0 引 言

人类活动显著加剧了陆地生态系统的大气氮沉降速率。据报道，1984—2016 年，全球无机氮沉降量从86.6 Tg/a（以N 计，下同）增加到93.6 Tg/a，目前，大气氮沉降已成为全球变化研究最为关注的问题之一[1]。全球草地面积接近 2.4×107km2，约占陆地总面积的 1/6[2]。氮素是植物生长过程中的必需和限制元素，草地植被群落的结构组成和植物生理特征必然会对大气氮沉降产生显著响应。研究发现，长期缓慢施氮能够筛选出适应高氮水平的草本物种，且草本地上部分对氮素的输入比土壤更为敏感[3-4]。生物土壤结皮是草地群落重要的组成部分，可直接从大气中捕获可利用的氮素，因此生物结皮比高等植物对氮素的响应更敏感[5-6]。与此同时，草地生态系统也具有良好的防治水土流失功能，能显著控制坡面产流产沙[7]。因此，氮沉降势必会通过改变草地生态系统，进而影响土壤侵蚀过程。

然而，目前大量研究主要集中在氮沉降对草地群落特征的影响以及草地对土壤侵蚀的调控方面，有关氮沉降如何通过影响植物群落特征进而影响水土流失过程的研究较少。而且，由于植被对产流产沙过程调控的复杂性，关于草地植被影响土壤侵蚀的研究多集中在减沙方面，而对于草地群落坡面流水动力学特性的关注相对较少，试验手段多为坡面流冲刷，而忽视了雨滴对径流的扰动影响[7-9]。坡面流是一种易受土壤类型、下垫面条件、降雨等因素影响的流动边界复杂的浅层水流，它显著影响着坡面侵蚀过程的变化[10-11]。近年来，相关学者多选取坡面流流速、径流深、阻力系数、径流剪切力等水力要素，反映植被类型、覆盖度等对水动力学特征的影响。多数研究认为，草地增加了坡面流阻力和入渗率，降低了流速和径流剪切力，起到了显著的减蚀作用[12-14]。然而，随着季节的变化，草地植被群落的组成结构及植物生理特征会发生显著改变，这必然对坡面流特征产生显著影响。而这种季节变化会对不断增加的大气氮沉降产生怎样的复杂响应，尚需进一步探究。

黄土高原地区是中国乃至全世界土壤侵蚀最严重的地区之一，2018 年黄土高原地区水土流失面积为 21.37万 km2，占区域总面积的 37.19%。草地作为该地区重要的生态系统类型，面积达 2.32×107hm2，占总面积的33%[15]，其中，白羊草群落是黄土高原森林草原区的地带性植被群落。此外，该区土壤有效氮含量较低，氮素是该地区植物生长的重要限制元素。据估算，2019 年该地区氮沉降量有望达到2.3～3.5 g/(m2·a)[16]。因此，在大气氮沉降加剧背景下，探究草地植被群落的季节变化及其对坡面流特性的影响，对深入了解坡面侵蚀过程具有重要意义。鉴于此，本文以黄土高原地区的典型地带性植被白羊草群落为研究对象，通过不同梯度的氮添加模拟氮沉降，研究土壤有效氮升高对白羊草群落及坡面流特征的影响，在理论上阐明氮沉降对草地生态系统坡面流特性的间接影响，为黄土丘陵区草地植被建设和水土流失治理提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验土柱及白羊草种植

本 试 验 位 于 陕 西 省 杨 凌 （ 108°04′27.95″E ，34°16′56.24″ N）中国科学院水土保持研究所。试验所用土槽长×宽×高分别为2.0 m×1.0 m×0.5m，坡度为15°。供试土壤取自安塞坡地表层（0～20 cm）的黄绵土（黏粒、粉粒和砂粒质量分数分别为12.92%，63.99%和23.09%）。对每个试验土槽进行填土前，先将供试土壤过 2 mm 孔筛，去除草根和砾石。在土槽底部铺5 cm 厚的细砂，以保证土壤水分均匀下渗，同时盖一层纱布隔开土和砂。土壤填装分4 次完成，每次填土时的容重控制在1.2 g/cm3左右，铺平、压实。每次填装之前，将表土轻轻打碎，消除土壤之间的分层现象，填土总厚度为40 cm。

供试土槽填土结束后，于2012 年4 月中旬种植白羊草，草种采自陕西省安塞县。种植前，先按照土槽尺寸将地表划分为50 个正方形格子（20 cm×20 cm）；种植时，在每个格子的中心位置，挖取0.2～0.3 cm 深度的种穴，埋下白羊草种子；种植后，将土槽地表覆盖草席并定期洒水，为白羊草种子提供适宜发芽的温湿环境。待植株长势稳定后，采用间苗方法，控制其密度，保证每个土槽约50 株白羊草。

1.2 模拟氮沉降

根据全球及中国大气氮沉降速率研究现状，本研究模拟氮沉降所用氮源为 NH4NO3，共设置 N0、N2.5、N5和N104 个施氮处理，对应施氮量分别为0、2.5、5 和10 g/(m2·a)，每个施氮处理设置2 个重复，共计8 个试验土槽[1,16-17]。施氮年限为2012—2016 年（共5 a），具体施氮日期为每年6—9 月（4 个月）中每月的15 日和30日；如遇阴雨天气，则对施氮时间进行适当调整。具体施氮时，选择晴朗天气的傍晚，将 NH4NO3粉末按照预设处理称质量，将其溶于一定量的清水中，然后用喷壶均匀洒在白羊草地表（尽量避开白羊草枝叶），不施氮处理喷洒等量清水。