氮添加条件下高寒草甸土壤水分动态与补给模式特征

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Characteristics of soil moisture dynamics and recharge pattern in alpine meadows under nitrogen addition conditions

　　

研究区域：青藏高原东北部高寒草甸（沙柳河流域），一个受多年冻土影响的寒冷地区，对氮沉降和气候变化敏感。

研究重点：氮添加能够改变土壤结构和水文过程，但其对高寒草甸土壤水分动态和来源分配的影响仍不清楚。开展了一项为期两年（2023–2024）的田间试验，设置4个氮水平（0、5、10、15 g m^?2 yr^?1）。利用稳定同位素（δ²H、δ¹⁸O）、线条件过量（lc-excess）和端元混合分析（EMMA）追踪不同氮输入下土壤水来源、入渗路径和来源贡献。

区域新的水文认识：氮添加显著改变入渗模式，从对照条件下的优先流入渗转变为N5处理下的活塞流主导（5月和7–9月）以及N10–N15处理下的持续活塞流（6–9月）。(2) 降水贡献了土壤水的34%–46%，地下冰和多年冻土上覆水各贡献26%–33%，并呈现从降水主导（5–7月）向冻土水源补给增加（8–9月）的季节转换。(3) 较高氮输入增强了生长季后期多年冻土上覆水的贡献，并改变了蒸散发分配。(4) 中等氮输入（5 g m^?2 yr^?1）最有效地维持了活塞流主导的入渗、增强深层渗漏并稳定土壤水相互作用，而过量氮输入降低了水分利用效率并改变了水源贡献。

氮添加条件下高寒草甸土壤水分动态与补给模式研究解读

1 研究背景与科学问题

青藏高原升温速率高于全球平均，高寒草甸退化严重，优势植被由莎草科和禾本科向杂草转变，土壤有机碳、氮、磷含量下降。沙柳河流域位于季风区、西北干旱区和高原寒区过渡带，增温湿润化改变了多年冻土热力与水文过程。土壤水分是降水、地下水、冻土水和植物用水联系的纽带，但氮添加对高寒草甸土壤水分入渗模式和来源分配的影响仍不明确。已有氮添加试验多关注植被生产力与碳通量，同位素水文研究多在自然条件下进行，二者缺乏耦合。仍存在三个关键空白：氮添加是否改变活塞流（piston flow）与优先流（preferential flow）入渗路径；降水、地下冰（underground ice）和多年冻土上覆水（supra-permafrost water）对土壤水的相对贡献是否受氮调控；氮添加引起的水分分配变化对恢复策略有何意义。该研究发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》，通过控制氮添加结合稳定同位素示踪和端元混合分析（EMMA）回答这些问题。

2 研究方法概述

研究地点位于青海省刚察县祁连山稳定同位素示踪观测研究站，海拔约3900 m，多年冻土埋深约1–1.5 m。2023–2024年开展4个氮水平（0、5、10、15 g N m^?2 yr^?1）田间试验，每处理3重复，共12个2 m×2 m样方，以NH₄NO₃在生长季分两次施入。每月采集0–10 cm和10–20 cm土壤样品共160个，并收集降水样品51个、地下冰样品34个。用低温真空抽提系统提取土壤水，用同位素分析仪测定δ²H和δ¹⁸O；用普通最小二乘回归、lc-excess、Craig-Gordon模型和EMMA分析入渗方式、蒸发损失及水源贡献。

3 研究结果

3.1 稳定同位素特征

通过逐月土壤水稳定同位素测定发现，δ²H变化范围为?117.66‰至?15.02‰，δ¹⁸O为?16.09‰至?2.80‰，d-excess为?5.68‰至21.30‰。生长季内呈5–6月富集、7–8月贫化、9月再富集的季节模式，6月δ²H和δ¹⁸O最高（?27.89‰和?4.71‰），7月d-excess最高（16.96‰），反映降水补给、蒸发和土壤水混合的综合影响。

3.2 土壤水线

土壤水线（SWL）分析显示，土壤水点位于当地大气水线（LMWL）右下方，斜率总体低于LMWL。8月0–10 cm层SWL斜率（7.72）高于10–20 cm层（5.54），表明浅层土壤水与近期降水更接近、蒸发较弱；9月浅层斜率显著降低，指示蒸发增强。

3.3 氮添加对土壤水入渗的影响（lc-excess）

lc-excess值7月最高且最接近LMWL，8月明显偏负。垂直层间lc-excess变化在对照下相干性较弱，在N10和N15下生长季中后期出现显著层间差异；但整体上氮添加提高了两层lc-excess信号的垂直一致性，使活塞流成为主导入渗方式，尤其在N5处理下最明显，而5月偶发的层间解耦表明优先流仍可共存。

3.4 土壤蒸发损失

所有处理蒸发损失7月最低（21.5%），8月最高（51.25%）。N5在5、7、8月蒸发损失较高，N15在多数月份降低蒸发，N10介于其间，说明氮添加通过