摘 要：為定量評估水土保持植樹造林措施的固碳增匯效益，并為全面定量評估水土保持碳匯效益等提供參考依據(jù)，以黃土高塬溝壑區(qū)楊家溝小流域（水土保持綜合治理小流域）和與其毗鄰的董莊溝小流域（未治理對比小流域）為研究區(qū)，基于遙感影像解譯，明晰各土地利用類型尤其人工林地的分布狀況及面積等，通過野外調(diào)查采樣，測算楊家溝小流域人工林地與董莊溝小流域天然草地碳儲量，并估算潛在碳匯量及其碳匯價值。結(jié)果表明：１）楊家溝小流域人工林地的碳儲量為１０ ５１６．１０ ｔ、碳密度為１５０．２３ ｔ／ ｈｍ２，董莊溝小流域天然草地的碳儲量為１３２．１０ ｔ、碳密度為２．２８ ｔ／ ｈｍ２；２） 楊家溝小流域約７０ ａ 來的水土保持植樹造林使碳儲量增加約１０ ３５６．５０ ｔ，換算成碳匯量為３８ ００８．３６ ｔ，碳匯密度約為５４２．９８ ｔ／ ｈｍ２；３）楊家溝小流域水土保持植樹造林措施的單位面積碳匯效益為１．０ 萬～３．５ 萬元／ ｈｍ２，潛在碳匯價值為６８．５９ 萬～２４４．２０ 萬元。

關(guān)鍵詞：植樹造林；碳儲量；碳匯價值；楊家溝；董莊溝；黃土高塬溝壑區(qū)

中圖分類號：Ｓ１５７；Ｓ７２７．２２；Ｘ８２ 文獻標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１１．０１９

引用格式：曹丹，陳峰峰，賈易周，等．黃土高塬溝壑區(qū)小流域植樹造林固碳增匯效益研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１１）：１２１－１２５．

０ 引言

溫室氣體排放造成的全球氣候變化對人類的生存發(fā)展造成嚴(yán)重威脅。我國作為碳排放大國，在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出“雙碳”目標(biāo)（二氧化碳排放力爭于２０３０ 年前達(dá)到峰值，努力爭取２０６０ 年前實現(xiàn)碳中和）［１］ 。為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，全國各地各行各業(yè)按照中共中央、國務(wù)院的安排部署正在實施一系列行動方案。

水土流失作為普遍存在的環(huán)境問題，在造成生產(chǎn)力降低的同時強烈影響著生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程和碳排放［２］ 。水土保持措施在發(fā)揮保水保土等功能的同時，具有重要的碳匯作用，尤其是造林種草等植物措施，通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳并固定在植物及其林下土壤中，且具有很強的碳匯能力和較長的儲碳期［３－５］ 。全球森林生態(tài)系統(tǒng)固碳量約為全球二氧化碳排放量的３７．８％［６］ ，亞洲尤其是中國和印度陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的增加主要歸因于植樹造林［７］ 。

黃土高原是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)曾遭受較嚴(yán)重的破壞，森林覆蓋率低于全國平均水平，通過近幾十年來各項水土保持措施的實施，目前森林生態(tài)系統(tǒng)處于恢復(fù)之中，有進一步發(fā)育、固碳的潛力，其碳匯作用不容忽視。目前針對黃土高原地區(qū)水土保持碳匯的研究主要涉及固碳特征、機制或大范圍評估預(yù)測等方面，缺乏對小流域尺度水土保持碳匯效益的定量研究。本文以黃土高塬溝壑區(qū)楊家溝小流域（水土保持綜合治理小流域）和與其毗鄰的董莊溝小流域（未治理對比小流域）為研究區(qū)，基于遙感影像解譯，明晰各土地利用類型尤其人工林地的分布狀況及面積等，通過野外調(diào)查采樣，測算楊家溝小流域人工林地與董莊溝小流域天然草地碳儲量，并估算潛在碳匯量及其效益，以期為全面定量評估水土保持碳匯效益等提供參考依據(jù)。

１ 研究區(qū)概況與研究方法

１．１ 研究區(qū)概況

楊家溝小流域和董莊溝小流域為黃河水利委員會西峰水土保持科學(xué)試驗站在黃土高塬溝壑區(qū)南小河溝流域（屬涇河流域）內(nèi)設(shè)置的一對位置毗鄰、面積接近的對比小流域，位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)，具有典型的黃土高塬溝壑區(qū)地貌特征，水土流失嚴(yán)重，兩條小流域內(nèi)均無天然林分布。其中：楊家溝為治理小流域，主溝長１ ５００ ｍ、縱比降１０．６７％，從２０ 世紀(jì)５０ 年代開始實施綜合治理，林草植被恢復(fù)較快，主要造林樹種有刺槐、油松、沙棘等；董莊溝為未治理對比小流域，主溝長１ ６００ ｍ、縱比降８．９３％，多年來處于自然修復(fù)狀態(tài)，形成了以草本植物為主的植被群落，零星分布有刺槐、油松等喬木（系其他小流域喬木種子被風(fēng)吹來所致）。多年來對這兩條小流域的降水、徑流及泥沙的對比觀測發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過綜合治理的楊家溝小流域在攔蓄暴雨徑流、控制土壤侵蝕等方面效益顯著，在暴雨情況下徑流模數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)分別減小６２．１２％、８０．０３％［８］ 。楊家溝小流域水土保持植樹造林固碳增匯效益，能較好地反映黃土高塬溝壑區(qū)水土保持植樹造林固碳增匯效益。

１．２ 樣地設(shè)置

在楊家溝小流域和董莊溝小流域分別設(shè)置３ 個１０ ｍ×１０ ｍ 樣地（編號為Ａ、Ｂ、Ｃ，見表１），其中：楊家溝小流域樣地為人工林地（位于陰坡的人工刺槐林地），坡度均為２０°左右，樣地Ａ、Ｂ 的林分密度接近且均高于樣地Ｃ，樣地Ｂ、Ｃ 的樹齡一致且均大于樣地Ａ；董莊溝小流域樣地為天然草地，樣地Ａ、Ｂ 立地類型一致，樣地Ａ 植被優(yōu)勢種為茵陳蒿，樣地Ｂ、Ｃ 的植被優(yōu)勢種均為長芒草＋鐵桿蒿。

１．３ 野外調(diào)查及采樣方法

利用大疆精靈４ ＲＴＫ 無人機對楊家溝和董莊溝小流域進行航空攝影，通過大疆智圖軟件生成ＤＯＭ（數(shù)字正射影像），進而采用ＡｒｃＭａｐ １０．２ 軟件進行土地利用類型解譯，獲取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)。人工現(xiàn)場對楊家溝小流域人工林樣地內(nèi)所有樹木逐株進行登記，利用塔尺和胸徑尺測量樹高、胸徑并做好記錄。

在董莊溝小流域每個天然草地樣地內(nèi)沿對角線設(shè)置３ 個１ ｍ×１ ｍ 的樣方，采集并測定每個樣方內(nèi)所有植被的地上生物量和０～３０ ｃｍ 土層根系生物量及其有機碳含量，采集０～３０ ｃｍ 土層土壤樣品，測定其有機碳含量；在每個樣方旁分別用環(huán)刀采集０～３０ ｃｍ 土層的原狀土樣，測量其土壤容重。

１．４ 碳儲量及碳匯價值計算方法

１．４．１ 蓄積量擴展法計算林地碳儲量

根據(jù)樣地調(diào)查獲取的人工林地所有樹木的胸徑、樹高數(shù)據(jù)和二元立木材積表，計算出樣地內(nèi)所有樹種的單木蓄積量，推算楊家溝小流域人工林地的整體林木蓄積量，進而采用蓄積量擴展法計算人工林地碳儲量［９］ ，公式如下：

Ｃｗ ＝ Ｃ１ ＋ Ｃ２ ＋ Ｃ３ （１）

Ｃ１ ＝ Ｖｆδργ （２）

Ｃ２ ＝ αＶｆδργ （３）

Ｃ３ ＝ βＶｆδργ （４）

式中：Ｃｗ 為林地碳儲量，Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 分別為林木碳儲量、林下植物碳儲量、林下土壤碳儲量，Ｖｆ 為林木蓄積量，δ、ρ、γ 分別為生物量擴大系數(shù)、容積系數(shù)、含碳率（采用ＩＰＣＣ 的默認(rèn)值，即取值分別為１．９、０．５、０．５），α 為林下植物碳轉(zhuǎn)換系數(shù)（取值為０．１９５），β 為林下土壤碳轉(zhuǎn)換系數(shù)（取值為１．２４４）。

１．４．２ 生物量法計算天然草地碳儲量

根據(jù)測定的天然草地植物生物量（含地上和地下生物量）及其有機碳含量、土壤有機碳含量，采用生物量法計算天然草地碳儲量［１０］ ，公式如下：

Ｃｇ ＝ （Ｃｓ ＋ Ｃｐ）Ｓｇ （５）

Ｃｓ ＝ ｆｓｏｃＷｖｓＤ （６）

Ｃｐ ＝ Ｂｆｖｅｇ （７）

式中：Ｃｇ 為草地碳儲量，Ｃｓ、Ｃｐ 分別為單位面積草地土壤碳儲量、植被碳儲量，Ｓｇ 為草地面積，ｆｓｏｃ 為土壤有機碳含量，Ｗｖｓ 為土壤容重，Ｄ 為土層厚度，Ｂ 為植被生物量，ｆｖｅｇ 為植物含碳率。

１．４．３ 市場價值法計算碳匯價值

選取多個交易市場形成的碳匯項目交易均價作為水土保持人工林地碳匯價格，估算楊家溝小流域植樹造林的潛在碳匯價值，公式如下：

Ｗ ＝ ３．６７ＣＰ （８）

式中：Ｗ 為碳匯價值，３．６７ 為二氧化碳當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)（將碳儲量增加量轉(zhuǎn)換為增匯量），Ｃ 為碳儲量，Ｐ 為碳匯價格。

２ 結(jié)果與分析

２．１ 研究區(qū)土地利用情況

研究區(qū)土地利用類型解譯結(jié)果見表２。楊家溝小流域總面積為１．０５ ｋｍ２，其中主要土地利用類型為人工林地（喬木樹種主要有刺槐、油松等，灌木樹種主要有沙棘等），面積為０． ７０ ｋｍ２，占小流域總面積的６６．６７％。董莊溝小流域總面積為１．２７ ｋｍ２，其中主要土地利用類型為天然草地（以鐵桿蒿群落和白羊草＋本氏針茅群落為主），面積為０．５８ ｋｍ２，占小流域總面積的４５．６７％。

２．２ 林草地碳儲量

２．２．１ 楊家溝小流域人工林地碳儲量

楊家溝小流域人工林地主要喬木樹種單木生長情況如圖１ 所示（圖中氣泡越大表示蓄積量越大）?？梢钥闯?，楊家溝小流域內(nèi)人工林中刺槐占絕對優(yōu)勢（多度在７０％以上），其次為油松（多度約為２０％）。楊家溝小流域樹高變化范圍為３．００～１５．６０ ｍ，胸徑變化范圍為３．００～３２．９０ ｃｍ，各人工林樣地的樹木生長情況統(tǒng)計見表３。單因素方差分析和事后多重比較表明：樣地Ｃ 的樹木生長情況與其他樣地具有顯著差異，林分密度對樹木的生長具有明顯影響，即林分密度越小樹木生長越旺盛；樣地Ａ 與樣地Ｂ 的樹木生長情況相似，樹齡對樹木生長不具有決定性的影響。樹木的胸徑和樹高對蓄積量起著決定作用，主要喬木樹種的平均單木蓄積量從大到小依次為刺槐＞油松＞榆樹＞臭椿，刺槐的單木蓄積量最高（平均為０．０７８ ９ ｍ３ ／ 株）。

各人工林樣地林木蓄積量變化范圍為０．７５～２．１８ ｍ３，３ 個樣地單位面積蓄積量平均值為０．０１３ ｍ３ ／ ｍ２；各樣地人工林碳密度變化范圍為８６．８２～２５２．４８ ｔ／ ｈｍ２，人工林固碳水平與樹木生長情況有關(guān)，樹高和胸徑越大其林木蓄積量越大，固碳水平（碳密度）就越高，３ 個樣地碳密度平均值為１５０．２３ ｔ／ ｈｍ２。根據(jù)土地類型解譯結(jié)果，按照前述方法計算的楊家溝小流域人工林地碳儲量為１０ ５１６．１０ ｔ。

２．２．２ 董莊溝小流域天然草地碳儲量

董莊溝小流域天然草地各樣地碳儲量指標(biāo)平均值見表４。天然草地的土壤有機碳含量變化范圍為２．９９～２１．２７ ｇ／ ｋｇ，土壤容重變化范圍為１．０２ ～ １．５７ ｇ／ ｃｍ３。單因素方差分析和事后多重比較表明：樣地Ｃ 的土壤有機碳含量與其他樣地具有顯著差異，３ 個樣地的土壤容重均存在顯著差異，即立地條件對二者的影響較大，坡面土壤有機碳含量大于溝谷的、土壤容重則小于溝谷的；樣地Ａ 與樣地Ｂ 的植物地上生物量存在顯著差異，且樣地Ａ 的植物根系含碳率與其他樣地均有顯著差異，而３ 個樣地的植物根系生物量和地上部含碳率均無顯著差異，即植被演替程度對植物地上生物量和根系含碳率的影響較大。地上植物生物量均大于根系生物量，二者的變化范圍分別為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變化范圍分別為３７． ００％ ～ ４５． ００％ 和２９． ００％ ～４７．００％。樣地Ａ 的植物含碳率小于其他樣地的，說明植物含碳率與植被演替程度成正比。根據(jù)土地類型解譯結(jié)果，按照前述方法計算的董莊溝小流域天然草地碳儲量為１３２．１０ ｔ，碳密度為２．２８ ｔ／ ｈｍ２，遠(yuǎn)低于我國西北地區(qū)平均植被碳密度４２．８２ ｔ／ ｈｍ２［１１］ 。

２．３ 植樹造林措施碳匯效益

楊家溝小流域面積比董莊溝小流域面積?。埃玻玻耄恚?，但其人工林地的碳儲量約為董莊溝小流域天然草地碳儲量的８０ 倍，表明約７０ ａ 來的水土保持植樹造林固碳效益顯著。把董莊溝小流域天然草地碳密度作為實施植樹造林措施的本底值，計算的楊家溝小流域植樹造林碳儲量增加值約為１０ ３５６．５０ ｔ ，換算為二氧化碳當(dāng)量，則碳匯量達(dá)到３８ ００８．３６ ｔ，碳匯密度約為５４２．９８ ｔ／ ｈｍ２。

根據(jù)全國碳交易平臺發(fā)布的２０２３ 年碳排放配額成交價變化情況（見圖２），碳匯價格變化范圍為５０．５～８２．７９元／ ｔ、平均成交價格為６４．０８ 元／ ｔ。曹先磊［１２］ 結(jié)合我國７ 個碳交易所有關(guān)資料分析表明，當(dāng)前我國林業(yè)碳匯價格為１４～９０ 元／ ｔ，平均值為２０．００ 元／ ｔ。參考全國首單水土保持項目碳匯交易（長汀縣羅地河小流域綜合治理水土保持碳匯交易）成交單價１８ 元／ ｔ，綜合上述碳匯市場價格，估算楊家溝小流域水土保持植樹造林措施的單位面積碳匯效益為１．０ 萬～３．５ 萬元／ ｈｍ２，潛在碳匯價值為６８．５９ 萬～２４４．２０ 萬元。

２．４ 討論

本研究通過治理與非治理小流域?qū)Ρ龋l(fā)現(xiàn)人工林地的固碳能力遠(yuǎn)高于天然草地的，這與Ａｎｗａｒ［１３］ 和Ｌｉｕ 等［１４］ 的研究結(jié)論一致。對天然草地各組分的含碳量測定結(jié)果表明，地上植被和植物根系的碳儲量均大于土壤的碳儲量，這與許小明等［１５］ 的研究結(jié)論相反，原因可能是本研究在天然草地的土壤采樣深度為０～３０ ｃｍ，忽略了更深土層的碳儲量，但從采樣現(xiàn)場及采取土樣看，本研究區(qū)天然草地植物根系分布范圍普遍較淺，深度為２０～３０ ｃｍ 土層的根系生物量遠(yuǎn)小于１０～２０ ｃｍ 土層的，且土壤有機碳主要集中在０～１０ ｃｍ 土層。也有研究［１６］ 表明，土壤有機碳含量并非隨著植被恢復(fù)一直呈現(xiàn)增加趨勢。本研究區(qū)域的董莊溝小流域以茵陳蒿為優(yōu)勢種的樣地Ａ 植物含碳率低于以長芒草＋鐵桿蒿為優(yōu)勢種的樣地Ｂ 和樣地Ｃ 的，這與植被的演替程度有關(guān)。演替程度較高的禾草類植物根系可深至８５ ｃｍ，其根系分泌物對土壤碳儲量的貢獻遠(yuǎn)高于演替程度低的雜草，土壤碳密度一般在禾草類、多年生草本和灌木占主導(dǎo)優(yōu)勢的林草地達(dá)到最高［１０］ 。董莊溝小流域天然草地植被以鐵桿蒿群落和白羊草＋本氏針茅群落為主，屬于植被演替中的較高級別，可能因采樣數(shù)量較小而導(dǎo)致了對草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的低估，因此在下一步的研究中，應(yīng)加大采樣深度、增加樣本數(shù)量，更準(zhǔn)確測定草地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。

此外，以往大多同類研究的對象為人工種草的植被恢復(fù)區(qū)，其本身也是一種水土保持植物措施，將其與植樹造林措施對比僅能反映不同水土保持措施的固碳效益，而無法明確實施水土保持措施產(chǎn)生的凈效益。本研究把采取封溝禁牧自然恢復(fù)的董莊溝小流域天然草地碳儲量作為本底值，其是沒有采取水土保持植樹造林措施的現(xiàn)狀固碳能力，在方法學(xué)上具有一定的創(chuàng)新性。但對人工林地和天然草地的碳儲量采用了兩種不同的計算方法，兩種方法計算結(jié)果的可比性還需要進一步驗證。因此，在下一步的研究中，可對林下土壤和植被進行分層采樣，參照草地采樣及測定計算方法，驗證蓄積量擴展法的適用性。與有關(guān)刺槐林立地條件、林齡、林分密度、林地土壤碳匯等的一系列研究成果［１７－２０］ 相比，認(rèn)為本研究對楊家溝小流域以刺槐林為主的人工林地林分及其碳儲量等的測定分析結(jié)果是合理的，關(guān)于林齡對碳儲量的影響還需要進一步研究。此外，在下一步的研究中擬增加樣地數(shù)量，并將坡度、坡向等作為林地條件劃分標(biāo)準(zhǔn)，進一步細(xì)化研究成果。

３ 結(jié)論

１）楊家溝小流域人工林地的碳儲量為１０ ５１６．１０ ｔ、碳密度為１５０．２３ ｔ／ ｈｍ２，董莊溝小流域天然草地的碳儲量為１３２．１０ ｔ、碳密度為２．２８ ｔ／ ｈｍ２。

２）楊家溝小流域約７０ ａ 來的水土保持植樹造林使碳儲量增加約１０ ３５６． ５０ ｔ，換算成碳匯增量為３８ ００８．３６ ｔ，碳匯密度約為５４２．９８ ｔ／ ｈｍ２。

３）楊家溝小流域水土保持植樹造林措施的單位面積碳匯效益為１．０ 萬～３．５ 萬元／ ｈｍ２，潛在碳匯價值為６８．５９ 萬～２４４．２０ 萬元。

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【責(zé)任編輯 張智民】

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（４２１７７３２３）；甘肅省自然科學(xué)基金資助項目（２４ＪＲＲＭ０１０）