在脆弱的生态环境中,土壤与植被之间相互作用显著,研究不同固沙林林地土壤养分和生物学性质的变化特征,对了解固沙林改良土壤效应及防治土地沙化具有重要意义。本研究以民勤绿洲荒漠过渡带固沙系统为研究对象,以固沙林保护和改良土壤效应为研究重点,采用野外典型抽样调查、室内样品分析及数理统计等方法,对不同树种和不同林龄固沙林地土壤的理化性质、微生物数量、酶活性以及固沙林保护土壤防风蚀效应等关键因子进行研究,探讨固沙林保育土壤的内在机制,为固沙林营造和经营管理提供理论依据。主要研究结果如下:1.固沙林保护土壤的效应取决于树种类型及树龄,且保护效应在迎风面和背风面差异显著。梭梭林与其他固沙林相比不仅防风固沙效果明显,而且改善流动沙丘土壤性状和微生物活性的能力较好,是当地值得推广种植的防风固沙树种。(1)在固沙林迎风面距植株1m至3m,各固沙林对地表风沙流流量和风速的影响较小,风沙流结构特征值均大于1,均出现风蚀现象,且距离植株越近,其结构特征值逐渐减小并趋近于1,风蚀深度也逐渐变小;在迎风面和背风面距植株1m范围内,风沙流流量和风速显著降低,且固沙林背风面风沙流流量和风速的减小程度大于迎风面的减小程度;背风面距固沙林0.5m处,各固沙林风沙流结构特征值均小于1,均出现风积现象;背风面距植株1m处,风沙流结构特征值降低到最小;固沙林背风面距植株1m至3m,风沙流流量和风速略有增大,随着背风面距离植株越远,其结构特征值逐渐增大并趋近于1,风积厚度变小。(2)不同树种固沙林风沙流流量、风沙流结构特征值和风蚀深度均表现为裸沙地>白刺>20年生梭梭林>40年生梭梭林>柽柳林>30年生梭梭林。各固沙林地背风面地表粗糙度变化范围在0.57cm~4.18cm之间,以30年生梭梭林最大,白刺最小,且均大于裸沙地,背风面距离植株越远,地表粗糙度逐渐减小;不同林龄梭梭林风沙流流量、风沙流结构特征值、风蚀深度随着林龄的增长而减小,风积厚度、风速的降低幅度和地表粗糙度随着林龄的增长而增大;40年生梭梭林发生死亡和退化,风沙流流量、风沙流结构特征值和风蚀深度较30年生梭梭林变大。(3)同一观测点,各固沙林近地表风速均随着高度增大而增大。植株的高度对防风效果有显著影响,当风通过固沙林时,越接近固沙林顶端处,固沙林对风速的影响越小,越接近固沙林中部,固沙林对风速的影响越大。2.固沙林改良土壤理化性质的效应取决于土层的深度、树种类型及树龄;在一定时间范围内,随着裸沙地植被的建立,土壤的理化性质不断得到改善,30年时达到最佳改良效果。(1)在0-60cm土层,不同固沙林和裸沙地的土壤含水量、容重、ph值随土层深度增加而增大,土壤粉粒和黏粒含量、孔隙度、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量均随土层深度增加而减小。(2)不同树种固沙林在0-60cm土层土壤容重、粗砂粒含量、土壤ph值均小于裸沙地,土壤孔隙度、粉粒和黏粒含量、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量均大于裸沙地;在0-20cm土层各固沙林的土壤含水量均显著大于裸沙地,而在20-60cm土层土壤的含水量均小于裸沙地。(3)不同固沙林中砂砾、粉粒、黏粒所占比例不同,均表现为粗砂粒和细砂粒含量最高,粉粒含量次之,黏粒含量最低,且粉粒和黏粒所占比例远小于粗砂粒和细砂粒所占比例。(4)不同林龄梭梭林土壤容重、粗砂粒含量、土壤ph值均随林龄的增长而减小,到30年左右达到最小值,之后又随树龄的增大而逐渐增大;不同林龄梭梭林土壤含水量、土壤孔隙度、土壤黏粒和粉粒含量、土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾含量均随林龄的增长而增大,到30年左右出现峰值,之后又随树龄增大而逐渐减小。土壤全钾含量随梭梭林林龄的增长,表现出不规律的变化。(5)不同固沙林对表层土壤全量养分和有效养分的积累作用不同,各固沙林表层土壤有机质、氮素含量、磷素含量,速效钾含量均以梭梭林最大。各固沙林表层土壤养分具有低氮、低磷、高钾的特点,且全钾含量差异不显著。3.固沙林类型和林龄不同,其改良土壤生物学性质的效应不同。随着民勤绿洲荒漠过渡带植被的恢复,各固沙林对干旱瘠薄的沙漠环境均有一定的适应性,各固沙林土壤的微生物数量增加,酶活性增强,生物学性质不断得到改善。(1)各固沙林土壤细菌、放线菌和真菌数量、过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性均显著大于裸沙地,且各固沙林微生物组成都表现为细菌所占比例最大,放线菌次之,真菌最小。(2)土壤微生物数量及其酶活性有明显的垂直分布特征,梭梭林的放线菌、真菌和蔗糖酶活性均随着土层深度增加而减小。(3)在0-60cm土层中,土壤细菌、放线菌、真菌数量、过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性以梭梭林地最大,分别是裸沙地的2.29倍、2.36倍、10.17倍、2.63倍、1.65倍和1.71倍。(4)不同林龄梭梭林中随着林龄增大,30年生梭梭林表层土壤的微生物数量、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性达到最大,之后梭梭林随着林龄增长而发生退化,40年生梭梭林各指标均有所下降。4.不同固沙林土壤保育效应因子、土壤机械组成、土壤养分、微生物数量和酶活性之间存在正相关关系,对植物生长发育和土壤质量改善具有显著作用。(1)不同固沙林中,土壤粗砂粒和有机质之间呈极显著负相关,黏粒、粉粒含量与土壤有机质之间均呈极显著正相关;土壤有机质与土壤微生物及酶活性之间,土壤氮素、速效钾与细菌数量、真菌数量、过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性之间,土壤磷素与细菌数量及四大酶活性之间,土壤全钾含量与过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性之间均呈显著正相关关系。因此,改善退化土壤的机械组成,对改良固沙林土壤养分与生物学性质具有重要意义。(2)不同固沙林中,土壤细菌、真菌和放线菌与土壤过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶呈极显著正相关关系,土壤真菌与蔗糖酶呈显著正相关关系;各固沙林林地3种微生物数量的相关性均达极显著水平;4种土壤酶活性除过氧化氢酶与蔗糖酶相关性不显著外,其余各酶之间相关性均达极显著水平。因此,影响土壤微生物数量的因子对土壤酶活性也产生影响,在固沙林管护过程中应注意外界因素产生的不利影响。(3)不同固沙林的风积厚度、风速降低程度、地表粗糙度与粗砂粒含量呈显著负相关关系,与粉粒和黏粒含量呈极显著正相关关系;风沙流流量与粗砂粒含量呈极显著正相关关系,与粉粒和黏粒含量呈极显著负相关关系。除风积厚度、风沙流流量与全钾含量、放线菌数量相关性不显著,地表粗糙度与全钾含量相关性不显著,风速降低程度与各养分含量、放线菌数量、过氧化氢酶活性相关性不显著外,4个因子与其他土壤养分含量、微生物数量、土壤酶活性均显著相关。固沙林保护土壤效应与改良土壤效应间具有较好的相关性,因此,防风固沙是改良土壤效应的前提条件。