中国是世界上荒漠化面积最大、受风沙危害最严重的国家之一。全国荒漠化土地面积261.16万km²，占国土总面积的27.20%；沙化土地面积172.12万km²，占国土总面积的17.93%。陕北风沙草滩区，植被稀疏，生态环境脆弱，起风起沙天气与植物的生长季节不一致，固沙防风林建设体系不完备，水土流失严重，这对当地生产生活造成极大影响，同时也严重制约着当地生态环境建设。土地沙化势必会引起植被的改变，反之，植被的变化也会促进土壤的演变^[1-2]。

有研究表明在陕北风沙草滩区广泛分布着风沙土和砒砂岩，二者对农业生产及生态环境的危害极大，在当地并称为“两害”^[3]。风沙土透水漏肥；砒砂岩的成岩程度及结构强度都较低，易风化，颗粒间胶结性、渗透性差，但具有较好的水分保持能力，其岩层能储存一定的水分，成为相对富水层^[4-5]。有研究就指出，可以利用风沙土和砒砂岩的特性互补，将二者进行合理复配结合成土，这样既有利于当地生态环境问题的解决，又能提高土地生产力，增加经济效益^[6]。但由于复配土壤作为一种新型土壤，其特性如何，怎样科学选种林木仍然是需要进一步解决的科学问题。

刘举等^[7]在黄土高原区对不同林地的土壤肥力进行研究表明，种植林木能提高土壤的肥力，但缺少不同年限间的纵向对比。也有研究针对风沙区沙棘的种植是否能提高土壤理化性质进行论证^[8-9]，但缺少不同林木间的横向比较。早在20世纪90年代，陕北风沙区就采用生态退耕造林等措施对毛乌素沙地进行了集中整治，此后也呈现出较好的效果，使土地沙化情况得到一定程度的改善^[10-11]。但是，陕北风沙土区的整体生态环境依然比较脆弱^[12]，因此，针对上述问题，通过研究不同整治年限下不同林地的土壤特性，为优选林木种植提供决策依据，对毛乌素沙地治理及生态环境恢复有着重要的现实意义。

研究区位于陕西榆林市榆阳区西北部，距榆林市区35 km的孟家湾乡孟家湾村，E 109°34′28″~109°38′36″、N 38°36′48″~38°40′18″(图 1)，位于毛乌素沙地的东沿。海拔870~1 405 m，区域多年平均降雨量413.9 mm，年平均气温8.1 ℃，极端最高气温38.6 ℃，极端最低气温为-32.7 ℃，年日照时间2 754 h，年总辐射量1.37×10⁵ J/cm²，多年平均无霜期155 d，≥0 ℃年时间为250 d左右。土层的最大冻土深度为148 cm。项目区内水土流失面积近97%，土壤侵蚀模数4 000 t/(km² ·a)，为典型的风沙草滩区。气候类型为温带大陆性半干旱季风气候，具有典型的干旱半干旱气候特征。植物建群种由典型的旱生和广旱生植物组成，主要植被类型为沙蒿半灌丛，另有稀少的沙柳(Salix cheilophila)和长芒草(Stipa bungeana)、针茅(Stipa capillata)、冷蒿(Artemisia frigida)等植被，覆盖率不足7%。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区域 Fig. 1 Study area

项目区在整治前，除有极少林地外，其余均为荒草地，天然植被覆盖率仅为2%^[13]。自2005年开始，陕西省土地整治工程技术研究中心通过利用砒砂岩与风沙土复配的方式，对榆林毛乌素沙地进行整治，为提高风沙土区植被覆盖率提供土壤条件与建设基础。工程措施首先是移动土方来平整土地，为达到改善风沙土结构、增加风沙土肥力的目的，而后的覆土工程主要采用外购客土(砒砂岩)对风沙土进行覆盖，覆土厚度为9 cm。整治项目共分为3期，分别于2007，2012和2017年竣工，竣工后的土地用作农田防护林，利用方式主要为林地，种植柠条和沙棘。笔者主要针对风沙土整治区种植不同林木后的土壤特性进行研究。

笔者选取地形、地貌和立地条件一致的不同年限的柠条(Caragana korshinskii)和沙棘(Hippophae rhamnoides)林地土壤作为研究对象，并以天然荒草地为参考。为最小化土壤空间异质性因子，采用时间代空间的方法，在项目整治竣工区域1期(2007)、2期(2012)和3期(2017)的林地中分别选取15、10和5年生的柠条和沙棘样地共计6块，以及每期区域内选择坡位、坡度大致一致的荒草地各1块，共计3块。每块地样方的实验对象单一，没有其他物种影响，除去边界效应，每块样方面积为30 m×30 m。其中，柠条的种植采用条播，行距在2~2.5 m，株距在0.5~0.8 m，种子埋深为2~4 cm，播种量为18~25 kg/hm²，由于柠条幼苗的生长非常缓慢，一旦播种后，应立即封锁种植区域，防止被牛羊等动物破坏。当地沙棘采用扦插育苗种植，将选好的插条插入到整治好的土壤，插入深度为插条1/3左右，用手轻拍后灌足水，行距1.5~2 m，株距1~1.5 m。3期的柠条和沙棘长势良好，实验条件成熟。

在每个样地内，于2021年4月底在距树根部20~25 cm处以“S”法用取土钻采集表层(0~20 cm)土样5个，5点一混合，用以测定土壤有机质和碳酸钙。土壤含水量和土壤密度的测定另采集原状土进行。所有指标的测定均进行3次重复。土壤密度测定采用环刀法，土壤含水量测定采用烘干法，土壤有机质测定采用油浴加热－K₂Cr₂O₇容量法，土壤碳酸钙测定采用气量法。

数据整理及作图采用Microsoft Excel 2016进行，数据结果为平均值±标准偏差(n=3)。统计分析采用SPSS Statistics 20.0(SPSS Inc.，Chicago，IL，USA)和Duncan新复极差法检验。

如图 2所示，不同种植年限下不同林地的土壤密度变化情况。随着种植年限的增加，风沙土整治区的土壤密度略有增加。从多年平均结果来看，不同林地的土壤密度大小表现为天然荒草地>柠条>沙棘。种植5 a沙棘土壤密度比柠条小2.72%；种植10 a沙棘土壤密度为1.21 g/cm³，比柠条小2.42%；种植15 a沙棘土壤密度为1.24 g/cm³，比柠条小4.11%。可见，随时间的推移，天然荒草地的土壤密度变化并不显著(P < 0.05)，平均值为1.35 g/cm³，比5 a的沙棘大13.45%，比10 a的沙棘大11.57%，比15 a的沙棘大8.58%。但在风沙土整治10 a后，不同林地和荒草地的土壤密度差异不显著(P < 0.05)。

图 2(Fig. 2)

不同大写字母表示不同林龄，不同小写字母表示不同林地，下同。 Different capital letters indicate different forest ages, and different lowercase letters indicate different forest land, the same below. 图 2 不同年限不同林地覆被下土壤密度变化 Fig. 2 Soil bulk density changes in different years and different woodland covers

图 3是不同种植年限下不同林地的土壤含水量的变化情况。有林地比荒草地的土壤含水量高，表现为沙棘>柠条>天然荒草地。从多年平均结果来看，种植柠条的土壤含水量比天然荒草地大61.84%，种植沙棘时，土壤含水量比天然荒草地大96.98%，可见，沙棘的种植能使沙地的土壤含水率提高近一倍。在不同年限下，沙棘的土壤含水量差异性不显著(P < 0.05)。柠条和沙棘的土壤含水量以种植10 a时最大，其中，种植10 a柠条的土壤含水量比种植5 a大14.66%，比种植15 a大28.56%；种植10 a的沙棘土壤含水量比种植5 a大22.26%，比种植15 a大14.20%。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同年限不同林地覆被下土壤含水量变化 Fig. 3 Soil moisture changes in different years and different woodland covers

图 4是不同种植年限下不同林地的土壤有机质的变化情况。随着种植年限的增加，土壤有机质质量分数增加，其中，种植15 a的柠条土壤有机质质量分数比种植10 a大15.67%，比种植5 a大29.35%；种植15 a的沙棘土壤有机质质量分数比种植10 a大8.77%，比种植5 a大20.83%。荒草地在各生长年限内其土壤有机质质量分数差异性不显著(P < 0.05)。不同林地覆被下土壤有机质质量分数大小表现为沙棘>柠条>荒草地，沙棘的多年平均土壤有机质质量分数比柠条大9.48%，比荒草地大55.64%；柠条的多年平均土壤有机质质量分数比荒草地大42.17%。可见，风沙土整治区经林木覆被后，其土壤有机质质量分数明显大于天然荒草地的近0.5倍。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同年限不同林地覆被下土壤有机质质量分数变化 Fig. 4 Soil organic matter content changes in different years and different woodland covers

图 5是不同种植年限下不同林地的土壤碳酸钙质量分数的变化情况。随着种植年限的增加，土壤碳酸钙质量分数降低，不同林地中以沙棘的质量分数最低，比柠条低13.82%，比荒草地低37.66%。种植15 a柠条的土壤碳酸钙质量分数比种植10 a低10.28%，比种植5 a低12.65%；种植15 a沙棘的土壤碳酸钙质量分数比种植10 a低14.43%，比种植5 a低10.08%。可见，在不同林地类别和不同林龄下，土壤碳酸钙的质量分数均达到显著性差异水平(P < 0.05)。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同年限不同林地覆被下土壤碳酸钙质量分数变化 Fig. 5 Soil calcium carbonate content changes in different years and different woodland covers

在陕北榆林孟家湾风沙土项目整治区，种植柠条和沙棘后，土壤特性得到明显改善。对各测定指标做相关性分析如表 1所示，土壤密度与土壤含水量和土壤有机质间呈负相关，土壤碳酸钙与土壤含水量和土壤有机质间也呈负相关，且土壤碳酸钙和土壤有机质间的相关性较高(P < 0.05)。说明在陕北风沙土整治区，种植沙棘和柠条后，随着土壤有机质质量分数的增加，土壤碳酸钙质量分数减少趋势明显，这是因为CaCO₃与Fe(OH)₃作为土壤胶结剂，影响土壤的紧实度，使土壤有机质质量分数明显减少^[14]。同时，表 1也说明土壤密度与土壤碳酸钙，土壤含水量与土壤有机质间均呈正相关。

表 1(Tab. 1)

表 1 测定指标间相关关系 Tab. 1 Relationship among the measurement indicators 测定指标 Measurement indicator 土壤密度 Bulk density 含水量 Soil moisture 有机质 Organic matter 碳酸钙 Calcium carbonate 土壤密度Soil bulk density 1 土壤含水量Soil moisture -0.835* 1 有机质Organic matter -0.558 0.821* 1 碳酸钙Calcium carbonate 0.652 -0.857* -0.955* 1 注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。Notes: * indicates significant correlation at the 0.05 level (two-sided).

表 1 测定指标间相关关系 Tab. 1 Relationship among the measurement indicators

植物根系的生长，通过团聚作用可降低土壤紧实度，从而增加土壤孔隙度^[15]，所以在风沙土整治区科学种植覆被植物有利于土壤密度的降低，从而促进植物发育，根系生长和水土保持^[16]。植被不只是土壤水分的消耗者，也是土壤水分的保护者^[17-18]。从这个观点可知，柠条与沙棘的种植，对当地土壤水分的含蓄具有一定的积极作用。同时，本研究也明确指出随着林木种植年限的增加，土壤含水量下降，土壤最大含水量出现在种植的第10年，而后随着林木继续生长，则加剧土壤的深层耗水^[19]，使土壤深层含水量减少，这也将影响表层土壤含水量的降低，所以从水资源循环的角度上考虑，如何使风沙土整治区的林木可持续发展还有待进一步探索研究。天然荒草地的土壤有机质质量分数极低，当经过几期林木种植后，土壤有机质质量分数增加，这与梁月等^[20]的研究结果一致。不同林木下土壤碳酸钙质量分数随种植年限的增加而降低，这是因为风沙土区的环境处于干旱、半干旱的气候条件下，土壤形成的水分条件是季节性淋溶，随着时间的推移，矿物风化过程中释放的易溶性盐类大部分被淋失，其中最活跃的元素钙在土体中发生淋溶，所以表层的土壤碳酸钙逐年减少^[21]，其中沙棘较柠条减少的更加明显。对于土壤水分而言，不同时间、不同空间的含量不尽相同，所以在引导专项项目接下来的工作中，计划增大时空研究尺度，进一步揭示不同处理下土壤水分的时空异质性及运移规律。

随着种植年限的增加，不同林地的土壤密度和土壤有机质质量分数增加，土壤含水量以整治后10 a的最大，而土壤碳酸钙质量分数随整治年限的增加而降低。沙棘对比柠条，土壤密度小3.10%，土壤碳酸钙质量分数小13.82%，土壤含水量大21.71%，土壤有机质质量分数9.48%。所以，在陕北风沙土整治区种植沙棘后有助于改善风沙土的土壤结构性状。