梁鈺鎂，高 永,2，蒙仲舉,2，韓彥隆,2，王瑞東，段曉婷

沙柳沙障腐爛過程對土壤碳氮磷化學(xué)計量特征的影響

梁鈺鎂1，高 永1,2※，蒙仲舉1,2，韓彥隆1,2，王瑞東1，段曉婷1

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010010；2. 荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國家林業(yè)局重點(diǎn)實驗室，呼和浩特 010010）

探究沙柳沙障腐爛過程對土壤碳氮磷化學(xué)計量特征的影響，有助于深入了解荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分循環(huán)及土壤有效性。該研究以布設(shè)1、3、5、7、9 a的沙柳沙障為研究對象，通過原位取樣與指標(biāo)測定，探究影響土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量特征的主要環(huán)境因子。結(jié)果表明：沙柳沙障腐爛過程障體化學(xué)組分顯著降低（<0.05），土壤含水率和堿解氮（Available Nitrogen，AN）得到改善，-1,4-葡萄糖苷酶（-1,4-glucosidase，BG）和-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（-1,4-N-acetylglucosidase，NAG）活性于5 a時達(dá)到峰值；碳磷比和氮磷比在設(shè)障之后的5 a中顯著增加，5 a時分別是1 a的1.83和1.76倍，而9 a的碳氮比較1 a顯著增加了41.20%（<0.05）；碳磷比和氮磷比與可溶性有機(jī)碳、堿解氮、全氮和BG呈顯著正相關(guān)，但碳氮比與NAG、纖維素和木質(zhì)素呈顯著負(fù)相關(guān)，其僅與質(zhì)量損失率呈顯著正相關(guān)（<0.05）；冗余分析研究結(jié)果進(jìn)一步證實，纖維素和質(zhì)量損失是影響土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量的主導(dǎo)因子。沙柳沙障的腐爛過程能夠提高土壤碳氮磷含量，在輔助于沙漠地區(qū)植被恢復(fù)的過程中可作為長期有效的治理措施。

沙障；土壤；碳；氮；磷；化學(xué)計量特征；防風(fēng)固沙

0 引 言

碳、氮和磷是生態(tài)系統(tǒng)中3種重要的營養(yǎng)元素，對植物生長和功能發(fā)育具有至關(guān)重要的作用[1]，其元素化學(xué)計量比反映了陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳氮磷和其他元素循環(huán)的耦合關(guān)系。研究表明，土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計量往往受到植被覆蓋類型[2]、土壤類型及其基質(zhì)的影響而發(fā)生變化[3-4]。植物殘體及凋落物的腐解作用對土壤C、N和P的含量有直接影響，同時，凋落物與土壤C、N、P的化學(xué)計量比之間也存在強(qiáng)烈的聯(lián)系[5]。因此，明確有機(jī)體在腐爛分解過程中土壤元素化學(xué)計量特征的變化，對研究生物地球元素化學(xué)循環(huán)極為重要。

沙柳沙障是中國干旱半干旱區(qū)在流沙治理中廣為采用的生物工程措施，其將平茬的沙柳枝條作為沙障原材料，可以就地取材、施工便捷[6]。推廣多年以來，沙柳沙障防風(fēng)固沙效果顯著，能夠有效攔截過境風(fēng)沙流、增加地表粗糙度、降低風(fēng)速[7-8]。然而，沙障在風(fēng)沙防護(hù)過程中易受到沙埋現(xiàn)象[9]，障體沙埋段由于長期處于沙埋環(huán)境，不規(guī)律地受到水分吸解而發(fā)生濕脹和干縮現(xiàn)象，同時受到微生物分解作用而發(fā)生腐爛，導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破裂、功能受損[10-11]。之前的研究表明，沙柳沙障隨腐爛程度的加劇真菌物種組成及多樣性增加，且優(yōu)勢菌群受到多種腐化因子的綜合影響[11]；還有研究表明，隨時間的延長障體質(zhì)量損失率增加、木質(zhì)纖維素等化學(xué)成分降低[12-13]。近年來，研究者開始關(guān)注沙柳沙障腐爛過程對土壤、微生物生物量及酶活性的影響，研究表明，土壤微生物量碳氮磷含量均于7 a時達(dá)到峰值，土壤堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性也呈現(xiàn)出規(guī)律性變化[14]；沙障的自然分解可以將機(jī)體內(nèi)部的C、P和K等營養(yǎng)元素釋放到土壤中[13]；障體的布設(shè)能夠改變土壤粒徑，增加有機(jī)碳含量[15]。因此，同時結(jié)合腐爛特性、土壤理化性質(zhì)和胞外酶活性來探究沙柳沙障腐爛過程對土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量特征的影響，有助于深入了解荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分循環(huán)及土壤有效性。

基于此，本研究以布設(shè)1、3、5、7和9 a的沙柳沙障為研究對象，通過野外原位取樣和測定基本指標(biāo)，結(jié)合障體腐爛特性、土壤養(yǎng)分含量和胞外酶活性的變化，分析沙柳沙障在腐爛分解過程對土壤碳氮磷含量及化學(xué)計量特征的影響，揭示土壤碳氮磷化學(xué)計量與障體腐爛特性和土壤性質(zhì)之間的關(guān)系，對理解沙柳沙障腐爛及荒漠生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于庫布齊沙漠東南緣（40°36′14′′N，108°42′16′′E），地屬內(nèi)蒙古鄂爾多斯市獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)。該地區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥，年平均降水量258.3 mm，年均潛在蒸發(fā)量2 400 mm，年均日照時數(shù)為3 193 h，年均氣溫6.1 ℃，極端低溫?30.5 ℃，極端高溫38.1 ℃，無霜期135 d，平均風(fēng)速4.4 m/s，年風(fēng)沙活動天數(shù)為45～75 d，主要集中在3－5月，盛行西北風(fēng)和西風(fēng)。地貌類型為流動沙丘、半流動沙丘及固定沙丘，沙丘高度為10～60 m，較為平緩的沙地占10%，半固定沙地占30%，其余為流動性沙地[16]。土壤類型為風(fēng)沙土，地表疏松養(yǎng)分貧瘠。植被類型主要包括：沙柳（）、黑沙蒿（）、沙米（）、蟲實（）等。

1.2 試驗設(shè)計與樣品采集

所有的試驗樣地范圍內(nèi)均為當(dāng)?shù)氐牧謽I(yè)部門布設(shè)于穿沙公路兩側(cè)的沙柳沙障，地勢相對平坦，樣地間直線距離≤1.5 km，受到相似氣象條件（大風(fēng)、日照輻射、降水等）的影響。與當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門了解詳細(xì)情況后，獲悉了準(zhǔn)確的布設(shè)年限。試驗樣品采集于2021年7月，分別選擇了布設(shè)時間為1、3、5、7和9 a、規(guī)格為1 m × 1 m的沙柳沙障樣地作為研究對象。在此期間未受到人工干預(yù)，試驗前期進(jìn)行了野外實地勘查與樣品指標(biāo)預(yù)測定分析，基本信息如表1所示。

每一年限的鄰近4塊沙障樣地為4個生物學(xué)重復(fù)，每塊樣地中部以“S”形線上選取間隔大于3 m的4個障格，每個障格每條邊的中間位置采集1根，剪取底部7 cm的枝條作為試驗樣本，直徑為（1.8 ± 0.02）cm、埋深約為20 cm。此外，同時收集障體周圍的土壤樣品，每塊樣地的每個障格4處取樣位置的樣品均勻混合為一個試樣（圖1）。具體操作如下：將沙柳沙障取出后，使用刷子將障體表面土壤清刷并收集，然后使用小鏟取包裹于四周的厚度為1 cm的土壤，分別裝入塑封袋中編號并標(biāo)記，置于4 ℃保溫冷藏箱中運(yùn)回。將沙障底部7 cm的枝條用于纖維素（Cellulose，Cel）、木質(zhì)素（Lignin，Lig）和質(zhì)量損失率（Mass Loss Rate，ML）的測定；土壤樣品去除雜質(zhì)后，使用2 mm土篩過篩處理后等分為兩份，一份為新鮮樣品，用于土壤胞外酶（-1,4-葡萄糖苷酶、-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨肽酶）活性的測定；另一份自然陰干后，測定土壤基本性質(zhì)。

表1 沙柳沙障樣地基本信息

圖1 樣地及采樣示意圖

1.3 土壤性質(zhì)及胞外酶活性測定

土壤pH值采用電位法測定，土壤含水率（Moisture Content，MC）采用烘干法測定，堿解氮（Available Nitrogen，AN）和速效磷（Available Phosphorus，AP）分別采用解堿擴(kuò)散法和0.5 mol/L NaHCO3法測定，土壤有機(jī)碳（Soil Organic Carbon，SOC）采用重鉻酸鉀氧化法測定，全磷（Total Phosphorus，TP）和全氮（Total Nitrogen，TN）分別采用鉬銻抗比色法和凱氏定氮法測定[17]?？扇苄杂袡C(jī)碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）采用總有機(jī)碳分析儀（Phoenix 8000，美國）測定[18]。使用-硝基苯酚法測定-1,4-葡萄糖苷酶（-1,4-glucosidase，BG）、-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（-1,4-N-acetylglucosidase，NAG）和亮氨酸氨肽酶（Leucine Aminopeptidase，LAP），以每克土壤每分鐘生成1 nmol 對硝基苯胺為一個酶活力單位來定義[19]。

1.4 沙柳沙障腐爛特性指標(biāo)測定

沙柳沙障的質(zhì)量損失率（Mass Loss Rate，ML）采用未經(jīng)腐爛的障體與腐爛狀態(tài)下障體的絕干質(zhì)量差的百分比來反映。使用ANKOM 200i半自動纖維分析儀，采用van等[20]的濾袋技術(shù)測定酸性洗滌纖維（Acid Detergent Fiber，ADF，%）和酸性洗滌木質(zhì)素（Acid Detergent Lignin，ADL，%）的方法，分別計算沙柳沙障纖維素和木質(zhì)素的含量，計算式如下：

纖維素=（ADF?經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)72%硫酸處理后的殘渣）×100% （3）

式中1為空袋質(zhì)量，g；為樣品質(zhì)量，g；2為提取處理后樣品殘渣+濾袋質(zhì)量，g；3為坩堝質(zhì)量，g；4為坩堝+灰分質(zhì)量，g；1為空白袋子校正系數(shù)（烘干后質(zhì)量/原來質(zhì)量）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 26.0軟件對沙柳沙障腐爛特性、土壤基本性質(zhì)和土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量比的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），并采用Duncan法進(jìn)行顯著性差異檢驗（=0.05）；運(yùn)用GraphPad Prism 8.0進(jìn)行箱型圖的繪制；使用Origin 2021軟件繪制沙柳沙障腐爛特性、土壤性質(zhì)、胞外酶活性與土壤碳氮磷及其化學(xué)計量的Pearson相關(guān)性分析圖；以腐爛特性、土壤性質(zhì)和胞外酶活性為解釋變量，土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量為響應(yīng)變量，采用Canoco 5.0軟件進(jìn)行冗余分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙柳沙障腐爛特性的變化

隨布設(shè)時間的增加，沙柳沙障穩(wěn)定沙埋部腐爛特性呈規(guī)律性變化。由表2可知，Cel和Lig隨時間的延長均呈現(xiàn)下降趨勢，但ML呈顯著增加趨勢（<0.05），Lig含量在沙柳沙障布設(shè)3 a后各組間差異不顯著，Cel在布設(shè)前3 a下降的幅度最大，3 a時較1 a下降了21.66%。與布設(shè)1 a的沙柳沙障相比，9 a的Cel和Lig分別下降了50.79%和44.56%。ML的變化范圍是10.45%～63.17%，9 a的ML是1 a的6.04倍?？傮w上，隨著布設(shè)時間的增加，沙障腐爛程度加劇，主要化學(xué)成分中Cel減小的程度大于Lig，且沙障的質(zhì)量遭受到嚴(yán)重?fù)p失。

表2 不同布設(shè)年限沙柳沙障腐爛基本特性

注：不同小寫字母表示同一指標(biāo)各組之間具有顯著性差異（<0.05），下同。

Notes: Different lowercase letters indicate significant differences between groups for the same indicator (<0.05). The same below.

2.2 土壤性質(zhì)及胞外酶活性的變化

沙柳沙障的腐爛分解使得土壤性質(zhì)呈規(guī)律性變化。如表3所示，DOC、AN和MC均隨時間的延長呈顯著增加趨勢（<0.05），于7 a時達(dá)到峰值，較1 a相比，7 a各指標(biāo)平均值分別增加了95.42%、82.99%和113.63%。DOC含量的變化范圍為34.25～66.93 mg/kg，1～7 a中均顯著增加，而土壤pH值在沙障布設(shè)的前5 a無顯著變化，但在7 a之后顯著增加?？傮w上，沙柳沙障腐爛過程對土壤各項指標(biāo)均產(chǎn)生不同程度的影響，且對MC的影響程度最大。

表3 不同布設(shè)年限沙柳沙障土壤性質(zhì)與胞外酶活性

BG和NAG的活性均于5 a時達(dá)到最大值，分別為124.57和67.55 nmol/(g?h)。沙柳沙障布設(shè)的前3 a NAG無顯著性變化，但在5 a后呈現(xiàn)顯著降低（<0.05）。LAP的變化范圍為42.27～60.35 nmol/(g?h)，在布設(shè)前5 a中無顯著變化，7 a時達(dá)到最大值，與1 a相比增加了36.35%。因此，沙柳沙障的腐爛分解過程使得土壤胞外酶（BG、NAG和LAP）活性均呈先增大后減少的趨勢。

2.3 土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量特征

隨設(shè)障時間的增加，SOC、TN和TP含量均呈先上升后下降的趨勢（圖2a～2c），其中，TP含量在設(shè)障前5 a中未隨沙障的腐爛而產(chǎn)生顯著差異，SOC和TN在5～9 a中無顯著變化（>0.05），三者均于7 a時達(dá)到最大值，分別為2.13、0.10和0.34 g/kg，與1 a相比顯著增加了93.64%、66.67%和21.43%（<0.05）。TP含量的變化范圍為0.27～0.34 g/kg，與1～5 a相比，7 a時顯著增加，其含量達(dá)到最大值。碳磷比和氮磷比在沙柳沙障布設(shè)的前5 a顯著增加（圖2e、2f），5 a的比值分別是1 a的1.83和1.76倍，之后呈顯著下降趨勢，但7 a與9 a的比值均無顯著差異。而碳氮比在沙柳沙障腐爛的前7 a中未發(fā)生顯著變化（圖2d），9 a時該比值達(dá)到最大值（26.56），較1 a相比顯著增加了41.20%。

圖2 不同布設(shè)年限沙柳沙障土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量比

2.4 腐爛特性和土壤性質(zhì)與土壤碳氮磷及其化學(xué)計量的相關(guān)關(guān)系

如圖3所示，SOC、TN和TP之間存在極顯著正相關(guān)（<0.01），且與AN具有顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05），但分別與NAG和Lig均無顯著相關(guān)性（>0.05）。DOC和AN分別與SOC、TN、TP和ML呈顯著正相關(guān)，但與Cel為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在土壤胞外酶活性中，BG和LAP分別與土壤DOC、MC和AN為正相關(guān)關(guān)系，NAG與DOC、pH值和AN為負(fù)相關(guān)關(guān)系，但均無顯著性（>0.05）。此外，碳氮比僅與ML呈顯著正相關(guān)，但與NAG、Cel和Lig呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.05）；碳磷比和氮磷比與DOC、AN、SOC、TN和BG呈顯著正相關(guān)，但僅有碳磷比與Cel和Lig呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.05）。

注：*P<0.05；** P<0.01；*** P<0.001；圖右側(cè)色帶表示相關(guān)系數(shù)大小，紅色代表正相關(guān)，藍(lán)色代表負(fù)相關(guān)。

2.5 腐爛特性和土壤性質(zhì)與土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量的冗余分析

冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）結(jié)果表明（圖4），前兩個排序軸分別對土壤碳氮磷及其化學(xué)計量的解釋程度為83.14%和7.93%，可累積解釋所有變化關(guān)系的91.07%。蒙特卡洛檢驗結(jié)果顯示，腐爛特性和土壤性質(zhì)與土壤碳氮磷及其化學(xué)計量的變化具有極顯著相關(guān)性（=0.002），即所有解釋變量與響應(yīng)變量存在空間上的有序關(guān)系。在二維排序圖中，1 a與3 a的距離最近，而與9 a的距離最遠(yuǎn)，進(jìn)一步證明研究結(jié)果能夠較好地反映沙柳沙障腐爛的真實情況。ML、MC、DOC、AN、pH值和LAP與RDA1軸呈正相關(guān)關(guān)系，但Cel、Lig、NAG和BG與RDA1軸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在所解釋變量中，Cel和ML與坐標(biāo)原點(diǎn)的箭頭連線最長，因此，Cel和ML是影響沙柳沙障腐爛過程中土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量的主導(dǎo)因子。

圖4 腐爛特性及土壤性質(zhì)與土壤C∶N∶P化學(xué)計量之間的RDA分析

3 討 論

3.1 沙柳沙障腐爛過程對障體腐爛特性及土壤性質(zhì)的影響

沙柳沙障穩(wěn)定沙埋部由于長期處于沙丘表層土壤中，局部環(huán)境陰暗，易受到微生物的腐解作用和不規(guī)律的水分吸濕-解吸而發(fā)生膨脹收縮等現(xiàn)象，致使障體內(nèi)部細(xì)胞壁破裂、結(jié)構(gòu)破損、化學(xué)成分損失[6]。本研究發(fā)現(xiàn)，纖維素和木質(zhì)素均有大幅度的降低，且纖維素減小的程度大于木質(zhì)素（表2），這主要是因為木質(zhì)素中苯基丙烷的結(jié)構(gòu)通過醚鍵（C-O-C）和碳-碳鍵（C-C）所連接，降解木質(zhì)素的化學(xué)反應(yīng)較纖維素降解多糖更復(fù)雜[21-22]，因此，沙障腐爛過程中纖維素減少程度更大。此外，沙障沙埋部埋藏于表層土壤中，由于沙土的透氣透水性較強(qiáng)，障體易受到外界環(huán)境因子的干擾，如溫度和濕度的變化、自然降水以及風(fēng)蝕和沙埋的交替作用，導(dǎo)致障體表面受到物理作用而發(fā)生翹曲變形、顏色變暗、干縮裂縫等現(xiàn)象[10]，主要反映在障體的質(zhì)量損失率隨腐爛程度的加劇呈顯著增加趨勢。本研究表明，9 a的質(zhì)量損失率是1 a的6.04倍，沙障在腐爛過程中，質(zhì)量遭受到了嚴(yán)重?fù)p失（表2）。前人的研究同樣證實了在微觀結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)管、木纖維和薄壁組織細(xì)胞破裂，以及細(xì)胞結(jié)構(gòu)塌陷和細(xì)胞壁收縮導(dǎo)致斷裂模量和彈性模量指標(biāo)均下降[10]。因此，沙柳沙障在遭受強(qiáng)風(fēng)沙流吹蝕過程中，由于質(zhì)量的嚴(yán)重?fù)p失使其更易發(fā)生倒伏破損。

隨沙障布設(shè)時間的增加，障體腐爛程度加劇，土壤可溶性有機(jī)碳、堿解氮和含水率各項指標(biāo)均呈顯著增加的趨勢（表3），這主要是由障體分解自身的有機(jī)物質(zhì)后向土壤中釋放養(yǎng)分所引起的，之前的研究表明沙障中的C、P和K元素以波動的狀態(tài)被釋放到土壤中[13]，而土壤中營養(yǎng)元素的增加直接影響了元素被利用的有效性。此外，隨腐爛程度的增加土壤含水率相較其他指標(biāo)增加幅度更大，這可能是因為木質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞、細(xì)胞壁的收縮，使其吸水能力急劇上升，障體中可儲存較大的水分因而維持了周圍土壤水分的含量。土壤胞外酶是由微生物分泌到土壤中輔助降解有機(jī)物質(zhì)的催化酶[23]，-1,4-葡萄糖苷酶是用于降解纖維素的C獲取酶，-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶是降解幾丁質(zhì)和肽聚糖的N獲取酶[24]。本研究表明，-1,4-葡萄糖苷酶和-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶在沙柳沙障布設(shè)的前5 a呈現(xiàn)增大的趨勢（表3），這主要是因為沙柳沙障腐爛的前期（≤5 a）可供微生物利用的營養(yǎng)物質(zhì)充分，真菌物種組成及多樣性增加[11]，因而土壤微生物活動變得劇烈，對供其正常生長的能量和養(yǎng)分的需求增加，從而需要釋放更多的酶來輔助分解沙障的有機(jī)物質(zhì)，促使木質(zhì)細(xì)胞加速解體從而釋放營養(yǎng)元素。這與之前的研究結(jié)果相印證，表明在沙柳沙障腐爛過程中土壤微生物生物量呈增加趨勢[14]。

3.2 腐爛特性和土壤性質(zhì)對土壤碳氮磷含量及化學(xué)計量的影響

土壤中的碳氮磷含量是微生物分解土壤中有機(jī)殘體后釋放出來的營養(yǎng)元素，該過程受到局部氣候、植被條件、土壤性質(zhì)等諸多因素的影響[25]。本研究表明，土壤碳氮磷含量均隨沙柳沙障腐爛程度的加劇呈先上升后下降趨勢（圖2a～2c），于7 a時達(dá)到峰值。這與之前的研究結(jié)果不同，土壤碳含量隨腐爛程度的增加而顯著增加，但土壤氮含量減少[13]，這可能是因為采集的土壤位置不同所引起的，本研究中采集的土壤樣品為包裹于沙障底部1 cm厚度的土壤，因沙障直徑較小，在腐爛過程中對土壤產(chǎn)生影響的范圍有限，因此，緊鄰沙障的土壤更能反映真實結(jié)果，而距沙障不同水平距離采集的土壤會影響試驗結(jié)果的不同。其次，與沙柳沙障的初始化學(xué)組成成分含量的多少有關(guān)[26-27]，在沙柳不同的生長階段及枝條的發(fā)育過程中木質(zhì)纖維素含量存在差異，這可能引起了沙柳沙障個體間的異質(zhì)性。此外，有研究表明植物生命形式和腐解物的化學(xué)組分占分解速率的74%[28]，當(dāng)碳氮比和木質(zhì)素濃度相對較低時，分解速度通常更快，且進(jìn)入土壤中的少部分元素或因環(huán)境條件的影響而發(fā)生遷移，致使土壤中元素的含量減少。

碳氮磷化學(xué)計量能夠作為評估土壤養(yǎng)分狀況的良好指標(biāo)，廣泛用于“植物-腐解物-土壤”系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)研究[29-30]。碳氮比越高表明土壤中有機(jī)物的加速分解[31]，本研究表明，隨沙障腐爛程度的加劇，土壤碳氮比呈現(xiàn)增加的趨勢（圖2d），9 a較1 a顯著增加了41.20%，這可能是因為9 a時全氮降低的幅度大于有機(jī)碳，隨土壤微生物數(shù)量的增加而增大了對N元素的固定，使得環(huán)境中N含量下降，兩者比值增加。Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明，碳氮比僅與質(zhì)量損失率呈顯著正相關(guān)，但與-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、纖維素和木質(zhì)素呈顯著負(fù)相關(guān)（圖3），這主要是因為障體的質(zhì)量損失越大，殘留的纖維素和木質(zhì)素等化學(xué)組分的含量越低，而導(dǎo)致釋放到土壤中的碳和氮含量增加，進(jìn)而增加碳氮比。而有機(jī)碳與全氮存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（圖3，<0.001），因此，全氮含量直接影響了有機(jī)碳的大小，從而影響碳磷比。此外，質(zhì)量損失的增加直接影響了沙柳沙障的斷裂模量指數(shù)[32]，然而主要化學(xué)成分的腐解作用直接影響周圍土壤中營養(yǎng)元素的可用性，進(jìn)而增加元素化學(xué)計量比率。冗余分析的研究結(jié)果進(jìn)一步證實（圖4），沙障的纖維素和質(zhì)量損失在土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量變化過程中起到主導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

1）沙柳沙障腐爛過程中障體的主要化學(xué)成分纖維素和木質(zhì)素含量顯著降低，但質(zhì)量損失率顯著增加。土壤-1,4-葡萄糖苷酶和-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性先上升后下降，于5 a時達(dá)到峰值。

2）沙柳沙障腐爛的前7 a，碳氮比無顯著性變化，9 a時顯著增加，較1 a增加了41.20%；碳磷比和氮磷比在設(shè)障前5 a顯著增加，于5 a時達(dá)到最大值分別是1 a的1.83和1.76倍。

3）碳磷比和氮磷比與可溶性有機(jī)碳、堿解氮、全氮和-1,4-葡萄糖苷酶呈顯著正相關(guān)，但碳氮比僅與質(zhì)量損失率呈顯著正相關(guān)。冗余分析研究結(jié)果證實，纖維素和質(zhì)量損失是影響土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量的主導(dǎo)因子。

因此，沙柳沙障腐爛過程中主要通過降解纖維素來增加土壤碳氮磷含量，是沙漠地區(qū)改善土壤性質(zhì)并輔助于植被恢復(fù)的有效治理措施。此外，沙柳沙障腐爛影響土壤碳氮磷元素循環(huán)過程的相關(guān)研究中，需進(jìn)一步結(jié)合土壤微生物生物量碳氮磷含量進(jìn)行綜合探討。

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Effects ofsand barriers decay on soil carbon, nitrogen and phosphorus stoichiometry

Liang Yumei1, Gao Yong1,2※, Meng Zhongju1,2, Han Yanlong1,2, Wang Ruidong1, Duan Xiaoting1

(1.,,010010,; 2.,010010,)

One type of semi-buried mechanical barricade, thesand barrier has been widely used in a wind-sand protection system in northwest China. However, the sand barriers are inevitably deteriorated under biodegradation, weathering, desorption-alternation, as well as the biological and abiotic factors, due to the exposure to the field environment for a long time. Decay and decomposition of sand barriers can alter the resource availability of dune soil, which is vital for understanding the biogeochemical process and nutrient cycling in desert ecosystems. Previous research has focused on the above-ground part of the sand barriers to intercept the wind and sand. But, it is still lacking in the ecological contributions and biogeochemical element cycling of the underground part of the desert soil during the long-term setting process. Therefore, this study aims to explore the effects ofsand barriers decay on the content and stoichiometric characteristics of the soil carbon (C), nitrogen (N), and P (phosphorus). The main environmental factors were determined to analyze the decay characteristics, soil physicochemical properties, and soil enzyme activities. The field test was conducted in the Hobq Desert (within the town of Duguitara, Inner Mongolia, China). The naturally degraded sample plots were selected in the windbreak and sand fixation areas adjacent to the roads with similar geographic characteristics and vegetation types for years 1, 3, 5, 7, and 9. The general situation of the sand barrier was determined at the experimental site. The test samples were collected and measured using the "space instead of time and in situ sampling". The results showed that the chemical composition of the barrier body decreased significantly (<0.05), whereas, the soil moisture content and available nitrogen were improved during the process ofsand barriers decay. The extracellular enzyme activities of-1, 4-glucosidase (BG) and-1, 4-N-acetylglucosidase (NAG) increased first and then decreased, reaching the peak in the 5th year with the increase of time. In the first 7 years of decay, there was no change in the soil C/N ratio, but increased significantly at 9 years (<0.05) with an increase of 41.20 %, compared with 1 year. The ratio of soil C/P and N/P increased significantly in the first 5 years, and they were 1.83 and 1.76 times higher at 5 years than at 1 year, respectively. The ratios of C/P and N/P were positively correlated with the dissolved organic carbon (DOC), available nitrogen (AN), organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), and-1,4-glucosidase (BG). By contrast, the ratio of C/N was negatively correlated with the-1,4-N-acetylglucosidase, cellulose (Cel), and lignin (Lig), and only positively correlated with the mass loss rate (ML). Dissolved organic carbon and available nitrogen were positively correlated with the total carbon, total nitrogen, total phosphorus, and mass loss rate, respectively, but negatively correlated with the cellulose. The results of redundancy analysis further confirmed that cellulose and mass losses were the main factors affecting soil C, N, and P content and their stoichiometry. Therefore, the decay process of thesand barrier can be expected to increase the soil C, N, and P content, indicating a long-term and effective control measure. These findings can provide a strong reference for the relationships between the decay process ofsand barriers and soil elements stoichiometry. Great contribution can be offered to the decision making on thesand barriers in wind erosion protection and vegetation restoration in desert areas.

sand barrier; soil; carbon; nitrogen; phosphorus; stoichiometric characteristics; wind-preventing and sand fixation

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.010

S793.9

A

1002-6819(2022)-21-0076-07

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Liang Yumei, Gao Yong, Meng Zhongju, et al. Effects ofsand barriers decay on soil carbon, nitrogen and phosphorus stoichiometry[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(21): 76-82. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.010 http://www.tcsae.org

2022-08-10

2022-10-28

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目（2022YFDZ0027）

梁鈺鎂，博士生，研究方向為荒漠化防治。Email：liang490002878@163.com

高永，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為荒漠化防治。Email：13948815709@163.com