人工林建设被认为是解决气候变化问题的有效途径，在应对全球变暖、生物多样性崩溃、环境退化方面发挥着至关重要的作用^［1-2］。自20世纪中期以来，植树造林在许多国家得到广泛实施，使全球人工林面积增加了约1.05×10⁸ hm^2［3］。中国北方农牧交错带是继北方草原之后的第二大生态安全屏障，属于典型的生态脆弱带^［4-5］。20世纪80年代，由于自然及人类活动干扰，农牧交错带出现严重的土地沙化和大面积土地退化现象^［6］。因此，农牧交错带也成为国家的重要生态建设区。40年来，这些开发治理工程取得卓越成就，森林覆盖率从5.05%上升到12.96%，其中人工林面积占森林面积的90%^［7］。人工林建设直接改变地上植被群落结构，并且随着时间的推移，植被结构向着简单化的方向逐渐演变。这一过程势必改变土壤有机物的输入、分解和养分循环，同时对其他土壤理化性质产生显著影响^［6-8］。

在地理或气候梯度上，人工林土壤理化性质表现出较大的差异。一方面，气候因素对给定区域人工林土壤理化性质变化设置了最大边界，其通过影响植被生产力、有机物分解及其相关的物理、化学和生物过程影响土壤理化性质^［8-9］。降水量大的地区，降水和土壤淋溶作用导致土壤中碱性物质如钙、镁离子被淋溶，导致土壤酸化；而干旱和半干旱地区由于降水量较少，土壤更普遍呈现碱性^［10-11］。一般来讲，干旱限制了树木生长，使得输入到土壤中的植物叶片和树枝数量减少，导致较低的土壤有机质积累^［12］。也有研究表明，干旱地区水分限制导致微生物分解活动较弱，有利于土壤有机物质积累^［13］；而湿润气候条件下土壤微生物活动旺盛，促进有机物质分解，加速土壤碳释放^［14］。因此，关于降水对土壤理化性质的影响，特别是对土壤碳含量的影响，研究人员持有不同的观点。与降水相比，科学界对温度与土壤碳含量之间关系的认知比较统一。普遍认为，温度升高会对土壤碳含量产生负面影响。与低纬度地区相比，高纬度地区较低的气温抑制了微生物活性，从而限制有机物质分解导致该地区较高的有机碳积累^［9］。而在低纬度地区，高温和湿润的气候条件有利于土壤有机质分解，其负效应甚至会远强于通过增加生产力而促进有机质输入的正效应^［15］。

另一方面，造林初期对树种选择往往遵循因地制宜的原则。通常来讲，灌木由于具有耐干旱、耐风蚀、耐贫瘠的特点及突出的适应能力，是干旱半干旱区主要的人工林类型^［16］。而乔木林一般生长在降水量大于400 mm的地区。人工林类型通过影响碳或养分输入（即凋落物、根周转和根分泌物）、转移（即凋落物质量和分解速率）和潜在损失而对土壤理化性质产生显著影响^［17-19］。在科尔沁沙地，绝大多数人工灌木林是锦鸡儿属（Caragana）等固氮植物，它们造林后土壤碳含量必然高于相同条件下乔木造林土壤碳含量^［20］。但是，也有研究表明，与乔木林相比，灌木林将更多的光合作用产物分配到深层土壤，较高的地下生物量输入到土壤中，引起较强的土壤激发效应，导致土壤原有碳库的巨大损失^［21］。对黄土高原的研究报道还指出，灌木树种较为发达的侧根导致灌木林中土壤水分耗竭，形成“干土层”^［22］。此外，有研究表明如果树种选择合适，人工林可能会中和土壤pH值，从而促进土壤健康，增加生态系统生产力^［23］。一些区域和全球的Meta分析也表明，造林后不同区域人工林中土壤碳储量的变化可能增加、减少或保持不变，这些变化可能会因为很多因素而变得复杂：例如，气候因素、土地利用历史和树木种类等^［24-25］。然而已有的研究通常在较小的尺度上开展，由于受到研究规模的限制，我们对人工林土壤理化性质变化的空间异质性以及树种选择等因素如何影响土壤理化性质的研究还很少。

作为典型的生态脆弱区，农牧交错带长时间大范围的人工林建设为客观认识区域尺度上人工林土壤理化性质的空间分布格局及其与树种类型的关系提供了理想的研究场所。目前研究证实，人工林生态系统建立使得中国北方农牧交错带重点区域生态治理进程明显加快，生态环境质量呈现稳中向好的趋势，但是部分区域也出现土壤干旱化、土壤碳流失和土壤侵蚀加剧的问题^［26］。这些当地范围内人工林死亡与土壤地球化学循环过程导致的土壤理化性质变化密切相关，因此，研究人工林土壤物理和化学属性的变化，对于深入认识土壤环境对人工林正常生产、稳定维持以及生态效益发挥等的作用具有重要意义。

北方农牧交错带的范围划分标准各异，本文参考石晓丽等^［27］基于实际土地利用方式界定的研究区域边界。中国北方农牧交错带地处温带季风气候与温带大陆性气候、干旱与湿润、东北平原与内蒙古高原、农业和牧业的复合过渡带，总面积66.58万km²。整个北方农牧交错带呈带状分布，自东北向西南包括呼伦贝尔沙地、科尔沁沙地、浑善达克沙地、河北坝上地区、毛乌素沙地和黄土高原以及腾格里沙漠的一部分（图1）。北方农牧交错带地处温带季风气候与温带大陆性气候的过渡地带，平均年降水量192.44~665.70 mm，降水主要发生在6—8月，该时段降水量约占全年降水量的60%~70%。北方农牧交错带海拔29~3 664 m，海拔从东到西呈上升趋势^［27］。

北方农牧交错带土地利用类型多样，其中草地占39%，耕地占37%，林地12%，未利用土地7%，建设用地3%。本研究中选取人工乔木和灌木林作为主要研究对象，其中乔木林以杨树（Populus przewalskii）为主，还包括一些樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）和油松（Pinus tabulaeformis），灌木林以锦鸡儿属为主，还包括少量的山杏（Prunus sibirica）和黄柳（Salix gordejevi）。

在进行野外调查与取样之前，收集农牧交错带地形、年均气温、年降水量、植被类型和土壤类型等基础数据，参考现有基于样带的调查，结合土地利用/覆被类型图、道路图和遥感影像图，兼顾典型性、均匀性、可到达性和经济性，在研究区内设置了320个采样点，为野外采样提供指导。人工林野外调查和采样工作于2020年8—9月进行，由于天气原因以及为了排除人为管理措施的影响，实地考察后选取没有后期人为管理的人工林进行调查和采样，同时用GPS记录采样点的海拔，实际采样点235个，样点间平均距离约为10 km，采样里程跨越2 721 km（图1，表1）。

根据典型性和代表性原则，在每个人工林采样点中建立20 m×20 m的典型森林样地，在样地内沿对角线设置3个1 m×1 m的样方，用直径5 cm的土钻按“五点法”分3层（0~5、5~10、10~20 cm）取土，把每个样地15个同层土样混合成一个样品，每个样地可获得3个土壤样品，共获取705个土壤样品。同时用容重钻（100 cm³）取每层土壤用于土壤容重测定，用便携式TDR（TDR300）测定土壤水分。

野外采集的土壤样品带回实验室，经风干后过2 mm土筛移除根系和杂质备用。测定指标包括0~5、5~10、10~20 cm土层的土壤pH、电导率、全碳和全氮含量。按照《土壤农化分析》的要求，取一些风干土进一步磨细过0.25 mm土筛，采用元素分析仪（Costech ECS 4010）测定土壤全碳和全氮含量。土壤pH和电导率采用电位法，去离子水与土壤以2.5∶1和5∶1的水土比配成悬浮液分别用雷磁PHS-3CpH计和DDS-307A电导率仪测定。

野外采的容重样品放入烘箱中在105 ℃下烘至恒重后称重，按照以下公式计算土壤容重。

式中：BD为土壤容重，单位为g·cm^-3；m₁是环刀及干土的重量，g；m₂是环刀重量，g；V是环刀体积，为100 cm³。

气象数据包括2000—2020年的平均气温和降水数据，来源于中国气象背景数据集，该数据集基于全国1 915个站点的气象数据，计算各站点的干燥度指数等，利用反向距离加权平均的方法插值出全国尺度上的数据，空间分辨率为500 m×500 m。降水量度量单位为mm，温度度量单位为℃（图2）。

数据经过Excel处理后，采用SPSS软件进行统计分析。首先，对所有数据进行描述性统计分析，然后对变量进行正态性检验，对于不符合正态分布的变量进行数据转换，使其更满足正态分布。之后利用单因素方差分析（one-way ANOVA），检验人工林林型对土壤理化性质的影响，差异显著性水平为α=0.05。利用一般线性模型探究土壤理化性质的空间分布格局及其随气候梯度的变化规律。使用Pearson相关系数分析地理因子（经度、纬度和海拔）和气候因子（温度、降水和干燥度指数）与人工林各土壤理化性质的相关性。最后采用Origin2021进行绘图分析。采用ArcGIS软件（版本10.8）提取人工林样地年均气温、年降水量和干燥度指数数据，制作研究区采样点图。为了更清晰地表示人工林土壤理化性质的空间分布格局，一般线性模型分析并未按照土层和林型进行一般线性模型分析。

北方农牧交错带人工林样地0~20 cm土壤pH平均值为7.42±0.03，说明土壤整体呈弱碱性。0~5 cm土壤pH值变化较大，为4.89~9.34，偏酸性土壤较多，而5~10、10~20 cm土壤pH值为5.62~8.84。人工林样地0~5 cm土壤电导率为153.55±3.02 μS·cm^-1，显著高于5~10、10~20 cm（P<0.05），5~10、10~20 cm的土壤电导率比0~5 cm分别下降了10.72%和13.14%。北方农牧交错带人工林样地0~20 cm土壤平均容重为0.53~2.28 g·cm^-3，平均1.24±0.02 g·cm^-3。人工林0~5、5~10、10~20 cm土壤含水量平均值分别为13.21%±0.66%、12.08%±0.54%、12.02%±0.62%，可以看出，随着深度增加土壤含水量呈现微弱的下降趋势（图3）。

北方农牧交错带人工林样地0~5 cm土壤全碳和全氮含量分别为15.79±0.73 g·kg^-1和1.07±0.06 g·kg^-1，5~10 cm土壤全碳和全氮含量分别下降了17.46%和22.55%，而10~20 cm土壤全碳和全氮含量分别为0~5 cm土层的3/4和2/3，说明随着土层深度增加人工林土壤全碳和全氮含量均呈显著下降趋势（P<0.05，图3）。

区域尺度上灌木林和乔木林土壤平均pH存在显著差异（P<0.05），灌木林和乔木林0~5 cm土壤pH值分别为7.21~8.34和4.89~9.34，5~20 cm土壤pH最小值分别为7.04和5.62，最大值分别为8.84和8.68，可以看出乔木林土壤中存在偏酸性土壤，而灌木林中土壤均呈碱性。区域尺度上灌木林土壤电导率平均值略高于乔木林，分别为141.16±3.74 μS·cm^-1和144.15±4.34 μS·cm^-1。北方农牧交错带灌木林和乔木林土壤容重没有显著差异，二者变化范围分别是0.73~2.22 g·cm^-3和0.53~2.17 g·cm^-3。区域尺度上乔木林平均土壤含水量（12.85%±0.73%）微高于灌木林（11.71%±1.15%，图4）。

区域尺度上灌木林0~5 cm土壤全碳含量为15.12±0.88 g·kg^-1，低于乔木林的16.26±0.96 g·kg^-1，而灌木林10~20 cm土壤全碳含量高于乔木林，二者分别为13.43±0.84 g·kg^-1和11.60±0.67 g·kg^-1，两种林型中土壤全碳含量均随土层深度增加而下降，但是乔木林土壤下降趋势更明显。因此，北方农牧交错带区域尺度上灌木林0~20 cm土壤平均全碳含量高于乔木林。区域尺度上乔木林0~5、5~10、10~20 cm土壤平均全氮含量分别为1.18±0.08、0.89±0.06、0.75±0.08 g·kg^-1，约为灌木林的1.5、1.3、1.2倍。灌木林土壤全氮含量变异较小（0.06~2.67 g·kg^-1），而乔木林土壤全氮含量最小值为0.02 g·kg^-1，最大值为5.49 g·kg^-1（图4）。

北方农牧交错带人工林土壤pH随经度（R² =0.07，P<0.001）和纬度（R² =0.04，P<0.01）的增加都显著下降，说明研究区范围内人工林土壤自西向东酸性增强，而碱性下降。在海拔梯度上，人工林土壤pH随海拔升高而增加（R² =0.05，P<0.001），即高海拔地区人工林土壤碱性较强，这与其随经纬度变化的趋势一致，农牧交错带整体呈现西北高东北低的海拔梯度（图5）。

区域尺度上人工林土壤电导率没有明显的空间分布趋势（P>0.05）。人工林土壤容重随经度（R² =0.015，P<0.01）和纬度（R² =0.01，P<0.01）的增加而下降，说明西北区域人工林土壤紧实，孔隙数量少，而东北区域人工林土壤疏松多孔。人工林土壤含水量随经度（R² =0.13，P<0.001）和纬度（R² =0.15，P<0.001）的增加而增加，随海拔（R² =0.05，P<0.001）升高而降低（图5）。

人工林土壤全碳含量随着经度的增加而下降（R² =0.009，P<0.05），随着海拔的增加而增加（R² =0.069，P<0.001），以上结果都说明农牧交错带人工林土壤全碳含量呈现自西向东的下降趋势。人工林土壤全氮含量随着经度（R² =0.027，P<0.001）和纬度（R² =0.019，P<0.001）的增加而增加，表明农牧交错带人工林壤全氮含量自西向东呈现增加趋势（图6）。

北方农牧交错带人工林土壤pH与年均气温（R² =0.01，P<0.01）和干燥度指数（R² =0.01，P<0.01）呈显著正相关关系，与年降水量（R² =0.15，P<0.01）呈显著负相关关系，这意味着年均气温和干燥度指数较低而降水量较大的区域，人工林土壤呈碱性。农牧交错带人工林土壤电导率随年降水量增加而显著下降（R² =0.01，P<0.01）。同样，人工林土壤容重与年降水量呈显著负相关性（R² =0.05，P<0.001），而其随干燥度指数增加而增加（R² =0.01，P<0.01）。人工林土壤含水量与年均气温、年降水量和干燥度指数均存在显著相关性。其中，土壤含水量与年均气温（R² =0.11，P<0.001）和干燥度指数（R² =0.08，P<0.001）显著负相关，而与年降水量（R² =0.06，P<0.001）显著正相关（图7）。

农牧交错带人工林土壤全碳和全氮含量与年均气温、年降水量和干燥度指数密切相关。其中，土壤全碳和全氮含量与年均气温（P<0.001）和干燥度指数（P<0.001）显著负相关，与年降水量显著正相关（P<0.001）。可以看出，与空间分布格局相比，土壤全碳和全氮含量随气候梯度的变化更显著，其中全氮含量与气候梯度的关系更紧密（图8）。

相关性分析表明，土壤全碳含量与经度、纬度、年均气温和干燥度指数显著负相关，而与海拔和年降水量呈显著正相关关系。土壤全氮含量与气候因子存在极显著的相关性，而土壤pH与地理因子存在极显著的相关性（图9）。

在本研究中，我们发现灌木林土壤pH显著高于乔木林，这一现象可能与两种森林类型中树木根系特征差异有关。乔木树种具有较深的主根和发达的根系网络，能够在更深层次和更广范围内吸收养分和水分^［17］。根系发育导致根系呼吸和枯根分解产生大量CO₂，更高水平的CO₂与土壤中的水和CO32-一起形成碳酸，进而降低土壤pH^{［23，28］}。与之相比，由于深层土壤通常较干燥或贫瘠，沙地灌木植物的根系通常集中在表层土壤中，表层蒸散量的增加将减少盐基离子的淋失，从而提高土壤pH^［29］。此外，乔木林中的一些针叶树种（如樟子松和油松）叶片富含鞣酸和多酚等化合物，这些化合物在分解后会产生有机酸，进一步促进土壤酸化^［30］。

土壤容重可以反映土壤的紧密程度和孔隙度，对于理解人工林生态系统的水分和养分循环非常重要。一般来讲，灌木由于根系较浅，可能不会对土壤产生太大的压实作用，而乔木根深大可能导致土壤容重增加^［31-32］。但是本研究中灌木林土壤容重略低于乔木林，差异并不显著，这可能与灌木林中较高的有机质含量有关。树木落叶和枝干的分解能改善土壤结构，增加有机质含量，进而降低土壤容重^［33］。

本研究中，灌木林土壤含水量低于乔木林。这可能是因为灌木具有较浅的根系，不够深入土壤，因此土壤中的水分更容易蒸发或被植物吸收，从而导致土壤含水量较低^［29］。相反，乔木根系更深，可以更好地吸收深层土壤中的水分^［32］。此外，乔木林通常在潮湿的气候条件下生长，因此土壤中的水分含量可能更高，而灌木林通常在较为干燥的气候条件下分布，土壤含水量较低^［34-36］。特别是，本研究中灌木林通常存在于年降水量小于400 mm的风沙区，沙质土壤排水性较好，但保水能力较差。本研究相关性分析证实了这一点，人工林中土壤含水量仅与经纬度和年降水量密切相关（图9）。

人工林类型对土壤全碳含量的影响可能与其碳输入（即凋落物、根周转和根分泌物）、转移（即凋落物质量和腐殖化率）和潜在损失有关^［17-19］。本研究表明乔木林和灌木林中土壤全碳含量均随土层深度增加而下降，这主要是因为树叶和树枝部分脱落在树下积累，为表层土壤提供了大量有机碳。然而，深层土壤通常较少受到这些凋落物的影响^［35］。此外，我们研究发现乔木林土壤全碳含量随土层深度的下降趋势更明显。与灌木林相比，大多数乔木林的根系更大、更深，通常会导致更多的土壤有机质输入^［17］，而这也可能通过激发效应促进土壤碳损失，而且随着土层深度增加，贫碳土壤中新鲜根分泌物的输入极大程度上活化了休眠的微生物，刺激了更多原有土壤碳的损失^［37］。

本研究中灌木林土壤全氮含量显著高于乔木林。这可能是因为某些灌木植物具有更快的生长速度和短生命周期，能够在较短周期内脱落叶子和植物残体，这些有机物质含有较多的氮，可以迅速降解并释放氮到土壤中^［38］。相比之下，乔木树种通常生长速度较慢，乔木叶片和凋落物分解速度较慢。此外，某些灌木，例如小叶锦鸡儿与根瘤菌共生，具有高固氮活性，是一种积极有效的碳库和氮源^［39］。

综上所述，人工林类型对土壤理化性质的影响显著，这一发现对于理解和管理北方农牧交错带人工林土壤环境具有重要意义。

在农牧交错带人工林的研究中，我们发现土壤pH自西向东呈酸性增强、碱性下降的趋势。这一现象可以通过区域气候差异来解释，农牧交错带西部通常较为干旱，而东部较为湿润。在干旱条件下，土壤中的盐分容易积累，导致土壤呈现碱性。相反，在湿润条件下，土壤中如钙、镁等阳离子被淋溶，进而降低土壤的pH值，使土壤呈现酸性^{［11，23］}。此外，农牧交错带东部分布有黑土，通常富含有机质，这也会导致区域人工林土壤pH下降^［40］。

土壤容重的变化也受气候条件的影响。在干旱地区，较少的降雨量可能导致土壤更紧密，孔隙度较低，从而土壤容重较高^［41］。而在湿润地区，较多的降水促进土壤颗粒的分散和有机质的积累，孔隙度增加，这可以降低土壤的容重^［42］。此外，从西向东，随着气候逐渐湿润，土壤中的有机质含量可能增加，有机质的积累可以改善土壤结构，增加孔隙度，从而降低土壤容重^［33］。而且，土壤水分也是影响土壤容重的重要因素。

降水是土壤含水量的主要来源。在中国农牧交错带，从西向东，气候逐渐从干旱和半干旱向湿润过渡，降水量相应增加。东部地区由于降水较多，土壤能够吸收并保留更多的水分，土壤含水量较高。西部地区降水较少，土壤含水量因此较低。温度对土壤水分的蒸发有直接影响。高温会增加土壤水分的蒸发和植物蒸腾作用，从而降低土壤的含水量。在较为干燥和温暖的西部地区，高温可能导致土壤水分蒸发加速，进而降低土壤含水量。相比之下，东部地区温度较低，蒸发速率减慢，有利于土壤水分的保持。富含有机质和黏土的土壤通常具有更好的保水能力。东部地区可能存在更多的壤土或富含有机质的土壤，这些土壤类型有助于保持更多的水分。

农牧交错带从西向东，气候由干旱和半干旱向温带湿润气候过渡。在湿润气候条件下，植被生长更加茂盛，土壤有机物质输入增加，虽然微生物活动旺盛，但是有机物的分解速率可能因缺氧而减慢，导致有机碳和氮在土壤中的积累^［43］。在干旱的西部地区，由于水分限制，植被生长较慢，有机物质的输入减少^［35］。农牧交错带土壤碳氮含量与温度显著负相关（图8）。温度升高通常加速土壤微生物的代谢活动和有机物的分解过程，导致土壤中有机碳的快速释放为CO₂。这种加速的分解过程减少了土壤中稳定的有机碳储存。

综上所述，气候条件在决定农牧交错带人工林土壤理化性质方面起着重要的作用。干旱和湿润气候条件对土壤pH、容重、水分含量以及碳氮循环均有显著影响。这些发现对于理解和管理农牧交错带人工林土壤环境具有重要意义，对于预测和应对气候变化下土壤生态系统的变化也非常重要。

农牧交错带人工林土壤整体呈弱碱性，电导率为153.55±3.02 μS·cm^-1，土壤容重为0.53~2.28 g·cm^-3、土壤含水量为12.54%±0.62%、土壤全碳和全氮含量分别为13.74±0.61 g·kg^-1和0.88±0.05 g·kg^-1。

农牧交错带人工林土壤自西向东酸性显著增强（P<0.001）、容重显著下降（P<0.01）、含水量显著增加（P<0.001）、全碳含量显著下降（P<0.05）、全氮含量显著（P<0.001）增加；随着海拔升高土壤碱性更强（P<0.001）、全碳含量更大（P<0.001），而土壤含水量更低（P<0.001）。

在气候梯度上，人工林土壤pH、电导率、容重与降水量显著负相关（P<0.01），而土壤含水量、全碳和全氮与降水量显著正相关（P<0.001）；人工林土壤全碳、全氮含量与温度和干燥度指数均显著负相关（P<0.001）。

区域尺度上，乔木林土壤pH（4.89~9.84）显著低于灌木林土壤（7.04~8.84），乔木林土壤中存在偏酸性土壤，而灌木林中土壤均呈碱性；乔木林土壤全碳含量（13.63±0.78 g·kg^-1）和全氮含量（0.94±0.07 g·kg^-1）分别是灌木林的0.97倍和1.34倍。