高速公路岩石路堑边坡不同恢复年限植被
固碳量变化特征
高小虎1，李帅2，宋桂龙3，齐韵涛1，于洋1
（1.北京清大绿源科技有限公司，北京    100083；2.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东济南250101；3.北京林业大学草业与草原学院，北京    100083）
摘要：【目的】不同生长年限高速公路边坡植被的固碳量会随着植物生长、落发育不断发生变化，本研究旨在分析小尺度、断续、独立的高速公路边坡生态恢复工程下植被固碳量变化特征。【方法】以国家京沪高速公路山东境内植被恢复2、12和22年的3处岩石路堑边坡生态恢复工程为研究区，采用样方调查及生物量法对植被固碳量进行测算。【结果】区内共发现35种植物，8种典型落；2年期坡面覆盖度达到85%，平均高度32 cm，分化出现了以禾本科、菊科、豆科为主的草本落（VCS：241.75~286.09 g/m2）和以刺槐、紫穗槐、马棘、胡枝子为主的灌草落（VCS：301.72~323.22 g/m2）；恢复12、22年坡面覆盖度超过95%，平均高度330 cm，物种明显增加，全部形成以刺槐、紫穗槐为主的优势落（VCS：778.86~808.63 g/m2）；禾本科杂草、爬藤植物的固碳效率较豆科草本植物低，以刺槐、紫穗槐、胡枝子、马棘为主的灌草落单位面积的固碳能力远强于草本落。【结论】该结果可为高速公路边坡的植物落设计、公路养护管理、植被碳汇效益评估等提供参考。
关键词：高速公路；路堑边坡；生态恢复；植被固碳；生物量
中图分类号：U416.1+4 文献标志码：A 文章编号：1009-5500（2023）04-0105-08
DOI：10.p.2023.04.014
截至2021年12月，我国公路总里程已近500万km，随着高速公路的建设规模越来越大，逐步向更高、更险、更远的多山地区发展，开挖边坡及与之配套的边坡生态恢复工程规模也越来越大。边坡生态恢复工程是以植被恢复为先导，通过各种物理、化学等工程手段对受损边坡的结构和功能进行修复［1-2］。工程上一般在边坡表面喷射一层由土壤、基质、保水剂、粘合剂、有机肥和植物种子组成的“客土”，经历种子发芽、先锋草成坪、灌草植被恢复的过程，最终实现坡面稳定植被覆盖［3-6］。边坡植物在光合作用中将大气中的CO2转化为碳水化合物，并以有机碳形式固定下来，通过不断积累地上生物量和地下生物量完成边坡生态恢复工程植被碳汇［7-10］。
我国研究植被碳汇的时间较晚，目前关于边坡生态恢复工程的碳汇研究并未多见，公开文献中的固碳量测算方法多出现于农林、气象、遥测等行业的研究成果，如遥感估测法、气象观察法、经验值法、同化量法［11］。王大卫等［12］采用蓄积-林龄的Logistic方程，结合IPCC材积源-生物量法，认为我国主要人工乔木林总碳储量增加了498.81Tg。黄玉芹等［13］研究了赤峰地区主要灌木人工林生态系统碳储量，认为灌木层碳储量达到774.19 g/m2，草本层碳储量5.17 g/m2。王欢等［14］认为不同森
林的灌草生物量组成存在较大差异，油松林、栓皮栎林、针阔混交林林下灌草层生物量分别为162.2、165.2、200.8 g/m2。近年来各地农林行业发布了多项农林固碳标准，包括《农田土壤固碳核算技术规范》［15］、《森林生态系统碳储量计量
指
收稿日期：2022-11-18；修回日期：2022-12-23
基金项目：国家重点研发计划子课题（2019YFF0303202-01）；齐鲁高速公路投份有限公司科技研发项目
（QL-2022162KY-7）
作者简介：高小虎（1982-），男，四川高县人，博士，从事林草植被恢复工作。E-mail：gaoxh@vip.qq
南》［16］、《林业碳汇计量监测体系建设技术规范》［17］。具体在高速公路固碳研究方面，李斯涛［18］、徐铭［19］、龙圣勇等［20］围绕高速公路服务区、绿化工程区提出了固碳型绿化配置和相应绿化设计，并依托杭浦高速公路等互通区、枢纽区进行固碳林建设，监测出平均年净碳量2 294 t，固碳交易经济效益人民币4.4万元，增值效益400万元。但从整体上看，目前高速公路固碳研究刚刚起步，未见针对边坡生态恢复工程进行的研究。从恢复生态学来讲，由于高速公路开挖所形成的边坡比原生地形更陡，其生境条件变得相对困难［21］，从而导致恢复过程中植物适生性、落稳定性、生物多样性非常不稳定，难以恢复到受干扰前的原生状态，动态恢复的复杂特征使得植被固碳量难以量化，农林行业面向大尺度范围的林草固碳量测算方法，不足以支持高速公路边坡生态恢复工程这类小尺度、断续、独立环境下植被固碳量的分析和测算。
基于此，本研究以国家京沪高速公路（G2）山东境的3处岩石路堑边坡生态恢复工程为研究区，将高速公路封闭环境下的边坡生态恢复工程的植被固碳量定义为边坡植物在单位时间内单位面积上能固定的总能量中除去其自身呼吸消耗掉的部分，这种边坡植物的净初级生产力几乎全部转化为植物的地上生物量和地下生物量，而枯死木、枯落物和土壤有机质是生物量的其他形式转化［22］，通过对植被样方和生物量调查，测算边坡植被固碳量，以期分析不同年限高速公路边坡恢复植被的固碳量变化特
征。
1　材料和方法
1.1　研究区概况
选择地处国家京沪高速公路山东境的3处岩石路堑边坡生态恢复工程为研究区，研究区的自然环境及立地条件见表1。其中，K562为1999年化临路建设工程（泰安市化马湾-临沂市义堂镇）实施的边坡绿化，采用人工覆土播种的方式进行生态恢复；K466为2009年青兰高速公路绿化提升工程（青岛-兰州）实施的生态防护，采用挂SNS主动防护网基础上+客土喷播进行生态恢复；K565为2019年京沪高速公路改扩建工程（北京-上海）实施的高边坡生态提升工程，采用挂热镀锌铁丝网+客土喷播进行生态恢复。工程选用物种及配方为高羊茅、多年生黑麦草、结缕草、紫花苜蓿、沙打旺、刺槐、胡枝子、紫穗槐。
1.2　研究方法
1.2.1　落及生物量调查　在坡面随机设置样方，草本植物样方规格1 m×1 m，分别记录草本种数及每一物种高度、盖度；灌木样方规格5 m×5 m，分别记录灌木种数及高度、盖度、地径等数据；由于路堑边坡恢复乔木物种为灌化乔木，均列入灌木进行统计。草本和爬藤植物生物量调查采取刈割法，
剪取植株全部地上部分，称取鲜重并记录，从中称取标准样100 g，带回实验室105 ℃烘干后再称重获得草本地上生物量。灌木生物量调查采取遴选法，按植株大小设置高、中、低3种水平，分别截取植株全部地上部分，分解枝、干、叶后称取鲜重并记录，各取标准100 g，带回实验室105 ℃烘干后再称重获得灌木地上生物量。所有步骤均按3次重复进行，并对测得数据进行显著性检验。地下生物量选用林业行业标准《森林生态系统碳储量计量指南》，数据调查时间为2021年9月15-20日。1.2.2　植被固碳量测算　本研究的植被固碳量只对活体植株进行测算分析，不包含枯枝落叶层。根据光合作用反应方程式6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2↑，高速公路边坡生态修复工程每产生1 g干物质（M）平均需要1.62 g CO2，CO2中的碳质量比12/44=0.273，则植被固碳量（VCS）计算公式为：
VCS=M×1.62×0.273=M×0.44226
表1　3处边坡自然环境及立地条件
Table 1　Natural environment and site conditions on the three slopes
编码2Y 12Y 22Y 桩号
K565
K466
K562
经纬度
E 118º05′，N 35º59′
E 117º56′，N 36º40′
E 118º04′，N 35º60′
样地数/个
9
9
9
坡度/°
45
55
40
坡向
南
南
北
年均降水量/mm
626
640
640
修复年限/年
2
12
22
1.3　数据处理及分析
本研究的数据统计、趋势对应分析、聚类分析、方差分析、回归方程和制图均采用SPSS 13和EXCEL 2013进行分析、绘制。
2　结果与分析
2.1　落组成特征
3个边坡植被调查共发现35种植物（表3）。其中，灌化乔木、灌木、草本、藤本植物分别为4、6、20、5种，多见科包括豆科、禾本科、菊科，共21种植物，少见科包括马鞭草科、鼠李科、堇菜、蔷薇科、牻牛儿苗科、玄参科、桔梗科、葡萄科、萝藦科、旋花科、桑科，共11种植物。采用双向指示种（TWINSPAN）分类分析，可明显划分为8个落，其中K565包括以马唐杂草为主（2Y.1落），以紫花苜蓿、高羊茅为主（2Y.2落），以刺槐、紫穗槐、紫花苜蓿、高羊茅为主（2Y.3
表2　3处边坡植被落与物种分布（2021年9月）
Table 2　Vegetation community and species distribution on the three slopes（ Sep.2021 ）
序号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
植物名称
刺槐Robinia pseudoacacia
臭椿Ailanthus altissima
构树Broussonetia papyrifera
泡桐Paulownia fortunei
紫穗槐Amorpha fruticosa
马棘Indigofera pseudotinctoria
胡枝子Lespedeza bicolor
截叶铁扫帚Lespedeza cuneata
荆条Vitex negundo
酸枣Ziziphus jujuba
紫花苜蓿Medicago sativa
米口袋Gueldenstaedtia verna
沙打旺Astragalus adsurgens
高羊茅Festusa elata
黑麦草Lolium perenne
结缕草Zoysia japonica
狗尾草Setaria viridis
马唐Digitaria sanguinalis
隐子草Cleistogenes serotina
黄花蒿Artemisia annua
小蓬草Erigeron canadensis
苦荬菜Ixeris polycephala
茵陈蒿Artemisia capillaris
旋覆花Inula japonica
鳢肠Eclipta prostrata
紫花地丁Viola philippica
莓叶委陵菜Potentilla fragarioides
老鹳草Geranium wilfordii
地黄Rehmannia glutinosa
沙参Adenophora stricta
五叶地锦Panthenocissus qninquefolia humifusa
三裂叶葛藤Pueraria phaseoloides
地梢瓜Cynanchum thesioides
牵牛Ipomoea nil
葎草Humulus scandens
落类型
2Y.1
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2Y.2
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2Y.3
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2Y.4
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12Y.1
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12Y.2
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22Y.1
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22Y.2
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注：“*” 表示该植物在对应的落类型中出现
落），以马棘、胡枝子、紫花苜蓿、马唐为主（2Y.4落）4种落，主要表现为禾本科和豆科草本的地被植物分布较多，灌木低矮；K466包括以刺槐、马棘、五叶地锦、狗尾草为主（12Y.1落），以紫穗槐、马棘、胡枝子、高羊茅为主（12Y.2落）2种落，主要表现为豆科灌木分布较多，林下空间有草本和爬藤植物，立体结构丰富；K562包括以紫穗槐、马棘为主（22Y.1落），以刺槐、五叶地锦为主（22Y.2落）2种落，主要表现为植株高大、灌木分布均匀，林下植被稀疏、郁闭度高。
2.2　落分布特征
对比3种不同恢复年限的高速公路边坡生态恢复工程落组成与物种分布，恢复2年坡面覆盖度达到85%，平均高度32 cm ，物种出现24种，灌化乔木和灌木植物除工程引入的刺槐、紫穗槐、马棘、胡枝子，未见其他品种，草本植物较多，工程引入的豆科、禾本科与当地适生的禾本科、菊科植物都有显著分布，整体以草本和矮灌草地植物为主。恢复12、22年坡面覆盖度超过95%，平均高度3.3 m ，灌草藤物种明显增加，丰富度提升，刺槐、紫穗槐植株高度、密度均表现为绝对优势物种，林下草本
层虽然稀疏，但物种数量也呈增加趋势，尤其是恢复22年的22Y.1落，灌化乔木、灌木和草本物种数量分别达到3、6、13种（图1），是本研究坡面中最为丰富的落类型。2Y.1落和2Y.2落是以草本植物为主的类型，独立调查样本的灌木物种仅出现1种，但藤本物种多达4种，与以灌草落相比较，当植物在生态恢复工程坡面的空间占有率和利用率不足时，马唐、狗尾草、地梢瓜、葎草等野生杂草和爬藤植物的种间竞争能力强劲，能在短期内迅速
建并覆盖坡面，一旦形成优势物种，就会明显限制其他物种的正常生长。2.3　生物量特征
除以草本植物为主的2Y.1落和2Y.2落外，所有落地上生物量均表现为：灌木层>草本层；恢复2年的坡面出现的2Y.3落和2Y.4落属灌草落，其地上生物量分别为783.28、798.11 g/m 2，明显高出同时期的草本落地上生物量457.173~558.383 g/m 2，灌木植物平均增幅达到55.7%，而恢复12、22年的4个落均为灌草落，其灌木层地上生物量为1 136.293~1 244.013 g/m 2，草本层地上生物量降为194.133~268.077 g/m 2，在生态恢复过程中，灌木植物逐渐具有较高水平的最终形成了绝对优势。将同时期且同类型的落地上生物量进行对比，具有刺槐植株的落相对突出，2Y.3落（798.110 g/m 2）>2Y.4落（783.280 g/m 2），12Y.1落（1 458.065 g/m 2）>12Y.2落（1 404.370 g/m 2），22Y.1落（1 438.147 g/m 2）>22Y.2落（1 419.637 g/m 2），说明灌木植物中的刺槐相较紫穗槐、马棘、胡枝子的地上生物量均具有优势。
地下生物量选用林业行业标准《森林生态系统碳储量计量指南》进行取值计算［17］。研究区均为相对低矮的灌草落，参照幼龄和中龄树种，根据树种地下生物量与地上生物量的平均比值，RSR 幼龄=0.253，RSR 中龄=0.255，本次取值0.254。得到各落的全生物量（表4）。按对数趋势线对落总生物量进行拟合（图2）。经t 检验为显著相关。落总生物量始终处于递增趋势，随年限增加，植被趋于稳定，总生物量的增加趋势逐渐放缓。2.4　固碳量测算分析
草本层固碳量随着恢复年期的增加呈减少趋势，其中恢复2年期2Y.2落最高，为177.68 g/m 2，灌木层固碳量随着恢复年限的延长增加（表5）。
3　讨论
3.1　草本层固碳量变化特征
2Y.2落草本层植物构成以紫花苜蓿、高羊茅、黑麦草等豆科和禾本科植物为主，比同样恢复年期的
以马唐、狗尾草等禾本科杂草2Y.1落固碳量大，说明即使边坡生态修复工程使用了相同的土壤和种
子
图1　8个落的物种分布
Fig.1　Species distribution of 8 communities
配方，由于从种子到出苗，再发展为植被落的过程中，种间竞争非常激烈，光照、水肥条件不同，会在坡面形成不同的落类型，2Y.1落是典型的人为设计物种，占有率和光热利用率不足，本地马唐、狗尾草等野生禾本科杂草能在短期内迅速建并覆盖坡面，形成优势种后限制人为设计物种的正常生长。因此，同一个坡面出现不同类型的植物落，其坡面固碳量也
会随之分化。恢复22年的22Y.2落为最低值85.86 g/m 2，其草本层植物构成以五叶地锦和狗尾草
表3　3处边坡植被地上生物量
Table 3　Aboveground biomass of vegetation on the three slopes
指标
灌木层
草本层
灌草合计
平均值/（g·m -2）
标准差变异系数/%平均值/（g·m -2）
标准差变异系数/%平均值/（g·m -2）
标准差变异系数/%
落类型
2Y.197.2603.0143.099333.2476.8862.066457.1739.8042.144
2Y.2103.2973.2643.160401.7533.1850.793558.3831.0190.182
2Y.3207.0777.4253.586321.0332.7390.853798.11028.7863.607
2Y.4174.3602.2601.296308.9203.5621.153783.28013.9491.781
12Y.11 201.44326.8642.236256.6212.7071.0551 458.06526.1241.792
12Y.21 136.29315.5491.368268.0771.9630.7321 404.37013.9150.991
22Y.11 215.77719.5991.612203.8601.6270.7981 419.63720.6711.456
22Y.21 244.01323.8151.914194.1331.6530.8521 438.14725.4641.771
注：表中的灌木层、草本层和灌草合计地上生物量，均以获得的独立样本进行统计，取算术平均值，其中“灌草合计”是单个样本中的“灌木层”+“草本层”的整体平均值
表4　3处边坡的落全生物量
Table 4　Total biomass of communities on the three slopes
g ·m -2
指标地上部分地下部分全株
2Y.1457.173116.122573.295
2Y.2558.383141.829700.213
2Y.3798.110202.7201 000.830
2Y.4783.280198.953982.233
高速公路免费时间表2023
12Y.11 458.065370.3481 828.413
12Y.21 404.370356.7101 761.080
22Y.11 419.637360.5881 780.224
22Y.21 438.147365.2891 803.
436
图2　不同恢复年限的全生物量趋势
Fig.2　Total biomass trend in different restoration years
表5　不同恢复年期的植被固碳量
Tab.5　Vegetation carbon sequestration in different restoration years 期
g/m 2
指标灌木层草本层地下层合计
2Y.143.01147.3851.36241.75
2Y.245.68177.6862.73286.09
2Y.391.58141.9889.65323.22
2Y.477.11136.6287.99301.72
12Y.1531.35113.49163.79808.63
12Y.2502.54118.56157.76778.86
22Y.1537.6990.16159.47787.32
22Y.2550.1885.86161.55797.59