沙地柏林下土壤粒度集中分布在砂粒区间,体积分形维数为94%～99%,其次是粉粒和黏粒,土壤粒度频率分布以中砂(250～500 μm)为主形成单峰曲线。本研究土壤平均粒径1.31～1.78 Φ,显著低于Yang等[21]报道的裸地平均粒度(2.31 Φ),研究中砂含量(250～500 μm)为46.21%～53.37%明显高于Yang等[21](29.82%)和齐雁冰[22](31.66%)研究结果,这可能与我们的测定方法(激光衍射法可能低估黏粒、粉粒含量)[23]或者与土壤风化、侵蚀、搬运、沉积等有关[24-25]。土壤颗粒平均粒径在林龄16 a和7 a没有显著差异,但林龄16 a土壤中细粒物质含量显著增加,砂粒含量显著减少,颗粒偏度负偏、峰度较窄,林龄7 a土壤偏度近对称、峰度中等,这显然与沙地柏生长、土壤颗粒中黏粒、粉粒含量增加有关,其原因可能是沙地柏通过降低风速阻碍地面表层细粒物质吹蚀,或通过拦截地表大气中悬浮的粉尘粒子所致[15-16]。天然林迎风坡土壤中的黏粒和粉粒含量均高于背风坡,粒度分布集中,迎风坡土壤颗粒负偏、峰度较窄,背风坡土壤颗粒偏度近对称、峰度值中等,表明天然林土壤颗粒迎风坡呈现粗细颗粒分化,并朝细化趋势发展,证实了沙地柏的固沙作用还受地形影响。而土壤各粒度参数呈现天然林的土壤劣于16 a人工林地土壤,这主要可能与天然林边缘土壤收集有关,天然林蔓延的新枝拓展的区域,林龄较小,导致土壤依旧遭受较强的风蚀筛选。此外,背风坡0—20 cm土壤粒度参数与20—100 cm有所不同,0—20 cm土壤分选系数中等,细偏,峰度尖窄,表明背风坡表层土壤颗粒存在细化趋势。
参考全国第2次土壤普查土壤肥力状况分级标准,研究区土壤肥力属于5～6级,土壤养分含量极低。但与神木裸地风沙土相比(表5),沙地柏灌丛土壤有机质、有效钾含量显著高于文献报道,而速效磷、全氮和pH值含量均低于文献报道[26-27],其CEC含量高于齐雁冰[22]研究结果(5.77 cmol/kg),表明沙地柏生长过程,风沙土已有明显的C的累积和有效K的积累,土壤养分得到改善,土壤肥力有所提升,而磷素和氮素与前人研究的差异,可能与氮素、磷素的消耗有关[17]。随土层深度增加,各养分指标含量先增加再降低,土壤有机质、有效氮和速效钾在0—40 cm土层显著高于60—100 cm土层(p<0.05),显示了土壤养分存在表层聚集现象,主要是由于沙地柏遮荫降低沙漠表层土壤温度,促进有机物质富集。此外,野外样品收集时观测到不同林地土壤结皮厚度见表1,也证实了浅层土壤质地得到良好的改善。天然林迎风坡养分含量高于背风坡; 人工林地则随造林时间增加,养分含量增加,土壤碳储量显著提高,这与众学者在榆林沙地柏林地研究结果一致[28-30]。一般沉积物中细沙物质含量增加伴随土壤养分含量增加[31-32],本研究中土壤黏粒、粉粒、极细砂粒径<100 μm,细砂和中砂粒径为100～500 μm,土壤有机质、速效钾、盐分含量和pH值与土壤颗粒(粒径<100 μm)呈显著线性正相关,而与土壤颗粒(100～500 μm)呈显著线性负相关,这与伊利河谷研究的结论一致[33],由此可见,细颗粒物质能够锁住土壤中的C和K,并增加土壤的盐分含量,而100 μm粒径成为该区域土壤各粒径体积分形维数的分界值,此结果不同于贾晓红等[11]学者研究结果:50 μm粒径为土壤各粒径质量分形维数的分界值,关于二者间的关系还需进一步深入研究。
综合分析土壤的颗粒组成和土壤养分,发现土壤细粒物质所占比重增加,土壤结构得到优化,随造林时间增加,效果愈明显; 沙地柏林下土壤存在较明显的优势粒径级别,且颗粒的粗细分配趋于良好趋势发展,生态环境趋于好转[34-35]; 在沙丘迎风坡和背风坡,其固沙作用也存在一定的差异,这与目前众多学者研究结果一致[36-37]。本研究也印证了沙漠地区沙地柏与土壤质量间存在正向互作效应,即植被生长促进细粒物质含量增加,增加土粒养分含量、改善风沙土质量,进而反推植被生长,加速土壤演变。
