黄土高原生物结皮混合群落对坡面流流体阻力特征的影响

摘要

[目的]为明确生物结皮影响坡面流阻力作用机制，研究不同生物结皮类型组成的混合群落对坡面流颗粒阻力（f_g）和形态阻力（f_f）的影响。[方法]采集3种（以藻为主、藻藓比例相当、以藓为主）混合生物结皮原状土壤样品84个，设置7组坡度和流量组合，采用变坡水槽冲刷试验，系统研究不同水动力条件下坡面流阻力特征对生物结皮响应。[结果] 1)坡面流流经生物结皮覆盖区流速减少8.5%～57.3%，水深增加5.4%～70.6%；生物结皮混合群落缓流效率随藓类结皮占比的增加显著增强，以藓为主混合生物结皮（T₃）缓流效率是其他生物结皮混合群落的1.1～2.5倍。藓类结皮占比的增加降低弗劳德数（Fr），增加雷诺数（Re），未改变流型流态。2)生物结皮混合群落覆盖显著增加总阻力f（Darcy-Weisbach阻力系数），且f随Re和Fr的增加呈幂函数降低（R²≥0.46、p<0.01），与藓生物量(M_moss)呈显著正相关（p<0.05）。3)生物结皮覆盖显著增加坡面流f_f，不同坡度、流量及生物结皮混合群落覆盖条件下，f_f占f的主要部分；f_g与泥沙浓度（q_s）呈显著相关（p<0.05）,f_f与M_moss呈显著正相关（p<0.05）。4)Savat模型计算的坡面流f_g不适用于生物结皮覆盖下的低泥沙浓度坡面流；基于f_g和f_f的影响因子，构建生物结皮覆盖下的坡面流f系数方程f=Re^{-1.021 4}×M_moss^0.311×10^3.793。[结论]生物结皮覆盖下，坡面流f_f显著增加是导致其总阻力增加的主要原因，且主要受藓类结皮占比影响。研究结果对深入理解生物结皮影响坡面流阻力作用机制具有重要意义，可为黄土高原生物结皮防控土壤侵蚀提供理论基础。

关键词

黄土高原 / 生物结皮 / 阻力系数 / 颗粒阻力 / 形态阻力

基金资助

国家重点研发计划项目(2023YFF1305103);; 国家自然科学基金面上项目(42377352);; 中国科学院“西部之光”西部青年学者A类项目(XAB2022YW03)