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沙地（沙漠）作为陆地生态系统重要组成部分,具有潜在的碳汇空间和功能。由于流动沙地风蚀沙化严重、土壤贫瘠、生产力低、生态系统结构单一,在自然状态下碳固持能力较弱。通过人工构建植被并可持续恢复,是促进沙地土壤有机碳库形成和发展,提升生态系统碳汇能力的有效措施。本文针对沙漠化逆转过程中我国毛乌素沙地人工植被恢复对土壤有机碳库和土壤呼吸作用的形成、发展的影响机理不明问题,用空间代替时间的方法,选择内蒙古鄂尔多斯市乌审旗境内造林后恢复11a、20a、32a的杨柴防风固沙人工灌木林（以下简称YC1、YC2、YC3）为实验对象,开展了人工灌木林植被恢复特征、土壤有机碳及组分和土壤呼吸作用演变特征研究,探讨生物和非生物环境因子对土壤碳库和呼吸作用的影响规律,从而阐释沙地土壤有机碳积累和呼吸作用对人工植被恢复的响应机理。研究成果为今后沙地林草生态建设过程中土壤碳库的评估预测、土壤及其生态系统碳平衡研究和碳增汇经营管理实践提供基础依据。主要研究结论如下:1.毛乌素沙地杨柴人工灌木林随着造林年限的增加,灌木层盖度、生物量等主要生长指示指标以及草本层盖度、物种组成、密度和生物量、枯落物生物量和地下根系生物量等指标显著提高。恢复11a、20a、32a杨柴灌木林灌木层盖度分别为77.5%、93.2%和97.0%,生物量分别为2258.13 kg·hm-2、2675.83 kg·hm-2和3443.4 kg·hm-2;单位面积枯枝落叶现存量分别为1096.9kg·hm-2、2951.7kg·hm-2和3968kg·hm-2;单位面积根系生物量为2602.2、6651.6、9072.9 kg·hm-2。此外,土壤有机质、全氮、全磷、全钾等主要养分物质含量也显著提高,植被恢复对风沙质量的改善效果明显。2.随着杨柴灌木林植被恢复年限的增加,土壤总有机碳、有机碳密度及其有机碳物理组分、有机碳化学组分和生物组分碳含量持续增加。其中,恢复11a、20a、32a地0-60cm土层:土壤总有机碳平均含量为1.934g·kg-1、2.591g·kg-1、4.135 g·kg-1,总有机碳密度为1.14 kg·m-2、1.63kg·m-2、2.62kg·m-2;物理组分的轻组和重组有机碳含量分别为1.409 g·kg-1和0.525 g·kg-1、1.951 g·kg-1和0.676 g·kg-1、2.853 g·kg-1和0.863 g·kg-1;化学组分中的活性和惰性有机碳含量依次为0.06 g·kg-1和1.886 g·kg-1、0.087 g·kg-1和2.523 g·kg-1、0.140 g·kg-1和4.028 g·kg-1;生物组分含量分别为3.75mg·kg-1、7.01 mg·kg-1、10.983 mg·kg-1。在土壤有机碳中,重组和惰性组分比重较高,且随植被恢复年限的增加,比例逐渐增高,有机碳库稳定性增强。3.在全年尺度上,生长季和非生长季杨柴灌木林土壤呼吸速率日变化均遵循“单峰”曲线变化规律,与土壤温度日变化规律保持一致,最高值在一般在14:00-16:00期间出现,最低值在03:00-06:00间出现。土壤呼吸速率季节变化同样呈“单峰”曲线规律,最高值在生长旺季的7-8月出现,最低值在冬季1月份出现。YC1、YC2、YC3样地全年土壤总呼吸速率平均值分别为0.491μmol·m-2·s-1、0.833μmol·m-2·s-1和1.313μmol·m-2·s-1,与未造林流沙地（CK）的0.1445μmol·m-2·s-1相比,植被恢复极显著加强了呼吸作用（P＜0.01）。在全年尺度上,土壤异养呼吸占总呼吸的63.1%-94.6%,非生长季的比例高于生长季,且该比例随林龄的增加持续增高。沙地杨柴人工灌木林地土壤呼吸具有明显的空间异质性特征,在生长季,阴坡高于阳坡,下坡位高于上坡位;非生长季则相反。恢复11a、20a、32a杨柴林地土壤年总呼吸通量分别为183.36g C·m-2、310.83 g C·m-2和489.92 g C·m-2,其中异养呼吸占76.2%-82.3%,自养呼吸占17.7%-23.8%。4.相关性分析和多元回归分析结果表明,在毛乌素沙地杨柴灌木林植被恢复进程中,地上植被生物量、死根生物量和枯落物现存量的持续积累对沙地土壤总有机碳及各组分含量的增加贡献较大,其中死根生物量的贡献最大。植被的可持续恢复是土壤有机碳库形成和发展的必然前提。5.在日尺度上,土壤总呼吸、异养呼吸与土壤0-5cm、5-10cm温度之间有极显著指数相关性（P＜0.001）,与土壤10-20cm温度之间有显著指数相关性（P＜0.05）,自养呼吸速率与土壤各层温度之间的相关性不显著（P＞0.05）。在季节尺度上,土壤总呼吸速率、异养呼吸速率和自养呼吸速率均与土壤0-20cm土层温度有极显著的指数正相关关系（P＜0.001）,5-10cm土层温度与呼吸速率的相关性最强。土壤温度能解释总呼吸变化的83%-92.5%,异养呼吸的81.2%-85.1%,自养呼吸的60%-70%。在季节尺度上,土壤呼吸速率与0-5cm、5-10cm、10-20cm土层含水率之间具极显著正相关关系（P﹤0.001）;土壤温度的影响能解释呼吸作用的55.8%-75.2%,土壤水分的影响能解释24.8%-45.2%。与单因素拟合模型相比,非线性双因素复合模型(Rs=aeb TWc)更好地反映土壤温度和水分交互作用对呼吸的影响。6.在年际尺度上,杨柴灌木林植被盖度、群落地上生物量、地下根系生物量、枯落物生物量、土壤微生物数量和养分含量是影响呼吸作用的主要生物和非生物因素,且随着林龄的增长,上述因子值对土壤呼吸作用产生积极的驱动效应,使土壤呼吸作用持续加强。多元线性回归模型表明,土壤有机质含量和群落地上生物量是生长季土壤呼吸的主导影响因素;而死根生物量是非生长季土壤呼吸的主导影响因子。综上所述,毛乌素沙地杨柴人工灌木林植被恢复促进了沙地土壤有机碳库的形成和发育,土壤碳储存功能持续增强。同时,植被恢复驱动了土壤呼吸作用,从而提高了土壤向大气排放CO2的速率和排放量。研究结果为“双碳”背景下加强沙地人工林植被的经营增汇提供了警示。