陕北黄土区地处水蚀和风蚀共同作用的特殊地带，是黄土高原水土流失最为严重的地区和黄河泥沙的主要来源地，通过生态修复措施进行退化生态系统的重建对改善区域环境具有重要意义^[1]。沙棘(Hippophae rhamnoides)为胡颓子科沙棘属(Hippophae)落叶灌木或小乔木，作为水土保持林的先锋树种，在黄土高原水蚀风蚀交错区广泛种植。本文研究区为位于陕北黄土区的延安市吴起县，总面积3791.5km²，吴起县自1999年实施退耕还林(草)工程，沙棘作为退耕还林的主要造林树种已成林达8万hm^2[2]，占吴起县总面积的21%。土壤是地表植物赖以生存的基础，林木的生长发育和凋落物分解速率会影响土壤的发育，同时土壤理化性质也会反过来对林木的生存和生长产生影响, 植被群落演替本质上就是植物与土壤相互作用的过程^[3]。江源等^[4]利用灰色关联分析法得到了高山草甸植被特征与土壤因子的关联程度，杜虎等^[5]利用主成分分析和典范相关分析研究喀斯特峰丛洼地植物群与土壤的耦合关系。研究沙棘群落与土壤因子的耦合关系，能够明晰二者的相互作用，促进植被的稳定发展。现有关于沙棘林土壤的研究大都注重于沙棘对土壤理化性质的改良^[6-7]，而结合植被生长状况分析黄土区沙棘群落和土壤因子间相互作用的研究还较为少见。

笔者依据陕西省吴起县典型退耕地沙棘群落植被生长状况和土壤理化性质的观测数据，明确土壤理化性质在不同土层深度、林分类型和坡向的差异，利用主成分分析法比较不同沙棘群落土壤理化性质综合状况，通过灰色关联模型分析土壤因子与沙棘树高、基径和林下草本层生物量的关联程度，并对主要土壤因子与植被生长状况做拟合曲线，综合得到沙棘群落与土壤因子的耦合关系。从土壤改良的角度分析沙棘在陕北黄土区种植的适宜性和最优的配置模式，能够为沙棘在陕北黄土区的可持续经营与合理种植提供理论支持，有助于陕北黄土区水土保持和生态修复工作的推进。

吴起县位于陕西省延安市西北部(E 107°38′57″~ 108°32′49″，N 36°33′33″~ 37°24′27″)，海拔1233~1809m，属于典型黄土丘陵沟壑区。温带大陆性季风气候，降雨多集中在7—9月，其降水量可占到全年降水量的62%以上。土壤为黄绵土，肥力较差，水土流失面积占土地总面积的97%以上，植被类型从森林草原向草原过度。经过19年来的植被恢复，目前吴起县以沙棘等灌木树种为主，搭配落叶阔叶树种以及常绿针叶树种形成混交林，其中落叶阔叶林树种主要有山杏(Armeniaca sibirica)、榆树(Ulmus pumila)、河北杨(Populus hopeiensis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)，常绿针叶树种主要有油松(Pinus tabuliformis)和侧柏(Platycladus orientalis)。

依据吴起县典型退耕地沙棘群落分布特点确定18块10m×10m沙棘群落调查样地(表 1)。样地位于吴起镇合沟和柴沟流域，根据样地坡向值划分为阳坡(N 112.5°~292.5°)和阴坡(N 0~112.5°和N 292.5°~360°)^[8]，所有样地均没有采取人工经营措施。对样地内沙棘的树高、基径和林下草本鲜生物量进行测定。每块样地内取0~20、20~40和40~60cm 3层土，选择全氮、速效钾、速效磷、有机质4个土壤化学性质指标和毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤密度3个土壤物理性质指标进行测定。

表 1(Tab. 1)

表 1 吴起县沙棘样地基本情况表 Tab. 1 Basic situation of Hippophae rhamnoides plots in Wuqi county 地号 Plot No. 林分类型 Stand type 坡度 Slop degree/ (°) 坡向 Slope aspect 林分密度Stand density/(Plants·hm-2) 平均树高Average tree height/m 平均基径Average basal diameter/cm 平均胸径Average DBH/cm 沙棘 Hippophae rhamnoides 乔木 Arbor 沙棘 Hippophae rhamnoides 乔木 Arbor 沙棘 Hippophae rhamnoides 乔木 Arbor 1 2 3 HR 18 17 26 阴坡 Shady slope 7750 2300 1650 — 1.08 2.62 1.46 — 2.18 3.14 2.51 — 4 5 6 HR 18 19 25 阳坡 Sunny slope 6583 1540 1650 — 1.43 1.56 1.29 — 2.43 2.50 2.29 — 7 8 9 HR+PT 25 22 13 阴坡 Shady slope 5500 5285 1430 650 800 570 1.33 1.28 1.41 2.16 2.29 2.05 2.08 2.39 2.45 3.09 3.71 3.59 10 11 12 HR+PT 12 29 18 阳坡 Sunny slope 3000 1400 1540 800 700 380 1.26 1.90 1.96 1.97 1.86 2.00 2.78 3.47 3.23 3.24 3.49 3.27 13 14 15 HR+AS 18 27 23 阴坡 Shady slope 5700 1430 4300 600 570 650 1.50 1.75 1.48 2.98 3.03 2.81 2.68 3.05 2.52 3.91 4.22 3.49 16 17 18 HR+AS 25 22 13 阳坡 Sunny slope 1100 900 900 450 850 833 1.24 1.33 1.35 2.61 2.69 2.73 2.37 2.44 2.31 3.43 2.97 3.14 注：HR：沙棘纯林；HR+PT：沙棘+油松；HR+AS：沙棘+山杏。乔木指除沙棘外的混交树种，分别为油松和山杏。“—”指无相关数据。下同。Notes：HR：Hippophae rhamnoides.HR+PT：Hippophae rhamnoides+Pinus tabuliformis. HR+AS：Hippophae rhamnoides+Armeniaca sibirica. Arbor refers to the mixed tree species except Hippophae rhamnoides which are Pinus tabuliformis and Armeniaca sibirica. “—” refers to no related data.The same below.

表 1 吴起县沙棘样地基本情况表 Tab. 1 Basic situation of Hippophae rhamnoides plots in Wuqi county

利用多因素方差分析法分析沙棘群落土壤理化性质在不同土层、林分类型和坡向的差异。考虑多个自变量对因变量影响的方差分析称为多因素方差分析。只考虑某个影响因素对因变量的单独影响称为主效应分析。在多个影响因素对某一因变量产生交互效应影响时，需在同时考虑多个因素的基础上进行简单效应分析。

通过主成分分析法^[9]计算沙棘群落土壤理化性质综合得分，将各个主成分得分与对应的权重线性加权求和即能得出沙棘各样地的主成分综合得分。依据灰色关联模型^[4]对沙棘群落植被生长状况与土壤理化性质进行关联分析，先计算关联系数，后利用关联系数计算出各指标间的关联度。

采用SPSS 20.0进行方差分析和主成分分析，灰色关联度在Excel中计算完成，拟合曲线用origin绘制。

主效应分析结果表明，土壤全氮、速效钾、有机质、非毛管孔隙度和土壤密度在不同土层深度差异显著(P < 0.05)，坡向对土壤速效磷质量分数有显著性影响(P=0.04)，林分类型显著影响土壤全氮质量分数和毛管孔隙度(P < 0.05)(表 2)。

表 2(Tab. 2)

表 2 土壤理化性质多因素方差分析P值表 Tab. 2 P value of multi-factor ANOVA for soil physical and chemical properties 项目 全氮 Total nitrogen 速效钾 Available potassium 速效磷 Available phosphorus 有机质 Organic matter 毛管孔隙度 Capillary porosity 非毛管孔隙度 Non-capillary porosity 土壤密度 Soil density 土层Soil layer 0.002 0.025 0.726 0.000 0.830 0.006 0.009 林分类型Stand type 0.003 0.566 0.347 0.125 0.011 0.172 0.742 坡向Slope aspect 0.244 0.144 0.004 0.334 0.076 0.700 0.293 土层×林分类型Soil layer×Stand type 0.966 0.691 0.871 0.922 0.849 0.597 0.657 土层×坡向Soil layer×Slope aspect 0.899 0.598 0.333 0.784 0.635 0.913 0.688 坡向×林分类型Slope aspect×Stand type 0.002 0.960 0.343 0.090 0.006 0.271 0.447 土层×林分类型×坡向 Soil layer×Stand type×Slope aspect 0.990 0.671 0.557 0.850 0.781 0.830 0.794

表 2 土壤理化性质多因素方差分析P值表 Tab. 2 P value of multi-factor ANOVA for soil physical and chemical properties

由于林分类型和坡向对沙棘群落土壤全氮和毛管孔隙度存在显著交互作用，需在同时考虑林分类型和坡向的条件下对沙棘群落土壤全氮和毛管孔隙度进行简单效应分析。图 1和图 2分别表示不同林分类型、不同坡向土壤全氮和毛管孔隙度的均值。从同一林分类型看不同坡向土壤全氮的差异，沙棘油松林土壤全氮质量分数阳坡显著高于阴坡(P=0.001)。从同一坡向看不同林分类型土壤全氮的差异，阳坡沙棘油松的土壤全氮质量分数显著高于沙棘纯林(P=0.005)和沙棘山杏林(P < 0.001)。土壤毛管孔隙度与全氮类似，从同一林分类型看，沙棘油松林土壤毛管孔隙度阳坡显著高于阴坡(P < 0.001)；从同一坡向看，阳坡沙棘油松土壤毛管孔隙度显著高于沙棘纯林(P < 0.001)和沙棘山杏林(P=0.001)。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同林分类型土壤全氮质量分数 Fig. 1 Differences of total nitrogen in varied stand types

图 2(Fig. 2)

图 2 不同林分类型土壤毛管孔隙度 Fig. 2 Differences of capillary porosity in varied stand types

利用相关系数主成分分析法对土壤理化性质进行综合分析，提取累计贡献率超过75%的前3个主成分。前3个主成分旋转后的因子载荷矩阵如表 3所示。

表 3(Tab. 3)

表 3 沙棘群落土壤理化性质因子载荷矩阵及贡献率 Tab. 3 Factor load matrix and contribution rate of soil physical and chemical properties in Hippophae rhamnoides community 项目 主成分Principal component 1 2 3 全氮Total nitrogen 0.912 0.080 0.200 有机质Organic matter 0.800 0.236 0.359 毛管孔隙度Capillary porosity 0.798 -0.208 -0.170 速效磷Available phosphorus -0.198 0.821 0.136 速效钾Available potassium 0.261 0.762 0.117 土壤密度Soil density -0.278 0.011 -0.802 非毛管孔隙度Non-capillary porosity -0.095 0.371 0.778 贡献率Rate of contribution/% 32.700 21.402 21.117 累积贡献率 Accumulating contribution rate/% 32.700 54.102 75.220

表 3 沙棘群落土壤理化性质因子载荷矩阵及贡献率 Tab. 3 Factor load matrix and contribution rate of soil physical and chemical properties in Hippophae rhamnoides community

第1主成分中因子载荷量绝对值大于0.6的因子有土壤全氮、有机质和毛管孔隙度，即这3个因子之间相关性较大，可以作为综合反映沙棘土壤理化性质状况的指示因子。第2主成分中因子载荷量绝对值大于0.6的是速效磷和速效钾，第2主成分可以综合为土壤化学指标；第3主成分因子载荷量绝对值大于0.6的是土壤密度和非毛管孔隙度，第3主成分可以综合为土壤物理指标。

取相同坡向和林分类型下同一土层主成分得分的均值作为为该类样地在这一土层的主成分综合得分，如表 4所示，表层土壤理化性质状况总体好于深层土壤。不同坡向和林分类型沙棘群落土壤理化性质综合得分的排序为沙棘油松阳坡>沙棘纯林阴坡>沙棘油松阴坡>沙棘山杏阴坡>沙棘纯林阳坡>沙棘山杏阳坡。

表 4(Tab. 4)

表 4 沙棘各林分类型分层主成分综合得分 Tab. 4 Principal component score of Hippophae rhamnoides community among different soil layers in varied stand types 林分类型 Stand type 阴坡Shady slope 阳坡Sunny slope 0~20cm 20~40cm 40~60cm 均值Mean 0~20cm 20~40cm 40~60cm 均值Mean HR 0.668 -0.192 -0.133 0.114 0.151 -0.192 -0.482 -0.203 HR+PT 0.426 -0.143 -0.088 0.065 0.954 -0.143 0.082 0.437 HR+AS 0.626 -0.508 -0.65 -0.177 0.293 -0.508 -0.486 -0.236

表 4 沙棘各林分类型分层主成分综合得分 Tab. 4 Principal component score of Hippophae rhamnoides community among different soil layers in varied stand types

将沙棘林下草本层生物量、沙棘树高和基径与土壤理化性质做灰色关联分析可以在一定程度上反映二者的关联程度。取每个样地土壤理化性质3层的均值与样地内沙棘林下草本层生物量、沙棘平均树高和基径做灰色关联分析，得到的结果如表 5所示。灰色关联度r介于0至1之间，关联度r越接近1表示二者的耦合度越强烈。根据江源等^[4]的标准，本文所得关联系数值均属于中等关联程度以上，说明各土壤因子对沙棘群落内植被的生长均有不同程度的促进作用。

表 5(Tab. 5)

表 5 沙棘群落与土壤理化性质灰色关联度 Tab. 5 Gray correlation degree between the Hippophae rhamnoides community and soil factors 项目 全氮 Total nitrogen 速效磷 Available phosphorus 速效钾 Available potassium 有机质 Organic matter 毛管孔隙度 Capillary porosity 非毛管孔隙度 Non-capillary porosity 土壤密度 Soil density 均值 Mean 阴坡 Shady slope  沙棘林下草本层生物量Herb layer biomass under Hippophae rhamnoides 0.716 0.763 0.647 0.730 0.797 0.632 0.644 0.704  沙棘平均树高Average tree height of Hippophae rhamnoides 0.882 0.657 0.639 0.839 0.803 0.613 0.619 0.722  沙棘平均基径Average basal diameter of Hippophae rhamnoides 0.704 0.497 0.552 0.678 0.794 0.520 0.518 0.609 均值Mean 0.767 0.639 0.613 0.749 0.798 0.588 0.594 0.678 阳坡 Sunny slope 沙棘林下草本层生物量Herb layer biomass under Hippophae rhamnoides 0.589 0.552 0.572 0.614 0.631 0.762 0.551 0.610 沙棘平均树高Average tree height of Hippophae rhamnoides 0.889 0.621 0.491 0.836 0.863 0.629 0.571 0.700 沙棘平均基径Average basal diameter of Hippophae rhamnoides 0.851 0.606 0.508 0.897 0.929 0.672 0.521 0.712 均值Mean 0.776 0.593 0.524 0.782 0.808 0.688 0.548 0.674 均值Mean 0.772 0.616 0.568 0.766 0.803 0.638 0.571

表 5 沙棘群落与土壤理化性质灰色关联度 Tab. 5 Gray correlation degree between the Hippophae rhamnoides community and soil factors

在阴坡，沙棘群落与土壤因子的灰色关联度排序为：毛管孔隙度>全氮>有机质>速效磷>速效钾>土壤密度>非毛管孔隙度；在阳坡，沙棘群落与土壤因子的灰色关联度排序为：毛管孔隙度>有机质>全氮>非毛管孔隙度>速效磷>土壤密度>速效钾。毛管孔隙度、全氮与有机质与沙棘群落的关联程度处于较高水平，说明其是影响沙棘群落植被生长的主要因子。在此基础上将这3个主要因子与沙棘群落生长状况做拟合分析，如图 3所示，能更清晰的反映这3个土壤因子对沙棘生长的作用规律。其中，拟合程度最好的是沙棘基径与土壤全氮(R²=0.5236)和毛管孔隙度(R²=0.5337)。

图 3(Fig. 3)

图 3 全氮、有机质、毛管孔隙度与沙棘群落生长状况拟合曲线 Fig. 3 Fitting curve of total nitrogen, organic matter, capillary porosity and Hippophae rhamnoides community growth status

分坡向看灰色关联度均值，阴坡沙棘平均树高对土壤理化性质的反馈作用最为强烈(r=0.722)；阳坡沙棘平均基径对土壤理化性质的反馈作用最为强烈(r=0.712)。草本生物量和平均树高与土壤理化性质的关联度阴坡均大于阳坡，沙棘平均基径与土壤理化性质的关联度则是阳坡大于阴坡。

土壤理化性质在不同的土层差异显著，具有明显的表聚性^[10-12]。林分类型和坡向对土壤全氮和毛管孔隙度存在显著的交互作用。油松枝叶中氮元素含量较少^[13]，油松从土壤中吸收氮元素的数量低于其他树种；而沙棘有较强的固氮能力^[14]，沙棘纯林中沙棘密度较高，所以沙棘纯林和沙棘油松林土壤中全氮含量较高。对于沙棘油松林来说阳坡光照充足，草本层生物量高于阴坡，有效的改善了阳坡的土壤结构，因此沙棘油松林在阳坡土壤的全氮含量和毛管孔隙度显著高于阴坡^[15]。而对沙棘纯林来说，阳坡沙棘的生长状况和更新能力都不如阴坡^[16]，土壤表层枯落物也就因此减小，有机质低于阴坡，所以沙棘纯林阳坡土壤全氮含量和毛管孔隙度都低于阴坡。

土壤有机质是土壤养分的主要来源，土壤有机质与全氮含量间存在很强的相关性^{[15, 17]}，土壤有机质的增大在一定程度上能够改善土壤的结构，增大土壤的孔隙度。所以，土壤有机质、全氮和毛管孔隙度之间具有协同效应，是反映沙棘土壤理化性质综合状况的主导因子。主成分分析结果表明，阳坡的沙棘油松林和阴坡的沙棘纯林对土壤改良的效果较好；因此，为了更好促进沙棘群落土壤的改良，建议针对陕北黄土区阳坡沙棘纯林进行补植改造，朝沙棘混交林转变。在以往的研究中，混交林对土壤理化性质的改良效果一般优于纯林^[18-19]，但本研究中陕北黄土区阴坡沙棘纯林改良土壤的效果好于混交林，这主要是由沙棘的生理特性造成的。从土壤改良的角度看，在陕北黄土区的阴坡更适宜推广沙棘纯林的种植。土壤理化性质还受多方面因素的影响，如微地形^[20]、整地方式等，所以在对现有沙棘林的改造和沙棘的种植还需要综合考虑多种因素。

灰色关联度分析结果表明，沙棘群落与土壤因子的耦合关系排序为毛管孔隙度>全氮>有机质>非毛管孔隙度>速效磷>土壤密度>速效钾，坡向对沙棘群落与土壤因子耦合关系的强弱没有明显作用。灰色能关联分析够从多个变量指标中找出主要决定指标，毛管孔隙度、有机质和全氮与沙棘群落灰色关联度皆大于0.7，这3个因子同样被分在第1主成分，灰色关联结果与主成分分析结果的一致性进一步印证了沙棘群落土壤改良与植被的生长间具有较强的正相关性。草本层生物量在阳坡与土壤理化性质的关联程度小于阴坡，是因为阳坡草本层植物受到光照的影响更大^[15]。从拟合曲线图能看出沙棘平均树高、基径与土壤全氮、有机质、毛管孔隙度的拟合度好于草本层生物量，这说明比起草本植物，沙棘对土壤的改良效果更明显。曹子林等^[3]证明在砒砂岩地区沙棘的生长与土壤水分、有机质和全氮含量有显著相关性，而由于土壤的蓄水特征取决于毛管孔隙度^[20]，即在陕北黄土区研究所得结论与砒砂岩地区相似。沙棘大面积的种植有效的改善了土壤结构、增强了土壤肥力，而受到改良的土壤进一步促进了其地上植被的生长和发育，即植被-土壤化学性质-土壤物理性质之间相互促进、共同演替发展^[5]；所以，沙棘作为水土保持先锋树种能够通过改良土壤促进植被的生长，进而达到植被演替的目的，有助于推进陕北黄土区的水土保持和生态恢复工作。