采用单样本t检验,在不同土层深度下沙障区土壤有机碳含量与对照区无显著性差异(p>0.05),设置沙障对土壤有机碳没有明显的增加作用。除玉米杆低立方格沙障和尼龙网平铺方格沙障外各土层有机碳含量均大于对照(图1)。在任何土层中土壤有机碳在玉米杆低立方格沙障中最小(平均0.201 g/kg),在棉花杆平铺方格沙障(平均0.566 g/kg)最大。沙障的材料和布置方式都是影响土壤有机碳的因素。平均而言,在任何土层中平铺布设的沙障对土壤有机碳的改善能力高于垂直布设的沙障。在沙稳系统中,为了提高系统的有机碳含量,平铺布设是一种较好的选择。

图1 4种沙障材料两种布设方式下土壤有机碳的变化

沙障与对照区的土壤有效氮在所有土层均存在极显著差异(p<0.01),沙障的布置总体上显著增加了土壤的有效氮。

配对样本t检验,任何两个土层的有效氮均无显著性差异(p>0.05)。棉花杆低立方格沙障的有效氮在0—20 cm土层(31.788 mg/kg),40—60 cm土层(24.288 mg/kg)和0—60 cm土层(22.425 mg/kg)中最大。在20—40 cm土层中有效氮最大的棉花杆平铺方格沙障(18.657 mg/kg)(图2)。结果表明,对于土壤有效氮的保持,棉花可能是一种较好的沙障材料。在0—60 cm土层中,垂直布设方式下的土壤有效氮平均值比对照区高14.936%,平铺布设方式下的土壤有效氮平均值比对照区高15.087%。

图2 4种沙障材料两种布设方式下土壤有效氮的变化

除20—40 cm土层外(p>0.05),其余各土层的有效磷均与对照区呈极显著差异(p<0.01)。沙障的布置总体上降低了土壤有效磷含量,仅在树枝低立方格沙障和棉花杆低立方格沙障的20—40 cm土层中土壤有效磷含量比对照区高。任何土层的有效磷在尼龙网方格沙障中最低。

除了20—40 cm土层中树枝低立方格沙障的土壤有效磷含量最高(3.682 mg/kg),其他土层对照区的土壤有效磷含量最高(图3)。各土层平铺布设方式下土壤有效磷平均值均大于垂直布设方式下的土壤有效磷平均值。0—60 cm土层深度下平铺布设方式下土壤有效磷的平均值比垂直布设方式下的大1.805%。与对照相比,在0—60 cm土层垂直布设方式下土壤有效磷降低幅度为22.436%,平铺布设方式下的降低幅度为21.036%。

图3 4种沙障材料两种布设方式下土壤有效磷的变化

单样本t检验表明,在不同土层深度上各沙障与CK的AK均具有极显著差异(p<0.01)。沙障的设置显著提高了土壤AK,任一土层8种沙障土壤的AK均高于CK。采用配对样本t检验,各土层间AK无显著差异(p>0.05)。0—60 cm土层棉花杆平铺方格沙障(27.267 mg/kg)的AK最大(图4)。0—60 cm土层中垂直和水平布设的沙障有效钾平均值分别为25.591 mg/kg和25.548 mg/kg,分别比对照增加12.301%和12.111%。

在不同土层沙障区和对照区的土壤pH差异极显著(p<0.01)。在0—60 cm土层中,仅尼龙网平铺方格沙障的ph值(平均7.995)高于对照区(平均7.990)。布设沙障总体降低了土壤pH,0—60 cm土层内降低了2.457%～9.771%。采用配对样本t检验,不同土层垂直和平铺布设方式的平均pH具有显著差异(p<0.05)。在任何土层中,垂直布置方式下的土壤pH都小于平铺布设方式下的土壤pH(图5)。在任何土层,玉米杆平铺方格沙障的土壤pH最小(平均7.209),尼龙网平铺方格沙障的土壤pH值最大(平均7.995)。

0—10 cm 土层为干沙,土壤含水量随深度呈增加趋势。0—20 cm土层土壤含水量与其他土层的土壤含水量具有极显著差异(p<0.01),分别为20—40 cm,40—60 cm和0—60 cm土层中土壤含水量的19.713%,20.231%和27.232%(图6),沙障材料对土壤含水量的影响存在差异。土壤剖面含水量的排序为:玉米杆低立方格沙障>树枝平铺状沙障>尼龙网平铺方格沙障>对照>棉花杆平铺方格沙障>尼龙网方格沙障>树枝低立方格沙障>玉米杆平铺方格沙障>棉花杆低立方格沙障。树枝平铺状沙障有利于提高0—20 cm和20—40 cm土层的土壤含水量(分别比对照增加了258.235%和8.790%),玉米杆低立方格沙障有利于提高20—40 cm和40—60 cm土层的土壤含水量(分别比对照增加了43.455%和19.345%),尼龙网平铺方格沙障有利于改善20—40 cm 土层的土壤含水量(比对照增加了38.585%)。在0—20 cm,40—60 cm和0—60 cm土层中棉花杆低立方格沙障的土壤含水量最小。在20—40 cm土层中树枝低立方格沙障的土壤含水量最小。

图4 4种沙障材料两种布设方式下土壤有效钾的变化

图5 4种沙障材料两种布设方式下土壤pH值的变化

布设方式对土壤水分的影响存在差异。垂直和平铺布设方式下20—40 cm和40—60 cm土层的平均土壤含水量均明显大于0—20 cm土层的平均土壤含水量。垂直布设方式下20—40 cm和40—60 cm土层平均土壤含水量分别比0—20 cm土层高600.192%和641.757%。平铺布设方式下20—40 cm和40—60 cm土层平均土壤含水量分别比0—20 cm土层高307.501%和266.314%。0—60 cm土层垂直和平铺布设方式的土壤含水量平均值分别为1.188%和1.300%。与对照相比,垂直布设方式0—60 cm土层的土壤含水量下降了10.038%,平铺布设方式下0—60 cm土层中土壤含水量减少了1.515%。

0—20 cm,20—40 cm和40—60 cm土层的土壤容重与对照有显著差异(p<0.05),0—60 cm土层的土壤容重与对照呈极显著差异(p<0.01)。0—20 cm土层中尼龙网平铺方格沙障的土壤容重最小(1.710 g/cm³),2—40 cm土层中玉米杆平铺方格沙障的土壤容重最小(1.649 g/cm³),40—60 cm和0—60 cm土层中棉花杆低立方格沙障的土壤容重最小(1.525 g/cm³,1.672 g/cm³)(图7)。0—60 cm土层垂直和平铺布设方式下土壤容重的平均值均为1.703 g/cm³。与对照相比,垂直和水平布设方式下土壤容重的降低程度基本相同,0—60 cm土层两种布设方式下的土壤容重分别为0.067 g/cm³,0.066 g/cm³。垂直布设方式下平均土壤容重随土层深度的增加明显减小,而平铺布设方式下的土壤容重随土层深度的变化不明显。

图6 4种沙障材料两种布设方式下土壤含水量的变化

图7 4种沙障材料两种布设方式下土壤容重的变化

0—20 cm土层沙障区的土壤质量指数均高于对照区,所有沙障对0—20 cm土层深度的土壤质量具有改善作用。20—40 cm土层沙障区的土壤质量指数与对照区(0.439)的土壤质量指数具有显著差异(t=3.420,p<0.05)。20—40 cm土层玉米杆低立方格沙障的土壤质量指数最高(0.561),而尼龙网方格沙障的土壤质量指数最低(0.426)。40—60 cm土层沙障区的土壤质量指数与对照区(0.453)具有显著差异(t=5.922,p<0.01),棉花杆低立方格沙障的土壤质量指数最高(0.515),而尼龙网方格沙障的土壤质量指数最低(0.465),这些沙障均改善了40—60 cm土层的土壤质量。0—60 cm土层沙障区的土壤质量指数与对照区的土壤质量指数(0.422)之间存在极显著差异(t=5.694,p<0.01),棉花杆低立方格沙障的土壤质量指数最高(0.551),而尼龙网方格沙障的土壤质量指数最低(0.428)。经配对样本T检验,两种铺设方式下4种沙障材料的土壤质量指数没有显著差异(p>0.05),铺设方式对土壤质量的影响不显著。对于表层0—20 cm,20—40 cm和0—60 cm土层平铺布设方式下的平均土壤质量指数高于垂直布设方式,分别高出367.344%,95.904%和63.872%; 而对于40—60 cm土层垂直布设方式下的平均土壤质量指数比平铺布设方式高39.498%(图8)。

图8 4种沙障材料两种布设方式下SQI的变化

本研究沙障区土壤有机碳含量与对照区无显著差异(p>0.05),沙障区土壤有效氮、有效钾含量极显著增加(p<0.01)(在0—40 cm土层分别比对照区增加了83.635%,13.333%),而土壤有效磷含量极显著降低(除20—40 cm土层)(p<0.01)。土壤有效磷在0—20 cm土层降低了32.428%,20—40 cm土层增加了1.988%,0—40 cm土层降低了23.884%。在古尔班通古特沙漠铺设2～3 a的草方格沙障区土壤0—40 cm有效氮、有效磷、有效钾含量显著增加(分别比对照区增加了222.93%,23.61%,73%)(p<0.05)^[26]。这可能与气候、沙障铺设的年限与所用材料、定居植物类型等有关,本研究沙障已经铺设了44个月,随着沙障的固沙作用,土壤发育,植物侵入,植物凋落物分解释放出养分,土壤中有效氮、有效钾显著增加。随着沙障的布设,土壤各土层深度的碱化程度在逐渐降低,这与植被的恢复,土壤动物、微生物与植物根系的分泌物及生物残体引起有机酸的积累有关。容重是土壤质量评价常用的物理指标,本研究沙障区0—60 cm土层的土壤容重显著降低,比对照降低了2.05%～5.56%,说明布设沙障对土壤结构具有改善作用。

沙障对土壤含水量的影响程度不同^[27],土壤含水量受沙障铺设年限、沙障类型等的影响,土壤含水量的变化具有复杂性。本研究布设了44个月各沙障区土层的土壤含水量普遍低于对照沙地,个别沙障区表层土壤含水量高于对照区,如玉米杆低立方格沙障,其剖面土壤含水量比对照区增加了27.273%,对土壤水分具有改善作用。

本研究1.5 m×1.5 m、高15 cm尼龙网方格沙障内的土壤含水量比流动沙区降低了9.848%,而巴丹吉林沙漠布设了12 a的1 m×1 m、高20 cm机械沙障土壤含水量下降,其中尼龙网方格沙障内的土壤含水量比流动沙区降低了41.29%^[27],也有研究表明尼龙网方格沙障可促进沙面结皮的形成,对土壤含水率有一定的提高作用^[28]。毛乌素沙地布设2 a的麦草方格沙障区土壤含水量比对照增加了1.14倍,5 a的麦草方格沙障区土壤含水量比对照增加了1.36倍^[29]。经腾格里沙漠东南缘连续三年的观测,1 m×1 m高密度聚乙烯(HDPE)蜂巢式沙障和草方格沙障区0—70 cm土层中土壤含水量高于对照^[30]。库布其沙漠铺设了6个月后的HDPE沙障和植物纤维网沙障对保持土壤含水量有增加作用^[31]。垂直布设方式对土壤含水量影响不显著,与科尔沁沙地尼龙网沙障的布设结果一致^[32]。

土壤表层0—60 cm深度的变异以有效氮和土壤容重为主要指标,占36.028%。因此,土壤容重和有效氮是判别沙障类型和监测4种沙障材料下土壤质量改善的重要指标。0—60 cm土层中沙障区的土壤质量指数比对照区的平均提高了17.990%,说明所调查的沙障改善了0—60 cm土层的土壤质量。沙障材料影响土壤质量指数,0—20 cm 土层土壤质量的改善效果为树枝>棉花>玉米杆>尼龙网,分别比对照增加了20.280%,14.284%,8.152%,2.511%。0—60 cm土层土壤质量的改善效果为棉花>树枝>玉米杆>尼龙网,分别比对照增加了28.088%,17.561%,16.481%,10.386%。两种布设方式相比,0—20 cm土层平铺沙障的土壤质量指数的改善水平是垂直沙障的3.673倍,0—60 cm土层平铺沙障的土壤质量指数的改善水平是垂直沙障的0.639倍。平铺布设方式主要改善土壤0—40 cm的土壤质量,比对照平均提高了18.437%,垂直布设方式主要增加了40—60 cm的土壤质量,比对照平均提高了10.516%,这可能与沙障的侵蚀堆积特征有关。平铺式沙障是固沙型沙障^[18],平铺式防沙网固定表层沙的能力和抗风蚀作用较强^[28],立式防沙网具有较好的阻沙效果。