庫(kù)布齊沙漠沙棗防護(hù)林土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量特征

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(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古氣象科學(xué)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(qū)動(dòng)作用［1］，土壤養(yǎng)分元素以能量流動(dòng)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(xué)計(jì)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(gòu)［3］，側(cè)重以C、N、P 等元素含量及比值為主的化學(xué)計(jì)量，被廣泛應(yīng)用于種群動(dòng)態(tài)、植物生長(zhǎng)狀況、土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)、限制元素指標(biāo)及生態(tài)系統(tǒng)平衡與穩(wěn)定等研究領(lǐng)域［4］。土壤中的C、N、P等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收是植物為維持自身正常生理活動(dòng)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(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的研究熱點(diǎn)之一［5］。人工營(yíng)造防風(fēng)固沙林是干旱荒漠區(qū)生態(tài)恢復(fù)的主要手段，也是我國(guó)荒漠化防治應(yīng)用最廣泛的措施之一。但自防護(hù)林工程實(shí)施以來(lái)，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(wèn)題不斷出現(xiàn)［6］，其對(duì)土壤養(yǎng)分的影響逐漸受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［7］。

沙棗（Elaeagnus angustifolia）是我國(guó)的優(yōu)良水土保持樹(shù)種之一，屬胡頹子科（Elaeagnaceae）的亞喬木。沙棗凈光合速率較大，對(duì)干旱環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，可以有效降低風(fēng)速、抵抗風(fēng)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(yīng)用［8］。武海雯等［9］的研究表明沙棗對(duì)貧瘠環(huán)境有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，耐鹽堿的同時(shí)能夠提高土壤N含量，具有突出的培肥效果；陳孔飛等［10］對(duì)不同鹽漬化程度沙棗防護(hù)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(duì)鹽堿地沙棗林土壤化學(xué)特性的分析結(jié)果表明，隨沙棗林生長(zhǎng)期不同鹽堿地土壤養(yǎng)分變化顯著。綜上所述，目前對(duì)于沙棗防護(hù)林對(duì)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(duì)于其改良風(fēng)沙土效果方面的研究相對(duì)欠缺。

基于此，本文通過(guò)對(duì)庫(kù)布齊沙漠東北緣不同林齡沙棗防護(hù)林土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行綜合分析，旨在揭示不同營(yíng)建年限沙棗防護(hù)林土壤養(yǎng)分分布及其土壤化學(xué)計(jì)量特征，以期為庫(kù)布齊沙漠東北緣荒漠人工防護(hù)林的可持續(xù)利用提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

庫(kù)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(xiāo)，107°10′～111°45′E（圖1）。研究區(qū)為中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降雨強(qiáng)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(fēng)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(lèi)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(shù)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(diào)查 于2020年8月初在庫(kù)布齊沙漠東北緣，選擇不同營(yíng)建年限（2005年、2011年、2017年）的沙棗防護(hù)林為樣地，分別調(diào)查樣地內(nèi)沙棗防護(hù)林的株高、冠幅、株行距等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算不同林齡沙棗林的平均株高、平均冠幅，以計(jì)算結(jié)果為參照選擇一塊有代表性的30 m×30 m 的標(biāo)準(zhǔn)樣地，實(shí)驗(yàn)共選取3 a、9 a、15 a樹(shù)齡3塊標(biāo)準(zhǔn)樣地，選取裸沙地作為對(duì)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(cè)定

（1）土樣采集

于2020 年8 月中旬進(jìn)行土壤樣品采集，在選擇的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按“品”字狀隨機(jī)布置3 個(gè)土壤取樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室置于通風(fēng)處干燥，刨去植物根系殘留、碎石后分別過(guò)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(cè)定。

（2）土壤養(yǎng)分測(cè)定

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

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

利用Excel 2019 篩選、整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，后經(jīng)SPSS 23加以分析，通過(guò)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(xué)計(jì)量比差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡沙棗防護(hù)林土壤pH分布特征

由圖2可知，不同林齡沙棗防護(hù)林土壤pH值在7.90～8.97 之間波動(dòng)，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(shì)，且各林齡土壤pH 存在顯著差異（P＜0.05）；在40～50 cm 土層，當(dāng)營(yíng)建年限為9 a、15 a時(shí)，沙棗林地土壤pH顯著高于3 a和裸沙地（CK）。營(yíng)建年限為3 a時(shí)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(hù)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(hù)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(hù)林土壤TN 含量隨著林齡增大整體呈上升趨勢(shì)，沿土壤剖面自上而下呈現(xiàn)垂直遞減的變化特征。營(yíng)建年限為15 a 各土層TN 含量遠(yuǎn)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(dòng)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(shì)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(hù)林地土壤AN含量顯著高于對(duì)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(duì)照而言增幅明顯，3 a較對(duì)照分別增加274.4%、77.8%，9 a林齡較對(duì)照分別增加292.0%、144.4%；相較于對(duì)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(shì)。

圖3 不同林齡沙棗防護(hù)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(shì)，9 a、15 a 林齡沙棗防護(hù)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(shì)。土壤AP含量隨林齡和土層的分布規(guī)律與TP 類(lèi)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(wú)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(hù)林土壤AP含量降低趨勢(shì)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(hù)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(guò)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(shì)。15 a 林齡各土層TK 含量顯著高于3 a、9 a及對(duì)照，且相對(duì)于對(duì)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(hù)林營(yíng)建年限為9 a、15 a 時(shí)，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(dòng)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(duì)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(hù)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(jī)質(zhì)（SOM）含量 由圖6可知，防護(hù)林營(yíng)建年限為9 a、15 a時(shí)，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(duì)照，且分別較對(duì)照增加37.69%、71.98%。

圖6 不同林齡沙棗防護(hù)林土壤有機(jī)質(zhì)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(hù)林土壤化學(xué)計(jì)量特征

2.3.1 土壤C:N 通過(guò)圖7可知，不同林齡沙棗防護(hù)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(shì)，營(yíng)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(shì)。

圖7 不同林齡沙棗防護(hù)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(hù)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(shì)，15 a 林齡較3 a、9 a 沙棗防護(hù)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(yíng)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(hù)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(hù)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(dòng)，呈現(xiàn)出先減后增的分布趨勢(shì)，表明林齡對(duì)表層土壤N:P 影響較大（P＜0.05）。營(yíng)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(hù)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(duì)沙棗防護(hù)林土壤pH及養(yǎng)分的影響

沙棗作為中國(guó)北方的水土保持優(yōu)良樹(shù)種之一，對(duì)環(huán)境的耐受能力極強(qiáng)，其生長(zhǎng)條件幾乎不受堿性土壤限制［9］。本研究中，各林齡沙棗防護(hù)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(shì)，可能是由于沙棗生長(zhǎng)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(shè)、發(fā)展、演替過(guò)程積累的結(jié)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(dòng)物殘?bào)w等分解成有機(jī)物、速效養(yǎng)分等［17］。在庫(kù)布齊沙漠東北緣建設(shè)沙棗防護(hù)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(kù)布齊沙漠東邊緣水分條件較中西部?jī)?yōu)越，其主要以防止流沙南侵、北擴(kuò)和東移為治理目標(biāo)，本研究在庫(kù)布齊沙漠東北緣建設(shè)沙棗防護(hù)林后，一方面隨樹(shù)齡增長(zhǎng)、沙棗冠幅對(duì)風(fēng)沙攔截作用加強(qiáng)，地表經(jīng)枯落物覆蓋，降低近地表風(fēng)速，減輕地表風(fēng)蝕，且植被殘?bào)w具有涵養(yǎng)水源的作用，從而補(bǔ)充土壤水分的同時(shí)能夠有效固定流沙；另一方面，幼齡沙棗防護(hù)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(shù)齡增大，攔截殘落物作用加強(qiáng)，林下草本植物逐漸恢復(fù)，枯落物歸還量大，生物小循環(huán)作用逐漸加強(qiáng)，促進(jìn)了枯落物的轉(zhuǎn)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(jié)論也與此結(jié)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(shì)，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(jié)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(dòng)，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(zhì)地、地形、植被類(lèi)型等因素的影響［20］，沙棗林的建設(shè)，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(qiáng)烈，為有機(jī)質(zhì)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(duì)深層土壤影響作用較?。?2］。土壤C、N 主要來(lái)源于有機(jī)質(zhì)分解，而鉀素的表聚性可能與土壤蒸發(fā)、根系結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)［23］。

3.2 不同林齡對(duì)沙棗防護(hù)林土壤化學(xué)計(jì)量特征的影響

土壤C:N、C:P、N:P作為判定土壤質(zhì)量狀況的指標(biāo)，在一定水平上可體現(xiàn)出土壤有機(jī)質(zhì)分解速率和土壤氮素礦化速率，從而影響防護(hù)林的生長(zhǎng)［24］。本研究中沙棗防護(hù)林土壤C:N 均值（9.25～18.99）高于全國(guó)土壤平均水平（12.30）［25］，林齡為3 a 沙棗防護(hù)林各土層C:N 顯著高于9 a、15 a，這表明3 a 沙棗防護(hù)林土壤氮素缺乏，微生物生理活動(dòng)受限，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程變緩，氮素礦化能力不足，不利于植物吸收養(yǎng)分［26］。該結(jié)論與楊霞等［27］研究結(jié)果有所差異，推測(cè)是氣候、土壤類(lèi)型、植被等多方面要素綜合作用的結(jié)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(biāo)，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(yuǎn)小于全國(guó)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(qiáng)，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(biāo)［30］，當(dāng)N:P＜10 時(shí)受N限制，N:P＞20 時(shí)受P 限制［31］。研究區(qū)沙棗林土壤N:P均值為0.31～0.63，結(jié)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(yuǎn)大于P，因?yàn)橥寥繮一方面來(lái)源于有機(jī)物質(zhì)的分解，另一方面還可通過(guò)母巖分化得以補(bǔ)充［4］。綜上分析表明，庫(kù)布齊沙漠東北緣沙棗防護(hù)林生長(zhǎng)主要受C、N 元素限制。營(yíng)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(shì)，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(hù)林能夠有效促進(jìn)風(fēng)沙土土壤肥力恢復(fù)，后期對(duì)沙棗防護(hù)林撫育管理中，采用人工更新復(fù)壯技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)施加氮肥，補(bǔ)充土壤N元素。

4 結(jié)論

本研究選取庫(kù)布齊沙漠東北緣3 個(gè)不同林齡（3 a、9 a、15 a）沙棗防護(hù)林的土壤養(yǎng)分以及土壤化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：

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

（2）不同林齡沙棗防護(hù)林土壤養(yǎng)分隨林齡增大呈上升趨勢(shì)，隨土層深度逐層遞減。其中，林齡對(duì)土壤AK、TP、TK 的影響相對(duì)于其他養(yǎng)分指標(biāo)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(hù)林營(yíng)建年限的延長(zhǎng)，土壤環(huán)境顯著改善。

（3）林齡和土層深度對(duì)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(kù)布齊東北緣沙棗防護(hù)林生長(zhǎng)的主要限制因子，N 素缺乏是影響沙棗防護(hù)林養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵因素，建議在進(jìn)行沙棗林地管理時(shí)適當(dāng)補(bǔ)充氮素含量，提高土壤肥力，為沙棗防護(hù)林的生長(zhǎng)提供有利的土壤條件。