退化生态系统重建的核心是植被的恢复与重建。青海是我国沙漠化土地主要分布地且沙漠化危害较为严重，共和盆地则是青海省沙漠化土地集中分布的地区之一，沙珠玉地区作为共和盆地沙化土地密集分布的地区，受气温低、海拔高的自然因素以及滥砍滥伐、过牧等人为活动的影响，环境恶化较为严重，土地沙化现象日益突出，采用人工手段进行植被恢复势在必行。自19世纪50年代末以来，该地区积极开展退耕还林、机械沙障、麦草方格和封禁等植被恢复措施，以有效防止沙化蔓延，诸多学者在该地区开展了大量的植被恢复试验，并建立生态站进行长期定位研究，取得了一定的科研成果，系统揭示了该地区土地退化原因，对植被恢复区内典型的植被生理特性进行了详尽报道(张登山，2009 ; 刘海涛，2012)，但对该地区植被恢复过程中植被与土壤之间的交互机制研究较少。当前学者们对不同地区不同土地类型的植被恢复过程对土壤的影响研究较多(杨晓晖等，2005 ; 安韶山等，2006 ; 蒋德明等，2008 ; 刘树林等，2008 ; 左小安等，2009 ; 占布拉等，2010 ; 任学敏等，2012)，但在海拔高、气温低的高寒沙地，相关报道较少。

乌柳(Salix cheilophila)为杨柳科(Salicaceae)柳属多年生落叶灌木或小乔木，是我国特有种，其生命力较强、耐旱抗寒、耐风蚀、沙埋和轻度盐渍化，主要分布于甘肃、西藏、青海和宁夏等地，尤其在环境恶劣的西部地区，发挥着重要的水土保持、防风固沙功能。当前针对乌柳的研究主要集中在其群落特征以及水分生理特性等方面(朱雪林等，2011 ; 刘海涛等，2012)，从生态服务角度出发，研究其改良土壤功能方面的报道较少。在共和盆地，乌柳已成为该地区开展植被恢复的主要树种，表现出较强的适应性，对高寒沙地防治沙化蔓延以及生态环境恢复发挥着重要作用。

本研究以青海省共和盆地高寒沙地植被恢复区不同林龄乌柳人工防护林为研究对象，采用空间代替时间的方法，深入研究乌柳防护林对土壤养分含量、土壤有机质含量和土壤 pH 值的影响，旨在探讨高寒沙地开展植被恢复过程中植被与土壤之间的交互作用，并对评价高寒沙地乌柳人工防护林生态系统改良土壤功能提供依据。

研究区位于青海省海南州共和县沙珠玉乡，地处共和盆地中西部(100°45'-100°30'E，36°03'-36 °30'N)，海拔2 871~3 870 m。属高原温带半干旱草原和干旱荒漠草原的过渡带，干旱、大风、寒冷是其主要的气候特点。年均气温2.4 ℃ ; 年均降水量246.3 mm，且季节分配不均，干湿季明显，降水集中在5 -9月，年均潜在蒸发量1 716.7 mm，年均大风日数(风速17 m·s-1)50.6天，年沙尘暴20.7天，气候异常干燥。其海拔高、气温低的气候条件决定了该地区高寒且干旱的自然特征。在植被恢复区内沙丘与丘间地交错分布，主要地貌类型为流动沙丘、半流动沙丘、固定沙丘和丘间低地。该区地带性土壤类型有栗钙土和棕钙土，非地带性土壤有风沙土和草甸土。研究区内主要人工固沙乔木有青杨(Populus cathayana)、小叶杨(Populus simonii)和河北杨(Populus hopeiensis)，主要灌木有乌柳、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)、柽柳(Tamarix chinensis)、沙棘(Hippophae rhamnoides)和枸杞(Lycium chinense)。

样地设置及野外取样均在国家林业局青海共和荒漠生态定位观测研究站植被恢复区内进行，选择4个林龄(6，11，16和21年)的乌柳林，同时选择1块造林前的丘间低地(20 m × 20 m)进行对照研究。

2011年8月，在各林龄乌柳林内设置3块20 m ×20 m 的样地，进行每木检尺，记录各样地内乌柳的树高、冠幅及基径(表 1)，并在各样地内选择4株标准株，在各标准株冠幅边缘用土钻采集土壤样品，每个样点分0~10，10~20，20~30，30~50，50~100，100~150和150~200 cm 共7个土层进行取样。各样地同一土层土壤样品4次重复，四分法取出足够样品，4次重复取样的土壤样品一部分置于铝盒中用于测定土壤含水量，另一部分带回室内自然风干用于土壤化学性质的测定。

表 1 样地概况 ^① Tab.1 General situation of sample plots

表 1 样地概况 ① Tab.1 General situation of sample plots 林龄Stand age/a 地理位置Location 海拔Elevation/m 树高Tree height/m 基径Basal diameter/cm 冠幅 Crown/m 东西East ＆ west 南北South ＆ north ①同列不同字母表示差异显著(P < 0.05)。 Different letters in the same column indicate significant differences(P < 0.05)． 6 100 °13'48 ″E 636°15'02 ″N 2 873 2.03 ± 0.16 a 1.51 ± 0.90 a 1.27 ± 0.34 a 1.32 ± 0.35 a 11 100°13'41 ″E1136 °15'00 ″N 2 873 2.83 ± 0.41 b 2.94 ± 0.37 b 1.31 ± 0.25 ab 1.38 ± 0.31 a 16 100°14'14 ″E1636°14'38 ″N 2873 3.10 ± 0.70 c 4.37 ± 0.65 c 1.42 ± 0.17 b 1.42 ± 0.20 a 21 100°15'14 ″E2136°14'32 ″N 2874 4.80 ± 0.40 d 6.27 ± 0.54 d 1.86 ± 0.26 c 1.82 ± 0.25 b

4次重复取样的土壤样品去除残留的枯落物后过2 mm 筛，一部分用于测定 pH 值。部分土样经研磨后再过0.25 mm 筛，用于测定土壤有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量。使用PHS-4智能型酸度计测定土壤 pH 值，高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定土壤有机质含量，半微量凯氏定氮法测定全氮含量，酚二磺酸比色法测定硝态氮含量，水杨酸-次氯酸盐光度法测定铵态氮含量，有效磷和速效钾含量分别采用 NaHCO3-钼锑抗混合试剂比色法和火焰光度计法测定。土壤铝盒带回后用1 /100的电子天平(0.01 g)称其湿质量，在105 ℃下干燥24 h 后称其干质量，计算土壤含水量(林大仪，2004)。

采用 SAS 9.2统计软件中的方差分析程序(PROC ANOVA)进行统计分析，并用最小显著差数法(LSD)进行多重比较，Sigmaplot1 2.0软件绘图。

图 1表明，在0~10 cm 土层，21年生乌柳林土壤含水量显著高于其他3个林龄(P<0.05)，而6，11和16年生乌柳林土壤表层含水量之间差异不显著(P> 0.05)，随恢复年代的增加表层土壤含水量逐渐升高; 在10~20 cm 土层，各林龄土壤含水量变化与表层相同，但同一林龄10~20 cm 土层土壤含水量显著高于表层(P<0.05); 在20~30 cm 土层，21年生乌柳林土壤含水量显著高于其他3个林龄(P<0.05)，而其他3个林龄含水量变化表现为6年生>16年生>11年生; 在30~50 cm 土层，6，11和16年生乌柳林土壤含水量达到最大值，但各林龄含水量之间差异不显著(P> 0.05)，表现为21年生 >11年生>16年生>6年生; 在50~100及100~ 150 cm 土层，各林龄土壤含水量差异不显著(P>0.05)，而在150~200 cm 土层，6年生土壤含水量显著低于其他3个林龄(P < 0.05)。综上所述，乌柳林样地土壤含水量受林龄和深度的影响，0~50 cm土层土壤含水量变化较为剧烈。

	图 1 不同林龄乌柳人工林土壤含水量随深度变化特征 Fig. 1 Variation characteristics of soil water content with depth in different stand aged S． cheilophila plantations

由图 2可知，不同林龄乌柳林土壤有机质含量随恢复时间的增长而增加，方差分析说明恢复年限对土壤有机质含量有显著影响(P<0.05)。各林龄土壤有机质分布呈现出一定的表聚性，除6年生乌柳林与对照外均在表层达到最高。在0~10 cm 土层，各林龄土壤有机质含量均显著高于对照(P<0.05)，21与16年生显著高于11和6年生，且11年生显著高于6年生(P<0.05)，表现为21年生 >16年生>11年生>6年生>对照。在10~20 cm土层，21与16年生无显著差异，但显著高于11和6年生(P<0.05)，11与6年生之间土壤有机质含量差异不显著(P> 0.05)，6年生土壤有机质含量在该层最高。在20~30 cm 土层，各林龄之间土壤有机质含量差异显著(P<0.05)，6年生显著高于11年生(P<0.05)，而11年生与对照在该层差异不显著(P> 0.05)，21年生土壤有机质含量最高。在30~50 cm 土层，21年生土壤有机质含量显著高于11和6年生(P<0.05)，但与16年生差异不显著(P> 0.05)，16年生显著高于6年生(P<0.05)，但16年生与11年生之间以及11年生与6年生之间无显著差异(P> 0.05)。在50~100 cm 土层，11年生与6年生之间差异显著(P<0.05)。在100~150 cm 土层，6年生与对照之间无显著差异，21与16年生之间无显著差异，这也与150~200 cm 土层变化相同。随植被恢复年代的增加，各林龄土壤有机质含量分别提高38.5 %，52.9 %，64.3 %和68.7 % 。

	图 2 不同林龄乌柳人工林土壤有机质含量变化特征 Fig. 2 Variation characteristics of soil organic matter content indifferent aged S． cheilophila plantations 不同大写字母表示同一土层不同林龄之间差异显著，不同小写字母表示同一林龄不同土层之间差异显著(P<0.05)，下同。 Different uppercase letters indicate significant difference in differentstand ages，different lowercase letters indicate significant differencein different soil depth(P<0.05)，the same below．

由图 3可知，各林龄之间土壤全氮含量呈现出随恢复年限增加而增加的趋势，且各土层均表现为21年生>16年生>11年生>6年生>对照。在土壤表层，6和11年生与丘间低地之间土壤全氮含量无显著差异(P> 0.05)，而16和21年生与其他林龄之间差异显著(P<0.05)。在10~20 cm 土层，6和11年生土壤全氮含量显著高于对照，但11与16年生之间无显著差异(P> 0.05)，而21年生土壤全氮含量显著高于其他林龄(P<0.05)。在20~30 cm土层，6和11年生与对照之间土壤全氮含量无显著差异(P> 0.05)，而16和21年生与其他乌柳之间差异显著(P<0.05)。在30~50 cm 土层，6和11年生与对照之间土壤全氮含量无显著差异(P> 0.05)，而16和21年生与其他林龄之间差异显著(P<0.05)。在50~100 cm 土层，21年生土壤全氮含量显著高于其他林龄，而其他林龄无显著差异。在100~150 cm 土层，21年生土壤全氮含量依旧最高，但与11和16年生差异不显著(P> 0.05)。在150~200 cm 土层，16年生全氮含量高于其他样地。土壤全氮未出现与土壤有机质类似的表聚性。与对照相比，各林龄样地随植被恢复年代的增加土壤表层全氮含量分别增加17.3 %，24.2 %，38.3 %和56.0 % 。

	图 3 不同林龄乌柳人工林土壤全氮含量变化特征 Fig. 3 Variation characteristics of total nitrogen content in different aged S． cheilophila plantations

各林龄之间土壤硝态氮含量变化见图 4 。在土壤表层，对照样地硝态氮含量显著低于其他样地，而其他林龄之间硝态氮含量差异不显著(P> 0.05)。在10~20 cm 土层，各林龄硝态氮含量均达到最高值，21年生显著高于其他林龄(P<0.05)，而6，11和16年生之间差异不显著。在20~30 cm 土层，16和21年生含量显著高于6和11年生(P <0.05)，但16与21年生之间差异不显著，6与11年生之间也无显著差异(P> 0.05)。在30~50 cm 土层，16年生硝态氮含量显著高于其他林龄(P<0.05)，6，11与16年生之间硝态氮含量差异不显著(P> 0.05)。在50~100 cm 土层，11，16和21年生硝态氮含量无显著差异，但显著高于6年生(P<0.05)。在100~150 cm 土层，16与21年生硝态氮含量显著高于其他林龄(P<0.05)，但二者间差异不显著(P> 0.05)，且11年生硝态氮含量显著高于6年生(P<0.05)。在150~200 cm 土层，16与21年生硝态氮含量无显著差异(P> 0.05)，21年生硝态氮含量显著高于11年生，3个林龄硝态氮含量均显著高于6年生(P<0.05)。

	图 4 不同林龄乌柳人工林土壤硝态氮含量变化特征 Fig. 4 Variation characteristics of soil NO--N content in different aged S． cheilophila plantations

图 5表明，除10~20 cm，同一土层不同林龄铵态氮含量在数值上表现为21年生>16年生>11年生>6年生>对照。在土壤表层，21年生铵态氮含量显著高于其他林龄(P<0.05)，16年生铵态氮含量显著高于6年生但与11年生无显著差异(P> 0.05)。在10~20 cm 土层，21年生铵态氮含量显著高于其他林龄(P<0.05)，11年生铵态氮含量虽高于16年生，但二者之间无显著差异(P> 0.05)。在20~30 cm 土层，6，11和16年生之间铵态氮含量差异不显著(P> 0.05)，但显著低于21年生(P<0.05)。在30~50 cm 土层，21与16年生铵态氮含量无显著差异(P> 0.05)，但21年生铵态氮含量显著高于11年生(P<0.05)，而16与11年生之间铵态氮含量差异不显著(P> 0.05)。在50~100 cm 土层，21年生铵态氮含量显著高于16年生(P<0.05)，6与11年生之间铵态氮含量差异不显著(P> 0.05)。在100~150 cm 土层，16与21年生铵态氮含量显著高于6和11年生(P<0.05)，而6和11年生之间铵态氮含量无显著差异(P> 0.05)。在150~200 cm 土层，21年生铵态氮含量显著高于16年生(P<0.05)，6和11年生与对照之间无显著差异(P> 0.05)。

	图 5 不同林龄乌柳人工林土壤铵态氮含量变化特征 Fig. 5 Variation characteristics of soil NH4--N content in different aged S． cheilophila plantations

图 6表明，在土壤表层，6，11和16年生土壤有效磷含量显著低于21年生(P<0.05)，且三者之间无显著差异(P> 0.05)。在10~20 cm 土层，21年生土壤有效磷含量显著高于其他林龄，16年生土壤有效磷含量与11及6年生有效磷含量无显著差异(P> 0.05)。在20~30 cm土层，各林龄土壤有效磷含量无显著差异(P> 0.05)，这也与30~50和50~100 cm 土层各林龄有效磷含量表现相同，但各林龄土壤有效磷含量显著高于对照(P<0.05)。在100~150 cm 土层，各林龄乌柳林之间土壤有效磷含量与对照之间均无显著差异(P> 0.05)，这也与150~200 cm 土层有效磷含量变化一致。

	图 6 不同林龄乌柳人工林土壤有效磷含量变化特征 Fig. 6 Variation characteristics of soil available phosphoruscontent in different aged S． cheilophila plantations

图 7表明，在土壤表层，16和21年生乌柳林速效钾含量显著高于6和11年生(P<0.05)，且16和21年生之间及6和11年生之间差异不显著(P> 0.05)。在10~20 cm 土层，各林龄之间土壤速效钾含量无显著差异(P> 0.05)，但是显著高于对照(P<0.05)。在20~30和30~50 cm 土层，各林龄土壤速效钾含量与10~20 cm 土层变化一致。各林龄速效钾含量在50~100，100~150和150~200 cm土层与对照之间差异不显著(P> 0.05)，但同一林龄不同深度表现不同，21年生速效钾含量在50~100 cm 土层显著高于150~200 cm 但与100~150 cm 土层差异不显著(P> 0.05)。

	图 7 不同林龄乌柳人工林土壤速效钾含量变化特征 Fig. 7 Variation characteristics of soil available potassium content in different aged S. cheilophila plantations

由图 8可知，各样地土壤 pH 值为8.43~8.80，该地区土壤碱性较强，对照土壤 pH 值在各土层均最高。同一土层不同林龄乌柳林土壤 pH 值随植被恢复年代的增加呈逐渐降低的趋势。方差分析结果表明，6年生乌柳林土壤 pH 值在0~10 cm 表层显著高于16和21年生(P<0.05)，但与11年生差异不显著(P> 0.05)，16年生土壤 pH 值显著高于21年生(P<0.05)但与11年生无显著差异(P>0.05)。在10~20 cm 土层，6年生显著高于其他3个林龄(P<0.05)，而其他3个林龄 pH 值在该层无显著差异(P> 0.05)。在20~30 cm 土层，6年生土壤 pH 值显著高于21年生(P<0.05)，而与11和16年生无显著差异(P> 0.05)。在30~50 cm 土层，6年生土壤 pH 值与11年生无显著差异(P> 0.05)，但显著高于16年生(P<0.05)，而16与21年生之间无显著差异(P> 0.05)。在50~100 cm 土层，6年生土壤 pH 值显著高于21年生(P<0.05)，而与11和16年生无显著差异(P> 0.05)。在100~150及150~200 cm 土层各林龄乌柳林 pH 值变化与30~50 cm 土层一致。

	图 8 不同林龄乌柳人工林土壤 pH 值变化特征 Fig. 8 Characteristics of soil pH value variations in different agedS． cheilophila plantations

研究表明，在植被恢复过程中，土壤有机质含量与土壤全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾的相关系数分别为0.669，0.606，0.612，0.530和0.536，且P<0.01，即存在显著的线性正相关关系; 土壤 pH 值与土壤全氮、硝态氮、铵态氮和有效磷之间的相关系数分别为-0.526，- 0.434，- 0.376和- 0.270，且 P<0.01，即存在显著的线性负相关关系; 土壤 pH 值与速效钾含量在0.05水平下显著负相关。

高寒沙地植被恢复区与其他沙漠地区一样，土壤氮素和磷素较为匮乏(张瑞等，2010)，不同林龄乌柳人工防护林的营建使土壤水热条件得到了改善，与丘间低地相比，土壤中有机质和养分含量逐渐增加，有效提高了土壤肥力。

刘海涛等(2012)通过研究乌柳水势以及保水力后发现11年生乌柳正值生长快速上升期，属挥霍型水分利用策略，而25年生乌柳处于发育的成熟阶段，水分利用日趋稳定。正是由于林龄的不同以及不同生长阶段生理状态的差异导致了不同深度土壤含水量的差异，这也是不同林龄乌柳林土壤含水量达到最大时土壤深度不同的原因所在。表层与大气环境接触，水分受温度、地表风速等影响而交换活跃，蒸散较快，且受草本盖度的影响，所以含水量在表层较低。总体来说，各林龄10~20和20~30 cm 土层土壤含水量优于土壤表层，21年生乌柳林生长发育较为成熟，土壤有机质含量较高，林下土壤得到改良，土壤水分状况最好。

本研究表明，土壤有机质含量出现了表聚性，随植被恢复时间的增长，有机质含量显著增加。这主要是由于植被恢复过程中，植被每年向地表提供大量凋落物，经微生物腐解后土壤有机质含量增加，这与丁文广等(2012)在甘肃中部干旱区的研究结果相似。各林龄浅层土壤(0~50 cm)有机质含量高于深层土壤，深层土壤有机质含量变幅较小。研究表明，不同林龄乌柳林和同一林龄不同深度土壤有机质和养分含量的差异，也是植被存在和演变过程中地表有机物质来源量和土壤颗粒组成差异的体现(刘海涛，2012)。植被恢复过程中土壤养分的变化，实则是植被对养分的消耗与累积的动态过程。根系对养分的利用也决定着土壤养分的变化，这直接导致土壤全氮、硝态氮和铵态氮含量之间的差异(Jobbágyy et al．，2000 ; Huang et al．，2008)。细根的周转也对土壤全氮含量产生重要影响(Nadelhoffer et al．，1985 ; Pregitzer et al．，2004 ; 郭大立等，2007)，不同土层全氮含量的差异也与细根的分布密切相关。

随植被恢复时间增加，土壤有机质分解，释放出有效磷，有效磷含量总体增加。在0~10和10~20cm 土层，21年生有效磷含量显著高于其他林龄。在研究不同林龄乌柳根系分布特征时，发现随林龄的增加，各林龄菌根的分布逐渐增加，21年生乌柳根系周围分布大量菌根，而菌根在磷素循环中发挥着重要作用(Stutter et al．，2012 ; Brady et al．，1999)。

随植被恢复时间增加，有机质中的钾元素转化为速效钾被植物吸收利用，钾素的输入途径主要有大气沉降和矿物风化，一般来说，钾元素的输入大于输出(孙向阳，2005)。由于该地区母质形成于17 000年以前，土壤中富含钾矿物，不同林龄乌柳因自身生理特征差异对速效钾的消耗和积累表现不同，故16和21年生速效钾含量在表层显著高于6和11年生。在20~100 cm 土层，4个林龄速效钾含量无显著差异，但显著高于对照。

在海拔高、气温低的高寒地区，植被恢复是改良土壤的有效方式，本文研究结果为今后在干旱区进行植被恢复与重建提供了科学依据。在今后的研究中，可以从土壤酶活性及微生物生物量方面入手，系统研究植被恢复对土壤生物学性质的影响。