吴汪洋， 张登山， 田丽慧， 沈婷婷， 杨德慧
(1.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013；
2.青海大学 省部共建三江源生态和高原农牧业国家重点实验室，青海 西宁 810016)
植物固沙是修复沙地生态功能、恢复土地生产能力的必要措施(Wang，2004；
Fan et al.，2001)，其基本要求是改良土壤理化性质，因此常根据土壤理化性质变化来评价固沙植物的生态恢复效益(Li et al.，2013)。在我国干旱半干旱沙区，研究者一方面在大尺度空间上采用遥感手段提取沙化土壤和土壤退化指数来评析植被区的荒漠化程度与趋势(汪震等，2021；
韩飞等，2008)，另一方面关注具体地域的沙地植物群落的土壤水分、养分特征时空变化(孙彩丽等，2012；
张国盛，2000；
刘冰权等，2022)。近年来，植物灌丛的“肥岛效应”，土壤对自然植物恢复的“种源作用”、土壤酶活性、团聚体分形特征等角度，揭示了植物的土壤改良机制，提出了更加细致规范的植物种筛选、移植等方面技术标准(余娜等，2010；
张继义等，2009)。在青藏高原共和盆地、三江源地区，沙棘、乌柳、沙蒿等固沙植物的土壤改良作用存在显著的沙丘部位、群落年龄和结构差异，土壤水分与养分的时空变化揭示了高寒植物缓慢且不稳定的土壤改良过程(张登山等，2009)。李清雪(2014)，鲁瑞洁等(2015)发现高寒沙地的沙棘、乌柳等固沙植物在短期内能够显著提高土壤有机质含量和水分利用效率。但随着人工植物群落的壮大和对水肥资源的消耗与竞争，其长期的水土保持功能存在变动，需要开展野外环境控制实验和连续监测。同时，高寒沙地固沙植物的土壤改良过程和效益具有地域特色和植物种差异，这影响植物对高寒风沙、干旱环境胁迫的抗逆性。高寒沙地中2 m深度的冻土层决定了土壤含水率，成为高寒植物抗旱的“生态埋深”深度(梁四海等，2007)，而土壤有机碳、氮、磷等养分元素则直接影响高寒植物群落的多样性(刘君梅，2011)。因此，本次对比分析青海湖湖东的克土沙地5种主要固沙植物(沙棘Hippophaerhamnoides、乌柳Salixcheilophila、樟子松Pinussylvestris、小叶杨Populussimonii和沙蒿Artemisiadesertorum)在不同移植年龄和不同地形部位的沙丘土壤理化性质变化，旨在探究：(1)6 a间，人工固沙植物在高寒沙地是否能产生显著的土壤改良效益，是否真正加快沙地植物群落的生态恢复进程？(2)樟子松和小叶杨作为青海湖沙地率先引进的固沙乔木种，在土壤改良效益方面，与该区主要先锋固沙物种——沙棘和乌柳以及主要草本沙蒿存在哪些异同？
1.1 研究区概况
青海湖湖东克土沙地位于北纬36°40′，东经100°45′左右，地处青藏高原东北部，北靠铜宝山，西临青海湖海晏湾，南接倒淌河，位于我国东部季风区、西北干旱区和青藏高寒区的交汇地带(图1a)。克土沙地面积约为753 km2，属高寒地区极重度、重度沙漠化土地，是湖东面积较大的沙区，其东南部有较大面积的高大沙山和连绵的流动沙丘。据2011—2017年的克土沙地自动气象站监测，克土沙地年均气温为0.7 ℃(1月与7月的均温分别为-11.76 ℃和14.97 ℃)，年均降水量约370 mm(夏季降水量占比56%～70%)。该区秋末至早春时段的风沙活动最强烈，受SW-W-NW风向带的交替控制，平均风速5.5 m/s，输沙量约占全年的90%。该沙地以荒漠土和荒漠植被为主，近年来，沙地引进大量人工固沙植物，植物群落组成达到27科71种(赵以莲等，2007)。
1.2 样地设置
在沙地中部，距离湖东公路东侧2 km内，设置植物治沙实验观测区，选取2008年移植的沙棘、乌柳、樟子松和小叶杨人工林和直播沙蒿地作为观测样地(图1b)，各植物观测样地分别设置2～3个不同沙丘部位(丘顶、迎风坡和丘间地)观测点，对比分析2011年和2017年各植物样地丘顶的土壤理化性质随时间的变化，以及2017年各沙丘部位的土壤性质的空间变化。在植物移植之前，各沙丘均为几无植被覆盖的流动沙丘，经过春季麦铺设草方格沙障(1.5 m×1.5 m)和夏季人工移植实生苗(沙蒿为种子直播)，5～10 a后逐渐演变成半固定或固定沙丘。另外，选取一个未治理的流动沙丘为对照点(CK)。各样地具体的立地条件如表1和图1。
图1 研究区概况(a)与样地位置图(b)
表1 2008—2009年各观测样地沙丘丘顶的立地条件
1.3 实验方法
2011年和2017年7月，在沙棘、乌柳、樟子松、小叶杨和沙蒿沙丘各选3株植物，在植株南侧0.3～0.5 m处挖取深度(L)约80 cm的土壤剖面，按表层(L1为0至-10 cm)、中层(L2为-10至-20 cm)和深层(L3为-20至-80 cm)获取土样，经近两个月风干后，保存为分析测试土样。
(1)土壤颗粒组成。各层选取土样约100 g，经过充分混匀、自然风干、去残过筛(2 mm筛孔径)后，再从中选取1～2 g，加水浸泡后先后去除有机质(双氧水消煮)和碳酸钙(盐酸消煮)，反复清洗溶液直至中性。然后采用兰州大学粒度实验室Mastersize 2000马尔文激光粒度仪测定样品粒度组成。依据Blott等(2001)的粒度分级划分：黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.063 mm)、极细砂(0.063～0.125 mm)、细砂(0.125～0.25 mm)、中砂(0.25～0.50 mm)、粗砂(0.50～1.00 mm)、极粗砂(1.00～2.00 mm)。采用Folk等(2001)的图解法计算粒度参数：平均粒径(SD)、标准偏差(δ)、偏度(SK)与峰态(KG)。
(2)土壤容重。采用环刀法取样，环刀(体积为V，cm3)与湿土样经105 ℃烘箱烘干至恒重后，采用千分之一天平称环刀和土样的总干重W2(g)及环刀重W1(g)，计算土壤容重ρ(g/cm3)：
(1)
(3)土壤养分含量。在青海大学分析测试中心测定各层土壤有机质(TOC)和氮磷钾养分含量。其中，风干土样在外送检测前需研磨和过筛，测定pH值的土样需过1 mm筛，测定有机质含量的土样需经研磨过0.50 mm筛后，通过四分法取样，混合全部通过0.25 mm筛。测定土壤全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、碱解氮(AN)含量的风干土样需经研磨过1.00 mm筛后，再混合通过0.15 mm筛。测定速效磷(AP)和速效钾(AK)含量的风干土样需分别经过1.00 mm和2.00 mm筛(赵继刚，2020)。
(4)土壤含水量。采用烘干法，用百分之一电子天平各称取铝盒重量g0(g)及土样湿重g1(g)，然后于105 ℃烘箱内烘干(12 h)至恒重，待冷却后称其干重g2(g)，计算重量含水量M：
(2)
1.4 数据处理
用Excel 软件统计各项群落土壤理化指标平均值，制作各项指标柱状图和折线图。用SPSS 22.0软件对数据进行单因素方差分析和Pearson相关性分析。
2.1 土壤理化性质的时间变化
2.1.1 土壤粒度与容重
2017年，各植物群落丘顶0～-80 cm土壤剖面的平均粒径(280～410 μm)比固沙植物移植初期和2011年分别减小18～110μm和12～70 μm，其中乌柳和沙棘沙丘降幅显著(约70 μm； 图2 各个样地沙丘2011与2017年的0至-80 cm土层的平均粒径(a)和土壤容重(b) 2.1.2 土壤含水量 随着植物群落发育，固定沙丘的土壤含水量存在显著年变化(图3)。2011与2017年，沙棘群落的土壤含水量变化较稳定，表层减少量(0.36%)约等于深层增加量(0.17%)的两倍； 图3 各样地2011年与2017年不同土壤深度层的含水量 2.1.3 植物群落的土壤养分含量变化 (1)土壤有机质。根据2017年各植物群落土壤有机质含量测定结果(图4)，各沙丘L1土层含量为1.6～5.2 g/kg，且沙蒿>樟子松>沙棘>乌柳>小叶杨。L2和L3土层的有机质含量分别为1.5～3.3 g/kg 和0.8～2.2 g/kg，这两层均表现出：沙蒿>樟子松>沙棘>乌柳>小叶杨。沙棘和樟子松群落各层的有机质含量大于乌柳和小叶杨群落，前者发育有一定厚度的土壤结皮和枯枝落叶层，根系有根瘤菌； 图4 2011年和2017年各样地沙丘不同土壤深度层的土壤有机质含量 (2)土壤全氮、全磷、全钾及其速效养分含量 在克土沙地，土壤氮、磷、钾的全量与速效养分在0至-80 cm土层普遍稀缺(图5)。对照点(CK)各土层的全氮、全磷、全钾含量在近6 a变化甚小，表层的全氮含量和三个土层的全钾含量表现出增长趋势，中下层的全氮和三个土层的全磷含量则出现轻微下降现象。对照点的速效养分的土层深度差异较小，速效磷含量在各土层增长显著(0.7 mg/kg)。沙棘群落的土壤表层全氮(约0.33 g/kg)、全磷(0.42 g/kg)、全钾(38 g/kg)含量高于中层和深层，除速效钾含量之外，速效磷和碱解氮的土壤深度层次差异较小。相比2011年，2017年土壤中层和深层的全磷含量(0.15 g/kg)、表层的全钾含量(17.0 g/kg)、各层的碱解氮含量(19～26 mg/kg)和表层的速效钾含量(160 mg/kg)的增长较为显著。乌柳群落的土壤全氮、全磷和碱解氮含量的土层差异较大，表层和中层的碱解氮(相差15 mg/kg)、速效钾(相差120 mg/kg)和中层、深层的速效磷养分(相差0.2～0.8 mg/kg)含量的相对增长较快。樟子松群落的全氮、全磷、速效氮和速效磷含量的土层差异相对较大，且表层和中层的增长效益较为显著(其中土壤全磷含量增长0.2～0.28 g/kg，速效磷含量增长0.4 mg/kg，碱解氮含量增长15～33 mg/kg)。小叶杨群落层土壤全量和速效养分含量普遍小于其他植物群落，且增长效益较小(速效磷含量除外，增长约1.0 mg/kg)。沙蒿群落除全氮含量之外，其余全量和速效养分在各土层的含量较高，尤以表层的全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量显著，其增长效益分别达到40 g/kg、27 mg/kg、1.3 mg/kg和280 mg/kg。综合分析，固沙植物群落主要促进了土壤表层和深层的全氮、全磷、碱解氮和速效钾含量的增加，尤以沙棘、乌柳和沙蒿群落最突出。 图5 2011年和2017年各样地沙丘的土壤养分在不同土壤深度层的分布 沙丘不同部位的土壤环境差异主要表现在土壤含水量、有机质、碱解氮和速效钾含量(表2)。沙棘、樟子松和小叶杨沙丘的土壤含水量均表现出丘间地(4%～7%)>迎风坡/丘顶(2.8%～5.5%)，乌柳和沙蒿沙丘的沙丘部位的含水量差异相对较小(2.5%～4%)。土壤有机质含量的沙丘部位差异在各沙丘均表现出丘间地>迎风坡>丘顶，其中丘间地的有机质含量(4～10 g/kg)显著高于迎风坡和丘顶(1～6 g/kg)，除沙棘沙丘外，其余沙丘的丘间地含量比丘顶和和迎风坡部位高出40%～70%。各沙丘的丘间地和迎风坡的碱解氮含量显著高于丘顶部位，除小叶杨沙丘外，其余沙丘的丘间地碱解氮含量比丘顶高出35%～60%(增长7～20 mg/kg)。除乌柳沙丘外，其余沙丘丘间地的速效钾含量比丘顶高出10%～60%，尤以沙蒿沙丘的差异显著。虽然丘间地具有较好的风沙和降尘沉积环境，以及较好的植被覆盖度，但各固沙林地的土壤粒径和容重的沙丘部位差异较小，其改良效果在短期内的空间差异并不显著。 表2 2017年各样地不同沙丘部位0至-80 cm土壤深度层的土壤环境特征 沙地植被的恢复与重建是沙地土壤改良的主要推动力。相较于我国干旱半干旱沙区和南方土地荒漠化地区(Young，2000； 由于青海湖高寒沙地人工植被修复区有土壤蒸发相对较弱，湖滨裸沙地的地下水位较浅的特征(田丽慧等，2015)，其土壤容重和含水量增幅均高于其他干旱半干旱沙区的相同植物群落(乌柳、樟子松和沙蒿)。但是，高寒沙区固沙植物群落的表层土壤含水量(沙棘和小叶杨)随林龄增加而降低的趋势更快。在其他干旱半干旱沙区，固沙植物表现出强大的根系三维空间拓展能力和主根粗化、中细根密生的特征，这促进了根系对土壤水分养分的吸收能力，同时通过有机物分解、养分吸附等提高了土壤有机质和养分含量，减小了土壤容重。在青海湖沙地，深根性的乌柳和小叶杨的根系发育以主根和少许粗根的垂向扩展为主，且土层中细根发育较多，根系的繁殖加强了对表土细颗粒物质的固定和对水分的损耗，促进了土壤粒径和容重减小，含水量降幅较大。这促使流动沙丘的乌柳和小叶杨在5～8 a后多出现干梢枯死，成为“小老树”(Lancaster et al.，1998； 此外，在青海湖高寒沙地与其他干旱半干旱区沙地的植物-土壤环境变化过程中，区域气候特征与风沙活动差异是相同植物群落产生不同土壤改良作用的基本影响因素(Schlesinger et al.，1990； 在青海湖高寒沙地，固沙植物主要通过减弱地表风蚀强度，增加土壤细颗粒比例，防止土壤水分和养分流失来改善沙地土壤环境。短期内，固沙植物的土壤改良效益主要表现为土壤平均粒径降低，土壤含水量、有机质含量和氮磷钾全量的增长。在沙丘部位差异上，各沙丘的土壤含水量和有机质含量的大小主要表现出丘间地>迎风坡>丘顶。 5种植物群落之间，沙棘、乌柳的土壤改良速度较快，良好的防风固沙效益促使地表形成结皮沙堆，养分聚集且不易受风沙危害影响；
图2a)。各沙丘粒径的分选系数为0.56～0.80，分选性中等偏好，但均较流沙地差。各沙丘粒径均处于正偏(0.1
乌柳群落表层与深层的含水量增幅超过0.7%；
樟子松群落各层含水量增加0.3%～0.5%，沙蒿群落各层增幅较大(0.7%～2.2%)，尤以表层和中层土壤显著；
2017年各植物群落表层(沙棘和樟子松除外)和深层比流沙地均高出0.2%～3.0%，尤以沙蒿各层、沙棘和乌柳深层较为显著。综合分析，乌柳和沙蒿的持水能力相对较强，沙棘和樟子松的表层耗水作用增大。
后者枝叶稀疏且具有枝下高度，表土风蚀较强。相比2011年，各植物群落L1、L2和L3土层的有机质含量分别增长0.6～2.1 g/kg，0.0～1.5 g/kg和0.0～0.5 g/kg。相比移植当年，各群落L1土层的土壤有机质含量的增幅最大(增加1.0～3.7 g/kg)。植物群落间，樟子松和沙蒿群落的各层土壤有机质含量增幅较大，而乌柳和小叶杨群落的L3土层则有所下降。
2.2 土壤性质的沙丘部位变化
邹勇军等，2019)，青海湖沙地固沙植物的土壤改良过程与效益主要表现出短期改良速度快、长期变化慢、土壤层次差异大等特点。其中，表层(0～-10 cm)土壤在早期出现粉黏粒比例和氮、钾含量快速增加的现象，这源于高寒沙地植物早期快速固沙效益和根茎新生作用(沙棘、沙蒿尤为显著)。在我国毛乌素沙地、腾格里沙漠的人工植被修复区，大于30 a林龄的植物群落已形成稳定的土壤-植被生态系统，土壤从表层到深层均能在复杂根系网络和小气候反哺作用下实现保水增肥目标(Jian et al.，2014；
Li et al.，2016；
王彦武等，2016)。
于洋等，2014；
石坤等，2016)。沙棘与沙蒿均为浅根性植物种，0至-50 cm土层的水平根发达，中细根长而多，且吸水根多，根水势较低，根系水分吸收力较强，因而土壤有机质和全氮、全钾含量增长明显。实验区移植的樟子松主根分布较浅，大量的下扎细根与须根扭结，水平延展能力不足，根水势较大，水分吸收能力相对较弱，从而导致土壤含水量和养分含量增长局限在根系附近土层(马明呈等，2006；
王辉等，2007；
吴夏丽等，2016)。
谢亚军等，2018)。青海湖沙地固沙植物群落前期生长迅速，风沙防护效益大，土壤颗粒组成变化和水肥保持功能突出。由于高寒沙区年均温低，热量不足，且初始土壤更贫瘠，固沙植物群落缺乏充足的土壤养分，植物生长难以为继，因此反过来限制了土壤改良效益的增大(吴汪洋等，2019)。此外，高寒沙区有更高的起沙风风频和风速，固沙植物土壤改良过程受到风沙活动限制更显著。对1～3 a的乌柳与樟子松而言，当年干旱与大风沙事件会使植物成活率降低30%～50%，樟子松和沙蒿幼苗则在较大风沙活动中易出现沙埋和茎叶生根响应(贺宇等，2013)。观测期间，在2013和2016年，因为降水量较少、起沙风速和风频相对较大，乌柳、樟子松和沙蒿的保存率、高生长和群落物种多样性均出现下降现象，沙棘与小叶杨半固定沙丘出现风蚀斑块，这会导致土壤养分流失，风沙活动也会再次增加地表土层的粗砂比重。
沙蒿的增肥保水效应显著，但根茎部位易受过度风蚀或沙埋，改良过程不稳定；
樟子松短期的固沙、保水增肥能力突出，但深层土壤的改良作用较弱；
小叶杨生长本身对土壤水分和养分消耗较大，土壤改良作用相对缓慢和微弱。