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黑土区公路边坡生态修复驱动土壤碳氮固存与温室气体减排效应
张静芳1,2 卢谦3* 李国良4 梁爽3 胡艳静1,2 王金枝1,2*
1 中国林业科学研究院生态保护与修复研究所
2 湿地环境保护与生态修复全国重点实验室
3 中国公路工程咨询集团有限公司
4 黑龙江省公路建设中心
本文引用格式：
张静芳，卢谦，李国良，等. 2026. 黑土区公路边坡生态修复驱动土壤碳氮固存与温室气体减排效应[J]. 湿地科学与管理, 22(2): 17-24.
doi:10.3969/j.issn.1673-3290.2026.02.03
东北黑土区是我国重要的沼泽湿地分布区和粮食生产基地，高速公路建设会影响区域土壤碳氮含量及温室气体排放格局。然而，目前生态修复措施对黑土区公路边坡土壤碳氮含量和温室气体排放的影响，相关认识仍有不足。本研究以黑龙江北漠高速公路典型区域K72和K22为研究对象，设置农田、未恢复边坡、植草修复边坡、框格骨架＋植草修复4类样地，采集土壤和气体样品，分析植被生态修复对土壤碳氮含量及温室气体排放通量的影响。结果表明：生态修复可显著提高土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）及微生物量碳氮（MBC、MBN）含量，增强土壤酶活性；同时显著降低CO2排放量，N2O 排放量以农田最高，在K72和K22处分别为374.3±46.6μg·m-2·h-1和111.5±27.3 μg·m-2·h-1；温室气体排放以CO2为主导，其对综合增温潜势的贡献远高于CH4和N2O，且CO2通量与土壤含水量、容重显著相关。植被恢复与工程措施协同配置可有效提升公路边坡土壤碳氮含量与微生物酶活性，降低综合增温潜势。研究结果可为黑土区与湿地保护管理提供理论支撑。
样地设置
在北漠高速公路（G1213）五大连池至嫩江段K72和K22两个已完成生态修复的典型路段，各选取3种高速公路边坡类型，分别为：对照（CK），即高速公路建设后未恢复边坡；植草修复（GR），即播种早熟禾与紫穗槐的生态修复区域；框格骨架+植草修复（FG+GR），即混凝土框格骨架内植草修复区域。此外，在K72和K22路段分别选取高速公路旁种植大豆的农田作为参照（AG）。试验共设4种处理，每种处理3个重复，共计24个样方，每个样方大小为2 m×2 m。
采用静态箱-气相色谱法测定温室气体（CO2、CH4 和N2O）排放通量（郑循华等, 2017）。每个样方中布设静态箱采集气体样品，静态箱由基座和顶箱两部分组成，其中顶箱直径20 cm、高50 cm，将基座插入土壤10 cm深处静置。采样时，用水密封静态箱，用50 mL带三通阀的注射器抽取箱内气体15 mL，分别于0、10和20 min进行采样；样品采集后及时带回实验室，用气相色谱仪（7980A, Agilent）测定CO2、CH4 和N2O气体浓度（潘光等, 2023）。
采集各样方0～20 cm土壤样品，过2 mm筛后，分别风干和4℃冰箱保存备用。土壤含水率（SWC）和容重（BD）采用烘干法测定；土壤粒径采用筛分法测定；土壤有机碳（SOC）、土壤溶解性有机碳（DOC）采用总有机碳分析法测定（Dong et al., 2022b；高少鹏等, 2019）；土壤微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）用氯仿熏蒸浸提法测定（Kanazawa et al., 1996; Wu et al., 1990）；土壤pH值采用电位法测定；总氮（TN）采用凯氏定氮法进行测定（鲍士旦, 2000）；土壤铵态氮（NH4+-N）采用靛酚蓝分光光度法测定，硝态氮（NO3--N）采用紫外分光光度法测定（赵洁等, 2011）；总磷（TP） 采用钼锑抗比色法测定（向晓黎等, 2015）；土壤酶活性方面，采用多孔板荧光光度法测定磷酸酶（AP）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-木糖苷酶（BX）、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）4种与碳氮转化相关的酶活性。
土壤物理化学特征分析
由图1可见，K72处农田SOC含量最高（27.3±0.4 g·kg-1），未恢复组最低（0.8±0.3 g·kg-1）；植草与框格骨架+ 植草处理SOC含量相近且无显著差异，二者均显著低于农田，但显著高于未恢复组（P＜0.05）。土壤TN和TP含量变化特征与SOC一致。各组间DOC和NH4+-N含量均无显著性差异。农田NO3--N含量最高，且显著高于其他处理（P＜0.05）。
在K22处，未恢复组SOC含量显著低于农田、植草及框格骨架+植草处理（P＜0.05）。土壤TN和TP含量变化规律与SOC相同。框格骨架+植草处理DOC显著高于未恢复组（P＜0.05），农田和植草处理介于两者之间且无显著差异。不同处理间NH4+–N含量无显著差异 ；NO3-–N含量仍以农田最高，并显著高于其他处理（P＜0.05）。
土壤微生物量碳氮及酶活性特征分析
土壤MBC和MBN含量随采样点和边坡类型变化显著（图2）。K72处农田土壤MBC含量为131±3.6mg·kg-1，显著高于未恢复边坡处理，而植草、框格骨架+植草处理显著增加其含量，其中植草处理MBC显著高于未恢复组（P＜0.05）。不同处理间MBN含量均无显著差异。K22处农田土壤MBC为121.4±1.4mg·kg-1，同样显著高于未恢复边坡处理；植草和框格骨架+植草处理均能显著增加MBC含量。农田、植草和框格骨架+植草间MBN无显著差异，但均显著高于未恢复处理。
不同处理下土壤酶活性存在显著差异（图3）。在K72处，未恢复处BG活性显著低于农田、植草和框格骨架+植草处理（P＜0.05），且后三者间无显著差异。未恢复边坡土壤BX活性低于其他处理，但差异不显著。AP和NAG活性均表现为未恢复显著低于农田（P＜0.05），植草和框格骨架+植草处于两者之间。在K22处，未恢复边坡BG的活性同样显著低于农田、植草和框格骨架+植草处理（P＜0.05），且后三者间无显著差异。BX活性低于其他处理，但差异不显著。NAG活性表现为未恢复处理显著低于其他处理（P＜0.05）；AP活性在未恢复处理低于其他处理，但差异不显著。
温室气体排放特征分析
不同处理类型对CH4、N2O、CO2排放通量及全球增温潜势（GWP）均存在影响（图4）。在K72，农田表现为对CH4的显著吸收，而未恢复、植草和框格骨架+植草处理均表现为CH4排放，且三者无显著差异。各处理N2O通量均以排放为主，其中农田排放量最高，达374.3±46.6μg·m-2·h-1；未恢复、植草、框格骨架+植草的N2O排放量相近，且均显著低于农田（P＜0.05）。CO2排放通量表现为农田最低，仅为49.7±27.3μg·m-2·h-1，未恢复和植草排放量相对较高。综合温室效应的GWP指标中，框格+植草GWP最低，但4种处理间无显著差异。
在K22处，各处理间CH4排放通量无显著差异。N2O通量同样以排放为主，农田排放量最高，为111.5±20.17μg·m-2·h-1；未恢复、植草、框格骨架+植草的N2O排放量相近，且均显著低于农田（P＜0.05）。未恢复处理CO2排放通量最高，达510.8±84.4μg·m-2·h-1；框格骨架+植草最低，为251.9±35.8μg·m-2·h-1，且显著低于农田与未恢复处理（P＜0.05）。综合温室效应的GWP指标同样以框格+植草处理最低，农田和未恢复的GWP显著高于框格骨架+植草处理（P＜0.05），表明K22处的框格骨架+植草处理护坡措施的综合温室气体减排效果更突出。
温室气体排放的驱动因素分析
Person相关性分析可知（图5），CO2通量、GWP与SWC、BD呈显著正相关（P＜0.05）；CH4与SWC、SOC、TN、TP、MBC、MBN、NO3--N以及AP、NAG呈显著负相关（P＜0.05）；而N2O与SOC、DOC、TN、TP、MBC及AP、BG、NAG活性呈显著正相关（P＜0.05）。
本研究以东北黑土区高速公路典型边坡为研究对象，分析植被生态修复对土壤碳氮含量及温室气体排放通量的影响。主要结论如下：与未恢复边坡相比，植草和框格骨架+植草修复措施可显著提升土壤有机碳、全氮、全磷含量、微生物量碳氮含量及BG、NAG等土壤酶活性，增强微生物活性。温室气体排放方面，K72处4种处理CO2排放无显著差异，K22处未恢复处理CO2排放最高，植草和框格骨架+植草最低；两处农田N2O排放均最高，分别达374.3±46.6μg·m-2·h-1与111.5±27.3μg·m-2·h-1；K22框格骨架+植草处理的综合温室效应（GWP）减排效果最优。综合增温潜势主要由CO2通量决定，受土壤含水量、容重等物理因子主导，水分条件可能是降低温室气体排放的关键。综上，黑土区高速公路边坡优先采用“植物+框格骨架”复合修复措施，可实现坡面稳定、土壤碳氮修复与温室气体减排协同。植被恢复效果需长期监测，未来应结合多季节连续监测及相关过程指标（如含水量、无机氮、微生物功能基因等），进一步揭示其作用机制与长期效应。
