水土保持碳汇若干关键问题研究
温室气体排放引起的气候变化是目前人类面临的巨大挑战之一。2022年，我国CO₂排放量为102亿t，约占全球同期排放总量的28%。为应对气候变化，推动绿色发展，我国提出了2030年前碳达峰与2060年前碳中和的战略目标。实现碳中和的两个决定性因素是减排和增汇。减排的核心是节能、调整能源结构，增汇的核心是生态建设、管理与保护。陆地生态系统碳汇能力巨大，是实现“双碳”目标的重要途径。水土保持措施改变了地表覆被与生态系统经营方式，是对陆地生态系统资源的保护、改良和合理利用，是增强陆地碳汇能力的有效措施，是实现“双碳”目标的重要一环。国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》提出实施“碳达峰十大行动”，将水土流失综合治理纳入碳汇能力巩固提升行动。2023年，中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于加强新时代水土保持工作的意见》中明确提出要加强水土保持碳汇能力研究和关键技术攻关。
目前国内外碳汇研究主要聚焦于评估区域碳汇量，研究其分布与变化特征，且大多关注森林、草地、农田等生态系统的碳汇作用。水土保持碳汇研究起步较晚，主要研究水土流失对生态系统碳源、碳汇的影响，以及小尺度区域不同水土保持措施的碳汇效果，未曾将水土保持作为一个体系进行碳汇机理与测算研究。为此，自2022年起，在水利部水土保持司的部署与指导下，由中国水利水电科学研究院与水利部水土保持监测中心组建的联合研究团队，系统开展了水土保持碳汇能力研究，探讨水土保持碳汇内涵与机理、途径与指标、核算与评估及路径提升等关键问题，为实现“双碳”目标贡献水利担当。
01、水土保持碳汇内涵与机理
碳汇是指从大气中清除CO₂的过程、活动或机制。碳汇是发生在某个碳库中的动态过程，是一定时间内碳吸收量和碳排放量平衡的结果。土壤侵蚀会通过有机碳横向迁移、纵向淋滤、过程矿化以及沉积封存等多个过程影响碳循环，由此引起的土壤有机碳流失、植被生产力下降和温室气体排放，严重制约着陆地生态系统碳汇和碳中和的实现。而水土保持措施可通过植被光合作用直接从大气中吸收CO₂，改良土壤增加土壤有机碳，并在坡面和沟道林草、梯田和淤地坝等措施作用下，减少土壤有机碳输移，调水保水保土固持有机碳，避免土壤有机碳矿化后以CO₂的形式排放到大气中形成碳源，通过纵向和横向路径影响碳循环。因此，水土保持碳汇内涵是指在对自然因素和人为活动造成的水土流失采取预防和治理措施后，产生碳汇的过程或能力。水土保持碳汇通过林草、工程和耕作等措施实现，主要包括三部分：一是吸收、同化、矿化和利用空气中的CO₂，形成植被碳汇和土壤碳汇实物，即增汇；二是通过拦蓄泥沙将碳固存在土壤中，即固碳；三是减少侵蚀土壤横向输移导致的碳流失，即减排。
▲水力侵蚀影响下土壤碳循环示意图
▲水土保持措施碳汇作用过程示意图
陆地生态系统具有减碳、固碳、吸碳作用，是世界上公认的最经济有效的减排手段之一，水土保持是陆地生态系统功能调控和经营管理的主要措施之一。水土保持的增汇、保土固碳、减蚀减排具体表现在：一是坡面或者小流域尺度土壤侵蚀过程中，在高侵蚀速率的环境中或者长距离输移过程中，古老的化石源有机碳和现代生物源有机碳都将发生不同程度的矿化分解释放，水土保持措施通过改变下垫面及地表微地形，可以抑制这种气态输出的过程；二是对于侵蚀退化地而言，水土保持措施及其合理有效配置、水土流失综合治理能够促使碳素更多地储存在植物体和土壤中，可直接提升陆地生态系统的碳储存量，即水土保持措施具备固碳和吸碳作用。水土保持碳汇具有多种水土保持措施（工程措施、植物措施和耕作措施）共同参与、多种碳汇途径（植物途径、土壤途径和水体途径）相互交织、多种固碳作用（物理拦截保护、化学保护和微生物保护）协同生效、多种碳汇物质（植物生物量、土壤有机质和水体碳素）同步产出的特性。
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，生产建设项目水土保持碳汇也是水土保持碳汇的重要方面。生产建设项目水土保持碳汇是以某一生产建设项目为研究单元，在项目区防治责任范围内，通过采取水土保持工程措施、植物措施、临时措施等，增加植被覆盖度，并调水固土，减少土壤碳流失，避免土壤有机碳矿化后以CO₂的形式排放到大气中的过程或能力。我国生产建设项目种类多、数量大，“十二五”期间，全国防治人为水土流失面积近6万km2，减少水土流失量近7亿t，生产建设项目水土保持在减少土壤有机碳的横向输移和避免不必要的碳排放方面发挥着重要作用。
02、水土保持碳汇能力评估与核算
陆地生态系统碳汇多是“碳增汇”的过程。但与传统陆地生态系统不同的是，水土保持碳汇的实现途径包括增加植物体地上地下生物量和土壤碳储量、抑制碳素坡面侵蚀损失和固持土壤有机碳的能力（减蚀减排与保土固碳）。上述三个过程相互作用、相互联动，促使碳汇物质从植被到土壤、到土体、直到土体深层的整个立体剖面不断聚集，从工程措施到耕作措施、从水土保持林到水土保持草、再到封禁保育范围的广大区域不断聚集。因此，水土保持碳汇能力评估首先是确定区域范围及其碳汇措施类型，基于其增汇、固碳和减排途径，构建评价指标体系、核算方法及适用技术参数，开展水土保持碳汇核算。具体技术路线与程序如图所示，水土保持碳汇总量核算对象包括水土保持林草措施、工程措施和耕作措施的增汇、固碳和减排效益。水土保持措施增汇包括植被碳汇和土壤碳汇，分别形成植被生物量和土壤有机质碳汇实物，降低大气CO₂浓度。水土保持措施固碳通过减少或避免侵蚀土壤输移、固持/拦截土壤有机碳（保土/拦泥固碳）实现，可维护土壤有机质的质量和稳定性。
▲水土保持碳汇核算过程
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增汇、固碳和减排3个一级指标，根据水土保持林草措施、工程措施与耕作措施等碳汇途径分为9个二级指标，根据不同水土保持措施碳汇实物又分为19个三级指标，如表所示。将水土保持碳汇能力估算的基础数据与水土保持年度统计、定期普查等数据采集的方式方法紧密关联，分别提出各类指标对应碳汇效率测算与评估的监测指标，如措施面积、保土定额、碳汇速率、固碳速率、有机质含量等措施指标体系，以规范和统一全国水土保持措施碳汇监测、核算与能力评估工作。
▲水土保持碳汇能力评估指标体系
以水土保持碳汇评估指标体系为基础，水土保持措施垂向碳汇量可借鉴已有的碳汇量计算方法获得。当前针对森林、草地、农田、湿地生态系统的碳汇量评估方法已较为完善，多通过测算不同时间点生态系统的碳储量，间接描述碳汇变化，普遍采用的样地勘察法、模型构建法、遥感监测法等方法多基于此原理。固碳速率法兼顾生物量法和样地勘察法的优点，可连续测算并模拟一定空间范围和时间区间的碳汇变化量，并可实现对小、中规模等离散度正态分布措施碳汇量的准确核算，在区域水土保持碳汇量核算中具有较强的实用性及操作性，测算结果稳定性较高。水土保持措施保土固碳量可采用保土量乘以土壤有机碳含量获得。
03、水土保持碳中和潜力与碳交易实践
基于全国水利普查、水土保持公报、水土流失动态监测和农业机械工业年鉴等数据和成果，经核算，2021年全国现存水土保持措施垂向碳汇总量为1.54亿t C（若不包括林草封禁治理措施为1.08亿t C），其中林草措施植被和土壤碳汇量占比达95%，这一部分已被包括在国家已有碳汇核算结果中。尽管工程和耕作措施新增的土壤碳汇量年度占比较小，但累积效应显著，对于长时间尺度全国土壤碳汇总量贡献较大。根据相关研究，2010—2020年间我国陆地生态系统年均固碳量为10亿~13亿t CO₂，则水土保持对陆地生态系统碳汇量的贡献为43.5%~56.5%（若不包括封禁治理为30.3%~39.4%）。2021年全国水土保持措施保土固碳量为3040.86万t C，水土保持措施保土固碳同样具有明显的累积效应和长效作用。如黄土高原淤地坝措施2011—2017年累积拦泥固碳量为222.34万t C，过去50年累积拦泥固碳量则为2164.00万t C。部分工程和耕作措施因规模数据可获取性较差或缺失必要的监测数据而忽略未算，故2021年全国水土保持措施保土固碳总量测算结果较为保守。侵蚀土壤横向输移过程中，约有30％~40%的土壤有机碳会被矿化为CO₂排放到空气中；参考此比例系数，则每年通过采取以上水土保持措施可避免3344.95万~4459.93万t CO₂释放进入大气。
水利部门实施的水土保持措施带来的增汇（不包括其他部门已纳入测算范围的水土保持林草措施植被碳汇量和土壤碳汇量）和减排占到全国现有陆地生态系统碳汇总量的4%~6%，这一部分尚未纳入国家碳汇核算体系。通过水土保持土壤量估算年均固碳量和减蚀减排量，具有重要意义和价值，而联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）碳汇核算并未强调水土保持保土固碳和减蚀减排（避免额外的碳排放）效益。
▲2021年全国水土保持措施增汇、固碳和减碳量
区域大尺度的水土保持碳汇能力核算已具备一定基础，但若准确测算较小尺度水土保持碳汇能力，需针对不同区域、不同措施类型、不同空间尺度和措施效能发挥的不同生命期，建立系统的计量指标，基于分布式测算模型进行科学评估，推动水土保持碳汇方法学集成与试点应用。而方法学的构建需要一定数量的应用案例。参照以上水土保持碳汇能力评估与核算方法，以福建省长汀县罗地河小流域水土保持综合治理项目碳汇监测与核算试点为例，2001—2022年，罗地河小流域碳储量大幅度提升，实现碳汇当量13.86万t CO₂，各类水土保持措施保土固碳和减蚀减排所形成的减排量为4.52万～21.01万t CO₂，产生可用于交易的碳汇当量18.38万t CO₂，按照厦门碳与排污权交易中心绿色碳汇目前均价30元/t计算，交易额达551.4万元；碳密度由每公顷14.68t增长到34.62t，提升了135.83%，水土保持项目具有巨大的碳汇潜力。以罗地河小流域水土保持综合治理碳汇项目为典型完成的全国首单水土保持项目碳汇交易，为将水土保持碳汇纳入温室气体自愿减排交易提供“福建经验”，其监测核算与交易的工作经验可复制推广到全国水土保持高质量发展先行区。未来需进一步研究完善水土保持项目碳汇方法学，建立水土保持碳汇监测核算、产品开发、交易与登记等全流程的工作机制，探索建立水土保持碳汇参与自愿实现碳中和的新模式。
04、水土保持碳汇能力提升路径
“增汇、保碳、减排、封存”是被广泛认可的实现“双碳”目标的有效途径。提升水土保持碳汇效益，一方面，要持续开展水土流失系统治理。在水土保持率现状值与阈值差距较大的地区，开展不同地理单元的山水林田湖草沙一体化治理和修复，多措并举，综合预防和治理，增强碳汇的水土保持措施基础。另一方面，着力推进水土保持提质增效。在水土保持率现状值与阈值差距较小的地区，加强生态系统管理，注重增强碳汇作用和物质累积，保障全区域水土保持碳汇能力不断提高、碳汇物质持续增加。
为提升水土保持措施质量和功能，应注重以下四点。一是优化水土保持措施水平和立体配置。在配置水土保持措施时，应根据措施的特点以及工程规格、林草品种、耕作工艺特点，做好各类措施的平面结构设计和立体空间配置，保障各类水土保持措施能够持续、高效地发挥碳汇作用。二是加强水土保持措施体系维护管理。水土保持碳汇存在极限，如幼龄林具有较高的碳汇效益，其碳储量是不断扩增的过程，而生长衰退或不断衰亡的过熟林则是碳源；工程措施也有确定的设计标准或拦沙能力限度。这启示我们应根据水土保持林草措施、工程措施全生命期及各个阶段的特征，做好维护管理和及时更新更替，保证水土流失预防和治理措施不断发育并良性演替。三是统筹权衡水土保持生态多功能协调。从生态系统整体性出发，统筹考虑水土保持拦沙减淤、净化过滤、调节反补、开源引流和减排增汇等生态多功能协调，研发既能够有效预防和治理项目区域水土流失、又能够高效巩固和提升生态系统储碳增汇能力的水土保持技术。四是注重生产建设项目水土保持措施技术优化。当前国内外针对生产建设项目水土保持固碳增汇技术的研究较少，以碳汇效益提升为目的的措施优化技术更加匮乏。以水土流失防治为目标的措施体系配置和措施优化研究及以碳汇效益提升为目的的城市绿地植物措施优化设计，对提升生产建设项目水土保持固碳增汇功能具有重要借鉴价值。
05、结语
2023年12月，福建长汀罗地河小流域水土保持综合治理项目碳汇交易成功。作为全国首单水土保持项目碳汇交易，为提升水土保持生态产品供给能力提供了实践案例，拓展了绿水青山转化为金山银山的路径，是水土保持领域深入贯彻落实习近平生态文明思想和习近平总书记关于治水重要论述精神的具体举措，在推进水土保持高质量发展方面具有标志性和示范意义。实现水土保持碳汇“可测量、可报告、可核查”，是将水土保持碳汇纳入陆地生态系统碳汇核算，推动将水土保持碳汇纳入温室气体自愿减排交易机制的重要科学基础。我国幅员辽阔，气候条件、土壤条件和植被类型多样，各地水土保持措施类型多、差异性大，为保证水土保持项目碳汇开发严谨可靠，针对不同水土保持措施开发，应选择不同碳汇方法学模块，验证不同参数，以保障和推进水土保持碳汇项目开发、监测、核算与交易等环节走实、走稳、走出成效。为此，针对水土保持碳汇，将持续开展基础研究和技术攻关，深化细化水土保持碳汇目标、实现路径和重大行动，推动保碳增汇治理措施研发与示范；并借鉴相关部门初步建立的生态碳汇监测核算体系，提出水土保持碳汇计量监测体系与方法学，研究编制水土保持碳汇技术规范、标准和规程，推动水土保持碳汇走向国际。
