侍世玲， 任曉萌， 張曉偉， 蒙仲舉， 王 濤

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古氣象科學研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.烏審旗毛烏素沙地生態(tài)發(fā)展有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

土壤在生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中起重要的驅動作用［1］，土壤養(yǎng)分元素以能量流動和生態(tài)循環(huán)為橋梁將土壤與植被形成持續(xù)生存和穩(wěn)定發(fā)展的統(tǒng)一整體［2］。生態(tài)化學計量是以生態(tài)系統(tǒng)中能量平衡、元素平衡與生態(tài)系統(tǒng)相互作用影響為研究核心的一種理論架構［3］，側重以C、N、P 等元素含量及比值為主的化學計量，被廣泛應用于種群動態(tài)、植物生長狀況、土壤質量評價、限制元素指標及生態(tài)系統(tǒng)平衡與穩(wěn)定等研究領域［4］。土壤中的C、N、P等營養(yǎng)元素的吸收是植物為維持自身正常生理活動而獲取能量的主要途徑，是保障生態(tài)系統(tǒng)平衡和發(fā)展的重要因子，是當前生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的研究熱點之一［5］。人工營造防風固沙林是干旱荒漠區(qū)生態(tài)恢復的主要手段，也是我國荒漠化防治應用最廣泛的措施之一。但自防護林工程實施以來，人工林地力衰退、養(yǎng)分循環(huán)利用率低、植被退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題不斷出現(xiàn)［6］，其對土壤養(yǎng)分的影響逐漸受到國內(nèi)外學者的關注［7］。

沙棗（Elaeagnus angustifolia）是我國的優(yōu)良水土保持樹種之一，屬胡頹子科（Elaeagnaceae）的亞喬木。沙棗凈光合速率較大，對干旱環(huán)境具有較好的適應性，可以有效降低風速、抵抗風沙，在沙化地、擱荒地以及鹽堿地等退化土地的改良具有廣泛應用［8］。武海雯等［9］的研究表明沙棗對貧瘠環(huán)境有極強的適應能力，耐鹽堿的同時能夠提高土壤N含量，具有突出的培肥效果；陳孔飛等［10］對不同鹽漬化程度沙棗防護林土壤研究發(fā)現(xiàn)，隨鹽漬化水平變化，土壤養(yǎng)分狀況差異顯著；盧興霞等［11］對鹽堿地沙棗林土壤化學特性的分析結果表明，隨沙棗林生長期不同鹽堿地土壤養(yǎng)分變化顯著。綜上所述，目前對于沙棗防護林對土壤養(yǎng)分影響的研究主要集中于鹽堿地的改良［12-14］，而對于其改良風沙土效果方面的研究相對欠缺。

基于此，本文通過對庫布齊沙漠東北緣不同林齡沙棗防護林土壤養(yǎng)分狀況進行綜合分析，旨在揭示不同營建年限沙棗防護林土壤養(yǎng)分分布及其土壤化學計量特征，以期為庫布齊沙漠東北緣荒漠人工防護林的可持續(xù)利用提供科學理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

庫布齊沙漠東北緣位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯杭錦旗境內(nèi)，地理位置為37°20′～39°50′N，107°10′～111°45′E（圖1）。研究區(qū)為中溫帶大陸性季風氣候，降雨強度小，年均降雨量約260 mm，7—8月為降水高發(fā)期。晝夜溫差大，年均氣溫5～8 ℃。3—5 月為沙塵暴天氣頻發(fā)期，平均風速為3.2 m·s-1。研究區(qū)以固定、半固定沙地、流沙地等地形為主，植被種類繁多，主要草本植物有沙蒿（Artemisia desertorum）、沙竹（Psammochloa villosa）和披堿草（Elymus dahuricus），喬灌木樹種有沙棗、小葉錦雞兒（Caragana microphylla）和樟子松（Pinus sylvestris）。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Study area location diagram

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調查 于2020年8月初在庫布齊沙漠東北緣，選擇不同營建年限（2005年、2011年、2017年）的沙棗防護林為樣地，分別調查樣地內(nèi)沙棗防護林的株高、冠幅、株行距等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并計算不同林齡沙棗林的平均株高、平均冠幅，以計算結果為參照選擇一塊有代表性的30 m×30 m 的標準樣地，實驗共選取3 a、9 a、15 a樹齡3塊標準樣地，選取裸沙地作為對照（CK）。研究樣地基本情況如表1所示。

表1 研究樣地基本特征Tab.1 Basic characteristics of the study plots

1.2.2 土樣采集與測定

（1）土樣采集

于2020 年8 月中旬進行土壤樣品采集，在選擇的標準樣地內(nèi)按“品”字狀隨機布置3 個土壤取樣點，每個樣點挖取0～50 cm深土壤垂直剖面，以間距10 cm（共5 層）一層用環(huán)刀采集樣品。土壤樣品經(jīng)實驗室置于通風處干燥，刨去植物根系殘留、碎石后分別過10 目（2 mm 孔徑）、100 目（0.15 mm 孔徑）土壤篩，備用于土壤速效及全效養(yǎng)分的測定。

（2）土壤養(yǎng)分測定

全氮（TN）采用凱氏定氮法測定；全磷（TP）采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀（TK）采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定；堿解氮（AN）采用堿解擴散法測定；速效磷（AP）采用重鉻酸鉀加熱法測定；速效鉀（AK）采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定［15］；有機質（SOM）采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

利用Excel 2019 篩選、整理試驗數(shù)據(jù)并進行相應計算，后經(jīng)SPSS 23加以分析，通過單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同林齡沙棗林地土壤養(yǎng)分元素以及土壤化學計量比差異性。

2 結果與分析

2.1 不同林齡沙棗防護林土壤pH分布特征

由圖2可知，不同林齡沙棗防護林土壤pH值在7.90～8.97 之間波動，土壤偏堿性。0～40 cm 各土層土壤pH 隨林齡增加總體呈上升趨勢，且各林齡土壤pH 存在顯著差異（P＜0.05）；在40～50 cm 土層，當營建年限為9 a、15 a時，沙棗林地土壤pH顯著高于3 a和裸沙地（CK）。營建年限為3 a時的土壤pH在20～30 cm 土層顯著高于其他土層，15 a 林齡20～50 cm 各土層土壤pH 顯著高于表層（0～10 cm）土壤（P＜0.05）。

圖2 不同林齡沙棗防護林土壤pH的變化Fig.2 Changes of soil pH in Elaeagnus angustifolia shelterbelts of different ages

2.2 不同林齡沙棗防護林土壤養(yǎng)分分布特征

2.2.1 土壤全氮（TN）和堿解氮（AN） 由圖3可知，不同林齡沙棗防護林土壤TN 含量隨著林齡增大整體呈上升趨勢，沿土壤剖面自上而下呈現(xiàn)垂直遞減的變化特征。營建年限為15 a 各土層TN 含量遠高于3 a、9 a 和裸沙地（CK），且各林齡間差異顯著（P＜0.05）。其中，0～10 cm 土層隨林齡增加波動幅度較大，林齡為9 a、15 a 比裸沙地（CK）分別增加62.4%、744.3%（P＜0.05）。相比于TN，各林齡土壤AN 含量變化較穩(wěn)定，沿土壤剖面下降趨勢尤為明顯，且各林齡0～10 cm土層與30～40 cm、40～50 cm土層差異顯著。沙棗防護林地土壤AN含量顯著高于對照（CK）（P＜0.05），且林齡為3 a、9 a 和15 a 在0～10 cm、10～20 cm土層內(nèi)AN含量與對照而言增幅明顯，3 a較對照分別增加274.4%、77.8%，9 a林齡較對照分別增加292.0%、144.4%；相較于對照，林齡為15 a在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土層內(nèi)AN 含量各土層分別增加291.7%、222.2%、220.7%、110.1%，綜上可知，隨林齡增大，各土層AN含量總體呈上升的趨勢。

圖3 不同林齡沙棗防護林土壤全氮和堿解氮的變化Fig.3 Changes of soil total nitrogen and alkali-hydrolyzable nitrogen in E.angustifolia shelterbelts of different ages

2.2.2 土壤全磷（TP）和速效磷（AP） 由圖4 可知，隨著林齡增大，各土層TP 含量總體呈上升趨勢，9 a、15 a 林齡沙棗防護林在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土層TP含量顯著高于3 a和裸沙地（CK）（P＜0.05）。各林齡沙棗林地TP 含量沿土壤垂直剖面自上而下呈遞減趨勢。土壤AP含量隨林齡和土層的分布規(guī)律與TP 類似，在0～10 cm 土層，各林齡與裸沙地（CK）相比AP 含量變化幅度較小，且不同林齡間無顯著性差異（P＞0.05）。不同林齡AP 含量在10～30 cm各土層內(nèi)均表現(xiàn)為15 a＞9 a＞3 a（P＜0.05）。隨土層深度增加，不同林齡沙棗防護林土壤AP含量降低趨勢較明顯，表層土壤（0～10 cm）顯著高于其他土層。

圖4 不同林齡沙棗防護林土壤全磷和速效磷的變化Fig.4 Changes of soil total phosphorus and available phosphorus in E.angustifolia shelterbelts of different ages

2.2.3 土壤全鉀（TK）和速效鉀（AK） 通過圖5 可知，總體上隨著林齡增大，各土層TK 含量大幅上升，且沿土壤垂直剖面TK 含量自上而下呈遞減趨勢。15 a 林齡各土層TK 含量顯著高于3 a、9 a及對照，且相對于對照，15 a 林齡0～50 cm 各層TK 含量分別增加78.3%、69.3%、60.3%、76.9%和61.4%（P＜0.05）。防護林營建年限為9 a、15 a 時，0～10 cm 土層與其他土層間TK 含量差異顯著（P＜0.05）。AK含量隨林齡和土層的波動規(guī)律與TK 相仿，其中，9 a、15 a林齡各土層AK含量顯著高于對照，且相同土層各林齡沙棗林地AK含量差異顯著（P＜0.05）。

圖5 不同林齡沙棗防護林土壤全鉀和速效鉀的變化Fig.5 Changes of soil total potassium and available potassium in E.angustifolia shelterbelts of different ages

2.2.4 土壤有機質（SOM）含量 由圖6可知，防護林營建年限為9 a、15 a時，0～10 cm土壤SOM含量顯著高于3 a、裸沙地（CK），且與其他土層間差異顯著（P＜0.05）。其中，9 a、15 a 林齡在0～10 cm 較裸沙地（CK）分別增加78.1%、491.1%。3 a 林齡在30～40 cm、40～50 cm 土層顯著高于對照，且分別較對照增加37.69%、71.98%。

圖6 不同林齡沙棗防護林土壤有機質的變化Fig.6 Changes of soil organic matter in E.angustifolia shelterbelts of different ages

2.3 不同林齡沙棗防護林土壤化學計量特征

2.3.1 土壤C:N 通過圖7可知，不同林齡沙棗防護林0～50 cm土層C:N均值為9.25～18.99，相同土層各林齡沙棗林地土壤C:N 有顯著性差異（P＜0.05）。各土層C:N 隨林齡遞增呈大幅下降的趨勢，營建年限為3 a 沙棗林地各土層C:N 顯著大于9 a 和15 a（P＜0.05），且在40～50 cm 土層內(nèi)C:N 較9 a、15 a 分別增加47.6%和131.0%。各林齡C:N隨土層深度的增加總體呈上升的變化趨勢。

圖7 不同林齡沙棗防護林土壤C:N變化Fig.7 Changes of soil C:N in E.angustifolia shelterbelts of different ages

2.3.2 土壤C:P 由圖8可知，不同林齡沙棗防護林0～50 cm 土層C:P 均值為4.78～5.96，0～10 cm 土層C:P 隨林齡增大呈上升趨勢，15 a 林齡較3 a、9 a 沙棗防護林土壤C:P 分別增加194.0%和123.3%。隨著林齡增大，10～50 cm 各土層C:P 逐漸減小。營建年限為3 a 沙棗林地30～40 cm 土層C:P 顯著高于0～10 cm 土層（P＜0.05），林齡為15 a 土壤C:P 沿土壤垂直剖面呈遞減的變化特征。

圖8 不同林齡沙棗防護林土壤C:P變化Fig.8 Changes of soil C:P in E.angustifolia shelterbelts of different ages

2.3.3 土壤N:P 由圖9可知，不同林齡沙棗防護林0～50 cm 土層N:P 均值為0.31～0.63，0～20 cm 各土層N:P 隨林齡增大其比值大幅上升，且不同林齡之間N:P 有顯著差異（P＜0.05）；20～50 cm 各土層N:P 隨林齡變化有小幅度波動，呈現(xiàn)出先減后增的分布趨勢，表明林齡對表層土壤N:P 影響較大（P＜0.05）。營建年限為9 a、15 a 隨土層深度逐漸增加而大幅減小。

圖9 不同林齡沙棗防護林土壤N:P變化Fig.9 Changes of soil N:P in E.angustifolia shelterbelts of different ages

3 討論

3.1 不同林齡對沙棗防護林土壤pH及養(yǎng)分的影響

沙棗作為中國北方的水土保持優(yōu)良樹種之一，對環(huán)境的耐受能力極強，其生長條件幾乎不受堿性土壤限制［9］。本研究中，各林齡沙棗防護林土壤pH值在7.90～8.97，土壤pH 隨林齡增大總體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，可能是由于沙棗生長旺盛期需水量增大，引起土壤鹽離子積累所致［9,11］。

土壤養(yǎng)分是植被建設、發(fā)展、演替過程積累的結果［16］，在微生物參與下，經(jīng)腐殖化作用、礦化作用將枯枝落葉、動物殘體等分解成有機物、速效養(yǎng)分等［17］。在庫布齊沙漠東北緣建設沙棗防護林后，土壤TN、TP、TK、AN、AP、AK、SOM 含量都顯著增加，且同一土層不同林齡間土壤養(yǎng)分含量存在顯著性差異。其中，各層土壤AN、AP、AK、TP、TK 含量隨林齡增加大幅提升，林齡為15 a與裸沙地相比變化最為顯著。庫布齊沙漠東邊緣水分條件較中西部優(yōu)越，其主要以防止流沙南侵、北擴和東移為治理目標，本研究在庫布齊沙漠東北緣建設沙棗防護林后，一方面隨樹齡增長、沙棗冠幅對風沙攔截作用加強，地表經(jīng)枯落物覆蓋，降低近地表風速，減輕地表風蝕，且植被殘體具有涵養(yǎng)水源的作用，從而補充土壤水分的同時能夠有效固定流沙；另一方面，幼齡沙棗防護林（林齡為3 a），形態(tài)較小，養(yǎng)分需求量大，土壤中養(yǎng)分含量較低；但隨樹齡增大，攔截殘落物作用加強，林下草本植物逐漸恢復，枯落物歸還量大，生物小循環(huán)作用逐漸加強，促進了枯落物的轉化、分解，為土壤養(yǎng)分積累創(chuàng)造了有利的環(huán)境條件，張珂等［18］的研究結論也與此結果相吻合。各林齡土壤養(yǎng)分隨土層加深總體上呈減少趨勢，表層土壤（0～10 cm）養(yǎng)分含量顯著高于40～50 cm土層，表現(xiàn)出明顯的表聚現(xiàn)象，這與張珂等［18］、董生健等［19］研究結果相似。其中，隨林齡增大，TN、SOM 含量在0～10 cm 土層內(nèi)出現(xiàn)大幅度波動，但在10～50 cm 各土層內(nèi)明顯減緩。在荒漠干旱區(qū)，土壤養(yǎng)分積累受降雨量、土壤質地、地形、植被類型等因素的影響［20］，沙棗林的建設，改變了局部生態(tài)環(huán)境，隨林齡增加，林下表層枯落物富集，土壤微生物作用強烈，為有機質形成創(chuàng)造有利條件［21］，但微生物呼吸速率隨深度降低，腐殖化作用僅局限于表層，而對深層土壤影響作用較?。?2］。土壤C、N 主要來源于有機質分解，而鉀素的表聚性可能與土壤蒸發(fā)、根系結構等因素有關［23］。

3.2 不同林齡對沙棗防護林土壤化學計量特征的影響

土壤C:N、C:P、N:P作為判定土壤質量狀況的指標，在一定水平上可體現(xiàn)出土壤有機質分解速率和土壤氮素礦化速率，從而影響防護林的生長［24］。本研究中沙棗防護林土壤C:N 均值（9.25～18.99）高于全國土壤平均水平（12.30）［25］，林齡為3 a 沙棗防護林各土層C:N 顯著高于9 a、15 a，這表明3 a 沙棗防護林土壤氮素缺乏，微生物生理活動受限，有機質轉化過程變緩，氮素礦化能力不足，不利于植物吸收養(yǎng)分［26］。該結論與楊霞等［27］研究結果有所差異，推測是氣候、土壤類型、植被等多方面要素綜合作用的結果。土壤C:P可以作為判斷土壤微生物吸附或釋放P元素的指標，其土壤C:P比值越小，越益于微生物釋放土壤中的P［28］。本研究土壤C:P（4.78～5.96）遠小于全國平均水平（52.64）［25］，3 a 林齡在10～50 cm各土層C:P顯著高于9 a、15 a，表明隨林齡增加，研究區(qū)土壤微生物釋放土壤中P 素的能力較強，有利于土壤有效P的提高。相比于P元素，研究區(qū)沙棗林主要受C元素的限制［29］。土壤N:P作為判斷植被養(yǎng)分元素限制的指標［30］，當N:P＜10 時受N限制，N:P＞20 時受P 限制［31］。研究區(qū)沙棗林土壤N:P均值為0.31～0.63，結合較低的TN含量和N:P，表明研究區(qū)土壤N的限制作用遠大于P，因為土壤P一方面來源于有機物質的分解，另一方面還可通過母巖分化得以補充［4］。綜上分析表明，庫布齊沙漠東北緣沙棗防護林生長主要受C、N 元素限制。營建年限為9 a、15 a 沙棗林地土壤C:P、N:P 沿土壤剖面呈現(xiàn)垂直遞減的趨勢，由此可反映出土壤TP、TN、SOM 隨土層深度變化呈現(xiàn)相似的變化特征［32］。據(jù)此，在一定程度上揭示出沙棗防護林能夠有效促進風沙土土壤肥力恢復，后期對沙棗防護林撫育管理中，采用人工更新復壯技術的同時，應適當施加氮肥，補充土壤N元素。

4 結論

本研究選取庫布齊沙漠東北緣3 個不同林齡（3 a、9 a、15 a）沙棗防護林的土壤養(yǎng)分以及土壤化學計量特征進行分析，主要得出以下結論：

（1）不同林齡沙棗防護林土壤pH 值為7.90～8.97，土壤偏堿性，林齡對各層土壤pH 的影響作用較小。

（2）不同林齡沙棗防護林土壤養(yǎng)分隨林齡增大呈上升趨勢，隨土層深度逐層遞減。其中，林齡對土壤AK、TP、TK 的影響相對于其他養(yǎng)分指標顯著，各林齡土壤SOM和TN主要集中在0～10 cm土層。隨著沙棗防護林營建年限的延長，土壤環(huán)境顯著改善。

（3）林齡和土層深度對土壤C:N、C:P、N:P 影響作用較明顯，土壤C:N 主要受N 影響，土壤C:P、N:P主要受C、N 影響。綜上分析表明，C、N 元素是庫布齊東北緣沙棗防護林生長的主要限制因子，N 素缺乏是影響沙棗防護林養(yǎng)分循環(huán)的關鍵因素，建議在進行沙棗林地管理時適當補充氮素含量，提高土壤肥力，為沙棗防護林的生長提供有利的土壤條件。