黃土高原不同植被密度條件下土壤水、碳、氮分布特征

張恒宇，孫樹臣，吳元芝，安娟，宋紅麗

1. 聊城大學地理與環境學院，山東 聊城 252000；2. 臨沂大學資源環境學院/山東省水土保持與環境保育重點實驗室，山東 臨沂 276000；3. 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101

土壤有機碳和全氮含量在植被的形成和發展中起著重要的作用，不僅是評價土壤肥力持久性的重要指標，而且還是影響整個生態系統穩定性的重要因子（Davidson et al.，2000；楊帆等，2016）。黃土高原地區自實施退耕還林還草工程以來，植被覆蓋度明顯增加，水土保持、固碳、固氮等生態系統服務功能得到顯著提升（David et al.，2011；Fu et al.，2017）。因此，植被恢復條件下土壤碳氮元素的長期積累對改善全球碳氮循環和緩解全球溫室效具有深遠影響（于雙等，2019）。然而不合理的植被恢復措施過度消耗土壤水分，使土壤出現嚴重干燥化現象，導致植被退化（Wang et al.，2012；陳洪松等，2005），反而對碳氮累積帶來不利影響（劉學彤等，2016）。因此，研究黃土高原不同植被恢復措施下土壤碳氮分布和土壤水分的耦合關系，對黃土高原植被恢復重建及碳氮循環改善具有重要意義。

當前對黃土高原土壤碳氮存儲的研究較為廣泛，主要集中在不同土地利用方式土壤碳氮存儲差異（夏光輝等，2020；史利江等，2021），不同植被恢復措施下土壤碳氮含量的差異（Wang et al.，2011；Chang et al.，2012；蘭志龍等，2018），以及植被恢復年限對土壤碳氮存儲的影響（Zhou et al.，2015；Zhang et al.，2018；張富榮等，2021）等方面。但對不同植被密度下土壤水碳氮關系的研究較少，有一些學者對不同植被密度下植物生長、土壤水分變化和土壤養分的單獨研究，發現不同種植密度條件下，土壤養分的累積有所差異（王巖松等，2020），土壤水分狀況也不同（Liang et al.，2018；劉丙霞，2015），隨著植被密度增高，植被過度利用土壤水分，會引發嚴重的土壤旱化現象（張文文等，2015；吳多洋等，2017）。而黃土高原高耗水植被條件下的土壤水分虧缺會限制土壤有機碳和全氮的累積（舒維花等，2012），不利于生態系統穩定。因此，對不同植被密度條件下土壤水碳氮的關系研究非常必要，以揭示植被密度對土壤碳氮積累的調控機制。選取兩種典型植被，研究不同種植密度條件下土壤含水量、有機碳、全氮剖面分布差異，探討土壤碳氮累積與土壤水分存儲的關系，揭示植被密度對土壤碳氮存儲的調控機制，進而為該區植被恢復和經營提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗研究區位于陜西省榆林市神木縣六道溝小流域，110°21′—110°23′E，38°46′—48°51′N，屬于過渡地帶，從陜北黃土丘陵區過渡到毛烏素沙地。該研究區位于中溫帶半干旱氣候區，冬天寒冷干燥，夏天溫暖濕潤，多年平均降水量為437.4 mm，7—9月降水較集中。年平均氣溫為8.4 ℃，7月月平均最高溫23.7 ℃，月平均最低溫?9.7 ℃。流域內地帶性土壤為黑壚土，由于長期侵蝕作用原始土壤基本消失殆盡，主要土壤類型為黃綿土、沙黃土等。干旱草原為主要植被類型，大部分天然植被已遭破壞，人工植被比例較高，該地區的主要造林樹種有：檸條（Caragana korshinskii）、沙柳（Salix psammophyllum）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地概況

本試驗取樣的檸條和沙柳不同密度小區均位于黃土高原神木六道溝小流域的一個坡面上，坡度為12°，坡向為正北，土壤為黃綿土。小區建于2006年，長寬為6 m×2 m，小區沒有重復，每個小區的采樣點數為2個，檸條和沙柳的種植方式為人工播種和扦插。檸條現存3個密度分別為低密度（N1：9000 crowd·hm?2） 、中密度（N2 ： 21000 crowd·hm?2）、高密度（N3：25000 crowd·hm?2）；沙柳現存 3個密度分別為低密度（S1：5000 crowd·hm?2）、中密度（S2：8500 crowd·hm?2）、高密度（S3：13000 crowd·hm?2）。檸條和沙柳的生長情況見表1（劉丙霞，2015）。

表1 檸條和沙柳標準枝的平均株高和基徑及標準枝枝條數Table 1 Average plant height, average base diameter and the amounts of standard ranch for Caragana korshinskii and Salix psammophyllum

1.2.2 取樣處理

2017年8月人工打土鉆取樣，取樣深度為300 cm，在土壤剖面0—200 cm內，每10 cm取1個土樣；在土壤剖面200—300 m內，每20 cm取1個土樣。土樣一部分裝入鋁盒，用于測定土壤含水量，剩余的將同一地塊同一深度中兩個采樣點采集到的土壤收集到一起，揀除枯枝落葉、小石礫等，充分混勻，并采用四分法保留四分之一土壤樣品裝入塑封袋，做好標記，帶回實驗室，風干，用于土壤有機碳及全氮的測定。

采用烘干法測定土壤含水量，在溫度 105—110 ℃恒溫下烘24 h。烘干后稱取干土質量，準確至0.01 g。土壤有機碳含量通過測定土壤有機質含量獲得。將風干土過0.25 mm土壤篩，然后采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤中有機質含量，然后計算土壤有機碳含量（Si）。土壤全氮（Ti）采用凱氏定氮法測定。土壤含水量、有機碳含量及全氮含量均取兩個點的平均值。

計算土壤質量含水量的公式如下為：

式中：

θ——土壤含水量，%；

m0——為烘干空鋁盒質量，g；

m1——烘干前鋁盒及土樣質量，g；

m2——烘干后鋁盒及土樣質量，g。

本研究選取土壤儲水量表征剖面水分總體狀況，土壤儲水量計算公式如下為：

式中：

W——土壤儲水量（mm）；

ρi——土壤容重（g·cm?3）；

di——第i層的土壤厚度（cm）；0—200 cm內厚度為10 cm，200—300 m內厚度為20 cm；10是單位換算系數。本研究土壤為黃綿土，剖面土壤質地較均一，參照已有研究結果（劉丙霞，2015），各剖面層次土壤容重均取1.36 g·cm?3。為體現不同土層深度土壤儲水狀況，本研究分別計算了0—50、50—100、100—150、150—300、0—300 cm土層的土壤儲水量。

為分析土壤水分虧缺情況，將整個土壤剖面中的土壤含水量與凋萎濕度（θp）和田間穩定持水量（θsf）進行比較，凋萎濕度（θp）的取值為4.6%，田間穩定持水量（θsf）的取值為 10.8%（Fu et al.，2012）。

計算土壤有機碳質量分數的公式如下：

式中：

Smi——第i層土壤有機質質量分數（g·kg?1）。

為體現不同土層深度土壤有機碳和全氮的存儲狀況，本研究分別計算了0—50、50—100、100—300、0—300 cm土層的有機碳和全氮密度。有機碳密度計算公式為：

式中：

Socd——土壤有機碳密度（kg·m?2）；

Si——土壤有機碳質量分數（g·kg?1）；

ρi——土壤容重（g·cm?3）；

di——第i層的土壤厚度，cm；

αi——第i層中直徑大于>2 mm的石礫所占的體積百分比，%。鑒于黃土高原典型的土壤特性，幾乎沒有粒徑大于>2 mm的礫石，αi值可忽略不計。

計算土壤全氮密度的公式如下：

式中：

Tnd——土壤全氮密度（kg·m?2）；

Ti——土壤全氮質量分數（g·kg?1）；

ρi——土壤容重（g·cm?3）；

di——第i層的土壤厚度，cm；

αi——第i層中直徑大于>2 mm的石礫所占的體積百分比，%。鑒于黃土高原典型的土壤特性，幾乎沒有粒徑大于>2 mm的礫石，αi值可忽略不計。

1.2.3 數據分析

對兩種植被不同密度條件下土壤含水量、有機碳含量和全氮含量分別進行單因素方差分析，并利用最小顯著差法進行多重比較。對兩種植被條件下土壤含水量與土壤有機碳和全氮含量的關系進行了相關分析和回歸分析。考慮到表層土壤有機碳含量和全氮含量受枯落物歸還影響顯著，而且表層土壤含水量受蒸發影響劇烈，本研究僅對20—300 cm土層土壤含水量與有機碳含量、全氮含量的關系進行了分析。本研究所有統計分析均用SPSS 16.0軟件完成，作圖用Orgin 2017軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同植被密度下剖面土壤含水量分布特征

不同密度檸條林地剖面土壤含水量變化如圖1a所示。從圖中可以看出檸條林地在3種密度處理下土壤含水量變化趨勢一致，0—50 cm土層土壤含水量均隨剖面深度的增加逐漸增加，50—100 cm土層土壤含水量隨剖面深度的增加呈現逐漸降低的趨勢，100—150 cm土層和150—300 cm土層土壤含水量變化幅度不大，這主要是因為土壤表層水分蒸發劇烈，隨深度增加蒸發的影響減弱。0—50 cm土層，不同密度檸條林地土壤含水量差異不顯著（P=0.50>0.05）（表2）；50—100 cm土層，各密度檸條林地土壤含水量存在顯著差異（P=0.03<0.05），為中密度 (11.57%)>低密度 (10.42%)>高密度 (8.37%)（表2）；100—150 cm土層和150—300 cm土層，不同密度檸條林地之間土壤含水量存在顯著差異（P<0.05）（表2），且均為低密度>高密度>中密度。不同密度沙柳林地剖面土壤含水量變化趨勢與檸條林地明顯不同，整體波動較檸條林地小（如圖1b所示）。在0—50、50—100 cm土層，低密度沙柳林地土壤含水量顯著高于中、高密度（P<0.05）（表2）；100—150 cm土層，高密度沙柳林地土壤含水量（8.02%）顯著低于中（5.30%）、低密度（5.49%）（P=0.03<0.05）（表2）；150—300 cm土層，不同密度沙柳林地之間土壤含水量存在顯著差異（P=0.00<0.05）（表2），且低密度處理的土壤含水量最高為12.52%。就整個剖面而言，高中低密度檸條林地的平均土壤含水量分別為9.34%、8.35%、7.90%，高中低密度沙柳林地的平均土壤含水量分別為12.10%、9.93%、9.03%。因此，兩種植被條件下土壤含水量均以低密度處理的最低，高密度處理的土壤含水量最高，而且檸條林地各密度處理的土壤含水量均低于沙柳林地。從圖1可知，各密度檸條林地在100 cm深度以下均出現了嚴重土壤干燥化現象，沙柳林地僅中密度和高密度在100 cm深度以下出現了土壤干燥化現象，且程度較檸條林地輕。這說明檸條耗水量較沙柳高。

圖1 不同植被密度條件下土壤質量含水量剖面分布Figure 1 Distribution of soil mass water content profile under different vegetation densities

表2 不同植被密度條件下土壤含水量差異方差分析Table 2 Variance analysis of soil water content differences under different vegetation densities

如表3所示，檸條林地0—50、100—150、150—300 cm土層土壤儲水量均為低密度條件下最高，分別為88.75、54.54、153.37 mm，50—100 cm土層土壤儲水量為中密度>低密度>高密度；沙柳林地各土層土壤儲水量均為低密度>中密度>高密度，從整個剖面來看兩種植被土壤儲水量均以低密度條件下最高，高密度條件下最低，說明植被密度越高耗水量越大。從表3可知，除0—50 cm沙柳林地儲水量較低外，其他土層和整個剖面均以檸條林地較低，說明檸條林耗水量大，且對土壤深層水分的吸收利用比例較高，沙柳對土壤淺層水分的吸收利用比例較高。

表3 不同植被密度條件下土壤儲水量Table 3 Soil water storage under different vegetation densities

2.2 不同植被密度下剖面土壤有機碳分布特征

不同密度檸條林地土壤有機碳含量剖面分布如圖2a所示，受土壤表層的枯枝落葉的影響，3種密度條件下土壤表層有機碳含量最高，隨剖面深度的增加呈現逐漸降低的趨勢，這種表聚效應因植被密度不同影響深度不同，低密度檸條林地80 cm以上土層土壤有機質明顯高于深層，而中、高密度條件下 0—50 cm土壤有機碳含量呈現隨深度增加而降低的趨勢，50 cm以下土層土壤有機碳則一直穩定在較低狀態。0—50 cm土層，檸條林地土壤有機碳含量均為低密度 (3.94 g·kg?1)>中密度 (3.05 g·kg?1)> 高密度 (2.36 g·kg?1)，但差異不顯著（P>0.05），50—100 cm土層有機碳含量低密度（2.46 g·kg?1）顯著高于高密度（1.52 g·kg?1）（P=0.01<0.05）（表4）；100—300 cm土層，不同密度之間存在極顯著差異（P=0.00<0.05）（表4），為高密度 (1.60 g?kg?1)>低密度 (1.43 g·kg?1)>中密度 (1.21 g?kg?1)。從整個剖面看，檸條林地土壤有機碳含量以低密度處理下最高，高密度處理下最低。就沙柳林地而言（圖2b），土壤有機碳分布同樣存在表聚效應，0—50 cm土層內，各密度條件下土壤有機碳含量隨土壤深度的增加呈先劇烈降低后保持穩定，在 50—100 cm和100—300 cm土層中，各密度條件下土壤有機碳含量的波動幅度均不大，但低密度條件下因土壤表面幾乎沒有枯枝落葉積聚，土壤有機碳含量明顯低于中高密度條件下。在0—50 cm土層，中密度沙柳林地土壤有機質量分數最高為 2.17 g·kg?1，低密度條件下最低為 1.49 g·kg?1，但不同密度之間土壤有機碳含量差異不顯著（P=0.58>0.05）（表4）；50—100、100—300 cm土層，沙柳林地土壤有機碳質量分數均為低密度條件最高，分別為 1.52、1.66 g·kg?1，且不同密度間差異均顯著（P<0.05）（表4）。低密度處理最高，高密度處理最低。總體上，兩種植被不同密度條件下50—100、100—300 cm土壤有機碳含量存在顯著差異，且中密度條件下較低，低密度條件下較高，說明植被恢復措施對土壤有機碳含量有明顯的影響。從兩種植被不同層次土壤有機碳含量的對比來看，檸條林地0—50、50—100 cm土層有機碳含量均明顯高于沙柳林地，因此檸條林種植較沙柳林種植顯著提高 100 cm以上土壤有機碳的含量。

圖2 不同植被密度條件下土壤有機碳含量剖面分布Figure 2 Profile distribution of soil organic carbon content under different vegetation densities

表4 不同植被密度條件下土壤有機碳含量方差分析Table 4 Variance analysis of soil organic carbon content under different vegetation densities

就有機碳密度而言（表5），在0—50、50—100 cm土層，3種密度檸條林地土壤有機碳密度均為低密度>中密度>高密度，兩個土層內植被密度之間有機碳儲量最大差異分別為 1.07、0.63 kg·m?2，100—300 cm土層，檸條林地土壤有機碳密度為中密度>低密度>高密度，植被密度之間有機碳儲量最大差異為1.05 kg·m?2；沙柳林地0—50 cm土壤有機碳密度為中密度>高密度>低密度，50—100、100—300 cm土壤有機碳密度均為低密度處理最高，3個土層內不同植被密度之間有機碳儲量最大差異分別為0.37、0.19、1.05 kg?m?2。因此檸條種植密度對土壤有機碳密度影響較大。就整個剖面而言，兩種植被土壤有機碳密度均為低密度>中密度>高密度，因而低密度造林更有利于有機碳積累。而且在各密度處理下，0—50、50—100、0—300 cm土層土壤有機碳密度均為檸條林地>沙柳林地，100—300 cm土層兩種植被條件下土壤有機碳密度沒有明顯差異，說明與沙柳林相比，檸條林能顯著提高100 cm上土層土壤有機碳含量，使得整個剖面有機碳儲量顯著提高。

表5 不同植被密度條件下土壤有機碳密度差異Table 5 Differences of soil organic carbon density under different vegetation densities

2.3 不同植被密度下剖面土壤全氮分布特征

不同密度檸條林地剖面土壤全氮含量也有明顯的表聚現象（圖3a），各密度處理檸條林地70 cm以上土層土壤全氮含量明顯高于深層，0—50 cm土壤全氮含量均隨剖面深度的增加而先迅速降低后略有增加，50—100 cm基本呈降低的趨勢，100—300 cm各密度檸條林地土壤全氮含量波動均很小。0—50、50—100 cm土層，檸條林地土壤全氮含量均為低密度>中密度>高密度，且不同密度間差異不顯著（P>0.05）（表6）；100—300 cm土層，不同密度之間土壤全氮含量差異顯著（P=0.03<0.05），高密度處理土壤全氮含量顯著降低（表6）。從整個剖面來看，檸條林地平均土壤全氮含量表現為低密度>中密度>高密度。不同密度沙柳林地剖面土壤全氮也呈現表聚現象，30 cm以上土層全氮含量明顯高于深層（圖3b），各密度處理0—30 cm土壤全氮含量隨深度增加而快速降低，30 cm以下土層波動幅度均不大。在0—50、50—100、100—300 cm土層，沙柳林地土壤全氮含量均為低密度處理下最高，且在50—100、100—300 cm土層，低密度處理土壤全氮含量顯著高于中、高密度處理（表6）。從整個剖面來看，沙柳林地平均土壤全氮含量表現為低密度高于中、高密度處理。綜上，兩種植被條件下均是低密度處理土壤全氮含量最高，高密度處理較低。即低密度種植有利于提高土壤全氮含量。從兩種植被不同層次土壤全氮含量的對比來看，檸條林地0—50、50—100 cm土層全氮含量均明顯高于沙柳林地，因此檸條林種植較沙柳林種植能顯著提高100 cm以上土壤全氮的含量。

圖3 不同植被密度條件下土壤全氮含量剖面分布Figure 3 Profile distribution of soil total nitrogen content under different vegetation densities

表6 不同植被密度條件下土壤全氮質量分數方差分析Table 6 Variance analysis of soil total nitrogen mass fraction under different vegetation densities

就全氮密度而言（表7），在0—50、50—100 cm土層中，不同密度檸條林地土壤全氮儲量均是低密度>中密度>高密度，0—50 cm 土層分別為0.26、0.19、0.16 kg·m?2，不同密度處理之間最大差異為 0.10 kg·m?2，50—100 cm 土層分別為 0.15、0.14、0.10 kg·m?2，不同密度處理之間最大差異為0.05 kg·m?2；在 100—300 cm土層中，檸條林地土壤全氮儲量為中密度>低密度>高密度，分別為0.41、0.39、0.35 kg·m?2，不同密度之間最大差異為0.06 kg·m?2；沙柳林地各深度土層土壤全氮儲量均為低密度處理最高，高密度處理最低，各土層不同種植密度之間的最大差異分別為0.02、0.03、0.09 kg·m?2，因此檸條種植密度對土壤全氮存儲影響較沙柳大。從整個剖面來看，兩種植被條件下土壤全氮存儲量均是低密度處理最高，高密度處理最低，即低密度種植更有利于土壤全氮儲存。而且與有機碳儲量一致，各密度處理0—50、50—100、0—300 cm土層土壤全氮密度均為檸條林地>沙柳林地，100—300 cm土層兩種植被條件下土壤全氮密度沒有明顯差異，即檸條林能顯著提高100 cm上土層土壤有機碳含量，使得整個剖面有機碳儲量顯著提高。

表7 不同植被密度條件下土壤全氮密度差異Table 7 Soil total nitrogen density differences under different vegetation densities

2.4 不同植被密度下土壤水與碳、氮的關系

對檸條林地 20—300 cm土層土壤有機碳含量與土壤含水量進行相關分析及回歸分析，發現低、中和高密度檸條林地土壤有機碳含量與土壤含水量均呈極顯著正相關關系（P<0.01）（表8），可分別用線性方程y=0.333x?1.102（r2=0.92）、y=0.049x+1.324（r2=0.59）和y=0.078x+0.763（r2=0.56）進行擬合，即隨著檸條林地土壤含水量增多，土壤有機碳含量呈現升高趨勢，而且低密度儲量的線性方程斜率最大，擬合的絕對系數最高，說明低密度處理檸條林地土壤水分條件對土壤有機碳存儲影響更加明顯。

表8 不同植被類型下土壤有機碳含量、全氮含量與土壤含水量相關性分析Table 8 Correlation analysis between soil organic carbon content, total nitrogen content and soil water content in different vegetation type

對檸條林地 20—300 cm土層土壤全氮含量與土壤含水量進行相關分析及回歸分析發現，低、中和高密度檸條林地土壤全氮含量與土壤含水量也呈極顯著正相關關系（P<0.01）（表8），可分別用線性方程y=0.034x?0.122（r2=0.88）、y=0.007x+0.108（r2=0.41）和y=0.010x+0.063（r2=0.71）進行擬合，即隨著檸條林地土壤含水量增多，土壤全氮含量呈現升高趨勢，而且低密度處理檸條林地土壤水分條件對土壤全氮含量影響更加明顯。

對沙柳林地 20—300 cm土層土壤有機碳與土壤含水量進行相關分析發現，土壤有機碳含量與土壤含水量之間不存在顯著相關關系（P>0.05）（表8）。對沙柳林地土壤全氮含量與土壤含水量進行相關分析及回歸分析發現，僅在高密度處理呈極顯著負相關（P=0.002）（表8），可用線性方程y=?0.007x+0.172（r2=0.37）進行擬合，即隨著土壤含水量增多，土壤全氮含量呈現降低趨勢。但是總體而言，不同密度處理沙柳林地土壤有機碳和全氮含量受土壤水分影響較小。

3 討論

3.1 兩種植被不同密度條件下土壤水分分布差異

植被生長過程中根系下扎吸收土壤水分會引起剖面土壤水分的波動，不同植被類型條件下根系分布不同導致土壤水分分布有明顯的差異（索立柱等，2017）。本研究發現檸條林地在3種密度處理下0—300 cm土層土壤含水量垂直分布均為先增加再降低后趨于穩定，而沙柳林地土壤含水量整體波動較小，且30—80 cm土層土壤含水量低于檸條林地，而80 cm以下土層高于檸條林地。這是因為兩種植物主要的吸水范圍及耗水量不同，檸條是深根系植物，根系對深層土壤水分吸收利用較高（Yang et al.，2014），沙柳根系分布淺，主要吸收利用淺層土壤水分（楊國敏等，2018）。而且檸條是高耗水植物，各密度檸條林地在 100 cm深度以下均出現了嚴重的干燥化現象，沙柳林地僅高密度處理出現了干燥化現象，且干燥化程度較檸條輕。這是由于檸條林地與沙柳林地在群落結構、葉片特征及生物量等方面均存在差異，導致其耗水量不同，使得土壤含水量存在較大差異（楊磊等，2019）。

本研究對兩種植被不同密度處理土壤水分剖面分布差異進行分析發現，檸條林地和沙柳林地各土層及整個剖面平均土壤含水量均為低密度處理較高，高密度處理較低。這說明不同植被密度條件下，植物生長對水分競爭的激烈程度不同，會引起剖面水分的差異。就土壤儲水量而言，中密度檸條林地土壤含水量在 50—100 cm高于高密度，但在100—300 cm土層低于高密度，可能與高密度條件下植物長勢弱，根系分布淺有關。因此，高密度檸條林對50—100 cm土層水分吸收比例較中密度高，而對100 cm以下土層水分吸收比例較小。各密度沙柳林地在0—100 cm土層，平均土壤含水量為低密度>中密度>高密度，但差異不顯著，100—300 cm土層，低密度檸條林地土壤含水量增加，在200 cm深度以下高于田間穩定濕度，這是因為在雨季淺層土壤水（<200 cm）成為沙柳根系的主要吸水來源（李榮磊等，2021），但中、高密度沙柳林地在100 cm深度以下出現了土壤干燥化現象。沙柳林地土壤含水量高于檸條林地，且干燥化現象較檸條林地輕。

3.2 兩種植被不同密度條件下土壤有機碳和全氮分布差異

本研究中，除低密度處理沙柳林地外，兩種植被在各密度條件下土壤有機碳含量均為表層最高，這種現象產生的原因是植物凋落物歸還土壤，使得土壤表層有機質含量增多，且土壤表層透氣性和透水性較好，微生物活動較強，有利于有機質的分解（蘭志龍等，2018；張智勇等，2020）；而低密度的沙柳林，因密度低，枯落物易被風吹走，地表幾乎沒有枯落物存在，因而表層土壤有機碳的沒有明顯的累積。在50—300 cm土層，檸條和沙柳土壤有機碳密度為低密度條件下最高，高密度條件下最低。研究認為，林地深層土壤固碳需要有充足的水分參加，而深層土壤水分虧缺可能限制細根的發展，從而不利于有機碳的固定（馮棋等，2019）。本研究中，高密度處理 100 cm以下土層土壤虧缺程度較低密度條件下嚴重，抑制了深層土壤有機碳的固定。另外，植被類型不同，植被凋落物及根系生物量就有較大差別，且植被凋落物及根系的有機質含量不同（任悅等，2018），在土壤中分解速率不同（Crow et al.，2009），因而導致土壤有機碳存儲量差異較大。本研究發現檸條林地在各密度條件下土壤有機碳密度均高于沙柳林地，這主要是因為檸條生物量大、凋落物量多、根系發達，而且檸條林地地表枝條密集，容易保留凋落物，而沙柳林地特別是低密度沙柳林地主干明顯，地表枯落物易被風吹走，不利于枯落物保持。因此灌木平茬、增加分枝不失為黃土高原地區增加土壤有機碳存儲的一個方法。

檸條林地0—50 cm和50—100 cm土層和整個剖面土壤平均全氮含量均為低密度>中密度>高密度，沙柳林地0—300 cm土層和整個剖面土壤全氮含量均為低密度>中密度>高密度，與土壤有機碳含量分布相似，這是因為土壤中的氮素有99%以上來源于有機質（楊麗霞等，2014），所以土壤中有機質含量的增加不僅能使有機碳含量增加還能使土壤全氮含量增加，這與已有的研究結果一致（趙發珠等，2012）。本研究中檸條林地和沙柳林地在0—50 cm土層土壤全氮含量最高，主要是因為灌木覆蓋下土壤中凋落物積累，隨著根系分泌物的分解，把養分釋放到土壤中，同時在分解過程中產生的酸類物質使土壤礦物分解速度加快，從而養分在土壤表層富集，使得土壤表層全氮含量高。此外，在50—100 cm土層，檸條林地土壤全氮含量顯著高于沙柳林地，這是因為檸條是一種豆科植物，其根系具有固氮能力（劉志鵬等，2010），而且細根主要分布在該深度土層中，有利于該土層氮的固定，因而檸條比沙柳更有利于促進土壤全氮和有機碳的積累。

3.3 兩種植被不同密度條件下土壤水與碳氮存儲的關系

植被生態系統內部水分和各養分是相互聯系、相互作用的（楊勇等，2015），本研究發現兩種植被條件下低密度處理土壤含水量高、土壤有機碳和全氮儲量也高，高密度處理土壤含水量、有機碳和全氮的處理則均較低，說明低密度處理良好水分條件有利于植物的生長，而植物的生長有利于土壤有機碳和全氮的積累。本研究中各密度處理檸條林地土壤有機碳、全氮與土壤水分呈現正相關關系，與已有研究結果（馮棋等，2019）較一致，但是高密處理土壤含水量與土壤有機碳和全氮的相關關系顯著性較低，而且高密度處理檸條林地土壤干燥化程度較嚴重，因而高密度條件下水分的虧缺可能限制植物生長，進而影響土壤有機碳和全氮的累積。另外沙柳林地土壤含水量與有機碳含量和全氮含量均無明顯線性關系，說明不同植物具有不同的水碳氮關系。這可能與植物的耗水特性有關，沙柳生物量和耗水量較檸條小，固定的碳氮的能力有限，水分對沙柳林地土壤固定碳和氮的影響不明顯。檸條林地較沙柳林地干燥化嚴重，但有機碳和全氮儲量增加明顯。因而在半干旱的黃土高原進行植被恢復時，不僅要考慮土壤養分含量的累積，還要考慮植被對水分的利用，適當的控制人工植被密度可以防止植被對土壤水分的過度消耗并且有利于土壤養分的積累。

本研究基于小區尺度對兩種植被不同生長密度下的土壤水分與碳氮存儲關系進行研究，結果表明：不同植物的具有不同水碳氮關系，檸條林生長容易引起嚴重土壤干燥化，其碳氮積累也易受到土壤干燥化的影響，這對黃土高原植被恢復和重建具有重要的指導意義。因此，建議進行長期監測和大面積多點取樣分析，識別不同植被密度條件下土壤水分與碳氮存儲關系的變化，找出水、碳、氮惡化的閾值，以對黃土高原植被建設提高有利的理論支撐。

4 結論

（1）受植被密度影響，兩種植被條件下各土層深度土壤含水量及儲水量均以低密度條件下為最高。檸條林地干燥化程度較沙柳林地嚴重。

（2）兩種植被條件下土壤有機碳和全氮含量具有不同程度的表聚現象；各土層有機碳和全氮含量均為低密度條件下最高，高密度條件下最低，說明低密度造林有利于深層土壤有機碳和氮的蓄積。在各植被密度條件下土壤有機碳密度和全氮密度均為檸條林地>沙柳林地，說明檸條種植有利于土壤有機碳和氮的蓄積，但檸條林土壤有機碳和氮的蓄積受種植密度影響較大。

（3）檸條林地土壤有機碳含量和全氮含量與土壤含水量呈顯著正相關關系，沙柳林地土壤有機碳含量和全氮含量受土壤含水量的影響不明顯。雖然檸條林土壤有機碳和氮的積累較沙柳高，但其土壤有機碳和氮的積累容易受到嚴重干燥化的限制，因此在黃土高原利用檸條進行植被恢復時要特別注意種植密度的控制。