试验样地位于科尔沁沙地南部，行政区划隶属于内蒙古自治区通辽市奈曼旗(42˚14'40''N~43˚32'30''N，120˚19'40''E~121˚31'44''E)，研究区属于北温带大陆性季风干旱气候，春夏季降水较多，秋冬季降水较少，一年中降水集中在夏季(6~8月)，年均降水量366 mm，年蒸发量1935 mm。科尔沁沙地年平均气温6.00℃~6.50℃，无霜期平均约150天，全年日照率66.0%~69.9%，平均每日日照8.70~9.20 h，年平均风速3.60~4.10 m∙s⁻¹。试验样地土壤类型为风沙土，植被类型主要是黄柳(Salix gordeivii)、白茅(Imperata cylindrica)、大针茅(Stipa grandis)、山杏(Armeniaca sibirica)、羊草(Leymus chinensis)。

研究区设置三种处理样地，分别为：沙地(未修复沙漠土壤)、稻田(衬膜水稻修复8年土壤)、休耕地(种植衬膜水稻7年后休耕1年土壤)。以沙地为对照，与稻田水平距离约20 m，地表平整且无植被覆盖。于2021年9月，分别在上述3个样地中，采用梅花形布点法，选取5个1 m × 1 m取样点，采集0~15、15~30 cm土层土样。将每个采样点0~15和15~30 cm土层的土壤样品分别均匀混合后，四分法缩分至密封袋中，每个样地重复3次。将土样带回实验室，过2 mm筛，一部分放入冰箱4℃冷藏；另一部分风干后用球磨仪研磨待测。

采用称重法测定土壤含水量；采用无CO₂水浸提(水土比2.5:1)，pH计测定土壤pH值(PHS-25，上海宵盛仪器制造有限公司)；采用碳酸氢钠浸提土壤有效磷(AP)，钼锑抗比色法测定含量；采用乙酸铵提取土壤有效钾(AK)，火焰光度计测定含量 [ 10 ]；采用氯化钾提取土壤硝态氮( NO 3 − -N )和铵态氮( NH 4 + -N ) [ 11 ]，连续流动分析仪(AutoAnalyzer3, SEAL, Germany)测定含量；采用三酸消煮法提取土壤全磷(TP)、全钾(TK)，5 mL硫酸-高氯酸(5:1制成混酸)浸泡土样过夜，第二天加5 mL氢氟酸消煮至溶液呈现清亮的淡黄色，流动注射分析仪(QC8500, LachatInstruments, USA)测定含量；采用元素分析仪(Perkin-Elmer 2400 CHNS/O, Norwalk, CT, USA)测定土壤全氮(TN)含量。

采用Origin2018软件进行绘图。采用SPSS22.0数据分析软件中单因素方差分析(one-way ANOVA) Duncan法检验各土层中沙地、稻田和休耕地土壤氮磷钾库容的差异显著性(P < 0.05)，Pearson相关系数分析休耕土壤氮磷钾库与环境因子的相关性。

各处理土壤全氮(TN)、硝态氮( NO 3 − -N )、铵态氮( NH 4 + -N )和速效氮(AN)含量以及速效氮分配比例(AN/TN)和碳氮比率(C/N)分别介于0.64~0.80 g∙kg⁻¹、1.80~5.21 mg∙kg⁻¹、19.27~20.96 mg∙kg⁻¹、21.77~24.74 mg∙kg⁻¹、2.8%~3.8%、0.18~0.58之间，其中C/N的变幅最大为222.2% (图1)。各土层不同处理下土壤氮库容量的差异性规律不一致，如种稻后土壤TN含量和C/N显著提高， NO 3 − -N 含量和速效氮分配比例则显著下降，种稻前后土壤中 NH 4 + -N 和AN含量无显著差异；休耕后0~15和15~30 cm土层土壤 NO 3 − -N 含量和0~15 cm土层速效氮分配比例显著低于原始沙地，其他指标无显著差异。

图1. 沙地衬膜水稻田休耕对土壤氮库的影响。不同小写字母表示处理间的显著差异(P < 0.05)。下同

各处理土壤全磷(TP)和有效磷(AP)含量及有效磷分配比例(AP/TP)分别介于0.04~0.07 g∙kg⁻¹、1.10~2.21 mg∙kg⁻¹、1.7%~4.8%之间，其中有效磷分配比例的变幅最大为179.8% (图2)。0~15 cm土层中3个处理间土壤TP含量没有显著差异，种稻后TP含量较沙地增加83.3%；休耕后TP含量较沙地增加66.7%；种稻后有效磷分配比例较沙地显著降低，休耕后又显著升高；15~30 cm土层中3个处理间各指标均无显著差异。除沙地土壤TP含量、稻田土壤AP含量和有效磷分配比例外，沙地、稻田、休耕地0~15 cm土层的磷库指标值均高于15~30 cm。

图2. 沙地衬膜水稻田休耕对土壤磷库的影响

各处理土壤全钾(TK)和有效钾(AK)含量及有效钾分配比例(AK/TK)分别介于18.92~19.96 g∙kg⁻¹、1.60~38.64 mg∙kg⁻¹、0.01%~0.2%之间，其中AK含量的变幅最大为2315.0% (图3)。0~15 cm土层沙地、稻田和休耕地间土壤钾库指标没有显著差异；15~30 cm土层沙地、稻田和休耕地间土壤TK含量无显著差异，AK含量和有效钾分配比例存在显著差异，均表现为：沙地 > 稻田 > 休耕地。除沙地土壤的AK含量外，沙地、稻田、休耕地0~15 cm土层的AK含量和有效钾分配比例均高于15~30 cm。

图3. 沙地衬膜水稻田休耕对土壤钾库的影响

沙地衬膜水稻休耕土壤氮库中，TN含量与含水量和AK含量显著正相关，与C/N具有极显著正相关关系(表1)。 NH 4 + -N 与AN含量具有极显著正相关关系。C/N与TP含量具有显著正相关关系，与TN、和AK含量以及含水量具有极显著正相关关系。土壤磷库中，TP含量与C/N和含水量以及AK含量具有显著正相关关系。AP含量与AK含量以及含水量具有显著正相关关系。土壤钾库中AK含量与TN、TP和AP含量具有显著正相关关系，与C/N以及含水量具有极显著正相关关系。

表1. 土壤氮磷钾库与环境因子的相关系数

^*P < 0.05；^**P < 0.01。

氮、磷、钾是土壤养分三要素，对沙地衬膜水稻的生长发育和生产力有直接影响 [ 12 ]。全氮、全磷、全钾、速效氮、有效磷和有效钾含量能比较综合的反应土壤肥力状况 [ 13 ]。本研究中，与沙地相比，种植衬膜水稻能够显著提高全氮含量和C/N，分别增加24.5%和174.8%，这与川西北高寒沙地的研究结果一致 [ 14 ]；此外种稻后全磷和铵态氮含量也略有升高，但差异性不显著。各土层不同处理土壤全氮、全磷、铵态氮含量和C/N大小差异顺序均表现为稻田 > 休耕地 > 沙地。可能是由于衬膜水稻种植能防风固沙，固氮固碳，反过来提供适宜植物生长发育的水肥条件，进而增加有机物料返还量，最终促进稻田耕作层土壤碳氮磷含量及其化学计量比率的提高 [ 15 ]。沙化使土表侵蚀加剧，休耕后沙土表面生物量覆盖不足10%，很少或几乎没有动植物残留体返回土壤，干旱区氮磷素不可逆转的流失，可能是休耕后土壤全氮和全磷含量降低的主要原因之一。当C/N质量比值大于25时土壤中的有机质积累。我国农田C/N值一般是7~13，荒漠草原生物结皮下土壤C/N值达11~15，自然湿润温带土壤C/N值在10~12左右。研究区土壤碳、氮营养结构失衡，风化土壤有机质分解迅速，衬膜水稻修复过程各阶段土壤C/N值(0.18~0.58)均远低于一般耕地。

土壤中硝态氮和铵态氮含量一般占速效氮的90%以上，说明植物吸收氮素最主要的来源是土壤中铵离子和硝酸盐 [ 16 ]。科尔沁沙地土壤中的速效氮以铵态氮为主，随着修复的进行，土壤中硝态氮含量和速效氮分配比例显著下降，这与在西双版纳热带森林 [ 17 ] 和哀牢山木果柯林 [ 18 ] 中的研究结果一致。与种稻前后硝态氮含量变化趋势相比，种稻后速效氮含量虽略有下降，但无显著差异性。与赵溪等 [ 19 ] 的研究结果一致，本研究中硝态氮较铵态氮受环境影响的变化幅度大，而罗达等 [ 20 ] 得出与之相反的结论，这可能与土壤处理方式的不同有关。

土壤有效磷含量和有效磷分配比例的变化趋势相似，0~15 cm土层中表现为先下降后升高；15~30 cm土层中无显著差别，水稻对土壤磷素中有效磷的吸收，可能是休耕过程中有效磷含量变化的原因之一。不同处理间0~15 cm土层土壤钾库容量无显著的差异，15~30 cm土层中全钾含量无明显变化，有效钾含量和有效钾分配比例大小差异顺序均表现为：沙地 > 稻田 > 休耕地。王筝等 [ 21 ] 认为有效钾含量在长期施肥条件下有降低的趋势，可能是导致各处理间土壤有效钾与全钾含量表现不同的原因之一。此外，李娜等 [ 22 ] 还认为有效钾含量变化与土壤质地有关，黏粒对有效钾的吸附能力强。

本研究中，衬膜水稻休耕期间土壤环境因子与土壤氮磷钾库容间存在显著相关性，这与前人的研究结果相符。佘济云等 [ 23 ] 认为交错带人工林土壤全量养分与有效养分间均呈强的正相关关系。休耕后土壤氮磷钾等肥力指标间的影响，可能是因为土壤中微生物的分解代谢作用使土壤氮磷钾库容同步变化 [ 24 ]。

本研究还发现，休耕土壤C/N、含水量与土壤氮磷钾库容均存在极显著正相关关系，表征休耕土壤养分动态变化。刘玉林等 [ 25 ] 认为土壤氮库容量与含水量存在正相关关系(P > 0.05)。周志文等 [ 26 ] 认为土壤氮库容与C/N呈极显著正相关。休耕土壤中C/N和含水量对土壤氮磷钾含量的影响，可能是因为水分是控制土壤有机质分解转化和积累的重要环境因子 [ 27 ]，且土地退化与土壤氮磷钾的损失密切相关 [ 28 ]。