不同鋪設(shè)年限沙柳沙障土壤養(yǎng)分的變化

趙 晨，高 永*，黨曉宏，2，王瑞東，楊曉杰，王 浩

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古杭錦旗荒漠生態(tài)定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400）

植物沙障是荒漠化防治過程中的關(guān)鍵措施[1]，在沙漠環(huán)境中，原有地表土壤物質(zhì)松散，通過利用植物莖或枝條制成的沙障，來增加地表粗糙度，進而改變近地表的風沙流結(jié)構(gòu)，從而達到防風固沙的目的。從20世紀50年代至今，治沙人在荒漠化防治中逐步積累經(jīng)驗，發(fā)明出多種防沙治沙技術(shù)，其中利用植物沙障來治理荒漠化技術(shù)逐漸發(fā)展成熟[2-4]。沙柳（Salix psammophila）作為庫布齊沙漠典型的中旱生落葉灌木[5]，其本身對惡劣環(huán)境有著較強的適應(yīng)能力，較其它植物相比有著出眾的抗風蝕、沙埋能力，具有生長速度快、繁殖方式簡單、成活率高、耐寒耐旱這些優(yōu)良的特性，且就地取材，成本不高，因此在保持水土、防沙治沙和植被恢復(fù)等方面被廣泛應(yīng)用[6-8]。由于沙柳典型的生物學特性，因此利用沙柳的莖制作成沙障，具有很好的固沙作用，從而為植物的生長提供適宜的土壤環(huán)境。

沙柳沙障作為一種常見的治沙措施被廣泛應(yīng)用于庫布其地區(qū)。目前，國內(nèi)關(guān)于沙柳沙障的研究主要是沙柳沙障對土壤的改良、沙柳沙障不同的鋪設(shè)方式以及沙柳沙障防風效能等方面。如李紅麗等[9]對沙柳沙障鋪設(shè)后的土壤粒徑進行研究，表明鋪設(shè)沙柳沙障后土壤中粉粒和黏粒含量均有增加，土壤顆粒分形維數(shù)增大。周丹丹等[10]對不同坡位、不同規(guī)格的沙柳沙障內(nèi)植被恢復(fù)情況研究發(fā)現(xiàn)2 m×2 m規(guī)格的沙柳沙障更利于植被恢復(fù)，植被的生長情況與障格規(guī)格之間存在相關(guān)性，障格中間由于風沙流活動頻繁，從而使障格中間產(chǎn)生凹曲面，反而不利于植被生長。高菲等[11]和張志偉等[12]對沙柳沙障鋪設(shè)后的土壤養(yǎng)分研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)障年限的增加對土壤SOC和TN含量有著顯著的影響。但是以上研究只是針對設(shè)障后某一時段內(nèi)的土壤養(yǎng)分及化學計量比特征進行研究，缺乏多個年限間的對比，這樣才能找到養(yǎng)分變化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，土壤養(yǎng)分的含量應(yīng)是一個動態(tài)變化的過程。

基于此，本研究以庫布齊穿沙公路兩側(cè)不同鋪設(shè)年限的沙柳沙障穩(wěn)定沙埋部周際土壤為研究對象，通過野外調(diào)查取樣和室內(nèi)分析，對沙柳沙障穩(wěn)定沙埋部周際土壤含水率、土壤C、N、P含量以及生態(tài)化學計量比特征等進行研究，分析設(shè)障7 a內(nèi)的養(yǎng)分變化趨勢，找到養(yǎng)分變化的轉(zhuǎn)折點，以闡明養(yǎng)分變化與設(shè)障年限之間的相關(guān)關(guān)系，旨在為沙柳沙障治理后區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)量評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本實驗區(qū)位于庫布其沙漠東南緣（106°55′16″～109°16′02″E，39°22′33″～40°52′14″N），地處鄂爾多斯市杭錦旗一帶，該區(qū)域?qū)儆跍貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候，年平均降水量186 mm，年均潛在蒸發(fā)量為2 498.7 mm。極端最高氣溫38.1℃，極端最低氣溫在-30.5℃，年平均氣溫6.3℃。年日照時間為32 115 h，無霜期135 d。年平均風速3.2 m/s，主風向為南、東南風。試驗點主要布設(shè)在固定沙地，該區(qū)域無人為活動干擾。土壤類型為風沙土，地表土壤疏松，土壤發(fā)育程度較低，土壤養(yǎng)分貧瘠。研究區(qū)主要以坡度為10～12°的流動沙丘為主，其形態(tài)多為格狀沙丘、復(fù)合型沙丘。主要沙丘植被類型包括：沙柳（Salix psammophila）、黑沙蒿（Artemisia or?dosica）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、蟲實（Cori?spermum hyssopifolium）和芨芨草（Achnatherum splen?dens）等，為了防護穿沙公路免受流沙的影響，保證通行，公路兩側(cè)均采用半隱蔽式方格沙柳沙障以固定過境風沙流。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取

在研究區(qū)內(nèi)選擇沙丘高度、走向等沙丘屬性相對一致的設(shè)置不同年限沙柳沙障的沙丘作為實驗沙丘，挑選較為平坦的7塊樣地，設(shè)障年限為2014—2020年，設(shè)障所用枝條均為死枝條，設(shè)障方式采用半隱蔽式，設(shè)障規(guī)格為1 m×1 m。

1.2.2 樣本采集與處理

土壤樣品采集時間為2021年5月19日，采用“空間代替時間法”進行取樣，對沙柳沙障內(nèi)土壤按照圖1所示進行采樣[13]，由于實驗區(qū)風沙活動頻繁，導致表層土壤擾動較大，所以使用鏟子去掉表層土壤，對沙柳沙障穩(wěn)定沙埋部土壤進行取樣，取樣時緊貼障體沙埋部，距離地面20 cm處，距離障體5 cm處設(shè)置東南西北4個取樣點，即圖1所示A、B、C和D，根據(jù)課題組前期研究發(fā)現(xiàn)障格中心與障體周際土壤養(yǎng)分存在顯著差異[14]，因此將4個方向樣品混為一個實驗樣。并在每個設(shè)障年限同一等高線位置間距為2 m的區(qū)域設(shè)置3個重復(fù)，即下圖1所示，每個沙丘取樣9個，共計取樣63個。使用已稱取質(zhì)量的鋁盒裝土壤樣品大約100 g蓋好后稱重，并帶回實驗室使用烘干法測定土壤的含水率，自封袋密封保存土壤約500 g，自封袋的土壤在室內(nèi)自然陰干，過2 mm土壤篩預(yù)處理去除地表雜物備用，測定土壤有機質(zhì)、氮、磷和鉀等相關(guān)指標。

1.2.3 樣品測定方法

土壤pH采用pH計（starter 3100）測定[15]；SOC采用重鉻酸鉀外加熱法測定[16]27；TN采用凱氏定氮法進行測定[16]42；TP采用高氯酸－硫酸消解鉬銻抗比色法測定[16]74。土壤含水率采用烘干法測定[16]22；土壤堿解氮測定采用堿解擴散法測定[16]56；土壤速效磷測定采用0.5 mol/LNaHCO3法[16]81；土壤速效鉀測定采用NH4OAc浸提-火焰光度法[16]106。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2016對處理后的土壤數(shù)據(jù)進行計算整理，土壤養(yǎng)分、生態(tài)化學計量比為質(zhì)量比。采用一般線性模型分析隨著鋪設(shè)年限增加對土壤理化性質(zhì)和化學計量比的變化。用SPSS 26.0對土壤養(yǎng)分以及生態(tài)化學計量比做單因素方差分析，采用Pearson相關(guān)分析對土壤養(yǎng)分各指標進行分析。采用Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鋪設(shè)年限沙柳沙障周際土壤養(yǎng)分的比較

由圖2可知，沙柳沙障周際土壤養(yǎng)分隨著鋪設(shè)年限的增加呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。其中，土壤含水率隨著設(shè)障年限的增加呈現(xiàn)出先減后增再減的規(guī)律，設(shè)障1 a時土壤含水率達到最大值，為3.47%；在設(shè)障3 a內(nèi)土壤含水率逐年降低，設(shè)障3 a時含水率為2.42%，對比設(shè)障1 a含水率降低了29.36%。在設(shè)障3 a到設(shè)障5 a間土壤含水率總體呈現(xiàn)上升趨勢，設(shè)障5 a土壤含水率達到一個峰值，為3.02%，比設(shè)障1 a土壤含水率減少了11.90%，比設(shè)障3 a土壤含水率增加了19.81%，可以看出設(shè)障3、5 a為含水率變化的轉(zhuǎn)折點。土壤pH隨著設(shè)障年限的增加呈先增后減再增的變化趨勢，設(shè)障5 a時土壤pH稍有下降后趨于穩(wěn)定，總體土壤環(huán)境表現(xiàn)為弱堿性。堿解氮含量隨著設(shè)障年限的增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢，設(shè)障1 a時堿解氮含量最高，設(shè)障前3 a有波動變化，設(shè)障第3年時堿解氮比設(shè)障2 a增加了37.10%，設(shè)障5 a堿解氮含量最低為9.33 mg/kg，比設(shè)障3 a含量減少了49.66%，設(shè)障5 a之后堿解氮含量趨于穩(wěn)定。速效磷含量隨著設(shè)障年限的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，設(shè)障3 a后速效磷含量開始提升，到了設(shè)障第4年達到最大值為6.43 mg/kg，比設(shè)障第3年速效磷含量提高了13.55%，設(shè)障第5年比設(shè)障4 a速效磷含量降低了9.26%，之后速效磷含量趨于穩(wěn)定。沙柳沙障沙埋部周際土壤速效鉀含量隨著設(shè)障年限增加呈現(xiàn)先減后增趨勢，設(shè)障第4年的速效鉀含量比設(shè)障第3年增加了16.75%，設(shè)障第5年比設(shè)障第4年降低了29.32%，設(shè)障5 a后速效鉀含量逐漸降低。

圖2 不同鋪設(shè)年限沙柳沙障沙埋部周際土壤理化性質(zhì)Figure 2 Physical and chemical properties of soil around the buried part of Salix psammophila sand barrier in different setting years

沙柳沙障沙埋部周際土壤SOC、TN含量隨著設(shè)障年限的增加呈現(xiàn)逐年增加趨勢，設(shè)障6 a比設(shè)障5 a SOC含量下降了10.56%，設(shè)障7 a時達到最大值，比設(shè)障5 a時SOC含量增加15.25%，TN含量逐年增加，設(shè)障5 a時達到最大值為0.08 g/kg，之后趨于穩(wěn)定。沙柳沙障沙埋部周際土壤TP含量隨著設(shè)障年限增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢，設(shè)障3 a時TP含量最低為0.32 g/kg，比設(shè)障2 a時減少了27.78%，之后TP含量有所上升。設(shè)障5 a時TP含量達到最大值為0.51 mg/kg。設(shè)障6 a比設(shè)障5 a TP含量減少了25.40%，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

隨著設(shè)障年限的增加，沙柳沙障沙埋部周際土壤速效磷、SOC和TN含量隨著設(shè)障年限變化均呈逐年增加的變化趨勢，含水率、堿解氮、速效鉀和TP含量隨著設(shè)障年限變化呈先減后增的趨勢。沙柳沙障沙埋部周際土壤養(yǎng)分在設(shè)障3 a和5 a時是養(yǎng)分變化的關(guān)鍵點。

由表1可知，各鋪設(shè)年限沙柳沙障沙埋部周際土壤pH、速效磷和速效鉀均屬于弱變異，SOC、TN和TP均屬于中等變異，且變異系數(shù)隨著鋪設(shè)年限的增加逐漸減小。

表1 不同設(shè)障年限沙柳沙障周際土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學計量比變異系數(shù)Table1 Variability coefficient of soil nutrients and their eco-stoichiometric ratio in the peri-Salix psammophila barrier with different setting years %

2.2 不同鋪設(shè)年限沙柳沙障周際土壤C、N和P生態(tài)化學計量特征

從圖3可以看出，沙柳沙障沙埋部周際土壤C、N和P生態(tài)化學計量比隨著鋪設(shè)年限的增加存在較大差異。

圖3 不同鋪設(shè)年限沙柳沙障穩(wěn)定沙埋部周際土壤C∶N、C∶P和N∶PFigure 3 Soil C∶N、C∶P、N∶P around the stable sand burial part of Salix psammophila barrier with different setting years

設(shè)障1～7 a內(nèi)土壤C∶N變化范圍為10.72～21.06，在設(shè)障第2年時達到最大值為21.06，之后開始下降，設(shè)障5 a后C∶N與鋪設(shè)1 a減少了47.81%，以后逐漸趨于穩(wěn)定。

設(shè)障1～7 a內(nèi)土壤C∶P變化范圍為1.68～2.78，初期隨著設(shè)障年限增加呈上升趨勢設(shè)障3 a達到最大值為2.78，比設(shè)障1 a時增加了65.20%，之后開始下降，在設(shè)障5 a時C∶P最低點為1.82，設(shè)障6 a時C∶P回升，相比設(shè)障5 a時增加了20.53%，以后趨于穩(wěn)定。

設(shè)障1～7 a內(nèi)土壤N∶P變化范圍0.09～0.21，隨著設(shè)障年限增加呈上升趨勢，在設(shè)障3 a時達到最大值為0.21，比設(shè)障1 a時增加112.27%，之后開始下降，到設(shè)障5 a時有所回升，設(shè)障6 a后趨于穩(wěn)定。

2.3 沙柳沙障周際土壤養(yǎng)分和C∶N∶P化學計量特征與設(shè)障年限的關(guān)系

由前述結(jié)果可知，沙柳沙障周際土壤養(yǎng)分和C∶N∶P化學計量比隨著設(shè)障年限的增加，會發(fā)生很大的變化。其中，設(shè)障年限對土壤含水率、速效鉀、SOC、TN、C∶N和N∶P均有顯著影響（P<0.05）。土壤含水率、速效鉀含量與C∶N隨著設(shè)障年限的增加呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，SOC、TN和N∶P隨著設(shè)障年限的增加呈現(xiàn)顯著以及極顯著正相關(guān)。

3 討論

研究區(qū)所處于庫布其沙漠東南緣，穿沙公路兩側(cè)生態(tài)環(huán)境脆弱敏感區(qū)，該區(qū)域頻繁受到風沙流活動的影響，土壤顆粒組成結(jié)構(gòu)多變，總體表現(xiàn)為土壤養(yǎng)分貧瘠[11]。但是隨著沙柳沙障的鋪設(shè)，改變了土壤下墊面性質(zhì)，增加了地表粗糙度，從而使風沙流結(jié)構(gòu)、地表蝕積狀態(tài)發(fā)生變化，有效地降低了近地表層風速及輸沙強度，減緩了障格內(nèi)沙粒的運動頻率，使流沙表面得以穩(wěn)定，為沙障內(nèi)植被的生長恢復(fù)提供穩(wěn)定的外界環(huán)境[18-19]。隨著沙障內(nèi)植物組成的不斷增加，豐富了土壤微生物群落，從而加快土壤物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與能量的循環(huán)，這就使得土壤養(yǎng)分狀況得到改善。由于設(shè)障年限的不同，土壤養(yǎng)分的改善情況也會有所不同，這與本研究相符，隨著沙柳沙障鋪設(shè)年限的增加，土壤養(yǎng)分也會發(fā)生不同程度的變化結(jié)果相一致[20]。

土壤水分是制約沙區(qū)生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因子，直接或間接決定著沙地植被恢復(fù)的進展與成效[21]。研究區(qū)整體土壤含水率在1.90%～3.47%，隨著設(shè)障年限的增加土壤含水率呈現(xiàn)緩慢逐年遞減趨勢，該結(jié)果與張志偉等[11]的研究設(shè)置沙柳沙障有利于提高土壤含水率的結(jié)果相悖。從圖2可以發(fā)現(xiàn)沙柳沙障鋪設(shè)第2年與第1年相比土壤含水率有微弱提升，而在設(shè)障第3年開始下降，從王文彪等[22]研究發(fā)現(xiàn)庫布其地區(qū)半隱蔽式沙柳沙障有增強沙丘土壤表面保持水分的能力，為后期植物生長提供一定的水分條件，但是半隱蔽式沙障保持水分能力相對于其他類型沙障較弱。土壤含水率的變化是由于設(shè)障2 a后固沙先鋒植物開始在障格生長，從土壤中消耗一定量的土壤水分[23]，這可能是導致土壤含水率降低的因素之一，該結(jié)果有待于進一步論證。

在鋪設(shè)沙柳沙障后，障格內(nèi)土壤pH值隨著設(shè)障時間的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢，在設(shè)障第3年和設(shè)障第5年是兩個波谷。可以發(fā)現(xiàn)沙障鋪設(shè)前期對土壤pH有明顯的改善作用，而設(shè)障5 a后對pH的影響微乎其微，說明超過一定時間范圍，沙障對于土壤pH的影響就會變得很弱，這與靳靈娜等[24]的研究結(jié)果相同。土壤速效養(yǎng)分在設(shè)障3～5 a間發(fā)生起伏變化，在設(shè)障5 a后均趨于穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)障初期尚不具備植被生長的條件，主要是障格內(nèi)土壤粒徑變化，由于沙障的設(shè)置，會使障格內(nèi)形成凹曲面，土壤細粒物質(zhì)得以積累，使得設(shè)障初期速效養(yǎng)分有一定程度的增加，設(shè)障2 a后隨著先鋒植被的進入，會對養(yǎng)分產(chǎn)生一定需求，隨著設(shè)障年限的增加，障體也會產(chǎn)生不同程度的破損，加之微生物對破損障體的分解作用，也會釋放出一定養(yǎng)分補給土壤，而設(shè)障5 a后則整體基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

通過分析不同設(shè)障年限沙柳沙障沙埋部周際土壤C∶N、C∶P和N∶P發(fā)現(xiàn)，其三者比值均相對穩(wěn)定，說明C∶N在整個積累過程中具有相對固定的比值，因此C∶N相對穩(wěn)定，相關(guān)分析中SOC與TN呈顯著正相關(guān)關(guān)系同樣也證明了這點。朱秋蓮等[25]研究發(fā)現(xiàn)SOC分解速率與C∶N成反比。本研究區(qū)沙柳沙障穩(wěn)定沙埋部周際土壤C∶N較低，表明土壤有機質(zhì)的分解速率大于積累速率，說明庫布其的氣候條件與周圍土壤環(huán)境不利于沙障養(yǎng)分的積累。因為該地區(qū)頻發(fā)的風沙強烈，每年輸入的有機質(zhì)來源只有少許恢復(fù)性植被的枯落物以及障體隨著設(shè)障年限增加障體產(chǎn)生腐朽破損，可輸入有機質(zhì)渠道與含量均較少，土壤C含量較低[26]。C∶P是表示磷有效性的特征參數(shù)，其數(shù)值越低，表示土壤磷元素有效性越高[27]。研究區(qū)土壤C∶P值在1.68～2.78之間變化，遠低于全國平均水平，表明沙柳沙障周際土壤P有效性較高[28]，土壤P為凈礦化。N∶P是土壤氮飽和度的評價指標。本研究區(qū)N∶P較低，遠小于1，表明該地區(qū)土壤氮的限制作用大于土壤磷的限制作用。土壤TP的主要來源是土壤母質(zhì)，還有一部分是來源于枯落物歸還土壤的磷，磷元素屬于地表沉積性元素[29-30]。由于土壤N含量較低，而P含量相對來說較高，因此土壤中N∶P較低。本研究還發(fā)現(xiàn)土壤C∶N∶P化學計量比與設(shè)障年限的增加有明顯的規(guī)律性，在設(shè)障第3年與第5年是變化的轉(zhuǎn)折點。

表2 設(shè)障年限對沙柳沙障周際土壤C∶N∶P化學計量比的影響Table2 Influence of setting years on the stoichiometric ratio of C∶N∶P in the peri-Salix psammophila barrier soil

土壤含水率是土壤中各元素移動和循環(huán)的載體，對土壤養(yǎng)分含量和植物生長有著重要的作用。由表3可知沙柳沙障穩(wěn)定沙埋部周際土壤SOC、TN、TP及其生態(tài)化學計量比和土壤含水率相關(guān)性并不顯著，但此結(jié)果不能說明土壤養(yǎng)分變化及生態(tài)化學計量比與土壤含水率之間沒有關(guān)系，因為土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學計量比變化的內(nèi)穩(wěn)性是適應(yīng)環(huán)境長期積累下來的結(jié)果[26]。研究區(qū)沙柳沙障穩(wěn)定沙埋部周際土壤pH與SOC、TN、TP含量及其生態(tài)化學計量比相關(guān)性不顯著（P>0.05），說明pH的變化對土壤養(yǎng)分的影響比較微弱[31]，對土壤中碳氮的積累影響較小。土壤中SOC、TN含量與土壤C∶N、C∶P均呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān)，說明SOC、TN是調(diào)控沙柳沙障周際土壤生態(tài)化學計量比的主要因素。

表3 沙柳沙障周際土壤理化性質(zhì)與生態(tài)化學計量之間的關(guān)系Table3 Relationship between physical and chemical properties of soil around Salix psammophila barrier and ecological stoichiometry

4 結(jié)論

①鋪設(shè)1～7 a的沙柳沙障對土壤養(yǎng)分含量的變化具有顯著影響（P<0.05）。設(shè)障前2 a土壤含水率顯著高于之后的5 a；pH值總體表現(xiàn)為弱堿性；土壤速效磷、速效鉀養(yǎng)分設(shè)障1～3 a內(nèi)呈現(xiàn)先增后減，堿解氮呈先減后增，設(shè)障5 a后，土壤速效養(yǎng)分趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

②沙柳沙障穩(wěn)定沙埋部周際土壤SOC、TN含量隨設(shè)障年限呈逐年增加的趨勢，設(shè)障5 a后SOC、TN含量趨于穩(wěn)定；TP含量呈現(xiàn)先減后增的趨勢，在設(shè)障3 a時TP含量為最低點，設(shè)障5 a時TP含量為最高點，設(shè)障3 a和設(shè)障5 a是TP含量變化的拐點；隨著設(shè)障時間的增加沙柳沙障周際土壤SOC、TN和TP均屬中等變異。

③沙柳沙障周際土壤理化性質(zhì)和C∶N∶P化學計量比均受著設(shè)障年限的影響。隨著設(shè)障年限的增加對SOC和TN均有顯著影響（P<0.05），設(shè)障年限的變化對土壤含水率、C∶N和N∶P有明顯的影響。沙柳沙障各土壤養(yǎng)分之間及其生態(tài)化學計量比之間存在不同程度的相關(guān)關(guān)系。其中SOC、TN與C∶N、C∶P均呈顯著或極顯著相關(guān)，說明SOC、TN是影響沙柳沙障土壤生態(tài)化學計量比的主要因素。沙柳沙障鋪設(shè)3、5 a是養(yǎng)分變化的重要轉(zhuǎn)折點，建議在設(shè)障3、5 a時多注意養(yǎng)護，防止沙障破損導致養(yǎng)分的流失。