黄土高原不同植被密度条件下土壤水、碳、氮分布特征

张恒宇，孙树臣，吴元芝，安娟，宋红丽

1. 聊城大学地理与环境学院，山东 聊城 252000；2. 临沂大学资源环境学院/山东省水土保持与环境保育重点实验室，山东 临沂 276000；3. 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101

土壤有机碳和全氮含量在植被的形成和发展中起着重要的作用，不仅是评价土壤肥力持久性的重要指标，而且还是影响整个生态系统稳定性的重要因子（Davidson et al.，2000；杨帆等，2016）。黄土高原地区自实施退耕还林还草工程以来，植被覆盖度明显增加，水土保持、固碳、固氮等生态系统服务功能得到显著提升（David et al.，2011；Fu et al.，2017）。因此，植被恢复条件下土壤碳氮元素的长期积累对改善全球碳氮循环和缓解全球温室效具有深远影响（于双等，2019）。然而不合理的植被恢复措施过度消耗土壤水分，使土壤出现严重干燥化现象，导致植被退化（Wang et al.，2012；陈洪松等，2005），反而对碳氮累积带来不利影响（刘学彤等，2016）。因此，研究黄土高原不同植被恢复措施下土壤碳氮分布和土壤水分的耦合关系，对黄土高原植被恢复重建及碳氮循环改善具有重要意义。

当前对黄土高原土壤碳氮存储的研究较为广泛，主要集中在不同土地利用方式土壤碳氮存储差异（夏光辉等，2020；史利江等，2021），不同植被恢复措施下土壤碳氮含量的差异（Wang et al.，2011；Chang et al.，2012；兰志龙等，2018），以及植被恢复年限对土壤碳氮存储的影响（Zhou et al.，2015；Zhang et al.，2018；张富荣等，2021）等方面。但对不同植被密度下土壤水碳氮关系的研究较少，有一些学者对不同植被密度下植物生长、土壤水分变化和土壤养分的单独研究，发现不同种植密度条件下，土壤养分的累积有所差异（王岩松等，2020），土壤水分状况也不同（Liang et al.，2018；刘丙霞，2015），随着植被密度增高，植被过度利用土壤水分，会引发严重的土壤旱化现象（张文文等，2015；吴多洋等，2017）。而黄土高原高耗水植被条件下的土壤水分亏缺会限制土壤有机碳和全氮的累积（舒维花等，2012），不利于生态系统稳定。因此，对不同植被密度条件下土壤水碳氮的关系研究非常必要，以揭示植被密度对土壤碳氮积累的调控机制。选取两种典型植被，研究不同种植密度条件下土壤含水量、有机碳、全氮剖面分布差异，探讨土壤碳氮累积与土壤水分存储的关系，揭示植被密度对土壤碳氮存储的调控机制，进而为该区植被恢复和经营提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验研究区位于陕西省榆林市神木县六道沟小流域，110°21′—110°23′E，38°46′—48°51′N，属于过渡地带，从陕北黄土丘陵区过渡到毛乌素沙地。该研究区位于中温带半干旱气候区，冬天寒冷干燥，夏天温暖湿润，多年平均降水量为437.4 mm，7—9月降水较集中。年平均气温为8.4 ℃，7月月平均最高温23.7 ℃，月平均最低温−9.7 ℃。流域内地带性土壤为黑垆土，由于长期侵蚀作用原始土壤基本消失殆尽，主要土壤类型为黄绵土、沙黄土等。干旱草原为主要植被类型，大部分天然植被已遭破坏，人工植被比例较高，该地区的主要造林树种有：柠条（Caragana korshinskii）、沙柳（Salix psammophyllum）等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地概况

本试验取样的柠条和沙柳不同密度小区均位于黄土高原神木六道沟小流域的一个坡面上，坡度为12°，坡向为正北，土壤为黄绵土。小区建于2006年，长宽为6 m×2 m，小区没有重复，每个小区的采样点数为2个，柠条和沙柳的种植方式为人工播种和扦插。柠条现存3个密度分别为低密度（N1：9000 crowd·hm−2） 、中密度（N2 ： 21000 crowd·hm−2）、高密度（N3：25000 crowd·hm−2）；沙柳现存 3个密度分别为低密度（S1：5000 crowd·hm−2）、中密度（S2：8500 crowd·hm−2）、高密度（S3：13000 crowd·hm−2）。柠条和沙柳的生长情况见表1（刘丙霞，2015）。

表1 柠条和沙柳标准枝的平均株高和基径及标准枝枝条数Table 1 Average plant height, average base diameter and the amounts of standard ranch for Caragana korshinskii and Salix psammophyllum

1.2.2 取样处理

2017年8月人工打土钻取样，取样深度为300 cm，在土壤剖面0—200 cm内，每10 cm取1个土样；在土壤剖面200—300 m内，每20 cm取1个土样。土样一部分装入铝盒，用于测定土壤含水量，剩余的将同一地块同一深度中两个采样点采集到的土壤收集到一起，拣除枯枝落叶、小石砾等，充分混匀，并采用四分法保留四分之一土壤样品装入塑封袋，做好标记，带回实验室，风干，用于土壤有机碳及全氮的测定。

采用烘干法测定土壤含水量，在温度 105—110 ℃恒温下烘24 h。烘干后称取干土质量，准确至0.01 g。土壤有机碳含量通过测定土壤有机质含量获得。将风干土过0.25 mm土壤筛，然后采用重铬酸钾外加热法测定土壤中有机质含量，然后计算土壤有机碳含量（Si）。土壤全氮（Ti）采用凯氏定氮法测定。土壤含水量、有机碳含量及全氮含量均取两个点的平均值。

计算土壤质量含水量的公式如下为：

式中：

θ——土壤含水量，%；

m0——为烘干空铝盒质量，g；

m1——烘干前铝盒及土样质量，g；

m2——烘干后铝盒及土样质量，g。

本研究选取土壤储水量表征剖面水分总体状况，土壤储水量计算公式如下为：

式中：

W——土壤储水量（mm）；

ρi——土壤容重（g·cm−3）；

di——第i层的土壤厚度（cm）；0—200 cm内厚度为10 cm，200—300 m内厚度为20 cm；10是单位换算系数。本研究土壤为黄绵土，剖面土壤质地较均一，参照已有研究结果（刘丙霞，2015），各剖面层次土壤容重均取1.36 g·cm−3。为体现不同土层深度土壤储水状况，本研究分别计算了0—50、50—100、100—150、150—300、0—300 cm土层的土壤储水量。

为分析土壤水分亏缺情况，将整个土壤剖面中的土壤含水量与凋萎湿度（θp）和田间稳定持水量（θsf）进行比较，凋萎湿度（θp）的取值为4.6%，田间稳定持水量（θsf）的取值为 10.8%（Fu et al.，2012）。

计算土壤有机碳质量分数的公式如下：

式中：

Smi——第i层土壤有机质质量分数（g·kg−1）。

为体现不同土层深度土壤有机碳和全氮的存储状况，本研究分别计算了0—50、50—100、100—300、0—300 cm土层的有机碳和全氮密度。有机碳密度计算公式为：

式中：

Socd——土壤有机碳密度（kg·m−2）；

Si——土壤有机碳质量分数（g·kg−1）；

ρi——土壤容重（g·cm−3）；

di——第i层的土壤厚度，cm；

αi——第i层中直径大于>2 mm的石砾所占的体积百分比，%。鉴于黄土高原典型的土壤特性，几乎没有粒径大于>2 mm的砾石，αi值可忽略不计。

计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——土壤全氮质量分数（g·kg−1）；

ρi——土壤容重（g·cm−3）；

di——第i层的土壤厚度，cm；

αi——第i层中直径大于>2 mm的石砾所占的体积百分比，%。鉴于黄土高原典型的土壤特性，几乎没有粒径大于>2 mm的砾石，αi值可忽略不计。

1.2.3 数据分析

对两种植被不同密度条件下土壤含水量、有机碳含量和全氮含量分别进行单因素方差分析，并利用最小显著差法进行多重比较。对两种植被条件下土壤含水量与土壤有机碳和全氮含量的关系进行了相关分析和回归分析。考虑到表层土壤有机碳含量和全氮含量受枯落物归还影响显著，而且表层土壤含水量受蒸发影响剧烈，本研究仅对20—300 cm土层土壤含水量与有机碳含量、全氮含量的关系进行了分析。本研究所有统计分析均用SPSS 16.0软件完成，作图用Orgin 2017软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同植被密度下剖面土壤含水量分布特征

不同密度柠条林地剖面土壤含水量变化如图1a所示。从图中可以看出柠条林地在3种密度处理下土壤含水量变化趋势一致，0—50 cm土层土壤含水量均随剖面深度的增加逐渐增加，50—100 cm土层土壤含水量随剖面深度的增加呈现逐渐降低的趋势，100—150 cm土层和150—300 cm土层土壤含水量变化幅度不大，这主要是因为土壤表层水分蒸发剧烈，随深度增加蒸发的影响减弱。0—50 cm土层，不同密度柠条林地土壤含水量差异不显著（P=0.50>0.05）（表2）；50—100 cm土层，各密度柠条林地土壤含水量存在显著差异（P=0.03<0.05），为中密度 (11.57%)>低密度 (10.42%)>高密度 (8.37%)（表2）；100—150 cm土层和150—300 cm土层，不同密度柠条林地之间土壤含水量存在显著差异（P<0.05）（表2），且均为低密度>高密度>中密度。不同密度沙柳林地剖面土壤含水量变化趋势与柠条林地明显不同，整体波动较柠条林地小（如图1b所示）。在0—50、50—100 cm土层，低密度沙柳林地土壤含水量显著高于中、高密度（P<0.05）（表2）；100—150 cm土层，高密度沙柳林地土壤含水量（8.02%）显著低于中（5.30%）、低密度（5.49%）（P=0.03<0.05）（表2）；150—300 cm土层，不同密度沙柳林地之间土壤含水量存在显著差异（P=0.00<0.05）（表2），且低密度处理的土壤含水量最高为12.52%。就整个剖面而言，高中低密度柠条林地的平均土壤含水量分别为9.34%、8.35%、7.90%，高中低密度沙柳林地的平均土壤含水量分别为12.10%、9.93%、9.03%。因此，两种植被条件下土壤含水量均以低密度处理的最低，高密度处理的土壤含水量最高，而且柠条林地各密度处理的土壤含水量均低于沙柳林地。从图1可知，各密度柠条林地在100 cm深度以下均出现了严重土壤干燥化现象，沙柳林地仅中密度和高密度在100 cm深度以下出现了土壤干燥化现象，且程度较柠条林地轻。这说明柠条耗水量较沙柳高。

图1 不同植被密度条件下土壤质量含水量剖面分布Figure 1 Distribution of soil mass water content profile under different vegetation densities

表2 不同植被密度条件下土壤含水量差异方差分析Table 2 Variance analysis of soil water content differences under different vegetation densities

如表3所示，柠条林地0—50、100—150、150—300 cm土层土壤储水量均为低密度条件下最高，分别为88.75、54.54、153.37 mm，50—100 cm土层土壤储水量为中密度>低密度>高密度；沙柳林地各土层土壤储水量均为低密度>中密度>高密度，从整个剖面来看两种植被土壤储水量均以低密度条件下最高，高密度条件下最低，说明植被密度越高耗水量越大。从表3可知，除0—50 cm沙柳林地储水量较低外，其他土层和整个剖面均以柠条林地较低，说明柠条林耗水量大，且对土壤深层水分的吸收利用比例较高，沙柳对土壤浅层水分的吸收利用比例较高。

表3 不同植被密度条件下土壤储水量Table 3 Soil water storage under different vegetation densities

2.2 不同植被密度下剖面土壤有机碳分布特征

不同密度柠条林地土壤有机碳含量剖面分布如图2a所示，受土壤表层的枯枝落叶的影响，3种密度条件下土壤表层有机碳含量最高，随剖面深度的增加呈现逐渐降低的趋势，这种表聚效应因植被密度不同影响深度不同，低密度柠条林地80 cm以上土层土壤有机质明显高于深层，而中、高密度条件下 0—50 cm土壤有机碳含量呈现随深度增加而降低的趋势，50 cm以下土层土壤有机碳则一直稳定在较低状态。0—50 cm土层，柠条林地土壤有机碳含量均为低密度 (3.94 g·kg−1)>中密度 (3.05 g·kg−1)> 高密度 (2.36 g·kg−1)，但差异不显著（P>0.05），50—100 cm土层有机碳含量低密度（2.46 g·kg−1）显著高于高密度（1.52 g·kg−1）（P=0.01<0.05）（表4）；100—300 cm土层，不同密度之间存在极显著差异（P=0.00<0.05）（表4），为高密度 (1.60 g⋅kg−1)>低密度 (1.43 g·kg−1)>中密度 (1.21 g⋅kg−1)。从整个剖面看，柠条林地土壤有机碳含量以低密度处理下最高，高密度处理下最低。就沙柳林地而言（图2b），土壤有机碳分布同样存在表聚效应，0—50 cm土层内，各密度条件下土壤有机碳含量随土壤深度的增加呈先剧烈降低后保持稳定，在 50—100 cm和100—300 cm土层中，各密度条件下土壤有机碳含量的波动幅度均不大，但低密度条件下因土壤表面几乎没有枯枝落叶积聚，土壤有机碳含量明显低于中高密度条件下。在0—50 cm土层，中密度沙柳林地土壤有机质量分数最高为 2.17 g·kg−1，低密度条件下最低为 1.49 g·kg−1，但不同密度之间土壤有机碳含量差异不显著（P=0.58>0.05）（表4）；50—100、100—300 cm土层，沙柳林地土壤有机碳质量分数均为低密度条件最高，分别为 1.52、1.66 g·kg−1，且不同密度间差异均显著（P<0.05）（表4）。低密度处理最高，高密度处理最低。总体上，两种植被不同密度条件下50—100、100—300 cm土壤有机碳含量存在显著差异，且中密度条件下较低，低密度条件下较高，说明植被恢复措施对土壤有机碳含量有明显的影响。从两种植被不同层次土壤有机碳含量的对比来看，柠条林地0—50、50—100 cm土层有机碳含量均明显高于沙柳林地，因此柠条林种植较沙柳林种植显著提高 100 cm以上土壤有机碳的含量。

图2 不同植被密度条件下土壤有机碳含量剖面分布Figure 2 Profile distribution of soil organic carbon content under different vegetation densities

表4 不同植被密度条件下土壤有机碳含量方差分析Table 4 Variance analysis of soil organic carbon content under different vegetation densities

就有机碳密度而言（表5），在0—50、50—100 cm土层，3种密度柠条林地土壤有机碳密度均为低密度>中密度>高密度，两个土层内植被密度之间有机碳储量最大差异分别为 1.07、0.63 kg·m−2，100—300 cm土层，柠条林地土壤有机碳密度为中密度>低密度>高密度，植被密度之间有机碳储量最大差异为1.05 kg·m−2；沙柳林地0—50 cm土壤有机碳密度为中密度>高密度>低密度，50—100、100—300 cm土壤有机碳密度均为低密度处理最高，3个土层内不同植被密度之间有机碳储量最大差异分别为0.37、0.19、1.05 kg⋅m−2。因此柠条种植密度对土壤有机碳密度影响较大。就整个剖面而言，两种植被土壤有机碳密度均为低密度>中密度>高密度，因而低密度造林更有利于有机碳积累。而且在各密度处理下，0—50、50—100、0—300 cm土层土壤有机碳密度均为柠条林地>沙柳林地，100—300 cm土层两种植被条件下土壤有机碳密度没有明显差异，说明与沙柳林相比，柠条林能显著提高100 cm上土层土壤有机碳含量，使得整个剖面有机碳储量显著提高。

表5 不同植被密度条件下土壤有机碳密度差异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

不同密度柠条林地剖面土壤全氮含量也有明显的表聚现象（图3a），各密度处理柠条林地70 cm以上土层土壤全氮含量明显高于深层，0—50 cm土壤全氮含量均随剖面深度的增加而先迅速降低后略有增加，50—100 cm基本呈降低的趋势，100—300 cm各密度柠条林地土壤全氮含量波动均很小。0—50、50—100 cm土层，柠条林地土壤全氮含量均为低密度>中密度>高密度，且不同密度间差异不显著（P>0.05）（表6）；100—300 cm土层，不同密度之间土壤全氮含量差异显著（P=0.03<0.05），高密度处理土壤全氮含量显著降低（表6）。从整个剖面来看，柠条林地平均土壤全氮含量表现为低密度>中密度>高密度。不同密度沙柳林地剖面土壤全氮也呈现表聚现象，30 cm以上土层全氮含量明显高于深层（图3b），各密度处理0—30 cm土壤全氮含量随深度增加而快速降低，30 cm以下土层波动幅度均不大。在0—50、50—100、100—300 cm土层，沙柳林地土壤全氮含量均为低密度处理下最高，且在50—100、100—300 cm土层，低密度处理土壤全氮含量显著高于中、高密度处理（表6）。从整个剖面来看，沙柳林地平均土壤全氮含量表现为低密度高于中、高密度处理。综上，两种植被条件下均是低密度处理土壤全氮含量最高，高密度处理较低。即低密度种植有利于提高土壤全氮含量。从两种植被不同层次土壤全氮含量的对比来看，柠条林地0—50、50—100 cm土层全氮含量均明显高于沙柳林地，因此柠条林种植较沙柳林种植能显著提高100 cm以上土壤全氮的含量。

图3 不同植被密度条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 不同植被密度条件下土壤全氮质量分数方差分析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土层中，不同密度柠条林地土壤全氮储量均是低密度>中密度>高密度，0—50 cm 土层分别为0.26、0.19、0.16 kg·m−2，不同密度处理之间最大差异为 0.10 kg·m−2，50—100 cm 土层分别为 0.15、0.14、0.10 kg·m−2，不同密度处理之间最大差异为0.05 kg·m−2；在 100—300 cm土层中，柠条林地土壤全氮储量为中密度>低密度>高密度，分别为0.41、0.39、0.35 kg·m−2，不同密度之间最大差异为0.06 kg·m−2；沙柳林地各深度土层土壤全氮储量均为低密度处理最高，高密度处理最低，各土层不同种植密度之间的最大差异分别为0.02、0.03、0.09 kg·m−2，因此柠条种植密度对土壤全氮存储影响较沙柳大。从整个剖面来看，两种植被条件下土壤全氮存储量均是低密度处理最高，高密度处理最低，即低密度种植更有利于土壤全氮储存。而且与有机碳储量一致，各密度处理0—50、50—100、0—300 cm土层土壤全氮密度均为柠条林地>沙柳林地，100—300 cm土层两种植被条件下土壤全氮密度没有明显差异，即柠条林能显著提高100 cm上土层土壤有机碳含量，使得整个剖面有机碳储量显著提高。

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

2.4 不同植被密度下土壤水与碳、氮的关系

对柠条林地 20—300 cm土层土壤有机碳含量与土壤含水量进行相关分析及回归分析，发现低、中和高密度柠条林地土壤有机碳含量与土壤含水量均呈极显著正相关关系（P<0.01）（表8），可分别用线性方程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）进行拟合，即随着柠条林地土壤含水量增多，土壤有机碳含量呈现升高趋势，而且低密度储量的线性方程斜率最大，拟合的绝对系数最高，说明低密度处理柠条林地土壤水分条件对土壤有机碳存储影响更加明显。

表8 不同植被类型下土壤有机碳含量、全氮含量与土壤含水量相关性分析Table 8 Correlation analysis between soil organic carbon content, total nitrogen content and soil water content in different vegetation type

对柠条林地 20—300 cm土层土壤全氮含量与土壤含水量进行相关分析及回归分析发现，低、中和高密度柠条林地土壤全氮含量与土壤含水量也呈极显著正相关关系（P<0.01）（表8），可分别用线性方程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）进行拟合，即随着柠条林地土壤含水量增多，土壤全氮含量呈现升高趋势，而且低密度处理柠条林地土壤水分条件对土壤全氮含量影响更加明显。

对沙柳林地 20—300 cm土层土壤有机碳与土壤含水量进行相关分析发现，土壤有机碳含量与土壤含水量之间不存在显著相关关系（P>0.05）（表8）。对沙柳林地土壤全氮含量与土壤含水量进行相关分析及回归分析发现，仅在高密度处理呈极显著负相关（P=0.002）（表8），可用线性方程y=−0.007x+0.172（r2=0.37）进行拟合，即随着土壤含水量增多，土壤全氮含量呈现降低趋势。但是总体而言，不同密度处理沙柳林地土壤有机碳和全氮含量受土壤水分影响较小。

3 讨论

3.1 两种植被不同密度条件下土壤水分分布差异

植被生长过程中根系下扎吸收土壤水分会引起剖面土壤水分的波动，不同植被类型条件下根系分布不同导致土壤水分分布有明显的差异（索立柱等，2017）。本研究发现柠条林地在3种密度处理下0—300 cm土层土壤含水量垂直分布均为先增加再降低后趋于稳定，而沙柳林地土壤含水量整体波动较小，且30—80 cm土层土壤含水量低于柠条林地，而80 cm以下土层高于柠条林地。这是因为两种植物主要的吸水范围及耗水量不同，柠条是深根系植物，根系对深层土壤水分吸收利用较高（Yang et al.，2014），沙柳根系分布浅，主要吸收利用浅层土壤水分（杨国敏等，2018）。而且柠条是高耗水植物，各密度柠条林地在 100 cm深度以下均出现了严重的干燥化现象，沙柳林地仅高密度处理出现了干燥化现象，且干燥化程度较柠条轻。这是由于柠条林地与沙柳林地在群落结构、叶片特征及生物量等方面均存在差异，导致其耗水量不同，使得土壤含水量存在较大差异（杨磊等，2019）。

本研究对两种植被不同密度处理土壤水分剖面分布差异进行分析发现，柠条林地和沙柳林地各土层及整个剖面平均土壤含水量均为低密度处理较高，高密度处理较低。这说明不同植被密度条件下，植物生长对水分竞争的激烈程度不同，会引起剖面水分的差异。就土壤储水量而言，中密度柠条林地土壤含水量在 50—100 cm高于高密度，但在100—300 cm土层低于高密度，可能与高密度条件下植物长势弱，根系分布浅有关。因此，高密度柠条林对50—100 cm土层水分吸收比例较中密度高，而对100 cm以下土层水分吸收比例较小。各密度沙柳林地在0—100 cm土层，平均土壤含水量为低密度>中密度>高密度，但差异不显著，100—300 cm土层，低密度柠条林地土壤含水量增加，在200 cm深度以下高于田间稳定湿度，这是因为在雨季浅层土壤水（<200 cm）成为沙柳根系的主要吸水来源（李荣磊等，2021），但中、高密度沙柳林地在100 cm深度以下出现了土壤干燥化现象。沙柳林地土壤含水量高于柠条林地，且干燥化现象较柠条林地轻。

3.2 两种植被不同密度条件下土壤有机碳和全氮分布差异

本研究中，除低密度处理沙柳林地外，两种植被在各密度条件下土壤有机碳含量均为表层最高，这种现象产生的原因是植物凋落物归还土壤，使得土壤表层有机质含量增多，且土壤表层透气性和透水性较好，微生物活动较强，有利于有机质的分解（兰志龙等，2018；张智勇等，2020）；而低密度的沙柳林，因密度低，枯落物易被风吹走，地表几乎没有枯落物存在，因而表层土壤有机碳的没有明显的累积。在50—300 cm土层，柠条和沙柳土壤有机碳密度为低密度条件下最高，高密度条件下最低。研究认为，林地深层土壤固碳需要有充足的水分参加，而深层土壤水分亏缺可能限制细根的发展，从而不利于有机碳的固定（冯棋等，2019）。本研究中，高密度处理 100 cm以下土层土壤亏缺程度较低密度条件下严重，抑制了深层土壤有机碳的固定。另外，植被类型不同，植被凋落物及根系生物量就有较大差别，且植被凋落物及根系的有机质含量不同（任悦等，2018），在土壤中分解速率不同（Crow et al.，2009），因而导致土壤有机碳存储量差异较大。本研究发现柠条林地在各密度条件下土壤有机碳密度均高于沙柳林地，这主要是因为柠条生物量大、凋落物量多、根系发达，而且柠条林地地表枝条密集，容易保留凋落物，而沙柳林地特别是低密度沙柳林地主干明显，地表枯落物易被风吹走，不利于枯落物保持。因此灌木平茬、增加分枝不失为黄土高原地区增加土壤有机碳存储的一个方法。

柠条林地0—50 cm和50—100 cm土层和整个剖面土壤平均全氮含量均为低密度>中密度>高密度，沙柳林地0—300 cm土层和整个剖面土壤全氮含量均为低密度>中密度>高密度，与土壤有机碳含量分布相似，这是因为土壤中的氮素有99%以上来源于有机质（杨丽霞等，2014），所以土壤中有机质含量的增加不仅能使有机碳含量增加还能使土壤全氮含量增加，这与已有的研究结果一致（赵发珠等，2012）。本研究中柠条林地和沙柳林地在0—50 cm土层土壤全氮含量最高，主要是因为灌木覆盖下土壤中凋落物积累，随着根系分泌物的分解，把养分释放到土壤中，同时在分解过程中产生的酸类物质使土壤矿物分解速度加快，从而养分在土壤表层富集，使得土壤表层全氮含量高。此外，在50—100 cm土层，柠条林地土壤全氮含量显著高于沙柳林地，这是因为柠条是一种豆科植物，其根系具有固氮能力（刘志鹏等，2010），而且细根主要分布在该深度土层中，有利于该土层氮的固定，因而柠条比沙柳更有利于促进土壤全氮和有机碳的积累。

3.3 两种植被不同密度条件下土壤水与碳氮存储的关系

植被生态系统内部水分和各养分是相互联系、相互作用的（杨勇等，2015），本研究发现两种植被条件下低密度处理土壤含水量高、土壤有机碳和全氮储量也高，高密度处理土壤含水量、有机碳和全氮的处理则均较低，说明低密度处理良好水分条件有利于植物的生长，而植物的生长有利于土壤有机碳和全氮的积累。本研究中各密度处理柠条林地土壤有机碳、全氮与土壤水分呈现正相关关系，与已有研究结果（冯棋等，2019）较一致，但是高密处理土壤含水量与土壤有机碳和全氮的相关关系显著性较低，而且高密度处理柠条林地土壤干燥化程度较严重，因而高密度条件下水分的亏缺可能限制植物生长，进而影响土壤有机碳和全氮的累积。另外沙柳林地土壤含水量与有机碳含量和全氮含量均无明显线性关系，说明不同植物具有不同的水碳氮关系。这可能与植物的耗水特性有关，沙柳生物量和耗水量较柠条小，固定的碳氮的能力有限，水分对沙柳林地土壤固定碳和氮的影响不明显。柠条林地较沙柳林地干燥化严重，但有机碳和全氮储量增加明显。因而在半干旱的黄土高原进行植被恢复时，不仅要考虑土壤养分含量的累积，还要考虑植被对水分的利用，适当的控制人工植被密度可以防止植被对土壤水分的过度消耗并且有利于土壤养分的积累。

本研究基于小区尺度对两种植被不同生长密度下的土壤水分与碳氮存储关系进行研究，结果表明：不同植物的具有不同水碳氮关系，柠条林生长容易引起严重土壤干燥化，其碳氮积累也易受到土壤干燥化的影响，这对黄土高原植被恢复和重建具有重要的指导意义。因此，建议进行长期监测和大面积多点取样分析，识别不同植被密度条件下土壤水分与碳氮存储关系的变化，找出水、碳、氮恶化的阈值，以对黄土高原植被建设提高有利的理论支撑。

4 结论

（1）受植被密度影响，两种植被条件下各土层深度土壤含水量及储水量均以低密度条件下为最高。柠条林地干燥化程度较沙柳林地严重。

（2）两种植被条件下土壤有机碳和全氮含量具有不同程度的表聚现象；各土层有机碳和全氮含量均为低密度条件下最高，高密度条件下最低，说明低密度造林有利于深层土壤有机碳和氮的蓄积。在各植被密度条件下土壤有机碳密度和全氮密度均为柠条林地>沙柳林地，说明柠条种植有利于土壤有机碳和氮的蓄积，但柠条林土壤有机碳和氮的蓄积受种植密度影响较大。

（3）柠条林地土壤有机碳含量和全氮含量与土壤含水量呈显著正相关关系，沙柳林地土壤有机碳含量和全氮含量受土壤含水量的影响不明显。虽然柠条林土壤有机碳和氮的积累较沙柳高，但其土壤有机碳和氮的积累容易受到严重干燥化的限制，因此在黄土高原利用柠条进行植被恢复时要特别注意种植密度的控制。