2.9%、27.9%，过水断面单位能增加了262.3%和329.6%，120 mm/h 降雨强度下的水流功率增加了146.4%。此外，由于受径流深和径流含沙量的共同影响，径流剪切力在不同降雨强度间没有显著差异（表1），但该参数整体呈增大趋势。

表1 不同降雨强度下白羊草群落坡面流水动力学特征Table 1 Hydraulic characteristics of overland flow ofBothriochloa ischaemum(Linn.) Keng community under different rainfall intensities注：同一列不同字母表示在0.05 水平上处理间差异显著。Note: Different letters in a column after values indicate significant difference among treatments at 0.05 level.降雨强度Rainfall intensity/(mm·h-1) q/(L·s-1) V/(m·s-1) h/mm f n τ/10-3Pa ω/(10-4N·m-1·s-1) E/cm 60 0.085c 0.026c 3.66b 209.60a 0.55a 3.64a 1.02b 0.36b 90 0.138b 0.031b 4.84a 160.24a 0.54a 9.81a 3.68ab 0.47a 120 0.211a 0.042a 5.26a 78.44b 0.40b 8.96a 4.37a 0.52a

3 讨 论

3.1 施氮对白羊草群落特征的影响

氮素限制着陆地生态系统的净初级生产力，氮的不断输入显著改变了植物群落生产力及群落结构与组成。白羊草生长初期，植株较小，对氮素的需求低，因此施氮对白羊草盖度的促进作用不明显。但随着植株增大，施氮显著增加了白羊草盖度，但不同施氮处理间（N2.5、N5和N10）无显著差异（图1）。此外，就生长期变化而言，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。当土壤有效氮含量不足时，植物体内蛋白质及酶的合成受阻，叶绿素含量减少，光合效率降低限制植物地上部分的增加；此时，向土壤中施氮可增加白羊草叶片中营养元素的分配，增加盖度[21-22]。然而随着生长期变化，施氮导致土壤中的氮素不断累积，当土壤有效氮达到植物可吸收的阈值时，更多的氮添加不能显著提高植物的生长速率[23]。此外，过于充足的土壤氮环境还可能导致根系清除活性氧代谢的干扰，根系细胞的渗透势较低，抑制根系的吸收，阻碍植株正常生长发育[24]。

生物土壤结皮是干旱半干旱区广泛发育的重要地表覆被物，平均盖度可以达到 70%以上，具有重要的生态功能[25]。地衣、藻类等低等植物可以直接从大气中捕获可利用的氮素，因此生物结皮比高等植物对大气氮沉降的响应更为敏感[5]。氮素通过影响生物结皮的光合过程，进而影响其生物量和盖度。本研究表明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。这可能是由于苔藓个体突出于土壤表面，且叶片没有角质层等保护性结构，因此对氮素增加的响应更为敏感[25]。同时，白羊草的庇荫也可能促进了苔藓结皮的演替发育（表2）。此外，相关研究表明，0.2 g/(m2·a)是苔藓结皮生长的最适施氮量，含水率充足时，低于 0.6 g/(m2·a)的氮会提高其净光合速率；然而，过量的施氮会使苔藓结皮年光合固碳值明显减少，增加苔藓种类损失的风险[26-27]。

3.2 施氮对坡面流水动力参数的影响

施氮减小了坡面流阻力和水深，加快了流速（图4）。一方面，白羊草叶片属于狭长型，植株上部柔性部分匍匐于地表时，叶片对降雨分配可能起到了一定的导流作用。因此，尽管白羊草盖度与径流流速、阻力系数等无显著相关性（表3），但施氮在增加白羊草盖度的同时，更多倒伏的枝叶降低了地表径流阻力，使流速加快，水深增加。另一方面，N0处理白羊草盖度较低，当植被处于非完全淹没状态时，雨滴打击坡面薄层水流，会促使坡面流产生混掺消能作用，导致径流紊动性增强，阻力增大，流速减缓，水深较大[19,28-29]。此外，许多研究证实了苔藓结皮的发育更易增大地表糙度，进而降低坡面流流速[30]。本研究的相关分析也表明了苔藓结皮与流速之间存在显著负相关，而与阻力系数存在显著正相关（表 3）。而且，N0处理的苔藓结皮厚度最大，变化范围为6.6～9.4 mm（9 月），而该处理水深最大为 5.8 mm（图 4），这也可能导致N0处理的坡面流阻力较大，流速相对较缓，水深较大。

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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