浙江省安吉县水土保持措施碳汇效益评估
裘涛1,2， 李钢1,2， 郭秀琴3， 刘克军4， 钟壬琳3， 田刚1,2， 王通薄1
[1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310017；3.浙江省水资源水电管理中心(浙江省水土保持监测中心)，浙江 杭州 310020；4.安吉县水利局，浙江 安吉 313300]
[关键词] 碳汇;效益评估;水土保持;安吉县;浙江省
[摘 要] 通过安吉县2022年度水土保持措施的分类统计、调查和试验,获取相关指标参数,采用碳汇速率法估算了全县水土保持碳汇效益,结果表明:安吉县2022年水土保持措施的全口径碳汇效益为710 441.58 t/a,其中措施碳汇效益占62.63%,保土碳汇效益占37.37%;水土保持林地对碳汇效益的贡献最大,占总碳汇效益的84.01%,重点工程碳汇效益99.24%来自于林地的封禁治理措施;水土保持基本农田碳汇效益占总碳汇效益的14.85%,其中50.38%来自于其保土碳汇效益;水土保持草地由于其面积小,因此碳汇效益占比也小。安吉县可以采取改变低效土地利用类型,增加高效碳汇林地,提升林地净生产力等方式进一步提升水土保持碳汇效益。
[中图分类号] S157
[文献标识码] A
DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.10.016
[引用格式] 裘涛,李钢,郭秀琴,等.浙江省安吉县水土保持措施碳汇效益评估[J].中国水土保持,2024(10):59-63.
气候变化是全球面临的重要环境问题,我国在应对气候变化方面提出了多项国家战略。自从我国提出“碳达峰、碳中和”的目标以来,国家及社会各层面高度重视碳汇研究,水利部也提出要研究水土保持碳汇能力[1],并组织开展水土保持碳汇能力核算试点[2-4]。由此可见,水土保持碳汇效益评估是新时期水土保持实现碳中和战略的重要工作内容。
虽然水土保持的最初作用并不是为了减缓全球气候变化[5],但其采取的一系列措施通过改变微地形、地表植被及其结构、土地利用方式等,从植被、土壤、蓄水保土等方面对不同碳库间的二氧化碳循环产生影响。水土保持措施可以改善土壤环境,调节水、肥、气、热,促进植被生长发育,提高生态系统生物量,增加植被和土壤对二氧化碳的固定[6];同时,水土保持措施可以改变微地形,增加植被覆盖度,拦蓄泥沙,降低土壤侵蚀强度,减少因土壤流失导致的碳排放[7]。可见,水土保持在二氧化碳循环中起着积极的作用。本研究以安吉县为研究区,基于最新的水土保持和农田调查结果,通过水土保持措施分类、固碳速率和保土定额测定及文献查阅,确定不同水土保持措施的相关参数,并按照因地制宜的原则对安吉县水土保持碳汇效益进行评估。
1 研究区概况
研究区位于浙江省西北部的安吉县,是世界著名的竹子之乡和中国白茶之乡,全县面积1 886 km2。地势西南高、东北低,海拔大多为500～800 m,龙王山海拔1 587.4 m,属浙北最高峰,整体呈畚箕形的辐聚状盆地地形。属于北亚热带南缘季风气候区,光照充足,气候温和,雨量充沛,四季分明,多年平均降水量1 485.4 mm,大部分集中在4—9月,多年平均气温15.7 ℃,极端最高气温40.8 ℃,极端最低气温-17.4 ℃。土壤类型主要有红壤、黄壤、岩性土、潮土、水稻土等,山地和丘陵主要为黄红壤,平原地区主要为潴育水稻土。植被区划属亚热带东部常绿阔叶林亚区,区域森林覆盖率达70%,其中竹林面积约占全县总面积的1/3。
2 数据收集与评估方法
2.1 数据收集
根据安吉县水土保持遥感解译结果,统计整理了不同水土保持措施的面积,通过文献查阅、植被监测、小区观测、现场调查等方法获取了不同类型水土保持措施评估指标的碳汇速率、保土定额、土壤有机质含量等。碳汇能力评价指标及参数取值见表1(表中保土定额和有机质含量数据来源于参考文献[8]～[11])。
表1 碳汇能力评估指标统计及参数取值
注：①全口径面积数据来源于浙江省2022年度省级水土流失动态监测成果报告中安吉县的土地利用类型数据及调查收集的安吉县农业部门的农田数据;②重点工程面积数据来源于安吉县2022年度水土保持考核自评报告;③碳汇速率数据来源于浙江农林大学野外试验植被观测。
2.2 评估方法
水土保持措施碳汇效益是指符合水土保持相关技术标准与流程的水土保持措施开始发挥水土保持效益后,其相对于未实施水土保持措施情境的固碳和保土固碳能力[12-14]。根据生态环境部颁布的《陆地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南》等[15-16],结合统计监测数据类型和研究区实际情况,将研究区水土保持措施分为林地、草地、基本农田三大类,采用碳汇速率法计算不同水土保持措施的碳汇效益,计算公式为
TCO2=FC+GC+CC+SC
(1)
式中:TCO2为水土保持措施总碳汇效益(即总碳汇量,以CO2当量计算),单位t/a;FC、GC、CC、SC分别为林地碳汇效益、草地碳汇效益、基本农田碳汇效益和保土碳汇效益(以CO2当量计算),单位t/a。
2.2.1 林地碳汇效益
水土保持林地碳汇效益是指通过水土保持措施的实施,林地内的林木及其赖以生存的土壤对二氧化碳的固定量,主要包括乔木林、灌木林、封禁治理林、经果林4种林地类型。水土保持林地碳汇效益计算公式为
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FC=α×(RA×AA+RS×AS+RC×AC+RE×AE)×(1+β)
(2)
式中:RA、RS、RC、RE分别为水土保持乔木林、灌木林、封禁治理林、经果林的碳汇速率,单位t/(hm2·a);AA、AS、AC、AE分别为水土保持乔木林、灌木林、封禁治理林、经果林面积,单位hm2;α为碳转化为二氧化碳的转化系数,α=11/3;β为土壤固碳系数,根据《陆地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南》,取值为0.646。
2.2.2 草地碳汇效益
水土保持草地碳汇效益是指通过水土保持措施的实施,草地土壤对二氧化碳的固定量。根据草地生态系统的生长特点,草地植被每年成熟后大多会枯萎,其固定的碳随着叶片的凋落返还到大气或进入土壤中,因此不考虑草地植被的碳汇量,则水土保持草地碳汇效益计算公式为
GC=α×RGS×AG
(3)
式中:RGS为草地土壤碳汇速率,单位t/(hm2·a);AG为草地面积,单位hm2。
2.2.3 基本农田碳汇效益
水土保持基本农田碳汇效益是指通过水土保持措施的实施,基本农田土壤对二氧化碳的固定量。考虑到农田大多种植的是可食用植物,每年都会被收获并通过动物或人类将碳返还到大气或进入土壤中,因此不考虑农田植被的碳汇效益,则水土保持基本农田碳汇效益计算公式为
CC=α×(RNMS×ANM+RCMS×ACM+RSMS×ASM)
(4)
式中:RNMS、RCMS、RSMS分别为无固碳措施、使用化肥和秸秆还田的农田土壤固碳速率,单位t/(hm2·a);ANM、ACM、ASM分别为无固碳措施、使用化肥和秸秆还田的农田面积,单位hm2。
水土保持措施的保土碳汇效益是指由于水土保持林地、草地和基本农田的建设和保护,相对于裸土地减少土壤流失而保存下来的碳(流失的土壤中含有碳)。保土碳汇效益计算公式分别为
SC=α×(SFS+SGS+SCS)×φ
(5)
SFS=QA×AA×ωA+QS×AS×ωS+QC×AC×ωC+QE×AE×ωE
(6)
SGS=QG×AG×ωG
(7)
SCS=QNM×ANM×ωNM+QCM×ACM×ωCM+QSM×ASM×ωSM
(8)
式中:SFS、SGS、SCS分别为水土保持林地、草地和基本农田土壤中的有机质总量,单位t/a;φ为土壤有机质和土壤有机碳转换系数,一般采用Van Bemmelen因数,取值为0.58;QA、QS、QC、QE、QG分别为水土保持乔木林、灌木林、封禁治理林、经果林、草地的保土定额,单位t/(hm2·a);ωA、ωS、ωC、ωE、ωG分别为水土保持乔木林、灌木林、封禁治理林、经果林、草地的土壤有机质含量;QNM、QCM、QSM分别为无固碳措施、使用化肥和秸秆还田的农田保土定额,单位t/(hm2·a);ωNM、ωCM、ωSM分别为无固碳措施、使用化肥和秸秆还田的农田有机质含量,单位%。
3 结果与分析
经计算可得,2022年安吉县全口径水土保持措施碳汇效益为710 441.58 t/a,重点工程水土保持措施碳汇效益为1 136.67 t/a。从各项措施的碳汇效益来看,全口径措施中,林地、草地和基本农田的碳汇效益占比分别为84.01%、1.14%和14.85%,重点工程的碳汇效益几乎全部来自于林地(见表2)。
表2 安吉县2022年水土保持措施碳汇效益 t/a
安吉县水土保持措施的碳汇效益主要来源于措施固碳和保土固碳。在两种碳汇效益构成方式上,措施碳汇效益占全口径总碳汇效益的62.63%,保土碳汇效益占全口径总碳汇效益的37.37%,其中林地保土碳汇效益是其措施碳汇效益的54.38%,草地、基本农田的保土碳汇效益分别是其措施碳汇效益的34.64%和101.51%。重点工程的保土碳汇效益占重点工程总碳汇效益的25.74%,其中林地保土碳汇效益是其措施碳汇效益的34.63%,基本农田保土碳汇效益是其措施碳汇效益的377.78%。由此可见,基本农田保土碳汇效益对其总碳汇效益的贡献比非常大。
3.1 林地碳汇效益评估结果
表3为安吉县2022年不同水土保持林地的碳汇效益。由表3可知,2022年度全口径水土保持林地碳汇效益为596 873.20 t/a,重点工程碳汇效益为1 136.24 t/a。全口径经果林、乔木林、封禁治理林和灌木林碳汇效益占比分别为3.66%、96.00%、0.27%和0.07%。由此可以看出,全口径乔木林的碳汇效益远高于其他林地,是林地碳汇效益的主要贡献者,主要原因是乔木林面积占比较大。
表3 安吉县2022年林地碳汇效益
重点工程乔木林、封禁治理林和灌木林碳汇效益占比分别为0.62%、99.24%和0.14%。封禁治理是安吉县主要的林地治理措施,其碳汇效益也主要通过封禁治理体现。
全口径林地保土碳汇效益占林地总碳汇效益的35.22%,其中经果林、乔木林、封禁治理林和灌木林保土碳汇效益分别是其对应的措施碳汇效益的2.72%、57.40%、34.39%和223.97%。重点工程林地保土碳汇效益占其总碳汇效益的25.72%。
3.2 草地碳汇效益评估结果
根据碳汇效益估算结果,安吉县2022年度全口径水土保持草地碳汇效益为8 072.93 t/a,占总碳汇效益的1.14%;重点工程无植草措施,未产生草地碳汇效益。单纯的草地生态系统在安吉县水土保持措施中的面积占比非常小(1.04%),因此其发挥的碳汇效益也有限,但在营造水土保持林地初期,配合植草可以起到良好的水土保持效果,并发挥保土碳汇效益。
3.3 基本农田碳汇效益评估结果
表4为安吉县2022年基本农田碳汇效益。由表4可知,2022年度全口径基本农田碳汇效益为105 495.45 t/a,其中施用化肥、秸秆还田、无固碳措施的农田碳汇效益占比分别为88.15%、1.92%和9.93%;重点工程基本农田碳汇效益为0.43 t/a,只有施用化肥和秸秆还田两种类型,其碳汇效益占比分别为88.37%和11.63%。由此可以看出,施用化肥的碳汇效益远高于秸秆还田的碳汇效益,主要是由于施用化肥的农田面积占比较大,故产生的总效益较高。
表4 安吉县2022年基本农田碳汇效益
全口径基本农田保土碳汇效益占基本农田总碳汇效益的50.38%,其中施用化肥、秸秆还田和无固碳措施的保土碳汇效益分别为其对应措施碳汇效益的101.01%、93.12%和107.88%;重点工程农田保土碳汇效益占其总碳汇效益的79.07%。
4 结论与讨论
水土保持措施不仅能够起到良好的蓄水保土效益,还能够有效改善生态系统的组成并对增加区域生态系统碳汇具有较大潜力。准确地统计各类水土保持措施面积,科学测定与合理确定不同类型措施的固碳速率和保土能力并估算其碳汇效益是实现水土保持双碳目标的重要基础工作。
2022年安吉县全口径水土保持措施面积140 456.00 hm2,占安吉县国土面积的74.47%。在水土保持措施类型中,林地面积最大,占水土保持措施面积的83.26%。全口径水土保持措施碳汇效益为710 441.58 t/a,重点工程碳汇效益占其中的0.16%;不同水土保持措施类型中,林地对碳汇效益的贡献为84.01%,与其面积比例相当,全口径林地的保土碳汇效益约占其总碳汇效益的35.22%,可见水土保持措施的保土碳汇效益贡献比较明显;草地的碳汇效益总量不大,占总碳汇效益的1.14%,与其所占面积比例(1.04%)大致相当;基本农田的碳汇效益占总碳汇效益的14.85%,其中50.38%来源于其保土碳汇效益。
然而,不同区域的自然条件差异很大,水土保持措施类型及其质量不尽相同,碳汇估算时采用的相关参数也可能不一致,导致不同区域水土保持碳汇核算结果存在差异。根据相关研究成果[1,16],全国2020年新增水土保持林地加权平均碳汇能力为2.19 t/hm2,而安吉县水土保持林地加权平均碳汇能力只有0.55 t/hm2。虽然各种差异对不同区域的碳汇能力产生影响,但总体而言,安吉县水土保持林地的碳汇能力是比较低的,有待进一步提升。
分析可得,安吉县林地是碳汇的主要贡献者,也是面积最大的水土保持措施类型,因此提升安吉县的水土保持碳汇能力可以从提升林地的碳汇效益入手。一种途径是通过限制砍伐现有林地、改变低效碳汇土地利用类型、增加高效林地面积来实现碳汇能力的提升,例如对现存的一些荒山荒地、不适宜农业耕种的地段,可以恢复为天然林或人工林。有关研究表明安吉县森林的年龄结构为幼龄型,其碳汇潜力具有提升空间[16],因此另一种途径是采取扩大封禁治理范围、人工改造纯林结构等方式增加森林净生产力,提高林地碳汇效益。虽然草本植被的碳汇能力相对比较弱且在本研究中尚未考虑草本植被的碳汇能力,但它也有着自己独特的生态服务价值,在土地利用类型转换、林地结构改造时应与其他类型植被并行使用,以满足水土保持要求和保证其他植被碳汇效益的发挥。
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收稿日期：2023-08-12
第一作者：裘涛(1981—),男,浙江宁波人,高级工程师,学士,主要从事水土保持管理与碳汇研究。
通信作者：李钢(1985—),男,重庆人,高级工程师,硕士,主要从事水土保持效益评价及碳汇研究。
E-mail: happylglove@126.com
(责任编辑 杨傲秋)
