碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)下水土保持碳匯的機(jī)理、途徑及特征

李智廣， 王海燕， 王雋雄

(1.水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心， 北京100055； 2.黃河水利委員會(huì) 晉陜蒙接壤地區(qū)水土保持監(jiān)督局， 陜西 榆林 719000)

近年來，中國高度重視應(yīng)對(duì)全球氣候變化，制定并實(shí)施積極應(yīng)對(duì)氣候變化國家戰(zhàn)略，持續(xù)提高國家自主貢獻(xiàn)力度。2021年9月22日，黨中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)制定了“時(shí)間表”“路線圖”。2021年10月24日，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，聚焦2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)，對(duì)推進(jìn)碳達(dá)峰工作作出了總體部署，要求有地區(qū)、各部門和行業(yè)重點(diǎn)實(shí)施“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”，建立分領(lǐng)域、分行業(yè)碳達(dá)峰實(shí)施方案及保障方案，在“碳匯能力鞏固提升行動(dòng)”中提出加強(qiáng)退化土地修復(fù)治理，開展水土流失綜合治理?？茖W(xué)地分析和評(píng)價(jià)水土保持碳匯的作用與能力，對(duì)建立水土保持碳匯監(jiān)測(cè)核算指標(biāo)體系和方法論，闡明水土保持對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)具有重要意義[1-2]。

近年來，學(xué)者們陸續(xù)研究了坡改梯[3]、淤地壩[4]、耕作措施[5]、保護(hù)性耕作[6-7]、免耕[8]、植物措施等多種水土保持措施對(duì)土壤碳庫，綜合治理對(duì)小流域生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的作用[9]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各類治理措施可明顯增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，并明顯提高小流域生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。但是，目前全面、系統(tǒng)性地闡述水土保持的碳匯作用與其特征的研究頗為少見。本研究基于各類水土保持措施及其協(xié)同作用機(jī)理，綜合分析水土保持碳匯的主要途徑、特征，旨在為高質(zhì)量地實(shí)施水土保持措施提供參考。

1 水土保持碳匯的學(xué)科基礎(chǔ)和作用機(jī)理

1.1 水土保持碳匯的學(xué)科基礎(chǔ)

水土流失綜合治理，遵循山水林田湖草沙綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理，并針對(duì)治理區(qū)土壤侵蝕特征及其流失規(guī)律，因地制宜地實(shí)施各類預(yù)防和治理措施，合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，構(gòu)建垂直方向多層次有機(jī)搭配，水平方向多類型綜合配置的措施體系，調(diào)蓄地表徑流，增加土壤水分，阻攔坡面土壤流失，保育土壤，促進(jìn)林草生長(zhǎng)發(fā)育，提高生物量，增加地表植被覆蓋度，有效降低水土流失強(qiáng)度與面積，建設(shè)生態(tài)清潔小流域，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良性演替。水土保持碳匯就是建立在治理水土流失的工程措施、植物措施、耕作措施及其產(chǎn)生的調(diào)水蓄水保土效益等物質(zhì)的基礎(chǔ)上。

經(jīng)過多年科學(xué)治理，中國水土保持措施的面積不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，效能日益顯現(xiàn)。據(jù)第一次全國水利普查，2011年底全國存有水土保持措施面積9.92×105km2，其中梯田1.70×105km2，壩地3.38×103km2，其他基本農(nóng)田2.68×104km2，水土保持喬木林2.98×105km2，灌木林1.14×105km2，經(jīng)濟(jì)果木林1.12×105km2，種草4.11×104km2，封禁治理2.10×105km2；存有淤地壩58 445座，淤地面積9.28×102km2，治溝骨干工程5 655座，已淤積2.35×109m3[10]。2012—2020年累計(jì)新增水土流失治理面積5.23×105km2，其中水土保持基本農(nóng)田4.85×104km2，水土保持林1.34×105km2，經(jīng)濟(jì)果木林5.55×104km2，種草3.19×104km2，封禁治理1.81×105km2[11]。水土保持措施年均可保持土壤1.60×109t以上[12]。

1.2 水土保持碳匯的作用機(jī)理

1.2.1 攔蓄泥沙，保育土壤，提升土壤碳匯能力，增加土壤碳庫容量 水土保持措施及其綜合配置可以改善治理地塊的微地形及其水、肥、氣、熱等條件，調(diào)節(jié)地表徑流，減少土壤流失，增加土壤養(yǎng)分水分，優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，既減少了土壤流失導(dǎo)致的碳排放，又增加了攔蓄保育土壤的碳儲(chǔ)存，更提升和穩(wěn)定了土壤碳庫的容量。研究表明：①坡耕地改造為梯田后，可使“三跑田”(跑水、跑土、跑肥)變?yōu)椤叭Ｌ铩?保水、保土、保肥)，進(jìn)而使土壤碳庫各組分隨改造年份增加顯著增加。在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，修建30 a的梯田，有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳較坡耕地分別增加146%，196%，100%[3]。 ②修建淤地壩在攔泥淤地，控制水土流失，促進(jìn)作物增產(chǎn)的同時(shí)，可掩埋沉積泥沙，礦化深層土壤碳，大幅提高土壤碳儲(chǔ)量，增加流域總碳儲(chǔ)量，40 a多來淤地壩小流域碳庫儲(chǔ)存速率年均提高0.13～5.03 t/hm2，平均為1.28 t/hm2[4]。 ③保護(hù)性耕作有利于增加農(nóng)田土壤表層生物量，降低土壤呼吸強(qiáng)度，進(jìn)而減少碳的損失；有利于有機(jī)碳在土壤中的固持，提高土壤有機(jī)碳密度[6-8]。在南方紅壤試驗(yàn)區(qū)，縱坡間作、橫坡間作、果園清耕等耕作措施實(shí)施5 a后，表層土壤總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅為37.24%～66.34%，土壤碳儲(chǔ)量增幅為35.23%～55.34%[5]。

1.2.2 植物措施吸收同化大氣中的CO2，固碳儲(chǔ)碳形成“綠碳” 在中國，水土保持林、水土保持種草和經(jīng)濟(jì)果木林等3類植物措施占水土保持措施總面積的42%～57%；若計(jì)入封禁治理面積，植物措施占水土保持措施總面積的比例達(dá)75%左右。植物措施通過光合作用吸收大氣中的CO2并固定在植物及其林下土壤當(dāng)中，具有很強(qiáng)的碳匯能力和較長(zhǎng)的儲(chǔ)碳期。據(jù)相關(guān)資料表明，林木每生長(zhǎng)1 m3蓄積量大約可以吸收1.83 t CO2，釋放1.62 t O2[13]。中國草地生物量碳密度為215.8～348.1 g/m2(以C計(jì)，下同)，平均值為300.2 g/m2，草地土壤有機(jī)碳密度為8.5～15.1 kg/m2[14]。在侵蝕劣地及其他退化土地上實(shí)施的水土保持林草，碳匯能力提升更加顯著。在黃土高原荒漠草原、丘陵典型草原、梁塬典型草原和草甸草原，實(shí)施封禁11 a后草地活體植物、凋落物和根系的碳密度總量分別為706.6，808.0，1 531.9，2 098.2 g/m2，分別是退化草地的14.8，8.33，6.5，15.88倍[15]。

1.2.3 建設(shè)生態(tài)清潔小流域，減少碳排放，增加碳匯量，實(shí)現(xiàn)零排放 生態(tài)清潔小流域建設(shè)，將水資源保護(hù)、農(nóng)村垃圾和污水處理、農(nóng)田化肥和農(nóng)藥使用等一體化管理，構(gòu)筑生態(tài)修復(fù)、生態(tài)治理和生態(tài)保護(hù)“三道防線”，實(shí)現(xiàn)水源可保護(hù)可涵養(yǎng)、水體清潔水質(zhì)達(dá)標(biāo)、生態(tài)系統(tǒng)良性演替、產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化[16-18]。水土流失綜合治理體系中，各種措施相互耦合、協(xié)同聯(lián)動(dòng)，促進(jìn)物質(zhì)流、養(yǎng)分流和水分流等物質(zhì)在植物、土壤直到土體深層不斷聚集[19]，提升小流域生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力；面源污染減量化措施體系，控制化肥、農(nóng)藥和地膜等污染物使用量，推行農(nóng)作物秸稈綜合利用和畜禽糞污資源化利用，推廣有機(jī)農(nóng)業(yè)，減少化石能源消耗，推進(jìn)小流域碳減排；溝道河岸庫濱整治與濕地恢復(fù)，杜絕人為采挖破壞，保護(hù)河岸和河道，清淤疏浚河道，涵養(yǎng)河湖庫池，凈化水體美化環(huán)境。至2020年，北京市已實(shí)施生態(tài)清潔小流域466條，充分發(fā)揮了減少土壤流失、涵養(yǎng)水源、控制面源污染、增加碳匯的多重作用[20]。中國科學(xué)院在鷹潭紅壤生態(tài)試驗(yàn)站的研究表明，在侵蝕裸地集水區(qū)采用快速植物恢復(fù)技術(shù)，2～3 a初步實(shí)現(xiàn)坡面綠化，30 a已形成穩(wěn)定的喬灌草立體結(jié)構(gòu)，土壤碳密度達(dá)47.92 t/hm2，喬木層、灌木層、枯枝落葉層和草本層的碳密度分別達(dá)80.97，6.92，2.85，0.33 t/hm2，相較于試驗(yàn)初期退化裸地發(fā)生了巨大變化[9]。

2 水土保持碳匯的主要途徑與物質(zhì)表現(xiàn)

2.1 水土保持碳匯主要途徑

水土保持碳匯途徑主要包括植物碳匯、土壤碳匯和水體碳匯等3種[21-22]?；趧氃忍岢龅摹爸袊帘３执胧┓诸愊到y(tǒng)”[23]，經(jīng)去除不直接發(fā)生碳匯作用的措施，合并碳匯途徑相同的同類措施，提出水土保持碳匯的主要途徑與措施類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1左側(cè)所示。

圖1 水土保持碳匯途徑和實(shí)物與水土保持措施的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.1.1 植物碳匯途徑 植物途徑發(fā)生碳匯作用是通過植物的光合作用，吸收同化空氣中的CO2形成纖維素〔(C6H10O5)n〕等有機(jī)質(zhì)，儲(chǔ)存在植物的干枝莖葉根當(dāng)中，進(jìn)而擴(kuò)展到地表土壤和深層土體當(dāng)中，提升生態(tài)系統(tǒng)碳吸收匯的速度和能力。

水土保持植物碳匯途徑涉及的治理措施主要包括：造林、種草、封育、生態(tài)修復(fù)、植物護(hù)路等植物措施以及促進(jìn)林草和農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的梯田、水平階、草田輪作、橫坡帶狀間作、休閑地綠肥等工程措施和耕作措施。進(jìn)一步細(xì)分，這些水土保持措施涉及多種多樣實(shí)施和配置的方式，包括：人工種植和飛機(jī)播種的喬木林、灌木林和草本植物，封禁恢復(fù)的喬木林、灌木林和草本植物，人工種植的經(jīng)濟(jì)果木林，種植在農(nóng)田上用以阻斷徑流的植物籬，種植在田塊四周用以防風(fēng)的防護(hù)林，栽植在村旁宅旁路旁水旁的“四旁林”，種植在溝底和道路兩側(cè)用以防止溝蝕的草本植物(草水路)，種植在開挖面和堆積體上用以防止土壤流失的植物，作物及與其輪作和間作的牧草、綠肥，在梯田和水平階上種植的農(nóng)作物。

2.1.2 土壤碳匯途徑 土壤途徑發(fā)生碳匯作用主要是通過各種水土保持措施的蓄水、保土和改善土壤等效益產(chǎn)生固碳增匯。①減少或防止土壤流失，保護(hù)現(xiàn)有土壤碳素流失，鞏固土壤固碳能力； ②林草的凋落物、還田的作物秸稈、翻壓的綠肥和根系分泌物，向地表輸入有機(jī)物質(zhì)，提升表層土壤有機(jī)碳含量和土體深層碳素含量，提高土壤碳匯增量。

水土保持土壤碳匯途徑涉及的治理措施主要包括：造林、種草、封育、生態(tài)修復(fù)、植物護(hù)路等植物措施，魚鱗坑、大型果樹坑等造林整地措施，梯田、水平階、水平溝、竹節(jié)溝、溝頭防護(hù)、谷坊、淤地壩、引洪漫地、引水拉沙造地、沙障固沙等工程措施，等高溝壟種植、壟作區(qū)田、陶缽種植、抗旱豐產(chǎn)溝、中耕培壟、草田輪作、橫坡帶狀間作、休閑地綠肥、留茬少耕和免耕等耕作措施。進(jìn)一步細(xì)分，這些水土保持措施涉及多種多樣實(shí)施和配置的方式，除植物碳匯途徑中能夠發(fā)生土壤碳匯的植物措施外，還包括在溝底修筑的土谷坊、石谷坊、植物谷坊，在溝壑修筑的淤地壩，引洪水漫淤的耕地或荒灘，在風(fēng)沙區(qū)引水拉沙淤出的耕地，在沙地營(yíng)造的柴草沙障、卵石沙障和植物沙障，在坡耕地上的等高耕作、區(qū)田耕作、等高挖溝及少耕、免耕。

2.1.3 水體碳匯途徑 水體途徑發(fā)生碳匯作用主要是通過工程措施攔蓄、儲(chǔ)存的水體和泥沙吸收CO2，積存有機(jī)物質(zhì)增加碳匯。 ①水體本身吸收和溶解CO2，水體中的浮游植物等水生生物光合作用吸收同化CO2； ②攔蓄積存的有機(jī)物質(zhì)改變底泥植物組成，促進(jìn)底泥碳循環(huán)，形成沉積物有機(jī)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)碳素埋藏[24]，提升碳匯增量和總?cè)萘俊?/p>

水土保持水體碳匯途徑涉及的治理措施主要包括：坡面小型蓄排工程，路旁、溝底小型蓄引工程、溝頭防護(hù)、谷坊和淤地壩等。進(jìn)一步細(xì)分，這些水土保持措施涉及多種多樣實(shí)施和配置的方式，包括：坡面上的截水溝、排水溝、蓄水池和沉砂池，修筑在村旁路旁用以阻緩徑流，防止沖刷，匯集雨水的蓄水設(shè)施(澇池、蓄水池等)，修筑在溝壑中用以攔泥淤地，減輕溝蝕的淤地壩。

2.2 水土保持碳匯主要物質(zhì)表現(xiàn)

上述水土保持碳匯途徑必然消減空氣中的CO2，并通過同化、化合等過程生成了有機(jī)的、無機(jī)的物質(zhì)。這些水土保持碳匯實(shí)物主要包括生物量(地上生物量和地下生物量)、無生命有機(jī)質(zhì)(枯死木和枯落物)、土壤有機(jī)質(zhì)、水體碳素等4種類型(與水土保持措施的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1右側(cè)部分所示)。

2.2.1 生物量 生物量是指通過水土保持措施產(chǎn)生的、所有草本和木本活體有機(jī)質(zhì)，分為地上生物量和地下生物量。地上生物量指土壤以上的活體生物量，地下生物量指活根的全部生物量(直徑不足2 mm的細(xì)根不計(jì)入)。

2.2.2 無生命有機(jī)質(zhì) 無生命有機(jī)質(zhì)是指通過水土保持措施產(chǎn)生的、已脫開草本和木本活體的無生命有機(jī)質(zhì)，分為枯落物和枯死物?？萋湮锸侵复嬖谟谕寥乐?、已死亡和腐朽狀況的、直徑2～10 cm的所有非活生物量，主要包括枯枝和落葉?？菟牢锇ú话诳萋湮镏械乃蟹腔钌锪浚粗睆酱笥?0 cm的非活性生物量，無論直立、橫臥在地面上或土壤中。

2.2.3 土壤有機(jī)質(zhì) 土壤有機(jī)質(zhì)是指通過水土保持措施產(chǎn)生于土壤中，經(jīng)微生物分解與合成的各種有機(jī)物質(zhì)，主要包括碳水化合物、含氮化合物、木質(zhì)素、脂溶性物質(zhì)及直徑小于2 mm植物細(xì)根和無生命有機(jī)質(zhì)。

3 水土保持碳匯的主要特征

基于上述闡述和分析可知，水土保持碳匯具有多種治理措施共同作用，多種碳匯途徑相互交織，碳匯物質(zhì)的局地性，短歷時(shí)碳匯明顯，全周期呈弱碳匯等4個(gè)基本特征。

(1) 多種治理措施共同作用。為充分發(fā)揮各種措施調(diào)水、保水、保土等效益并使其協(xié)同作用，常常將工程措施、植物措施和耕作措施相互結(jié)合、有機(jī)搭配、綜合配置。多種類型、多樣結(jié)構(gòu)的措施共同參與、共同作用，充分發(fā)揮著水土保持措施碳匯作用(如圖2所示)。

圖2 水土保持措施碳匯作用過程示意圖

(2) 多種碳匯途徑相互交織。水土保持碳匯產(chǎn)生于植物措施生長(zhǎng)的林草與作物，工程措施蓄積的水體，各類措施攔蓄和保育的土壤。其中不斷地發(fā)生著吸收、同化、礦化CO2的物理、生物、化學(xué)的過程。這就確定了水土保持碳匯具有多種途徑相互作用的特征。

(3) 碳匯物質(zhì)的局地性。水土保持措施總是實(shí)施、生長(zhǎng)和發(fā)育在確定的地塊上和確定的項(xiàng)目區(qū)，所產(chǎn)生的調(diào)水、保水、保土、效益及其碳匯物質(zhì)也在確定的范圍內(nèi)。這就決定了水土保持碳匯物質(zhì)具有局地性。

(4) 短歷時(shí)碳匯明顯，全周期呈弱碳匯。限于自然環(huán)境稟賦和經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件，在各地乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，能夠?qū)嵤┑乃帘３执胧?shù)量存在極限，其質(zhì)量和功能也存在上限。植物措施有發(fā)生、發(fā)育與演替的頂級(jí)群落，工程措施有確定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(或抗洪能力限度)，耕作措施只是種植作物的技藝方法，各類措施的碳匯能力就必然存在極限。因此，各種途徑水土保持碳匯的作用呈現(xiàn)短歷時(shí)明顯碳匯，全周期弱碳匯的時(shí)效性特征。即在較短時(shí)段，如一年、幾年或數(shù)年的植物旺盛生長(zhǎng)期、小型工程蓄水期和工程措施效益發(fā)揮期，各種措施均有明顯減低碳排放和碳吸收匯作用；從長(zhǎng)周期看，如植物措施的全生命周期(草本1年或多年，林木大多數(shù)幾十年)，生長(zhǎng)發(fā)育期是碳吸收匯，枯死凋謝腐爛時(shí)是碳排放源，其碳循環(huán)基本為氣候碳中性[25-26]。

4 結(jié) 論

本文基于各類水土保持措施及其配置體系，參考相關(guān)文獻(xiàn)，系統(tǒng)地探討了水土保持碳匯的物質(zhì)基礎(chǔ)、作用機(jī)理、主要途徑及其對(duì)應(yīng)的實(shí)物，總結(jié)了水土保持碳匯的主要特征，對(duì)進(jìn)一步開展水土保持碳匯監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，推動(dòng)實(shí)施碳匯水土保持具有一定的指導(dǎo)意義。

(1) 水土保持碳匯具有多措施共同作用，多途徑相互交織的特征，在水土保持工作中，應(yīng)根據(jù)工程措施、植物措施和耕作措施以及工程規(guī)格、林草品種、耕作工藝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)、配置好各類措施的數(shù)量、種類及其空間結(jié)構(gòu)，保證各類措施能夠持續(xù)、高效地發(fā)揮碳匯作用，鞏固和提升生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力。

(2) 水土保持碳匯具有短歷時(shí)碳匯明顯，全周期呈弱碳匯的特征。在水土流失綜合治理中，應(yīng)不斷地優(yōu)化措施類型及其結(jié)構(gòu)，促進(jìn)各類措施多種途徑向著更持久、最根本的碳匯途徑轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)水土流失綜合防治功能，提高水土保持碳匯效能。應(yīng)根據(jù)植物措施、工程措施全生命周期及其各階段的特征，做好維護(hù)管理和及時(shí)更新更替，促進(jìn)林草、土壤、水體和土體等多種碳匯途徑功能充分發(fā)揮，持續(xù)協(xié)同作用。

(3) 水土保持碳匯具有碳匯能力的極限性特征和物質(zhì)表現(xiàn)的局地性特征，在水土保持率現(xiàn)狀與閾值差距較大的地區(qū)，應(yīng)多措并舉，多實(shí)施、實(shí)施好治理措施，擴(kuò)大高碳匯水土保持措施；在水土保持率現(xiàn)狀與閾值差距較小的地區(qū)，應(yīng)著力提升水土保持措施質(zhì)量和功能，更加注重提高碳匯作用及其物質(zhì)累積，保障區(qū)域碳匯能力不斷增強(qiáng)、碳匯物質(zhì)持續(xù)增加。

(4) 根據(jù)水土保持碳匯物質(zhì)表現(xiàn)的局地性特征，在水土保持措施實(shí)施較好，且實(shí)施多的區(qū)域，水土保持碳匯的增量更大，能力更強(qiáng)，具有更多的，且不斷增加的碳匯物質(zhì)，具備更早實(shí)現(xiàn)碳中和的潛力。碳匯物質(zhì)更多的水土保持工程區(qū)為開展核證自愿減排量交易提供了可能和場(chǎng)景，為水土保持碳匯項(xiàng)目參與全國碳排放權(quán)交易提供“碳票”“碳資產(chǎn)”[27]。