毛烏素沙地南緣不同固沙灌木群落土壤質(zhì)量評價

何 毅，邱開陽，蘇 云，劉王鎖,3，李海泉，黃業(yè)蕓，李亞園

（1. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021；2. 內(nèi)蒙古賀蘭山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局, 內(nèi)蒙古 阿拉善 750306；3. 寧夏葡萄酒與防沙治沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 寧夏 銀川 750199）

毛烏素沙地是中國四大沙地之一[1]，前人通過扎設(shè)草方格和種植固沙灌木改善沙地生態(tài)環(huán)境，針對毛烏素沙地固沙灌木對土壤質(zhì)量的研究表明，種植檸條(Caragana korshinskii)、楊柴(Corethrodendron fruticosumvar.mongolicum) 可以改善土壤養(yǎng)分和水分條件[2]。然而，不同灌木對不同土壤性狀的影響效果不同，盲目大規(guī)模栽植單一植被類型會導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降和植被退化，從而可能產(chǎn)生新的沙化現(xiàn)象[3]。因此，在草方格結(jié)合灌木固沙實踐中，往往種植不同的固沙灌木，以期獲得更好的生態(tài)恢復(fù)效果。張立欣等[4]在庫布奇沙漠的研究發(fā)現(xiàn)營造油蒿(Artemisia ordosica) + 楊柴半灌木混交林對提高土壤綜合質(zhì)量效果最好；羅雅曦和劉任濤[5]在寧夏鹽池風(fēng)沙區(qū)對不同固沙灌木林地進(jìn)行土壤質(zhì)量評價，結(jié)果表明油蒿林地(3.15) ＞ 流動沙地(-0.03) ＞ 檸條林地(-0.56) ＞ 花棒(Corethrodendron scoparium)林地(-1.05) ＞ 沙拐棗(Calligonum mongolicum)林地(-1.54)；楊曉娟等[6]在烏蘭布和沙漠研究發(fā)現(xiàn)，不同灌木林地的土壤肥力條件不同，其中，檸條林地土壤肥力指數(shù)最高。土壤質(zhì)量評價可以評估不同生態(tài)恢復(fù)措施對土壤質(zhì)量的影響，有助于及時掌握土壤質(zhì)量的現(xiàn)狀和變化動態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)對土壤質(zhì)量改良的指導(dǎo)[5]。但各地區(qū)土壤質(zhì)量評價中用到的評價指標(biāo)不同，沒有形成一個標(biāo)準(zhǔn)的土壤質(zhì)量評價方法，有調(diào)查研究表明土壤有機(jī)質(zhì)是較為常用的評價指標(biāo)[7]。以往的研究已采用土壤質(zhì)量評價指數(shù)對沙地不同恢復(fù)措施[8]、不同人工林地[6]和不同植被恢復(fù)模式[9]等方面進(jìn)行了研究，得出綜合性結(jié)論。但是，對于典型的草方格固沙恢復(fù)區(qū)不同固沙灌木下土壤質(zhì)量評價，目前少有專門的研究。因此，本研究以毛烏素沙地西南緣的寧夏靈武白芨灘國家級自然保護(hù)區(qū)為研究對象，在比較檸條、楊柴、檸條 × 花棒混交、檸條 × 沙拐棗混交和花棒 × 沙拐棗混交5 類灌木林地土壤性質(zhì)和微生物多樣性的基礎(chǔ)上，采用隸屬函數(shù)結(jié)合因子分析法評價不同灌木林下的土壤質(zhì)量，以期為沙地恢復(fù)過程中固沙灌木的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏靈武白芨灘國家級自然保護(hù)區(qū)(37°49′05″～38°20′54″ N, 106°20′22″～106°37′19″E)，地處毛烏素沙地西南緣，南北長61 km，東西寬21 km，面積為70 921 hm2，是具有物種保護(hù)、科研、旅游等多種功能的國家級自然保護(hù)區(qū)，有我國面積最大的天然檸條、貓頭刺(Oxytropis aciphylla)以及沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)植物群落。地貌類型有低山丘陵、緩坡丘陵和沙漠低山丘陵等。該地區(qū)氣候類型為大陸性季風(fēng)氣候。年平均降水量為230 mm，7 月-9 月較為集中，占全年降水量的61.6%，年平均蒸發(fā)量為2 862.2 mm，為年降水量的10.5 倍，屬于中溫帶干旱氣候區(qū)。該保護(hù)區(qū)年平均氣溫為6.7～8.8 ℃，≥10 ℃年平均積溫為3 334.8 ℃，多年平均無霜期為154 d。該地區(qū)全年大風(fēng)(17 m·s-1以上)日數(shù)63 d，沙暴日數(shù)35 d，屬于多風(fēng)地區(qū)。土壤類型主要為灰鈣土和風(fēng)沙土。

白芨灘國家自然保護(hù)區(qū)采用麥草扎設(shè)草方格，草方格扎設(shè)規(guī)格為1 m × 1 m；在草方格內(nèi)栽植檸條、花棒、楊柴和沙拐棗等固沙灌木幼苗。本研究選擇2002 年建植的人工林地為研究樣地，建植后采取封育管理。調(diào)查4 種固沙灌木的生長情況作為研究背景。其中檸條林平均密度為0.27 株·m-2，平均冠幅為5.2 m2，平均高度為1.70 m；花棒林平均密度為0.29 株·m-2，平均冠幅為0.8 m2，平均高度為1.03 m；沙拐棗林平均密度為0.21 株·m-2，平均冠幅為1.7 m2，平均高度為1.04 m；楊柴林平均密度為0.95株·m-2，平均冠幅為0.5 m2，平均高度為0.73 m。

1.2 樣地設(shè)置

選擇于2001 年扎設(shè)草方格并于2002 年栽植不同固沙灌木的草方格固沙林地作為研究樣地，草方格扎設(shè)規(guī)格為1 m × 1 m，固沙灌木采用植苗造林的栽植方式，檸條 × 花棒混交、檸條 × 沙拐棗混交、花棒 × 沙拐棗混交3 類灌木林地的混交方式為帶狀混交。選取未栽植任何固沙灌木的流沙地(CK)和純檸條(N)、純楊柴(Y)、檸條 × 花棒混交(NH)、檸條 ×沙拐棗混交(NS)和花棒 × 沙拐棗混交(HS) 5 種固沙灌木林地，每種固沙灌木選取3 個大小為100 m ×100 m 樣地，各樣地之間具有相似的地形條件，在每個樣地內(nèi)設(shè)置3 條50 m 長的平行樣線，樣線與樣地邊界隔20 m，樣線與樣線間隔30 m，在每條樣線上連續(xù)設(shè)置5 個10 m × 10 m 的樣方用于土壤采樣。

1.3 土壤樣品采集與處理

于2019 年8 月進(jìn)行土壤采樣(取土前10 d 無降雨，取土當(dāng)天為典型晴天)。在每個調(diào)查樣方內(nèi)，使用直徑為4 cm 的土鉆，在每個樣方內(nèi)，根據(jù)灌木分布情況選取灌木根部2 個調(diào)查點，兩個灌木混交中間2個調(diào)查點，無灌木空白地一個調(diào)查點，總共選取5 個點，把同一個樣方內(nèi)5 個點采集的土樣去除石塊、凋落物和根系后混合均勻后形成一個樣品。將每個混勻的樣品在現(xiàn)場等分成兩份，一份裝入經(jīng)高溫滅菌的凍存管，然后放入冰盒臨時保存，帶回實驗室后迅速放入-80 ℃冰箱，用來測定土壤樣品中的微生物多樣性；另一份帶回實驗室后先在室溫下自然風(fēng)干，再用鑷子挑出細(xì)小的枯枝落葉和植物根等雜質(zhì)，最后采用四分法將土壤樣品分別過0.15、1 和2 mm篩裝入自封袋保存，用于測定各土壤理化指標(biāo)。

1.4 測定項目與方法

土壤性狀指標(biāo)包括土壤含水量、土壤機(jī)械組成、土壤全氮、土壤堿解氮、土壤全鉀、土壤速效鉀、土壤全碳、土壤有機(jī)碳含量、土壤全磷、土壤速效磷、土壤電導(dǎo)率和土壤pH。土壤機(jī)械組采用美國農(nóng)業(yè)部分類系統(tǒng)對土壤顆粒進(jìn)行分級：粗砂粒(251～1 000 μm)、細(xì)砂粒(101～250 μm)、極細(xì)砂粒(50～100 μm)、黏粉粒(＜ 50 μm)。各土壤性狀指標(biāo)均采用常規(guī)方法測定。

本研究采用微生物16S 擴(kuò)增子絕對定量高通量測序方法對微生物多樣性進(jìn)行分析。將低溫保存的土壤微生物樣品進(jìn)行DNA 抽提，并通過瓊脂糖凝膠電泳檢測基因組DNA 完整性，Nanodrop 2000 檢測基因組DNA 質(zhì)量。對于合格的樣本檢測區(qū)域進(jìn)行高保真PCR 擴(kuò)增，設(shè)置3 個重復(fù)試驗，以標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)菌/真菌基因組DNA Mix 作為陽性對照。擴(kuò)增引物分別為CCTACGGGNGGCWGCAG 和GACTACH VGGGTATCTAATCC，瓊脂糖凝膠電泳檢測擴(kuò)增產(chǎn)物是否單一和特異。將同一個樣本的3 個平行擴(kuò)增產(chǎn)物混合，每個樣本加入等體積的AgencourtAMpure XP核酸純化磁珠對產(chǎn)物進(jìn)行純化。利用帶有Index 序列的引物，通過高保真PCR 向文庫末端引入特異性標(biāo)簽序列。擴(kuò)增后產(chǎn)物瓊脂糖凝膠電泳檢測，根據(jù)瓊脂糖凝膠電泳的初步定量結(jié)果，對已經(jīng)帶有各自Index 標(biāo)簽的樣本文庫濃度進(jìn)行適當(dāng)稀釋，然后利用Qubit 對文庫進(jìn)行精確定量，根據(jù)不同樣本的測序通量要求，按相應(yīng)比例(摩爾比)混合樣本?；鞓雍蟮奈膸焱ㄟ^Agilent 2100 Bioanalyzer 檢測測序文庫插入片段的大小，確認(rèn)在120～200 bp 無非特異性擴(kuò)增，并準(zhǔn)確定量測序文庫濃度。采用Illumina平臺，2 × 250 bp 的雙端測序策略對文庫進(jìn)行測序。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2019 建立數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用SPSS 22.0 和Origin 17.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)分析。

土壤微生物的數(shù)據(jù)通過聚類分析將序列聚類成為OTU (operational taxonomic unit)時以97%的一致性為依據(jù)，然后篩選頻數(shù)最高的序列作為OTU 代表序列。

采用公式(1)和(2)將各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)合因子分析，通過計算得到土壤質(zhì)量評價指數(shù)(SQAV)用于比較不同固沙灌木對土壤質(zhì)量的影響。該值的大小代表土壤質(zhì)量的高低。首先參考付寶春和薄偉[10]的方法將土壤各指標(biāo)利用隸屬函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到各指標(biāo)的隸屬度，然后參考周瑤等[11]方法把標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析得到特征值、方差貢獻(xiàn)值、累計貢獻(xiàn)值和各因子得分，最后通過公式(3)計算不同恢復(fù)措施下土壤質(zhì)量評價指數(shù)(SQAV)。

式中：Xij為i處理的j指標(biāo)，即各處理下土壤性狀指標(biāo)；Xmax和Xmin指所有處理中j指標(biāo)的最大值和最小值；F(Xij)為i處理的j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；如果某個指標(biāo)與土壤質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系則采用公式(1)；反之采用公式(2)。

式中：SQAV為土壤質(zhì)量評價指數(shù)；ai為第i個因子的方差貢獻(xiàn)率；zi為第i個因子的得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同固沙灌木下土壤物理性質(zhì)的差異

土壤物理性質(zhì)受恢復(fù)方式影響(表1)。N 和NH 處理下黏粉粒含量、極細(xì)砂粒含量顯著高于其他3 種灌木處理(P＜ 0.05)，其中N 處理最高，為5.10%和11.07%；N 和NH 處理的土壤粗砂粒含量顯著低于其他3 種灌木處理(P＜ 0.05)；細(xì)砂粒在各處理下差異不顯著(P＞ 0.05)。電導(dǎo)率表現(xiàn)為N 處理最高，NH 和NS 混交處理次之，Y、HS 和CK 處理最低。土壤含水量表現(xiàn)為NH 和N 處理顯著高于其他3 種灌木處理(P＜ 0.05)，分別為0.57%和0.56%。

表1 不同固沙灌木下土壤物理性質(zhì)的差異Table 1 Effects of different sand-fixing shrubs on soil physical properties

2.2 不同固沙灌木下土壤化學(xué)性質(zhì)的差異

不同固沙灌木對土壤化學(xué)性質(zhì)有明顯的影響(圖1)，土壤有機(jī)質(zhì)含量5 種灌木處理差異不顯著(P＞ 0.05)，CK 顯著低于5 種灌木處理(P＜ 0.05)，為1.36 g·kg-1；土 壤 全 碳 含 量NH 處 理 最 高，為6.67 g·kg-1，Y 處 理 顯 著 低 于 其 他4 種 灌 木 處 理(P＜0.05)，為5.49 g·kg-1；土壤堿解氮含量N 和Y 處理顯著高于其他4 種處理(P＜ 0.05)，Y 處理最高，為4.05 mg·kg-1，CK 處理最低，為1.17 mg·kg-1；土壤全鉀含量Y 處理顯著高于其他4 種灌木處理(P＜0.05)，為31.30 g·kg-1，CK 處理顯著低于5 種灌木處理(P＜ 0.05)，為14.51 g·kg-1。

2.3 不同固沙灌木下土壤微生物多樣性的差異

不同固沙灌木下土壤微生物多樣性的差異如圖2 所示，土壤細(xì)菌OTU 數(shù)量Y 處理顯著低于其他4 種灌木處理(P＜ 0.05)，顯著高于CK (P＜ 0.05)；土壤真菌OTU 數(shù)量NH 處理顯著高于CK 和其他4 種灌木處理(P＜ 0.05)；CK 土壤古菌OTU 數(shù)量為0，5 種灌木間土壤古菌數(shù)量差異不顯著(P＞ 0.05)；土壤微生物OTU 數(shù)量Y 處理顯著低于其他4 種灌木處理(P＜ 0.05)，顯著高于CK (P＜ 0.05)。

圖2 不同固沙灌木下土壤微生物豐度的差異Figure 2 Effects of different sand-fixing shrubs on soil microbial abundance

2.4 土壤粒徑與其他表征土壤性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)分析

本研究中，5 種固沙灌木均不同程度促進(jìn)了沙化土壤顆粒細(xì)?；?，進(jìn)而影響土壤的性質(zhì)。為此，本研究分析了土壤粒徑與其他表征土壤性質(zhì)間的指標(biāo)間的相關(guān)性(表2)。結(jié)果表明，土壤黏粉粒與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與土壤全氮、全碳和真菌多樣性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)；土壤極細(xì)砂粒與土壤速效鉀、電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與土壤全碳和真菌多樣性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)；細(xì)砂粒與土壤全碳呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)；粗砂粒與土壤全碳呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與真菌多樣性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)。

表2 土壤粒徑與其他表征土壤性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)分析Table 2 Correlation coefficients between soil particle size and other parameters of soil characteristics

2.5 不同固沙灌木下土壤質(zhì)量評價

對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO 和Bartlett 球形檢驗，表明數(shù)據(jù)適合進(jìn)行因子分析。從得到的各因子特征值、方差貢獻(xiàn)值、累計貢獻(xiàn)值和因子載荷矩陣(表3)可知，前3 個因子的累計貢獻(xiàn)值達(dá)到82.636%，可以代表原來的16 個指標(biāo)。與因子1 相關(guān)性較高的指標(biāo)有X4、X11、X12和X16，包括全碳、速效鉀、全鉀和微生物多樣性；因子2 與X8相關(guān)性較高，為細(xì)砂粒；因子3 與X7、X10相關(guān)性較高，為極細(xì)砂粒和電導(dǎo)率。

表3 各因子特征值、累計貢獻(xiàn)率及因子載荷矩陣Table 3 Eigenvalues of each factor, cumulative contribution value, and factor load matrix

通過因子得分矩陣得到前5 個因子在不同恢復(fù)措施下的得分，然后由各因子得分和方差貢獻(xiàn)值加權(quán)得到不同恢復(fù)措施下的土壤質(zhì)量得分，土壤質(zhì)量綜合得分依次為NH ＞ N ＞ HS ＞ NS ＞ Y ＞ CK(表4)。

表4 不同固沙灌木下土壤質(zhì)量評價結(jié)果Table 4 Evaluation of soil quality in different sand-fixing shrubs

3 討論

3.1 不同固沙灌木對土壤物理性質(zhì)的影響

草方格結(jié)合固沙灌木是成熟的治沙方式，半干旱地區(qū)供植物生長發(fā)育的水資源是有限的，選取持水能力較強(qiáng)的、治沙效果較好的治沙植物是極其重要的。在半干旱地區(qū)沙漠治理過程中，灌木植物因其較強(qiáng)的抗旱能力和較大的覆蓋度體現(xiàn)出較好的治沙效果[12]。表層土壤含水量受降水入滲補(bǔ)給和蒸散作用影響，降雨發(fā)生后表層0-10 cm 土壤含水量由于蒸散作用迅速下降[13]，而固沙灌木對于蒸散作用的抑制是沙化地區(qū)土壤含水量增加的關(guān)鍵。本研究中5 種固沙灌木林地土壤含水量相較于CK 都有顯著增加，其中NH 處理土壤含水量含量最高，NH處理在5 種固沙灌木中具有較大的植被覆蓋度，為沙地提供了更好的遮陰和對風(fēng)沙更好的阻攔，使沙地表面溫度較于裸露沙地有一定降低，從而更大程度上地減少了水分的蒸發(fā)[14]；NH 處理中檸條和花棒的根系雖然在表層土壤中有側(cè)根分布，但是直根系對淺層水分的利用率相對較低[15]。土壤電導(dǎo)率反映土壤質(zhì)量和物理特性的大量信息，土壤水分、有機(jī)質(zhì)含量以及質(zhì)地結(jié)構(gòu)等均不同程度影響土壤電導(dǎo)率[16]。本研究中檸條林土壤電導(dǎo)率顯著增大，這與羅雅曦和劉任濤[5]在鹽池風(fēng)沙區(qū)的研究結(jié)果不同，主要原因在于其研究區(qū)檸條冠幅小于本研究中檸條冠幅，土壤電導(dǎo)率隨著土壤中鹽分的積累而升高，較大的植被覆蓋率加上常年高溫干旱、蒸發(fā)強(qiáng)烈，和雨水的充分淋洗，致使鹽分在土壤表層聚集增加，結(jié)果導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率增加。

沙地土壤機(jī)械組成的變化是由于沙地上建立固沙植被后，沙面小環(huán)境得到改善，粘粉粒受到風(fēng)蝕和降雨淋蝕而減少的情況被改善[17]。同時由于在固沙區(qū)內(nèi)風(fēng)速降低，植被蓋度較大，使大量的風(fēng)積物質(zhì)沉降在土壤表層，于是粘粉粒有了一定程度的增加，粗砂粒所占比重相對減少[18]。另外，植物根系分泌物對土壤顆粒的物理化學(xué)作用也會逐漸使土壤顆粒細(xì)?；贿^其過程十分緩慢[19]。5 種固沙灌木生態(tài)系統(tǒng)土壤粘粉粒含量是極少的，這與吳思遠(yuǎn)[20]的研究結(jié)果一致，其中NH 處理的粘粉粒和極細(xì)砂粒含量較高，粗砂粒含量較低。其原因是NH處理灌木的冠幅在5 種固沙灌木中較大，對于風(fēng)蝕和降雨淋蝕的消減作用更強(qiáng)，并且由于NH 處理中兩種豆科灌木的存在，其根瘤菌對于土壤顆粒的膠結(jié)作用更強(qiáng)，有利于土壤團(tuán)聚體的形成，使土壤中粘粉粒和極細(xì)砂粒的流失減少。土壤顆粒組成變化是土壤形成、發(fā)育及進(jìn)化的標(biāo)志[21]，可以預(yù)測隨著恢復(fù)時間的增長，NH 處理土壤質(zhì)量的改善會愈加明顯。相關(guān)性分析結(jié)果表明，粘粉粒和極細(xì)砂粒與部分土壤性狀指標(biāo)為正相關(guān)，粗砂則為負(fù)相關(guān)。綜上所述，NH 處理通過對土壤細(xì)?；拇龠M(jìn)，增進(jìn)土壤養(yǎng)分聚集，提高土壤質(zhì)量，在5 種灌木中對于土壤質(zhì)量的改良有較大優(yōu)勢，最后的土壤質(zhì)量評價結(jié)果也證明了這一點。

3.2 不同灌木對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

已有的研究表明，在流動沙地上設(shè)立草方格并栽種固沙灌木，可以有效固定沙面，并隨著灌木的逐漸生長，其冠幅逐漸增大，產(chǎn)生的枯枝落葉逐漸增多，有效減弱了風(fēng)沙流的活動，使空氣中的塵埃及細(xì)粒物質(zhì)逐漸在地表沉積，并且固沙灌木的遮陰作用改變了表層土壤的水熱條件，最終通過一定年限的恢復(fù)，土壤表面開始出現(xiàn)結(jié)皮層，地表的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過腐殖化過程轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)使土壤中C、N、K 的含量逐漸增多，并隨著恢復(fù)年限的增長，效果愈加明顯[22]。土壤C、N、K 的含量是評價土壤質(zhì)量的重要指示性指標(biāo)。本研究中5 種灌木生態(tài)系統(tǒng)中堿解氮含量Y 處理最高，NH 處理最低。檸條和楊柴是豆科灌木，其根瘤菌能固定空氣中的氮素，激發(fā)土壤中微生物對有機(jī)物質(zhì)的分解[23]，進(jìn)而有利于土壤氮的積累。這與土壤質(zhì)量評價結(jié)果不同，原因可能有以下兩點，一是單一指標(biāo)的高低并不能代表整體土壤質(zhì)量的高低，二是檸條和花棒的競爭效應(yīng)可能會抑制堿解氮的積累。NH 處理土壤全碳含量較高，與土壤質(zhì)量評價結(jié)果相符合，原因在于NH處理表層土壤中微生物多樣性較高，各類微生物通過生理作用固定碳，促使其進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)，從而增加土壤養(yǎng)分含量[24]。5 種固沙灌木林地土壤全鉀含量個別有顯著性差異，其余都無顯著性差異。這種規(guī)律背后可能的原因有兩點，一是5 種固沙灌木林地對鉀含量的積累都有相似程度的效果，二是5 種固沙灌木樣地對鉀含量的積累都無較明顯的幫助，與治理前的流動沙地鉀含量的差異不大。這一假設(shè)與曹成有等[25]的研究結(jié)果相同。

相關(guān)性分析結(jié)果表明土壤顆粒組成與土壤化學(xué)性質(zhì)間有較強(qiáng)的相關(guān)性，其原因可能在于各粒徑土壤顆粒之間對植物營養(yǎng)元素的吸收和釋放表現(xiàn)出了不同的效果。不同大小的土壤顆粒化學(xué)成分各不相同，細(xì)小顆粒的化學(xué)組成中含有更多的營養(yǎng)元素，且化學(xué)性質(zhì)更為活躍。土壤顆粒在逐漸細(xì)?；^程中，包含有較多養(yǎng)分元素的細(xì)小顆粒逐漸增加，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量增加，土壤保肥能力增強(qiáng)[26]。

3.3 不同固沙灌木對土壤微生物多樣性的影響

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能轉(zhuǎn)化植物不能直接吸收的難溶性無機(jī)物，增加土壤肥力，在有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分的釋放和循環(huán)及改善土壤理化性質(zhì)中起著主導(dǎo)作用[27]，具有巨大的生物化學(xué)活力，影響生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)轉(zhuǎn)化。土壤質(zhì)量會隨著微生物多樣性的增加而逐漸改善，本研究中Y 處理細(xì)菌多樣性和微生物多樣性顯著低于其他4 種固沙灌木，其原因在于Y 處理林齡較短，但有機(jī)質(zhì)含量最高，土壤中纖維素和木質(zhì)素較多，利于真菌群落的生長[28]。而NH 處理真菌多樣性顯著高于其他4 種固沙灌木，其原因在于NH處理中有檸條和花棒兩種豆科灌木，其側(cè)生根也較為發(fā)達(dá)，導(dǎo)致根瘤菌大量存在，其次由于根瘤菌的固氮作用，使該處理下土壤營養(yǎng)較高，促進(jìn)了細(xì)菌群落的生長繁殖[4]。戴雅婷等[28]研究指出，土壤中細(xì)菌多樣性和真菌多樣性與土壤營養(yǎng)相關(guān)，細(xì)菌大量存在于營養(yǎng)較高的土壤中，徹底分解土壤有機(jī)質(zhì)，使木質(zhì)素和纖維素含量下降，抑制了真菌群落的生長，而在土壤養(yǎng)分降低的條件下，雖然土壤環(huán)境更為嚴(yán)酷，但放線菌菌絲體產(chǎn)生的孢子能使其生存下來，并且由于細(xì)菌數(shù)量被抑制，真菌的數(shù)量有一定的上升。本研究中細(xì)菌與真菌OTU 數(shù)量的差異支持了這一研究結(jié)果。

3.4 不同固沙灌木下土壤質(zhì)量評價

土壤質(zhì)量是土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合表現(xiàn)[7]。土壤質(zhì)量評價可采用的因子很多，一個統(tǒng)一的、無量綱的綜合指標(biāo)可以直觀表現(xiàn)土壤質(zhì)量的總體情況[11]。由于土壤質(zhì)地、研究地點、生態(tài)環(huán)境以及不同學(xué)者評價的目的性和針對性不同，土壤質(zhì)量評價仍沒有統(tǒng)一的評價模式[29]。本研究中，各固沙灌木下土壤性狀變化并不一致，采用隸屬函數(shù)結(jié)合因子分析法篩選取了有機(jī)碳、全碳、全氮、全磷、堿解氮、水分、極細(xì)砂粒、細(xì)砂粒、粗砂粒、電導(dǎo)率、速效鉀、全鉀、真菌OTU 數(shù)量、古菌OTU 數(shù)量、細(xì)菌OTU 數(shù)量及微生物OTU 數(shù)量16 個指標(biāo)，對毛烏素沙地南緣固沙恢復(fù)區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行了評價。從評價結(jié)果看，土壤質(zhì)量以NH 處理最高。檸條 × 花棒混交作為本研究地區(qū)的優(yōu)勢灌叢，結(jié)構(gòu)致密，為草本植物的恢復(fù)提供了保護(hù)，且微生物多樣性豐富，天然繁殖更新能力強(qiáng)，在自身生長發(fā)育的同時，為土壤提供了大量的有機(jī)物來源，因此，相對于流動沙地，檸條 × 花棒混交林的建植，改善了土壤各性狀指標(biāo)，提高了該地區(qū)風(fēng)沙土土壤質(zhì)量。

本研究中不同固沙灌木幾乎所有土壤指標(biāo)相較于CK 處理都發(fā)生顯著變化，原因在于，人工固沙區(qū)灌木植被建植后，通過增加地表粗糙度、加大對大氣降塵的截獲，導(dǎo)致土壤黏粉粒含量增加，對土壤養(yǎng)分保護(hù)作用增強(qiáng)[30]。灌木植物通過根系更新過程中的分解、對土壤顆粒的纏結(jié)和自身分泌物的釋放，以及凋落物的積累，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成，為土壤微生物提供了適宜的生存環(huán)境[31]，進(jìn)一步加快土壤養(yǎng)分的積累，形成了“肥島”效應(yīng)[5]，導(dǎo)致人工灌木林地土壤養(yǎng)分、土壤微生物多樣性的提高和土壤物理結(jié)構(gòu)的改善。5 種人工固沙灌木對土壤質(zhì)量改良的效果各不相同，主要由于根系分泌物、凋落物物質(zhì)組成和數(shù)量不同及灌木群落形成的微環(huán)境差異[32]，各種類土壤微生物對不同灌木微環(huán)境的選擇適應(yīng)性差異，以及土壤的“肥島”效應(yīng)對不同灌木群落響應(yīng)的差異。對5 種人工固沙灌木的土壤質(zhì)量評價為當(dāng)?shù)剡M(jìn)行沙地土壤質(zhì)量評價提供了方法和指標(biāo)的借鑒，評價結(jié)果對該區(qū)生態(tài)修復(fù)具有重要的實踐指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

檸條 × 花棒混交和純檸條均可以顯著改善土壤物理結(jié)構(gòu)，增加土壤全碳含量和養(yǎng)分含量，其中檸條 × 花棒混交提高了細(xì)菌的OTU 數(shù)量。

隸屬函數(shù)結(jié)合因子分析法評價的土壤質(zhì)量綜合得分為檸條 × 花棒混交 ＞ 純檸條 ＞ 花棒 × 沙拐棗混交 ＞ 檸條 × 沙拐棗混交 ＞ 純楊柴，檸條 × 花棒混交處理土壤質(zhì)量評價得分最高，最有利于提高固沙區(qū)土壤質(zhì)量。