水土保持碳汇内涵与测算方法.pdf

摇第 22 卷摇 第 1 期2024 年 2 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.22摇 No.1Feb.2024DOI:10.16843/j.sswc.2023113水土保持碳汇内涵与测算方法曹文洪,张晓明覮,张永娥,刘摇 冰,王友胜,赵摇 阳,殷小琳,韩摇 晓(1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室,中国水利水电科学研究院,100048,北京;2.水利部水土保持生态工程技术研究中心,100048,北京)摘要:水土保持深刻改变着地表覆被和结构、土地利用方式和陆地生态系统结构等,是增强陆地碳汇能力的重要途径。以水土保持林草、工程和耕作措施为切入点,按照“机理阐述模型构建分类测算冶的总体思路,阐明水土保持碳汇内涵,明确了水土保持碳汇途径,构建水土保持碳汇测算方法,估算全国水土保持碳汇量。结果表明:水土保持具有垂向碳增汇、横向保土固碳(减少侵蚀土壤横向输移导致的碳流失)与减蚀减碳(避免碳排放)的多重功能。2021 年,全国现存水土保持措施垂向碳增汇总量为 1郾 54 亿 t,对陆域碳汇的贡献约 43郾 5%56郾 5%,其中林草措施植被和土壤碳汇量超过 95%。水土保持保土固碳作用显著,2021 年全国水土保持措施保土固碳总量为3 040郾 86 万 t,且具有明显的累积效应和长效作用。总体来说,2021 年水土保持碳增汇(不包括水土保持林草措施植被碳汇量和土壤碳汇量)和减碳量为 5 115 万 6 230 万 t CO2,约占到全国现有陆地生态系统碳中和总量的4%6%,这一部分尚未纳入国家碳汇核算体系,其应是实现“双碳冶目标的重要环节。关键词:保土固碳;碳汇;碳中和;水土保持措施;有机碳中图分类号:S157文献标志码:A文章编号:2096鄄2673(2024)01鄄0001鄄11引用格式:曹文洪,张晓明,张永娥,等.水土保持碳汇内涵与测算方法J.中国水土保持科学,2024,22(1):1-11.CAO Wenhong,ZHANG Xiaoming,ZHANG Yong忆e,et al.Connotation of carbon sink in soil and water conserva鄄tion and its calculation methodJ.Science of Soil and Water Conservation,2024,22(1):1-11.收稿日期:2023 07 27摇 修回日期:2023 12 20项目名称:国家自然科学基金“黄土高原水土保持碳汇机理与潜力评估冶(52379082);水利部重大科技项目“水土保持碳汇作用研究冶(SKR-2022076);宁夏水利科技项目“宁夏生产建设项目水土保持监管机制及技术研究冶(SBZZ-J-2020-13)第一作者简介:曹文洪(1963),男,博士,正高。主要研究方向:水土保持与江河治理。E鄄mail:caowh 覮 通信作者简介:张晓明(1979),男,博士,正高。主要研究方向:水土保持。E鄄mail:Connotation of carbon sink in soil and water conservation and itscalculation methodCAO Wenhong,ZHANG Xiaoming,ZHANG Yong忆e,LIU Bing,WANG Yousheng,ZHAO Yang,YIN Xiaolin,HAN Xiao(1.State Key Laboratory of Watershed Water Cycle Simulation and Regulation,China Institute of Water Resources andHydropower Research,100048,Beijing,China;2.Research Center on Soil&Water Conservation,Ministry of Water Resources,100048,Beijing,China)Abstract:Background Soil and water conservation profoundly changes the land cover,surfacestructure,land use patterns and management measures of terrestrial ecosystems,which play an importantrole in carbon sink.The soil and water conservation measures can not only absorb CO2from the airthrough its plant and soil carbon sequestration,but also reduces or controls the lateral transport of soilcarbon,thus avoiding the erosion鄄induced CO2emission.However,the studies on soil and waterconservation measures preventing lateral soil organic carbon transport and vertical carbon emission摇中国水土保持科学2024 年remains misunderstood and unquantified.Methods Considering the role of soil and water conservationforest and grass measures,engineering measures and tillage measures in carbon cycle,this study followedthe general idea of“mechanism elaboration鄄model construction鄄calculation by classification冶 that clarifiedthe implications and pathways of soil and water conservation carbon sink,and established its calculatingmethod and the index system.In addition,this study attempted to quantify the capacity of soil and waterconservation carbon sink at the scale of China based on the distribution of biomass and soil carbon pooland soil erosion rates derived from national surveys,as well as ecosystem carbon density inventories andliterature database.Results The soil and water conservation has multiple functions such as increasingcarbon sink vertically,and fixing soil carbon via soil conservation(i.e.reducing lateral soil organiccarbon loss)and consequently reducing CO2emission.In 2021,the total vertical carbon sink of existingsoil and water conservation measures in China was 1郾 54 伊108t,contributing about 43郾 5%-56郾 5%toterrestrial carbon sink,of which forest and grass measures accounted for over 95%through plant and soilcarbon sequestration.The amount of fixed carbon via soil and water conservation measures was 3郾 04 伊107t in 2021 and have obvious cumulative effect and long鄄term effect,which must be considered.Overall,soil and water conservation measures absorbed atmospheric CO2(excluding the contribution offorest and grass measures through its plant and soil carbon sequestration)and reduced emission of 5郾 12 伊107-6郾 23 伊107t CO2in 2021,accounting for about 4%-6%of the total terrestrial ecosystem carbonneutral in China,but this part has not been included in the national carbon accounting system and needsgreat attention.Conclusions These findings demonstrate that adoption of soil and water conservationmeasures can sequester carbon in soil and biota and reduce the risks of CO2emission by both vertical andlateral paths,which are important to achieve carbon neutrality and mitigating climate change.Keywords:fixed carbon via soil conservation;carbon sink;carbon neutrality;soil and waterconservation measure;organic carbon摇 摇 实现碳达峰、碳中和是中国高质量发展的内在要求,也是中国对国际社会的庄严承诺。贯彻党中央“双碳冶战略决策部署,找准实施路径,助推实现“双碳冶目标,是推进新阶段高质量发展的重大使命和责任。水土保持是生态文明建设的重要内容,是江河治理的重要措施,是提升生态系统质量和稳定性的有效手段。水土保持深刻改变着地表覆被、土地利用方式和陆地生态系统结构等,而陆地生态系统中植被和土壤具有调控碳循环和固碳的重要功能。因此,水土保持是增强陆地碳汇能力的重要途径,是实现碳中和目标的重要一环。开展水土保持碳汇能力研究,阐明水土保持碳汇机理与贡献,优化水土流失综合治理模式,对于提升生态系统质量及其碳汇功能,夯实“双碳冶战略目标下的水利行业支撑作用,具有重要的理论与实践意义。目前,我国陆地生态系统碳汇核算主要关注森林、草地、荒漠、湿地和农田等陆地生态系统。水土保持碳汇能力研究起步较晚,主要关注侵蚀条件下土壤碳的源汇关系1 2与较小尺度不同水土保持措施作用下的固碳过程3 4,很少将全国水土保持作为一个体系来开展碳汇机理与碳汇测算研究。笔者以水土保持林草、工程和农业耕作措施为切入点,按照“机理阐述模型构建分类测算冶的总体思路,阐明水土保持碳汇机理,构建水土保持碳汇测算体系,估算全国水土保持碳汇量,明晰水土保持对陆地生态系统碳汇的贡献。1摇 水土保持碳汇内涵与途径1郾 1摇 土壤侵蚀和水土保持对碳循环的影响水力侵蚀通过有机碳水平迁移、垂向淋滤、过程矿化以及沉积封存等多个过程影响碳循环5。侵蚀影响下,一部分因侵蚀流失的有机碳会被埋藏或再分布,剩下的部分将会被矿化成 CO2或厌氧发酵成甲烷而进入大气6。全球因侵蚀迁移矿化每年向大气中释放的 CO2高达 29郾 3 亿 44郾 0 亿 t,亚洲因侵蚀导致的碳排放比例达 37%1。另外,风蚀和风水复合侵蚀也会引起土壤有机碳的迁移,并促进土壤有机碳的裸露和矿化损失,是表层土壤碳损失不可忽视的动力。根据 2021 年全国水土流失动态监测成果,我国现存水土流失面积 267郾 42 万 km2,2摇摇 第 1 期曹文洪等:水土保持碳汇内涵与测算方法水土流失仍是制约碳中和目标实现的重要因素。水土保持通过林草、工程和耕作等措施防治水土流失,保护、改良和合理利用水土资源,维护和提高土地生产力。水土保持措施可通过植被光合作用直接从大气吸收 CO2、增加土壤有机碳,并在坡面沟道的林草、梯田、淤地坝等措施作用下,调水保水保土固持有机碳,避免土壤有机碳矿化以 CO2的形式排放到大气中形成碳源,通过垂向和横向路径影响碳循环。水土保持措施碳增汇包括植被碳汇和土壤碳汇,分别形成植被生物量和土壤有机质碳汇实物,降低大气 CO2浓度。水土保持措施保土固碳则是通过减少或避免侵蚀土壤输移、固持或拦截土壤有机碳(保土或拦泥固碳)来实现,可维护土壤有机质的质量和稳定性。减蚀减碳是通过减少甚至避免流失土壤矿化变为大气 CO2的“源冶来实现,虽然没有直接减少大气中的 CO2,但可对降低碳达峰峰值发挥作用。1郾 2摇 水土保持林草措施碳汇内涵与途径水土保持林草措施碳汇是指通过采取造林育草、加强林草经营管理等措施,增加地表覆盖、调水保水保土,促进林草植物吸收和固定大气中的 CO2、提高林草地土壤固碳、减少侵蚀迁移造成土壤碳流失的能力。水土保持林草措施主要包括造林、种草、封禁治理等,其碳汇作用主要表现为碳增汇(植被和土壤碳汇)、保土固碳和减蚀减碳 3 方面。林草措施植被碳汇是指林草植物通过光合作用吸收大气中的 CO2并将其固定在植被体内,从而降低大气 CO2浓度的过程或能力。林草措施植被碳汇具有潜力大、成本低、生态附加值高等优点,在全球碳循环中发挥着巨大作用7。林草措施土壤碳汇是指通过实施林草措施增加土壤有机质来源,并改良土壤结构,影响有机质分解和土壤呼吸等过程调控土壤碳循环,进而提高林草地土壤固碳速率。以往研究认为土壤碳汇通过植被光合作用实现,即植物先通过光合作用将 CO2转化为有机物质,然后有机质里的碳通过根系分泌物、死根系或者残枝落叶的形式进入土壤,并转变为土壤有机质实现碳存储8;土壤本身并没有截获大气 CO2的能力。事实上,进入土壤的有机质,其中仅有约 10%会被固定形成土壤碳汇,其余部分则会被微生物分解用于各项生化过程。最新研究9 10表明,土壤微生物群落调节土壤有机质分解和转化,是土壤碳截获的核心驱动者,其活性是土壤固碳的关键因素。水土保持林草措施可改良土壤环境,改善微生物群落组成及其生物活性进而实现土壤增汇。水土保持林草措施还具有横向的保土固碳功能。林草措施可增加地面粗糙度,降低水流流速和减少地表径流量,减小水流对土体的分散作用和水流挟沙能力,减少地表土壤侵蚀,减少土壤有机碳输移而降低土壤有机碳矿化释放和淋滤,进而实现固持土壤有机碳、减少土壤碳库损失。研究11表明,与裸露荒地相比,林草坡面减流率和减沙率分别为94郾 47%和 94郾 81%,裸露荒地坡面小区有机碳储量的减少率达 14郾 39%,明显高于林草坡面的 3郾 83%。除此之外,侵蚀中土壤团聚体的解体使土壤有机碳暴露,进而被矿化释放到大气中形成碳源。林草植物措施可有效控制土壤有机碳流失,对延缓大气CO2浓度增加、土壤机碳含量的维持和提高有重要作用。当前国内外对林草措施碳汇效益的评估,仅考虑其垂向植被和土壤碳汇,而对其固持土壤有机碳、避免碳排放的研究很少报道。1郾 3摇 水土保持工程措施碳汇内涵与途径水土保持工程措施碳汇是指通过实施山坡防护、山沟治理等水土保持工程措施,改变治理地块微地形及其水肥气热条件,控制水土流失,进而改善农业生产条件,减少侵蚀迁移造成土壤碳库损失、增加碳储存。包括通过改善立地条件、增加土壤有机碳等方式在垂向土壤碳汇端发挥作用,以及通过改变微地形减蚀保土、拦蓄泥沙等方式在横向保土或拦泥固碳端发挥作用。一般来说,土壤侵蚀会导致有机碳在坡面上迁移,并形成碳迁移的“源冶12。一方面,坡改梯后,田块的坡度变小变缓或变为平地,原来的坡长被截断变短或者被彻底消除,极大地拦蓄降水、减少径流,既减少土壤流失,又降低流失迁移距离,显著降低土壤有机质被氧化、矿化的速率和总量,有利于稳定土壤碳库。同一地貌类型上,水平梯田 0 10 cm 土壤有机碳含量均显著高于坡耕地,与未治理的坡耕地相比梯田土壤有机碳含量提高 0郾 14 倍13。与坡耕地相比,梯田稳定性较高、不易氧化和矿化的保护性有机碳(即重组有机碳)含量显著高于坡耕地,表明梯田更有利于土壤有机碳的长期积累13。另一方面,鱼鳞坑、水平条等水土保持工程措施也具有显著的碳汇功能,研究发现其多年平均减沙效益超过90%14,在坡面上形成小型的有机碳“汇冶。在沟道中,淤地坝修建后,改变了沟道侵蚀动力以及泥沙的运动过程,促进泥沙在坝前淤积,固定上游侵蚀带来的大量流失土壤有机碳,形成不易矿化的深层土壤3摇中国水土保持科学2024 年碳从而实现碳埋藏。淤地坝可以看作流域内的“沉沙池冶,不仅将坡面迁移的有机碳进行拦蓄沉积,且新淤积土层会掩埋原来旧的土层,可以强化泥沙沉积掩埋,形成不易矿化的深层土壤碳从而实现碳埋藏。流域尺度大约 21郾 6%42郾 9%被侵蚀的有机碳有效地埋藏在淤地坝前15。与坡耕地、林地、草地相比,坝地 0 20 cm 土层中易氧化有机碳含量最低,土壤有机碳更稳定12。此外,沙障等措施可阻止地表流沙产生,使沙丘表层结构稳定,并使地表反照率减弱,地表土温降低,降低有机碳矿化速率,可有效减少有机碳的矿化损失。除保土固碳和减蚀减碳,梯田、淤地坝等水土保持工程措施还具有垂向的土壤碳汇功能。梯田土壤碳汇是指梯田修建之后,田块的微地形与其水、肥、气、热等条件得以改善,促进作物与其他植物的良好生长发育,增加土壤有机质输入,并影响有机质分解和土壤呼吸等过程调控土壤碳循环,形成良性循环进而增加梯田土壤有机碳含量。淤地坝运行一段时间后,坝地良好的水热条件、地表落淤,增加土壤养分,优化土壤结构,为农业生产提供有利条件,也会增加淤地坝土壤有机碳含量。1郾 4摇 水土保持耕作措施碳汇内涵与途径水土保持耕作措施碳汇是指通过实施秸秆还田、免耕、等高耕作等措施,增加地面覆盖和土壤抗蚀力,调节土壤肥力、控制水土流失,进而增加土壤碳汇和减少侵蚀迁移造成土壤碳库损失。由于绝大部分作物碳在短时间内重新以 CO2形式返回大气,故不予考虑,农田生态系统碳汇主要关注其土壤碳库的变化16。水土保持耕作措施碳汇作用机理主要体现在土壤碳汇、保土固碳和减蚀减碳方面。耕作措施土壤碳汇是指通过采取免耕、秸秆还田等耕作措施,增加地表覆盖,促进作物生长,增加土壤有机质来源,并影响有机质分解和土壤呼吸等过程调控土壤碳循环,进而提高农田土壤固碳速率。无固碳措施条件下,每年作物和秸秆等生产导致农田土壤有机碳以约 6%的比例逐年减少,此时农田就成为了碳源。长期的农业活动使全球农田土壤碳损失50%70%17;但如果采取优化的农业管理措施,土壤有机碳损失可得到遏制,且损失的碳库可逐步得到恢复。其中,免耕能够减少对土壤扰动,避免翻耕对团聚体的破坏;秸秆还田能够将有机质加入土壤来增加土壤碳储量。相关研究8表明:实行保护性农业措施后,砂质壤土和黏土的土壤碳汇速率分别提升 0郾 30 和 0郾 60 Mg/(hm2a)。相较于林草措施土壤碳汇,耕作措施带来的土壤碳储量更集中在土壤表面附近,而不是在一定深度下。水土保持耕作措施保土固碳主要指通过采取秸秆还田、等高耕作等措施,增加地表覆盖与土壤入渗,减少地表扰动与水土流失,进而减少土壤有机碳输移与矿化释放。以往耕作措施碳汇研究,主要是以基本农田作为载体开展碳汇测算工作,未考虑土壤侵蚀导致的侵蚀土壤在运移过程中的碳释放问题,由此导致水土保持耕作措施碳汇研究不够全面。传统耕作方式主要通过引发土壤侵蚀而影响有机碳固定。水土保持耕作措施可有效控制水蚀和风蚀,进而防止坡地水土流失和有机碳损失,减少坡面径流或土壤颗粒迁移搬运,使坡耕地土壤有机碳最大可能地保留在土壤碳库,避免排放进入大气,进而减蚀减碳。若不采取措施,受侵蚀的农田土壤中的活性有机碳将被矿化或土壤有机质将会降解,从而增加温室气体的排放。2摇 水土保持碳汇测算方法2郾 1摇 水土保持碳汇总量水土保持碳汇总量包括垂向的增汇量(包括植被碳汇量和土壤碳汇量)、横向的保土固碳量以及垂向的减蚀减碳量。笔者测算的碳汇总量,为水土保持碳汇现状,不涉及年度增加量和年际变化。从科学性和可操作性出发,水土保持增汇量采用固碳速率法计算,保土固碳量采用保土量乘以有机碳含量计算得到,减蚀减碳量通过其保土固碳量乘以流失过程中土壤有机碳被氧化的比例测算。1)水土保持增汇量(QTC,t/a)以不同类型水土保持措施为统计对象。QTC=FB+FS+ES+TS。(1)式中:FB为水土保持林草措施植被碳汇量,t/a;FS、ES和 TS分别为水土保持林草措施、工程措施和耕作措施土壤碳汇量,t/a。2)水土保持保土固碳量(Q忆TC,t/a)也以不同类型水土保持措施为统计对象。Q忆TC=FE+EE+TE。(2)式中 FE、EE和 TE分别为水土保持林草措施、工程措施和耕作措施保土固碳量,t/a。3)水土保持减蚀减碳量(QTCO2,t/a)选用二氧化碳当量作为表征指标。4摇摇 第 1 期曹文洪等:水土保持碳汇内涵与测算方法QTCO2=44/12Q忆TCPse=44/12(FE+EE+TE)Pse。(3)式中:44/12 为 CO2和 C 的摩尔质量比;Pse为流失过程中土壤有机碳被氧化的比例,量纲为 1。2郾 2摇 水土保持林草措施碳汇测算1)水土保持林草措施植被碳汇包括乔灌林和经果林植被碳汇。考虑到草因季节性枯落,其生物量固定的碳又返回大气或进入土壤中,故不考虑其碳汇量。水土保持林草措施植被碳汇采用固碳速率法计算。FB=FQ,BRSF,Q+FJ,BRSF,J。(4)式中:FQ,BR为水土保持乔灌林固碳速率,t/(hm2a);SF,Q为水土保持乔木林和灌木林面积,hm2;FJ,BR为水土保持经果林固碳速率,t/(hm2 a);SF,J为水土保持经果林面积,hm2。固碳速率SF=(Cd-C忆d)/n。(5)式中:SF为固碳速率,t/(hm2a);Cd和 C忆d分别为林草措施现碳密度和 n 年前碳密度,t/hm2。经果林累积的地上生物量以果实、修剪枝条等形式携出,故经果林的固碳速率 FJ,BR取0郾 25FQ,BR。在本研究中,由于乔灌林和经果林花、小枝、叶等因季节性枯落或携出,其生物量固定的碳又返回大气或进入土壤中,故其碳汇量未纳入植被碳汇部分。2)水土保持林草措施土壤碳汇包括乔灌林地、经果林地和草地土壤碳汇量,采用固碳速率法计算。FS=FQ,SRSF,Q+FJ,SRSF,J+FC,SRSF,C。(6)式中:FQ,SR为水 土 保 持 乔 灌 林 土 壤 固 碳 速 率,t/(hm2 a);FJ,SR为水土保持经果林土壤固碳速率,t/(hm2a);FC,SR为水土保持草地土壤固碳速率,t/(hm2 a);SF,C为水土保持草地面积,hm2。在本研究中,各类林草地土壤的固碳速率采用陆地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南18中相应类型土壤的固碳速率。3)水土保持林草措施保土固碳量包括乔灌林、经果林和草地保土固碳量,采用保土量乘以土壤有机碳含量计算。FE=移nk=1(QF,kGF,k)=移nk=1(XF,kSF,kGF,k)。(7)式中:k 为水土保持林草措施类型(乔灌林、经果林和草地);QF,k为第 k 种水土保持林草措施保土量,t/a;GF,k为土壤有机碳质量分数,g/kg;XF,k为采取水土保持林草措施前后(现状年和基准年对比)的土壤侵蚀模数变化值,t/(hm2a),可通过水土流失动态监测成果获得;SF,k为第 k 种水土保持林草措施面积,hm2。2郾 3摇 水土保持工程措施碳汇测算本研究中,水土保持工程措施保土固碳量(EE)包括坡面工程保土固碳(CT)和淤地坝拦泥固碳量(CC);淤地坝分层拦泥固碳总量中包含表层土固碳量,故淤地坝固碳量包含土壤碳汇部分。1)梯田保土固碳量CT=QTGT;(8)QT=AT(X0-X);(9)X=X0E。(10)式中:CT为梯田的保土固碳量,t/a;QT为坡面工程保土量,t/a;GT为梯田表层土壤有机碳质量分数,g/kg;AT为梯田面积,km2;X0为未修建梯田前的土壤侵蚀模数,t/(km2a);X 为修建梯田后的土壤侵蚀模数,t/(km2 a);E 为中国通用土壤流失方程中工程措施因子,可通过水土流失动态监测成果获取。参考梯田保土固碳量的测算方法,本研究分别计算地埂、水平阶、水平沟、竹节沟、鱼鳞坑、大型果树坑等其他坡面工程的保土固碳量。2)梯田等坡面工程措施土壤碳汇量用固碳速率法来计算。ES=A忆TFT,SR。(11)式中:A忆T为梯田面积,hm2;FT,SR为梯田土壤固碳速率,t/(hm2 a)。参考梯田土壤碳汇量的测算方法,笔者分别计算地埂、水平阶、水平沟、竹节沟、鱼鳞坑、大型果树坑等其他坡面工程的土壤碳汇量。3)淤地坝拦泥固碳量CC=移i=ni=1QiCi/1 000。(12)式中:CC为淤地坝已拦泥导致的拦泥固碳量,t;Qi为淤积泥沙第 i 层淤积量,t;Gi为淤积泥沙第 i 层有机碳质量分数,kg/t;n 为淤积泥沙总层数。2郾 4摇 水土保持耕作措施碳汇测算1)本研究计算的耕作措施土壤碳汇量为采取保护性耕作和机械化秸秆还田措施的土壤碳汇量;具有耕种功能的梯田、水平阶等措施的土壤碳汇纳入水土保持工程措施碳汇部分进行核算,不纳入耕作措施碳汇范畴。耕作措施土壤碳汇采用固碳速率法计算。TS=移nj=1(TR,jTS,j)。(13)式中:j 为水土保持耕作措施类型;TR,j为第 j 种水5摇中国水土保持科学2024 年土保持耕作措施类型的土壤固碳速率,t/(hm2a),依据气候类型的差异和耕作制度的分区,土壤固碳速率有所差异;TS,j为第 j 种水土保持耕作措施面积,hm2,可通过中国农业机械工业年鉴获得。2)本研究计算的耕作措施保土固碳量为机械化秸秆还田措施的保土固碳量。TE=移nj=1(QT,jGT,j)=移nj=1(XTTS,jGT,j)。(14)式中:QT,j为某种水土保持耕作措施保土量,t/a;GT,j为土壤有机碳质量分数,g/kg;XT为采取水土保持耕作措施前后的土壤侵蚀模数变化值,t/(hm2a)。根据 2021 年全国水土流失动态监测成果中轮作措施下的侵蚀模数,去掉轮作措施因子后,可计算得到无耕作措施下的侵蚀模数;再基于天然降雨下秸秆还田的减沙率19 20,可计算得到秸秆还田措施下的土壤侵蚀模数变化值。在本研究中,考虑到平地不易发生水土流失,故对所获取的措施面积数据剔除掉坡度 2毅部分。2郾 5摇 数据来源水土保持措施垂向碳汇量采用固碳速率法(措施面积乘以固碳速率)计算。林草、工程和耕作措施面积数据来源于中国水土保持公报、水土流失动态监测成果和中国农业机械工业年鉴。林草和工程措施固碳速率采用陆地生态系统生产总值(GEP)计算技术指南18提出的固碳速率,耕作措施固碳速率采用全国 61 个长期试验站共计 1 162对位点的试验数据21。水土保持措施横向保土固碳量采用保土量乘以有机碳质量分数计算得到。保土量采用水土流失动态监测成果中土壤侵蚀模数变化量乘以对应的措施面积得到,土壤有机碳质量分数来源于全国土壤普查数据和文献检索数据。3摇 水土保持碳汇测算结果3郾 1摇 水土保持林草措施碳汇量按照全口径措施统计,2011 年现存水土保持林草措施碳汇总量为 0郾 99 亿 t,若不包括封禁治理,林草措施碳汇总量为 0郾 73 亿 t。20182021 年新增水土保持林草措施碳汇能力平均达 503郾 05 万 t/a(不包括封禁治理为 290郾 63 万 t/a),若将此碳汇能力平均值作为 2011 年后每年增加水土保持措施的碳汇能力,从 2011 年开始,累加计算得到 2021 年水土保持林草措施的碳汇能力达 1郾 49 亿 t,若不包括封禁治理,2021 年水土保持林草措施碳汇能力达1郾 03 亿 t。根据中国科学院“碳专项冶,20012010年间我国森林生态系统碳汇总量约为 1郾 63 亿t/a22,则水土保持林草碳汇约占森林生态系统总碳汇的 60郾 74%(若不包括封禁治理为 44郾 79%)。需要说明的是,中国科学院“碳专项冶碳汇量核算结果未包含草地生态系统碳汇量,而本研究测算的水土保持林草碳汇包括了水土保持种草、草地封禁治理措施的碳汇量。以 2020 年为基线情景,对比分析 2021 年全国林草措施保土固碳量。如图 1 所示,2021 年全国林草措施保土固碳总量 2 030郾 64 万 t,新疆、甘肃保土固碳量较大,而黑龙江、福建、宁夏的保土固碳量为负值。侵蚀土壤横向输移过程中,约有 30%40%1的土壤有机碳会被矿化为 CO2排放到空气中;参考此比例系数,则每年通过采取以上水土保持措施可减少约 2 233郾 70 万 2 978郾 27 万 t CO2排放进入大气。这表明我国水土保持林草措施保土固碳效益明显,但局部地区仍需控制水力侵蚀导致的有机碳流失。在较长的时间尺度上,水土保持林草措施保土固碳的累积效应尤其显著。以退耕还林(草)工程为例,中国退耕还林(草)20 a(19992019 年),固土 6郾 34 亿 t、防风固沙 7郾 12 亿 t23,有效减少有机碳损失的风险。3郾 2摇 水土保持工程措施碳汇量由图 2 可知,2021 年全国坡面工程的土壤碳汇量、保土固碳量分别为 63郾 51 万和 705郾 98 万 t,其中梯田土壤碳汇量和保土固碳量分别为 38郾 37 万和568郾 00 万 t。在较长的时间尺度上,梯田增加土壤有机碳质量分数、提高土壤碳储量的效果更明显。如黄土高原坡改梯 50 a 内,0 20、20 40 和40 60 cm 土层 有 机 碳 质 量 分 数 分 别 增 加 33郾 7%、54郾 6%和 52郾 4%24。在全国尺度,梯田平均增加32郾 4%的有机碳储存25。坡改梯可有效提高土壤固碳速率、增加土壤有机碳质量分数。通过实施梯田等工程,2021 年全国坡面工程减蚀减碳量约为776郾 58 万 1 035郾 44 万 t CO2,避免碳排放效益明显。根据黄河上中游管理局淤地坝拦泥量统计数据(表 1),20112017 年黄土高原淤地坝拦泥固碳量为 222郾 33 万 t,年均拦泥固碳量和减蚀减碳量分别为 31郾 76 万 t/a 和 34郾 94 万 46郾 58 万 t CO2。值得注意的是,由于本研究淤地坝分层拦泥固碳总量中包含表层土固碳量,故淤地坝拦泥固碳量包含土壤6摇摇 第 1 期曹文洪等:水土保持碳汇内涵与测算方法图 1摇 2021 年全国林草措施保土固碳量Fig.1摇Amount of fixed carbon via soil conservation by forest and grass measures in China in 2021摇图 2摇 2021 年全国梯田土壤碳汇和保土固碳量Fig.2摇 Amount of soil carbon sink and amount of fixed carbon via soil conservation by terraces in China in 2021摇碳汇量。过去50 a 黄土高原淤地坝共拦泥102 亿 t,淤地坝拦泥固碳总量为 2 164 万 t,有机碳年均埋藏率为中国水库和湖泊有机碳埋藏率的 36%和 24%,单位面积有机碳埋藏速率高于全球典型沉积区 1 2 个数量级15。3郾 3摇 水土保持耕作措施碳汇量选取数据可获取且规模较大的机械化秸秆还田和保护性耕作措施,测算出 2021 年全国耕作措施土壤碳汇量为 419郾 08 万 t。如图 3 所示,吉林省耕作措施土壤碳汇量最高,其次分别为黑龙江省和辽宁省。我国自 20 世纪末开始推广的少免耕、秸秆还田、有机肥投入等保护性农业措施是农田土壤碳汇增强的主要原因26 27。我国现有农田面积约为1郾 3 亿 hm2,占全球农田面积的近 10%;中国秸秆还7摇中国水土保持科学2024 年摇 摇 摇表 1摇 20112017 年黄土高原区淤地坝拦泥固碳量Tab.1摇 Amount of fixed carbon via retaining sediment in silt dams in Loess Plateau from 2011 to 2017104t区(丘)Region(Hill)拦泥量 Retaining sediment拦泥固碳量 Fixed carbon via retaining sediment骨干坝Main siltdams中型坝Medium sizedsilt dams小型坝Small sizedsilt dams骨干坝Main siltdams中型坝Medium sizedsilt dams小型坝Small sizedsilt dams合计Total128 550郾 0013 110郾 0014 700郾 0060郾 5727郾 8131郾 19119郾 5728 040郾 003 280郾 002 800郾 0017郾 066郾 965郾 9429郾 9634 650郾 001 850郾 001 500郾 009郾 863郾 923郾 1816郾 9641 700郾 00360郾 00600郾 003郾 610郾 761郾 275郾 6455 910郾 001 550郾 001 700郾 0012郾 543郾 293郾 6119郾 44土石山区 Soil and rock mountainous area2 130郾 00830郾 00700郾 004郾 521郾 761郾 497郾 77塬区 Tablands region3 370郾 00620郾 001 000郾 007郾 151郾 312郾 1210郾 58风沙区 Windy and sandy area2 770郾 001 580郾 001500郾 005郾 883郾 353郾 1812郾 41合计 Total57 120郾 0023 180郾 0024 500郾 00121郾 1949郾 1651郾 98222郾 33图 3摇 2021 年全国耕作措施土壤碳汇和保土固碳量Fig.3摇 Amount of soil carbon sink and amount of fixed carbon via soil conservation by tillage measures in China in 2021摇田比例若从 15%提高到 80%,农田碳储量将增加1郾 75 亿 t/a28。实施水土保持耕作措施、改善农业耕作条件,我国农田土壤固碳潜力巨大。2021 年全国耕作措施保土固碳量为272郾48 万 t,黑龙江省保土固碳量最高,其次为吉林省、辽宁省;全国耕作措施减蚀减碳量约为 299郾73 万 399郾 64 万 tCO2。虽然耕作措施保土固碳量比土壤碳汇总量小,但同样不容忽视,且不同区域二者贡献率存在差异。如对于河北丰宁风蚀农田区,研究者发现耕作措施的碳汇