区域水土保持碳汇能力评估的指标体系
李智广
1
,
王隽雄
2,
王海燕
1
1. 水利部水土保持监测中心, 100055, 北京;
2. 黄河水利委员会晋陕蒙接壤地区水土保持监督局, 719000, 陕西榆林
收稿日期：2022-06-06; 修回日期：2022-11-19
项目名称：国家自然科学基金"黄土高原坡面土壤侵蚀特征地带性变化及驱动机制"(42077071);全国水土流失动态监测和水土保持信息系统更新维护项目(126216229000200002)
摘要：科学、系统的水土保持碳汇能力评价指标体系, 可为定量分析区域水土保持碳汇能力提供基础数据, 对指导水土流失治理措施实施、对我国碳中和目标实现提供水土保持信息支撑具有重大意义。基于水土保持碳汇作用机理、途径与其碳汇物质表现, 参考陆地生态系统碳汇核算方法, 结合水土流失治理措施及其效益基础数据, 提出并采用技术路线"水土保持措施及其效益(碳汇物质基础)→碳汇途径→碳汇实物表现→碳汇量", 分析和厘清水土保持碳汇能力评估指标体系。该指标体系包括水土保持林地、水土保持草地、水土保持基本农田、水土保持工程措施拦水水体、水土保持保土效益等5个一级类11个二级类的水土保持措施与其效益指标, 以及对应的碳汇速率、固碳速率、有机质含量等。本研究提出的区域水土保持碳汇能力评估指标是用来监测、估算和统计区域水土流失防治措施与其效益碳汇功能大小的指标, 在区域空间尺度上, 具有与统计工作可同步实施、获取数据方便等可操作性; 在估算参数维度上, 具有观测点位及数量与估算结果的空间对应性和准确性, 其评估结果可用于区域碳汇能力与其变化趋势分析、生态系统质量与保护成效评价等方面。
关键词：水土保持 碳汇 碳中和 评估方法 指标体系 区域
Index system for evaluating the carbon sink capacity of regional soil and water conservation
1. The Center of Soil and Water Conservation Monitoring, Ministry of Water Resources, 100055, Beijing, China;
2. Soil and Water Conservation Supervision Bureau in Shanxi-Shaanxi-Inner Mongolia Border Area of YRCC, 719000, Yulin, Shaanxi, China
我国政府历来高度重视应对气候变化，实施积极应对气候变化国家战略。随着我国“碳达峰、碳中和”目标的确定，国家和社会各个层面对碳汇研究日益重视。党中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》，对推进“双碳”工作作出总体部署，重点实施“碳达峰十大行动”。其中，在“碳汇能力巩固提升行动”中，明确要求“加强退化土地修复治理，开展荒漠化、石漠化、水土流失综合治理。”水利部在“十四五”期间，提出强化水土保持碳汇能力基础研究与碳中和技术科技攻关，采取碳汇水土保持措施；在2021和2022年，组织开展水土保持碳汇专题研究和水土保持项目碳汇监测核算试点示范[1-3]。科学、全面地评估水土保持在降低水土流失造成的碳排放和提升防治措施效益形成的碳增汇两方面的能力，对新阶段水土保持工作、生态文明建设乃至实现碳中和战略路径的规划具有重要意义。
目前，区域尺度碳汇监测主要包括样地清查法(如生物量法、蓄积量法、生物清单法)、通量监测法(如涡度相关法、涡度协方差法、驰豫涡旋积累法)、碳循环模型模拟法和遥感数据模型模拟法等。每种方法基于相应对象的碳汇作用及途径、各种碳汇物质的监测方法等，均提出了碳汇能力的估算方法。但这些方法所估算的结果存在较大的差别，其主要原因包括2方面：一是估算方法与其驱动数据存在限制，如：样地调查法和通量监测法可提供点对象的碳汇观测数据，但受限于样本的数量和空间分布，对区域碳储量估算存在偏差；碳循环模型法由于模型结构、驱动数据与初始条件等的不确定性，估算结果的不确定性很大；遥感数据模拟法受到遥感数据处理所引起的不确定性以及抽样误差、样点位置误差等影响，估算结果也存在不确定性[4-9]；二是研究对象与其内容存在差别，即：在区域碳汇能力估算时，研究对象不对应、不一致，估算内容不完整、不全面[10-13]。本研究旨在以水土保护碳汇的作用机理、途径和实物表现为基础，通过分析碳汇作用物质流、厘清碳汇能力估算的数据流，提出区域水土保持碳汇能力评估指标体系，为全口径估算碳汇能力提供数据基础，为我国碳中和目标实现提供水土保持领域的信息支撑。
1 研究方法
1.1 指标体系建立技术路线
水土保持碳汇是在对自然因素和人为活动造成水土流失采取工程措施、植物措施和保护性耕作并产生调水、保水、保土效益时，在治理范围内土地上，持续保持保育的土壤、不断生长发育的林草、连续种植生长的作物、较长时间蓄积的水体，通过吸收、同化、矿化等生物、物理、化学的过程，形成生物量、枯落物和枯死物、土壤碳、水体碳等碳汇实物，不断地消减大气中CO2含量、延缓CO2浓度增长速率的作用和能力。区域水土保持碳汇，指特定范围内各类水土保持措施与其效益产生的碳汇增量。因此，相较于其他领域的碳汇，水土保持碳汇的根本属性就是多种治理措施共同参与、多种固碳作用协同生效、多种碳汇物质同步产出的特性[14-15]。
水土保持措施指标是在评估水土保持碳汇能力时，必需的水土保持措施与其产生的相关效益、形成的相关物质等。基于上述水土保持碳汇特性，按照必要必需、不重不漏、全面支撑评估计算的原则，确定区域水土保持碳汇能力评估指标。这里的“区域”具有2方面的属性要求：1)区域是指某个较大尺度的空间范围，而不是单个项目区这种较小的范围，如县级及其以上的行政区、较大的流域、中国水土保持区划的三级区；2)在同一区域内，同类同状态水土保持措施的发育情形及其防治效益相近或相似；在不同区域间，同类同状态水土保持措施的发育情形及其防治效益存在差异。这里的“碳汇能力”是指水土保持措施发挥效益时，其所具备的碳汇本领、所拥有的碳汇功能，即：这种能力是水土保持措施最可能的碳汇数量，但不一定就是“现货”。
参考生态环境部《陆地生态系统生产总值核算技术指南》提出的“陆地生态系统碳固定实物量核算”固碳速率法及相关研究[16-17]，结合GB/T 15773—2008《水土保持综合治理验收规范》和GB/T 15774—2008《水土保持综合治理效益计算方法》关于水土保持措施验收质量要求的规定，研究提出全面评估区域水土保持碳汇能力的方法(见“1.2区域水土保持碳汇能力评估方法”)。这些方法涉及的各类水土保持措施指标与其保土效益指标即为区域碳汇能力评估的指标。按照水土保持措施与其效益分类的归属关系，将这些指标组织成为一个符合逻辑关系的体系，就构成区域水土保持碳汇能力评估的指标体系。这种分类属于科学(系统)分类，其技术路线如图 1所示。
1.2 区域水土保持碳汇能力评估方法
水土保持碳汇实物主要包括生物量(地上生物量和地下生物量)、无生命有机质(枯落物和枯死物)、土壤有机质、水体碳素等4种[15]。将这些碳汇实物所固定的碳转化为CO2当量，就是水土保持碳汇能力的数量，参考《陆地生态系统生产总值核算技术指南》提出的“陆地生态系统碳固定实物量核算”固碳速率法进行区域水土保持碳汇能力估算。碳汇能力计算式为：
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Q_{\mathrm{TCO}_2}=\frac{11}{3} \cdot\left(F_{\mathrm{CSC}}+G_{\mathrm{CSC}}+W_{\mathrm{CSC}}+C_{\mathrm{CSC}}\right)+Q_{\mathrm{SCO}_2}。$
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式中：QTCO2为水土保持碳汇总量(以CO2当量计。下同)，t/a；FCSC、GCSC、WCSC、CCSC分别为水土保持林地、草地、水体、农田的固碳量(以C当量计。下同)，t/a；QSCO2为水土保持保土效益碳汇量，t/a；11/3为C与CO2换算的摩尔系数比)。
1) 水土保持林地固碳量，包括林木地上地下的生长量、枯死物枯落物和林下土壤有机质等的固碳量。其计算式为：
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$
\begin{gathered}
F_{\mathrm{CSC}}=F_{\mathrm{CSQC}}+F_{\mathrm{CSJC}}= \\
S_{\mathrm{FQ}} \cdot F_{\mathrm{CSR}} \cdot(1+\beta)+\frac{1}{4}\left(S_{\mathrm{FJ}} \cdot F_{\mathrm{CSR}} \cdot(1+\beta)\right)。\end{gathered}
$
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式中：FCSQC为水土保持乔木林地和灌木林地的固碳量，t/a；FCSJC为水土保持经济果木林地的固碳量，t/a；FCSR为水土保持乔木林和灌木林固碳速率，t/(hm2·a)；SFQ为水土保持乔木林和灌木林面积，hm2；β为水土保持乔木林地和灌木林地土壤固碳系数，取值0.646；SFJ为水土保持经济果木林面积，hm2。
2) 水土保持草地固碳量，指不考虑草本植被的碳汇能力、只考虑草地土壤的碳汇能力的碳汇量。其计算式为：
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G_{\mathrm{CSC}}=S_{\mathrm{G}} \cdot G_{\mathrm{CSR}}。$
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式中：SG为草地面积，hm2；GCSR为草地土壤的固碳速率，t/(hm2·a)。
3) 水土保持工程措施拦水水体固碳量。其计算式为：
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$
W_{\mathrm{CSC}}=S_{\mathrm{W}} \cdot S_{\mathrm{CSR}} 。$
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式中：SW为水体面积，hm2；SCSR为水体的固碳速率，t/(hm2·a)。
4) 水土保持基本农田固碳量，指不考虑农作物的碳汇能力、只考虑农田土壤的碳汇能力的碳汇量。其计算式为：
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$
C_{\mathrm{CSC}}=S_{\mathrm{CW}} \cdot B_{\mathrm{SSW}}+S_{\mathrm{CN}} \cdot S_{\mathrm{CSRN}}+S_{\mathrm{CS}} \cdot S_{\mathrm{CSRS}} 。$
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式中：SCW为不施用肥料条件下的农田面积，hm2；BSSW为不施用肥料条件下的农田土壤固碳速率，t/(hm2·a)；SCN为施用化学氮肥和复合肥的农田面积，hm2；SCSRN为施用化学氮肥和复合肥的农田土壤固碳速率，t/(hm2·a)；SCS为实施秸秆还田的农田面积，hm2；SCSRS为秸秆还田的农田土壤固碳速率，t/(hm2·a)。
5) 水土保持保土效益碳汇能力，指水土保持措施保持保育土壤、减少流失碳排放产生的碳汇量。其计算式为：
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Q_{\mathrm{SCO}_2}=\frac{11}{3} \cdot\left(S_{\mathrm{VF}}+S_{\mathrm{VG}}+S_{\mathrm{VC}}\right) \cdot C_{\mathrm{C} }。$
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式中：SVF、SVG、SVC分别为水土保持林地、水土保持草地和水土保持农田的保土量，t/a；CC为土壤有机碳质量分数，%。
2 指标体系
2.1 水土保持措施指标体系
首先，按照水土保持措施类型与其效益和相关物质表现，将区域水土保持碳汇能力评估指标分为5类，即水土保持林地、水土保持草地、水土保持基本农田、水土保持措施拦水水体和水土保持保土效益5个一级类。其中，为便于统计和计算水土保持保土效益的量，并未将水土保持保土效益与其他4类并列为一级类，而是采用“保土定额”、并将其与各类水土保持措施相对应地列于体系表中。在此框架下，进一步划分级别、进行归类，形成措施指标体系及其数量的系统列表(表 1)。
表 1(Tab. 1)
表 1 区域水土保持碳汇能力评估指标体系及其统计表
Tab. 1 Evaluation index system and statistical table of carbon sink capacity of regional soil and water conservation
一级指标名称
Primary index name |
二级指标Secondary index |
指标含义
Meaning of the index |
名称
Name |
措施面积
Measure area |
保土定额
Soil conservation quota |
农田单产
Yield pertheunito ffarmland |
1 水土保持林地
Soil and water conservation forest land |
11 乔木林地
Arbor forest land |
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人工种植的乔木林地与以乔木为主的乔灌混交林地。
Artificial arbor forest land and arbor-shrub-mixed forest land dominated by arbors |
12 灌木林地
Shrub land |
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人工种植的灌木林地与以灌木为主的乔灌混交林地。
Artificially planted shrub forest land and the shrub-dominated arbor-shrub-ximed forest land |
13 经济果木林地
Economic fruit tree forest land |
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人工种植的经济果木林地。只包括种植在非基本农田上的、而不包含种植在基本农田上的经济果木林。
Planted economic fruit trees. It only includes the economic fruit trees planted on non-basic farmland, but not on basic farmland |
14 封禁治理乔木林地
Enclosed arbor forest land |
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对稀疏乔木林地采取封禁管理，辅以人工补植和抚育，经长期恢复的林地。
The sparse arbor forest land is enclosed, and supplemented by artificial replanting and tending, and has been restored for a long time |
15 封禁治理灌木林地
Enclosed shrub land |
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对稀疏灌木林地采取封禁管理，辅以人工补植和抚育，经长期恢复的林地。
The sparse shrubbery forest land is enclosed, and supplemented by artificial replanting and tending, and has been restored for a long time |
2 水土保持草地
Soil and water conservation grassland |
21 水土保持草地
Soil and water conservation grassland |
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人工种植的草本植物地。
Artificial herb land |
22 封禁治理草地
Enclosed grassland |
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对稀疏草地采取封禁管理，辅以人工补植和抚育，经长期恢复的草地。
Grassland that has been restored for a long time by enclosing the sparse grassland, supplemented by artificial replanting and tending |
3 水土保持基本农田
Soil and water conservation basic farmland |
31 无固碳措施农田
Farmland without carbonsink measures |
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实施耕作但不施用化学氮肥、复合肥和有机肥料的梯田、坝地或其他水土保持基本农田。
Terraced fields, dam land or other basic farmland for soil and water conservation that are cultivated but not applied with chemical nitrogen fertilizer, compound fertilizer and organic fertilizer |
32 施用化肥农田
Farmland applied chemical fertilizer |
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实施耕作并施用化学氮肥、复合肥的梯田、坝地或其他水土保持基本农田。
Terraced fields, dam lands or other basic farmland for soil and water conservation that are cultivated and applied with chemical nitrogen fertilizer and compound fertilizer |
33 秸秆还田农田
Farmland with straw returned to |
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实施耕作并实施秸秆还田的梯田、坝地或其他水土保持基本农田。
Terraced fields, dam lands or other basic farmland for soil and water conservation that are cultivated and where straw is returned to |
4 水土保持措施拦水水体
Soil and water conservation measures water retaining body |
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修建的淤地坝、谷坊、坡面小型蓄排工程、路旁和沟底小型蓄引工程等措施拦挡形成的水体。
Check dams, gulfs, small-scale storage and drainage works on the slope, small-scale storage and diversion works along the road and at the bottom of the ditch are built to block the water body formed |
| 注：1.表中所述水土保持措施土地是对自然因素和人为活动造成水土流失实施了预防和治理措施的土地；2.“保土定额”是某种水土保持措施指标单位面积的保土能力；3.“农田单产”是水土保持基本农田种植作物的经济产量，作物主要包括水稻、小麦、玉米、高粱、马铃薯、油菜、向日葵、棉花和甘蔗等；4.表中画出斜线“\”的，表示对应水土保持措施无需指标“保土定额”或“农田单产”。Notes: 1. The land with water and soil conservation measures mentioned in the table refers to the land with prevention and control measures for soil and water loss caused by natural factors and human activities. 2. “Soil conservation quota” refers to the soil conservation capacity per unit area of a certain index of soil and water conservation measures. 3. “Unit yield of farmland” refers to the economic output of crops planted in basic farmland for soil and water conservation, mainly including rice, wheat, corn, sorghum, potato, rape, sunflower, cotton and sugarcane. 4. If the slash “\” is drawn in the table, it means that the corresponding soil and water conservation measures do not need the index “soil conservation quota” or “farmland unit yield”. |
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表 1 区域水土保持碳汇能力评估指标体系及其统计表
Tab. 1 Evaluation index system and statistical table of carbon sink capacity of regional soil and water conservation
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2.2 碳汇系数参数指标
碳汇系数参数指标是指各种水土保持措施与其效益所对应的固碳速率、碳汇速率等。基于“1.2区域水土保持碳汇能力评估方法”，对应于表 1所列水土保持措施指标体系的一级类，水土保持林地、草地、水土保持措施拦水水体和基本农田的碳汇系数参数指标均为其固碳速率，即单位面积水土保持措施年度固碳量(以C当量计)；水土保持保土效益的碳汇系数参数指标为土壤有机碳含量，其数量可通过土壤有机质含量折算(CC=CSOM·α。其中：CSOM为土壤有机质质量分数，%；α为土壤有机质和土壤有机碳的转换系数，α=58%，即土壤有机质含C的质量分数为58%[18-19])。
3 全国水土保持碳汇能力估算结果与分析
基于2011年第一次全国水利普查[20]、2019年和2020年《中国水土保持公报》[21-22]给出的水土保持措施数据，假设不发生自然因素和人为活动造成水土保持措施损毁的情形，分别估算2011年全国现存水土保持措施、2019年和2020年全国新增水土保持措施的碳汇能力，结果见表 2。
表 2(Tab. 2)
表 2 全国水土保持碳汇能力估算结果
Tab. 2 Estimated results of carbon sink capacity of soil and water conservation in China
| 104 t |
| 项目Item |
乔木林地和灌木林地
Arbor forestland and shrub land |
经济果木林
Economic fruit forest |
封禁治理乔木林地和灌木林地
Enclosed and controlled arbor forestland and shrub land |
水土保持草地
Grassland for soil and water conservation |
封禁治理草地
Enclosed and controlled of grassland |
合计
Total |
| 2011年现存措施Existing measures in 2011 |
23 822.67 |
1 539.03 |
8 757.62 |
47.21 |
81.91 |
34 248.44 |
| 2019年新增措施New measures in 2019 |
942.78 |
101.63 |
769.75 |
4.09 |
11.57 |
1 829.82 |
| 2020年新增措施New measures in 2020 |
822.31 |
83.74 |
778.83 |
4.72 |
10.29 |
1 699.89 |
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表 2 全国水土保持碳汇能力估算结果
Tab. 2 Estimated results of carbon sink capacity of soil and water conservation in China
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1) 基于近年年度统计工作与普查的数据，因为缺少表 1所述的水土保持基本农田(即无固碳措施农田、施用化肥农田、秸秆还田农田)的面积与其对应的固碳速率和农田单产、水土保持措施拦水水体面积、各种措施保土定额等3种类型的数据，全国水土保持碳汇能力评估只估算水土保持乔木林地、灌木林地、经济果木林、封禁治理乔木林地、封禁治理灌木林地、水土保持草地和封禁治理草地等措施的碳汇能力，未能估算水土保持基本农田、水土保持措施拦水水体和保土效益的碳汇能力。
2) 按照全口径统计[23]，2011年现存水土保持措施的碳汇能力达3.42×108 t CO2，2019和2020年新增水土保持措施的碳汇能力平均达1.76×107 t CO2。若将2019年和2020年的新增水土保持措施的碳汇能力平均值1.76×107 t CO2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2020年水土保持措施的碳汇能力可达5.02×108 t CO2。对照相关研究成果[24-27]、将109 t CO2计作我国陆地生态系统碳汇能力，2020年全国水土保持碳汇能力占全国陆地生态系统碳汇能力的50.2%，2019年和2020年新增水土保持措施的平均碳汇能力占全国陆地生态系统碳汇能力的1.76%。对照世界能源统计年鉴，2020年我国CO2排放量约为9.894×109 t[28]，2020年全国水土保持碳汇量可中和当年排放量的5.07%。
3) 如果仅仅统计与土地利用变化密切相关、人为作用明确、碳汇作用明显的水土保持措施及其效益的主要指标，即：只包括表 1中二级指标的水土保持乔木林地、灌木林地和草地，不包括经济果木林、封禁治理乔木林地和灌木林地、封禁治理草地(主要指标对应的土地都是经由对原来比较严重的水土流失实施治理、变成现在的林地和草地等利用方式的土地；非主要指标对应的土地都是利用方式未变化的土地，如封禁治理林地和封禁治理草地，或者碳汇作用不明显的土地，如经济果木林地)，2019和2020年新增水土保持措施的碳汇能力平均达8.87×106 t CO2，2020年水土保持碳汇能力可达3.18×108 t CO2。对照相关研究成果，2020年全国水土保持碳汇能力占全国陆地生态系统碳汇能力的31.8%，2019年和2020年新增水土保持措施的平均碳汇能力占全国陆地生态系统碳汇能力的0.89%。对照世界能源统计年鉴统计，2020年全国水土保持碳汇量可中和当年排放量的3.22%。
4 结论
笔者采用科学(系统)分类方法，基于水土保持碳汇实物为基础的数据流，即：水土保持措施与其效益(碳汇物质基础)→碳汇途径→碳汇实物→碳汇能力(碳汇量)估算方法→碳汇能力评估指标体系，提出区域水土保持碳汇能力评估指标体系，将水土保持措施及其保土效益与其对应的碳汇途径、碳汇量估算紧密关联，将水土保持碳汇能力估算的基础数据与水土保持的年度统计、定期普查等数据采集的方式方法紧密关联，为区域水土保持碳汇能力估算提供了科学、可行的技术方法。
1) 区域水土保持碳汇能力评估指标包括水土保持措施及其效益、与其对应的碳汇系数参数等2方面的指标。其中，水土保持措施指标包括水土保持林地(乔木林地、灌木林地、经济果木林地、封禁治理乔木林地、封禁治理灌木林地)、水土保持草地(水土保持草地、封禁治理草地)、水土保持基本农田(无固碳措施农田、施用化肥农田、秸秆还田农田)、水土保持措施拦水水体等的面积和基本农田作物单产，水土保持措施效益指标为各类水土保持措施的保土定额；碳汇系数参数指标为各类水土保持措施的固碳速率、碳汇速率和相应措施保土效益的土壤有机碳含量。
2) 在应用水土保持措施及其效益、与其对应的碳汇能力参数等2方面指标估算区域碳汇能力时，应尽可能地将“区域”细化，使每一个分区内各类水土保持措施的保土定额和固碳速率、基本农田的作物单产和土壤有机碳含量相近或相似，保证各个分区与其加和所得的整个区域的水土保持碳汇能力评估结果更加准确。
3) 为全面估算各类水土保持措施与其效益的碳汇能力，应在年度统计工作中增加水土保持基本农田面积及其单产、措施拦水水体面积等指标，以便能够计算水土保持基本农田、拦水水体的碳汇能力；应基于全国水土保持监测网络的常态化监测、相关科学实验和调查，及时更新各分区各类措施的保土定额、土壤有机碳含量，以便能够计算保土效益的碳汇能力；应在水土保持监测点增加相关措施固碳速率的观测，以便准确掌握各分区各类措施的固碳速率。
4) 为更加精确地估算区域水土保持碳汇能力，应全面掌握水土保持治理措施实施之前的情况(即基线情景)、实施之后的现状[29]，以便计算措施实施之后碳汇能力及其增加量。若是水土保持项目区的土地属于水土流失严重的侵蚀劣地或退化土地，则可认为治理措施实施之前土地的碳汇能力忽略不计；反之，若是项目区的土地不属于退化土地，如荒草地、疏林地、灾后残林，则不能将治理措施实施之前土地的碳汇能力忽略不计。
2023, Vol. 21 