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干旱区研究 >

2025 , Vol. 42 >Issue 4: 637 - 645

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2025.04.06

水土资源

腾格里沙漠东北缘飞播30 a人工林土壤养分特征

  • 樊昊 , 1 ,
  • 唐国栋 2, 3 ,
  • 赵振宇 2, 3 ,
  • 李锦荣 2, 3 ,
  • 邓春涛 1 ,
  • 王海兵 1
展开
  • 1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010020
  • 2.中国水利水电科学研究院，内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站，北京 100038
  • 3.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020
王海兵. E-mail: hb-wang@imau.edu.cn

樊昊（2000-），男，硕士研究生，主要从事水土保持与荒漠化防治方向的研究. E-mail:

收稿日期: 2024-08-17

  修回日期: 2025-02-24

  网络出版日期: 2025-08-14

基金资助

内蒙古自治区科技计划项目“黄河流域腾格里沙漠飞播造林区水资源高效利用新业态技术研究”(2022YFHH0096)

阿拉善左旗2020年飞播造林科技支撑项目(MK0199B012021)

收起

Soil nutrient characteristics of 30-year aerial seeding plantations in the northeastern margin of Tengger Desert

  • FAN Hao , 1 ,
  • TANG Guodong 2, 3 ,
  • ZHAO Zhenyu 2, 3 ,
  • LI Jinrong 2, 3 ,
  • DENG Chuntao 1 ,
  • WANG Haibing 1
Expand
  • 1. College of Desert Management, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010020, Inner Mongolia, China
  • 2. China Academy of Water Resources and Hydropower Research, National Field Scientific Observation and Research Station of Grassland Geohydrology in the North Foot of Yinshan Mountain, Inner Mongolia, Beijing 100038
  • 3. Institute of Pastoral Water Conservancy Science, Ministry of Water Resources, Hohhot 010020, Inner Mongolia, China

Received date: 2024-08-17

  Revised date: 2025-02-24

  Online published: 2025-08-14

Fold

摘要

为明确腾格里沙漠东北缘1992年飞播造林区植被恢复对土壤养分累积效应的影响。本文以飞播区形成的沙拐枣群落和混合群落（花棒+沙拐枣）为研究对象，分析土壤养分变化规律及累积效应。结果表明：（1） 植被恢复显著提升飞播区土壤养分含量，沙拐枣群落与混合群落的土壤有机质（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）分别增加60%~105%、123%~161%、129%~149%、145%~261%，其中沙拐枣群落增幅显著高于混合群落及裸沙样地（CK）（P<0.05）。养分垂向分布呈表聚效应，0~10 cm土层含量显著高于150~200 cm土层。（2） 两种群落对0~200 cm土层养分累积均呈正向效应，且随深度增加效应减弱（P<0.05）；沙拐枣群落的正效应均值（0.39）显著高于混合群落（0.29）。（3） 沙拐枣群落与混合群落的土壤养分恢复指数分别为62.19%和51.63%。研究表明腾格里沙漠东北缘飞播造林30 a后，土壤养分显著改善，沙拐枣群落对养分累积的促进作用稍优于混合群落，可为干旱区人工固沙植被恢复及稳定维持提供理论依据。

关键词： 飞播造林; 植被恢复; 相对相互作用强度; 养分累积; 腾格里沙漠

本文引用格式

樊昊 , 唐国栋 , 赵振宇 , 李锦荣 , 邓春涛 , 王海兵 . 腾格里沙漠东北缘飞播30 a人工林土壤养分特征[J]. 干旱区研究, 2025 , 42(4) : 637 -645 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.04.06

Abstract

This study investigated the effect of vegetation restoration on soil nutrient accumulation in 1992 in the northeastern margin of the Tengger Desert. To provide a theoretical basis for vegetation construction in arid areas, this study analyzed the changes and cumulative effects of soil nutrients in the Calligonum mongolicum community and the mixed community (Hedysarum scoparium+C. mongolicum) in the aerial seeding area. (1) Vegetation restoration significantly increased the soil nutrient content in the aerial seeding area. Soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus, and total potassium in the soil of the C. mongolicum community and the mixed community increased by 60%-105%, 123%-161%, 129%-149%, and 145%-261%, respectively. The increase in the C. mongolicum community was significantly higher than that in the mixed community and the bare sand control (P< 0.05). The vertical distribution of nutrients revealed a surface accumulation effect; the content of the soil layer 0-10 cm from the surface was significantly higher than that of the soil layer 150-200 cm from the surface. (2) The two communities had a positive effect on nutrient accumulation in the soil layer 0-200 cm from the surface, and the effect decreased with increasing depth (P<0.05). The mean positive effect of the C. monogolicum community (0.39) was significantly higher than that of the mixed community (0.29). (3) The soil nutrient recovery indexes of the C. mongolicum and mixed communities were 62.19% and 51.63%, respectively. The results demonstrated that soil nutrients were significantly improved after 30 years of aerial seeding afforestation in the northeastern margin of the Tengger Desert. The C. mongolicum community promoted nutrient accumulation slightly better than did the mixed community, supporting the stable maintenance of artificial sand-fixing vegetation in arid areas.

Key words： aerial seeding afforestation; vegetation restoration; relative interaction strength; nutrient accumulation; Tengger Desert

飞播造林是干旱沙区构建人工固沙植被系统的重要措施之一。植被恢复通过凋落物输入与根系分泌物促进土壤微生物活动，进而改善土壤环境[1]，同时土壤环境的改善对植物生长产生积极的反馈作用[2]。土壤养分能反映土壤特性和动态变化，是评估土壤状况及生态环境功能的重要指标[3]，在有机质分解和转化过程中起着主导作用，影响生态系统的物质循环和能量流动[4]，并受气候、土壤质地及植被类型的综合影响[5]。因此，准确了解干旱荒漠地区土壤养分的变化规律，有助于更有效地开展生态恢复与管理工作。
在干旱沙漠区，随着飞播植被年限的增加，植被的枯落物和根系分泌物增多，促进了微生物的繁殖，这一过程使得风沙土中氮、磷、钾等元素及有机质的含量显著提高，并在土壤表层富集，从而增加了土壤养分[6]。蒋德明等[7]的研究表明，随着小叶锦鸡儿人工植被的恢复，科尔沁沙区流动沙地的土壤养分得到了明显改善。陈闻等[8]的研究发现，毛乌素沙地人工固沙植被的土壤表层全氮含量高于底层，而全钾含量则没有显著差异。赵春光等[9]在乌审旗飞播固沙人工林地研究发现，植被恢复24 a后土壤有机质增加了31.4%，全氮和全磷均有显著增加，且增加幅度呈现土壤表层向下逐渐降低趋势。刘源等[10]在库布齐沙漠的研究表明，植被恢复可有效改良土壤结构，增加了有机质和全氮含量。施明等[11]对腾格里沙漠边缘区植被恢复研究表明，沙生植被的恢复对土壤有机质和氮素的增加起促进作用。可见，在不同干旱地区随着人工植被的逐步恢复，土壤养分有不同程度的改善。但是，不同飞播人工林对土壤养分的累积存在一定差异。
腾格里沙漠东北缘自20世纪80年代实施飞播造林以来，植被盖度显著提升，形成以沙拐枣（Calligonum mongolicum）、花棒（Hedysarum scoparium）及沙蒿（Artemisia desertorum）为主的固沙群落[12-13]。然而，长期植被恢复对深层土壤养分的影响尚不明确。本研究以沙拐枣群落和混合群落（花棒+沙拐枣）为研究对象，系统分析30 a飞播区土壤养分变化规律，揭示植被恢复对养分累积的长期效应，为干旱区土壤保育提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于腾格里沙漠东北缘自1992年飞播造林实施以来形成的飞播灌木林区（图1），行政区属于内蒙古西部阿拉善左旗，地理坐标为39°11′~39°18′N，104°53′~104°57′E，面积为4025 hm2，该地区属于典型的中温带干旱荒漠区，气候特征为温带大陆性气候。该地区1980—2020年平均降水量为123.33 mm，且降水主要集中在6—9月，约占全年降水的63%。该地区土壤主要以非地带性风沙土为主。主要植物有花棒、沙拐枣、沙蒿，此外还分布着霸王（Zygophyllum xanthoxylum）、沙米（Agriophyllum squarrosum）、沙鞭（Psammochloa villosa）、猫头刺（Oxytropis aciphylla）等天然植被。
图1 腾格里沙漠东北缘飞播造林区位置示意图

Fig. 1 Location of aerial seeding afforestation area the northeast edge of the Tengger Desert

1.2 研究方法

1.2.1 样地布设

选取沙拐枣群落、混合群落（花棒+沙拐枣）及裸沙地（CK）为研究对象，各设置3个样地。试验于2022年6月开展，分别在沙拐枣样地（样地Ⅰ）、混合群落（花棒+沙拐枣）（样地Ⅱ）和裸沙样地（样地Ⅲ）（CK）选取相似典型沙丘，并分别在沙丘的5个坡位（迎风坡和背风坡的坡底、坡中以及坡顶）选取1个小样地作为土壤养分研究基本单元。在每个样地中不同坡位设置3个20 m×20 m的灌木样方，每个灌木样方内采用五点法设置5个1 m×1 m的草本样方，对植物群落特征进行调查（表1）。
表1 实验样地信息

Tab. 1 Experimental plot information

样地 群落组成 地理位置 植物群落特征
高度/cm 冠幅/cm 基径/cm 盖度/% 草本植物组成 草本盖度/%
Ⅰ 沙拐枣 104.92601°E，
39.24924°N		 79±24 93±7 1.2±0.4 19±2 蒙古韭 2±1
Ⅱ 混合群落
（花棒+沙拐枣）		 104.92972°E，
39.21961°N		 105±28 111±30 1.4±0.8 27±2 针茅、雾冰藜 2±1

注：表中数据为平均值±标准误。

1.2.2 土壤样品采集与指标测定

在3个观测样地分别选取不同植物标准株作为土壤样品采样点。沙拐枣群落样地选取沙拐枣标准株3株，混合群落样地选取沙拐枣和花棒标准株各3株，裸沙样地选取无植物覆盖的区域取样。在每个标准株下方及株间空地处按照5个坡位挖取深200 cm土壤剖面，共计在3个样地的不同坡位挖取了60个土壤剖面。每个剖面按照0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~60 cm、60~100 cm、100~150 cm、150~200 cm的7个深度层次进行土壤采样。挖取土壤样品后，沙拐枣群落和裸沙样地土壤样品按照不同坡位同一土层均匀混合。混合群落土壤样品则先将沙拐枣和花棒分别按不同坡位同一土层均匀混合，再将混合后的土样按同一土层均匀混合。混合完成的土壤样品带回实验室后，去除杂质并自然风干。采用四分法对土壤样品进行缩减。随后测定土壤中的有机质（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）和全钾（TK）含量，参照《土壤农化分析》中的标准方法进行[14]。

1.2.3 数据分析

（1） 土壤养分累积计算方法
为了量化不同植物群落对土壤养分的影响，采用相对相互作用强度（Relative Interaction Intense，RII）来表示不同植物群落对土壤养分的影响[15⇓-17]。RII取值范围在[-1,1]之间，>0表示沙拐枣群落和混合群落（花棒+沙拐枣）增加了该土壤养分含量，<0表示沙拐枣群落和混合群落（花棒+沙拐枣）减少了该土壤养分含量，其绝对值越大表示效应越显著[18-19]。计算公式如下：
R I I = ( X n - X i ) ( X n + X i )
式中： X n表示不同植物群落不同土层深度的土壤养分值； X i表示CK不同土层深度的土壤养分值。
（2） 土壤养分恢复指数计算方法
土壤养分恢复指数（Nutrient Recovery Index，NRI），用于定量描述不同植物群落植被恢复对土壤养分的影响[20]。
N R I = 1 n ∑ i = 1 n ( X i - X i ' ) X i × 100 %
式中： X i和 X i '分别表示不同植物群落和CK样地土壤第i层土壤养分值。

2 结果与分析

2.1 不同植物群落土壤养分特征

由图2可知，经过飞播恢复的不同植物群落类型的土壤养分相较于CK均有不同程度的提高。其中沙拐枣群落的平均土壤SOM、TN、TP和TK分别提高了105%、161%、149%和261%；而混合群落（花棒+沙拐枣）分别提高了60%、123%、129%和145%。这一结果表明，飞播后植被恢复对土壤养分含量有显著影响（P<0.05）。此外，各植物群落在0~10 cm土层的养分含量明显高于150~200 cm土层，这进一步说明了土壤养分具有显著的表聚效应。具体来说，沙拐枣、混合群落（花棒+沙拐枣）、裸沙地在0~10 cm土层土壤的SOM、TN、TP和TK相较于150~200 cm土层分别增加了0.220~0.512 g·kg-1、0.011~0.026 g·kg-1、0.025~0.138 g·kg-1和0.966~5.000 g·kg-1。随着土层深度增加，沙拐枣、混合群落（花棒+沙拐枣）、裸沙地土壤养分均呈现显著下降的趋势（P<0.05）。从同一土层来看，沙拐枣群落、混合群落（花棒+沙拐枣）以及CK的土壤养分含量在0~200 cm土层表现为：沙拐枣群落>混合群落（花棒+沙拐枣）>CK，并呈现显著性差异（P<0.05）。
图2 不同植物群落土壤养分状况

注：不同小写字母表示同一植物群落类型不同土层深度土壤养分差异显著（P<0.05）；不同大写字母表示同一土层不同植物群落类型土壤养分差异显著（P<0.05）。

Fig. 2 Soil nutrient status of different plant communities

2.2 不同植物群落土壤养分累积状况

由图3可知，沙拐枣和混合群落（花棒+沙拐枣）土壤养分累积状况随土层深度增加而逐渐降低。并且两种植物群落对不同土层深度的土壤SOM、TN、TP和TK含量均表现出显著的正效应（P<0.05），其正效应值分别为SOM在0.15~0.33，TN在0.1~0.49，TP在0.28~0.46，TK在0.43~0.56，说明两种植物群落对土壤养分的积累都呈现积极作用。从总效应来看，在0~200 cm土层，沙拐枣和混合群落（花棒+沙拐枣）在土壤养分累积方面均显示出显著的正效应（P<0.05），而沙拐枣正效应均值高于混合群落（花棒+沙拐枣）正效应均值，具体表现为0.39>0.29，说明沙拐枣群落更利于土壤养分的累积。在不同土层中，沙拐枣群落与混合群落（花棒+沙拐枣）的土壤养分正效应呈现出随土层深度增加而逐渐降低的趋势（P<0.05）。
图3 不同植物群落土壤养分累积状况

注：不同小写字母表示同一植物群落类型不同土层深度土壤养分差异显著（P<0.05）。

Fig. 3 The cumulative status of soil nutrients in different plant communities

2.3 不同植物群落土壤养分恢复指数特征

由表2、表3可知，沙拐枣群落与混合群落（花棒+沙拐枣）对土壤养分恢复均表现出显著的积极影响。总体来看，沙拐枣群落的土壤养分恢复指数是混合群落（花棒+沙拐枣）的1.2倍，这表明沙拐枣群落在促进土壤养分的累积与恢复方面具有更为显著的效果（P<0.05）。从土壤垂直剖面的角度来看，沙拐枣群落与混合群落（花棒+沙拐枣）的表层土壤养分恢复指数相较于深层土壤均具有显著提高（P<0.05），随着土层深度的增加，养分恢复效果逐渐减弱。其中沙拐枣群落的土壤养分恢复指数为62.19%，混合群落（花棒+沙拐枣）的为51.63%，说明沙拐枣群落对土壤养分恢复效果较好。在0~10 cm土层，沙拐枣群落与混合群落（花棒+沙拐枣）的土壤恢复指数分别比深层（150~200 cm）提高了38.85%和141%。从同一土层来看，沙拐枣群落的恢复效果高于混合群落（花棒+沙拐枣），具体表现为0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~60 cm、60~100 cm、100~150 cm、150~200 cm分别提高了15.17%、18.70%、15.72%、22.59%、19.60%、21.46%、35.56%。可见，沙拐枣群落对土壤养分恢复影响程度较大。
表2 沙拐枣群落土壤养分恢复指数

Tab. 2 Soil nutrient recovery index of sand turn jujube

植物类型 土层深度/cm SOM TN TP TK 平均值 总平均值
沙拐枣 0~10 63.93% 80.34% 71.59% 72.06% 71.98% 62.19%
10~20 56.19% 79.10% 69.88% 73.92% 69.77%
20~30 53.78% 76.00% 55.66% 72.54% 64.49%
30~60 50.04% 75.49% 50.83% 73.90% 62.57%
60~100 48.18% 54.42% 60.02% 71.66% 58.57%
100~150 45.54% 53.85% 53.74% 71.24% 56.09%
150~200 44.95% 41.18% 50.24% 70.99% 51.84%
表3 混合群落（花棒+沙拐枣）土壤养分恢复指数

Tab. 3 Soil nutrient recovery index of mixed forest land (flower stick+sand turn jujube)

植物类型 土层深度/cm SOM TN TP TK 平均值 总平均值
混合群落
（花棒+沙拐枣）		 0~10 52.56% 69.22% 69.89% 58.31% 62.50% 51.63%
10~20 47.22% 64.56% 62.40% 60.92% 58.78%
20~30 40.45% 61.14% 61.67% 59.66% 55.73%
30~60 36.51% 58.27% 49.21% 60.17% 51.04%
60~100 32.91% 57.85% 47.51% 57.61% 48.97%
100~150 30.75% 44.44% 52.20% 57.34% 46.18%
150~200 29.77% 18.03% 43.88% 61.30% 38.24%

3 讨论

土壤养分作为植被建设、发展与演替中的关键指标，其增长速率受植物类型、密度及土壤质地等多重因素的影响[21-22]。本研究表明，经过30多年的植被恢复，研究区土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量相较于裸沙显著提升，尤其在0~10 cm土层表现最为显著。这一结果与钱洲等[23]在毛乌素沙地的研究结果一致，飞播造林恢复17 a后，0~10 cm土层的土壤有机质和全氮含量分别增加了700.24%和254.55%，随着土层深度增加，土壤有机质和全氮增加程度降低。
在沙漠生态系统中，磷和钾是植物生长所需的关键养分，然而这些元素的有效性通常偏低。飞播造林通过改善土壤的理化性质，促进磷、钾元素的释放。然而，研究区土壤养分恢复仍处于初级阶段，整体肥力水平较低。其主要原因在于研究区土壤结构松散、保水性差，同时土壤pH值在8.46~8.79之间，属于强碱性土壤。此外，研究区气候干旱，生长季降水少，蒸发量大，进一步限制了养分积累[24]。经过多年飞播造林使表层土壤养分逐步得到改善。研究发现，与裸沙相比，沙拐枣群落和混合群落（花棒+沙拐枣）的土壤养分含量分别平均提高247%和155%，表明飞播造林对土壤养分的恢复有显著促进作用（P<0.05）。
沙拐枣群落和混合群落（花棒+沙拐枣）对土壤养分的积累具有显著的正效应，本研究结果与魏亚娟等[25]对吉兰泰防护林体系和王博等[26]对库布齐沙漠生态系统的研究结果一致。飞播造林通过增加植被覆盖，改善水分入渗条件，同时促进植物根系生长和延展，有效改善了土壤结构。随着根系的深入，植物分泌的有机酸等物质改变了土壤的化学环境，进而促进了土壤中养分的释放与转化[27]。其中，沙拐枣群落在0~30 cm土层的有机质含量相比CK提高了105%~261%，混合群落（花棒+沙拐枣）提高了60%~145%。植物根系分泌物刺激了微生物活性，增强了养分循环效率，这一结果与前人研究结果一致[28⇓-30]，进一步表明飞播造林有利于土壤养分的累积。
通过土壤养分恢复指数（NRI）可以进一步反映生态修复措施对退化土壤的改善效果[31]。研究结果显示，沙拐枣群落和混合群落（花棒+沙拐枣）的土壤养分恢复指数分别为62.19%和51.63%，且在0~10 cm土层的土壤恢复效果显著优于150~200 cm土层。在荒漠化地区，植被恢复促进了土壤有机质的形成，但腐殖化作用主要集中在表层，对下层土壤影响有限[32]。随着土层深度增加，土壤逐渐转变为矿质层，其养分含量较低，且因压实而通透性不足，限制了植物根系对养分的吸收。此外，土壤与植被之间存在相互反馈机制，植被生长提高了土壤养分含量，并有效遏制了沙化趋势。植被凋落物的积累进一步改善了土壤肥力，促进了植物生长[33]。这些机制表明，飞播造林不仅增强生态系统生物多样性，还提高了其抵御环境压力的能力。植物和微生物群落相互形成更复杂的生态网络，使生态系统的韧性和自我调节能力得到增强。
腾格里沙漠东北缘飞播造林不仅促进了土壤养分的积累，还显著提升了土壤的整体肥力和质量，为生态恢复与土壤改良提供了有力支持。然而，目前土壤仍处于恢复阶段，整体养分水平偏低。研究强调了不同植物群落对土壤养分改善和生态恢复的作用，特别是在干旱和贫瘠的荒漠环境中，合适的植物种类和群落配置可以显著加快土壤养分的恢复进程，为未来的植被恢复和土壤管理方面提供重要的科学依据。

4 结论

通过对腾格里沙漠东北缘飞播造林区不同植物群落土壤养分的研究，得出以下主要结论：
（1） 腾格里沙漠东北缘飞播造林区恢复30 a后，土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量显著提升，沙拐枣群落改良效果最优。
（2） 沙拐枣群落和混合群落（花棒+沙拐枣）均显著促进土壤有机质、全氮、全磷及全钾的累积，沙拐枣群落对养分累积的促进作用显著强于混合群落（0.39>0.29）。
（3） 植被恢复对表层土壤（0~30 cm）的改良效果最为显著。不同植物群落类型土壤养分恢复指数分别为62.19%、51.63%。

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