黄土丘陵沟壑区治沟造地工程碳效应分析

雷 娜 ，穆兴民

（1．西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2．陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；3．西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；4．中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

人类不同的土地利用方式是影响陆地系统碳循环过程，引起区域碳源/汇变化的主要因素。土地整治是人们利用工程、生物措施改良土地资源及其土地利用方式的主要措施[1]。我国经济的发展需要大量的建设用地，合理的土地整治工程在一定程度上能缓解用地矛盾。因此，国土资源部每年会批准一批重大土地整治工程，治沟造地就是其中之一。工程实施会对区域乃至全国的土地利用格局产生影响，打破原有生态平衡，影响土壤碳库[2]，另外开展土地整治工程可以调整土地利用结构、优化景观格局，对于降低碳排放、减缓温室效应具有重要意义[3-4]。

政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估报告指出,影响全球气候变暖的两大碳源分别是化石燃料的大量使用和土地利用方式的变化[5]。Houghton等[6]认为土地利用变化在陆地与大气系统碳循环中起着重要作用，主要表现为碳源。Levy等[7]提出土地利用变化、区域景观格局以及水域的变化是影响区域碳排放的主要因素。Lal[8]认为土地利用变化既可能成为碳源，也可能成为碳汇。土壤作为陆地最大的碳库，微小波动都会引起温室气体浓度的剧烈变化，以致影响全球气候[9]。魏凤娟等[10]指出，施工中大型机械的运作以及施工所需水泥、混凝土等产品的生产、使用均会产生大量温室气体。王长波等[11]计算了中国农村能源消费的碳排放，包括土地整治工程引起的碳排放。郭义强等[12]核算出柏乡县土地整理后碳储量增加了278.81 t，表现为碳汇效应。郭晓辉等[13]核算出巨鹿县土地整理后碳储量减少了4 160.3 t，表现为碳源效应。王慧敏等[14]运用模型模拟了海东市土地利用低碳优化空间格局。王少鹏等[15]指出现阶段中国工业化和城市化建设都需要大量的碳排放空间。学者们大多以省域、市域、县域土地利用为研究对象，分析不同区域土地利用类型的土壤碳储量，测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议。

现阶段土地碳排放的研究主要侧重于不同土地利用类型引起的碳排放变化以及通过土地规划等技术手段实现土地利用低碳化，土地整治碳排放研究还处于探索阶段，治沟造地工程的碳效应研究更为鲜见。本文以地处黄土丘陵沟壑区的延安市宝塔区南泥湾镇治沟造地工程为研究内容，运用碳排放测算方法以及中国地质调查局编制的《多目标区域地球化学调查规范》中的采样方法实地采样，分析治沟造地工程碳效应，为发展低碳型土地整理提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

项目区选址在距离延安市48 km的南泥湾镇，其区域属于典型的沟道地貌，共涉及6个沟道，其中，仅阳湾沟、九龙泉沟两条沟道长度达到21 km，河道海拔自西向东由1190 m降至1095 m，平均比降0.95%，河谷宽一般在250～500 m之间。气候属于温带季风气候区，冬季寒冷干燥，降水较少；夏季炎热多雨，降雨集中。项目区水土流失、滑坡等自然灾害严重，同时存在部分水田盐碱严重、田坎占地多等问题。治沟造地对于在该区域增加耕地面积、保障粮食安全、保护生态环境、促进社会主义新农村建设具有积极意义。其中，延安市南泥湾镇治沟造地项目为全国治沟造地的典型项目，项目建设期为2012年3月至2014年12月，项目区面积为651.79 hm2，建设期间实施了土地平整工程（总土方量352.49万m3）、灌溉与排水工程（灌溉渠道30.44 km、排洪渠34.40 km、截水沟4.94 km）、田间道路工程（田间道3.29 km、生产路14.27 km）以及农田防护和生态保护工程（油松9056株、侧柏10 757株、柳树8336株）。

1.2 数据来源

研究利用的项目区治沟造地工程实施前后土地利用变化数据主要来源于《延安市宝塔区南泥湾镇等土地整治项目设计报告书》《延安市宝塔区南泥湾镇等土地整治项目补充设计报告》；土地整理施工工程量和能源消费数据等来源于《延安市宝塔区南泥湾镇等土地整理项目预算书》；能源使用量计算的相关参数来源于《中国能源统计年鉴》《2006年IPCC国家温室气体清单指南》《土地开发整理项目预算定额》、《土地开发整理项目施工机械台班费用定额》。

1.3 样品的采集与测定

土壤样品的采集参照《多目标区域地球化学调查规范》中样品采集方法，采样时间为2017年4月，在不同土地利用类型中，按4 hm2布点，用土钻取3个点0～20 cm的土壤均匀混合作为混合样品；面积不足4 hm2，采集1个混合样品；同时在每个大格内用100 cm3环刀取样，测定土壤容重。全碳均采用TOC/TN分析仪测定；容重采用环刀法测定。

1.4 治沟造地施工碳排放计算

治沟造地施工碳排放包括推土机、铲车、挖掘机等现代化机械设备的使用以及工程所需的钢筋、水泥、混凝土等材料的生产排放的温室气体。《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中汽油、柴油的建议排放系数为 2.26 kg·L-1和 2.73 kg·L-1，运用汽油和柴油的平均密度换算单位质量燃料的碳排放量，得到汽油、柴油的二氧化碳排放系数分别为3.12 kg·kg-1和3.21 kg·kg-1，进而得到汽油、柴油的碳排放系数分别为 0.85 kg·kg-1和 0.88 kg·kg-1，治沟造地工程碳排放量计算公式如下：

式中：EC表示治沟造地工程碳排放量，kg；α、β分别表示汽油、柴油的碳排放系数，kg·kg-1；Q1、Q2分别表示施工中汽油、柴油的使用量，kg。

根据公式1，综合延安市治沟造地项目的投资情况，把单位投资额碳排放量（式2）、单位投资比例的碳排放比率（式3）引入评价指标体系，多方面评价施工过程中的碳排放情况。

式中：YC为单位投资额碳排放量，kg·万元-1；YR为单位投资比例的碳排放比率；Di为不同类型整理工程的碳排放量，t；Yi为不同整理工程的投资额，万元。

1.5 工程实施后土地利用变化的碳储量计算[16]

式中：TC为区域土壤碳储量，t；TCi为用TOC分析仪测定的所取样品的土壤全碳的值，g·kg-1；h为采样深度，0.2 m；S 为单位土壤面积，hm2；104为单位土壤面积换算系数；ρ为土壤容重，g·cm-3。

2 结果与分析

2.1 治沟造地施工碳排放

运用《土地开发整理项目预算定额》《土地开发整理项目施工机械台班费用定额》计算出柴油、汽油的使用量，结合1.4中所述的计算方法，计算得到延安市治沟造地工程施工的碳排放量（表1）。

由表1可知治沟造地项目施工中，柴油的碳排放量是汽油的115.56倍，主要是因为治沟造地中土地平整工程量大，需要用到大型机械设备多，柴油耗用量大；对柴油碳排放量贡献最大的是土地平整工程，其柴油碳排放量为2 335.50 t，占柴油总排放量的94.62%，贡献最小的是农田防护与生态环境保护工程，不产生碳排放；汽油碳排放量来自灌溉与排水工程和田间道路工程，分别为14.74 t和6.22 t，主要是灌溉与排水工程中载重汽车和起重机的使用以及田间道路建设中洒水车的使用。

各类工程投资总额的排序为土地平整工程＞灌溉与排水工程＞田间道路工程＞其他工程＞农田防护工程；各类工程碳排放、单位投资碳排放、单位投资比例的排序均为土地平整工程＞田间道路工程＞其他工程＞灌溉与排水工程＞农田防护工程（表1），单位投资碳排放、单位投资比例具有高度相关性，但与投资总额排序不一致，主要是因为灌溉与排水工程施工过程中多使用插入式振捣器、起重机等电力设备以及风水（砂）枪等清洁能源设备，汽油、柴油使用量相对较少。灌溉与排水工程投资后的生态效应优于其他产生碳排放的工程。

2.2 土地利用类型变化对碳储量的影响

根据1.3中所述的样品采集与测定方法，测定延安市治沟造地工程实施后发生变化的土地利用类型的土壤全碳及土壤容重，运用SPSS 19.0软件进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设施用地中的坑塘水面，均值为35.21 g·kg－1；最小的是交通运输用地，为18.47 g·kg－1。土地利用类型变化后，耕地面积增加，其中水田增加最多，为6.58 hm2，治沟造地工程根据项目区因地制宜，将坑塘水面以及一部分沟渠和农田道路改为水田；水域及水利设施用地中沟渠面积减少最多，为5.33 hm2，主要是因为治沟造地工程中实施灌排一体渠技术，节约用地面积。

表1 项目区治沟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 项目区施工前后不同土地利用类型土壤全碳及容重（均值±标准差）Table2 Total carbon and density of different land use types before and after construction in project area（mean±standard deviation）

2.3 治沟造地碳效应测算

治沟造地工程施工产生的碳排放表现为碳源效应；土地利用变化导致的储量变化中一类是碳低密度转高密度（农田道路、沟渠转化为耕地），表现为碳汇效应，另一类是碳高密度转化为碳低密度（园地、坑塘转化为耕地），表现为碳源效应；土地利用保持不变的地类对碳效应不产生影响（林地、其他土地），不计入碳效应测算中，由此构建了治沟造地项目碳效应的测算表（表3），明确治沟造地中的碳源/汇作用。

项目区治沟造地施工后单位面积的碳排放量为3.76 t·hm－2，土地利用变化后单位面积碳储量为95.34 t·hm－2，治沟造地总体碳汇量为 91.58 t·hm－2，有利于减缓区域温室效应。单位投资的碳排放量为3 564.46 kg·万元－1，单位投资的碳储量为 90 488.23 kg·万元－1，单位投资的碳储量为86 923.77 kg·万元－1，表明治沟造地工程投资契合我国集约型经济发展方式，不仅对区域经济增长有重要作用，也有利于环境保护和生态建设。

整理年限是影响土壤碳储量的重要因素之一，随着整理年限的增加，农作物种植季数增加，土壤生物量大量积累，土壤肥力与耕层结构改善，土壤熟化，碳含量稳定。同时通过良性循环形成区域农田小气候以及稳定的生态系统，发挥涵养水源、保育土壤、固碳供养、净化空气、增加生物多样性、田间游憩等生态服务功能。项目区整理工程完成近3年，土壤已基本熟化，在土地平整完成后及时保证灌溉与排水，保土保肥，同时通过林网建设提高林网覆盖率和水土保持能力，防止水土流失和土地沙漠化，改善区域内田间小气候，建立生态系统，从而改善农田生态环境，使土壤碳储量趋于稳定，实现经济、生态协同发展。

表3 项目区治沟造地碳效应测算Table3 The calculation of carbon effect in project area

3 讨论

3.1 施工对碳排放的影响分析

从碳排放的作用机制上看，施工碳排放主要包括直接碳排放和间接碳排放。文章主要考虑包括土地平整工程、灌溉与排水工程、田间道路工程等施工中由于能源消耗而导致的直接碳排放，但间接碳排放，如混凝土预制板、钢材、水泥、PVC管等制备和运输过程等也会影响碳收支的变化[17-18]，考虑治沟造地工程施工周期内的间接碳排放量，建立包括直接碳排放和间接碳排放在内的土地整理工程碳排放计算方法体系，更加真实反映土地整理项目碳排放情况[19]，限于资料和数据原因，暂未将间接碳排放量计入其中；治沟造地工程实施后，地形局部平坦，田块平整，生产路和田间路形成路网体系，适合机械化耕作，机械化耕作过程产生的碳排放会影响碳收支，因此有学者认为在土地平整工程、田间道路工程等其他工程的施工中，应该提高动力机械的使用效率，保证专业的维修和保养，防止操作员不够专业、机具不配套，损坏、浪费、油耗高的现象发生[20-21]，逐步实现农业机械的“低碳化”[22]，保障治沟造地工程绿色环保。

3.2 土地利用类型变化对土壤碳储量的影响分析

耕地向建设用地转化是土地利用变化碳排放的一个主要过程，将对土壤碳库造成长期的影响。耕地转化为建设用地伴随着地表植被的清除，经过土地的翻动和回填后，以不透水地面和绿化用地代替原本的用地类型，这些覆被类型吸纳碳的能力减弱，将对土壤有机碳含量产生直接的影响[23]。姜群鸥等[24]指出耕地与建设用地之间的转移是减少植被碳储量的主要原因。建设用地面积增加将导致强烈的碳排放[25]。项目区土地利用类型变化方式是建设用地转化为耕地，使碳低密度转向高密度，有利于土壤碳储量的积累。叶延琼等[26]对广东省1996—2012年农业用地碳汇进行计算，得到园地固碳量是耕地的140.33倍。固碳是湿地生态系统参与陆地生态系统碳循环的重要服务功能[28]，湿地储存的碳占陆地土壤碳库的18%～30%[27]，是全球最大的碳库之一。项目区将园地、坑塘水面等土地利用类型变为耕地，由碳高密度转向低密度，减少了区域碳储量，这是考虑到项目区整体规划以及项目补充耕地的性质，但最终与增加的碳储量抵消后还是有所增加。

4 结论

（1）项目区治沟造地工程施工表现为碳源效应。治沟造地项目施工过程中应该提倡使用清洁能源以及采取各种措施提高机械动力的使用效率，减少碳排放，保障治沟造地工程绿色环保。

（2）项目区治沟造地工程实施后土地利用类型变化使碳储量增加，表现为碳汇效应。治沟造地项目实施前应注重规划土地利用方式，在保证耕地面积的基础上增加有利于土壤固碳的土地利用类型。

（3）项目区治沟造地工程总体上表现为碳汇效应。该示范工程是国家开展治沟造地工程实现“生态与经济协同发展”预期目标的成功案例，为黄土丘陵沟壑区治沟造地工程可持续发展提供参考和借鉴。

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