Effects and mechanisms of carbon and nitrogen sequestration in soil mineral particles during restoration of sand-fixing forests in Mu Us sandy land

Guo Wenxian; Ma Yanxia; Liu Xiaochen; Liu Yueting; Liu Yang; Yang Ke; Tong Xiaogang

doi:10.13961/j.cnki.stbctb.2025.04.024

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Effects and mechanisms of carbon and nitrogen sequestration in soil mineral particles during restoration of sand-fixing forests in Mu Us sandy land

Carbon Effect Researches

- Effects and mechanisms of carbon and nitrogen sequestration in soil mineral particles during restoration of sand-fixing forests in Mu Us sandy land
- Bulletin of Soil and Water Conservation Vol. 45, Issue 4, Pages: 277-285(2025)
- 作者机构：
  
  1.西北农林科技大学水土保持科学与工程学院，陕西杨凌712100
  2.大唐杨凌热电有限公司，陕西杨凌712100
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13961/j.cnki.stbctb.2025.04.024
  CLC： S714.8
- CSTR：32312.14.stbctb.2025.04.024.
- Received：18 February 2025，
  
  Revised：2025-04-23，
  
  Published：20 August 2025
- 稿件说明：
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郭雯娴, 马艳霞, 刘晓琛，等.毛乌素沙地固沙林恢复土壤矿物颗粒固定碳氮效应及机制[J].水土保持通报,2025,45(4):277-285.

Guo Wenxian, Ma Yanxia, Liu Xiaochen, et al. Effects and mechanisms of carbon and nitrogen sequestration in soil mineral particles during restoration of sand-fixing forests in Mu Us sandy land [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(4):277-285.
郭雯娴, 马艳霞, 刘晓琛，等.毛乌素沙地固沙林恢复土壤矿物颗粒固定碳氮效应及机制[J].水土保持通报,2025,45(4):277-285. DOI： 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.04.024. CSTR： 32312.14.stbctb.2025.04.024..

Guo Wenxian, Ma Yanxia, Liu Xiaochen, et al. Effects and mechanisms of carbon and nitrogen sequestration in soil mineral particles during restoration of sand-fixing forests in Mu Us sandy land [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2025,45(4):277-285. DOI： 10.13961/j.cnki.stbctb.2025.04.024. CSTR： 32312.14.stbctb.2025.04.024..

摘要

目的

揭示沙漠化逆转植被恢复过程土壤固定碳氮的效应与机制，为评估固沙造林对沙漠化土壤质量的恢复效果提供科学依据。

方法

选择榆林毛乌素沙地流沙地、半固定沙地以及恢复20~50 a的灌木和乔木固沙林地，采用离心分组法，分析0—10 cm和10—20 cm土层全土及砂粒、粉粒、黏粒矿物颗粒结合态碳氮的含量演变、密度增速及贡献比例的特征。

结果

随固沙林恢复年限延长，土壤总有机碳、全氮及矿物颗粒碳氮密度呈线性增长，砂粒碳增速最高［0.14 mg/（hm² · a）］，粉粒次之，黏粒最低。恢复50 a的乔木林总有机碳和全氮平均含量分别比灌木林高26.9%和18.5%。灌木林上层（0—10 cm）砂粒、粉粒和黏粒碳含量较流沙地分别提高13.75，11.37，5.24倍，乔木林则达13.73，24.78，5.82倍；砂粒和粉粒碳氮固定作用在乔木林上层显著强于灌木林，而黏粒及次表层颗粒作用无显著差异。砂粒贡献了42.36%~48.70%的碳氮增量，但粉粒和黏粒（占全土质量8.1%）固持了56.12%的有机碳和57.13%的全氮，显示出“低量高效”特征。全土及颗粒组分C/N在恢复20~30 a时出现拐点，呈现“先升后降”趋势。粉粒C/N最高（26.6~39.9），黏粒最低（10.7~18.4），表明不同矿物颗粒结合有机质组成存在显著差异。

结论

固沙林植被恢复通过促进砂粒碳氮快速积累及粉黏粒吸附固持成为沙漠化区植被恢复土壤碳氮库累积的重要机制之一。

Abstract

Objective

The effects and mechanisms of soil carbon and nitrogen sequestration during vegetation restoration in desertification reversal was revealed in order to provide a scientific basis for evaluating the restoration effects of sand fixation afforestation on desertified soil quality.

Methods

Sand fixation forests of shrubs and trees in the Mu Us sandy land of Yulin City， Shaanxi Province， including changing sandy land， semi-fixed sandy land and those restored for 20—50 years were selected. Using the centrifugal group method， the characteristics of content evolution， density growth rate and contribution ratio of carbon and nitrogen in the soil and the combined state of sand， silt， and clay mineral particles in the 0—10 cm and 10—20 cm soil layers were explored.

Results

With prolonged restoration， sand-fixing forests substantially enhanced the densities of total organic carbon （TOC）， total nitrogen （TN）， and mineral particle-bound carbon/nitrogen， exhibiting linearly increasing trends. Sand fraction showed the highest carbon accumulation rate 〔0.14 Mg/（hm² · a）〕， followed by silt， whereas clay exhibited the lowest rate. After 50 years of restoration， arbor forests displayed 26.9% and 18.5% higher TOC and TN contents， respectively， than shrublands. In surface soils （0—10 cm）， the carbon content in sand， silt， and clay particles increased by 13.75， 11.37， and 5.24 times in shrublands relative to that in mobile dunes， respectively， reaching 13.73， 24.78， and 5.82 times increments in arbor forests. The surface layers of arboreal forests demonstrated significantly stronger carbon and nitrogen sequestration capacity in sand and silt particles than those of shrublands， whereas no significant differences were observed in clay particles and subsurface layers. Although sand particles contributed 42.36%—48.70% of total carbon-nitrogen increments， the combined silt and clay fractions （representing only 8.1% of total soil mass） accounted for 56.12% of organic carbon and 57.13% of TN sequestration， showing the characteristics of ‘low quantity and high efficiency’. The soil C/N ratios exhibited a unimodal pattern with the restoration chronology peaking in 20—30 years. Silt particles maintained the highest C/N ratios （26.6—39.9）， contrasting with the lowest values in clay fractions （10.7—18.4）， indicating substantial compositional differences in mineral-associated organic matter.

Conclusion

These findings highlight the critical role of vegetation restoration in enhancing soil carbon and nitrogen sequestration via accelerated sand particle accumulation and effective silt-clay adsorption mechanisms in desertification-controlled ecosystems.

关键词

Keywords

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