李盼盼，李彬彬，王 兵,，劉國彬,※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

0 引 言

人類活動顯著加劇了陸地生態(tài)系統(tǒng)的大氣氮沉降速率。據(jù)報道，1984—2016 年，全球無機氮沉降量從86.6 Tg/a（以N 計，下同）增加到93.6 Tg/a，目前，大氣氮沉降已成為全球變化研究最為關(guān)注的問題之一[1]。全球草地面積接近 2.4×107km2，約占陸地總面積的 1/6[2]。氮素是植物生長過程中的必需和限制元素，草地植被群落的結(jié)構(gòu)組成和植物生理特征必然會對大氣氮沉降產(chǎn)生顯著響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，長期緩慢施氮能夠篩選出適應(yīng)高氮水平的草本物種，且草本地上部分對氮素的輸入比土壤更為敏感[3-4]。生物土壤結(jié)皮是草地群落重要的組成部分，可直接從大氣中捕獲可利用的氮素，因此生物結(jié)皮比高等植物對氮素的響應(yīng)更敏感[5-6]。與此同時，草地生態(tài)系統(tǒng)也具有良好的防治水土流失功能，能顯著控制坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙[7]。因此，氮沉降勢必會通過改變草地生態(tài)系統(tǒng)，進而影響土壤侵蝕過程。

然而，目前大量研究主要集中在氮沉降對草地群落特征的影響以及草地對土壤侵蝕的調(diào)控方面，有關(guān)氮沉降如何通過影響植物群落特征進而影響水土流失過程的研究較少。而且，由于植被對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程調(diào)控的復(fù)雜性，關(guān)于草地植被影響土壤侵蝕的研究多集中在減沙方面，而對于草地群落坡面流水動力學(xué)特性的關(guān)注相對較少，試驗手段多為坡面流沖刷，而忽視了雨滴對徑流的擾動影響[7-9]。坡面流是一種易受土壤類型、下墊面條件、降雨等因素影響的流動邊界復(fù)雜的淺層水流，它顯著影響著坡面侵蝕過程的變化[10-11]。近年來，相關(guān)學(xué)者多選取坡面流流速、徑流深、阻力系數(shù)、徑流剪切力等水力要素，反映植被類型、覆蓋度等對水動力學(xué)特征的影響。多數(shù)研究認為，草地增加了坡面流阻力和入滲率，降低了流速和徑流剪切力，起到了顯著的減蝕作用[12-14]。然而，隨著季節(jié)的變化，草地植被群落的組成結(jié)構(gòu)及植物生理特征會發(fā)生顯著改變，這必然對坡面流特征產(chǎn)生顯著影響。而這種季節(jié)變化會對不斷增加的大氣氮沉降產(chǎn)生怎樣的復(fù)雜響應(yīng)，尚需進一步探究。

黃土高原地區(qū)是中國乃至全世界土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，2018 年黃土高原地區(qū)水土流失面積為 21.37萬 km2，占區(qū)域總面積的 37.19%。草地作為該地區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)類型，面積達 2.32×107hm2，占總面積的33%[15]，其中，白羊草群落是黃土高原森林草原區(qū)的地帶性植被群落。此外，該區(qū)土壤有效氮含量較低，氮素是該地區(qū)植物生長的重要限制元素。據(jù)估算，2019 年該地區(qū)氮沉降量有望達到2.3～3.5 g/(m2·a)[16]。因此，在大氣氮沉降加劇背景下，探究草地植被群落的季節(jié)變化及其對坡面流特性的影響，對深入了解坡面侵蝕過程具有重要意義。鑒于此，本文以黃土高原地區(qū)的典型地帶性植被白羊草群落為研究對象，通過不同梯度的氮添加模擬氮沉降，研究土壤有效氮升高對白羊草群落及坡面流特征的影響，在理論上闡明氮沉降對草地生態(tài)系統(tǒng)坡面流特性的間接影響，為黃土丘陵區(qū)草地植被建設(shè)和水土流失治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗土柱及白羊草種植

本 試 驗 位 于 陜 西 省 楊 凌 （ 108°04′27.95″E ，34°16′56.24″ N）中國科學(xué)院水土保持研究所。試驗所用土槽長×寬×高分別為2.0 m×1.0 m×0.5m，坡度為15°。供試土壤取自安塞坡地表層（0～20 cm）的黃綿土（黏粒、粉粒和砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12.92%，63.99%和23.09%）。對每個試驗土槽進行填土前，先將供試土壤過 2 mm 孔篩，去除草根和礫石。在土槽底部鋪5 cm 厚的細砂，以保證土壤水分均勻下滲，同時蓋一層紗布隔開土和砂。土壤填裝分4 次完成，每次填土?xí)r的容重控制在1.2 g/cm3左右，鋪平、壓實。每次填裝之前，將表土輕輕打碎，消除土壤之間的分層現(xiàn)象，填土總厚度為40 cm。

供試土槽填土結(jié)束后，于2012 年4 月中旬種植白羊草，草種采自陜西省安塞縣。種植前，先按照土槽尺寸將地表劃分為50 個正方形格子（20 cm×20 cm）；種植時，在每個格子的中心位置，挖取0.2～0.3 cm 深度的種穴，埋下白羊草種子；種植后，將土槽地表覆蓋草席并定期灑水，為白羊草種子提供適宜發(fā)芽的溫濕環(huán)境。待植株長勢穩(wěn)定后，采用間苗方法，控制其密度，保證每個土槽約50 株白羊草。

1.2 模擬氮沉降

根據(jù)全球及中國大氣氮沉降速率研究現(xiàn)狀，本研究模擬氮沉降所用氮源為 NH4NO3，共設(shè)置 N0、N2.5、N5和N104 個施氮處理，對應(yīng)施氮量分別為0、2.5、5 和10 g/(m2·a)，每個施氮處理設(shè)置2 個重復(fù)，共計8 個試驗土槽[1,16-17]。施氮年限為2012—2016 年（共5 a），具體施氮日期為每年6—9 月（4 個月）中每月的15 日和30日；如遇陰雨天氣，則對施氮時間進行適當(dāng)調(diào)整。具體施氮時，選擇晴朗天氣的傍晚，將 NH4NO3粉末按照預(yù)設(shè)處理稱質(zhì)量，將其溶于一定量的清水中，然后用噴壺均勻灑在白羊草地表（盡量避開白羊草枝葉），不施氮處理噴灑等量清水。

1.3 降雨過程及指標(biāo)測定

降雨試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進行，采用QYJY-503 固定式人工模擬降雨系統(tǒng)，該降雨設(shè)備采用組合式噴頭，安置高度為18 m，可調(diào)節(jié)降雨強度范圍為30～300 mm/h，雨滴大小控制在0.4～6.0 mm，降雨均勻度大于80%，雨滴終點速度近似天然降雨。降雨前，對所有土槽進行預(yù)降雨試驗，以消除土壤含水率差異對試驗的影響。試驗共設(shè)置3 個降雨強度（60、90 和120 mm/h），其中60 mm/h降雨強度為黃土高原地區(qū)較為常見的侵蝕性降雨強度，90 和120 mm/h 可模擬極端降雨情況[18]。通過預(yù)試驗得出，降雨進行60 min 后，各處理的產(chǎn)流速率均達到穩(wěn)定，故本試驗的降雨歷時為 90 min，具體研究時段為最后30 min。在該降雨時段內(nèi)，每4 min 收集1 次徑流泥沙全樣并測定 1 次表面流速和水溫，故每場降雨每個土槽共收集7 次徑流泥沙全樣并測定7 次表面流速和水溫。測定流速時，在車槽距頂部和底部各0.5 m 處的1 m 區(qū)域內(nèi)，沿坡面中軸線，采用高錳酸鉀法測定表面流速，同時測定相應(yīng)水溫。徑流泥沙全樣經(jīng)過稱質(zhì)量、沉淀、烘干泥沙后計算得到徑流質(zhì)量。降雨試驗在2016 年6—9 月（共計 4 個月）進行，為避免每個月降雨過程中不同處理植被的生長狀況變化較大，結(jié)合實際降雨狀況，每個月盡量保證在連續(xù)2 周內(nèi)完成8 個土槽在3 個雨強下的降雨試驗，共計96 場降雨。

1.4 白羊草和生物結(jié)皮蓋度測定

2016 年5—9 月，每月第1 次降雨試驗前測定白羊草和生物結(jié)皮蓋度。測定白羊草蓋度時，垂直于土槽坡面方向進行拍照，利用PCOVER 軟件對獲取的圖像進行處理，采用自動判別模型計算得到白羊草植被蓋度。每次拍照時，每個土槽重復(fù) 3 次，取均值作為當(dāng)月該土槽的白羊草蓋度。生物結(jié)皮蓋度通過網(wǎng)格法測量。選取邊長為30 cm 的正方形塑膠框，用1 mm 直徑的尼龍繩在框內(nèi)編織 2 cm×2 cm 的網(wǎng)格，框內(nèi)共計 196 個交叉點。用蒸餾水噴濕地表，采用拋投法在土槽內(nèi)隨機選擇5 個樣方，將直徑1 mm 的釬針沿每個交叉點垂直于坡面輕觸地表，若該點為苔蘚結(jié)皮，記1 次“0”，藻結(jié)皮則記1 次“1”。分別統(tǒng)計“0”和“1”的次數(shù)，并用各自占總數(shù)（196）的百分比作為此樣方框內(nèi)該生物結(jié)皮類型的蓋度。最后，取5 個樣方的均值作為當(dāng)月土槽內(nèi)生物結(jié)皮的蓋度。

1.5 水動力參數(shù)計算

為準(zhǔn)確描述不同施氮處理下坡面流水動力學(xué)特征及其對土壤侵蝕影響，本研究選取徑流量（q，L/s）、平均流速（V，m/s）、徑流深（h，m）、雷諾數(shù)（Re）、弗勞德數(shù)（Fr）、Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)（f）、曼寧糙率系數(shù)（n）、徑流剪切力（τ，Pa）、水流功率（ω，N/(m·s)）及過水?dāng)嗝鎲挝荒埽‥，cm）10 個常用參數(shù)進行坡面水動力學(xué)特征研究，計算公式如下：

式中Q為t時間內(nèi)的徑流量，L；t為徑流取樣間隔時間，s；k為修正系數(shù)（層流，k=0.67；過渡流，k=0.70；紊流，k=0.80）；Vs為表面流速，m/s；B為過水?dāng)嗝鎸挾?，m；R為水力半徑，用水深h代替，m；u為水流的運動黏滯系數(shù)，m2/s；g為重力加速度，m/s2；J為水力能坡，用試驗坡度的正弦值；Pa；γ為含沙水流密度，kg/m3；α為能動校正系數(shù)，α=1；θ為坡度，（°）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮處理白羊草群落特征

蓋度是植物生長發(fā)育過程中獲取空間和光照資源能力的重要表征參數(shù)，容易測定，是最常用的植被特征之一。5—6 月，不同施氮處理間的草被蓋度無顯著差異（P＞0.05）（圖1）。而在7—9 月，施氮顯著增加了草被蓋度，N0處理在這3 個月的草被蓋度分別為 61.6%、66.3%和 74.2%，均低于同期其他處理的草被蓋度（P＜0.05）；但施氮處理間（N2.5、N5和 N10）白羊草蓋度不存在顯著差異。

圖1 不同施氮處理白羊草蓋度月份變化Fig.1 Monthly changes of coverages of Bothriochloa ischaemum(Linn.) Keng with different nitrogen treatments

由于施氮影響，N2.5、N5和N10處理草被蓋度的增幅隨月份變化逐漸減?。▓D1）。相較于上個月份，同一施氮處理白羊草蓋度的增幅變化范圍分別為 5.2%～95.6%（N2.5）、4.6%～68.2%（N5）和5.8%～116.4%（N10）。而 N0處理草被蓋度的增幅呈先降后增的趨勢，分別為80.4%、4.7%、7.6%和 11.9%?？傮w表現(xiàn)為生長前中期N2.5、N5和N10處理白羊草蓋度增幅較大，而在生長末期（9 月），N0處理的增幅較大。

整個生長期，不同處理間苔蘚結(jié)皮蓋度均表現(xiàn)為N0＞N5＞N2.5＞N10，與藻結(jié)皮相反（圖 2a 和圖 2b）。5—9月，N0處理苔蘚結(jié)皮蓋度的變化范圍為14.7%～86.5%（平均為59.0%），不同程度地高于同期其他處理的蓋度。與N0處理苔蘚結(jié)皮蓋度的變化趨勢相反，其藻結(jié)皮蓋度的變化范圍為7.0%～59.3%（平均為28.1%），分別較其他處理的蓋度有所降低。

在植被生長過程中，除N5處理外，生物結(jié)皮總蓋度整體表現(xiàn)為增加趨勢（圖 2c），其中苔蘚和藻結(jié)皮蓋度分別表現(xiàn)為增加和降低趨勢（圖2a 和圖2b）。5—9 月，N0處理苔蘚結(jié)皮蓋度的平均變化速率為3.0%～146.3%，分別是 N2.5、N5和 N10的 1.4、1.6 和 2.4 倍。N0處理的藻結(jié)皮蓋度變化速率為-81.1%～14.3%，分別是其他處理的1.7、4.5 和6.6 倍?？傮w而言，施氮促進了白羊草和藻結(jié)皮的蓋度，抑制了苔蘚結(jié)皮的發(fā)育。

圖2 生物結(jié)皮蓋度對施氮梯度的響應(yīng)Fig.2 Responses of biological soil crusts coverage to nitrogen addition gradients

2.2 白羊草群落坡面流流態(tài)特征

水流流態(tài)是表征坡面薄層水流動力學(xué)特性的基本參數(shù)，與坡面流平均流速和輸沙關(guān)系密切，因此研究坡面薄層水流流態(tài)具有重要意義，可用雷諾數(shù)（Re）和佛汝德數(shù)（Fr）進行判別[19]。根據(jù)明渠均勻流的基本理論，雷諾數(shù)小于500 則屬于層流，大于2 000 屬于紊流，介于二者之間屬于過渡流。此外，坡面流流態(tài)也可通過佛汝德數(shù)的大小進行表征，當(dāng)Fr大于1 時，表明坡面流流態(tài)是急流，F(xiàn)r小于1 則屬于緩流。在本研究設(shè)定的降雨強度下，不同施氮處理間雷諾數(shù)和佛汝德數(shù)的波動范圍分別為87～381 和0.038～0.264（圖3）。該結(jié)果表明各處理坡面流的流型流態(tài)均為層流和緩流，說明草地群落能顯著抑制坡面流。

2.3 不同施氮處理坡面流水動力特征

2.3.1 施氮對坡面流水動力特征的影響

將某施氮處理 4 個月不同降雨強度下獲得的值取平均，得到其對應(yīng)水動力學(xué)參數(shù)值（圖4）。結(jié)果表明，坡面徑流量隨施氮量呈增加趨勢，變化范圍為 0.136～0.154 L/s，然而，由于試驗前水分條件控制一致，且本研究中采用的降雨強度較大，因此不同施氮處理的坡面徑流量沒有明顯差異。此外，隨著施氮量的增加，坡面平均流速逐漸加快，水深變淺，徑流阻力減小。其中，施氮處理（N2.5、N5和N10）的平均流速較不施氮處理（N0）增加了 32.0%～44.0%，徑流深減小了 25.1%～28.7%，Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)和曼寧糙率系數(shù)分別減少了68.6%～71.5%和44.7%～47.4%。坡面侵蝕過程實質(zhì)上是一個不斷耗能和做功的過程，受下墊面狀況及土壤特性的影響。隨著施氮量的增加，坡面水流沿程的能耗也隨之增強，表現(xiàn)為徑流剪切力、水流功率增大，分別比不施氮處理（N0）增大了 228.7%～327.4%和 313.5%～543.2%。過水?dāng)嗝鎲挝荒苁侵敢赃^水?dāng)嗝孀畹忘c基準(zhǔn)面的單位水質(zhì)量的動能及勢能之和，是反映坡面侵蝕程度及侵蝕方式變化的重要參數(shù)[20]。隨著施氮量的增加，過水?dāng)嗝鎲挝荒芰空w呈降低趨勢，相較于不施氮處理（N0）減少了 24.4%～27.9%。整體上，除徑流量外，白羊草坡面流水動力學(xué)參數(shù)值均表現(xiàn)為N0處理與其他處理之間存在明顯差異。

圖3 不同施氮處理坡面水流流態(tài)特征Fig.3 Characteristics of overland flow patterns under different nitrogen addition treatments

圖4 不同施氮處理下白羊草群落坡面流水動力學(xué)特征Fig.4 Hydrodynamic characteristics of overland flow of Bothriochloa ischaemum (Linn.) Keng community under different nitrogen addition treatments

2.3.2 白羊草生長期內(nèi)坡面流水動力特征動態(tài)變化

將每個月 4 個施氮處理各降雨強度下獲得的參數(shù)值取平均，得到其對應(yīng)的水動力學(xué)參數(shù)值（圖5）。結(jié)果表明，隨著白羊草的生長，不同生長期白羊草群落坡面徑流量沒有顯著差異。除此之外，其他水動力參數(shù)在植被不同生長階段均存在明顯變化規(guī)律。植被生長過程中，白羊草群落坡面的平均流速逐漸減緩，徑流深增加，坡面流阻力增大。其中，坡面流平均流速和徑流深分別表現(xiàn)為減緩和增大趨勢，9 月（0.026 m/s和5.99 mm）較生長前中期分別減少了23.5%～29.7%，增大了36.4%～66.9%，Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)和曼寧糙率系數(shù)（339.87 和 0.79）分別比前中期時增加了220.2%～496.9%和 79.5%～139.4%。坡面徑流沿坡面方向流動過程中，需要克服草被及生物結(jié)皮的阻礙、土壤黏結(jié)力等一系列沿程阻力，從而分散剝離土壤顆粒，同時消耗大量水體動能及勢能。隨著季節(jié)變化，徑流剪切力明顯降低，較生長初期（28.79×10-3Pa）降低了97.7%～99.4%。此外，單位質(zhì)量水體沿程所消耗的功率逐漸減小，表現(xiàn)為水流功率降低，較生長初期（11.74×10-4N/(m·s)）減少了 98.1%～99.7%。此外，植被生長后期，坡面流流速較緩，動能較低，但由于水深較大，勢能高，總體導(dǎo)致過水?dāng)嗝鎲挝荒茈S植被發(fā)育而逐漸升高，較白羊草生長初期（0.355 cm）增加了20.8%～64.2%。

圖5 白羊草群落坡面流水動力學(xué)特征動態(tài)變化Fig.5 Dynamics fo hydrodynamic characteristics of overland flow in the Bothriochloa ischaemum (Linn.) Keng community

2.3.3 降雨強度對坡面流水動力特征的影響

降雨作為重要的驅(qū)動力來源，其對坡面流特征和土壤侵蝕過程也存在顯著影響。將某降雨強度下 4 個施氮處理在 4 個月中某特征參數(shù)值取平均，得到該雨強下該參數(shù)最終值，見表1。由表1 可知隨著降雨強度的增大，徑流量、平均流速和徑流深均顯著增加，90 和120 mm/h降雨強度下的徑流量分別比 60 mm/h 增加了 62.1%和146.8%，平均流速增加了19.3%和60.8%，徑流深增加了32.1%和43.7%。流速的加快降低了坡面流阻力，增大了水流功率和過水?dāng)嗝鎲挝荒艿葏?shù)。其中，90 和120 mm/h降雨強度下的Darcy-Weisbach 阻力系數(shù)比60 mm/h 降低了23.5%、62.6%，曼寧糙率系數(shù)降低了2.9%、27.9%，過水?dāng)嗝鎲挝荒茉黾恿?62.3%和329.6%，120 mm/h 降雨強度下的水流功率增加了146.4%。此外，由于受徑流深和徑流含沙量的共同影響，徑流剪切力在不同降雨強度間沒有顯著差異（表1），但該參數(shù)整體呈增大趨勢。

表1 不同降雨強度下白羊草群落坡面流水動力學(xué)特征Table 1 Hydraulic characteristics of overland flow of Bothriochloa ischaemum (Linn.) Keng community under different rainfall intensities

3 討 論

3.1 施氮對白羊草群落特征的影響

氮素限制著陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力，氮的不斷輸入顯著改變了植物群落生產(chǎn)力及群落結(jié)構(gòu)與組成。白羊草生長初期，植株較小，對氮素的需求低，因此施氮對白羊草蓋度的促進作用不明顯。但隨著植株增大，施氮顯著增加了白羊草蓋度，但不同施氮處理間（N2.5、N5和N10）無顯著差異（圖1）。此外，就生長期變化而言，生長前中期N2.5、N5和N10處理白羊草蓋度增幅較大，而在生長末期（9 月），N0處理的增幅較大。當(dāng)土壤有效氮含量不足時，植物體內(nèi)蛋白質(zhì)及酶的合成受阻，葉綠素含量減少，光合效率降低限制植物地上部分的增加；此時，向土壤中施氮可增加白羊草葉片中營養(yǎng)元素的分配，增加蓋度[21-22]。然而隨著生長期變化，施氮導(dǎo)致土壤中的氮素不斷累積，當(dāng)土壤有效氮達到植物可吸收的閾值時，更多的氮添加不能顯著提高植物的生長速率[23]。此外，過于充足的土壤氮環(huán)境還可能導(dǎo)致根系清除活性氧代謝的干擾，根系細胞的滲透勢較低，抑制根系的吸收，阻礙植株正常生長發(fā)育[24]。

生物土壤結(jié)皮是干旱半干旱區(qū)廣泛發(fā)育的重要地表覆被物，平均蓋度可以達到 70%以上，具有重要的生態(tài)功能[25]。地衣、藻類等低等植物可以直接從大氣中捕獲可利用的氮素，因此生物結(jié)皮比高等植物對大氣氮沉降的響應(yīng)更為敏感[5]。氮素通過影響生物結(jié)皮的光合過程，進而影響其生物量和蓋度。本研究表明施氮促進了白羊草和藻結(jié)皮的蓋度，抑制了苔蘚結(jié)皮的發(fā)育。這可能是由于苔蘚個體突出于土壤表面，且葉片沒有角質(zhì)層等保護性結(jié)構(gòu)，因此對氮素增加的響應(yīng)更為敏感[25]。同時，白羊草的庇蔭也可能促進了苔蘚結(jié)皮的演替發(fā)育（表2）。此外，相關(guān)研究表明，0.2 g/(m2·a)是苔蘚結(jié)皮生長的最適施氮量，含水率充足時，低于 0.6 g/(m2·a)的氮會提高其凈光合速率；然而，過量的施氮會使苔蘚結(jié)皮年光合固碳值明顯減少，增加苔蘚種類損失的風(fēng)險[26-27]。

3.2 施氮對坡面流水動力參數(shù)的影響

施氮減小了坡面流阻力和水深，加快了流速（圖4）。一方面，白羊草葉片屬于狹長型，植株上部柔性部分匍匐于地表時，葉片對降雨分配可能起到了一定的導(dǎo)流作用。因此，盡管白羊草蓋度與徑流流速、阻力系數(shù)等無顯著相關(guān)性（表3），但施氮在增加白羊草蓋度的同時，更多倒伏的枝葉降低了地表徑流阻力，使流速加快，水深增加。另一方面，N0處理白羊草蓋度較低，當(dāng)植被處于非完全淹沒狀態(tài)時，雨滴打擊坡面薄層水流，會促使坡面流產(chǎn)生混摻消能作用，導(dǎo)致徑流紊動性增強，阻力增大，流速減緩，水深較大[19,28-29]。此外，許多研究證實了苔蘚結(jié)皮的發(fā)育更易增大地表糙度，進而降低坡面流流速[30]。本研究的相關(guān)分析也表明了苔蘚結(jié)皮與流速之間存在顯著負相關(guān)，而與阻力系數(shù)存在顯著正相關(guān)（表 3）。而且，N0處理的苔蘚結(jié)皮厚度最大，變化范圍為6.6～9.4 mm（9 月），而該處理水深最大為 5.8 mm（圖 4），這也可能導(dǎo)致N0處理的坡面流阻力較大，流速相對較緩，水深較大。

表2 施氮量與白羊草和生物結(jié)皮蓋度的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis between nitrogen addition and coverage of Bothriochloa ischaemum (Linn.) Keng and biological soil crusts

表3 坡面流水動力學(xué)參數(shù)與降雨強度和植被蓋度的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis between hydrodynamic parameters and vegetation coverage and rainfall intensity

坡面侵蝕過程實質(zhì)上是一個不斷耗能和做功的過程，受下墊面狀況及土壤特性的影響。隨著施氮量的增加，坡面水流沿程的能耗也隨之增強，表現(xiàn)為徑流剪切力、水流功率增大，過水?dāng)嗝鎲挝荒芙档?。首先，對于徑流剪切力和水流功率而言，二者均與徑流含沙量密切相關(guān)。相關(guān)研究認為當(dāng)草被蓋度達到 60%時，其減少土壤侵蝕的作用趨于最大且穩(wěn)定[14]。因此，盡管本研究中N0處理的白羊草蓋度較低，但其減蝕作用穩(wěn)定，生物結(jié)皮可能成為其控制泥沙含量的主要因素。此外，由于N0處理的苔蘚結(jié)皮蓋度顯著高于其他處理，其徑流含沙量（0.86 g/L）顯著低于 N2.5、N5和 N10處理（3.82、3.12 和4.97 g/L），且苔蘚結(jié)皮降低流速的能力和保護表土的作用均優(yōu)于藻結(jié)皮[31]，因此N0處理的徑流剪切力和水流功率最小。

施氮顯著影響了白羊草群落的生長發(fā)育，同時也使坡面流水動力特征表現(xiàn)出較大的不確定性。由于白羊草為柔性植被且株高較大，使其受到雨滴打擊而呈匍匐狀態(tài)；另外，不同處理地表生物結(jié)皮的分布不均，且夾雜著裸地斑塊（如9 月N2.5處理的裸露面積最大，占16.5%）。因此，徑流在對地表土壤的沖刷過程中，可能造成白羊草冠層在坡面的重新堆疊。而且生物結(jié)皮也可能被股流“揭開”，造成生物結(jié)皮新的分布格局，使結(jié)皮覆蓋下的土壤顆粒隨水流搬運。這些均會增加水動力學(xué)特征的不確定性。

3.3 白羊草生長期內(nèi)坡面流水動力參數(shù)的變化特征

白羊草不同生長期的坡面徑流量沒有顯著變化（圖 5）。這主要是由于每次降雨試驗前對坡面進行充分潤濕，使土壤含水率達到飽和狀態(tài)，從而限制了水分下滲。此外，本研究的降雨強度較大，加之白羊草葉片狹長，對雨滴的承載和截留能力十分有限，在一定程度上掩蓋了植被冠層對降雨的截留作用。相關(guān)分析也表明，坡面徑流量與植被蓋度無顯著關(guān)系（P＞0.05），而與降雨強度呈顯著相關(guān)（r=0.94，P＜0.01，表3）。

在分析植被對坡面流水動力特性的影響時，一般根據(jù)植被的柔韌性將植被分為剛性和柔性 2 種，二者對坡面流阻力的影響不盡相同[8]。研究結(jié)果表明，植被生長過程中，白羊草群落坡面的平均水流速率逐漸減緩，水深增加，坡面流阻力顯著增大。植被生長前期，白羊草植株矮小，草被蓋度較低，冠層對雨滴的截留作用較弱[32]。此外，本研究中生物結(jié)皮在降雨試驗前經(jīng)歷過年際凍融，使得地表藻類結(jié)皮連續(xù)性破碎，邊緣翻起，增大了徑流阻力。王媛[33]研究發(fā)現(xiàn)，凍融可增加生物結(jié)皮表面糙度，且與苔蘚結(jié)皮相比，凍融更易顯著增加藻結(jié)皮糙度。因此，在植被生長初期，坡面流受到的阻力主要來自白羊草植株基部剛性部分和地表糙度。隨著生長期變化，坡面流特征變化更加復(fù)雜。白羊草屬于柔性植被，存在倒伏現(xiàn)象，導(dǎo)致白羊草蓋度與坡面流流速、水深等參數(shù)不存在相關(guān)性（表3）。然而，隨著白羊草枝葉的逐漸增長，植株多呈匍匐狀態(tài)，根據(jù)最小能耗原理，薄層水流呈股狀流動并穿梭于莖葉之間，在一定程度上延長了流程，降低了流速，增加了水流阻力和水深[34-35]。研究表明，當(dāng)柔性植被沒有被水流完全淹沒時，阻力系數(shù)隨著植被蓋度和植株高度的增加而增加[36]。對于苔蘚結(jié)皮，在一定程度上屬于剛性植被，其水流阻力與植株剛度、分布密度和蓋度等有關(guān)[8,37-38]，因此，隨著苔蘚結(jié)皮蓋度增大，地表糙度增加，水流阻力增大。由于徑流剪切力和水流功率受坡面流速和水深和水流挾沙密度的共同影響，這也二者的變化過程較為復(fù)雜。研究表明，相同降雨條件下，植被對產(chǎn)沙的抑制作用顯著高于徑流[39]，因此，最終表現(xiàn)為徑流剪切力和水流功率隨植被生長顯著降低。

4 結(jié) 論

本試驗采用氮添加模擬氮沉降，研究了土壤有效氮升高對草地群落特征季節(jié)變化的影響，并進一步通過人工降雨試驗探究了其對坡面流的水動力學(xué)特性的影響。主要結(jié)論如下：

1）施氮可顯著促進白羊草蓋度的增加，當(dāng)施氮量打破了土壤氮素限制狀態(tài)后，該促進作用不顯著。此外，生長前中期，施氮顯著增加了白羊草蓋度，而在生長末期，不施氮處理白羊草蓋度的增幅較大。對于生物結(jié)皮，施氮有利于藻類結(jié)皮的生長，而顯著抑制苔蘚結(jié)皮的發(fā)育。

2）白羊草群落的坡面流均為層流和緩流。降雨強度的增大減緩了坡面流阻力，導(dǎo)致徑流量、平均流速、徑流深、水流功率和過水?dāng)嗝鎲挝荒芫@著增加。隨著季節(jié)變化，白羊草群落坡面流阻力顯著增大，平均流速減緩，徑流深增加，徑流剪切力和水流功率均降低，過水?dāng)嗝鎲挝荒茉黾?。施氮顯著改變了白羊草群落坡面流特征，隨著施氮量的增加，坡面流阻力顯著降低，平均流速加快，徑流深變淺，徑流剪切力和水流功率均顯著增加，過水?dāng)嗝鎲挝荒軠p小。

3）白羊草群落具有良好的調(diào)控坡面流的作用。然而，在大氣氮沉降不斷增加的背景下，白羊草群落的“阻水”作用有減弱的趨勢，可能會增加草地群落坡面土壤侵蝕的風(fēng)險。因此，應(yīng)采取相應(yīng)措施減緩大氣氮沉降速率，從而間接地為控制土壤侵蝕作出貢獻。