氮水添加对北方退化草地土壤阳离子交换性能影响

As essential elements for plant growth, soil exchangeable cations play key roles in balancing ecosystem acidity and suppling nutrients for plants, and affecting many important biogeochemical processes. Nitrogen and water addition may alleviate nitrogen and water limitation in ecosystems, and potentially benefit to improve forage quality and increase the productivity of North China's semiarid temperate grasslands degraded by overgrazing. This project is planed to conduct in a field experiment with N and water additon in a degraded steppe and an abandoned field, respectively, established in 2005 at Duolun Experimental Station for Grassland Ecology, Chinese Academy of Sciences. Based on the influences of N and water addition on soil cation exchange capacity (CEC) and base cation dynamics, one of our aims is to quantify the contribution of exchangeable calcium (Ca), magnesium (Mg), potassium (K), and sodium (Na) to soil fertility. On the basis of in-situ sampling of soils and plants, we want to illuminate the relationships between soil exchangeable base cations and plant diversity, and to study the stoichiometry of Ca, Mg, K, and Na in the plant-soil system. The third aim is to study the interaction between soil exchangeable base cations and other chemical properties such as soil organic carbon, and the available macro- and micro- nutrients， and to analyze the influence of soil exchangeable cations on the obsorption of other nutrients by dominant species in the grasslands. This project is to enrich some relative studies on soil chemistry and stoichiometry in grassland ecosystems.

土壤交换性阳离子作为植物必需的营养元素，在平衡生态系统酸碱度和植物养分供应方面具有重要作用，并对许多生物地球化学过程产生重要影响。施氮肥和补充水分可以应对生态系统的氮和水分限制，有助于提高我国北方半干旱区过渡放牧带退化草地牧草质量和生产力。本项目以天然退化草地和弃耕恢复草地为研究对象，利用中国科学院多伦草地生态试验站2005年建立的氮添加和水分添加田间模拟控制试验，通过氮水添加对土壤阳离子交换量和盐基离子组成影响的研究，量化分析土壤交换性盐基离子Ca、Mg、K、Na 对土壤肥力的贡献率；通过定位采集土壤和植株样本，分析土壤交换性盐基离子组成对物种多样性的影响，量化Ca、Mg、K、Na在土壤－植物系统的生态化学计量学关系；研究土壤交换性盐基离子与土壤有机碳、大量和微量元素有效态含量间的相互作用关系，交换性阳离子对草地优势物种营养元素吸收利用的影响等，丰富草地土壤化学和生态化学计量学的研究。

土壤交换性阳离子和微量元素作为植物必需的营养元素，在平衡生态系统酸碱度和植物养分供应方面具有重要作用，并对生物地球化学过程产生重要影响。施氮肥和补充水分可以应对生态系统的氮和水分限制，有助于提高我国北方退化草地牧草质量和生产力。本项目利用中国科学院多伦草地生态试验站2005年建立的氮添加和水分添加田间模拟控制试验，系统研究了氮水添加对土壤本土及各粒级团聚体中交换性盐基离子及土壤有效态微量元素的影响；量化分析土壤交换性盐基离子、微量元素有效态含量与土壤有机碳等的相互作用关系，在土壤-植物系统的生态化学计量学关系，对草地优势物种营养元素吸收利用的影响等。结果表明，氮添加降低退化草地土壤本土和团聚体内交换性阳离子含量，水添加可以减缓氮添加引起阳离子耗竭；氮添加显著增加了本土和团聚体中DTPA浸提态Fe、Mn、Cu的含量，水分添加降低了由添加氮而引起的土壤有效态微量元素的增加幅度；氮添加显著降低土壤pH，水添加可以减缓氮添加引起pH下降；土壤交换性盐基离子含量的降低是土壤pH随添加梯度与下降解的主要原因；氮添加显著降低了全土内脱氢酶活性和碱性磷酸酶活性，而水添加则显著提高了土壤酶活性。团聚体内β-葡萄糖苷酶、酸性/碱性磷酸单酯酶、芳香硫酸酯酶活性均受到氮添加抑制，而N-乙酰基-氨基葡萄糖苷酶活性升高；水添加使团聚体内β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸单酯酶活性，土壤团聚体酶活性的下降与土壤交换性盐基离子耗竭引起的土壤酸化相关。土壤盐基离子的流失未对优势物种叶片Ca、Mg含量产生影响，而土壤中K饱和度的增加促进了植物对K的吸收；氮添加导致土壤酸化且显著提高了植物叶片微量元素Mn、Cu、Zn的含量，但由于铁、锰在植物吸收上的拮抗作用，植物吸收锰的增加，抑制了对铁的吸收，导致植物铁含量及铁锰比的降低。研究结果共发表研究论文23篇，已被引用160余篇次，丰富了草地土壤化学和生态化学计量学的研究。