魏亞娟，劉美英，解云虎，李 星

（1.包頭師范學院資源與環(huán)境學院，內蒙古 包頭 014030；2.內蒙古農業(yè)大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特010018；3.內蒙古農業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院，內蒙古自治區(qū)土壤質量與養(yǎng)分資源重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010018；4.中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心，內蒙古 磴口 015200）

營建人工防護林是治理沙漠化最重要的手段。人工防護體系建設在土壤的形成過程中起著至關重要的作用［1］。土壤為植被生長提供了物質基礎，同時植被的生長發(fā)育對土壤環(huán)境也有一定的反饋作用［2］。土壤養(yǎng)分作為反映土壤特征的重要指標，在有機質分解和轉化過程中起著主導作用，影響著生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動［3］。土壤養(yǎng)分狀況主要受氣候類型、植被類型、水文和土壤類型的影響存在較大差異［4-6］。因此，只有準確地厘清防護林土壤養(yǎng)分狀況及其變化規(guī)律，才能實現(xiàn)荒漠區(qū)生態(tài)恢復和土壤資源可持續(xù)利用。

在沙區(qū)建造人工防護林，風沙土質量得到了明顯改善，并逐漸發(fā)展成固定風沙土，充分說明了沙區(qū)防護體系中植被-土壤系統(tǒng)的耦合作用，其對沙區(qū)荒漠化防治和生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建具有重要的現(xiàn)實意義［6］。王巖松等［7］對黃土區(qū)油松（Pinus tabu?laeformis）和刺槐（Robinia pseudoacacia）人工林土壤養(yǎng)分研究表明，林分類型對土壤有機碳和全氮含量影響顯著。于東偉等［8］對沙地樟子松人工林研究表明，沙質草地營建樟子松后，能有效提高土壤氮固定能力。呂倩等［9］對馬尾松（Pinus massoniana）人工林研究表明，在建植馬尾松初期，其土壤pH、有機質含量和全磷含量均有顯著增加。顧夢鶴等［10］對庫布其沙漠防護林研究表明，檸條（Caragana korshin?skii）、旱柳（Salix matsudana）和旱柳+小美旱楊（Pop?ulus popular’s）對土壤改良效果較好，楊柴（Hedysa?rum laeve）和速生楊（Populusspp.）對土壤的改良效果較差。樊華等［11］對黃羊灘沙地防護林研究表明，營建防護林后，其土壤養(yǎng)分有了極大程度的提升，土壤養(yǎng)分平均提升了203.65%。說明營建防護林后，有效改善了草場沙化的狀況。由此可見，防護林的營建有利于土壤養(yǎng)分積累。但是，不同防護林類型對土壤的改良效果存在一定差異。

吉蘭泰鹽湖防護體系位于吉蘭泰鹽湖北部，自1983年開始，自北向南構成了東西長約18 km，南北寬約1 km的流沙固阻帶、封沙育草帶、防風阻沙帶和鹽湖防護林帶“四帶一體”的綜合立體防護體系［12］。鹽湖防護體系構建對抵御外部惡劣的風沙環(huán)境，起到一定的生態(tài)防護效益。然而，歷經(jīng)38 a的自然演替，現(xiàn)有鹽湖防護體系對土壤養(yǎng)分積累的效果如何？基于此，本文以吉蘭泰鹽湖防護體系為研究區(qū)，系統(tǒng)研究不同防護體系類型（流沙固阻帶、封沙育草地、防風阻沙帶和鹽湖防護林帶）養(yǎng)分積累特征，以期深入了解人工植被建植對土壤養(yǎng)分的影響，從而為土壤保育提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇位于內蒙古阿拉善左旗吉蘭泰鹽湖北部的吉蘭泰鹽湖防護體系為研究區(qū)，地理位置為105o47'08"～105o37'38"E，39o46'58"～39o48'95"N，海拔在960～1030 m，屬于典型大陸性干旱荒漠氣候，降雨量為113.6 mm，降雨主要集中在7—9月，占全年降雨量的91.77%（圖1）。年均潛在蒸發(fā)量為3006 mm，年均氣溫為8.6 ℃，年日照時數(shù)為3316 h，無霜期為160 d。多年平均風速為3.6 m·s-1，最大風速為24.0 m·s-1。風力多集中在4～5 級。年平均大風日數(shù)34 d，揚沙日數(shù)為82 d，年風沙流頻率為112.9次［13］。主風向為西北風。全年以偏西風為主，合成輸沙風向為115°，總輸沙勢為97.26 VU，屬于低能環(huán)境，但春季風沙活動最頻繁［4］。研究區(qū)地勢平坦，無人為活動干擾。土壤類型為鹽堿土、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。土壤pH在8.51～9.08，土壤呈強堿性。

圖1 吉蘭泰鹽湖防護體系地理位置與樣線位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of geographical location and sample line location of Jilantai Salt Lake protection system

1.2 防護體系基本情況

吉蘭泰鹽湖防護體系營建于1983年，在防護體系建設初期，采用生物、工程等多項綜合防治技術措施，運用適地適樹原則、防護林配置采用片狀和帶狀等形式，形成了喬、灌、草有機結合的防護林帶配置模式。經(jīng)過38 a的建設和完善，現(xiàn)已形成以“流沙固阻帶-封沙育草帶-防風阻沙帶-鹽湖防護林帶”為一體的鹽湖防護體系（表1）。

表1 不同防護體系類型基本情況Tab.1 Basic information of different protection system types

（1）流沙固阻帶：防止鹽湖遭受侵襲的第一道防線。吉蘭泰鹽湖外圍分布大片的流動沙壟，沙壟高度介于2～8 m，主要為西北—東南走向。為了有效防止沙丘前移，分別于2007 年和2016 年在鹽湖外圍流動沙壟上布設PLA 沙障，保存率分別為73.21%和92.30%。

（2）封沙育草帶：在毗鄰流動沙壟的半固定沙壟和固定沙壟區(qū)域分布有大量白刺（Nitraria tang?utorum）、沙蒿（Artemisia desertorum）、苦豆子（Sopho?ra alopecuroides）、沙米（Agriophyllum squarrosum）和蘆葦（Phragmites australis）等天然植被。其中，以丘間低地分布的白刺灌叢為主體形成了封沙育草帶?？梢詼p弱近地表風速，增加地表粗糙度，有效阻滯地表風沙流。

（3）防風阻沙帶：為了提高防風效果，處于封沙育草帶后方，至鹽湖防護林帶的中間過渡地帶，人工種植了大量的毛白楊（Populus tomentosa），形成以毛白楊為主的田網(wǎng)式防護林帶，外圍依次為新疆楊（Phragmites australis）、沙棗（Elaeagnus angustifolia）和花棒（Hedysarum scoparium）防護林帶。

（4）鹽湖防護林帶：鹽湖防護林網(wǎng)以人工栽植的沙棗、花棒、檉柳（Tamarix chinensis）、梭梭和沙拐棗（Calligonum mongolicum）等為主要樹種，林內以苦豆子、蘆葦為主，兼有禾本科雜草類，丘間低地以栽沙棗為主。其目的是攔截部分懸浮運移的沙塵，同時防止鹽湖周邊起沙。

1.3 試驗設計與方法

試驗于2020年8月進行野外試驗樣地布設，沿西北—東南方向分別布設10條樣帶，每條樣帶相隔50 m，樣帶起始于流沙固阻帶，止于鹽湖防護林帶，以這4 種防護體系類型為4 個試驗處理，同時在每一種防護體系類型兩邊各布設1條樣線作為每一種處理的對照（對比法設計，圖1b）。其中，在流沙固阻帶布設10個10 m×10 m的樣方，在封沙育草帶布設10個10 m×10 m的樣方，在防風阻沙帶布設16個20 m×20 m 的樣方，在鹽湖防護林帶布設20 個10 m×10 m 的樣方與4 個20 m×20 m 的樣方。同時，作為對照樣地，在各防護體系類型對應的CK 樣線分別布設2～3個10 m×10 m的樣方，共布設82個樣方，具體如圖1b 所示。2020 年8 月下旬是植被生長的最旺盛期，在植被調查的基礎上，采用“S”形取樣法對各防護體系類型內0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 土層進行土壤樣品采集。每個樣地重復取5 組，然后將5 個采樣點同一土層的土壤均勻混合裝入6 號塑封袋并進行編號。帶回實驗室自然風干7 d后，去除動植物殘體，按四分法縮減土樣過篩，用于土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、速效氮（AN）和速效磷（AP）的測定，按照《土壤農化分析》常規(guī)方法進行測定［14］。

1941年，葉圣陶在《論中學國文課程標準的修訂》中對“讀整本的書”作了專門論述，明確提出“把整本書作為主體，把單篇短章作輔佐”的主張。在“名著閱讀”的復習中，更應該樹立“整本書”意識。只有這樣，才能更好地把握名著的主旨，更好地理解名著的精髓。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 土壤養(yǎng)分積累計算方法 相對相互作用強度指數(shù)（Relative Interaction Intense，RII），其表示不同防護體系類型內植被對土壤養(yǎng)分的影響［15-17］。同時，RII 取值范圍-1～1 之間，正值表示鹽湖防護體系對該養(yǎng)分含量有提高效應，負值表示植被對該養(yǎng)分含量有降低效應，距離0 值越遠表示效應越大［18-19］。計算如下：

式中：Xn和Xi分別表示不同防護體系類型內和相應對照各土層深度的土壤養(yǎng)分值。在本研究中，土壤養(yǎng)分含量包括SOC、TN、TP、AN和AP。

1.4.2 土壤養(yǎng)分恢復狀況計算方法 土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)（Nutrient Recovery Index，NRI），以各防護體系類型土壤為研究對象，計算不同防護體系類型內土壤SOC、TN、TP、AN、AP 與對照樣地土壤的差異，然后將各防護體系類型內土壤養(yǎng)分的差值進行平均求和，以定量描述植被恢復對土壤養(yǎng)分的影響程度［20］。

式中：NRI為土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)；Xi為防護體系類型內土壤第i層土壤養(yǎng)分值；Xi′為對照樣地第i層土壤養(yǎng)分值。

用Excel 2013 對實驗數(shù)據(jù)進行前期整理，運用Origin 2021 進行繪圖，用SPSS 22.00 進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同防護體系類型土壤養(yǎng)分含量

由圖2 可知，不同防護體系類型內土壤養(yǎng)分均有不同程度增加，其土壤SOC、TN、TP、AN 和AP 增加量分別介于0.45～1.92 g·kg-1、0.03～0.58 g·kg-1、0.15～0.43 g·kg-1、1.33～13.31 mg·kg-1和0.12～12.94 mg·kg-1。土壤養(yǎng)分增加量表現(xiàn)為：鹽湖防護林帶>防風阻沙帶>封沙育草帶>流沙固阻帶，說明吉蘭泰鹽湖防護體系由外向內土壤養(yǎng)分增加量逐漸增加。鹽湖防護林帶平均土壤SOC、TN、TP、AN 和AP增加量分別是流沙固阻帶的0.88 倍、7.36 倍、0.26倍、0.77倍和18.05倍。各防護體系類型內土壤養(yǎng)分增加量隨著土層深度逐漸降低，各防護體系類型0～20 cm土層土壤SOC、TN、TP、AN和AP增加量較80～100 cm 土層分別增加77.31%～209.83%、39.16%～180.70%、73.28%～156.30%、166.20%～741.10%和448.19%～1517.01%，說明土壤養(yǎng)分具有明顯的表聚作用。

圖2 不同防護體系類型土壤養(yǎng)分增加量Fig.2 Soil nutrient increase in different protection system types

由表2可知，雙因素交互分析表明，防護體系類型、土層深度及其二者的相互作用對土壤SOC、TN、TP和AP含量影響顯著；而土層深度對土壤AN影響顯著，防護體系類型和防護體系類型×土層深度對AN無顯著影響。

表2 防護體系類型和土層深度對土壤養(yǎng)分增加量的影響Tab.2 The effects of protection system types and soil depths on the increase of soil nutrient

2.2 鹽湖防護體系土壤養(yǎng)分積累狀況

由圖3 可知，鹽湖防護體系類型對不同土層深度土壤SOC、TN、TP、AN 和AP 含量有顯著正效應，正效應值分別介于0.03～0.52、0.01～0.49、0.01～0.34、0.02～0.68和0.05～0.98。從總效應來看，不同防護體系類型對土壤養(yǎng)分有顯著正效應，其正效應值介于0.10～0.53?？梢?，鹽湖防護體系營建有利于土壤養(yǎng)分累積。除鹽湖防護林帶外，其他防護體系類型土壤養(yǎng)分正效應隨土層深度逐漸降低。

由表3可知，雙因素交互分析表明，防護體系類型、土層深度及其二者的相互作用對土壤TP相對相互作用強度、AN相對相互作用強度、AP相對相互作用強度和總相對相互作用強度影響顯著；土層深度和防護體系類型×土層深度對SOC相對相互作用強度，TN相對相互作用強度影響顯著。防護體系類型對SOC 相對相互作用強度和TN 相對相互作用強度無顯著影響。

表3 防護體系類型和土層深度對土壤養(yǎng)分相對相互作用強度的影響Tab.3 Effects of protection system type and soil depth on relative interaction intensity of soil nutrients

2.3 不同防護體系類型土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)變化特征

由表4 可知，相較于鹽湖防護體系兩端對照樣地而言，各防護體系類型土壤養(yǎng)分均有不同程度提高。在流沙固阻帶，土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)僅為7.83%，該區(qū)域土壤養(yǎng)分頻繁的風沙活動不利于土壤養(yǎng)分積累。封沙育草帶、防風阻沙帶和鹽湖防護林帶分別是流沙固阻帶的4.81倍、23.63倍和32.21倍，可見不同防護體系類型內，以鹽湖防護林帶對土壤養(yǎng)分的影響程度最大，有利于土壤養(yǎng)分的積累。

表4 不同防護體系類型土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)Tab.4 The soil nutrient restoration index of different protection system types /%

3 討論

土壤養(yǎng)分是植物生長發(fā)育重要的物質來源，其養(yǎng)分增加速率受到林分類型、密度和土壤質地等多種自然因素的影響［21］。在本研究中，土壤SOC、TN、TP、AN 和AP 含量增加量較小，說明鹽湖防護體系經(jīng)過38 a的營建，土壤養(yǎng)分增加量相對較小，土壤養(yǎng)分依舊貧瘠［22］。這主要是因為研究區(qū)土壤為風沙土，其土壤結構松散，持水能力差，不利于養(yǎng)分蓄積。與同一研究區(qū)相比，該研究結果顯著小于高君亮等［23］和黃雅茹等［24］對烏蘭布和沙漠土壤養(yǎng)分的研究結果。這主要與土壤pH 有關，鹽湖防護體系緊鄰吉蘭泰鹽湖，其土壤pH介于8.51～9.08，屬于強堿性土壤，不利于土壤養(yǎng)分累積。研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分增加量主要受防護體系類型和土層深度的雙重影響。土壤養(yǎng)分增加量隨著鹽湖防護體系由外向內逐漸增加，主要有三方面原因，其一，在鹽湖防護體系建立過程中，隨著人工植被和自然植被的恢復，其植被蓋度和生物量逐漸增加，導致大量的地表枯落物留存于地表，加之植物根系分泌物和地表微生物的積累，改善了土壤結構和土壤持水量，增加了土壤有機物質輸入［25］。其二，由于鹽湖防護體系的層層阻礙作用，導致風速逐漸降低，地表粗糙度逐漸增加，減少了風蝕，使更多的細粒物質留存于地表，改善了土壤的物理性質，為有機物質積累奠定了基礎。其三，植被攔截風沙流和降塵，使更多的細粒物質沉降于地表，進一步增加了地表土壤有機物質含量［23］。研究還發(fā)現(xiàn)，土壤SOC、TN、TP、AN 和AP 含量增加量隨土層深度逐漸減小，說明土壤養(yǎng)分具有明顯的表聚性。該研究結果與黃雅茹等［24］對烏蘭布和沙漠典型灌叢土壤養(yǎng)分研究結果一致。因為表層土壤有機質豐富，土壤結構疏松通氣性良好，為微生物活動提供了良好的條件。因此，土壤表層存在豐富的微生物和較高的酶活性，凋落物經(jīng)微生物分解歸還于土壤表層，微生物能將有機物質分解成多種簡單且能夠被植被直接吸收利用的無機物質［26］，因此表層土壤養(yǎng)分富集。

本研究發(fā)現(xiàn)，鹽湖防護體系的營建對土壤養(yǎng)分有顯著正效應，該研究結果與王博等［27］對庫布齊荒漠生態(tài)系統(tǒng)的研究結果一致。人工植被的營建能有效促進生態(tài)系統(tǒng)植被恢復進程。在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，營建人工植被加速了研究區(qū)植被恢復速度，有效增加了區(qū)域內植被覆蓋度，進而促進土壤養(yǎng)分累積，使荒漠生態(tài)系統(tǒng)逐漸向正向演替。通過雙因素分析發(fā)現(xiàn)，土層深度對土壤養(yǎng)分正效應影響顯著，但防護體系類型對土壤養(yǎng)分含量正效應表現(xiàn)各異。主要原因與土壤養(yǎng)分增加量的結果相同。由于不同防護體系類型下，植被類型、植被覆蓋度和群落組成結構不同（表1），顯著影響土壤養(yǎng)分含量的積累速率，導致不同防護體系類型土壤相對相互作用強度存在顯著差異。研究中還發(fā)現(xiàn)，土壤AN和AP 相互作用強度高于其他養(yǎng)分。其主要原因是N、P具有功能耦合性，土壤腐殖化、礦質化和土壤微生物的活動隨鹽湖防護體系植被生長和恢復逐步增強，導致土壤有機質分解，釋放出更多有效氮和有效磷［28］。

土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)是表征植被措施對退化土壤養(yǎng)分的恢復程度的重要指標［29］。通過對不同防護體系類型內土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)介于7.83%～252.36%，說明工程措施和生物措施能較大程度加速吉蘭泰鹽湖周邊土壤養(yǎng)分恢復進程。而且，土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)隨著防護體系類型由外向內逐漸增加。這主要是因為在流沙固阻帶，布設大面積PLA 沙障和草方格沙障，其障體能有效增大地表空氣動力學粗糙度，降低地表起沙風速，進而有效控制障格內細砂物質被吹蝕；另外，障體能降低過境風沙流攜沙能力，促使細砂物質沉降于地表，障格內土壤顆粒細化，為土壤養(yǎng)分蓄積和植被定居奠定了良好的基礎［11］。在封沙育草帶，主要為自然恢復的白刺、蘆葦和苦豆子。由于自然植被恢復過程較為緩慢，植物通過根系改良土壤結構的作用效果較弱，而且該區(qū)域植被生物量和植被蓋度較低，導致凋落物輸入有限，有機物輸入非常匱乏［30］。而在防護阻沙帶和鹽湖防護林帶，植被主要是人工種植的喬木和灌木，其生物量和植被蓋度較高，有機物輸入較高，增加了土壤養(yǎng)分含量，因此，土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)由外向內逐漸增大［24］。

4 結論

（1）由于鹽湖防護體系土壤呈強堿性，導致土壤養(yǎng)分增加緩慢。防護體系類型土壤養(yǎng)分增加量差異顯著。其中，鹽湖防護林帶土壤養(yǎng)分增加量最高。防護體系類型、土層深度是影響土壤養(yǎng)分空間分布的重要性指標。

（2）鹽湖防護體系對土壤養(yǎng)分積累有積極作用。鹽湖防護體系營建對0～100 cm土層深度土壤養(yǎng)分有顯著正效應。且防護體系類型、土層深度及其二者的相互作用對土壤TP 相對相互作用強度（RIITP）、AN相對相互作用強度（RIIAN）、AP相對相互作用強度（RIIAP）和總相對相互作用強度（RII總）有顯著影響。

（3）鹽湖防護體系營建提高了土壤質量。不同防護體系類型土壤養(yǎng)分恢復指數(shù)分別為7.83%、37.72%、185.12%和252.36%。