全 文 ：　 　 倡 交通部西部专项子课题 （公路路域生态工程技术研究 ）资助
　 　 倡倡 通讯作者
收稿日期 ：２００６唱０３唱０９ 　 改回日期 ：２００６唱０７唱０１
半干旱区高速公路边坡不同年代
人工植被群落特征及其土壤特性研究 倡
余海龙 　顾 　卫 倡倡 江 　源 　刘永兵
（北京师范大学资源学院 　 北京 　 １００８７５）
摘 　 要 　 试验研究了呼集高速公路边坡建造人工植被后 ，在不同时间序列上土壤理化性状和植物群落特征及其恢复动
态 ，结果表明 ：土壤肥力随人工植被建立时间的延长而逐渐恢复 ，表现为土壤黏粉粒 、土壤有机质和全 N含量的增加 ，以及
土壤 pH的下降 ，０ ～ １０cm表层土壤的恢复显著高于 １０ ～ ２０cm 土壤 ；随土壤环境条件的改善 ，侵入的草本植物数量 、植被
盖度增加 ，由简单的人工植被向复杂的灌草群落演替 。但从群落物种组成看 ，公路边坡生态系统尚处于不稳定阶段 。
关键词 　 人工植被 　 土壤性状 　 植物群落 　 植被盖度 　 恢复动态 　 高速公路边坡 　 半干旱区
Characteristics of artificial plantation communities and soil properties along highway slopes of semi唱arid regions ． YU
Hai唱Long ，GU Wei ， JIANG Yuan ，L IU Yong唱Bing （College of Resources ， Beijing Normal University ，Beijing １００８７５ ，
China） ， CJEA ，２００７ ， １５（６） ：２２ ～ ２５
Abstract 　 Temporal changes in plan t communities and soil properties ，one to tw o years after vegetation establishment a唱
long the Hu唱Ji Highway slopes were investigated to assess the process and mechanism of soil fertility and vegetation
restoration ． The results indicate plant communities and soil have gradual restored with time after artificial vegetation con唱
struction ． Slit ，clay ， organic matter and total N contents increase ， but pH decreases w ith the time ． Soil recovery within
０ ～ １０cm depth is more significant than within １０ ～ ２０cm depth ． The vegetation is developing into complex communities
with increases of herbaceous plants and plan t coverage ． However ， the highway slope eco唱system is still unstable because
annual g rass forms the majority of the communit y along the slopes ．
Key words 　 Artificial vegetation ， Soil proper ty ，Plan t community ，Vegetation coverage ，Restoration dynamics ，Highway
slope ， Semi唱arid region
（Received March ９ ， ２００６ ；revised July １ ，２００６）
土壤退化是指在各种自然环境条件特别是人为因素影响下所发生的导致土壤农业生产能力或土地利
用能力和环境调控能力的下降［１］ ，其表现形式为表土大量流失 、养分贫瘠 、土壤颗粒变粗 ，其实质是土壤质
量的下降过程［２］ 。 在干旱半干旱区 ，由于人为活动造成植被破坏 ，使地表裸露遭受风蚀 ，土壤层变薄 ，土壤
形成发育受阻 ；再加上没有植物残体的归还 ，土壤有机质 、微生物和土壤动物种类及数量减少 ，严重影响了
土壤形成的速度和质量 ，甚至由于地表失去植被的保护或植被类型的改变 ，可能造成土壤发育方向或土壤
类型的改变 。 对于一个严重退化的生态系统 ，其恢复程度可通过土壤肥力和物种多样性的恢复两个方面进
行表征［９］ 。 土壤是生态系统诸多生态过程（如营养物质循环 、水平衡 、凋落物分解）的参与者与载体 ，土壤结
构与养分状况对于植物的生长起着关键性作用 ，直接影响植物群落的组成与生理活力 ，决定着生态系统的
结构 、功能和生产力水平 ，是生态系统功能恢复与维持的关键指标之一［１０］ 。 物种多样性的恢复是提高生态
系统的一个重要方面［３］ ，物种多样性的衰减和恢复也是土壤退化正逆过程的表征［４］ 。
研究区地处中国北方半干旱农牧交错带的卓资县 ，人类活动（高速公路建设）导致当地土壤严重退化 。
坡面生态工程（Slope eco唱engineering ，简称 SEE）指以环境保护和工程建设为目的的生物控制或生物建造工
程 ，主要利用植物保护和侵蚀控制的途径与手段［５］ 。 在高速公路边坡上人工建植冰草 、沙打旺 、草木樨 、无
芒雀麦等豆科 、禾本科植物是土壤环境质量保护和恢复的一项有效措施 。 不同时间种植的植物群落为研究
严重退化草原生态系统的恢复动态提供了很好的样地条件 。 本文以时空转换方法 ，研究了不同时间序列上
第 １５卷第 ６ 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 　 No ．６
２ ０ ０ ７年 １ １月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture Nov ．，　 ２００７
的植被人工恢复／天然恢复对土壤性状的改良状况和植物群落特征变化的影响 ，从土壤结构和养分以及植
被变化的角度 ，探讨退化生态系统的恢复机理和土壤质量恢复的生物学过程 。
1 　 研究区概况与研究方法
研究区位于内蒙古自治区中部卓资县六苏木乡（４０°５２′N ，１１２°３４′E） ，该区多山 、多丘陵 、少平川 ，属温带
半干旱气候 ，冬季寒冷干燥 ，夏季温暖湿润 。 全县平均海拔 １７５０m ，年均气温 ２畅９ ℃ ，年均降水量 ５４４畅５mm ，
约 ７０ ％ 集中在 ６ ～ ８ 月份 。 土壤类型主要有灰褐土 、栗钙土 、栗褐土 、草甸土 、盐土 、沼泽土 ６ 个土类 。 代表
性植物有针茅（ Stipa） 、高羊茅（ Festuca ar undinacea） 、黄蒿（ Ar te m isiascopar ia） 、冷蒿（ A ． sie versiana） 、冰
草（ Agropyron cristatum） 、百里香（ Thymus vulgar is） 、老芒麦（ Elymus sibi r icus） 、沙棘 （ Hi ppophe rham唱
noides）以及胡枝子（ Lespedeza davur ica）等 ，优势种为针茅和冰草等 。
选取研究区内 １１０ 国道和呼集高速公路的典型坡面作为研究区域 ，选择不同时间种植的人工植被作为
研究对象 ，以天然恢复和新挖边坡作为对照 。 由于种植人工植被前或天然植被未恢复前 ，各时期的土壤性
状基本相似 ，可认为有基本相同的土壤基质条件 ，因此可以将新挖边坡的土壤特征数值作为本项研究的土
壤本底值 ，并以此为参照 ，对不同时期建植的人工植物群落特征及其土壤特性进行恢复状况的比较和动态
分析 。 对于每个年代的植物群落 ，选择 ３ 个不同部位 １m × １m 的小区作为样地 ；同时在新挖边坡和自然恢复
公路边坡各选择 ３ 个小区作为对照样地 。
为了研究的可比性和对人工恢复植被的保护 ，植被采样地点集中在边坡中间 ，从上到下直线取样 。 ２００４ 年
６月在高速公路两旁选择 ６ 个样方 ，每边 ３个 ，分上 、中 、下 ３ 个坡位 。 ２００４ 年 ８ 月 ，在选择的样方内（１m × １m）
测定植株高度 ，统计样内物种组成 ，计算物种盖度并测量生长量 。 依据多点取样 、混合分析的原则 ，按照样地面
积大小布点采集土样 ，由于人工恢复植被根系扎根很浅 ，取样深度为 ０ ～ １０cm和 １０ ～ ２０cm ，测定土壤理化性状 。
２００４ 年 ８ 月 ，在呼集高速公路卓资县六苏木乡处有／无人工恢复植被路堑边坡 ，以及附近的 １１０ 国道选取
４个地点采取土样 ，根据有无植被 、利用方式等不同 ，按照时间序列 ，共选择 ４个具有代表性的样地作为处理 ：处
理 Ⅰ ，１年生人工恢复边坡的土样 ，当年种植草木樨 、柠条 、羊茅等 ，盖度较大 ，标记为 NO１ 。处理Ⅱ ，２年生人工恢
复边坡的土样 ，当年种植草木樨 、柠条 、羊茅等 ，盖度较大 ，标记为 NO２ 。处理 Ⅲ ，１１０ 国道天然恢复边坡土样 ，无
任何人工植被 ，拟作为人工恢复边坡土样的对照 ，植被多为当地野生草种 ，如针茅 、百里香 、黄蒿等 ，盖度小 ，标
记为 NO３ 。 处理 Ⅳ ，高速路新挖边坡 ，无任何人工恢复植被措施 ，作为对照 ，标记为 NO４ 。
对采集到的上述土样进行土壤理化性质测定 。 土样经自然风干 、木棒压碎 、过筛去除碎石 、植物根系及
残体 、昆虫尸体等处理 。 室内分析主要参照枟土壤农业化学常规分析方法枠进行 。 部分土样进一步过筛 、研
磨后 ，用重铬酸钾唱外加热法测定土壤有机质 ，凯氏法测定土壤全 N ，用水土比 ２畅５∶１ 的浸提液测定土壤 pH
值 ，用氢氧化钠碱熔唱火焰光度法测定土壤全 K ，用硫酸唱高氯酸消煮唱钼锑抗比色法测定土壤全 P［６］ 。
2 　 结果与分析
2畅1 　 土壤剖面与土壤物理性状的变化
在高速公路边坡 ，由于人工植被建立时间较短 ，土壤剖面除干湿程度的差异外 ，剖面分化不十分明显 ，
但与新挖边坡相比已经有了一些变化 ：一是表层枯枝落叶积累 ；二是表层由于有机肥 、灌溉 、根系等因素的
影响 ，颜色较新挖边坡母质深 ；三是剖面内有大量根系分布 ，但大多数分布于 ４０cm以上的土层 。
　 　 公路边坡在建立人工恢复植物群落以
后 ，经过长时间的生长发育 ，植物根系逐渐
扎根于边坡土壤里 ，土壤物理性状逐渐得以
改善 ，表现为 ０ ～ １０cm土层土壤黏粒含量逐
渐随种植时间的增加而显著增加 ，但在１０ ～
２０cm土层 ，土壤物理性状的改善效应明显
低于 ０ ～ １０cm 表层 。 但土壤容重和沙粒含
量明显低于无人工恢复措施的边坡 ，随时间
序列的增长 ，效应逐渐明显（表 １） 。 表明有
人工恢复植被的边坡土壤理化性状的改善
明显高于自然恢复植被和新挖边坡 。
表 1 　 不同时间序列的人工植被恢复边坡土壤物理性状
Tab ．１ 　 Soil physical properties in different artificial vegetations on highway slope
土样标号
Sample
number
采样深度 ／cm
Sampling
depth
沙粒 Sand
（１ ～ ０畅０５mm）
　 　 粒级含量／ ％
粉粒 Silt
（０畅０５ ～ ０畅００２mm）
Particle content 　 　
黏粒 Clay
（ ≤ ０畅００２mm）
NO１ ０ ～ １０ ９４畅３ ５畅１０ ０畅２０
１０ ～ ２０ ９３畅５ ６畅６０ ０畅１２
NO２ ０ ～ １０ ９２畅８ ６畅９６ ０畅３６
１０ ～ ２０ ９２畅６ ６畅４８ ０畅６４
NO３ ０ ～ １０ ９６畅２ ３畅３１ ０畅０５
１０ ～ ２０ ９４畅２ １畅８３ ０畅１０
NO４ ０ ～ １０ ９５畅４ ４畅０６ ０畅０４
１０ ～ ２０ ９６畅２ ３畅６２ ０畅１４
第 ６期 余海龙等 ：半干旱区高速公路边坡不同年代人工植被群落特征及其土壤特性研究 ２３　
表 2 　 不同时间序列的人工植被恢复边坡土壤化学性状 倡
Tab ．２ 　 Soil chemical properties in different ar tificial vegetations on highway slope
土样标号
Sample
number
采样深度 ／cm
Sam pling
depth
有机质 ／g·kg － １
O rganic
mat t er
全 P／g· kg － １
To tal P
全 K／g·kg － １
To tal K
全 N／g·kg － １
To tal N
pH
NO１ ０ ～ １０ ２３４畅７ 倡倡 １畅５１ １畅９３ ０畅６６ ７畅７５
１０ ～ ２０ ２２畅０４ １畅２０ ２畅７０ ０畅０８ ８畅５２
NO２ ０ ～ １０ ９９畅１０ ０畅８４ ２畅１２ ０畅２９ ７畅５６
１０ ～ ２０ １４畅１０ ０畅３２ ２畅２７ ０畅０５ ８畅４１
NO３ ０ ～ １０ ３畅５２ ０畅３９ １畅３０ ０畅０６ ８畅６１
１０ ～ ２０ ２畅６９ ０畅３６ ２畅０６ ０畅０４ ８畅５７
NO４ ０ ～ １０ １畅７０ ０畅５４ ２畅１７ ０畅０２ ８畅６６
１０ ～ ２０ １畅４０ ０畅４５ １畅９１ ０畅０１ ８畅５９
　 　 倡 上述分析方法按照土壤常规分析方法进行 ，但边坡工程土壤与自然土壤有很大不同 ，因此分析
数据误差较大 ，仅作参考 ，说明其变化趋势 ；倡 倡 是指由于边坡种植植被时喷施客土（富含有机质）所致 。
2畅2 　 土壤肥力的变化
土壤肥力是土壤的本质特
征 ，土壤的成土发育过程 ，正是
土壤肥力由无到有 、不断完善 、
不断发展的过程 。 在高速公路
边坡上建立人工植被 ，边坡开
始成土发育最为显著的特征便
是土壤肥力的不断提高 。 本文
从土壤养分含量方面出发 ，分
析了人工植被建立后土壤肥力
的动态变化过程（表 ２） 。
土壤养分的发展是地质大
循环和生物小循环共同作用的结果 ，在母质成土过程中 ，生物因素起主导作用 。 在裸露边坡上因其微弱的生物
作用和频繁的风沙活动 ，土壤肥力处于极低水平 ，植物所需的各种养分含量也很低 。通过分析发现（表 ２） ，边坡
上建立人工植被后 ，土壤中有机质 、全 N 、全 P含量均有显著增加 ，而全 K含量则有所降低 。 植物所需的土壤养
分在生物小循环中 ，是一个积累与消耗的动态过程 ，影响养分状况的因素是多方面的 ，同时受人为措施的影响 ，
造成土壤 N 、P 、K 含量变化的差异 。 但总体而言 ，人工植被建立后 ，土壤养分含量增加 ，肥力提高 。
人工植被的定植和发育导致土壤有机质和全 N 的显著增加 。 在 １０ ～ ２０cm 土层 ，有机质和全 N 显著低
于 ０ ～ １０cm表层土壤 。 由表 ２ 还可看出 ，土壤有机质和全 N 含量随人工植被定植年限的增加而显著增加 。
人工植被的定植也导致土壤 pH的降低 。 定植 １ 年和 ２ 年的人工植被 ，边坡 ０ ～ １０cm 土层土壤 pH由新挖边
坡的 ８畅６６ 降为 ７畅７５ 和 ７畅５６ ，１０ ～ ２０cm 土层土壤 pH 由 ８畅５９ 降为 ８畅５２ 和 ８畅４１ 。 其中 ０ ～ １０cm 土层土壤
pH较自然恢复边坡降低也很明显 。
2畅3 　 物种的发育
生态系统退化的过程是生物多样性衰退的过程 ，其特征之一是种类贫乏 。 种类贫乏的生态系统内部各个
生态过程和速率如 N的矿化作用 、凋落物的分解 、营养物质的循环等功能都是失常的 。在对退化生态系统进行
植被恢复过程中 ，植物种类数和个体数量
都会显著增加 ，使多样性得到提高 ，从而影
响到生态系统的功能 。许多研究证明生物
多样性的提高会导致生态系统在功能上的
优化并导致生态系统稳定性提高［１１］ 。
随着人工植被的定植 ，公路边坡土壤
环境得到一定程度的改善 ，为物种的入侵
创造了条件 。 一些 １ 年生的先锋植物首
先入侵 。 随时间序列的延长 ，物种数量 、
植被覆盖度增加 ，群落经历了由简单到复
杂的过程［７］ 。在天然恢复边坡上 ，只有针
茅 、冷蒿 、草木樨 、冰草和百里香等 ，且盖
度较人工恢复边坡小 。 在坡面人工建植
沙打旺 、冰草 、草木樨 、无芒雀麦等植被
后 ，人工植物群落开始形成 ，一些浅根性
植物如狗尾草和猪毛菜等侵入 ，除个别几
个乡土植物生长迅速外 ，其他一般发育较
慢 。在 １ 年的人工植被群落中物种数达
到 ８ 种 ，而 ２ 年的人工植被群落中物种数
达到了 １３ 种（表 ３） 。 多年生的柠条 、紫
花苜蓿等出现并逐渐占有优势 。
表 3 　 不同年龄人工植被植物群落组成
Tab ．３ 　 Species composition of ar tificial vegetations under different ages
种 　 名
Species
生活型
Life
fo rm
种植年限 ／a Plant ation ag e
１ ２
高度 ／cm
Plant height
相对盖度 ／ ％
Relat ive coverage
高度 ／cm
Plant height
相对盖度／ ％
Rela tive coverage
冰 　 草 多年生草本 ４０ ２畅９ ２８ １８畅０
老芒麦 多年生草本 ４０ ５１畅８
赖 　 草 多年生草本 ４０ ３２畅２ ３４ ２畅０
藜 　 蒿 多年生草本 ８ ３畅４
沙打旺 多年生草本 ５ ８畅６ ３４ ０畅８
草木樨 １ 年生草本 ５ ０畅７ ４５ ６６畅０
大籽蒿 １ 年生草本 ３ １畅１ ７５ ３畅０
无芒雀麦 多年生草本 ３０ ０畅７ ４２ １６畅０
苇状羊茅 多年生草本
稗 　 草 １ 年生草本
油 　 菜 １ 年生草本
紫花苜蓿 １ 年生草本 ３５ １２畅０
蒙古蒿 多年生草本
白花草木樨 １ 年生草本
柠 　 条 灌木 ５０ ０畅８
猪毛菜 １ 年生草本
狗尾草 １ 年生草本 １６ ０畅８
轴 　 藜 １ 年生草本 ７０ ０畅８
矮 　 蒿 １ 年生草本 ７０ ０畅８
毛连菜 多年生草本
灰绿藜 １ 年生草本 ５ ３畅０
酸 　 模 １ 年生草本 １２ ０畅４
种 　 数 　 　 　 　 　 　 ８ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 １３
盖度／ ％ 　 　 　 　 　 　 ９２畅６ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ９８畅０
２４　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
3 　 小结与讨论
3畅1 　 建立人工恢复植物群落后土壤肥力的恢复动态
本研究结果表明 ，在公路边坡定植人工植被以后 ，土壤理化性状随种植时间的延长而得到明显改善 。
植被人工重建对土壤肥力的改善效应是生物和非生物因素共同作用的一个复杂的生态学过程［１２］ 。 随着人
工植被的建立 、发育以及乡土植物的入侵使得环境内营养元素有选择地吸收富集 ，促进了土壤的形成和演
化 。 使得表层土壤黏粒含量增加 ，土壤有机碳和养分含量提高 ，植物的生长使光合作用固定的 C 通过凋落
物和根系的周转进入土壤 。 １ 年生植物生长迅速且生命期短 ，促进了土壤有机碳和养分的循环 ，是土壤肥力
恢复的一个重要方面［８］ 。 人工植物群落凋落物的积累 、根系分泌的有机酸以及凋落物分解过程和微生物呼
吸释放的 CO２ 可导致土壤 pH 值的降低 ，而 pH 值的降低又可促进养分有效性的提高 。
3畅2 　 草本植物的侵入和发育
在公路边坡建立人工植被后 ，草本植物侵入和发育的机制一是种源聚集 ，一些植物的种子在风力作用
下扩散 ，途中被植物枝叶截获 ，为其在丛中定居和发育提供了可能 ；二是保育效应 ，贫瘠的退化土壤只适于
那些先锋植物（如狗尾草 、赖草等）的生长 ，其他物种很难生存 ，而在已有植物的遮荫下 ，微环境的土壤和空
气温度降低 ，表土层含水量相对较高 ，降低了物种发育受干旱胁迫的程度 ，故由人工植被创造的适宜的微环
境为侵入种的萌发和生长提供了条件 ；三是肥岛效应 ，在养分贫瘠的环境下 ，由于柠条等固 N 灌木可显著提
高土壤 N 的水平 ，进而可以促进其他种的发育和生长［１３］ 。
3畅3 　 退化生态系统恢复的时间效应
在建立人工植被后 ，尤其是豆科植物入侵以后 ，极大加速了恢复的进程 。 本研究通过不同时间序列上
的土壤和植被特征 ，很好地揭示了土壤肥力恢复的动态和植被进展演替的过程 。 尽管经过恢复 ，土壤肥力
得到一定程度的改善 ，但 N 和有机质含量仍处于较低水平 ，且主要集中在很浅的土壤表层 ，尚处于不稳定阶
段 ，一旦受到外来的强度干扰和破坏 ，系统将很难维持 。 从恢复生态学的角度看 ，其物种恢复虽然保持了一
定的植被盖度 ，但在群落组成中仍有许多 １ 年生植物 ，植被表现为强烈的次生性 ，说明系统还需要很长时间
的演替才能达到稳定 。
参 　 考 　 文 　 献
１ 　 熊顺贵 ．基础土壤学 ．北京 ：中国环境科学出版社 ，２００１ ．３３９
２ 　 陈玉福 ，董 　 鸣 ．毛乌素沙地景观的植被与土壤特征空间格局及其相关分析 ．植物生态学报 ，２００１ ，２５（３） ：２６５ ～ ２６９
３ 　 吴 　 彦 ，刘 　 庆 ，乔永康 ，等 ．亚高山针叶林不同恢复阶段群落物种多样性变化及其对土壤理化性质的影响 ．植物生态学报 ，２００１ ，２５
（６） ：６４８ ～ ６５５
４ 　 常学礼 ，邬建国 ．科尔沁沙地沙漠化过程中的物种多样性 ．应用生态学报 ，１９９７ ，８（２） ： １５１ ～ １５６
５ 　 周 　 跃 ．植被与侵蚀控制 ：坡面生态工程基本原理探索 ．应用生态学报 ，２０００ ，１１（２） ： ２９７ ～ ３００
６ 　 刘光崧 ．土壤理化分析与剖面描述 ．北京 ：中国标准出版社 ，１９９６
７ 　 李新荣 ，张景光 ，刘立超 ，等 ．我国干旱沙漠地区人工植被与环境演变过程中植物多样性的研究 ．植物生态学报 ，２０００ ，２４（３） ： ２５７ ～ ２６１
８ 　 苏永中 ，赵哈林 ，张铜会 ，等 ．科尔沁沙地不同年代小叶锦鸡儿人工林植物群落特征及其土壤特性 ．植物生态学报 ，２００４ ，２８（１） ： ９３
９ 　 Bhojvaid P ． P ．， Timmer V ．R ．Soil dynamics in an age sequences of prosopis juli flora planted fo r sodic soil rest oratio n in India ． Forest Ecol唱
ogy and Manag ement ， １９９８ ， １０６（２／３） ： １８１ ～ １９３
１０ Tilman D ．，Wedin D ．， Knops J ． Producti vity and sustainabili ty in fluenced by biodive rsi ty in g rassland ecosystems ． Na ture ， １９９６ ， ３７９
（６５６） ： ７１８ ～ ７２０
１１ Peng Sled ． Dynamics of Forestry Communit y in Southern Asia T ropical ．Beijing ： Science Press ， １９９６ ．５０ ～ ５９
１２ Mun H ． T ．，Whit fo rd W ．G ． Changes in mass and chemistry o f plant roo ts during long唱t erm decom posit io n on a Chihuahuan Desert wat er唱
shed ．Biolog y and Fertilt y Soils ，１９９８ ， ２６（１） ：１６ ～ ２２
１３ Shumw ay S ．W ． Facilitat ive ef fects o f a sand dune shrub on species g ro wing beneath the sh rub canopy ． Oecologia ， ２０００ ，１２４（１） ： １３８
第 ６期 余海龙等 ：半干旱区高速公路边坡不同年代人工植被群落特征及其土壤特性研究 ２５