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中国沙漠, 2021, 41(5): 147-156 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00045

干旱区流动沙地建植梭梭（Haloxylon ammodendron）林后细粒物质输入对土壤碳氮积累的影响

安芳娇,1,2, 苏永中,1, 牛子儒1,2, 刘婷娜1

1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000

2.中国科学院大学，北京 100049

Effects of fine particulate matter input on soil carbon and nitrogen accumulation after establishment of Haloxylon ammodendron plantations on shifting sand dunes in arid area

An Fangjiao,1,2, Su Yongzhong,1, Niu Ziru1,2, Liu Tingna1

1.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

通讯作者: 苏永中（E-mail： suyzh@lzb.ac.cn）

收稿日期: 2021-01-26   修回日期: 2021-04-06  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  31971730
国家重大研发计划项目.  2017YFC0504304

Received: 2021-01-26   Revised: 2021-04-06  

作者简介 About authors

安芳娇（1993—），女，甘肃兰州人，博士研究生，主要研究方向为干旱区土壤学E-mail：anfj@lzb.ac.cn , E-mail：anfj@lzb.ac.cn

摘要

在河西走廊中段临泽荒漠绿洲过渡带选择不同建植时间序列（0、3、6、11、19、28、46 a）的固沙梭梭（Haloxylon ammodendron）林，取冠层下和冠层外表层土样（0—10 cm），研究人工固沙梭梭林生长发育过程中土壤粒级组成和碳氮的变化，分析细粒物质变化对碳氮积累的贡献。结果表明：随着梭梭的生长发育土壤碳氮含量显著增加，无机碳（SIC）是有机碳（SOC）的2.7—11.2倍；黏粉粒和碳酸钙含量与土壤可侵蚀因子（EF）显著负相关，与结皮厚度显著正相关，冠层下结皮厚度是冠层外的1.9—2.6倍；土壤各粒级中SOC、SIC和全氮（TN）含量显著增加，黏粉粒中含量显著高于其他粒级，且对SOC、SIC和TN贡献由0 a的25.4%、8.5%和16.1%增至46 a的59.7%、33.9%和51.9%。干旱区土壤黏粉粒和碳酸钙含量的增加共同促进了土壤物理结皮的形成和发育，进而导致沙面的稳定，同时黏粉粒增加也是土壤碳氮固存的主要机制。

关键词： 固沙梭梭（Haloxylon ammodendron）林 ; 固沙年限 ; 颗粒组分 ; 土壤碳氮固存 ; 绿洲边缘

Abstract

Different ages （0-， 3-， 6-， 11-， 19-， 28- and 46-years） of Haloxylon ammodendron plantations in Linze desert-oasis ecotone of northwestern China were selected and surface soil （0-10 cm） under and outside the canopy were sampled， to explore the changes of soil particle size and carbon and nitrogen in particle-size fractions during the development of sand-fixing H. ammodendron plantations， and analyze the contribution of soil fine particles to carbon and nitrogen accumulation. The results showed that soil carbon and nitrogen increased significantly with the growth of H. ammodendron， and inorganic carbon （SIC） was 2.7-11.2 times of organic carbon （SOC）. The content of soil fine particles and calcium carbonate （CaCO3） were significantly negatively correlated with soil erodible fraction （EF）， and significantly positively correlated with the thickness of soil crust. The thickness of soil crust under the canopy was 1.9-2.6 times that outside canopy. The content of SOC， SIC and total nitrogen （TN） in each particle-size fraction increased significantly， and the content of silt + clay fractions were significantly higher than other fractions. The contribution of silt + clay fractions to SOC， SIC and TN increased from 25.4%， 8.5% and 16.1% in year 0 to 59.7%， 33.9% and 51.9% in year 46. In arid areas， the increase of silt + clay fractions and CaCO3 content jointly promoted the formation and development of soil physical crusts， which led to the stability of the sand surface. Meanwhile， the increase of silt + clay fractions were also the main mechanism of soil carbon and nitrogen sequestration.

Keywords： sand-fixing Haloxylon ammodendron plantation ; sand-fixation year ; particle-size fractions ; soil carbon and nitrogen sequestration ; edge of oasis

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本文引用格式

安芳娇, 苏永中, 牛子儒, 刘婷娜. 干旱区流动沙地建植梭梭（Haloxylon ammodendron）林后细粒物质输入对土壤碳氮积累的影响. 中国沙漠[J], 2021, 41(5): 147-156 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00045

An Fangjiao, Su Yongzhong, Niu Ziru, Liu Tingna. Effects of fine particulate matter input on soil carbon and nitrogen accumulation after establishment of Haloxylon ammodendron plantations on shifting sand dunes in arid area. Journal of Desert Research[J], 2021, 41(5): 147-156 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00045

0 引言

近半个多世纪，中国北方沙漠化防治和植被重建，营造了自半干旱的科尔沁沙地至干旱的河西走廊和新疆绿洲外围大面积的防风固沙林，成为重要的生态屏障［1-2］。在流动沙丘上建立固沙植被后，植被系统碳的储存和土壤系统碳氮的增加显著贡献于对大气CO2的固定［3-4］。对不同区域固沙林建造后土壤碳氮固存效应及其机制的研究不仅是评价沙漠化防治效应及人工固沙植被-土壤系统演变的重要方面，也是评估中国大面积沙漠化土地修复贡献于大气CO2固存效应的基础。

有关流动沙丘固定过程中植被-土壤演变的研究表明，固沙灌木林建植后显著改变了成土的生物过程［5-6］。过去半干旱地区的研究发现人工固沙植被建立后土壤碳氮含量显著增加。一方面是由于植被群落凋落物的积累与分解、表层土壤微生物、隐花植物的残体和分泌物是其增加的主要途径［7-8］，同时植物根系的代谢对有机碳的积累产生积极影响［9-10］；另一方面，固沙植被演变过程中，草本植物的盖度和种类显著增加［11-12］，其迅速生长和死亡也会促进浅层土壤有机碳的增加［13］。以往的研究表明土壤有机碳和全氮的变化与土壤细粒物质有很强的相关性［14-15］。有关半干旱地区植被-土壤演变过程的研究表明，表层土壤黏粉粒含量的增加对有机碳和氮固存起重要作用［16］，因为土壤矿物颗粒对有机碳具有物理和化学保护作用，同时土壤黏粉粒和有机质含量的增加促进了土壤稳定性且使沙面得以固定［7］。随固沙植被的演变，大气粉尘等细粒物质不断积累使土壤质地变细，加速了沙面结皮由无机结皮发育成有机结皮［17］，同时为土壤生物结皮的发育提供了重要基质［18-20］。西北干旱区近几十年来在绿洲外围营造了大面积的人工固沙梭梭（Haloxylon ammodendron）林，人工固沙梭梭林建植后，植被-土壤系统的演变已开展了大量的研究［21-25］，揭示了梭梭生长发育过程中土壤“肥岛”的形成［23，26］、养分的积累［27-28］、盐分的聚集［29-31］以及草本植物的发育［32-33］，表征了固沙植被建造后显著的土壤碳氮固存效应［34-36］。由于干旱区降雨极少、土壤生物作用微弱、草本植物发育缓慢，土壤碳氮固存机制不同于其他地区，然而对干旱区土壤碳氮固存的关键机制缺乏深入研究。

本研究以河西走廊中段临泽绿洲外围不同时间序列的人工固沙梭梭林为研究对象，取表层（0—10 cm）土样分析土壤粒级组成及其不同粒级的碳氮含量的变化，估算细粒物质的输入对表层土壤碳氮积累的贡献，揭示在风沙活动强烈的干旱区绿洲外围，固沙植被建植后土壤碳氮固存的主要机制。

1 材料与方法

1.1　研究区概况

研究位于河西走廊中部临泽县平川绿洲外围人工固沙植被区（39°09′—39°19′N、100°02′—100°21′E，海拔1 375—1 393 m，图1）。本区域为典型的温带沙漠气候。冬季寒冷，夏季干燥炎热，降水稀少，日照充足，风沙活动频繁。年均气温约7.6 ℃，年蒸发量约2 390 mm，年降雨量约110 mm，集中在7—9月。盛行风向为西北，年均风速约为3.2 m·s-1，风沙活动主要在3—5月，大风日数（>17 m·s-1）超过15 d，地下水埋深3—8 m［31］。土壤类型为风砂土，质地较粗，有机质含量极低，易受风蚀。绿洲边缘主要的天然灌木为泡泡刺（Nitraria tangutorum）和沙拐枣（Calligonum mongolicum），泡泡刺主要分布于丘间低地，沙拐枣分布于平缓沙丘。一年生草本植物包括碱蓬（Suaeda przewalskii）、白茎盐生草（Halogeton arachnoideus）、雾冰藜（Bassia dasyphylla）和沙蓬（Agriophyllum squarrosum）等。天然植被盖度3%—15%，总盖度<10%。该地区荒漠化在20世纪下半叶迅速发展，并在1970年代中期达到顶峰，开始种植以梭梭为主的固沙灌木。2000年以来，实施了以固沙造林为重点的生态修复和建设项目，在绿洲边缘流动沙地营造了不同时间序列的梭梭人工林景观［22］。

图1

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图1   临泽县荒漠绿洲过渡带采样点分布

Fig.1   Distribution of sampling sites in a desert-oasis ecoton e of Linze county


1.2　调查取样

研究发现，流动沙丘的土壤质地（砂、粉砂、黏粒含量）和有机质含量随时间变化无显著差异，表明在种植前土壤特征相似［32］。2019年9月，选择不同种植年代序列（0、3、6、11、19、28、46 a）的梭梭人工林样地。在不同年限梭梭林中各建立5个20 m×20 m的植被调查和土壤取样样方，样方间距>100 m。在对照样地（0 a）的每个样方中随机地选取5个取样点，不同年龄序列梭梭样地在每个样方中选择离主茎50 cm的冠层下和冠层外50 cm处各2个取样点，采取0—10 cm的表层土样，5个取样点混合为一个样，同时测定结皮厚度。土壤样本采集后，立即运回实验室，风干后，研磨过2 mm筛，取部分样进行土壤粒级分析；部分研磨过0.05 mm筛测定全碳（TC）、全氮（TN）和有机碳（SOC）含量。

1.3　土样分析

土壤颗粒组分通过湿筛法得到，100 g的风干土浸泡于蒸馏水中，反复振荡，依次通过0.25、0.1、0.05、0.002 mm的4级筛，将土壤颗粒分为5级：1—0.25 mm（中粗砂）、0.25—0.1 mm（细砂）、0.1—0.05 mm（极细砂）、0.05—0.002 mm（粉粒）和<0.002 mm （黏粒），湿筛后，所有漂浮在水面上可见的植物凋落物小心清除。各组分在65 ℃下烘干，称重计算各粒度组分比例，研磨后过0.05 mm筛用于测定SOC、TC、TN含量。SOC采用重铬酸钾外加热法测定［37］，TN和TC采用德国元素分析仪测定（vario Macro Cube elementar，Germany）。土壤无机碳（SIC）=TC-SOC，单位g·kg-1；CaCO3=（TC-SOC）×8.33，单位g·kg-1［37］。

1.4　数据处理与分析

采用Fryrear等［38］提出的土壤可侵蚀因子（Erodible fraction，EF）来评价土壤风蚀敏感性；用Pieri［39］提出的土壤物理稳定性指数（Physical stability index，St）来评价沙化土壤基质的稳定性，计算公式如下：

EF= (29.09+0.31Sa+0.17Si+0.33Sc-2.59OM-0.95CaCO3)100
St=OMSilt+Clay×100

式中：所有变量均以百分比表示。Sa为土壤含砂量；Si为土壤粉粒含量；Sc为砂粒与黏粒含量的比值；OM为有机质含量；CaCO3为碳酸钙含量；Silt和Clay分别为土壤黏粒和粉粒含量。

数据采用SPSS软件进行单因素（年限）方差分析及显著性检验（LSD），P<0.05表示差异性显著，以上分析均使用SPSS 20和Origin 2018进行。

2 结果

2.1　不同年限梭梭林表层土壤粒级组成及土壤结皮发育

随梭梭固沙年限增加，表层土壤粒级组成发生显著变化（P<0.05，表1）。所有时间序列梭梭林中，细砂（0.25—0.1 mm）占比最大，且随梭梭固沙年限逐渐减小，黏粉粒（<0.05 mm）逐渐增加，其显著性差异分别发生在种植6 a和11 a以上的梭梭林。随梭梭固沙年限增加，中粗砂（1—0.25 mm）和极细砂（0.1—0.05 mm）含量波动。与无植被沙地相比，梭梭种植46 a后，冠层下和冠层外细砂含量分别减少15.9%和18.1%，粉粒分别增加了4.6%和4.4%，黏粒分别增加了5.8%和3.9%。随梭梭生长年限的增加，表层黏粉粒含量的增加，导致结皮的发育，结皮厚度随梭梭栽植年限呈线性增加（图2）。冠层下土壤结皮厚度是冠层外的1.9—2.6倍。

表1   不同固沙年限表层土壤粒级组成（%）

Table 1  Distribution of surface soil particle size in different sand-fixation years （%）

固沙 年限/a1—0.25 mm (中粗砂)0.25—0.1 mm (细砂)0.1—0.05 mm (极细砂)0.05—0.002 mm (粉粒)<0.002mm (黏粒)
冠层下冠层外冠层下冠层外冠层下冠层外冠层下冠层外冠层下冠层外
011.96±2.59a11.96±2.59cd77.81±2.89a77.81±2.89a5.80±0.44d5.80±0.44d1.29±0.08c1.29±0.08f3.14±0.16c3.14±0.16d
37.56±1.07d7.94±1.62e78.68±1.54a79.06±2.23a8.37±0.79c7.78±0.46c1.59±0.20c1.47±0.21f3.77±0.11c3.75±0.02d
610.05±1.54abc14.72±2.00abc69.70±0.65b65.59±1.93b13.72±0.82b13.32±0.33b1.94±0.02c1.89±0.06e4.59±0.09c4.48±0.14cd
1110.97±0.87ab15.90±0.44a64.49±0.43c61.54±1.31c14.00±1.31b14.00±0.82b4.23±0.07b3.28±0.03d6.32±0.23b5.28±0.07bc
197.67±1.64cd12.04±2.34bcd63.79±1.58c60.04±2.28c16.18±0.85a16.97±0.30a5.45±0.09a4.85±0.11c6.91±0.33b6.10±0.14ab
288.47±0.48bcd9.49±1.89de63.68±2.80c61.31±1.15c14.32±1.14b16.96±0.93a5.95±0.93a5.19±0.23b7.57±1.93ab7.06±1.04a
4610.22±1.11abc14.86±2.95abc61.90±1.80c59.74±1.79c13.03±0.66b12.62±1.70b5.93±1.01a5.72±0.12a8.91±1.10a7.05±1.02a
F3.985.86425250.6776.4948.20557.8418.289.66
P<0.05<0.05<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001

数值以平均值±标准差表示（n=5），同一列中不同小写字母表示不同固沙年限间的显著差异。

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图2

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图2   土壤结皮厚度和梭梭固沙年限的关系

Fig.2   The relationship between the thickness of soil crust and sand-fixation years of H. ammodendron


2.2　不同年限梭梭林土壤可侵蚀因子和物理稳定性指数特性

随梭梭固沙年限的增加土壤可侵蚀因子（EF）显著减小（P<0.001），值为36.38%—51.44%（表2）。土壤黏粉粒和碳酸钙含量与EF值呈显著负相关（图3），说明在干旱区碳酸钙对减小风蚀的重要性。土壤物理稳定性指数（St）随梭梭固沙年限增加显著增大（P<0.001），值为1.4%—3.2%（表2）。黏粉粒和碳酸钙含量与St呈显著正相关（图3），说明黏粉粒和碳酸钙的增加可有效增强土壤的物理稳定性。

表2   不同固沙年限土壤可侵蚀因子（EF）和物理稳定性指数（St）

Table 2  Soil erodibility （EF） and physical stability index （St） in different sand-fixation years

固沙 年限/aEF/%St/%
冠层下冠层外冠层下冠层外
051.44±0.67a51.44±0.67a1.38±0.06d1.38±0.06de
347.85±0.47b49.12±0.19b1.36±0.16d1.00±0.04e
644.48±0.12c46.61±0.18c2.47±0.21c1.94±0.39cd
1142.13±0.38d45.09±0.28c2.67±0.23c2.29±0.38abc
1940.56±0.29e42.75±0.97d2.64±0.12c2.07±0.38bc
2839.60±1.66e41.97±2.66d3.57±0.15a2.56±0.36ab
4636.38±1.13f38.74±0.78e3.23±0.29b2.74±0.36a
F112.69543.2861.82511.558
P<0.001<0.001<0.001<0.001

数值以平均值±标准差表示（n=5），同一列中不同小写字母表示不同固沙年限间的显著差异。

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图3

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图3   土壤黏粉粒和碳酸钙与结皮厚度、EF和St的关系

图A、C、E、G、I和K表示冠层下的相应关系，图B、D、F、H、J和L表示冠层外的相应关系

Fig.3   Relationship between soil silt+clay， CaCO3 and crust thickness， erodible fraction and physical stability index


2.3　不同年限梭梭林土壤SOC、SIC和TN含量

随梭梭固沙年限增加，土壤表层SOC、SIC和TN含量逐渐积累（图4），土壤SIC含量是SOC的2.7—11.2倍。冠层下土壤SOC含量显著高于冠层外，而冠层下和冠层外的SIC和TN差异性不显著。6 a梭梭林冠层下土壤SOC、SIC和TN含量显著高于无植被沙地和3 a梭梭林，冠层外显著性差异发生在种植11 a以上的梭梭林。梭梭生长46 a后冠层下土壤SOC、SIC和TN含量分别为无植被沙地的5.98、1.46倍和2.57倍，冠层外分别为无植被沙地的4.41、1.33倍和2.30倍。

图4

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图4   不同固沙年限土壤SOC、SIC和TN特性

不同大写字母表示不同取样位置间的显著性差异，小写字母表示不同固沙年限间的显著性差异（P<0.05）

Fig.4   Characteristics of soil SOC， SIC and TN in different sand-fixation years


2.4　不同粒级组成的SOC、SIC和TN含量

随梭梭固沙年限的增加，各粒级中SOC、SIC和TN含量均显著增加（P<0.05），冠层下SOC、SIC和TN含量均高于冠层外（图5）。粉粒（0.05—0.002 mm）和黏粒（<0.002 mm）中SOC、SIC和TN含量显著高于其他粒级。长期种植梭梭可显著提高各粒级中SOC、SIC和TN的含量，其中黏粒（<0.002 mm）中含量最高。与无植被沙地相比，梭梭种植46 a后，冠层下黏粒（<0.002 mm）中SOC、SIC和TN含量分别显著增加了306.6%、70.8%和143.9%；冠层外分别显著增加了207.6%、45.7%和90.3%。

图5

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图5   不同固沙年限土壤粒级中SOC、SIC和TN特性

图A、C和E分别表示冠层下SOC、SIC和TN特性，图B、D和F分别表示冠层外SOC、SIC和TN特性；不同大写字母表示不同粒级间的显著性差异，小写字母表示不同固沙年限间的显著性差异（P<0.05）

Fig.5   Characteristics of SOC， SIC and TN in particle-size fractions under different sand-fixation years


3 讨论

3.1　土壤细粒物质增加对土壤稳定性的影响

随梭梭固沙年限的增加，表层土壤黏粉粒含量、SOC、SIC和TN含量呈线性增加，这已被北方不同固沙区域的研究证实［26-28］。本研究表明冠层下养分含量高于冠层外，干旱区固沙灌木种植后“肥岛”效应普遍存在［23］，这主要是由于营养物质和细粒物质通过树干径流进入冠层下［40］，增加的树冠面积导致的阴影和微气候变化可减少由太阳辐射引起的土壤有机碳损失［41］。随梭梭固沙年限的增加，土壤无机碳含量显著增加，46 a梭梭林中无机碳含量是无植被沙地的1.5倍。本研究表明，土壤无机碳的积累速率缓慢，但储量远大于有机碳，说明在干旱地区SIC在土壤碳固存和降低CO2方面意义重大，这一结论在腾格里沙漠东南缘沙坡头地区和毛乌素沙漠土壤碳的研究中也得到了证实［8，42］。随固沙梭梭的演变，地表黏粉粒含量和半分解凋落物的不断积累，在碳酸钙的胶结作用下形成物理结皮［31］。土壤结皮的形成可作为稳定土壤环境的表层边界。研究结果表明，土壤结皮厚度与黏粉粒和碳酸钙含量均呈显著正相关（图3）。土壤中黏粉粒含量避免吹蚀是结皮形成的物质基础，同时在干旱区土壤碳酸钙对结皮的形成至关重要。唐泽军等［43］发现，黏粒含量<10%时不易形成土壤结皮，>20%时容易形成土壤结皮，本研究中黏粉粒含量4.2%—17.0%，形成一层比较疏松的物理结皮。冠层下土壤结皮厚度明显高于冠层外，主要由于冠层下植物凋落物腐殖质和土壤动物的输入以及黏粉粒含量比冠层外多。本研究区未能形成生物土壤结皮，土壤发育与沙波头沙漠人工植被种植后土壤发育相比明显缓慢［44-45］，主要由于该地区较少的降雨（117 mm）限制草本植物的发育，因此归还土壤的凋落物、根系分泌物和枯死物的数量较少。土壤风蚀是干旱地区土壤严重退化的主要原因，研究结果表明随固沙梭梭的演变，土壤侵蚀由重度侵蚀转变为轻度侵蚀［46］，这与Zhang等［32］的研究结果相似。这主要是由于土壤黏粉粒和碳酸钙含量的增加促进土壤表层形成的结皮可以有效地增强土壤的抗侵蚀能力和物理稳定性。

3.2　植被恢复中表层土壤细粒物质对土壤SOC、SIC和TN的贡献

本研究表明细砂和黏粒对土壤SOC的贡献显著高于其他组分，说明细砂和黏粒是土壤SOC的主要载体。随固沙梭梭的演变，细砂对土壤SOC的贡献显著降低，粉粒和黏粒对土壤SOC贡献显著增加（图6）。短时间内细砂对土壤SOC贡献较大，但从土壤有机碳的长期储存来看粉粒和黏粒更加重要。因为黏粉粒具有较大的比表面积，能够在其晶格中吸附更多的有机碳［41］，同时黏粉粒对土壤有机碳有一定的保护作用，减缓有机质进一步分解［47］。然而，Percival等［48］研究表明黏粉粒含量与土壤有机碳长期储存关系不紧密。固沙植被栽植后，枯落物的增加、根系分泌物和土壤动物、隐花植物的分泌物和残体是土壤碳氮固存的主要途径［8-9］。而本研究在干旱区，生物作用微弱，少量的降雨限制草本植物的发育，导致归还土壤的凋落物、根系分泌物和枯死物的数量较少，同时碳酸盐的沉积较大，黏粉粒含量对土壤有机碳贡献由无植被沙地的25.4%增加至固沙46 a后的59.7%，因此黏粉粒的增加是土壤碳固存的主要机制。不同粒级组分对SIC和TN的贡献与SOC随梭梭固沙年限的变化规律相似。黏粉粒对SOC贡献高于对SIC和TN的贡献，随固沙梭梭的演变黏粉粒对土壤SOC的储存更重要。本研究充分体现了保护土壤细粒物质对土壤碳氮的贡献、土壤侵蚀防治和稳定性保护具有重要作用。

图6

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图6   各粒级对土壤SOC、SIC和TN的贡献

图A、C和E分别表示冠层下各粒级对SOC、SIC和TN的贡献，图B、D和F分别表示冠层外各粒级对SOC、SIC和TN的贡献

Fig.6   Contribution of particle-size OC and TN to OC and TN in whole soil


4 结论

绿洲外围人工固沙梭梭林建植后，表层土壤黏粉粒、有机碳、无机碳和全氮含量随梭梭固沙年限的增加而增加，黏粉粒中C、N含量显著高于砂粒。

黏粉粒和无机碳含量增加促进了结皮形成和发育，显著降低了土壤可蚀性，增加了土壤物理稳定性。

干旱区成土的生物作用微弱，固沙植被建植后表层土壤细粒物质的增加是碳固存的主要机制。

参考文献

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