茶娜， 劉寶河， 張朕， 李龍，*， 王嫣嬌， 王立國， 蘇非非

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 呼和浩特 010010； 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，國家林業(yè)局荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018； 4.內(nèi)蒙古公路交通投資發(fā)展有限公司，呼和浩特 010050）

公路建設(shè)過程中的棄土、取土、施工機(jī)具的碾壓、堆料場、拌合場、倉庫、工棚、便道等會(huì)破壞地表植被[1-2]，使地表裸露，表土擾動(dòng)，土體天然結(jié)構(gòu)被破壞[3]，使原本脆弱的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[4]，直接導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)固碳功能在空間上形成較大的差異[5-6]。公路路域生態(tài)系統(tǒng)受不同立地條件的影響，產(chǎn)生不同的路堤、路塹、取土場等新的典型地貌。在全球氣候變化的大背景下，研究公路路域生態(tài)系統(tǒng)碳庫特征對碳達(dá)峰與碳中和的探索具有重要理論意義。

已有學(xué)者從不同角度探究了不同恢復(fù)年限下植被群落特征與土壤有機(jī)碳含量變化特征，并對植被碳含量和土壤碳含量之間的關(guān)系開展了大量研究，得到的結(jié)果也不盡一致。研究表明，不同的植物配置、不同降雨帶、植被覆蓋率等因素會(huì)影響恢復(fù)效果[7-8]，氣候條件、坡度、坡向?qū)ν寥拦烫加绊戯@著[9]。而影響生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量的因素包括植被有機(jī)碳含量、土壤碳儲(chǔ)量等[10-11]。許小明等[12]研究發(fā)現(xiàn)，不同植被組分碳密度和不同土層土壤有機(jī)碳密度隨恢復(fù)時(shí)間的推移總體上表現(xiàn)出增加趨勢，坡向?qū)Σ莸刂脖惶济芏葻o明顯影響，而土壤有機(jī)碳密度存在明顯的陰陽坡差異。李令等[13]研究發(fā)現(xiàn)，耕還草11 a后，其植被群落蓋度、平均高度、植物分層及地上生物量均達(dá)到原生植被水平，土壤有機(jī)碳密度和碳氮比（C/N）顯著高于原生植被樣地。

已有研究多集中在不同恢復(fù)措施對土壤有機(jī)碳含量、植被有機(jī)碳含量的影響，對路域生態(tài)系統(tǒng)中不同擾動(dòng)方式下土壤、植被和生態(tài)系統(tǒng)固碳功能研究較少。本研究以內(nèi)蒙古公路為研究對象，選擇1、5、15 a 共3 種不同恢復(fù)年限下4 種擾動(dòng)方式（碾壓、取土場、路塹、路堤），探索路域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)規(guī)律，為合理地采用相應(yīng)的恢復(fù)措施以及生態(tài)補(bǔ)償提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究所選取的3條公路分別為G303錫林浩特市-阿巴嘎旗段（G303-A）、G207錫林浩特市-西烏珠穆沁旗段（G207-X）和G207錫林浩特市-烏日圖塔拉段（G207-W），見圖1。3 條公路均位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的錫林郭勒草原，海拔在800～1 200 m，屬中溫帶半干旱、干旱大陸性季風(fēng)氣候，寒冷、多風(fēng)、干旱，年平均氣溫1～2 ℃。土壤類型主要以栗鈣土、棕鈣土和草甸土為主。其中，國道G303 起點(diǎn)為吉林集安，終點(diǎn)為內(nèi)蒙古錫林浩特，全長1 263 km，路經(jīng)吉林、遼寧、內(nèi)蒙古3 個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)），本研究選取該公路錫林浩特市-阿巴嘎旗段，啟建時(shí)間為2020年5月，全長96.4 km，路側(cè)土壤類型為栗鈣土。國道G207 起點(diǎn)為內(nèi)蒙古錫林浩特，終點(diǎn)為廣東徐聞縣，全長3 738 km，研究選取該路段錫林浩特市-西烏珠穆沁旗段和錫林浩特市-烏日圖塔拉段，啟建時(shí)間分別為2016 年4 月、2005 年10 月，錫西段公路長148.9 km，錫烏段公路長107.4 km，路側(cè)均為栗鈣土。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location of the study area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查 通過野外樣地調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)分析相結(jié)合，利用空間代替時(shí)間的方法分析內(nèi)蒙古典型草原區(qū)公路建設(shè)過程中由于路堤、路塹、取土場、碾壓4 種擾動(dòng)所導(dǎo)致土壤與植被有機(jī)碳含量特征的變化規(guī)律，并分析不同恢復(fù)年限（1、5、15 a）下公路路域土壤、植被的恢復(fù)特征。

①碾壓樣地屬于在公路建設(shè)過程中，由于施工機(jī)具、車輛等運(yùn)輸工作，使地表植被和土體天然結(jié)構(gòu)遭到破壞的區(qū)域。碾壓擾動(dòng)樣點(diǎn)分別設(shè)置在距離錫林浩特市35.1、49.7、15.4 km 處路側(cè)約10 m的地表裸露區(qū)。

②路堤樣地屬于高于原地面的填方路基，其土壤類型屬于復(fù)配土，本研究選取在高度1.0～1.5 m，坡度為35°～50°的路堤邊坡上設(shè)置樣方。路堤擾動(dòng)樣點(diǎn)設(shè)置在距離錫林浩特市24.3、105.9、76.3 km處高于路面的填方路基，其距離路面高度大約1～2 m，傾斜角15°～25°。

③取土場樣地為在取土過程中形成的土場，于取土場內(nèi)部設(shè)置樣方。取土場擾動(dòng)樣點(diǎn)設(shè)置在距離錫林浩特市33.6、78.6、17.5 km處的洼坑，與公路垂直距離在50～100 m，深度小于1 m。

④路塹樣地屬于低于原地面的挖方路基。路塹擾動(dòng)樣點(diǎn)設(shè)置在距離錫林浩特市45.2、63.5、101.5 km 處低于原路面的挖方路基，傾斜角在15°～20°。

每種樣地各取4～5個(gè)樣方進(jìn)行實(shí)測以減少偶然性誤差，選取未經(jīng)過公路建設(shè)擾動(dòng)的原生樣地作為對照組（CK），每個(gè)樣方用GPS 定位，樣方面積為1 m×1 m。共設(shè)樣地12 個(gè)，樣方共計(jì)59 個(gè)，樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information of sample plot

1.2.2 植被群落調(diào)查 每個(gè)樣方中分別測量植物株高、多度、蓋度和生物量并記錄。通過齊地刈割法獲得植物的地上部分并測其地上部分生物量，采用重鉻酸鉀法測定并計(jì)算植被有機(jī)碳含量[14]。依據(jù)樣方植被調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算Margalef 豐富度指數(shù)（M）、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）、Pieluo均勻度指數(shù)（E），計(jì)算公式如下[15]。

式中，Pi為種i的個(gè)體數(shù)與群落總個(gè)體數(shù)的比值；S為物種數(shù)；N為全部種的個(gè)體數(shù)；相對多度為該物種的多度/該研究區(qū)內(nèi)所有物種總多度；相對高度為該物種的蓋度/該研究區(qū)內(nèi)所有物種總高度；相對蓋度為該物種的高度/該研究區(qū)內(nèi)所有物種總蓋度。

1.2.3 土壤樣品的采集與測定 樣地和樣方的選取與植物群落調(diào)查抽樣保持一致。分別選取0—10、10—20、20—30 cm 土層，分層采集土壤樣品，并將每個(gè)樣地所有樣方相同土層剖面的土樣混合，帶回實(shí)驗(yàn)室測定其理化性質(zhì)，土壤有機(jī)碳含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 使用CANOCO 5軟件基于線性模型對有機(jī)碳含量-植被群落特征進(jìn)行冗余分析。其中物種數(shù)據(jù)為3種有機(jī)碳含量構(gòu)建的3×12為重要值矩陣；植被群落特征構(gòu)建7×12為植被群落特征矩陣，包括優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、物種數(shù)、蓋度、地上生物量共7個(gè)指標(biāo)。

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，Origin 2021繪圖。采用SPSS 21.0 進(jìn)行單因素方差檢驗(yàn)差異顯著性（P＜0.05）；CANOCO 5 繪制有機(jī)碳含量和植被群落特征的排序圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被群落特征及碳含量變化

2.1.1 植物組成及重要值分析 如表2 所示，原生對照組共調(diào)查植物18 種，分屬15 屬、9 科，重要值排在前3 位的植物為羊草(Leymus chinensis）、豬毛蒿(Artemisia scopariaWaldst. etKit.）、櫛葉蒿[Neopallasia pectinata(Pall.)Poljak.]，重要值分別為0.400 7、0.201 5、0.109 0?；謴?fù)期為1、5、15 a的樣地植物群落組成和原生對照組的差異有明顯規(guī)律，植物種數(shù)呈逐年遞增趨勢。研究區(qū)域內(nèi)，3 種不同恢復(fù)年限樣地共有的植物物種僅有羊草、大籽蒿2 種?；謴?fù)年限1 與5 a 共有的植物物種僅有2 種，分別為羊草、大籽蒿。與此不同的是，恢復(fù)年限5 與15 a 共有的植物物種較多，共有10 種。研究區(qū)域內(nèi)與原生對照組差別明顯，共有植物物種的重要值呈遞減趨勢，說明路域工程對于原生群落（CK）的復(fù)雜程度有一定負(fù)面影響。

表2 研究區(qū)不同植物組成及重要值Table 2 Composition and important values of different plants in the study area

2.1.2 植被多樣性指數(shù)分析 由表3 可知，在1～15 a的恢復(fù)過程中，隨著恢復(fù)年限的增加，各多樣性指數(shù)整體呈上升趨勢，并向原生樣地靠攏。其中，Margalef 豐富度指數(shù)、Pieluo 均勻度指數(shù)和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)在恢復(fù)15 a 時(shí)與原生對照樣地差異不顯著。在恢復(fù)年限為15 a 時(shí)，不同擾動(dòng)方式的4 種多樣性指數(shù)表現(xiàn)出相似的變化特征，基本表現(xiàn)為路堤＞路塹＞取土場＞碾壓。

表3 研究區(qū)植被多樣性指數(shù)Table 3 Vegetation diversity index of the study area

2.1.3 植被有機(jī)碳含量分析 如圖2所示，4種擾動(dòng)方式樣地植被有機(jī)碳含量呈現(xiàn)相同的變化趨勢，隨著恢復(fù)年限的增加，有機(jī)碳含量增加向原生樣地靠近；并且在3 種年限當(dāng)中，不同樣地類型植被有機(jī)碳含量整體表現(xiàn)為路堤＞路塹＞取土場＞碾壓；植被有機(jī)碳含量最大值出現(xiàn)在恢復(fù)15 a時(shí)，路堤樣地植被碳含量達(dá)到了143.65 g·kg-1，超過了原生對照樣地，最小值出現(xiàn)在恢復(fù)1 a 時(shí)，碾壓樣地植被碳含量為26.15 g·kg-1。其中，路堤和路塹樣地隨恢復(fù)年限的增長有機(jī)碳含量漲幅較大，碾壓和取土場樣地隨恢復(fù)年限增加有機(jī)碳含量漲幅較小。

圖2 不同恢復(fù)年限下植被有機(jī)碳含量Fig. 2 Vegetation organic carbon content under different restoration years

2.2 不同恢復(fù)年限土壤碳含量特征分析

由表4 可知，4 種樣地類型隨恢復(fù)年限的增加，土壤有機(jī)碳含量均增加。路堤樣地0—10 和10—20 cm 土層土壤有機(jī)碳含量經(jīng)過15 a 恢復(fù)后分別超過原生樣地5.6%和0.9%。10—20、20—30 cm 土層土壤有機(jī)碳含量隨恢復(fù)年限增長變化幅度較小。0—10 cm土層經(jīng)過15 a恢復(fù)期土壤有機(jī)碳含量有顯著性增加（取土場除外），碾壓、路塹和取土場樣地分別增長51.3%、76.7%和73.5%，由高到低順序?yàn)榛謴?fù)15 a＞恢復(fù)5 a＞恢復(fù)1 a。

表4 研究區(qū)不同樣地土壤有機(jī)碳含量Table 4 Soil organic carbon content of different sites in the study area（g·kg-1）

2.3 不同擾動(dòng)方式土壤有機(jī)碳含量特征分析

由表4可知，4種樣地類型土壤有機(jī)碳含量由高到低為路堤＞取土場＞路塹＞碾壓。隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳含量逐漸下降。在恢復(fù)期為1 a 時(shí)，路堤土壤有機(jī)碳含量顯著高于另外3 種擾動(dòng)方式（取土場20—30 cm 土層除外）。在恢復(fù)期為5 a時(shí)，取土場樣地土壤有機(jī)碳含量恢復(fù)速度較快。4 種擾動(dòng)方式在恢復(fù)初期有較為明顯的差別，在恢復(fù)期為15 a 時(shí)，路堤、路塹和取土場樣地都已恢復(fù)到較高水平，但碾壓樣地與其他3 種樣地差異較大，分別相差110.6%、58.0%、90.8%。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量特征

如圖3所示，在3種恢復(fù)年限下，4種樣地類型生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為路堤＞路塹＞取土場＞碾壓，路堤在3種恢復(fù)年限生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量均高于其他3種樣地，并且在恢復(fù)15 a時(shí)超過了原生對照21.6%。在3種恢復(fù)年限下，碾壓和取土場差異不顯著，并且二者顯著低于其他2種樣地?；謴?fù)年限為1和5 a時(shí)，路堤和路塹差異不顯著，恢復(fù)期為15 a 時(shí)，路堤與另外3 種擾動(dòng)方式均差異顯著（P＜0.05）。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量Fig. 3 Ecosystem organic carbon content

CANOCO分析表明，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)對有機(jī)碳含量的影響最為顯著。RDA 分析（圖4）顯示，第1軸能夠解釋所有信息的94.52%，第2軸能解釋所有信息的4.48%，累計(jì)解釋信息量達(dá)100%。由此可知，前2 軸能夠很好地反映植被有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳含量和生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量與植被群落特征的關(guān)系，并且主要是由第1 軸決定。從圖4 可以看出，Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)、Margalef 豐富度指數(shù)、生物量與土壤有機(jī)碳含量、植被有機(jī)碳含量和生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量呈正相關(guān)關(guān)系，物種數(shù)對于土壤有機(jī)碳含量無明顯影響。這一結(jié)果說明了Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)是主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量、植被有機(jī)碳含量和土壤有機(jī)碳含量的重要驅(qū)動(dòng)因子。

圖4 植被群落特征與碳含量的冗余分析Fig. 4 Redundancy analysis of vegetation community characteristics and carbon content

3 討論

3.1 不同恢復(fù)年限對路域生態(tài)系統(tǒng)固碳功能的影響

已有研究表明，生態(tài)恢復(fù)初期土壤環(huán)境惡化，植物群落結(jié)構(gòu)和物種組成簡單，隨著恢復(fù)年限的延長，土壤有機(jī)質(zhì)不斷積累，生態(tài)系統(tǒng)固碳功能增加[16-17]。本研究中，不同恢復(fù)年限對土壤有機(jī)碳含量具有顯著影響。植被有機(jī)碳含量隨恢復(fù)年限增加呈現(xiàn)上升趨勢，恢復(fù)時(shí)間越長植被的固碳效果越明顯，這與Deng 等[18]和馮棋等[19]的研究結(jié)論一致。

在土壤垂直剖面中，不同恢復(fù)年限土壤有機(jī)碳含量均隨土層的加深而下降。表層土壤腐殖質(zhì)較厚、通氣性高、微生物豐富度較高[20]，并且植物枯落物補(bǔ)充了有機(jī)質(zhì)，有利于有機(jī)碳的積累，隨著土層深度的增加微生物的活動(dòng)相對較少，同時(shí)外源性碳輸入降低，陳春蘭等[21]和Wang 等[22]在對土壤剖面有機(jī)碳組分分布特征的研究中得到了相同的結(jié)論。本研究中各土層土壤碳含量依次為0—10 cm 土樣＞10—20 cm 土樣＞20—30 cm 土樣，原生態(tài)＞恢復(fù)15 a＞恢復(fù)5 a＞恢復(fù)1 a，說明恢復(fù)年限與表層土壤碳含量呈正相關(guān)。土壤表層有機(jī)物質(zhì)的積累主要依賴凋落物的分解，凋落物主要集中在土壤表層，而中下層土壤不能直接接收地表植物殘?bào)w，主要依靠上層的淋溶下移和地下部分植物殘?bào)w分解，導(dǎo)致土壤層有機(jī)質(zhì)含量自上而下依次減小。植物根系也主要集中在土壤表層，其垂直分布直接影響輸送到土壤各層次的碳及養(yǎng)分含量。另外，樹木的生長需要根系從深層土壤中吸收養(yǎng)分，因此，表層土壤碳的積累大于消耗，而深層土壤碳消耗大于積累。隨著恢復(fù)時(shí)間的延長，土壤的理化性質(zhì)數(shù)值皆表現(xiàn)出向未擾動(dòng)區(qū)域靠攏的趨勢，這與余海龍等[23]對高速公路路域邊坡人工植被下土壤質(zhì)量變化的研究結(jié)果一致。

在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤與植被是相互依存、相互制約的因子。本研究發(fā)現(xiàn)，不同擾動(dòng)方式下土壤養(yǎng)分有顯著差異，由于土壤養(yǎng)分制約了植物的生長[24]，并且是植被演替的動(dòng)力之一，導(dǎo)致植被碳匯功能出現(xiàn)了與土壤碳匯功能相同的規(guī)律。植被恢復(fù)同樣促進(jìn)了研究區(qū)土壤環(huán)境的改變，隨著研究區(qū)恢復(fù)年限的增加，植被蓋度增加，減弱了風(fēng)沙對地表的侵蝕，有利于土壤養(yǎng)分的積累[25]；同時(shí)植物生物多樣性增加，進(jìn)入土壤的枯枝落葉及根系殘留物的量增加，大幅提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)也會(huì)促進(jìn)地表結(jié)皮層的形成，使土壤基穩(wěn)性進(jìn)一步加強(qiáng)，使植被演替向正向發(fā)展[26]。

3.2 不同擾動(dòng)方式對路域生態(tài)系統(tǒng)固碳功能的影響

公路路域生態(tài)環(huán)境受干擾因素眾多，公路建設(shè)過程中路域自然資源受到嚴(yán)重破壞，并且短期內(nèi)恢復(fù)效果較差，導(dǎo)致植被多樣性下降，土壤固碳功能、植被固碳功能大幅度下降。生態(tài)系統(tǒng)碳含量是土壤、植被類型和人為干擾等多重因素綜合影響下有機(jī)碳動(dòng)態(tài)平衡的體現(xiàn)，在不同土地利用方式下，土壤所受干擾程度不同，致使碳含量存在顯著差異[27]。本研究中在不同擾動(dòng)方式下，植被群落特征、土壤碳含量、植被碳含量以及生態(tài)系統(tǒng)碳含量最值集中在路堤和碾壓樣地當(dāng)中。原生樣地和路堤樣地差異不顯著，路堤樣地顯著高于其他擾動(dòng)方式樣地，固碳功能最好；路塹和取土場樣地差異不顯著，處于中等水平；碾壓樣地顯著低于其他3 種樣地（P＜0.05），固碳功能最差。由于碾壓過后地表植被遭到嚴(yán)重?fù)p傷，并且土壤容重增大致使植物根系無法延伸，最終導(dǎo)致植被大量被破壞且恢復(fù)困難，楊穎慧等[28]和張琳琳等[29]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。固碳功能恢復(fù)效果最好的擾動(dòng)方式是路堤，這是由于坡面角度較大、光照充足促進(jìn)植物生長發(fā)育，增加植被固碳能力。路堤的土壤屬于復(fù)配土，土壤中營養(yǎng)物質(zhì)豐富，植物易于生長和恢復(fù)，這與翟佳[30]的研究結(jié)果一致。另外，廖嬌嬌等[31]認(rèn)為不同植物群落多樣性指數(shù)與有機(jī)碳和有機(jī)碳密度呈顯著或極顯著相關(guān)，在本研究中得出了類似的結(jié)果：多樣性指數(shù)與碳含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，植被多樣性指數(shù)是主導(dǎo)碳含量的重要驅(qū)動(dòng)因子。在已有研究中與本研究結(jié)果相同的是，經(jīng)恢復(fù)后的受擾動(dòng)區(qū)域可以超越原生樣地[32-33]。路塹邊坡與路堤邊坡自然條件相似，但是在恢復(fù)過程中呈現(xiàn)不同的結(jié)果，這是由于在公路通車以后，路塹邊坡受人為活動(dòng)干擾較多，土壤顆粒組成趨于粉砂化，土壤有機(jī)質(zhì)含量處于極缺乏狀態(tài)，這與李文軍等[34]的研究結(jié)果類似。