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user: 4. 结果与分析 4.1. 沙漠化逆转过程植被–土壤系统的恢复演变特征 在地处典型干旱地区的石羊河中游，流动沙丘优势植物主要为一年生植物沙米和多年生植物沙竹。流动沙丘固沙造林后，伴随人工种群的发育，5a优势植物演替为花棒、油蒿、沙蒿和沙米，15a优势植物演替为油蒿、花棒及狗尾草(Setaria viridis)和画眉草(Eragrostis poaeoides)等禾草，25a优势植物演替为油蒿、短花针茅及狗尾草和画眉草等禾草，自然植被优势种群由一年生草本植物向半灌木、半灌木与多年生草本植物演替；而地上生物量、植被总盖度表现为先增加后降低，草本植被盖度持续增大，固沙植被生产力、多样性逐渐提高，25年后在沙化土地形成相对稳定的人工 + 自然固沙植被。伴随人工灌木固沙植被的发育及其衰败过程，沙化土地0~60 cm土壤水分随造林恢复年限先降低后增加，整体过程土壤趋于干旱；表层0~5 cm土壤容重和沙粒含量逐渐降低，土壤粘粒、有机质、全氮和土壤电导率含量逐渐增大，土壤结构逐渐改善，肥力逐渐增加。造林恢复25年后，沙化土地植被总盖度、生物量显著高于地带性植被，但是草本植物盖度显著低于地带性植被，与地带性植被的相似性仅达到50%；表层土壤沙粒成分显著高于地带性植被，但是有机质与氮含量已接近地带性植被(表1)。造林恢复25年后，沙化土地植被–土壤系统呈现向草原化荒漠演变的趋势，初步实现了沙漠化逆转。 Table 1 Restoration dynamics of soil and vegetation systems in the reversion process of desertificatio 植被与表层土壤性状指标 0a 流动沙丘 5a 造林恢复5年沙化土地 15a 造林恢复15年沙化土地 25a 造林恢复25年沙化土地 NV 地带性植被 物种丰富度 3 9 10 10 15 优势种 沙米、沙蒿、沙竹 花棒、油蒿、沙蒿、沙米 油蒿、花棒、禾草 油蒿、禾草、短花针茅 银灰旋花、短花针茅、中亚紫婉木 植被总盖度(%) 6.14 c 18.11 b 40.23 a 36.44 a 35.48 a 草本盖度(%) 1.26 c 5.22 bc 8.02 b 8.96 b 29.86 a 地上植被生物量(kg/100m 2 ) 0.92 c 20.95 b 37.9 a 23.05 b 14.84 b 与地带性植被的相似性 0.00 0.20 0.28 0.50 1 0~60 cm土壤水分(%) 2.97 b 1.92 c 1.46 d 1.79 c 5.59 a 土壤容重(g/cm 3 ) 1.56 a 1.51 b 1.49 c 1.37 d 1.35 e 沙粒含量(%) 98.48 a 94.62 a 77.52 b 68.18 c 49.64 d 粘粒含量(%) 0.87 c 1.70 c 4.34 b 6.65 b 12.59 a 土壤有机质(%) 0.143 d 0.203 c 0.466 b 0.508 a 0.574 a 土壤全氮(%) 0.013 c 0.026 b 0.039 a 0.043 a 0.044 a 土壤电导率(μs/cm) 81.20 d 90.50 c 123.78 b 133.40 a 135.69 a 表1. 沙漠化逆转过程土壤–植被系统的恢复演变特征 4.2. 沙漠化逆转过程植被碳储量的恢复演变特征 在石羊河中游，造林恢复5a、15a和25a沙化土地地上植被碳储量分别达到0.41 Mg/hm 2 、1.00 Mg/hm 2 和0.69 Mg/hm 2 ，地上植被碳储量随沙漠化逆转过程呈现先增加后降低趋势。5a、15a和25a地上植被碳储量达到流动沙丘的5.6倍、13.7倍和9.5倍，甚至超过地带性植被，其中15a达到地带性植被的2.6倍(图1)。与地上植被碳储量不同，地下植被储量随沙漠化逆转过程逐渐增大，5a、15a和25a地下植被碳储量分别达到流动沙丘的12.9倍、31.2倍和31.4倍，但仅占到地带性植被的10.9%、26.2%和26.4%，显著低于地带性植被(图1)。 流动沙丘固沙造林后，固沙植被总储量也随沙漠化逆转过程呈现先增加后降低的趋势(图1)。5a、15a和25a植被碳储量分别达到0.70 Mg/hm 2 、1.71 Mg/hm 2 和1.41 Mg/hm 2 ，是流动沙丘的7.3倍、17.9倍和14.7倍，其中0~15年呈现正增长，15~25年呈现负增长，造林恢复25年固沙植被平均固碳速率仅达到0.05 Mg/hm 2 ·a。5a、15a和25a固沙植被碳储显著低于地带性植被，仅占到地带性植被的22.6%、54.9%和45.3%。地上植被与地下植被碳储量相比，造林恢复15年之前沙化土地地上植被碳储量大于地下植被，25年基本接近，但地带性植被地上植被碳储量显著低于地下植被。 4.3. 沙漠化逆转过程土壤有机碳储量的恢复演变特征 4.3.1. 土壤有机碳密度的空间分布特征 在石羊河中游，沙漠化逆转不同恢复阶段垂直层次土壤有机碳密度呈现明显波动变化，而且波动程度随造林恢复年限呈现增强趋势，这可能与物种根系、凋落物以及生物分布以及风沙土反复沉积有关(图2)。尽管不同层次土壤有机碳密度呈现明显波动变化，但是均以0~20 cm土壤层次最高。0~20 cm土壤有机碳密度随逆转过程逐渐增加，5a、15a和25a沙化土地分别达到0.25 Mg/hm 2 、0.49 Mg/hm 2 和 0.53 Mg/hm 2 ，是流动沙丘的1.4倍、2.7倍和3.0倍，但依然明显低于地带性植被区，仅占地带性植被区的31.9%、62.5%和67.7%。 4.3.2. 土壤有机碳储量动态变化 在石羊河中游，造林恢复5a、 15a 、25a沙化土地0~1 m深度土壤有机碳储量分别达到8.70 Mg/hm 2 、11.90 Mg/hm 2 和18.78 Mg/hm 2 ，随沙漠化逆转过程逐渐增加。沙漠化逆转不同恢复阶段土壤有机碳储量总体差异显著，但是15年后差异不显著(图3)。与流动沙丘相比，5a、15a和25a土壤有机碳储量分别增加了29.5%、77.1%和179.5%，呈现持续增加趋势，造林恢复25年平均土壤固碳速率达到0.48 Mg/hm 2 ·a。显然，固沙造林显著提高了沙化土地土壤的碳固存能力，但是5a、15a和25a土壤有机碳储量仅占到地带性植被区的35.8%、49.0%和77.4%，仍存在较大的固碳潜力。 5a、15a和25a表层0~5 cm土壤有机碳储量分别达到0.89 Mg/hm 2 、1.98 Mg/hm 2 和2.0 Mg/hm 2 ，随沙漠化逆转过程逐渐增加。沙漠化逆转不同恢复阶段土壤有机碳储量总体差异显著，但是15a与25a间无显著差异，与0~1 m深度明显不同(图3)。与流动沙丘相比，5a、15a和25a表层土壤有机碳储量显著增大，分别增加了62.7%、264.3%和267.8%，造林恢复15年前增长快速，15年到25年增长缓慢。与地带性植被区相比，5a、15a和25a表层土壤有机碳储量仅占到24.2%、39.4%、88.2%和89.0%，表层土壤较其他层次增长较快，造林恢复15年后沙化土地与地带性植被样地间无显著差异。 4.4. 沙漠化逆转过程系统有机碳储量的恢复演变特征 在石羊河中游，造林恢复5a、 15a 、25a沙化土地系统有机碳储量分别达到9.40 Mg/hm 2 、13.61 Mg/hm 2 和20.19 Mg/hm 2 ，随沙漠化逆转过程逐渐增加(图4)。沙漠化逆转不同恢复阶段植被–土壤系统有机碳储 图1. 沙漠化逆转过程地上、地下植被碳储量的动态变化(不同字母表示P < 0.05差异显著，下同) 图2. 沙漠化逆转过程土壤有机碳密度的垂直变化 图3. 沙漠化逆转过程0~5 cm、0~1 m土壤有机碳储量的动态变化 图4. 沙漠化逆转过程系统有机碳储量的动态变化 量总体差异显著，但是15a和25a间差异不显著。与流动沙丘相比，5a、15a和25a系统有机碳储量分别增加了37.9%、99.6%和196.1%，呈现持续增加趋势，造林恢复25年的植被–土壤系统平均固碳速率达到0.53 Mg/hm 2 ·a。尽管沙漠化逆转过程的碳固存能力显著提高，但5a、15a和25a系统有机碳储量仅占到地带性植被区的34.3%、49.7%和73.7%，仍存在较大的增长潜力。 在流动沙丘，土壤有机碳储量占到沙地生态系统有机碳储量的98.6%，是流动沙丘的主要碳库。5a、15a和25a土壤有机碳储量占到生态系统有机碳储量的比例分别达到92.5%、87.5%和93.0%，显然土壤碳库所占的比例随沙漠化逆转过程先降低后有所增加，但土壤依然是沙漠化逆转过程不同恢复阶段的主要碳库。在地带性植被区，土壤有机碳储量占到生态系统有机碳储量的88.6%，低于流动沙丘、造林恢复5年及25年沙化土地，土壤也是草原化荒漠生态系统的主要碳库。 4.5. 沙漠化逆转过程沙化土地有机碳储量的影响因素 在植被因子中，沙漠化逆转过程沙化土地固沙植被碳储量与植被物种丰富度和草本盖度呈显著正相关关系，与植被生物量呈极显著正相关关系；而土壤有机碳储量和生态系统有机碳储量仅与物种丰富度和草本盖度呈显著相关关系(表2)。在0~1 m土壤因子中，植被碳储量仅与土壤粉粒含量、粘粒含量、有 Table 2 Correlation between organic carbon stocks and environmental factors in the reversion process of desertificatio 植被与土壤性状指标 植被碳储量 (Mg/hm 2 ) 土壤有机碳储量 (Mg/hm 2 ) 生态系统有机碳储量 (Mg/hm 2 ) 物种丰富度 0.840 * 0.826 * 0.840 * 植被生物量(kg/100m 2 ) 0.861 ** 0.664 0.701 草本盖度(%) 0.845 * 0.813 * 0.829 * 灌木盖度(%) 0.138 0.014 0.031 植被总盖度(%) 0.423 0.562 0.551 土壤含水率 (%) 0.530 0.584 0.585 土壤容重(g/cm 3 ) −0.667 −0.867 ** −0.851 * 沙粒含量(%) −0.814 * −0.866 ** −0.871 ** 粉粒含量(%) 0.814 * 0.870 ** 0.875 ** 粘粒含量(%) 0.813 * 0.847 * 0.855 * 土壤孔隙度(%) 0.607 0.840 * 0.819 * 土壤有机质(%) 0.820 * 0.896 ** 0.898 ** 土壤全氮(%) 0.792 * 0.863 ** 0.865 ** 土壤电导率(μs/cm) 0.797 * 0.833 * 0.839 * 土壤pH 0.224 0.378 0.363 表2. 沙漠化逆转过程沙化土地碳储量与环境因子间的相关系数 注： ** 为p < 0.01极显著； * 为p < 0.05显著。 机质、全氮和土壤电导率呈显著正相关关系，与土壤沙粒含量显著负相关关系；土壤有机碳储量与土壤容重和沙粒含量呈极显著负相关关系，与土壤粉粒含量、有机质和全氮呈极显著正相关关系，与土壤粘粒含量、孔隙度和电导率显著正相关关系；生态系统有机碳储量与土壤沙粒含量呈极显著负相关关系，与土壤粉粒含量、有机质和全氮呈极显著正相关关系，与土壤容重、粘粒含量、孔隙度和电导率呈显著相关关系(表2)。初步认为，影响植被碳储量的主要因子为植被生物量，其次为物种丰富度、草本盖度以及土壤有机质、粒度、全氮和电导率；影响土壤有机碳储量的主要因子为土壤有机质、全氮、容重、沙粒含量和粉粒含量，其次为物种丰富度、草本盖度以及土壤粘粒含量、孔隙度和电导率；影响生态系统有机碳储量的主要因子为土壤有机质、全氮、沙粒含量和粉粒含量，其次为物种丰富度、草本盖度以及土壤容重、粘粒含量、孔隙度和电导率。