碳中和的水土保持实现途径和对策

余新晓，贾国栋，郑鹏飞

(北京林业大学 水土保持与荒漠化防治国家林草局重点实验室，100083，北京)

我国现有水土流失面积294.9万km2，其中水力侵蚀面积129.32万km2，风力侵蚀面积165.59万km2，水土流失依然是我国当前面临的重大生态环境问题[1]。当前我国提出2030年碳达峰、2060年碳中和目标，治理水土流失，保护、改良和合理利用水土资源，建立良好生态环境不仅仅是生态文明建设的需求，也是实现碳中和目标的重要途径。近些年来，我国的水土保持工作已经取得飞速发展，水土保持措施面积达99.16万km2[1]，但是有关系统地评价水土保持工作中碳中和贡献的研究还比较少。笔者从水土保持工作入手，着重阐述碳中和的水土保持实现途径和对策。

1 水土流失严重制约了我国生态系统碳吸存能力

水土流失是普遍存在的环境问题，由此引起的植被生产力降低和土壤有机碳迁移强烈影响着生态系统碳循环过程和碳排放。土壤侵蚀和堆积导致土壤有机碳在空间上发生水平迁移，全球每年有2.7 Pg土壤有机碳因土壤侵蚀和堆积发生水平空间转移，相当于全球陆地每年的碳汇总量[2-3]。Lal[4]证实尽管一部分因侵蚀而转移的碳(0.4～0.6 Pg)可能被掩埋而形成碳汇，但是大部分(0.8～1.2 Pg)则通过矿化作用以CO2或CH4的形式排放到大气中形成碳源。同时，土壤侵蚀还会破坏土壤团聚体结构，使土壤有机碳暴露在人为和气候的扰动之下，加速土壤有机碳的矿化。有研究[5]表明，在侵蚀迁移和沉积过程中，侵蚀土壤中有70%～80%的有机质将被矿化。

水土流失不但影响土壤有机碳矿化，也会影响植被的生产力，全球84%的土地退化是由土壤侵蚀引起的[6]。严重的水土流失直接导致植被持续退化乃至消失，土壤侵蚀严重的地区一般都缺少植被覆盖，其植被碳储量远远低于植被状况良好的区域[7]。此外，土壤侵蚀还直接导致耕地的减少和粮食单产的下降，有效的土壤侵蚀控制是农业土壤可持续利用和改善环境质量的关键[4]。

2 碳中和的主要水土保持实现途径

2.1 水土保持工程措施的碳减排效果

泥沙为有机碳流失的最重要载体，泥沙中土壤有机碳的流失量占总流失量的85%[8]。水土保持工程措施通过控制水土流失，减轻地表扰动与破坏，保持土壤团聚体的稳定性，实现土壤有机碳的积累。同时，在工程措施的作用下，土壤质地、结构逐渐改善，肥力逐渐提高，植物生长状况越来越好，使配套的植物措施也能发挥相应的固碳作用，是实现“双碳”目标的重要举措。

沟头防护、梯田、护坡、沟道治理是水土保持工程措施的主要形式。研究表明同一地貌类型上，水平梯田土壤有机碳与土壤全氮0～10 cm土层含量均显著高于坡耕地，与未治理的坡耕地相比，梯田土壤有机碳含量提高0.14倍[9]，这是因为修建梯田具有截断和缓和地表径流，增强土壤入渗等功能，显著提高植被成活率，加速侵蚀区植被恢复进程。符素华等[10]发现鱼鳞坑、水平条等水土保持工程措施的多年平均减沙效益超过90%，同时还有研究发现沉沙池、小型水库的修建可以强化泥沙沉积掩埋，形成不易矿化的深层土壤碳从而实现碳埋藏，增加土壤碳汇[11-12]。淤地坝是水土流失沟道治理工程的骨干力量，设置淤地坝不仅可以提高土壤有机碳含量[13]，同时拦泥淤地，使荒沟变成了人造小平原，增加耕地面积，大大提高地表植物生产力。

2.2 水土保持植物措施的碳减排效果

水土保持植物措施具有固碳释氧的功能，植被建设所带来的“绿碳”在消除CO2过程中具有成本低、生态附加值高、固碳量大等优势。有数据表明，森林每生长1 m3蓄积量，大约吸收1.83 t CO2，释放1.62 t O2[14]，所以大规模的植被建设不仅仅是防治水土流失的重要举措，也能起到良好的固碳效果；因此，水土保持植物措施对于实现碳中和目标具有重要作用，是天然的碳汇，全球森林生态系统固碳能力约为全球人为CO2排放的37.8%[15]。研究[16]表明，亚洲陆地生态系统碳储量的增加主要归因于大量的植树造林和重新造林，特别是在中国政府主导实施的植树造林和重新造林，林木增长对陆地碳汇增加的贡献达25%～75%，是陆地碳汇形成的主要原因之一。

发挥生态自然修复能力也是加快水土流失防治步伐的一项有效措施。目前以封禁为代表的自然修复方案在黄土高原等生态脆弱区得到广泛应用，不同生态系统(森林、草地、典型草原、荒漠草原)等经过11年的自然封禁恢复碳储量平均增幅为86.08%～97.32%[17]。中国封山禁牧面积已达52万km2，全国封山育林面积也超过12万km2，封禁已然成为碳汇新的增长点。

2.3 水土保持农业措施的碳减排效果

农业生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，全球农业生态系统是一个巨大的碳库，其碳存量达170 Pg，占全球陆地碳存量的10%以上，但同时，农业农村温室气体排放仍是主要碳源，农业生产所产生的碳排放量占我国碳排放总量的17%[18]。耕地的质量是农业碳汇的重要保障，水土保持农业措施以改善农业基础条件为切入点，在提升耕地质量、稳定粮食增长等方面发挥着重要作用。

留茬耕作、秸秆还田和等高耕作是主要的水土保持农业措施。留茬耕作是减少土壤侵蚀的重要措施，在我国北方得到广泛推广，留茬耕作可以明显改善表层土壤结构，增强土壤入渗能力，同时为土壤有机碳的积累提供前提条件。秸秆还田也是培肥地力、提高单产的重要措施，同时秸秆直接还田还能增加土壤有机质积累，改善耕地质量。我国农村存在大量秸秆资源，然而农村约有1/3秸秆被直接燃烧，秸秆直接燃烧，其燃用热效率仅为平均10%，即使采用高效节柴灶，其发热效率也仅为15%～20%，比沼气热效率低30%～45%。数亿吨秸秆直接燃用无异于是一种极大的浪费，秸秆还田的推广潜力巨大。一项研究表明中国秸秆还田比例若从15%提高到80%，农田碳储量将增加175 Tg/a[19]，对碳中和贡献非常大。等高耕作也是一项控制耕地土壤侵蚀的重要措施，在北方坡耕地得到广泛应用。研究表明，等高耕作可以防止坡地水土流失和有机碳损失，减少坡面径流，使坡耕地的土壤有机碳最大可能的保留，增加土壤碳汇。因此，水土保持农业措施的实施在保持水土、提高耕地质量的同时，也有利于碳中和目标的实现。

2.4 生态清洁小流域建设的碳减排效果

2003年以来，在传统小流域水土流失综合治理的基础上，我国结合水污染防治、绿色低碳循环发展和农村人居环境整治以及山水林田湖草一体化生态建设理念等进行了生态清洁小流域的建设。目前生态清洁小流域在全国等地得到广泛推广，通过农业、工程、植物等措施相结合，不仅使流域内水土资源得到有效保护，生态系统良性循环，而且有效提升小流域内植被面积，从而抵消大气中的温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”，实现碳中和。

北京在全国率先开展建设生态清洁流域的建设探索。截至2019年底，北京市1 085条小流域中，已实施生态清洁小流域建设工程的小流域达到439条，其中山区423条。生态清洁小流域建设的大量水保林、经济林等对固定碳源，释放大量O2起到了极其重要的作用[20]。云南省与北京等地在全国率先开展生态清洁小流域建设，2006年来，云南省共实施生态清洁小流域建设16条，共治理水土流失面积87.37 km2。据统计碳固存量随着植被的恢复将由中强度石漠化土地的 38.05 t/hm2增加到无石漠化林地生态系统的350.65 t/hm2，生态恢复后(人工林)的碳贮量是恢复前(坡耕地)碳密度的2～3倍[21-22]。生态清洁小流域的建设不仅是山水林田湖草综合治理的典范，也与实现碳中和目标基本一致。

3 关于水土保持实现碳中和的若干对策

3.1 实行水土保持生态修复与治理碳增汇指标考核体系

水土保持措施应有科学的碳汇衡量标准，以便准确反映水土流失治理对碳中和的贡献。可借鉴国内外有关研究成果，加强科技支撑，增强水土保持生态修复碳监测评估能力，构建面向碳中和的生态修复核心理论体系，加强退化土地修复等关键技术攻关，形成成熟的、配套的水土保持和生态修复建设的技术体系和标准。同时，建设天空地协同一体化数据监测体系，完善数据和信息共享机制，建立水土保持生态修复长期动态监测体系，将碳减排作为评估水土保持生态修复效果的重要考核指标，科学评估水土保持生态修复对碳达峰、碳中和的贡献。评价结果可根据优良程度设定等级，为国家财政支持各地开展水土保持生态修复资金补助和实行生态占补平衡提供科学依据。

3.2 推动重大生态修复治理工程建设

自20世纪70年代末以来，中国在全国范围内启动了6个国家重点生态恢复项目，以保护环境和恢复退化的生态系统。这些项目共覆盖中国44.8%的森林和23.2%的中国草地[23]，一项评估[24]表明在21世纪的第一个10年，所有项目区域的生态系统碳密度都大幅增加，项目区累计碳汇增加了770.4 Tg，平均每年碳汇增加达74.0 Tg(表1)。

表1 主要国家生态修复项目区域的10年和年度生态系统和项目引起的碳汇[24]Tab.1 Decadal ecosystem C sinks, annual ecosystem C sink and project-induced C sink in major nationalecological restoration projects areas

值得注意的是，除了保护中国大部分天然成熟森林的天然林项目外，项目区域的大多数森林都很年轻，并显示出对未来碳固存的巨大潜力；因此，预计与这些项目相关的森林可能会在未来导致大量的碳积累。以前的研究指出，关于森林保护引起的总碳汇，大部分是由新种植、木材减少政策引起的生物量碳保持和土壤侵蚀控制引起的土壤碳保持[24-25]；但是一些研究表明成熟森林中大量碳的储存也将有助于全球碳平衡，中国的老龄林在土壤碳积累中起着重要作用[26]。

3.3 加强生态系统管理，提高生态碳汇

加强森林经营，提高森林质量，提升生态系统固碳能力，对于降低大气温室气体浓度，提高森林碳汇，减缓气候变暖具有十分重要的作用[27]。目前我国森林面积达2.2亿hm2，是每年造林面积最大的国家，人工造林和再造林促进森林再生已成为一种人为控制下的土壤碳增汇途径，但是我国森林的抚育质量同发达国家相比还存在很大空间。从这个角度来看，“绿碳”对碳中和的贡献潜力是亟待挖掘的。优化树种选择、轮伐期选择、灌溉施肥方案、森林杂草管理、控制性火烧等经营管理措施，是提高生态系统的植被和土壤固碳量的有效途径[28]。目前，我国林业建设已经全面进入以生态建设为主的新阶段，培育健康稳定、优质高效的森林生态系统不仅仅是满足新时代生态文明建设总体要求的目标，更是增加森林碳汇，实现双碳目标的重要举措。

3.4 继续推进生态清洁小流域治理

小流域综合治理是被实践反复证明为非常成功、有效的一条技术路线，应坚持不懈地抓紧抓好。在生态清洁小流域建设工作中，农村清洁能源的固碳减排作用不可忽视，秸秆新能源利用、沼气池的建设和使用以及低碳排放污水处理技术能够促进实现碳中和目标。

沼气池的建设不仅可以减少农民对薪柴的消费投入，减缓能源紧张问题，同时对减排CO2起到巨大的作用。在农村地区推广使用沼气有效减少温室气体CO2和污染气体SO2的排放[29]。单个户用沼气池在建设阶段将产生0.645 t的碳排放，但是结合使用阶段的碳减排效应，其寿命内将净产生34.77 t碳减排当量，平均每年实现3.48 t碳减排当量，其中能源替代效应是主要减排原因。从全国层面来看，户用沼气池每年将产生1.32亿t的碳减排当量，约占农村生活用能碳排放的15%，减排效果颇为显著[30]。

我国有250多万个自然村，5亿多农村人口，污水排放量巨大。传统污水处理技术生物接触氧化法、好氧生物滤池等，虽然可以净化污水、保护生态环境，但是污水中的有机碳最终被直接氧化为CO2，造成了能量的损失。厌氧污水处理技术不仅可以净化水源、将废弃污水加以利用，而且可以将有机质含量高的污水加入沼气池，形成可控利用的沼气，通过可持续方式提高能量的利用效率，也就相当于减少了CO2排放量。研究表明，厌氧污水处理技术实施能量(CH4)回收后，可以减少50%的CO2间接排放量[31]，因此，对污水中潜在的有机能源进行回收与利用有着重要的现实意义，对碳中和目标的实现有着举足轻重的作用。

3.5 水土保持农业措施是增加碳汇的重要潜力

Tang等[32]研究指出农业活动在陆地生态系统碳库中贡献了12%的固碳量。在IPCC全球气候变化的研究中认为在整个陆地系统中，耕地是一个很重要的部分，能很好地缓解碳的排放。部分研究表明，全球农业土壤在未来25年内平均固碳速率可达到(0.9±0.3)Pg/a[33]，要想在2060年之前实现碳中和，农业与土地利用部门的减排任务十分艰巨，预期减排幅度须略微超过100%，达到负排放。我国土壤平均有机碳质量浓度为10.53 kg/m2，不及欧洲同类土壤的一半，但这也体现出了我国农业土壤固碳的潜力。秸秆还田、留茬耕作等水土保持农业措施可以改善土壤健康，提升耕地质量，保障水土资源可持续利用，大幅提高农业生态系统的碳吸存能力。

4 结语

总体来看，经过多年的努力，我国水土流失防治工作取得了显著成绩，目前水土保持措施面积为99.16万km2，土壤有机碳的横向输移量减少41%，水土保持效益十分显著[34]；但是由于特殊的自然地理条件，加之开发建设强度加大，我国的水土流失仍然十分严重，全国水土流失总面积达217.08万km2。目前受各种自然因素(气候、资源)、人为因素、经济条件等因素的限制，我国水土流失治理所面临的困难还非常大。突出表现为：1)水土保持生态修复系统理论亟待突破；2)水土保持关键技术材料装备技术亟待创新；3)水土保持碳汇监测标准和规范亟待完善。水土保持不仅关系当前社会经济发展，也是我国提高碳汇和碳储量的一个重要途径。因此，克服困难并有力推动我国水土保持工作的开展，使我国生态系统固碳能力明显增加，使生态环境走上良性循环的轨道，并为实现碳中和目标有所贡献，仍将是一件十分艰巨的任务，也是我们必然要面对的一项艰巨挑战。