不同铺设年限沙柳沙障土壤养分的变化

赵 晨，高 永*，党晓宏，2，王瑞东，杨晓杰，王 浩

（1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010018；
2.内蒙古杭锦旗荒漠生态定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 017400）

植物沙障是荒漠化防治过程中的关键措施[1]，在沙漠环境中，原有地表土壤物质松散，通过利用植物茎或枝条制成的沙障，来增加地表粗糙度，进而改变近地表的风沙流结构，从而达到防风固沙的目的。从20世纪50年代至今，治沙人在荒漠化防治中逐步积累经验，发明出多种防沙治沙技术，其中利用植物沙障来治理荒漠化技术逐渐发展成熟[2-4]。沙柳（Salix psammophila）作为库布齐沙漠典型的中旱生落叶灌木[5]，其本身对恶劣环境有着较强的适应能力，较其它植物相比有着出众的抗风蚀、沙埋能力，具有生长速度快、繁殖方式简单、成活率高、耐寒耐旱这些优良的特性，且就地取材，成本不高，因此在保持水土、防沙治沙和植被恢复等方面被广泛应用[6-8]。由于沙柳典型的生物学特性，因此利用沙柳的茎制作成沙障，具有很好的固沙作用，从而为植物的生长提供适宜的土壤环境。

沙柳沙障作为一种常见的治沙措施被广泛应用于库布其地区。目前，国内关于沙柳沙障的研究主要是沙柳沙障对土壤的改良、沙柳沙障不同的铺设方式以及沙柳沙障防风效能等方面。如李红丽等[9]对沙柳沙障铺设后的土壤粒径进行研究，表明铺设沙柳沙障后土壤中粉粒和黏粒含量均有增加，土壤颗粒分形维数增大。周丹丹等[10]对不同坡位、不同规格的沙柳沙障内植被恢复情况研究发现2 m×2 m规格的沙柳沙障更利于植被恢复，植被的生长情况与障格规格之间存在相关性，障格中间由于风沙流活动频繁，从而使障格中间产生凹曲面，反而不利于植被生长。高菲等[11]和张志伟等[12]对沙柳沙障铺设后的土壤养分研究发现，设障年限的增加对土壤SOC和TN含量有着显著的影响。但是以上研究只是针对设障后某一时段内的土壤养分及化学计量比特征进行研究，缺乏多个年限间的对比，这样才能找到养分变化的关键转折点，土壤养分的含量应是一个动态变化的过程。

基于此，本研究以库布齐穿沙公路两侧不同铺设年限的沙柳沙障稳定沙埋部周际土壤为研究对象，通过野外调查取样和室内分析，对沙柳沙障稳定沙埋部周际土壤含水率、土壤C、N、P含量以及生态化学计量比特征等进行研究，分析设障7 a内的养分变化趋势，找到养分变化的转折点，以阐明养分变化与设障年限之间的相关关系，旨在为沙柳沙障治理后区域内土壤质量评价提供基础数据和科学依据。

1.1 研究区概况

本实验区位于库布其沙漠东南缘（106°55′16″～109°16′02″E，39°22′33″～40°52′14″N），地处鄂尔多斯市杭锦旗一带，该区域属于温带半干旱大陆性季风气候，年平均降水量186 mm，年均潜在蒸发量为2 498.7 mm。极端最高气温38.1℃，极端最低气温在-30.5℃，年平均气温6.3℃。年日照时间为32 115 h，无霜期135 d。年平均风速3.2 m/s，主风向为南、东南风。试验点主要布设在固定沙地，该区域无人为活动干扰。土壤类型为风沙土，地表土壤疏松，土壤发育程度较低，土壤养分贫瘠。研究区主要以坡度为10～12°的流动沙丘为主，其形态多为格状沙丘、复合型沙丘。主要沙丘植被类型包括：沙柳（Salix psammophila）、黑沙蒿（Artemisia or⁃dosica）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、虫实（Cori⁃spermum hyssopifolium）和芨芨草（Achnatherum splen⁃dens）等，为了防护穿沙公路免受流沙的影响，保证通行，公路两侧均采用半隐蔽式方格沙柳沙障以固定过境风沙流。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选取

在研究区内选择沙丘高度、走向等沙丘属性相对一致的设置不同年限沙柳沙障的沙丘作为实验沙丘，挑选较为平坦的7块样地，设障年限为2014—2020年，设障所用枝条均为死枝条，设障方式采用半隐蔽式，设障规格为1 m×1 m。

1.2.2 样本采集与处理

土壤样品采集时间为2021年5月19日，采用“空间代替时间法”进行取样，对沙柳沙障内土壤按照图1所示进行采样[13]，由于实验区风沙活动频繁，导致表层土壤扰动较大，所以使用铲子去掉表层土壤，对沙柳沙障稳定沙埋部土壤进行取样，取样时紧贴障体沙埋部，距离地面20 cm处，距离障体5 cm处设置东南西北4个取样点，即图1所示A、B、C和D，根据课题组前期研究发现障格中心与障体周际土壤养分存在显著差异[14]，因此将4个方向样品混为一个实验样。并在每个设障年限同一等高线位置间距为2 m的区域设置3个重复，即下图1所示，每个沙丘取样9个，共计取样63个。使用已称取质量的铝盒装土壤样品大约100 g盖好后称重，并带回实验室使用烘干法测定土壤的含水率，自封袋密封保存土壤约500 g，自封袋的土壤在室内自然阴干，过2 mm土壤筛预处理去除地表杂物备用，测定土壤有机质、氮、磷和钾等相关指标。

1.2.3 样品测定方法

土壤pH采用pH计（starter 3100）测定[15]；
SOC采用重铬酸钾外加热法测定[16]27；
TN采用凯氏定氮法进行测定[16]42；
TP采用高氯酸－硫酸消解钼锑抗比色法测定[16]74。土壤含水率采用烘干法测定[16]22；
土壤碱解氮测定采用碱解扩散法测定[16]56；
土壤速效磷测定采用0.5 mol/LNaHCO3法[16]81；
土壤速效钾测定采用NH4OAc浸提-火焰光度法[16]106。

1.3 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2016对处理后的土壤数据进行计算整理，土壤养分、生态化学计量比为质量比。采用一般线性模型分析随着铺设年限增加对土壤理化性质和化学计量比的变化。用SPSS 26.0对土壤养分以及生态化学计量比做单因素方差分析，采用Pearson相关分析对土壤养分各指标进行分析。采用Origin 2018作图。

2.1 不同铺设年限沙柳沙障周际土壤养分的比较

由图2可知，沙柳沙障周际土壤养分随着铺设年限的增加呈现出不同的变化趋势。其中，土壤含水率随着设障年限的增加呈现出先减后增再减的规律，设障1 a时土壤含水率达到最大值，为3.47%；
在设障3 a内土壤含水率逐年降低，设障3 a时含水率为2.42%，对比设障1 a含水率降低了29.36%。在设障3 a到设障5 a间土壤含水率总体呈现上升趋势，设障5 a土壤含水率达到一个峰值，为3.02%，比设障1 a土壤含水率减少了11.90%，比设障3 a土壤含水率增加了19.81%，可以看出设障3、5 a为含水率变化的转折点。土壤pH随着设障年限的增加呈先增后减再增的变化趋势，设障5 a时土壤pH稍有下降后趋于稳定，总体土壤环境表现为弱碱性。碱解氮含量随着设障年限的增加呈现先减后增的趋势，设障1 a时碱解氮含量最高，设障前3 a有波动变化，设障第3年时碱解氮比设障2 a增加了37.10%，设障5 a碱解氮含量最低为9.33 mg/kg，比设障3 a含量减少了49.66%，设障5 a之后碱解氮含量趋于稳定。速效磷含量随着设障年限的增加呈现先增后减的趋势，设障3 a后速效磷含量开始提升，到了设障第4年达到最大值为6.43 mg/kg，比设障第3年速效磷含量提高了13.55%，设障第5年比设障4 a速效磷含量降低了9.26%，之后速效磷含量趋于稳定。沙柳沙障沙埋部周际土壤速效钾含量随着设障年限增加呈现先减后增趋势，设障第4年的速效钾含量比设障第3年增加了16.75%，设障第5年比设障第4年降低了29.32%，设障5 a后速效钾含量逐渐降低。

图2 不同铺设年限沙柳沙障沙埋部周际土壤理化性质Figure 2 Physical and chemical properties of soil around the buried part of Salix psammophila sand barrier in different setting years

沙柳沙障沙埋部周际土壤SOC、TN含量随着设障年限的增加呈现逐年增加趋势，设障6 a比设障5 a SOC含量下降了10.56%，设障7 a时达到最大值，比设障5 a时SOC含量增加15.25%，TN含量逐年增加，设障5 a时达到最大值为0.08 g/kg，之后趋于稳定。沙柳沙障沙埋部周际土壤TP含量随着设障年限增加呈现先减后增的趋势，设障3 a时TP含量最低为0.32 g/kg，比设障2 a时减少了27.78%，之后TP含量有所上升。设障5 a时TP含量达到最大值为0.51 mg/kg。设障6 a比设障5 a TP含量减少了25.40%，之后逐渐趋于稳定。

随着设障年限的增加，沙柳沙障沙埋部周际土壤速效磷、SOC和TN含量随着设障年限变化均呈逐年增加的变化趋势，含水率、碱解氮、速效钾和TP含量随着设障年限变化呈先减后增的趋势。沙柳沙障沙埋部周际土壤养分在设障3 a和5 a时是养分变化的关键点。

由表1可知，各铺设年限沙柳沙障沙埋部周际土壤pH、速效磷和速效钾均属于弱变异，SOC、TN和TP均属于中等变异，且变异系数随着铺设年限的增加逐渐减小。

表1 不同设障年限沙柳沙障周际土壤养分及其生态化学计量比变异系数Table1 Variability coefficient of soil nutrients and their eco-stoichiometric ratio in the peri-Salix psammophila barrier with different setting years %

2.2 不同铺设年限沙柳沙障周际土壤C、N和P生态化学计量特征

从图3可以看出，沙柳沙障沙埋部周际土壤C、N和P生态化学计量比随着铺设年限的增加存在较大差异。

图3 不同铺设年限沙柳沙障稳定沙埋部周际土壤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

设障1～7 a内土壤C∶N变化范围为10.72～21.06，在设障第2年时达到最大值为21.06，之后开始下降，设障5 a后C∶N与铺设1 a减少了47.81%，以后逐渐趋于稳定。

设障1～7 a内土壤C∶P变化范围为1.68～2.78，初期随着设障年限增加呈上升趋势设障3 a达到最大值为2.78，比设障1 a时增加了65.20%，之后开始下降，在设障5 a时C∶P最低点为1.82，设障6 a时C∶P回升，相比设障5 a时增加了20.53%，以后趋于稳定。

设障1～7 a内土壤N∶P变化范围0.09～0.21，随着设障年限增加呈上升趋势，在设障3 a时达到最大值为0.21，比设障1 a时增加112.27%，之后开始下降，到设障5 a时有所回升，设障6 a后趋于稳定。

2.3 沙柳沙障周际土壤养分和C∶N∶P化学计量特征与设障年限的关系

由前述结果可知，沙柳沙障周际土壤养分和C∶N∶P化学计量比随着设障年限的增加，会发生很大的变化。其中，设障年限对土壤含水率、速效钾、SOC、TN、C∶N和N∶P均有显著影响（P<0.05）。土壤含水率、速效钾含量与C∶N随着设障年限的增加呈现显著负相关，SOC、TN和N∶P随着设障年限的增加呈现显著以及极显著正相关。

研究区所处于库布其沙漠东南缘，穿沙公路两侧生态环境脆弱敏感区，该区域频繁受到风沙流活动的影响，土壤颗粒组成结构多变，总体表现为土壤养分贫瘠[11]。但是随着沙柳沙障的铺设，改变了土壤下垫面性质，增加了地表粗糙度，从而使风沙流结构、地表蚀积状态发生变化，有效地降低了近地表层风速及输沙强度，减缓了障格内沙粒的运动频率，使流沙表面得以稳定，为沙障内植被的生长恢复提供稳定的外界环境[18-19]。随着沙障内植物组成的不断增加，丰富了土壤微生物群落，从而加快土壤物质的转化与能量的循环，这就使得土壤养分状况得到改善。由于设障年限的不同，土壤养分的改善情况也会有所不同，这与本研究相符，随着沙柳沙障铺设年限的增加，土壤养分也会发生不同程度的变化结果相一致[20]。

土壤水分是制约沙区生态环境的关键因子，直接或间接决定着沙地植被恢复的进展与成效[21]。研究区整体土壤含水率在1.90%～3.47%，随着设障年限的增加土壤含水率呈现缓慢逐年递减趋势，该结果与张志伟等[11]的研究设置沙柳沙障有利于提高土壤含水率的结果相悖。从图2可以发现沙柳沙障铺设第2年与第1年相比土壤含水率有微弱提升，而在设障第3年开始下降，从王文彪等[22]研究发现库布其地区半隐蔽式沙柳沙障有增强沙丘土壤表面保持水分的能力，为后期植物生长提供一定的水分条件，但是半隐蔽式沙障保持水分能力相对于其他类型沙障较弱。土壤含水率的变化是由于设障2 a后固沙先锋植物开始在障格生长，从土壤中消耗一定量的土壤水分[23]，这可能是导致土壤含水率降低的因素之一，该结果有待于进一步论证。

在铺设沙柳沙障后，障格内土壤pH值随着设障时间的增加而呈现降低的趋势，在设障第3年和设障第5年是两个波谷。可以发现沙障铺设前期对土壤pH有明显的改善作用，而设障5 a后对pH的影响微乎其微，说明超过一定时间范围，沙障对于土壤pH的影响就会变得很弱，这与靳灵娜等[24]的研究结果相同。土壤速效养分在设障3～5 a间发生起伏变化，在设障5 a后均趋于稳定状态。设障初期尚不具备植被生长的条件，主要是障格内土壤粒径变化，由于沙障的设置，会使障格内形成凹曲面，土壤细粒物质得以积累，使得设障初期速效养分有一定程度的增加，设障2 a后随着先锋植被的进入，会对养分产生一定需求，随着设障年限的增加，障体也会产生不同程度的破损，加之微生物对破损障体的分解作用，也会释放出一定养分补给土壤，而设障5 a后则整体基本趋于稳定状态。

通过分析不同设障年限沙柳沙障沙埋部周际土壤C∶N、C∶P和N∶P发现，其三者比值均相对稳定，说明C∶N在整个积累过程中具有相对固定的比值，因此C∶N相对稳定，相关分析中SOC与TN呈显著正相关关系同样也证明了这点。朱秋莲等[25]研究发现SOC分解速率与C∶N成反比。本研究区沙柳沙障稳定沙埋部周际土壤C∶N较低，表明土壤有机质的分解速率大于积累速率，说明库布其的气候条件与周围土壤环境不利于沙障养分的积累。因为该地区频发的风沙强烈，每年输入的有机质来源只有少许恢复性植被的枯落物以及障体随着设障年限增加障体产生腐朽破损，可输入有机质渠道与含量均较少，土壤C含量较低[26]。C∶P是表示磷有效性的特征参数，其数值越低，表示土壤磷元素有效性越高[27]。研究区土壤C∶P值在1.68～2.78之间变化，远低于全国平均水平，表明沙柳沙障周际土壤P有效性较高[28]，土壤P为净矿化。N∶P是土壤氮饱和度的评价指标。本研究区N∶P较低，远小于1，表明该地区土壤氮的限制作用大于土壤磷的限制作用。土壤TP的主要来源是土壤母质，还有一部分是来源于枯落物归还土壤的磷，磷元素属于地表沉积性元素[29-30]。由于土壤N含量较低，而P含量相对来说较高，因此土壤中N∶P较低。本研究还发现土壤C∶N∶P化学计量比与设障年限的增加有明显的规律性，在设障第3年与第5年是变化的转折点。

表2 设障年限对沙柳沙障周际土壤C∶N∶P化学计量比的影响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动和循环的载体，对土壤养分含量和植物生长有着重要的作用。由表3可知沙柳沙障稳定沙埋部周际土壤SOC、TN、TP及其生态化学计量比和土壤含水率相关性并不显著，但此结果不能说明土壤养分变化及生态化学计量比与土壤含水率之间没有关系，因为土壤养分及其生态化学计量比变化的内稳性是适应环境长期积累下来的结果[26]。研究区沙柳沙障稳定沙埋部周际土壤pH与SOC、TN、TP含量及其生态化学计量比相关性不显著（P>0.05），说明pH的变化对土壤养分的影响比较微弱[31]，对土壤中碳氮的积累影响较小。土壤中SOC、TN含量与土壤C∶N、C∶P均呈现显著或极显著相关，说明SOC、TN是调控沙柳沙障周际土壤生态化学计量比的主要因素。

表3 沙柳沙障周际土壤理化性质与生态化学计量之间的关系Table3 Relationship between physical and chemical properties of soil around Salix psammophila barrier and ecological stoichiometry

①铺设1～7 a的沙柳沙障对土壤养分含量的变化具有显著影响（P<0.05）。设障前2 a土壤含水率显著高于之后的5 a；
pH值总体表现为弱碱性；
土壤速效磷、速效钾养分设障1～3 a内呈现先增后减，碱解氮呈先减后增，设障5 a后，土壤速效养分趋于平稳状态。

②沙柳沙障稳定沙埋部周际土壤SOC、TN含量随设障年限呈逐年增加的趋势，设障5 a后SOC、TN含量趋于稳定；
TP含量呈现先减后增的趋势，在设障3 a时TP含量为最低点，设障5 a时TP含量为最高点，设障3 a和设障5 a是TP含量变化的拐点；
随着设障时间的增加沙柳沙障周际土壤SOC、TN和TP均属中等变异。

③沙柳沙障周际土壤理化性质和C∶N∶P化学计量比均受着设障年限的影响。随着设障年限的增加对SOC和TN均有显著影响（P<0.05），设障年限的变化对土壤含水率、C∶N和N∶P有明显的影响。沙柳沙障各土壤养分之间及其生态化学计量比之间存在不同程度的相关关系。其中SOC、TN与C∶N、C∶P均呈显著或极显著相关，说明SOC、TN是影响沙柳沙障土壤生态化学计量比的主要因素。沙柳沙障铺设3、5 a是养分变化的重要转折点，建议在设障3、5 a时多注意养护，防止沙障破损导致养分的流失。

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