基于坡度视角的黄土高原退耕还林(草)工程碳汇效应分析

姚 楠，刘广全，姚顺波*，贾 磊，林 颖，邓元杰，侯孟阳

(1.西北农林科技大学经济管理学院，陕西 杨凌 712100;2.中国水利水电科学研究院,北京 100048;3.西安交通大学经济与金融学院，陕西 西安 710061)

气候变化是全球面临的重大问题之一[1-2]，越来越多的国家和地区加入碳减排阵营，用实际行动减排增汇已成为普遍共识。陆地生态系统是全球碳循环的重要组成部分[3]，土地利用变化是造成陆地生态系统碳储量变化的重要因素之一，致使陆地生态系统原始的土地植被格局、生态系统结构发生改变[4]。坡耕地退耕还林(草)为代表的生态工程是中国过去20年土地利用变化的主要驱动力。准确评估不同土地利用类型碳汇的大小、分布格局，并分析不同坡度退耕地的碳汇效应，对合理评价陆地生态系统在全球碳循环中所起的作用具有重要意义[5]。

退耕还林(草)工程本质上是对土地利用方式的一种调整[6-7]，2000—2015年黄土高原地区耕地转林、草地面积达到2.08×105km2，植被覆盖度从31.6%增长至56.4%，这对增加陆地生态系统碳储量意义重大[8]。随着国家经济的高质量发展，退耕还林工作已进入新阶段，客观、全面地评估退耕还林(草)工程带来的土地利用变化及其碳汇效应,能够为新形势下退耕还林(草)工程的高效实施提供依据和指导[9-10]。周涛等[11]通过对多期LUCC数据分析，利用ArcGIS平台和生态系统服务价值评估方法估算出工程实施前后陕西省的生态系统服务功能价值，得出退耕还林(草)工程的实施增加了陕西省生态系统服务价值。Deng等[12]研究分析发现，退耕还林(草)工程通过调整土地利用方式能够明显增加土壤碳储量。姚平等[13]收集西南地区2011年以前退耕还林工程造林树种、造林面积的相关数据，通过建立模型预测出该地区主要林分50年的碳汇潜力，结果表明退耕还林(草)工程对该地区森林碳汇功能产生明显影响。现有研究从不同角度论证了实施退耕还林工程的生态效益，可提高植被覆盖率、增加退耕地的固碳量，这为提高森林固碳效应、实现区域碳中和提供了科学依据[14]。

黄土高原是退耕还林(草)工程生态效益监测的重点地区,且该地区退耕还林碳汇效益的评估在国内非常有代表性[15]。对该地区退耕还林工程现有的研究主要集中在土地利用变化[16]、植被覆盖率变化[17]及部分生态效益核算等方面[18]，而从坡度视角评估退耕还林(草)工程产生的碳汇效应的研究则较少。坡度不仅是退耕还林(草)实施区域选择的重要标准，而且对土地利用方式起着主导作用，是评估退耕还林(草)工程实施生态效益的重要影响因素[19]。范叶青等[20]通过分析地形条件对毛竹林分结构和植被碳储量的影响得出坡度对植被碳储量有显著影响；徐少君等[21]发现缙云山自然保护区植被碳储量随海拔增高或坡度增大而增势明显，坡度通过影响物质和能量的分配，进而调控植被的空间分布和碳储量。以往退耕还林(草)工程把坡度15°、25°作为退耕的重要标准且旨在控制水土流失，而现行的政策目标要求充分发挥林、草业碳汇价值，退耕政策如果按照原来的坡度执行退耕，能否最大化实现林、草业碳汇目标。此外，林、草地的生长环境不一样，对碳汇的贡献程度不同，不同坡度退耕还林还草的固碳能力存在何种差异，退耕还林政策在实施过程中是否存在瞄准偏误等是当前研究热点。本研究基于GIS技术，分析了黄土高原近20年固碳量的时空变化及不同坡度耕地转林(草)地的碳汇差异，根据不同坡度碳储量的变化优化新一轮退耕还林工程，为实现国家双碳目标，充分发挥林、草业碳汇价值提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄土高原位于100°52′～114°33′E、33°41′～41°16′N，总面积 64.6万km2。气候属大陆性季风气候，多年平均温度9～12 ℃，多年平均降水量从西北到东南为100～800 mm，降水集中在6—9月，且以暴雨为主。植被由东南向西北可划分为森林带、森林草原带、典型草原带、荒漠草原和草原化荒漠带。黄土高原地势西北高、东南低，地貌形态复杂，陡坡沟较多，土地利用类型多样，主要以耕地、林地和草地为主。黄土高原水土流失问题严重，生态环境脆弱，加之水蚀、风蚀等相互作用，地表被切割成千沟万壑，各坡度植被类型存在差异，即坡度是影响土地利用类型的重要因素，从坡度视角分析退耕还林(草)的碳汇效益，能更高效地提升退耕还林(草)的碳汇效益。

1.2 数据来源

1.3 固碳测算

陆地生态系统固碳是指陆地生态系统中的绿色植被通过光合作用吸收空气中的CO2，生成葡萄糖等有机物质并释放出O2的过程[23-24]。通常以遥感估算得到的陆地生态系统植被净初级生产力数据(NPP)为基础，再根据绿色植被光合作用化学方程式对植被的固碳量进行估算。绿色植被进行光合作用的化学方程式为：

6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2。

由上式可知，植被每生产1.00 kg的干物质能固定1.63 kg的CO2，干物质中碳的含量约占总NPP的45%，所以植被能固定的CO2计算公式为[23]：

WCO2=C(NPP)/0.45×1.63。

式中：WCO2表示绿色植被每年单位面积固定的CO2的量，g/m2；C(NPP)为NPP含量，g/m2。

1.4 GIS空间分析

以黄土高原地区2000年和2015年两期土地利用类型图为基础，运用ArcGIS10.7软件中空间统计工具箱的面积制表工具，计算得出黄土高原地区2000—2015年的土地利用转移矩阵，将土地利用类型转入转出面积导入Excel表格，对数据进行可视化分析。利用ArcToolbox工具“坡度”对黄土高原DEM 数据进行栅格处理，采用重分类方法生成坡度分级图。将2000—2015年土地利用转移图层与坡度分级图进行栅格处理，导入2000—2015年固碳变化图层使用“区域分析”工具生成该时段内黄土高原不同坡度土地利用转移引起的固碳变化。

2 结果与分析

2.1 黄土高原2000—2020年固碳时空变化

通过研究2000—2020年黄土高原固碳的时空变化，发现近20年研究区固碳量整体呈增长趋势(图1)，退耕还林还草工程实施初期(2000—2005年)固碳增长幅度最大，且空间分布上呈东南向西北减少的格局。此外，研究表明不同土地利用类型单位面积的固碳量大小依次为林地、耕地、草地、建设用地、水域、未利用地。这与尹礼唱等[25]对黄土高原生态系统固碳研究中得到的结果相吻合。退耕还林还草工程对黄土高原土地利用结构产生深远的影响，提高了研究区植被覆盖度，区域内生态系统的固碳能力显著增加。

此病诊断时要注意，一是注意与由寄生虫引起的鳃部感染的区别，寄生虫感染时，显微镜检查会发现大量的寄生虫。二是主注意与鳃霉病引起的烂鳃的区别，鳃霉病显微镜检查可见病原菌丝进入鳃小片组织、血管或软骨里生长。

图1 黄土高原2000—2020年总固碳量变化Fig.1 Carbon sequestration in the Loess Plateau from 2000 to 2020

2.1.1 时间变化

黄土高原2000—2020固碳总量从2000年47 609.73万t增长到2020年的78 846.76万t，近20年共增长了31 237.03万t，年平均增长速率约3.28%。2000—2005年、2006—2010年、2011—2015年、2016—2020年固碳增幅分别为21%、9%、16%、2%。2000—2015年固碳量增加更显著，2016—2020年固碳量增长幅度相对较低。其原因可能是黄土高原退耕还林工程不同阶段实施不同强度导致的，工程实施初期政府对退耕地高投入，退耕地面积大幅度增加，植被覆盖率明显提升，固碳量明显增加；工程实施后期对退耕地处于管护阶段，对黄土高原的生态恢复主要以补贴为主，在保持初期退耕地面积不变的基础上，对坡度<15°的不适宜耕作的少量耕地进行退耕，所以固碳量较前一时段增幅不显著。

2.1.2 空间分布

从黄土高原碳汇分布空间来看(图2)，2000—2020年，黄土高原碳汇分布呈差异化空间格局，表现为研究区内固碳的不同变化趋势。从固碳总量来看，2000—2020年黄土高原固碳总量明显增加，固碳总量整体呈现出东南>西部>中部>北部的南高北低格局；固碳量高值区主要分布在陕西秦岭、安康一带，以及河南焦作和山西长治等地，固碳量低值区分布内蒙古、陕西榆林、延安以及山西吕梁地区。植被碳汇总体上呈由南部向东部逐渐增加的趋势，黄土高原西部和北部广泛分布着荒漠地、土石山、稀疏草地等土地类型，植被稀疏，固碳量低，东南部则分布较多暖温带森林和草原，以及小部分高质量耕地，碳汇量较大。黄土高原实施的退耕还林(草)工程致使该地区植被覆盖率得到大大提升，耕地转林地、草地使得研究区固碳能力显著增强。从固碳量的空间分布上可以看出，固碳量的变化与森林覆盖的面积走向基本一致，呈现出南高北低的现象。

底图审图号：GS(2020)1827号。下同。The same below.图2 2000—2020年黄土高原固碳量空间变化趋势Fig.2 Spatial variation of carbon sequestration in the Loess Plateau from 2000 to 2020

2.1.3 不同土地利用类型固碳的变化

通过分析2000—2015年各土地利用类型固碳总量的变化，得出草地的固碳总量在每个时期均最高，2010年草地的固碳总量占研究区内固碳总量值最大(约35%)，在退耕还林、还草过程中，还草的固碳速率最高。在退耕还林(草)工程实施的大背景下，2000—2015年耕地面积减少了9 375.56 km2,同期单位面积上耕地的固碳量增加了445.28 g/m2。林地面积呈缓慢增加态势，由于林地成林相比耕地、草地面积变化具有一定的滞后性，因此林地面积变化时间相对落后，15年内林地面积增加了4 232.88 km2，固碳量增加了507.21 g/m2。通过分析2000—2015年各土地利用类型固碳量均值变化，得到单位面积内各土地利用类型固碳能力由强到弱为：林地>耕地>草地>建设用地>水域>未利用地(图3)。林地固碳能力最强，草地固碳能力略微弱于耕地。分析不同土地利用类型固碳效益，对新时期深化生态系统修复，巩固生态系统固碳能力，实现区域碳中和具有一定的指导意义。

图3 2000—2015年研究区各土地利用类型固碳变化Fig.3 Changes of carbon sequestration of different land use types in the study area from 2000 to 2015

2.2 坡度视角的退耕地碳汇效应分析

2.2.1 不同坡度耕地转林(草)地现状及变化

黄土高原地貌复杂、沟壑纵横，高原主体有山、原、川三大地貌类型，地形起伏对土地利用方式起着主导作用，坡度可以直接反映地形起伏的强弱。本研究根据黄土高原地形特征，利用ArcGIS10.7的重分类功能，将黄土高原地区分为<8°、<15°、<25°、<35°、≥35°5个坡度等级，。利用栅格计算功能将坡度等级图与黄土高原土地利用转移类型进行叠置处理，加入每个时段内固碳的变化量进行栅格处理，以表格显示分区统计导出属性表，可以得到不同时段内黄土高原土地利用现状，以及不同坡度下土地利用现状变化引起的该地区固碳量的变化(表1)。

表1 不同坡度耕地转林地和草地面积及比率Table 1 Grassland area and ratio of conversion from cultivated land to woodland at different slopes

1)不同坡度退耕地利用现状。黄土高原土地利用类型主要以耕地为主，草地第二，林地面积次之，建设用地、水域和未利用地占总面积不到10%。2000—2015年受退耕还林工程的影响，研究区土地利用变化主要以耕地减少，林、草地增加为主，耕地面积由217 463.38 km2减少至208 087.81 km2，减少了9 375.56 km2，共有2 833.96 km2转为林、草地，林地面积增加4 232.88 km2，增加的面积主要分布在黄土高原中部、东南部。15°、25°坡度是黄土高原3种地类面积变化的分界点。2000—2015年研究区坡度低于15°时，耕地、林地和草地面积占整个研究区面积的82%以上，此时，草地面积>林地面积>耕地面积。当坡度≥15°时，林地面积>草地面积>耕地面积；当坡度>25°时，耕地、林地、草地总面积占研究区总面积的0.83%，3种地类面积呈骤减趋势(图4)。2015年研究区坡度在15°～35°范围内时耕地转林地、草地的比率均在9%以上，可以看出不同坡度耕地中，中坡度耕地的退耕尺度最大。这种变化主要与退耕还林政策和水土流失的治理等有关，这些政策均要求尽可能多的陡坡耕地退耕。

图4 2000—2015年不同坡度耕地、林地、草地变化趋势Fig.4 Trends of cultivated land,forest land and grassland with different slopes from 2000 to 2015

2)不同坡度退耕地变化趋势。2000—2010年黄土高原退耕地面积随着坡度的升高而呈增加态势，坡度在≥15°～35°范围内退耕面积显著增加，退耕地比重达到最大；2010—2015年研究区坡度高≥35°时，退耕地比重最大(表1)。耕地转林地、草地的面积随坡度的不同而变化。在15°范围以下，耕地转林地、草地的面积呈增加态势，2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年退耕地面积增加量占黄土高原总面积分别为0.89%、1.32%、0.06%，2010—2015年相对于前两个时期退耕地面积明显减少，但耕地转林地、草地在同期内占比最大。分析3个时段内的土地利用数据可以看出，退耕地向林、草地转化主要发生在≥25°～35°坡度范围，坡度≥35°时，退耕地向林、草地的转换面积随着坡度的升高而降低。

坡度是执行退耕的首要标准，即 25°以上的坡耕地必须退耕。在陕北黄土高原丘陵沟壑区，坡度大于25°的耕地、水土流失严重的陡坡耕地及严重沙化的耕地均被纳入退耕规划，但是在实际的执行过程当中，对退耕地坡度的控制并不严格，由于退耕补助高于坡耕地机会成本，农户倾向于将坡度小于15°的耕地退耕，种植枣树、梨树、杏树等经济林，许多贫瘠的耕地和田间道路也因此被转化为侧柏、油松林地。政策在实施过程中退耕瞄准存在偏差，如≥8°～15°坡度范围内，耕地转林、草地面积比例相对较高(表1)。本研究数据表明黄土高原地区坡度小于15°时，退耕还林还草的碳汇贡献率分别是48%、52%，且耕地转为林、草地单位面积的固碳量在坡度为8°～15°时最大(约1 448.59 g/m2)，其次是坡度为15°～25°时固碳量约1 379.95 g/m2。由政策瞄准偏误引起的坡度为8°～15°时退耕地的固碳量最多，因此新一轮的退耕政策在瞄准林、草业碳汇目标方面有较大的改进空间。

2000—2015年，黄土高原耕地转为林、草地的单位面积碳储量表现为坡度8°～15°(1 448.59 g/m2)>坡度15°～25°(1 379.95 g/m2)>坡度25°～35°(1 119.16 g/m2)>坡度0°～8°(934.40 g/m2)>坡度35°(712.34 g/m2)，均值对比分析结果表明，坡度对退耕地的植被碳储量具有显著影响。这与范叶青等[20]、徐少君等[21]关于坡度对植被碳储量的影响研究结果一致。此外，研究发现退耕还林政策在实际执行过程中存在瞄准偏误，当农户退耕的机会成本小于补贴收益时，农户会把坡度不足15°的耕地退耕[26-27]。

从空间上来看(图5)，黄土高原退耕地的增加部分主要分布在中部、南部及北部边界，且主要集中在坡度为15°～35°地区，随着坡度的升高退耕地比重逐渐增大。2000—2005年黄土高原区域耕地转林地、草地主要分布在高原南部和中部地区；2005—2010年黄土高原耕地转林地、草地面积相对前一时期增加，主要增加在陕北地区；2010—2015年较前两个时期，耕地转林地、草地面积增幅明显减少，零星分布在北部和南部。

图5 2000—2015年研究区不同坡度耕地转林、草地空间分布Fig.5 Spatial distribution of cultivated land conversion to forest and grassland with different slopes in the study area from 2000 to 2015

2.2.2 不同坡度耕地转林(草)地碳汇效应分析

2000—2015年黄土高原地区耕地转林(草)地整体呈增长趋势，植被覆盖率增加，耕地转林(草)地的碳汇量随之增加。土地利用类型和坡度是衡量退耕地固碳量大小的重要因素，耕地转林(草)地的固碳变化量随着坡度的升高呈现先增后减的变化趋势(图6)。15年内，耕地转林(草)地在低坡度区域内固碳增量相差不多，低坡度区域退耕地数量相对稳定，所以低坡度耕地转林(草)地的固碳变化量相对稳定，单位面积固碳量保持在1 024 g/m2；耕地转林地在坡度为15°～25°范围内固碳变化量最大，约716.93 g/m2。从图6可以看出2000—2015年研究区坡度为15°～25°范围内耕地转林(草)地的固碳增量最多，占总变化量的25%，其次是坡度为25°以上，退耕地的固碳量为1 831 g/m2，这与退耕还林(草)工程实施的重点一致，退耕还林(草)工程第1轮是对坡度>25°以上耕地进行退耕，2013年开始实施第2轮退耕时对坡度>15°的坡耕地退耕。已有学者从不同方面证明黄土高原25°以上区域内土壤保持量减少最明显，水源涵养量明显低于低坡度区域等，所以对研究区中、高坡度地段进行退耕，陡坡地退耕最大化地实现生态效益，提高退耕还林(草)的固碳效益。15年来，坡度不足15°的退耕地的碳汇量约2 383 g/m2，占退耕地碳汇变化量的43%。整体来看，坡度低于15°的这部分退耕地，在一定程度上为实现国家双碳目标作出了贡献，充分发挥了林、草业碳汇价值。综上，黄土高原地区实施的退耕还林(草)工程对林地、草地碳汇的增加产生了显著影响。

图6 2000—2015年不同坡度耕地转林(草)地固碳变化Fig.6 Changes of carbon sequestration from cultivated land to forest (grassland) land at different slopes from 2000 to 2015

根据2000—2015年不同坡度退耕地的固碳变化情况(图6)，不同坡度退耕地的碳汇效应存在明显差异。2000—2005年不同坡度的还林(草)固碳量均达到最大，2005—2015年退耕地固碳量明显减缓。这与退耕还林(草)工程实施的时间段相一致，工程2006年完成，2006—2010年是林草生长、固碳效益明显提高时期。同时也可以看到，退耕地在2010年之后保持了较好的固碳效应，固碳量稳中有小幅上涨，生态效果没有因为补贴的到期受到破坏。从空间分布上来看，耕地转林(草)地引起固碳变化在空间格局上存在明显的差异(图7)，变化范围主要由南部向中部、北部移动。整体来看，固碳变化量低的区域主要分布在黄土高原北部和东部边界地带，其中内蒙古地带固碳变化量为负，变化量高值区分布在南部和中部。

3 结 论

1)黄土高原2000—2020年固碳量呈分阶段波动增加趋势，20年内固碳量增长了31 237.03万t，年平均增长速率约为3.28%。碳汇空间分布呈差异化空间格局，固碳变化同森林覆盖面走势基本一致，呈南高北低的空间格局。

2)受退耕还林工程影响，黄土高原土地利用结构发生显著变化。2000—2015年内共有2 833.94 km2耕地转为林、草地，研究区内林、草地覆盖率逐年提高，2000—2010年覆盖率提高了0.61%，2010年林草覆盖率保持在56%以上。受城市化的影响，10 156.25 km2土地转为建设用地，水域和未利用地变化不明显。不同土地利用类型单位面积上固碳能力由强到弱依次为：林地>耕地>草地>建设用地>水域>未利用地。

3)2000—2015年黄土高原不同坡度耕地转林(草)的碳汇效应存在明显差异，固碳量整体呈倒“U”形变化趋势。15年内耕地转林地固碳变化量在坡度为≥15°～25°范围内最大，其次是坡度≥35°、≥25°～35°、≥8°～15°、<8°；耕地转草地固碳变化量在坡度为≥8°～15°范围内最大。这与退耕还林(草)工程实施的重点一致，即退耕还林(草)工程第1轮是对坡度>25°以上耕地进行退耕，2013年开始实施第2轮退耕，对坡度>15°的坡耕地退耕。