高君亮，罗凤敏，刘泓鑫，乔靖然，于 猛，许亚欣
（1.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，内蒙古 磴口 015200；
2.乌兰布和沙漠综合治理国家长期科研基地，内蒙古 磴口 015200；
3.国家林业草原防沙治沙工程技术研究中心，内蒙古 磴口 015200；
4.内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 磴口 015200；
5.伊金霍洛旗水利技术服务中心，内蒙古 伊金霍洛 017200）
荒漠化是全球面临的重大生态问题，也是最紧迫的环境问题之一。据第六次全国荒漠化和沙化调查结果显示，截止2019年，荒漠化土地与沙化土地的面积为25737.13×104hm2与16878.23×104hm2［1］。作为联合国防治荒漠化公约缔约国，中国认真履行公约义务，将荒漠化防治作为一项重要的任务，中国防治荒漠化的方案和模式也成了国际社会的关注焦点［2］。植物措施（封沙育草、营建固沙林等）是防治土地沙化的重要措施之一，也是促进沙化土地植被恢复最有效和最长效的措施［3］。研究表明，沙化土地的植被恢复可使土壤细颗粒组分含量增加、土壤粒度细化［4-5］；
植物根系发育会对土壤结构产生一定影响，使土壤孔隙度增大［6］，土壤水分调节能力与渗透能力相应增强［3,7］。然而，在植被发育的过程中，植被对水分的消耗会导致土壤水分在一定程度上降低［8］，进而影响植被生长［9］。沙区有限的土壤水分是限制植被重建与恢复的主要限制因子，研究不同修复措施实施后的土壤水分状况及持水性能等特征，对于确保林草正常生长与长期稳定具有重要的理论意义与现实价值。
乌兰布和沙漠是中国北方主要的沙尘释放源区之一［10］，同时也是京津冀风沙源治理工程建设区和国家重点生态功能区之一。20世纪50年代初，乌兰布和沙漠就已开展植树造林治沙，飞播造林、草方格沙障固沙造林、黏土沙障固沙造林等防沙治沙措施在乌兰布和沙漠得到了广泛的应用且成效显著。近10 a来，乌兰布和沙漠东北部沙化土地的开发与治理力度大，沙区资源利用类型多样化（光伏电站、大型牧场、农业开发等），相应的防沙治沙生态工程（以麦草方格沙障+防风固沙林为主）面积也快速增加。但在有限的水资源环境下，如何保证这些生态工程能够长期发挥防护作用？这是一个需要关注的科学问题。目前，有关乌兰布和沙漠防沙治沙生态工程的科学研究主要集中在防风固沙方面［11-12］，而对工程实施后引起的土壤含水量及持水性能变化、地下水位动态等方面的研究较少。鉴于此，本文以乌兰布和沙漠东北部典型防沙治沙生态工程（草方格沙障+2 种植物措施）区的土壤为研究对象，以相邻流沙地土壤为对照，分析防沙治沙生态工程实施后对沙地土壤水分物理性质及持水性能的影响，以期为区域防沙治沙生态工程的后期建设与优化管理等提供理论参考与数据支撑。
1.1 研究区概况
选择乌兰布和沙漠东北部穿沙公路（磴口县工业园区—黄河泄洪湿地）两侧的流动沙丘综合治理区域为研究区（图1）。2013 年穿沙公路建成后，当地相关部门对公路两侧的流动沙丘进行了人工治理（草方格沙障+沙生灌木）与天然植被（禁牧）的恢复。经过10 a的治理，人工植被和天然植被均得到了很大程度的恢复，已初步形成相对稳定的植被群落，治沙成效显著，全年内公路几乎无积沙现象发生。
图1 研究区与采样地概况Fig.1 The basic situation of study area and sampling site
据磴口县气象站多年气象资料统计结果显示，研究区年均降水量140.3 mm，蒸发量2380.6 mm，大气相对湿度47%，气温7.8 ℃，≥10 ℃积温3289.1 ℃，日照时数3181 h，无霜期146 d，风速3.7 m·s-1［13］。土壤类型以风沙土、灌淤土和盐土等为主。天然植被多以旱生、超旱生类型的灌木和一年生的草本组成，如白刺（Nitraria tangutorum）、油蒿（Artemisia or⁃dosica）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、猪毛菜（Salsola collina）、雾冰藜（Bassia dasyphylla）、虫实（Corispermum mongolicum）、沙鞭（Psammochloa villo⁃sa）等，人工植被主要由梭梭（Haloxylon ammoden⁃dron）、花棒（Hedysarum scoparium）、沙拐枣（Calligo⁃num mongolicum）等组成［13］。
1.2 研究方法
1.2.1 样地布设 2022年6月21—22日开展了野外调查与采样工作，调查与采样前的两个月内无有效降水发生，保证了土壤水分含量不受降水影响。沿公路两侧选择了3个不同治理程度的地段作为采样区（图1），每个样区均选择流沙地、草方格-花棒林地（花棒为主，伴生其他植物）、草方格-梭梭林地（梭梭为主，伴生其他植物）为采样地，每个样地内设置3 个10 m×10 m 的样方，调查每个样方内的灌木种类、数量、单株基径、高度与冠幅、草本种类等。流沙地上无灌木，仅有零星草本，设1 m×1 m的样方。本研究共设置27 个样方，每个样地9 个样方，样地基本情况详见表1。
表1 研究样地基本情况Tab.1 Sampling site situation of three different sampling site
1.2.2 土壤样品采集 在每个样方内挖掘1个深度为100 cm 的土壤剖面，在剖面上0～20 cm 每间隔10 cm划分一层，20～100 cm每间隔20 cm划分一层，每个剖面共计分6层，在每层上用环刀（体积100 cm3）取原状土样3份。
1.2.3 土壤样品测定 土壤粒度组成采用筛分法测定（参照中国沙粒级分级标准，粒级>1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm、0.25～0.1 mm、0.1～0.05 mm、<0.05 mm 的颗粒分别为极粗沙、粗沙、中沙、细沙、极细沙、粉沙+黏土），含水率采用烘干法测定，容重采用环刀法测定，孔隙度与持水量采用环刀浸水法测定。基于土壤孔隙度数据计算土壤吸持贮水量、滞留贮水量和饱和贮水量［7,14］。计算公式为：
式中：Wc、Wn和W分别为土壤吸持贮水量、滞留贮水量和饱和贮水量（mm）；
Pc、Pn分别为土壤毛管孔隙度（%）、非毛管孔隙度（%）；
H为土层厚度（cm）。
1.3 数据处理
用Excel 2010软件整理数据，用SAS 9.0软件进行单因素方差分析，用Origin 19.0 软件绘图并分析土壤水分各物理性质指标的相关性。
2.1 土壤粒度组成
由图2 显示，流沙地、花棒林地和梭梭林地0～100 cm不同土层的土壤粒度均以细沙为主（50.87%～60.94%），其次为中沙（29.71%～43.42%），极细沙含量较低（4.21%～8.71%），粉沙+黏土、粗沙含量非常低，分别仅为0.21%～2.14%、0.44%～1.01%，3类样地同一土层不同粒级土壤颗粒的百分含量差异显著（P<0.05）。3类样地同一粒级土壤颗粒的百分含量差异显著（P<0.05），流沙地的粗沙、中沙含量整体较花棒林地和梭梭林地均高，0～40 cm差异较明显，0～10 cm 尤为明显。然而，流沙地的细沙、极细沙、粉沙+黏土的含量较花棒林地和梭梭林地均低。流沙地0～100 cm 的土壤颗粒组成较为均一，分选性较好，不同土层的土壤粒度组成差异较小，而花棒林地和梭梭林地较流沙地则差异较大，上层粗沙含量较下层低，而极细沙、粉沙+黏土的含量则相反。土壤粒度组成特征表明，流沙地上布设草方格-植物措施后，改良土壤的效果显著，尤其是对表层土壤的改良效果最佳。
图2 土壤粒度组成Fig.2 Soil grain size of three different sampling site
2.2 土壤水分含量
流沙地、花棒林地和梭梭林地的土壤水分含量均处于很低的水平，土壤含水率值<2%，均随土层深度增加而增高（图3）。不同土层的土壤水分含量差异显著（P<0.05），其中0～10 cm土壤水分含量最低，仅为0.23%～0.64%。流沙地、花棒林地和梭梭林地的土壤水分含量存在显著差异（P<0.05），流沙地表层土壤水分含量低于花棒林地和梭梭林地，但10～100 cm 的土壤水分含量均高于花棒林地和梭梭林地，尤其是10～80 cm更为明显。
图3 土壤含水率与土壤容重Fig.3 Soil moisture content and bulk density of three different sampling site
2.3 土壤容重
流沙地、花棒林地和梭梭林地的土壤容重有一定差异，但不显著（P>0.05），3类样地的土壤容重均值为1.47～1.58 g·cm-3（图3）。0～10 cm，流沙地的土壤容重低于花棒林地和梭梭林地；
10～20 cm，3类样地的土壤容重几近相等，20～100 cm，流沙地的土壤
容重均高于花棒林地和梭梭林地。流沙地的土壤容重随着土层深度增加而增大，而花棒林地和梭梭林地的土壤容重整体上呈现出随着土层深度增加而减小的趋势。
2.4 土壤孔隙度
由表2 可知，流沙地0～100 cm 的土壤毛管孔隙度（28.80%）、非毛管孔隙度（8.83%）和总孔隙度（37.61%）均小于花棒林地（30.51%、9.15%、39.66%）和梭梭林地（29.35%、9.69%、39.04%），流沙地、花棒林地和梭梭林地的土壤孔隙度差异显著（P<0.05），流沙地的土壤孔隙度在不同土层之间较为均一，无显著差异（P>0.05）；
花棒林地的土壤孔隙度在不同土层之间有差异但不显著（P>0.05）、梭梭林地的土壤孔隙度在不同土层之间差异显著（P<0.05）。花棒林地、梭梭林地的土壤孔隙度在不同土层之间均呈现出波动变化，但没有呈现出明显的变化规律。
表2 土壤孔隙度特征Tab.2 Soil porosity characteristics of three different sampling site
2.5 土壤持水量与贮水量
由表3 显示，流沙地0～100 cm 的土壤饱和持水量均值（24.16%）和田间持水量均值（15.29%）均小于花棒林地（26.48%、19.35%）和梭梭林地（25.91%、17.55%），而毛管持水量三者差异较小，分别为19.10%、19.03%、20.69%。流沙地、花棒林地和梭梭林地的土壤饱和持水量、毛管持水量差异均不显著（P>0.05），而田间持水量差异显著（P<0.05），流沙地的3 个持水量值在不同土层之间无显著差异（P>0.05），而花棒林地、梭梭林地的不同土层之间则差异显著（P<0.05），尤其是毛管持水量和田间持水量存在较大的波动。
表3 土壤持水量特征Tab.3 Soil water capacity characteristics of three different sampling site
由表4 显示，流沙地0～100 cm 的土壤饱和贮水量（225.93 t·hm-2）、吸持贮水量（172.82 t·hm-2）和滞留贮水量（52.81 t·hm-2）小于花棒林地（237.98 t·hm-2、183.08 t·hm-2、54.88 t·hm-2）和梭梭林地（234.22 t·hm-2、176.08 t·hm-2、58.14 t·hm-2）。流沙地的土壤贮水量与花棒林地、梭梭林地差异显著（P<0.05），流沙地的3 个贮水量值在不同土层之间无显著差异（P>0.05），较为均一；
而花棒林地、梭梭林地的3个贮水量值在不同土层之间存在较大差异，尤其是梭梭林地更为明显，且差异显著（P<0.05）。
表4 土壤贮水量特征Tab.4 Soil water storage characteristics of three different sampling site
3.1 草方格-灌木林对土壤物理性质的影响
3.1.1 土壤粒度组成 土壤理化性质是沙漠化监测与评价指标中一项重要的监测指标，其中土壤粒度组成（细颗粒与粗颗粒的变化）被认为是变化最为明显的指标之一［15-16］。随着穿沙公路两侧防沙治沙生态工程的建设，花棒林地、梭梭林地和流沙地的土壤粒度组成出现了显著差异，尤以表层更明显。流沙地表层的极细沙、粉沙+黏土含量分别为4.43%、0.21%，固沙林（花棒、梭梭）地表层的极细沙含量（8.71%、4.84%）、粉沙+黏土含量（2.14%、1.59%）增加，中沙含量（29.71%、33.10%）减少，整体出现细化趋势。尽管极细沙、粉沙+黏土的总体含量仍相对较低，但较流沙地有显著增加（图2）。研究结果同前人的结果类似，如李尝君等［4］发现塔克拉玛干沙漠南缘植被恢复过程中，沙地土壤颗粒组成中的细颗粒组分含量会增加；
田丽慧等［5］在青海沙珠玉的研究结果显示，流动沙地经过人工植被恢复治理后（50 a后），60 cm深度内的土壤粒度会发生细化，尤以地表5 cm更甚；
唐永发等［3］研究了雅江河谷中段典型防沙治沙生态工程对沙化土地的改良效应，发现在4 种不同植被类型的防沙治沙生态工程体系内，沙地表层土壤质地呈显著细化趋势，粉砂、极细砂含量较流动沙地提高25.75～54.61 倍和2.31～5.56倍。研究表明，流沙地经过人为干扰并建立植被的过程中，随着植物生长，枯落物进入土壤中分解成有机质及根系分泌物产生的生物作用可以促进土壤颗粒分解；
此外，当流沙地上的植物生长到一定高度后，就可以拦截粉粒沉降至地表［17］，近地层空气中约30%～60%的降尘被植被枝叶拦截后输入地表［18］，增加了地表细颗粒物含量，促进表层成土过程的发生［19］。然而，沙地成壤的变化是一个长期的过程，人为干扰一般仅促进表层土壤环境变化，加速其恢复进程与成土过程［5,8］，因此，本研究也发现表层细粒物质含量最为明显。
3.1.2 土壤水分含量 土壤水分是沙地生态系统植被格局和过程的驱动力，控制着植物生长和植被演替等主要过程［20］；
而沙地植被的恢复与重建也会对土壤水分产生明显影响［7,9,21］，增强水平与垂直格局上土壤水分的空间异质性［22］。本研究中的流沙地、花棒林地和梭梭林地的土壤水分含量较低，且均随土层深度增加而增大（图3a）。这与其他学者的结果相似，雅鲁藏布江河岸交错带沙地土壤水分会随着深度增加而呈现增加趋势，0～20 cm 的土壤含水率具有强烈的空间相关性，随着土层深度增加，空间相关性减弱［23］。沙地人工植被的恢复与重建对土壤水分状况的影响是比较明显的［22］，李新荣等［21］对沙坡头不同时期建立的固沙植被区沙丘土壤水分进行多年连续监测，发现植被发展至9～10 a后土壤含水量开始明显下降。本研究结果与其相似，流沙地经过近10 a的植被恢复与重建，固沙林地的表层土壤水分含量（0.35%、0.64%）较流沙地土壤水分含量（0.23%）高，但整体上均低于流沙地，尤以10～80 cm最为明显。流沙地的土壤水分含量为1.45%～1.55%，花棒林、梭梭林的土壤水分含量分别为0.78%～1.25%、1.14%～1.42%（图3a）。这主要由于流沙地上建立固沙植被后，植物自身生长过程中需要吸收一定量的土壤水分［9］，且随着林龄增加，耗水量会显著增加［21］；
另外，固沙植被改变了流沙地水分的再分配［24-25］，减少了降雨下渗［20,26］，使下层土壤水分的补给减少，进而影响土壤含水量［8］，随着固沙植被盖度的增加，单位面积沙丘水分对外补给能力会显著降低。本研究结果显示，已生长10 a的两种林地，土壤水分含量均比流沙地低，也证明了林地内植物的生长对土壤水分有一定消耗，但从当前植被生长现状及土壤含水量对照情况来看，土壤水分暂时能满足植被生长，植被防风固沙作用也非常明显。但是，建议在后期的管护中需要适当的间伐、平茬或修枝等，以减少植物个体增大与数量增加后对土壤水分的大量消耗，进而引起林分整体退化。
3.1.3 土壤容重与孔隙度 土壤容重是反映土壤紧实程度的一项重要物理指标。流沙地上营建固沙植被后，土壤容重整体呈现减小的趋势，流沙地的土壤容重随着土层深度增加而增大，而固沙林地的土壤容重整体上呈现出随着土层深度增加而减小的趋势（图3b）。这同其他学者在不同区域的研究结果一致，例如，河西走廊沙漠-绿洲过渡带固沙植被区的土壤容重均随着土层深度（0～120 cm）的增加而降低［6］；
鄂尔多斯砒砂岩地区营造沙棘（Hip⁃pophae rhamnoides）人工林后显著降低了土壤容重，且这种作用随林龄的增加而增加［27］。这可能主要是因为林地表层土壤中细颗粒物质含量较高，同时表层土壤受外界因素（风沙、降雨、温度等）影响较大，干湿交替导致土壤颗粒内聚力增大［28］，使得表层土壤容重较流沙地大，但是随着土层深度增加这种影响减小［6］；
此外，固沙植物的根系在土壤中的分布与生长对土壤层有疏松的作用，使土壤容重减小［27］。
土壤孔隙是土壤中空气、水分、养分等的迁移通道和贮存库［29］，且影响土壤的渗透性与蓄水能力［30］。众多研究表明，植被与土壤是两个相互影响的系统，不同类型的土壤（黄土［31］、风沙土［6,32］、盐碱土［33］、砒砂岩［27］等）经过建立人工植被后，植物根系发育会对土壤结构产生一定的影响，此外，植物根区存在的一些特殊生物群也能够增加土壤孔隙度。因此当植物生长后土壤孔隙度均会显著增大，孔隙度增大后水分调节能力与土壤渗透能力又会增强，有利于土壤水分的储存。本研究结果同前人的研究结果一致，随着防沙治沙工程的建成，固沙林地与流沙地的土壤孔隙度形成了显著差异，固沙林地的土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均大于流沙地（表2）。
3.2 草方格-灌木林对土壤持水性能的影响
土壤持水性能是制约植被能否长期稳定生长的关键限制因素，是表征水源涵养功能的一项重要指标，土壤贮水能力则多用来反映植被调节水分和涵养水源的能力［32］。其中，土壤饱和持水量是土壤所能含蓄水量的最大值、毛管持水量是土壤所能够保持的最大毛管上升水量、田间持水量是指土壤所能保持的最大毛管悬着水量，被认为是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，也是土壤最大有效水量。众多研究表明，植物的生长发育对土壤质地具有重要的影响，随着沙地上植被的生长发育，根系生长产生的化学作用促使土壤结构（机械组成、孔隙度等）会发生一定的变化，这种变化会促进土壤团粒结构的形成，增加土壤孔隙度，进而直接或间接的促进土壤持水性能变化，因此，林地的土壤持水量与贮水量均高于裸沙地［6,32,34］。本研究也得到相似的结果，固沙林地0～100 cm土层的土壤饱和持水量、田间持水量、毛管持水量、土壤饱和贮水量、吸持贮水量和滞留贮水量的均值高于流沙地（表3，表4）。研究区土壤整体的持水能力较低，且各土层之间的持水性能没有明显的变化规律，而呈现出波动状态，与其他研究者的结果有所差异［33］，这可能主要与研究区土壤质地、林分类型和林龄有关，也与固沙植物根系分布和发育情况不同有关［6］。
梭梭和花棒是乌兰布和沙漠防沙治沙工程中常选的两个主要树种，流沙地上营建防风固沙林（梭梭林、花棒林）后对土壤物理性质产生了明显的影响，林地土壤水分物理性质与流沙地形成显著差异。林地表层土壤颗粒有细化趋势，成土过程较为明显，林地表层的极细沙含量为8.71%、4.84%，粉沙+黏土含量为2.14%、1.59%，显著高于流沙地的4.43%、0.21%。林地的土壤容重较流沙地减小3%、土壤总孔隙度增大3.80%～5.45%、土壤饱和持水量增加7.24%～9.60%、土壤饱和贮水量增加3.7%～5.3%，表明土壤持水性能明显提升，沙化土地治理效果良好。
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