温室气体排放造成的全球气候变化对人类的生存发展造成严重威胁。我国作为碳排放大国，在第七十五届联合国大会上提出“双碳”目标(二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和)[1]。为实现“双碳”目标，全国各地各行各业按照中共中央、国务院的安排部署正在实施一系列行动方案。

水土流失作为普遍存在的环境问题，在造成生产力降低的同时强烈影响着生态系统碳循环过程和碳排放[2]。水土保持措施在发挥保水保土等功能的同时，具有重要的碳汇作用，尤其是造林种草等植物措施，通过光合作用吸收大气中的二氧化碳并固定在植物及其林下土壤中，且具有很强的碳汇能力和较长的储碳期[3-5]。全球森林生态系统固碳量约为全球二氧化碳排放量的37.8%[6],亚洲尤其是中国和印度陆地生态系统碳储量的增加主要归因于植树造林[7]。

黄土高原是我国水土流失最严重的地区，生态系统曾遭受较严重的破坏，森林覆盖率低于全国平均水平，通过近几十年来各项水土保持措施的实施，目前森林生态系统处于恢复之中，有进一步发育、固碳的潜力，其碳汇作用不容忽视。目前针对黄土高原地区水土保持碳汇的研究主要涉及固碳特征、机制或大范围评估预测等方面，缺乏对小流域尺度水土保持碳汇效益的定量研究。本文以黄土高塬沟壑区杨家沟小流域(水土保持综合治理小流域)和与其毗邻的董庄沟小流域(未治理对比小流域)为研究区，基于遥感影像解译，明晰各土地利用类型尤其人工林地的分布状况及面积等，通过野外调查采样，测算杨家沟小流域人工林地与董庄沟小流域天然草地碳储量，并估算潜在碳汇量及其效益，以期为全面定量评估水土保持碳汇效益等提供参考依据。

1、研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

杨家沟小流域和董庄沟小流域为黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站在黄土高塬沟壑区南小河沟流域(属泾河流域)内设置的一对位置毗邻、面积接近的对比小流域，位于甘肃省庆阳市西峰区，具有典型的黄土高塬沟壑区地貌特征，水土流失严重，两条小流域内均无天然林分布。其中：杨家沟为治理小流域，主沟长1 500 m、纵比降10.67%,从20世纪50年代开始实施综合治理，林草植被恢复较快，主要造林树种有刺槐、油松、沙棘等；董庄沟为未治理对比小流域，主沟长1 600 m、纵比降8.93%,多年来处于自然修复状态，形成了以草本植物为主的植被群落，零星分布有刺槐、油松等乔木(系其他小流域乔木种子被风吹来所致)。多年来对这两条小流域的降水、径流及泥沙的对比观测发现，经过综合治理的杨家沟小流域在拦蓄暴雨径流、控制土壤侵蚀等方面效益显著，在暴雨情况下径流模数、土壤侵蚀模数分别减小62.12%、80.03%[8]。杨家沟小流域水土保持植树造林固碳增汇效益，能较好地反映黄土高塬沟壑区水土保持植树造林固碳增汇效益。

1.2 样地设置

在杨家沟小流域和董庄沟小流域分别设置3个10 m×10 m样地(编号为A、B、C,见表1),其中：杨家沟小流域样地为人工林地(位于阴坡的人工刺槐林地),坡度均为20°左右，样地A、B的林分密度接近且均高于样地C,样地B、C的树龄一致且均大于样地A;董庄沟小流域样地为天然草地，样地A、B立地类型一致，样地A植被优势种为茵陈蒿，样地B、C的植被优势种均为长芒草+铁杆蒿。

表1 样地基本情况

1.3 野外调查及采样方法

利用大疆精灵4 RTK无人机对杨家沟和董庄沟小流域进行航空摄影，通过大疆智图软件生成DOM(数字正射影像),进而采用ArcMap 10.2软件进行土地利用类型解译，获取研究区土地利用数据。人工现场对杨家沟小流域人工林样地内所有树木逐株进行登记，利用塔尺和胸径尺测量树高、胸径并做好记录。

在董庄沟小流域每个天然草地样地内沿对角线设置3个1 m×1 m的样方，采集并测定每个样方内所有植被的地上生物量和0～30 cm土层根系生物量及其有机碳含量，采集0～30 cm土层土壤样品，测定其有机碳含量；在每个样方旁分别用环刀采集0～30 cm土层的原状土样，测量其土壤容重。

1.4 碳储量及碳汇价值计算方法

1.4.1 蓄积量扩展法计算林地碳储量

根据样地调查获取的人工林地所有树木的胸径、树高数据和二元立木材积表，计算出样地内所有树种的单木蓄积量，推算杨家沟小流域人工林地的整体林木蓄积量，进而采用蓄积量扩展法计算人工林地碳储量[9],公式如下：

式中：Cw为林地碳储量，C1、C2、C3分别为林木碳储量、林下植物碳储量、林下土壤碳储量，Vf为林木蓄积量，δ、ρ、γ分别为生物量扩大系数、容积系数、含碳率(采用IPCC的默认值，即取值分别为1.9、0.5、0.5),α为林下植物碳转换系数(取值为0.195),β为林下土壤碳转换系数(取值为1.244)。

1.4.2 生物量法计算天然草地碳储量

根据测定的天然草地植物生物量(含地上和地下生物量)及其有机碳含量、土壤有机碳含量，采用生物量法计算天然草地碳储量[10],公式如下：

式中：Cg为草地碳储量，Cs、Cp分别为单位面积草地土壤碳储量、植被碳储量，Sg为草地面积，fsoc为土壤有机碳含量，Wvs为土壤容重，D为土层厚度，B为植被生物量，fveg为植物含碳率。

1.4.3 市场价值法计算碳汇价值

选取多个交易市场形成的碳汇项目交易均价作为水土保持人工林地碳汇价格，估算杨家沟小流域植树造林的潜在碳汇价值，公式如下：

式中：W为碳汇价值，3.67为二氧化碳当量转换系数(将碳储量增加量转换为增汇量),C为碳储量，P为碳汇价格。

2、结果与分析

2.1 研究区土地利用情况

研究区土地利用类型解译结果见表2。杨家沟小流域总面积为1.05 km2,其中主要土地利用类型为人工林地(乔木树种主要有刺槐、油松等，灌木树种主要有沙棘等),面积为0.70 km2,占小流域总面积的66.67%。董庄沟小流域总面积为1.27 km2,其中主要土地利用类型为天然草地(以铁杆蒿群落和白羊草+本氏针茅群落为主),面积为0.58 km2,占小流域总面积的45.67%。

表2 研究区各地类面积及占比

2.2 林草地碳储量

2.2.1 杨家沟小流域人工林地碳储量

杨家沟小流域人工林地主要乔木树种单木生长情况如图1所示(图中气泡越大表示蓄积量越大)。可以看出，杨家沟小流域内人工林中刺槐占绝对优势(多度在70%以上),其次为油松(多度约为20%)。杨家沟小流域树高变化范围为3.00～15.60 m, 胸径变化范围为3.00～32.90 cm, 各人工林样地的树木生长情况统计见表3。单因素方差分析和事后多重比较表明：样地C的树木生长情况与其他样地具有显著差异，林分密度对树木的生长具有明显影响，即林分密度越小树木生长越旺盛；样地A与样地B的树木生长情况相似，树龄对树木生长不具有决定性的影响。树木的胸径和树高对蓄积量起着决定作用，主要乔木树种的平均单木蓄积量从大到小依次为刺槐>油松>榆树>臭椿，刺槐的单木蓄积量最高(平均为0.078 9 m3/株)。

图1 人工林地主要乔木树种单木生长情况

表3 人工林样地树木生长及蓄积固碳情况

各人工林样地林木蓄积量变化范围为0.75～2.18 m3,3个样地单位面积蓄积量平均值为0.013 m3/m2;各样地人工林碳密度变化范围为86.82～252.48 t/hm2,人工林固碳水平与树木生长情况有关，树高和胸径越大其林木蓄积量越大，固碳水平(碳密度)就越高，3个样地碳密度平均值为150.23 t/hm2。根据土地类型解译结果，按照前述方法计算的杨家沟小流域人工林地碳储量为10 516.10 t。

2.2.2 董庄沟小流域天然草地碳储量

董庄沟小流域天然草地各样地碳储量指标平均值见表4。天然草地的土壤有机碳含量变化范围为2.99～21.27 g/kg, 土壤容重变化范围为1.02～1.57 g/cm3。单因素方差分析和事后多重比较表明：样地C的土壤有机碳含量与其他样地具有显著差异，3个样地的土壤容重均存在显著差异，即立地条件对二者的影响较大，坡面土壤有机碳含量大于沟谷的、土壤容重则小于沟谷的；样地A与样地B的植物地上生物量存在显著差异，且样地A的植物根系含碳率与其他样地均有显著差异，而3个样地的植物根系生物量和地上部含碳率均无显著差异，即植被演替程度对植物地上生物量和根系含碳率的影响较大。地上植物生物量均大于根系生物量，二者的变化范围分别为116.21～455.56 g/m2和49.43～299.82 g/m2。地上植物含碳率和根系含碳率变化范围分别为37.00%～45.00%和29.00%～47.00%。样地A的植物含碳率小于其他样地的，说明植物含碳率与植被演替程度成正比。根据土地类型解译结果，按照前述方法计算的董庄沟小流域天然草地碳储量为132.10 t, 碳密度为2.28 t/hm2,远低于我国西北地区平均植被碳密度42.82 t/hm2[11]。

表4 天然草地各样地碳储量指标平均值

2.3 植树造林措施碳汇效益

杨家沟小流域面积比董庄沟小流域面积小0.22 km2,但其人工林地的碳储量约为董庄沟小流域天然草地碳储量的80倍，表明约70 a来的水土保持植树造林固碳效益显著。把董庄沟小流域天然草地碳密度作为实施植树造林措施的本底值，计算的杨家沟小流域植树造林碳储量增加值约为10 356.50 t ,换算为二氧化碳当量，则碳汇量达到38 008.36 t, 碳汇密度约为542.98 t/hm2。

根据全国碳交易平台发布的2023年碳排放配额成交价变化情况(见图2),碳汇价格变化范围为50.5～82.79元/t、平均成交价格为64.08元/t。曹先磊[12]结合我国7个碳交易所有关资料分析表明，当前我国林业碳汇价格为14～90元/t, 平均值为20.00元/t。参考全国首单水土保持项目碳汇交易(长汀县罗地河小流域综合治理水土保持碳汇交易)成交单价18元/t, 综合上述碳汇市场价格，估算杨家沟小流域水土保持植树造林措施的单位面积碳汇效益为1.0万～3.5万元/hm2,潜在碳汇价值为68.59万～244.20万元。

图2 2023年全国碳排放配额成交价变化情况

2.4 讨论

本研究通过治理与非治理小流域对比，发现人工林地的固碳能力远高于天然草地的，这与Anwar[13]和Liu等[14]的研究结论一致。对天然草地各组分的含碳量测定结果表明，地上植被和植物根系的碳储量均大于土壤的碳储量，这与许小明等[15]的研究结论相反，原因可能是本研究在天然草地的土壤采样深度为0～30 cm, 忽略了更深土层的碳储量，但从采样现场及采取土样看，本研究区天然草地植物根系分布范围普遍较浅，深度为20～30 cm土层的根系生物量远小于10～20 cm土层的，且土壤有机碳主要集中在0～10 cm土层。也有研究[16]表明，土壤有机碳含量并非随着植被恢复一直呈现增加趋势。本研究区域的董庄沟小流域以茵陈蒿为优势种的样地A植物含碳率低于以长芒草+铁杆蒿为优势种的样地B和样地C的，这与植被的演替程度有关。演替程度较高的禾草类植物根系可深至85 cm, 其根系分泌物对土壤碳储量的贡献远高于演替程度低的杂草，土壤碳密度一般在禾草类、多年生草本和灌木占主导优势的林草地达到最高[10]。董庄沟小流域天然草地植被以铁杆蒿群落和白羊草+本氏针茅群落为主，属于植被演替中的较高级别，可能因采样数量较小而导致了对草地生态系统碳储量的低估，因此在下一步的研究中，应加大采样深度、增加样本数量，更准确测定草地生态系统的固碳能力。

此外，以往大多同类研究的对象为人工种草的植被恢复区，其本身也是一种水土保持植物措施，将其与植树造林措施对比仅能反映不同水土保持措施的固碳效益，而无法明确实施水土保持措施产生的净效益。本研究把采取封沟禁牧自然恢复的董庄沟小流域天然草地碳储量作为本底值，其是没有采取水土保持植树造林措施的现状固碳能力，在方法学上具有一定的创新性。但对人工林地和天然草地的碳储量采用了两种不同的计算方法，两种方法计算结果的可比性还需要进一步验证。因此，在下一步的研究中，可对林下土壤和植被进行分层采样，参照草地采样及测定计算方法，验证蓄积量扩展法的适用性。与有关刺槐林立地条件、林龄、林分密度、林地土壤碳汇等的一系列研究成果[17-20]相比，认为本研究对杨家沟小流域以刺槐林为主的人工林地林分及其碳储量等的测定分析结果是合理的，关于林龄对碳储量的影响还需要进一步研究。此外，在下一步的研究中拟增加样地数量，并将坡度、坡向等作为林地条件划分标准，进一步细化研究成果。

3、结论

1)杨家沟小流域人工林地的碳储量为10 516.10 t、碳密度为150.23 t/hm2,董庄沟小流域天然草地的碳储量为132.10 t、碳密度为2.28 t/hm2。

2)杨家沟小流域约70 a来的水土保持植树造林使碳储量增加约10 356.50 t, 换算成碳汇增量为38 008.36 t, 碳汇密度约为542.98 t/hm2。

杨家沟小流域水土保持植树造林措施的单位面积碳汇效益为1.0万～3.5万元/hm2,潜在碳汇价值为68.59万～244.20万元。

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基金资助:国家自然科学基金资助项目(42177323);甘肃省自然科学基金资助项目(24JRRM010);

文章来源:曹丹,陈峰峰,贾易周,等.黄土高塬沟壑区小流域植树造林固碳增汇效益研究[J].人民黄河,2024,46(11):121-125.