水土保持碳匯若干關鍵問題研究

曹文洪，張曉明，張永娥

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，100048，北京；2.水利部水土保持生態工程技術研究中心，100048，北京）

溫室氣體排放引起的氣候變化是目前人類面臨的巨大挑戰之一。2022年，我國CO2排放量為102億t，約占全球同期排放總量的28%。為應對氣候變化，推動綠色發展，我國提出了2030年前碳達峰與2060年前碳中和的戰略目標。實現碳中和的兩個決定性因素是減排和增匯。減排的核心是節能、調整能源結構，增匯的核心是生態建設、管理與保護。陸地生態系統碳匯能力巨大，是實現“雙碳”目標的重要途徑。水土保持措施改變了地表覆被與生態系統經營方式，是對陸地生態系統資源的保護、改良和合理利用，是增強陸地碳匯能力的有效措施，是實現“雙碳”目標的重要一環。國務院印發的《2030年前碳達峰行動方案》提出實施“碳達峰十大行動”，將水土流失綜合治理納入碳匯能力鞏固提升行動。2023年，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《關于加強新時代水土保持工作的意見》中明確提出要加強水土保持碳匯能力研究和關鍵技術攻關。

目前國內外碳匯研究主要聚焦于評估區域碳匯量，研究其分布與變化特征，且大多關注森林、草地、農田等生態系統的碳匯作用。水土保持碳匯研究起步較晚，主要研究水土流失對生態系統碳源、碳匯的影響，以及小尺度區域不同水土保持措施的碳匯效果，未曾將水土保持作為一個體系進行碳匯機理與測算研究。為此，自2022年起，在水利部水土保持司的部署與指導下，由中國水利水電科學研究院與水利部水土保持監測中心組建的聯合研究團隊，系統開展了水土保持碳匯能力研究，探討水土保持碳匯內涵與機理、途徑與指標、核算與評估及路徑提升等關鍵問題，為實現“雙碳”目標貢獻水利擔當。

一、水土保持碳匯內涵與機理

碳匯是指從大氣中清除CO2的過程、活動或機制。碳匯是發生在某個碳庫中的動態過程，是一定時間內碳吸收量和碳排放量平衡的結果。土壤侵蝕會通過有機碳橫向遷移、縱向淋濾、過程礦化以及沉積封存等多個過程影響碳循環（圖1），由此引起的土壤有機碳流失、植被生產力下降和溫室氣體排放，嚴重制約著陸地生態系統碳匯和碳中和的實現。而水土保持措施可通過植被光合作用直接從大氣中吸收CO2，改良土壤增加土壤有機碳，并在坡面和溝道林草、梯田和淤地壩等措施作用下（圖2），減少土壤有機碳輸移，調水保水保土固持有機碳，避免土壤有機碳礦化后以CO2的形式排放到大氣中形成碳源，通過縱向和橫向路徑影響碳循環。因此，水土保持碳匯內涵是指在對自然因素和人為活動造成的水土流失采取預防和治理措施后，產生碳匯的過程或能力。水土保持碳匯通過林草、工程和耕作等措施實現，主要包括三部分：一是吸收、同化、礦化和利用空氣中的CO2，形成植被碳匯和土壤碳匯實物，即增匯；二是通過攔蓄泥沙將碳固存在土壤中，即固碳；三是減少侵蝕土壤橫向輸移導致的碳流失，即減排。

圖1 水力侵蝕影響下土壤碳循環示意圖

圖2 水土保持措施碳匯作用過程示意圖

陸地生態系統具有減碳、固碳、吸碳作用，是世界上公認的最經濟有效的減排手段之一，水土保持是陸地生態系統功能調控和經營管理的主要措施之一。水土保持的增匯、保土固碳、減蝕減排具體表現在：一是坡面或者小流域尺度土壤侵蝕過程中，在高侵蝕速率的環境中或者長距離輸移過程中，古老的化石源有機碳和現代生物源有機碳都將發生不同程度的礦化分解釋放，水土保持措施通過改變下墊面及地表微地形，可以抑制這種氣態輸出的過程；二是對于侵蝕退化地而言，水土保持措施及其合理有效配置、水土流失綜合治理能夠促使碳素更多地儲存在植物體和土壤中，可直接提升陸地生態系統的碳儲存量，即水土保持措施具備固碳和吸碳作用。水土保持碳匯具有多種水土保持措施（工程措施、植物措施和耕作措施）共同參與、多種碳匯途徑（植物途徑、土壤途徑和水體途徑）相互交織、多種固碳作用（物理攔截保護、化學保護和微生物保護）協同生效、多種碳匯物質（植物生物量、土壤有機質和水體碳素）同步產出的特性。

值得注意的是，除水土保持林草措施、工程措施和耕作措施外，生產建設項目水土保持碳匯也是水土保持碳匯的重要方面。生產建設項目水土保持碳匯是以某一生產建設項目為研究單元，在項目區防治責任范圍內，通過采取水土保持工程措施、植物措施、臨時措施等，增加植被覆蓋度，并調水固土，減少土壤碳流失，避免土壤有機碳礦化后以CO2的形式排放到大氣中的過程或能力。我國生產建設項目種類多、數量大，“十二五”期間，全國防治人為水土流失面積近6萬km2，減少水土流失量近7億t，生產建設項目水土保持在減少土壤有機碳的橫向輸移和避免不必要的碳排放方面發揮著重要作用。

二、水土保持碳匯能力評估與核算

陸地生態系統碳匯多是“碳增匯”的過程。但與傳統陸地生態系統不同的是，水土保持碳匯的實現途徑包括增加植物體地上地下生物量和土壤碳儲量、抑制碳素坡面侵蝕損失和固持土壤有機碳的能力（減蝕減排與保土固碳）。上述三個過程相互作用、相互聯動，促使碳匯物質從植被到土壤、到土體、直到土體深層的整個立體剖面不斷聚集，從工程措施到耕作措施、從水土保持林到水土保持草、再到封禁保育范圍的廣大區域不斷聚集。因此，水土保持碳匯能力評估首先是確定區域范圍及其碳匯措施類型，基于其增匯、固碳和減排途徑，構建評價指標體系、核算方法及適用技術參數，開展水土保持碳匯核算。具體技術路線與程序如圖3 所示，水土保持碳匯總量核算對象包括水土保持林草措施、工程措施和耕作措施的增匯、固碳和減排效益。水土保持措施增匯包括植被碳匯和土壤碳匯，分別形成植被生物量和土壤有機質碳匯實物，降低大氣CO2濃度。水土保持措施固碳通過減少或避免侵蝕土壤輸移、固持/攔截土壤有機碳（保土/攔泥固碳）實現，可維護土壤有機質的質量和穩定性。

圖3 水土保持碳匯核算過程

按照水土保持措施類型與其效益和相關物質表現，將區域水土保持碳匯能力評估指標分為增匯、固碳和減排3個一級指標，根據水土保持林草措施、工程措施與耕作措施等碳匯途徑分為9 個二級指標，根據不同水土保持措施碳匯實物又分為19個三級指標，如表1所示。將水土保持碳匯能力估算的基礎數據與水土保持年度統計、定期普查等數據采集的方式方法緊密關聯，分別提出各類指標對應碳匯效率測算與評估的監測指標，如措施面積、保土定額、碳匯速率、固碳速率、有機質含量等措施指標體系，以規范和統一全國水土保持措施碳匯監測、核算與能力評估工作。

表1 水土保持碳匯能力評估指標體系

以水土保持碳匯評估指標體系為基礎，水土保持措施垂向碳匯量可借鑒已有的碳匯量計算方法獲得。當前針對森林、草地、農田、濕地生態系統的碳匯量評估方法已較為完善，多通過測算不同時間點生態系統的碳儲量，間接描述碳匯變化，普遍采用的樣地勘察法、模型構建法、遙感監測法等方法多基于此原理。固碳速率法兼顧生物量法和樣地勘察法的優點，可連續測算并模擬一定空間范圍和時間區間的碳匯變化量，并可實現對小、中規模等離散度正態分布措施碳匯量的準確核算，在區域水土保持碳匯量核算中具有較強的實用性及操作性，測算結果穩定性較高。水土保持措施保土固碳量可采用保土量乘以土壤有機碳含量獲得。

三、水土保持碳中和潛力與碳交易實踐

基于全國水利普查、水土保持公報、水土流失動態監測和農業機械工業年鑒等數據和成果，經核算，2021年全國現存水土保持措施垂向碳匯總量為1.54億t C（若不包括林草封禁治理措施為1.08億t C），其中林草措施植被和土壤碳匯量占比達95%，這一部分已被包括在國家已有碳匯核算結果中。盡管工程和耕作措施新增的土壤碳匯量年度占比較小，但累積效應顯著，對于長時間尺度全國土壤碳匯總量貢獻較大。根據相關研究，2010—2020年間我國陸地生態系統年均固碳量為10億~13億t CO2，則水土保持對陸地生態系統碳匯量的貢獻為43.5%~56.5%（若不包括封禁治理為30.3%~39.4%）。2021年全國水土保持措施保土固碳量為3040.86萬t C，水土保持措施保土固碳同樣具有明顯的累積效應和長效作用。如黃土高原淤地壩措施2011—2017年累積攔泥固碳量為222.34萬t C，過去50年累積攔泥固碳量則為2164.00萬t C。部分工程和耕作措施因規模數據可獲取性較差或缺失必要的監測數據而忽略未算，故2021年全國水土保持措施保土固碳總量測算結果較為保守。侵蝕土壤橫向輸移過程中，約有30%~40%的土壤有機碳會被礦化為CO2排放到空氣中；參考此比例系數，則每年通過采取以上水土保持措施可避免3344.95萬~4459.93萬t CO2釋放進入大氣。

如圖4所示，水利部門實施的水土保持措施帶來的增匯（不包括其他部門已納入測算范圍的水土保持林草措施植被碳匯量和土壤碳匯量）和減排占到全國現有陸地生態系統碳匯總量的4%~6%，這一部分尚未納入國家碳匯核算體系。通過水土保持土壤量估算年均固碳量和減蝕減排量，具有重要意義和價值，而聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）碳匯核算并未強調水土保持保土固碳和減蝕減排（避免額外的碳排放）效益。

圖4 2021年全國水土保持措施增匯、固碳和減碳量

區域大尺度的水土保持碳匯能力核算已具備一定基礎，但若準確測算較小尺度水土保持碳匯能力，需針對不同區域、不同措施類型、不同空間尺度和措施效能發揮的不同生命期，建立系統的計量指標，基于分布式測算模型進行科學評估，推動水土保持碳匯方法學集成與試點應用。而方法學的構建需要一定數量的應用案例。參照以上水土保持碳匯能力評估與核算方法，以福建省長汀縣羅地河小流域水土保持綜合治理項目碳匯監測與核算試點為例，2001—2022年，羅地河小流域碳儲量大幅度提升，實現碳匯當量13.86萬t CO2，各類水土保持措施保土固碳和減蝕減排所形成的減排量為4.52 萬～21.01 萬t CO2，產生可用于交易的碳匯當量18.38萬t CO2，按照廈門碳與排污權交易中心綠色碳匯目前均價30元/t計算，交易額達551.4萬元；碳密度由每公頃14.68 t增長到34.62 t，提升了135.83%，水土保持項目具有巨大的碳匯潛力。以羅地河小流域水土保持綜合治理碳匯項目為典型完成的全國首單水土保持項目碳匯交易，為將水土保持碳匯納入溫室氣體自愿減排交易提供“福建經驗”，其監測核算與交易的工作經驗可復制推廣到全國水土保持高質量發展先行區。未來需進一步研究完善水土保持項目碳匯方法學，建立水土保持碳匯監測核算、產品開發、交易與登記等全流程的工作機制，探索建立水土保持碳匯參與自愿實現碳中和的新模式。

四、水土保持碳匯能力提升路徑

“增匯、保碳、減排、封存”是被廣泛認可的實現“雙碳”目標的有效途徑。提升水土保持碳匯效益，一方面，要持續開展水土流失系統治理。在水土保持率現狀值與閾值差距較大的地區，開展不同地理單元的山水林田湖草沙一體化治理和修復，多措并舉，綜合預防和治理，增強碳匯的水土保持措施基礎。另一方面，著力推進水土保持提質增效。在水土保持率現狀值與閾值差距較小的地區，加強生態系統管理，注重增強碳匯作用和物質累積，保障全區域水土保持碳匯能力不斷提高、碳匯物質持續增加。

為提升水土保持措施質量和功能，應注重以下四點。一是優化水土保持措施水平和立體配置。在配置水土保持措施時，應根據措施的特點以及工程規格、林草品種、耕作工藝特點，做好各類措施的平面結構設計和立體空間配置，保障各類水土保持措施能夠持續、高效地發揮碳匯作用。二是加強水土保持措施體系維護管理。水土保持碳匯存在極限，如幼齡林具有較高的碳匯效益，其碳儲量是不斷擴增的過程，而生長衰退或不斷衰亡的過熟林則是碳源；工程措施也有確定的設計標準或攔沙能力限度。這啟示我們應根據水土保持林草措施、工程措施全生命期及各個階段的特征，做好維護管理和及時更新更替，保證水土流失預防和治理措施不斷發育并良性演替。三是統籌權衡水土保持生態多功能協調。從生態系統整體性出發，統籌考慮水土保持攔沙減淤、凈化過濾、調節反補、開源引流和減排增匯等生態多功能協調，研發既能夠有效預防和治理項目區域水土流失、又能夠高效鞏固和提升生態系統儲碳增匯能力的水土保持技術。四是注重生產建設項目水土保持措施技術優化。當前國內外針對生產建設項目水土保持固碳增匯技術的研究較少，以碳匯效益提升為目的的措施優化技術更加匱乏。以水土流失防治為目標的措施體系配置和措施優化研究及以碳匯效益提升為目的的城市綠地植物措施優化設計，對提升生產建設項目水土保持固碳增匯功能具有重要借鑒價值。

五、結 語

2023年12月，福建長汀羅地河小流域水土保持綜合治理項目碳匯交易成功。作為全國首單水土保持項目碳匯交易，為提升水土保持生態產品供給能力提供了實踐案例，拓展了綠水青山轉化為金山銀山的路徑，是水土保持領域深入貫徹落實習近平生態文明思想和習近平總書記關于治水重要論述精神的具體舉措，在推進水土保持高質量發展方面具有標志性和示范意義。實現水土保持碳匯“可測量、可報告、可核查”，是將水土保持碳匯納入陸地生態系統碳匯核算，推動將水土保持碳匯納入溫室氣體自愿減排交易機制的重要科學基礎。我國幅員遼闊，氣候條件、土壤條件和植被類型多樣，各地水土保持措施類型多、差異性大，為保證水土保持項目碳匯開發嚴謹可靠，針對不同水土保持措施開發，應選擇不同碳匯方法學模塊，驗證不同參數，以保障和推進水土保持碳匯項目開發、監測、核算與交易等環節走實、走穩、走出成效。為此，針對水土保持碳匯，將持續開展基礎研究和技術攻關，深化細化水土保持碳匯目標、實現路徑和重大行動，推動保碳增匯治理措施研發與示范；并借鑒相關部門初步建立的生態碳匯監測核算體系，提出水土保持碳匯計量監測體系與方法學，研究編制水土保持碳匯技術規范、標準和規程，推動水土保持碳匯走向國際。