土地沙漠化是全球面临的重大环境问题^［1］。近年来，人工固沙和植被恢复工程在中国西北地区广泛实施，通过扎设草方格和种植柠条（Caragana korshinskii）、花棒（Corethrodendron scoparium）和沙拐枣（Calligonum mongolicum）等固沙灌木改善沙地生态环境^［2-3］。半固定沙丘是干旱区脆弱生态系统的典型代表，其植被与土壤的相互作用直接影响沙丘稳定性和区域生态安全^［4-5］。固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘的土壤养分及物种多样性呈递减趋势，且不同尺度下物种多度分布模式差异显著^［6］。半固定沙丘的风沙输移特征受降水、近地面风速及外部沙源等共同影响，植被盖度的增加能有效降低风沙输移，并且半固定沙丘的植被盖度与土壤有机质、氮、磷含量正相关，植被恢复可最大程度减少风蚀量^［7］。迎风坡作为沙丘物质迁移的活跃区域，其植被定植与土壤发育对沙丘固定具有决定性作用^［8-9］。现阶段研究多关注流动沙丘、半固定、固定沙丘和沙质土地的植被演替及沙化治理^［10-12］，而半固定沙丘恢复过程中植被-土壤的长期协同演化机制及人工干预的生态阈值尚不明确。本研究以建植5、10、15、20、30 a的半固定沙丘迎风坡为对象，以天然柠条灌木林地为对照，分析半固定沙丘不同恢复年限土壤养分和植被变化，通过长期序列观测，系统揭示半固定沙丘迎风坡人工固沙恢复过程中植被演替（特别是灌木-草本动态）与土壤养分（碳、氮、磷）及盐分变化的协同规律与互馈机制，旨在探究人工恢复轨迹在多大程度上趋近自然演替状态，及其差异的关键驱动因素，探明早期（5~30 a）恢复过程中是否存在关键的生态阈值点，及其表征和驱动机制。目的是明确半固定沙丘的沙地生态系统恢复的长期动态、优化人工建植策略（如密度调控、更新时机）以规避盐渍化风险，为半固定沙丘精准修复提供理论依据。

白芨滩国家级自然保护区（37°48′28″—38°20′12″N，106°21′33″—106°37′00″E）总面积70 921 hm²。位于中国毛乌素沙地南缘、宁夏灵武市境内引黄灌区的东部。属中温带干旱气候区，具有典型的大陆性气候特征，干燥、少雨，降雨集中于7—9月，占全年的70%~80%。地表蒸发量大，年降水量约200 mm，年蒸发量约2 800 mm，年蒸发量是年降水量的10余倍，且主要依靠大气降水。冬季漫长而寒冷，夏季炎热，昼夜温差大，日照时间较长，近10 a的年均气温为10.4 ℃。年日照时数2 717 h。常年盛行北风，风沙大且多集中于冬春季节，无霜期短。土壤以风沙土为主，质地疏松，养分贫瘠。人工植被恢复工程始于19世纪60年代，主要建植种包括柠条、花棒和沙拐枣等固沙灌木。

固沙植被建植年限为2019年（Y5）、2014年（Y10）、2009年（Y15）、2004年（Y20）、1995年（Y30），以天然柠条灌木林作为对照，于2024年7月在半固定沙丘迎风坡坡中、坡底位置按照S型取样带随机在各年限设置3个重复样方（10 m×10 m），记录样方内灌木种类、数量、株高、冠幅、盖度；在每个样方内沿对角线设置3个草本植被调查样方（1 m×1 m），分别调查样方内的草本植物种类、个体数、盖度、高度；土壤样品按20 cm分层采集0~100 cm土层样品，风干后测定理化性质。

植被参数：覆盖度（针刺法）、生物量（烘干称重法）。

土壤养分：全氮（凯氏定氮法）、全磷（钼锑抗比色法）、全碳（高锰酸钾-浓硫酸加热法）、pH值（电极法）、EC值（电导法）。

采用SPSS 26.0进行单因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重比较；利用Pearson相关性分析植被与土壤指标的关联性；图表使用Origin 2023、Excel绘制。

表1是不同恢复年限半固定沙丘迎风坡植被恢复总体情况。在建植初期（Y5~Y10），以柠条、花棒和沙拐枣为代表的固沙灌木快速定居，群落总盖度由Y5的29%提升至Y10的32%，年均增长速率达2.02%。此阶段所有灌木平均高度（+105.26%）、冠幅（+131.52%）和基径（+162.13%）均显著增加，快速形成稳定的灌木层结构。Y15~Y30，群落结构发生变化，灌木层平均高度呈波动变化，冠幅增长趋缓，个体密度逐渐降低。草本物种多样性随恢复年限增加逐渐增高。

沙丘迎风坡不同恢复年限及天然植被0~100 cm土层养分动态特征见表2。随着恢复年限的增加，土壤总磷（TP）呈先增加后减少的趋势，人工建植20 a的TP含量达到最高，为412.38 mg·kg^-1。总氮（TN）含量呈现波动增长趋势，5~30 a无显著差异，天然柠条灌木林总氮含量最高，为1 787.58 mg·kg^-1。总碳（TC）含量随着恢复年限的增加呈现下降趋势，天然柠条灌木林地TC最低，较Y5降低32.08%。电导率（EC）和pH值随恢复期延长逐渐升高，分别较Y5时升高122.84%和8.13%。天然柠条灌木林地的TN与EC显著高于人工恢复区，分别较人工恢复区最大值高169.63%和58.09%。

不同恢复年限沙丘迎风坡0~100 cm各层土壤pH值存在差异（图1）。同一土层深度下，土壤pH值随着恢复年限的增加表现出“N”型变化，即先增后减再增最后趋于稳定的趋势。Y30时土壤pH值达到峰值，为8.61，显著高于其他恢复年限和天然柠条灌木林（P<0.05），分别高12.53%、9.66%、7.08%、11.36%、5.42%。同一恢复年限下，表层（0~20 cm）比深层土壤pH值高，但不同层的土壤pH无显著差异。

如图2所示，不同恢复年限沙丘迎风坡0~100 cm各层土壤电导率（EC）值差异显著。在0~10 cm土层，随着人工固沙恢复年限增加土壤EC值呈先增后减，并在Y15时最高，达到峰值76.23 mS·m^-1，仍显著低于天然柠条灌木林的119.65 mS·m^-1（P<0.05）。10~20、20~40 cm土层，土壤EC值均呈现显著递增趋势（P<0.05），在Y30时最高，分别为49.03 mS·m^-1和45.5 mS·m^-1，分别显著（P<0.05）低于天然柠条灌木林同层的125.65 mS·m^-1和88.65 mS·m^-1；40~60 cm土层， Y10及Y15时土壤EC值显著低于其他恢复年限和天然柠条灌木林（P<0.05），分别较天然柠条灌木林低64.23%和56.13%；60~80 cm和80~100 cm土层， Y5时 EC值显著低于Y20和Y30（P<0.05），显著高于Y10和Y15（P<0.05），与天然柠条灌木林无显著差异（P>0.05）。

在同一土层深度，随人工固沙恢复年限增加，土壤全磷含量（TP）呈先增后减，均在Y20时达到最高值，并显著高于其他恢复年限和天然柠条灌木林（P<0.05，图3）。在同一恢复年限时，Y5时，40~60 cm土层TP含量显著高于其他层（P<0.05）；Y10时，10~20、40~60、60~80、80~100 cm土层TP含量显著高于0~10、20~40 cm；在Y15和Y20时，各层养分无显著差异（P>0.05）；Y30时，0~10 cm土层TP含量显著低于其他土层（P<0.05）；在天然柠条灌木林中，80~100 cm土层TP含量显著高于其他土层（P<0.05）。

在同一恢复年限时，土壤全氮含量（TN）随土层深度的增加呈先增后减的变化趋势。在Y5和Y10时，10~20 cm土层TN含量显著高于其他层（P<0.05，图4）；在Y15时，60~80 cm土层TN含量显著高于其他土层（P<0.05）；在Y20时，各层TN含量无显著差异；在Y30和天然柠条灌木林中，80~100 cm土层TP含量显著高于其他土层（P<0.05）。在同一土层深度时，随着人工固沙恢复年限增加，在0~10 cm土层，Y5和天然柠条灌木林显著高于其他恢复年限（P<0.05）；10~20、20~40、40~60 cm土层TN含量无显著差异；在60~80 cm土层，Y15、Y30和天然柠条灌木林显著高于其他恢复年限（P<0.05）；在80~100 cm土层，天然柠条灌木林显著高于Y30（P<0.05），显著高于其他恢复年限（P<0.05）。

在同一恢复年限时，随土层深度的增加土壤全碳含量（TC）呈非线性减少的变化趋势（图5）。在Y5和Y20时，各土层间TC含量无显著差异（P>0.05）；在Y10时，40~60 cm土层TC含量显著低于其他土层（P<0.05）；在Y15时，80~100 cm土层TC含量显著低于其他土层（P<0.05）；在Y30和天然柠条灌木林中时，0~10 cm土层TC含量显著高于其他土层（P<0.05）。在同一土层深度时，随着人工固沙恢复年限增加，在0~10 cm土层，天然柠条灌木林显著高于Y5、Y10、Y15和Y20（P<0.05）；在10~20 cm土层时，Y5和Y10的TC含量显著高于其他固沙恢复年限和天然柠条灌木林（P<0.05）；在20~40 cm土层，天然柠条灌木林显著低于其他固沙恢复年限（P<0.05）；在40~60 cm土层，Y5的TC含量显著高于其他固沙年限（P<0.05），显著高于天然柠条灌木林（P<0.05）；在60~80 cm和80~100 cm土层，Y5、Y10和Y20显著高于Y15和Y30（P<0.05），显著高于天然柠条灌木林（P<0.05）。

对半固定沙丘迎风坡0~100 cm土壤养分含量进行双因素方差分析，主体间效应检测结果表明，恢复年限对土壤养分均有极显著影响（P<0.01，表3）。土层对TN、TC和EC产生极显著影响（P<0.01），对TP、pH影响不显著（P>0.05）。

为了反映土壤养分与植被盖度的关系，对植被盖度与各土壤养分之间的相关性进行了分析（图6）。植被盖度与土壤养分含量相关。其中，植被盖度分别与TN、pH、EC呈极显著正相关（P<0.01），与TP显著正相关（P<0.05），与TC极显著负相关（P<0.01）；TP与pH显著负相关（P<0.05）；TC与pH极显著负相关（P<0.01），与EC显著正相关（P<0.05）；pH与EC显著正相关（P<0.05）。

以柠条、花棒、沙拐枣作为半固定沙丘迎风坡促进植被恢复的主要材料，其效果在近几十年的固沙恢复实践中得到证实^［13］。本试验的调查与采样分析结果表明，在造林恢复15 a后灌木数量开始显著降低，而整体植被盖度及草本物种多样性持续增加。这与他人的研究结果一致^［14-17］，随着人工建植年限增加，植被覆盖度逐渐增加，人工固沙灌木早期生长良好，中后期出现衰退和自疏现象。植被总盖度随固沙恢复年限增加而后增速减缓趋于稳定，从5 a的29%逐步提升至30 a的41%，在固沙恢复20 a时达到最大。推测可能这一过程与灌木竞争资源（如水分、光照）加剧及草本植物适应性增强密切相关，群落在进入成熟阶段后结构趋于稳定^{［5，11，18-19］}。随着固沙年限的增加人工种植灌木密度显著降低且密度越大衰亡越严重，在固沙恢复15 a后下降趋势减缓，这与杨瑞红^［20］研究一致，梭梭林随着龄级的增大，梭梭个体数逐渐减少，最后种群数量逐渐稳定。值得注意的是，人工恢复区30 a时的植被多样性仍显著低于天然柠条林，这种趋势是否反映了该区域气候及土壤水分环境下半固定沙丘人工植被恢复具有极限值，需要进一步调查。

植被在不断适应不同土壤条件下展开不同物种间的竞争和替代，植被恢复过程中其根系分泌物、地表凋落物以及自身生理形态特征的差异，均会对土壤理化性质产生影响，进而引导土壤养分重新组合与分配，更大尺度上影响植被生态系统^{［19，21-23］}。本研究结果显示，全磷（TP）呈现先增后减趋势，峰值在Y20年达412.38 mg·kg^-1，这与Zang等^［6］在固定沙丘中发现的“磷库再分配”现象一致，但半固定沙丘的峰值更早，反映其脆弱性。另外，与植被生物量高峰期（Y15~Y20）对磷的需求增加以及灌木凋落物输入增加和根系活动增强可能促进微生物活动（如磷酸酶活性）及有机磷矿化速率有关^［24］。值得注意的是，Y20年后TP显著下降，可能反映了植被竞争加剧（密度降低但个体增大）导致磷吸收持续，或随盐渍化加剧（pH、EC上升）磷有效性降低^［25］。全氮（TN）波动增长但总体趋稳（Y30年达662.98 mg·kg^-1），深层土壤（80~100 cm）中TN在Y30和天然柠条地灌木林中均显著高于其他恢复年限，柠条深层根系（>60 cm）高效固持氮素（图4：天然林80~100 cm TN较Y30高169.6%），天然灌木林的伴生浅根草本物种更丰富、较好地促进盐分淋洗（天然灌木林地EC值虽高，但pH为8.10，低于Y30的8.57）。对比人工建植恢复，灌木单一化导致深层养分滞留，草本多样性不足，削弱盐分调控能力，印证Bennett等^［21］提出的“植物-土壤反馈多样性效应”，表明根系生物量积累及微生物活动对深层氮素的固持作用增强^［24-26］。本研究中全碳（TC）持续下降，可能与有机质分解速率超过植物输入速率有关，凸显自然演替中碳储存机制的复杂性^［27］。土壤pH与EC值呈上升趋势，在Y30分别达到8.57和54.45 mS·m^-1。天然柠条林EC值显著高于人工恢复区，天然柠条林地的pH值较Y30显著降低，可能由于生态退化与重建交织并存所致^［28-29］。

在旱区生态恢复过程中，重视生态系统适应性管理是生态恢复与重建的首要原则^［30］。土壤水分是沙区主要的生态限制因子，不合理的人工固沙灌木建植诱发土壤干层形成是旱区存在的一个普遍性问题^［31］。因此，确定人工固沙植被生态过程和水文过程互馈互调的适宜生态阈值，能最大限度提升生态系统的质量和稳定性^［32-33］。在早期人工建植（5~30 a）研究中，为进一步识别潜在的生态阈值点，本研究重点关注了随恢复年限呈现非线性变化的关键参数：植被总盖度在Y20年达到峰值（45%）后于Y30年下降至41%；土壤全磷（TP）含量在Y20年达到显著峰值后于Y30年显著下降；土壤电导率（EC）和pH值在Y15~Y30年呈现显著加速上升趋势，其中Y20至Y30年EC增幅达16.40%，pH增幅达12.88%。综合考虑植被盖度拐点、TP峰值点以及EC/pH显著加速上升的起点，本研究界定人工建植约20 a（Y20）为本区域半固定沙丘迎风坡人工恢复过程中一个关键的生态阈值点。该点标志着植被覆盖可能达到饱和、土壤磷素积累达到顶峰后开始消耗或转化，同时土壤盐渍化风险显著加剧的转折阶段。此时植被覆盖度、土壤氮磷含量及碳储量最接近天然林水平，土壤与植被演替关系出现分水岭，植被根系层水分竞争加剧，抑制了盐分淋洗，同时凋落物分解加速土壤碱化。这与他人研究结果基本一致^{［32，34］}。因此，人工固沙工程应当依据区域固沙需求和实地环境，立足重点目标或需求，因地制宜调整最适宜的建植管理策略。例如：通过人工撒播耐盐草本，如沙米、刺蓬等降低表层土壤EC值；控制灌木密度以避免资源竞争过度平衡系统稳定性；建立不同区域固沙植被的生态-水文阈值数据库，明确水分承载力边界，避免植被衰退。

本研究通过长期监测初步阐释了半固定沙丘迎风坡植被与土壤养分的动态演替规律：植被群落呈草本逐渐丰富，而灌木呈早期生长良好，中后期出现衰退和自疏现象，人工灌木固沙30 a固沙恢复接近自然演替状态，但草本多样性仍低于天然林；土壤养分呈现非线性变化，全磷在人工灌木固沙20 a达峰值后下降，全氮随恢复年限波动积累，全碳持续降低，盐渍化风险随固沙恢复年限增加显著提高；植被盖度与土壤养分呈不同程度相关，植被盖度分别与TN、pH、EC极显著正相关，与TP显著正相关，与TC呈极显著负相关；TP与pH呈显著负相关；TC与pH呈极显著负相关，与EC显著正相关；pH与EC显著正相关；人工灌木固沙植被建植初期（5~30 a）生态阈值约在20 a出现，此时需通过控水、间作及根系调控策略平衡养分积累与盐渍化风险；自然演替系统（天然柠条林地）在养分循环效率和抗逆性，如氮磷利用率和盐渍化适应方面显著优于人工恢复区。本研究长期跟踪数据不足（最长30 a），未来需结合长期数据及跨区域对比，以完善该区域生态恢复理论体系。