土壤有效N升高对白羊草群落特征及土壤侵蚀过程的影响机制

The increasing soil available nitrogen (SAN), caused by raising global N deposition, is altering the loss of runoff, sediment and the nutrient through influencing the plant communities. It is not clear about the effect of the SAN on soil erosion process in grassland for the study gaps in theory and the deficient research methods. Based on the N addition experiments, artificial precipitation and flow scouring experiments on a simulated Bothriochloa ischaemum (L.)Keng community, the following questions will be studied: (1) how does the increasing SAN influnce the plant community characteristics; (2) how does the increasing SAN influnce the soil properties and (3) how does the reciprocity among the plant community characteristics and soil properties influnce the loss processes of runoff, sediment and nutrients. We hope to clarify the mechanism of the effect of SAN on the loss of water, soil and nutrients in theory, and to predict the influence of increasing N deposition and/or N addition on soil erosion process in grassland, and to provide a reference for grassland management and the control of soil and water loss in the Loess Plateau.

随着全球大气N沉降的持续增加，土壤有效N升高对草地生态系统水土保持功能及土壤侵蚀的潜在影响越来越引起人们的关注。受理论和研究方法的限制，目前关于土壤有效N变化如何通过草地群落特征和土壤性质进而影响坡面产流、产沙和养分流失的机理尚不清楚。本项目以黄土高原地带性白羊草群落为对象，在野外径流小区模拟天然白羊草群落结构和梯度N添加试验的基础上，采用人工降雨和变坡水槽冲刷方法，重点研究：（1）土壤有效N升高对白羊草群落地上特征和根系特征的影响；（2）土壤有效N升高对白羊草群落土壤物理性质、化学性质和微生物特征的影响；（3）白羊草群落特征和土壤性质相互作用及其影响坡面产流、产沙和养分流失的过程和机制。本研究期望在理论上阐明N升高影响草地产流、产沙和养分流失的过程和机制；在实践上预测N沉降对白羊草群落特征、土壤性质和水土流失过程的潜在影响，为黄土丘陵区草地管理和水土流失治理提供科学依据和技术支撑。

土壤有效N升高可能通过影响植物群落特征进而影响坡面土壤侵蚀过程。本研究以黄土高原典型草地类型白羊草群落为研究对象，系统研究了土壤有效N升高对群落特征、土壤理化性状和微生物特征的影响，以及上述因素对坡面产流、产沙过程的影响机制。结果表明：（1）N添加有效增加了白羊草群落盖度、地上生物量和植物体内部分微量元素含量，促进了1～2级根系根长、生物量及周转；氮添加量为2.5 g N·m-2·yr-1时，白羊草群落有性繁殖效果最佳；氮添加量为5 g N·m-2·yr-1时，白羊草植物内营养元素总贮量达到最大值，群落盖度和地上生物量趋于稳定（盖度为92.3%，地上生物量为298.7 g·m-2）。（2）短期施氮可增加土壤全氮和有机质含量，增强土壤粘结力，但差异不显著；氮添加降低了土壤C：N和C：P，增加了土壤部分微量元素含量，提高了微生物生物量、微生物呼吸及微生物多样性，但并没有改变微生物群落结构；氮添加量高于5 g N·m-2·yr-1时，土壤中微生物量减少，土壤呼吸减弱；氮添加对氮周转潜力具有积极影响，其中伯克氏菌和根瘤菌在土壤氮循环中起重要作用。（3）相对于不施氮处理，N添加可减少初始产流时间、径流量和泥沙量分别为26.4%～64.4%、15.9%～20.6%和55.6%～73.4%；施氮量为5 g N m-2·yr-1时，白羊草群落延缓初始产流时间、减流减沙效益最好；N添加促进了藻类结皮生长，抑制了苔藓结皮发育，其中结皮减沙贡献率占总减沙率的49.3%；累积产沙量（S）与白羊草群落盖度（C）、生物结皮厚度（h）呈显著负相关（S=10^13.1·h^-5.4·C^-4.3；R2=0.5，p＜0.01）；施氮一定程度降低了土壤抗侵蚀能力，细沟可蚀性指数增加了23.3～104.3%，土壤临界剪切力减少了34.6～71.0%；3年白羊草群落相对于1年白羊草群落各施氮处理下减流效益减少了24.5～376.4%，减沙效益增加了63.6～99.6%。结论：N添加可有效调控白羊草群落特征进而影响产流产沙过程。白羊草群落生长的最佳施氮量为5 g N·m-2·yr-1，具有较强的土壤结构稳定性和较为活跃的土壤微生物活性，对应的减流、减沙效益也最大。