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氮添加条件下白羊草种群及近地表生物结皮对土壤入渗性能的影响

来源:小侦探旅游网
36卷第3期354~363页 2018年O6月 山地学报 Vo1.36,No.3 PP 354~363 M0UNTAIN RESEARCH Jun.,2018 文章编号:1008—2786一(2018)3—354—10 DOI:10.16089/j.enki.1008—2786.00033i 氮添加条件下白羊草种群及近地表生物结皮 对土壤入渗性能的影响 李兆松 ,王兵 ,李盼盼 ,王忠禹 ,汪建芳 (1.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌712100 2.中国科院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100) 摘要:以黄土高原典型草地白羊草群落为研究对象,设置不同施氮水平(0、2.5、5、10 g/(m ·a))模拟氮沉 降,通过人工模拟降雨,系统研究氮添加条件下白羊草群落及其近地表特征对土壤入渗过程的影 响。结果表明:(1)白羊草种群覆盖可显著延缓产流,且随着近地表生物结皮的参与,延缓产流效 果更加明显。白羊草和生物结皮共同作用下(T )平均初始产流时间分别是单一白羊草种群(T,) 和裸地对照(T。)的1.64倍和4.87倍;(2)稳定入渗速率和人渗总量均在较低施氮水平(N。和 N )下总体较高;生物结皮可抑制土壤入渗过程,白羊草和生物结皮共同作用下(T )稳定入渗速 率和入渗总量较单一白羊草种群(T )分别减少了6.35%和7.49%;(3)植被及生物结皮特征可显 著影响坡面入渗过程,初始产流时间随白羊草盖度、地上生物量和苔藓结皮盖度、高度的增加均呈 幂函数增加,随藻结皮盖度的增加呈幂函数下降(P<0.O1);稳定入渗速率和入渗总量随生物结皮 总盖度的增加而呈幂函数下降,与藻结皮盖度存在显著的DoseResp曲线关系(P<0.01)。本研究 以期为黄土高原草地生态水文过程及植被建设提供数据来源和理论依据。 关键词:黄土高原;白羊草种群;氮沉降;生物结皮;降雨入渗 中图分类号:S157 文献标志码:A 氮素是植物生长的必需元素 ,也是大多数陆地 生态系统植物生长的因子 I4 J。近年来,在全球 加土壤中氮素含量,进而影响植物的生长发育 , 改变植物群落的组成、结构和功能 J,调节植物群 氮沉降13益增加的背景下,土壤有效氮升高对草地生 态系统植被群落特征及土壤入渗过程的潜在影响越 来越备受关注。据2000年的监测数据显示,全球氮 沉降最低地区氮沉降强度小于0.2—0.3 g/(m .a), 而较高地区氮沉降强度则达到1~2 g/(m .a),部 分严重污染地区甚至超过6 g/(m .a)[51。随着全 落地上地下生物量的分配模式 J。氮沉降速率的 增加也会显著影响生物结皮生长发育。生物结皮是 由隐花植物和土壤中微生物及其他生物体通过菌丝 体、假根和分泌物等土壤表层颗粒胶结形成的复合 体 J,作为特殊的生态系统,适当的氮添加能够促 进生物结皮的生长发育,其中,苔藓结皮对氮素的敏 球范围内氮沉降强度的持续增加,一定程度上会增 感性高于藻类结皮和地衣¨ J。 收稿日期(Received date):2017—11—05;改回日期(Accepted date):2018—1—16 基金项目(Foundation item):国家重点研发计划(2016YFC0501703);陕西省创新人才推进计划一青年科技新星项目(2017KJxx一88);国家自 然科学基金(41471438)。[Key National R&D Program(2016YFC0501703);Shanxi Province Innovative Talents Promotion Program.Youth Science and Technology Rising Star Project(2017KJXX一88);National Natural Science Foundation of China(41471438)] 作者简介(Biography):李兆松(1992一),男,江西赣州人,硕士研究生,主要研究方向:土壤侵蚀。[L1 Zhaosong(1992一),male,born in Ganzhou,Jiangxi province,M.Sc.candidate,research on soil erosion]E—mail:lzsl51139@163.eom. 通讯作者(Corresponding author):王兵(1982一),男,陕西武功人,博士,副研究员,硕士生导师,主要研究方向:植被恢复与土壤侵蚀。 [WANG Bing(1982一),male,born in Yangling,Shanxi province,Ph.D.,associate professor,specilaized in vegetation restoration and soil erosion]E—mail:bwang@ms iswc.ae.cn 第3期 氮添加条件下白羊草种群及近地表生物结皮对土壤入渗性能的影响 355 植被通过冠层截留和根系改善土壤结构进而影 响降雨一入渗过程¨引。一般而言,植被覆盖度越 大,其降雨截留量越大,对雨滴动能的消减能力越 强,从而起到保护地表免受雨滴打击,抑制物理结皮 发育,增加降雨人渗的作用 。植物根系在土壤中 的生长延伸、生死更迭,形成了大量的根系和孔隙, 从而提高土壤的渗透性¨ ,同时通过增加土壤有机 质含量和促进团聚体形成提高土壤入渗速率¨ 。 有关生物结皮对土壤入渗性能影响的研究结果并不 一致,总体表现为抑制土壤入渗和促进土壤入渗两 个观点¨’J。一方面,生物结皮通过生物体及生物体 分泌的胞外多糖等化学物质在吸水后迅速膨胀,堵 塞结皮中的孔隙结构,从而阻碍土壤水分入 渗 ,增加地表径流 ;有研究表明在野外自 然降雨条件下单纯生物结皮相对裸地人渗量减少约 为8.3% ,而在圆盘入渗仪法下单纯有生物结皮 的土壤稳定人渗速率约是没有结皮的2倍¨ 。另 一方面,也有学者认为生物结皮发育过程中改变下 层土壤颗粒组成、孔隙结构和土壤容重等土壤理化 性质 .26】,进而促进土壤人渗过程 ]。 黄土高原土壤侵蚀严重,为有效控制水土流失, 我国自1999年以来在该区大规模实施“退耕还林 (草)”工程,植被得以恢复,近地表生物结皮大面积 发育,平均盖度达到了60%~70%_2 ,对水分平衡 产生了显著影响。同时,随着氮沉降强度的持续增 加,势必会改变植被及生物结皮群落特征,从而进一 步影响坡面人渗过程,对水文循环产生显著影响。 然而,氮沉降条件下的植被组成变化对降雨入渗过 程的影响机制尚不清楚,仍需进一步研究。基于此, 本文选取黄土高原典型地带性植被白羊草作为研究 对象,设置不同梯度的施氮水平模拟氮沉降,系统研 究氮添加条件下白羊草种群及生物结皮生长特征变 化对土壤入渗过程的影响,量化植被特征参数与土 壤人渗特性的相互关系,为黄土高原的草地生态水 文过程及植被建设提供数据来源和理论依据。 1材料与方法 1.1 试验布设 I.1.I试验土槽 试验共布设15个土槽,每个土槽的长度、宽度 和深度分别为2 m、1 m和0.5 m,坡度为l5。。土槽 填装土壤取自安塞农耕地表层黄绵土(0~20 em), 黏粒、粉粒和砂粒含量依次为12.92%、63.99%和 23。09%。填土前将供试土壤过2 mm孔筛,去除草 根和砾石。填土时在土槽底部铺5 em厚的细砂,并 盖上一层纱布隔开土和砂,以保证土壤水分均匀下 渗。填土过程将土壤容重控制在1.2 g/c, ̄ 左右, 分4次装土,铺平、压实,每次填装下层土壤之前将 表土打毛,消除土壤之间的分层现象,填土层总厚度 为40 cm。 1.1.2白羊草种植及施氮水平 2013年7月,填土结束后对于其中12个土槽 (另外3个土槽为裸地对照)按照问距20×20 cm、 种穴深度0.3 em种植白羊草,并在表面覆盖草席、 定期洒水,待植株长势稳定后,采用问苗方法,控制 白羊草密度,保证每个土槽约50株。试验共设4个 施氮水平,依次为0 g/(m ·a)(N。)、2.5 g/(m ·a) (N2.5)、5 g/(m ·a)(N5)和l0 g/(m ·a)(N 。), 氮源为铵(含氮量35%),每个施氮水平设置3 个重复。每年雨季6—9月进行施氮处理,施氮时将 铵按照预设施氮量溶解于水中,均匀喷洒于白 羊草坡面,N 处理喷洒等量的清水,施氮频率为2 周1次。经过3年自然生长,白羊草盖度为74%~ 93%,生物结皮主要为苔藓结皮和藻类结皮,总盖度 为76%~98%(表1)。 表1不同氨素水平下白羊草群落近地表基本特征 Tab.】 Near surface characteristics of Bothrioehloa ischaemum community at diferent nitrogen levels 注:相同字母表示不同氮素水平之间的没有显著差异(P>0.05)。 1.2试验处理 试验共设3个处理:裸地(T。)、白羊草(T )、白 羊草+生物结皮(T:)。T。处理为裸地对照,不种植 白羊草且无施氮;相对于Tn处理,T 处理增加了白 羊草种群,表征不同施氮水平下白羊草种群地上和 地下特征对土壤入渗过程的影响;T 处理则是在T 处理的基础上增加了地表生物结皮,表征不同施氮 水平下白羊草种群和地表生物结皮共同作用对土壤 人渗过程的影响(表2)。此外,为最大程度消除去 356 山地学报 36卷 除生物结皮对降雨试验过程的影响,去除结皮前将 土槽静置2周,此时土壤表层含水量较低,结皮容易 去除,且对地表扰动较小,之后用刮刀小心铲去地表 生物结皮,并用软毛刷刷掉地表浮土。 T表2试验处理及影响入渗过程的因素ab 2 . Experiment treatment and factors influencing tgthhe nfe ii lltration 1.3试验过程 2016年9—10月,模拟降雨试验在黄土高原土 壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大 厅进行,在白羊草生长末期进行模拟降雨实验,降雨 器为侧喷式,降雨高度为16 m。设置3个降雨强 度,分别为1、1.5和2 mm/min,降雨时间为90 min。 降雨过程中记录初始产流时间,并对径流泥沙进行 全部收集,降雨前30 min每2 min收集一次,后60 arin每4 min收集一次,分别测得径流、泥沙量。 1.4近地表特征测定 降雨结束后,采用照相法测定白羊草盖度,并对 土槽中白羊草地上部分全部收割,烘干(48 h、 65 ̄C)、称重后得到白羊草地上生物量;挖取整株白 羊草根系(重复3次),采用水洗法清洗,烘干、称重 后得到白羊草根系重量密度。采用样方法(样方大 小为25×25 cm,重复5次)测定不同种类生物结皮 的盖度和高度(表1)。 1,5入渗性能指标计算 土壤入渗率为单位时间的土壤入渗量,计算公 式为: , 10 r ,,、 』 P—S—t—sO L l, co式中:,为土壤入渗率(mm/min);P为降雨强度 (mm/min); 为土槽坡度;Mr降雨时问内产生的径 流量(m1);S为土槽面积(cm );t为降雨时间 (min) 。 累积入渗量为降雨历时所对应的人渗量,其公 式为人渗率对时间的积分得: 4= (2) 式中:A为累积入渗量(mm) 14]。 稳渗率为人渗速率趋于稳定时间段的平均值 。 1.6数据处理 数据分析和图表处理分别采用Exce1.2007、 SPSS.21和Origin.9.0软件。 2结果分析 H/I、/J I/J 2.1 坡面初始产流时间分析 降雨强度是影响坡面产流和入渗的主要因素。 各处理下初始产流时间均随降雨强度的增大而减小 (表3和图1),2 mm/min降雨强度下初始产流时间 最小,分别较1和1.5 mm/min降雨强度减少了 55.58%和39.93%。不同处理问初始产流时间也 表现出很大的差异性。白羊草和生物结皮共同作用 下(T,)平均初始产流时间为141.5 S,分别是单一白 羊草种群(T )和裸地对照(T。)的1.64倍和4.87 倍,表明白羊草种群覆盖可显著延缓产流时间,且随 着近地表生物结皮的参与,延缓径流效果更加明显。 施氮水平也会显著影响初始产流时间。对于T 处 理,坡面初始产流时间随施氮量的增加而增大,其中 N 在各雨强下平均初始产流时间为71 S,分别较 N2 、N 和N】0水平减少了86.59%、80.68%和 68.93%;而对于T,处理,坡面初始产流时间则随施 氮水平的增加而减小,其中N。水平初始产流时问 为160 s,分别是N 5、N5和N 0水平的1.16、1.15和 1.23倍。这主要是由于不同施氮水平对白羊草种 群和生物结皮的影响存在差异。一方面,随着施氮 量的增加,白羊草种群盖度和地上生物量均不同程 度的增加,从而延缓产流;另一方面,过高的施氮量在 一定程度上抑制了生物结皮的生长发育,尤其是苔藓 结皮,其盖度在N 。下最低,仅占其他施氮水平的 31.03%一67.50%,从而导致其减缓产流能力下降。 望 厘 留 覆 詹 降雨强度/(mm/min) 图1 不同处理初始产流时间随降雨强度的变化 Fig.1 Initial runoff time of different treatments varies with the rainfall intensity 3}0t 氮添加条件Ffj羊草种群及近地表 物结皮埘I 壤人渗性能的影响 357 表3 不同处理坡面初始产流时间 (单位:S) ’I、at'.3 T lmfial nlnoff time of ditkrent treatments ——[卜1mm/min—o一1.5mm/min—, 一2mm/min 一 垂 銎 O.O 0 30 60 90 0 30 60 90 降雨历时/arin 图2 不同处理及降雨强度下入渗速率 随降雨历时变化过程 }’ig 2 Variations of infiltration rate with the prncess of rainfall nlnler diffelent treatn]ents ant1 rainfall intensity 2.2坡面入渗过程分析 入渗速率随降雨历时的延长总体表现为先减小 后趋于稳定的变化趋势(图2);T。处理入渗率在30 arin开始趋于稳定,而对于T 和T 处理,人渗速率 I5 rain趋于稳定,表明植被的存在使得土壤结构 更加稳定,入渗速率能较快达到稳定入渗(图3)。 随着降雨强度的增大,各处理下入渗过程有所不同。 对于T。和T.处理,入渗速率整体随雨强的增加而 增加,而对于rr1处理,1.5 mm/min雨强下土壤人渗 { 耋 嚣 图3 不同处理及降雨强度下土壤稳定入渗速率 Fig 3 Soil infihration rate under different tleatments and rainfall intensity 速率最大,其稳定入渗速率为0.38 rnm//min,分别是 l和2 mnWmin雨强的1.28倍和1.16倍。这可能 足}lJ于生物结皮对入渗的影响仔在闽值,当降雨强 度未突破闽值时,随着降雨强度的增大,更多的降雨 入渗于土壤,而当降雨强度超过该阈值时,过大雨强 的打击町能致使, 物结皮形成一层不透水层,从而 减小入渗、增加产流。 施氮水平不同导致白羊草种群和生物结皮群落 的篾异,也在很大程度上影响着入渗过程及土壤稳 定入渗性能(图4和图5)。,PH ̄g 于rr『1处理,T 和 T 处理往往较先达到稳定入渗(图4)。对于T 处 理,N 水平人渗速率高于其他氮素水平,且N 水 平下稳定人渗速率为0.44 mm/min,分别是N 、N 和Nm水平的1.16、1.22和1.29倍。这主要是由于 N 水平下白 草根重密度最大,土壤空隙相对较 高,从而增『JI】入渗。对于 处理,N。和N 水平的 人渗速率高于N 和N.。水平(图4),且N。和N 水 平下稳定人渗速率为0.38和0.43 mm/min,分别是 N 和N 。水平的1.36、1.24倍和1.56、1.42倍。这 主要和生物结皮种类的差异有关。苔藓结皮相对于 藻类结皮糙度大 ,可显著延缓产流,增加入渗。 本研究中N。和N 水平下藻类结皮盖度均不同程 度低于N 和Nm水平,从而导致入渗速率相对较 高…总体而言,由于生物结皮对土壤入渗过程的抑 制作用,导致T 处理稳定入渗速率较T,处理减少 6.35% j 吕 瓣 < 艟 图4不同处理及施氮水平下入渗速率 随降雨历时变化过程 Fig.4 Variations of infiltration rate with the proeess of raiJfall at diferent treatments and nitrogen levels 2.3土壤累积入渗量分析 与入渗速率相同,各处理下累积入渗量随着降 雨历时的延长而增大,且在降雨初期累积入渗量增 幅显著,而后随着降雨历时的延长,累积入渗量增幅 减缓(图6和图7)。随着降雨强度的增大,T。 和T 地学报 苫 昌 童 爵 嘲 籁 < 嚣 图5 不同施氨水平下各处理土壤稳定入渗速率 }、ig.5 Slable infihration ra t·· soil under different nitrogen lew-Is —f]一lram/rain—o—1.5mm/min—△一2mm/min 图6不同降雨强度下各处理的累积入渗过程 } ig.6 Cumulative infihration process for each Ire·a|nli'n| Urlt]er difft rt ̄n|rainfaIl intensities N0*N2 5+ 星 删 鲣 一< Ⅲ龋 0 3O 60 90 降雨历时/min 图7 不同施氮水平下各处理累积入渗过程 ¨g.7 ])rot’rs llf'cumulative infilllati,m al dilfk ̄rent nitrogen levels 处理累积入渗量整体增加,T ,和T.处理2 ram/rain 雨强下入渗总 鞋为44.34和50.72 mm,分别是1 arnt/rain、1.5 mm/min雨强的1.77、1.47倍和 1.59、1.20倍。对于T 处理,累积入渗岢与入渗速 率表现出相同的变化趋势,即1.5 ram/rain雨强下 土壤人渗总量最大,为40.77 lllln,分别是1 mm/min 和2 mm/min雨强的1.16倍和1.19倍。受施氮水 平差异的影响,各处理人渗总量也有所不同(图8) 与人渗速率类似,T,处理N 水平下人渗总齄最 大,为48.63 mm,分别是N。、N 和N。。水平的1.17、 1.28和1.28倍。根系的存在可以增加土壤空隙, 进而增加土壤人渗性能,N 水平下根重密度最大, 从而导致入渗总量较高。对于T 处理,N 和N 水平下入渗总量为41.94和45.15 mm,分别是N 和N,。水平的1.30、1.22倍和1.40、1.32倍 这主 要是由于N 和N, 水平下藻类结皮盖度均不 程 度低于N 和N。。水平,从而导致入渗速率卡H对较 高,人渗总量较大。总体而言,由于生物结皮对土壤 入渗过程的抑制作用,导致T 处理人渗总量较 r_ 处理减少7.49%。 图8不同降雨强度(a)及施氨水平 (b)下入渗总量 F’ig.8 Anlount of infihration under differen!rainla intensities(a)and nitrogen levels(}1) 2.4植被近地表特征对土壤入渗过程的影响 不同施氮水平可以显著影响植被覆盖和近地表 特征,进而影响土壤入渗过程。进一步分析衷明, 羊草盖度、白羊草地上生物量、苔藓结皮盖度、苔藓 结皮高度和藻结皮盖度均叮显著影响初始产流时 问。初始产流时间随白羊草盖度和地上生物 的增 加均旱现增加趋势,H可分别表示为白 草盖度干¨ 地I 生物量幂函数;初始产流时问随藻结皮盖度的 增加而呈幂函数下降,随苔鲜结皮 度和高度的增 加而旱幂函数增加(P<0.01)( 9和表4)..人渗 过程则主要与 物结皮特征密 村1关,藻结皮. 艘 和土壤稳定人渗速率、人渗总 存 蒋的 1)oseResp曲线关系(P<0.01)(图】0和 5). 1藻 结皮盖度小于45%时,_十壤稳定入渗速率、人渗总 昂随藻结皮盖度的增加尢明 变化趋势; “1藻 皮盖度大于45%时,土壤稳定入渗速率祠】入渗总;蠢 显箬下降,但随着藻结皮盖度的进·步增JJl1,1:壤稳 定入渗速率干¨人渗总量并无{ilj.并 件 结皮总 第3期 氮添加条件下白羊草种群及近地表生物结皮对土壤入渗性能的影响 359 图9 白羊草种群及生物结皮特征与初始产流时间的关系 Fig.9 Relationship between characteristics of Bothriochloa ischaemum popul ̄ion,biological soil crusts and initil runoaf time 墼 秘 一< 嚣 图10生物结皮盖度与稳定入渗速率、入渗总量的关系 Fig.10 Relationship between biological crust coverage and stability infiltration rate and totl infailtration 则与土壤稳定人渗速率、入渗总量存在显著的幂函 数下降关系(P<0.O1),随着结皮总盖度的增加,土 3 讨论 壤稳定入渗速率、人渗总量减小。 表4 白羊草种群及生物结皮特征与初始 产流时间的函数关系 Tab.4 Initil runofaf time as a function of characteristics 植被覆盖可有效拦蓄降雨、延缓产流时间、削减 雨滴动能、抑制物理结皮的形成,从而影响坡面入渗 过程。植物根系则可改良土壤结构,增强土壤入渗 of Bothriochloa ischaemum and biological soil crusts 能力。本研究中,由于白羊草种群的存在,其初始产 流时间、入渗速率和入渗总量均较裸地显著增加。 此外,氮添加可改变白羊草地上和地下生物量的分 配模式,施氮水平差异可显著影响白羊草种群特 征_3 3' 。随着施氮量的增加,白羊草种群盖度和地 上生物量显著增加,导致初始产流时间延长,且初始 产流时间与盖度和生物量之间存在显著幂函数关系 (P<0.01)。初始产流时间与白羊草根系重量密度 山地学报 36卷 表5 生物结皮特征与稳定入渗速率、入渗总量的函数关系 Tab.5 Stbiality infiltration rate and total infiltration as a function of biological soil crusts characteristics 无显著关系,这也在一定程度表明植被地上特征是 影响产流过程的主要因素。稳定入渗速率、入渗总 量与白羊草种群盖度、地上生物量和根重密度无显 著关系,但稳定人渗速率、入渗总量在N 施氮水平 下最大,而在该施氮水平下,白羊草根重密度也最 大。李盼盼等 研究结果也表明,N 施氮水平下 白羊草根重密度最大,随着施氮量的增加,植物根系 的养分吸收能力逐渐过剩,根系只需要较小的吸收 面积,就可以满足自身生长需求,根系生物量降低, 入渗能力减小。 生物结皮是一种较致密的生物膜,其遇水后能 够在地表形成一层疏水性膜,填充土壤孔隙结构,阻 碍土壤水分入渗 。受结皮种类的差异,其对土壤 产流和人渗过程影响也不尽相同。苔藓结皮表面糙 度较大,显著延缓产流时问,随着苔藓结皮盖度和高 度的增加,初始产流时间显著增大。而藻结皮表面 糙度较低,可促进产流过程,随着藻结皮盖度的增 加,初始产流时间显著减小。生物结皮群落是一种 比较脆弱和敏感的生态系统组分 ,其组成及特征 对氮沉降有着积极的响应。随着施氮量的增加,藻 结皮盖度显著提高,而苔藓结皮盖度和高度则显著 下降(表1),导致初始产流时间随施氮水平增加显 著降低。此外,相对于单一白羊草种群,生物结皮和 白羊草共同作用下土壤稳定人渗速率和人渗总量有 所降低,表明生物结皮的存在可抑制土壤人渗过程。 如上所述,较大糙度的苔藓结皮可以增大地表糙度、 延迟产流,但由于其同藻结皮均具有遇水膨胀的特 性,会形成不透水层,从而抑制土壤入渗 ¨,总体表 现为随生物结皮总盖度的增加,土壤稳定入渗速率 和入渗总量显著减小(图l0)。藻结皮盖度对土壤 稳定人渗速率及人渗总量的影响存在阈值(45%), 而苔藓结皮盖度和高度与土壤稳定入渗速率及入渗 总量无显著关系,这也一定程度上表明生物结皮对 土壤人渗的影响很大程度上取决藻结皮盖度。 总体而言,植被的存在表现为增加降雨入渗,生 物结皮则相反。本研究中白羊草种群作用处理人渗 总量较裸地增加25.56%,而白羊草和生物结皮共 同作用处理人渗总量则较单一白羊草种群作用处理 减少7.49%。随着降雨强度的增加,生物结皮的抑 制作用增强(图3)。在降雨强度为1和1.5 mm/ min时,白羊草种群和生物结皮群落共同作用处理 的稳定入渗速率均略低于白羊草种群单独处理,而 在降雨强度为2 mm/min时,则低于32.65%。施氮 量的不同影响植被下生物结皮的盖度和组成,进而 影响降雨入渗过程。在低施氮水平(N。和N )时 生物结皮抑制作用较高施氮水平(N 和N )作用 较小,并在N 水平下抑制作用最大(图5)。施氮不 仅促进需氮植物地上部分生长,也会改变地下根系 特征,诸如根长密度、根重密度和根表面积等。其中 根长密度具有较好改良土壤的功能,与土壤人渗性 能密切相关,而根表比面积、根重密度与根长密度显 著相关,也是影响土壤人渗性能的主要参数 。本 研究中单一白羊草种群作用下,人渗总量、稳定入渗 速率与根重密度无显著相关,这可能是由于量化根 系特征不足,因此,根长、根表面积和根体积等根系 形态特征对人渗影响的研究仍需进一步完善。此 外,本研究中稳定入渗速率和入渗总量与生物结皮 总盖度显著相关(P<0.01),但野外生物结皮种类 繁多,未对生物结皮种类及其组成比例对降雨入渗 影响研究。 4结论 氮沉降可显著影响植被群落结构和近地表特 征,诸如盖度、生物量等,进而对降雨人渗过程产生 影响。本文系统研究氮沉降背景下白羊草群落及生 物结皮特征改变对土壤人渗过程的影响,取得r以 下主要结论: (1)随着雨强的增加,初始产流时间呈减小趋 势;白羊草种群覆盖可显著延缓产流时间,且随着施 氮量的增加,初始产流时问增大。生物结皮也可显 著延缓产流时间,但随着施氮量的增加,初始产流时 第3期 氮添加条件下自羊草种群及近地表生物结皮对土壤入渗性能的影响 361 间减小。 (2)白羊草种群可显著增大稳定入渗速率和入 渗总量,而生物结皮则在一定程度上促进了产流,降 低了土壤人渗能力。对不同施氮水平,白羊草种群 和生物结皮群落均在低施氮水平下(N。和N:. )表 现出较高的稳定入渗速率和人渗总量。 (3)初始产流时间随白羊草盖度、地上生物量、 苔藓结皮盖度、高度的增加均呈幂函数增加,随藻结 皮盖度的增加而呈幂函数下降;稳定人渗速率和人 渗总量随结皮总盖度增加而呈幂函数降低,与藻结 皮盖度存在显著的DoseResp曲线关系,且藻结皮盖 度在>45%和<45%差异显著。 参考文献(References) 【1]BOBBINK R,HICKS K,GALLOWAY J,et at.Global assessment of nitrogen deposition effects on terrestrial plant diversity:a synthesis[J].Eeologicta Applications,2010,2O(1):30—59 [2]陈伏生,曾德慧,何兴元.森林土壤氮素的转化与循环[J].生 态学杂志,2004,23(5):126—133[CHEN Fusheng,ZENG Dehui,HE Xingyuan.Soil nitrogen transformation and cycling in forest ecosystem[J].Chinese Journal of Ecology,2004,23(5): 126—133] [3]LEBAUER DS,TRESEDER KK.Nitrogen limitation of net primary productivity in terrestiral ecosystems is globally distirbuted[J]. 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Keng coverage, Bothriochloa ischcemum (Linn.)Ke, aboveground bi0mass,moss coverage and moss height,while decreased as a power function(尸<0.01)with the increase 0f the algal crust coverage.The stability of infihration and amount of infiltration were decreased as a power functi0n with the increase of total biological soil crusts coverage,and there was a signiifcant DoseResp curve relationship between stability of infiltration rate,infiltration amount and algal crust coverage.This study provided the basic data and theoretical foundation for the grassland eco—hydrological processes and vegetation construction in the Loess P1ateau Key words:Loess Plateau;Bothriochloa ischaemum(Linn.)Keng.population;nitrogen deposition;biological soil crust;rainfall infiltration 

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