黃土丘陵溝壑區(qū)治溝造地工程碳效應(yīng)分析

雷 娜 ，穆興民

（1．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2．陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；3．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；4．中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

人類不同的土地利用方式是影響陸地系統(tǒng)碳循環(huán)過程，引起區(qū)域碳源/匯變化的主要因素。土地整治是人們利用工程、生物措施改良土地資源及其土地利用方式的主要措施[1]。我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要大量的建設(shè)用地，合理的土地整治工程在一定程度上能緩解用地矛盾。因此，國土資源部每年會(huì)批準(zhǔn)一批重大土地整治工程，治溝造地就是其中之一。工程實(shí)施會(huì)對(duì)區(qū)域乃至全國的土地利用格局產(chǎn)生影響，打破原有生態(tài)平衡，影響土壤碳庫[2]，另外開展土地整治工程可以調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、優(yōu)化景觀格局，對(duì)于降低碳排放、減緩溫室效應(yīng)具有重要意義[3-4]。

政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）評(píng)估報(bào)告指出,影響全球氣候變暖的兩大碳源分別是化石燃料的大量使用和土地利用方式的變化[5]。Houghton等[6]認(rèn)為土地利用變化在陸地與大氣系統(tǒng)碳循環(huán)中起著重要作用，主要表現(xiàn)為碳源。Levy等[7]提出土地利用變化、區(qū)域景觀格局以及水域的變化是影響區(qū)域碳排放的主要因素。Lal[8]認(rèn)為土地利用變化既可能成為碳源，也可能成為碳匯。土壤作為陸地最大的碳庫，微小波動(dòng)都會(huì)引起溫室氣體濃度的劇烈變化，以致影響全球氣候[9]。魏鳳娟等[10]指出，施工中大型機(jī)械的運(yùn)作以及施工所需水泥、混凝土等產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用均會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體。王長波等[11]計(jì)算了中國農(nóng)村能源消費(fèi)的碳排放，包括土地整治工程引起的碳排放。郭義強(qiáng)等[12]核算出柏鄉(xiāng)縣土地整理后碳儲(chǔ)量增加了278.81 t，表現(xiàn)為碳匯效應(yīng)。郭曉輝等[13]核算出巨鹿縣土地整理后碳儲(chǔ)量減少了4 160.3 t，表現(xiàn)為碳源效應(yīng)。王慧敏等[14]運(yùn)用模型模擬了海東市土地利用低碳優(yōu)化空間格局。王少鵬等[15]指出現(xiàn)階段中國工業(yè)化和城市化建設(shè)都需要大量的碳排放空間。學(xué)者們大多以省域、市域、縣域土地利用為研究對(duì)象，分析不同區(qū)域土地利用類型的土壤碳儲(chǔ)量，測算不同土地利用方式下的土地碳排放量，提出降低碳排放的建議。

現(xiàn)階段土地碳排放的研究主要側(cè)重于不同土地利用類型引起的碳排放變化以及通過土地規(guī)劃等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)土地利用低碳化，土地整治碳排放研究還處于探索階段，治溝造地工程的碳效應(yīng)研究更為鮮見。本文以地處黃土丘陵溝壑區(qū)的延安市寶塔區(qū)南泥灣鎮(zhèn)治溝造地工程為研究內(nèi)容，運(yùn)用碳排放測算方法以及中國地質(zhì)調(diào)查局編制的《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》中的采樣方法實(shí)地采樣，分析治溝造地工程碳效應(yīng)，為發(fā)展低碳型土地整理提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)選址在距離延安市48 km的南泥灣鎮(zhèn)，其區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏系赖孛?，共涉?個(gè)溝道，其中，僅陽灣溝、九龍泉溝兩條溝道長度達(dá)到21 km，河道海拔自西向東由1190 m降至1095 m，平均比降0.95%，河谷寬一般在250～500 m之間。氣候?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，降水較少；夏季炎熱多雨，降雨集中。項(xiàng)目區(qū)水土流失、滑坡等自然災(zāi)害嚴(yán)重，同時(shí)存在部分水田鹽堿嚴(yán)重、田坎占地多等問題。治溝造地對(duì)于在該區(qū)域增加耕地面積、保障糧食安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)具有積極意義。其中，延安市南泥灣鎮(zhèn)治溝造地項(xiàng)目為全國治溝造地的典型項(xiàng)目，項(xiàng)目建設(shè)期為2012年3月至2014年12月，項(xiàng)目區(qū)面積為651.79 hm2，建設(shè)期間實(shí)施了土地平整工程（總土方量352.49萬m3）、灌溉與排水工程（灌溉渠道30.44 km、排洪渠34.40 km、截水溝4.94 km）、田間道路工程（田間道3.29 km、生產(chǎn)路14.27 km）以及農(nóng)田防護(hù)和生態(tài)保護(hù)工程（油松9056株、側(cè)柏10 757株、柳樹8336株）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究利用的項(xiàng)目區(qū)治溝造地工程實(shí)施前后土地利用變化數(shù)據(jù)主要來源于《延安市寶塔區(qū)南泥灣鎮(zhèn)等土地整治項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告書》《延安市寶塔區(qū)南泥灣鎮(zhèn)等土地整治項(xiàng)目補(bǔ)充設(shè)計(jì)報(bào)告》；土地整理施工工程量和能源消費(fèi)數(shù)據(jù)等來源于《延安市寶塔區(qū)南泥灣鎮(zhèn)等土地整理項(xiàng)目預(yù)算書》；能源使用量計(jì)算的相關(guān)參數(shù)來源于《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》《土地開發(fā)整理項(xiàng)目預(yù)算定額》、《土地開發(fā)整理項(xiàng)目施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》。

1.3 樣品的采集與測定

土壤樣品的采集參照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》中樣品采集方法，采樣時(shí)間為2017年4月，在不同土地利用類型中，按4 hm2布點(diǎn)，用土鉆取3個(gè)點(diǎn)0～20 cm的土壤均勻混合作為混合樣品；面積不足4 hm2，采集1個(gè)混合樣品；同時(shí)在每個(gè)大格內(nèi)用100 cm3環(huán)刀取樣，測定土壤容重。全碳均采用TOC/TN分析儀測定；容重采用環(huán)刀法測定。

1.4 治溝造地施工碳排放計(jì)算

治溝造地施工碳排放包括推土機(jī)、鏟車、挖掘機(jī)等現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備的使用以及工程所需的鋼筋、水泥、混凝土等材料的生產(chǎn)排放的溫室氣體?！?006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中汽油、柴油的建議排放系數(shù)為 2.26 kg·L-1和 2.73 kg·L-1，運(yùn)用汽油和柴油的平均密度換算單位質(zhì)量燃料的碳排放量，得到汽油、柴油的二氧化碳排放系數(shù)分別為3.12 kg·kg-1和3.21 kg·kg-1，進(jìn)而得到汽油、柴油的碳排放系數(shù)分別為 0.85 kg·kg-1和 0.88 kg·kg-1，治溝造地工程碳排放量計(jì)算公式如下：

式中：EC表示治溝造地工程碳排放量，kg；α、β分別表示汽油、柴油的碳排放系數(shù)，kg·kg-1；Q1、Q2分別表示施工中汽油、柴油的使用量，kg。

根據(jù)公式1，綜合延安市治溝造地項(xiàng)目的投資情況，把單位投資額碳排放量（式2）、單位投資比例的碳排放比率（式3）引入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，多方面評(píng)價(jià)施工過程中的碳排放情況。

式中：YC為單位投資額碳排放量，kg·萬元-1；YR為單位投資比例的碳排放比率；Di為不同類型整理工程的碳排放量，t；Yi為不同整理工程的投資額，萬元。

1.5 工程實(shí)施后土地利用變化的碳儲(chǔ)量計(jì)算[16]

式中：TC為區(qū)域土壤碳儲(chǔ)量，t；TCi為用TOC分析儀測定的所取樣品的土壤全碳的值，g·kg-1；h為采樣深度，0.2 m；S 為單位土壤面積，hm2；104為單位土壤面積換算系數(shù)；ρ為土壤容重，g·cm-3。

2 結(jié)果與分析

2.1 治溝造地施工碳排放

運(yùn)用《土地開發(fā)整理項(xiàng)目預(yù)算定額》《土地開發(fā)整理項(xiàng)目施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》計(jì)算出柴油、汽油的使用量，結(jié)合1.4中所述的計(jì)算方法，計(jì)算得到延安市治溝造地工程施工的碳排放量（表1）。

由表1可知治溝造地項(xiàng)目施工中，柴油的碳排放量是汽油的115.56倍，主要是因?yàn)橹螠显斓刂型恋仄秸こ塘看?，需要用到大型機(jī)械設(shè)備多，柴油耗用量大；對(duì)柴油碳排放量貢獻(xiàn)最大的是土地平整工程，其柴油碳排放量為2 335.50 t，占柴油總排放量的94.62%，貢獻(xiàn)最小的是農(nóng)田防護(hù)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程，不產(chǎn)生碳排放；汽油碳排放量來自灌溉與排水工程和田間道路工程，分別為14.74 t和6.22 t，主要是灌溉與排水工程中載重汽車和起重機(jī)的使用以及田間道路建設(shè)中灑水車的使用。

各類工程投資總額的排序?yàn)橥恋仄秸こ蹋竟喔扰c排水工程＞田間道路工程＞其他工程＞農(nóng)田防護(hù)工程；各類工程碳排放、單位投資碳排放、單位投資比例的排序均為土地平整工程＞田間道路工程＞其他工程＞灌溉與排水工程＞農(nóng)田防護(hù)工程（表1），單位投資碳排放、單位投資比例具有高度相關(guān)性，但與投資總額排序不一致，主要是因?yàn)楣喔扰c排水工程施工過程中多使用插入式振搗器、起重機(jī)等電力設(shè)備以及風(fēng)水（砂）槍等清潔能源設(shè)備，汽油、柴油使用量相對(duì)較少。灌溉與排水工程投資后的生態(tài)效應(yīng)優(yōu)于其他產(chǎn)生碳排放的工程。

2.2 土地利用類型變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響

根據(jù)1.3中所述的樣品采集與測定方法，測定延安市治溝造地工程實(shí)施后發(fā)生變化的土地利用類型的土壤全碳及土壤容重，運(yùn)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析得到土壤全碳及容重的均值（表2）。

由表2可知，整治后全碳含量最高的是水域及水利設(shè)施用地中的坑塘水面，均值為35.21 g·kg－1；最小的是交通運(yùn)輸用地，為18.47 g·kg－1。土地利用類型變化后，耕地面積增加，其中水田增加最多，為6.58 hm2，治溝造地工程根據(jù)項(xiàng)目區(qū)因地制宜，將坑塘水面以及一部分溝渠和農(nóng)田道路改為水田；水域及水利設(shè)施用地中溝渠面積減少最多，為5.33 hm2，主要是因?yàn)橹螠显斓毓こ讨袑?shí)施灌排一體渠技術(shù)，節(jié)約用地面積。

表1 項(xiàng)目區(qū)治溝造地工程施工碳排放Table1 The carbon emissions of gully control and land reclamation engineering construction in project area

表2 項(xiàng)目區(qū)施工前后不同土地利用類型土壤全碳及容重（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table2 Total carbon and density of different land use types before and after construction in project area（mean±standard deviation）

2.3 治溝造地碳效應(yīng)測算

治溝造地工程施工產(chǎn)生的碳排放表現(xiàn)為碳源效應(yīng)；土地利用變化導(dǎo)致的儲(chǔ)量變化中一類是碳低密度轉(zhuǎn)高密度（農(nóng)田道路、溝渠轉(zhuǎn)化為耕地），表現(xiàn)為碳匯效應(yīng)，另一類是碳高密度轉(zhuǎn)化為碳低密度（園地、坑塘轉(zhuǎn)化為耕地），表現(xiàn)為碳源效應(yīng)；土地利用保持不變的地類對(duì)碳效應(yīng)不產(chǎn)生影響（林地、其他土地），不計(jì)入碳效應(yīng)測算中，由此構(gòu)建了治溝造地項(xiàng)目碳效應(yīng)的測算表（表3），明確治溝造地中的碳源/匯作用。

項(xiàng)目區(qū)治溝造地施工后單位面積的碳排放量為3.76 t·hm－2，土地利用變化后單位面積碳儲(chǔ)量為95.34 t·hm－2，治溝造地總體碳匯量為 91.58 t·hm－2，有利于減緩區(qū)域溫室效應(yīng)。單位投資的碳排放量為3 564.46 kg·萬元－1，單位投資的碳儲(chǔ)量為 90 488.23 kg·萬元－1，單位投資的碳儲(chǔ)量為86 923.77 kg·萬元－1，表明治溝造地工程投資契合我國集約型經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，不僅對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長有重要作用，也有利于環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)。

整理年限是影響土壤碳儲(chǔ)量的重要因素之一，隨著整理年限的增加，農(nóng)作物種植季數(shù)增加，土壤生物量大量積累，土壤肥力與耕層結(jié)構(gòu)改善，土壤熟化，碳含量穩(wěn)定。同時(shí)通過良性循環(huán)形成區(qū)域農(nóng)田小氣候以及穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳供養(yǎng)、凈化空氣、增加生物多樣性、田間游憩等生態(tài)服務(wù)功能。項(xiàng)目區(qū)整理工程完成近3年，土壤已基本熟化，在土地平整完成后及時(shí)保證灌溉與排水，保土保肥，同時(shí)通過林網(wǎng)建設(shè)提高林網(wǎng)覆蓋率和水土保持能力，防止水土流失和土地沙漠化，改善區(qū)域內(nèi)田間小氣候，建立生態(tài)系統(tǒng)，從而改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，使土壤碳儲(chǔ)量趨于穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)協(xié)同發(fā)展。

表3 項(xiàng)目區(qū)治溝造地碳效應(yīng)測算Table3 The calculation of carbon effect in project area

3 討論

3.1 施工對(duì)碳排放的影響分析

從碳排放的作用機(jī)制上看，施工碳排放主要包括直接碳排放和間接碳排放。文章主要考慮包括土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路工程等施工中由于能源消耗而導(dǎo)致的直接碳排放，但間接碳排放，如混凝土預(yù)制板、鋼材、水泥、PVC管等制備和運(yùn)輸過程等也會(huì)影響碳收支的變化[17-18]，考慮治溝造地工程施工周期內(nèi)的間接碳排放量，建立包括直接碳排放和間接碳排放在內(nèi)的土地整理工程碳排放計(jì)算方法體系，更加真實(shí)反映土地整理項(xiàng)目碳排放情況[19]，限于資料和數(shù)據(jù)原因，暫未將間接碳排放量計(jì)入其中；治溝造地工程實(shí)施后，地形局部平坦，田塊平整，生產(chǎn)路和田間路形成路網(wǎng)體系，適合機(jī)械化耕作，機(jī)械化耕作過程產(chǎn)生的碳排放會(huì)影響碳收支，因此有學(xué)者認(rèn)為在土地平整工程、田間道路工程等其他工程的施工中，應(yīng)該提高動(dòng)力機(jī)械的使用效率，保證專業(yè)的維修和保養(yǎng)，防止操作員不夠?qū)I(yè)、機(jī)具不配套，損壞、浪費(fèi)、油耗高的現(xiàn)象發(fā)生[20-21]，逐步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的“低碳化”[22]，保障治溝造地工程綠色環(huán)保。

3.2 土地利用類型變化對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響分析

耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化是土地利用變化碳排放的一個(gè)主要過程，將對(duì)土壤碳庫造成長期的影響。耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地伴隨著地表植被的清除，經(jīng)過土地的翻動(dòng)和回填后，以不透水地面和綠化用地代替原本的用地類型，這些覆被類型吸納碳的能力減弱，將對(duì)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生直接的影響[23]。姜群鷗等[24]指出耕地與建設(shè)用地之間的轉(zhuǎn)移是減少植被碳儲(chǔ)量的主要原因。建設(shè)用地面積增加將導(dǎo)致強(qiáng)烈的碳排放[25]。項(xiàng)目區(qū)土地利用類型變化方式是建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為耕地，使碳低密度轉(zhuǎn)向高密度，有利于土壤碳儲(chǔ)量的積累。葉延瓊等[26]對(duì)廣東省1996—2012年農(nóng)業(yè)用地碳匯進(jìn)行計(jì)算，得到園地固碳量是耕地的140.33倍。固碳是濕地生態(tài)系統(tǒng)參與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要服務(wù)功能[28]，濕地儲(chǔ)存的碳占陸地土壤碳庫的18%～30%[27]，是全球最大的碳庫之一。項(xiàng)目區(qū)將園地、坑塘水面等土地利用類型變?yōu)楦?，由碳高密度轉(zhuǎn)向低密度，減少了區(qū)域碳儲(chǔ)量，這是考慮到項(xiàng)目區(qū)整體規(guī)劃以及項(xiàng)目補(bǔ)充耕地的性質(zhì)，但最終與增加的碳儲(chǔ)量抵消后還是有所增加。

4 結(jié)論

（1）項(xiàng)目區(qū)治溝造地工程施工表現(xiàn)為碳源效應(yīng)。治溝造地項(xiàng)目施工過程中應(yīng)該提倡使用清潔能源以及采取各種措施提高機(jī)械動(dòng)力的使用效率，減少碳排放，保障治溝造地工程綠色環(huán)保。

（2）項(xiàng)目區(qū)治溝造地工程實(shí)施后土地利用類型變化使碳儲(chǔ)量增加，表現(xiàn)為碳匯效應(yīng)。治溝造地項(xiàng)目實(shí)施前應(yīng)注重規(guī)劃土地利用方式，在保證耕地面積的基礎(chǔ)上增加有利于土壤固碳的土地利用類型。

（3）項(xiàng)目區(qū)治溝造地工程總體上表現(xiàn)為碳匯效應(yīng)。該示范工程是國家開展治溝造地工程實(shí)現(xiàn)“生態(tài)與經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展”預(yù)期目標(biāo)的成功案例，為黃土丘陵溝壑區(qū)治溝造地工程可持續(xù)發(fā)展提供參考和借鑒。

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