黃土丘陵溝壑區治溝造地工程碳效應分析

雷 娜 ，穆興民

（1．西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2．陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安 710075；3．西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；4．中國科學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碳循環過程，引起區域碳源/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]。我國經濟的發展需要大量的建設用地，合理的土地整治工程在一定程度上能緩解用地矛盾。因此，國土資源部每年會批準一批重大土地整治工程，治溝造地就是其中之一。工程實施會對區域乃至全國的土地利用格局產生影響，打破原有生態平衡，影響土壤碳庫[2]，另外開展土地整治工程可以調整土地利用結構、優化景觀格局，對于降低碳排放、減緩溫室效應具有重要意義[3-4]。

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）評估報告指出,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]認為土地利用變化在陸地與大氣系統碳循環中起著重要作用，主要表現為碳源。Levy等[7]提出土地利用變化、區域景觀格局以及水域的變化是影響區域碳排放的主要因素。Lal[8]認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，微小波動都會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，施工中大型機械的運作以及施工所需水泥、混凝土等產品的生產、使用均會產生大量溫室氣體。王長波等[11]計算了中國農村能源消費的碳排放，包括土地整治工程引起的碳排放。郭義強等[12]核算出柏鄉縣土地整理后碳儲量增加了278.81 t，表現為碳匯效應。郭曉輝等[13]核算出巨鹿縣土地整理后碳儲量減少了4 160.3 t，表現為碳源效應。王慧敏等[14]運用模型模擬了海東市土地利用低碳優化空間格局。王少鵬等[15]指出現階段中國工業化和城市化建設都需要大量的碳排放空間。學者們大多以省域、市域、縣域土地利用為研究對象，分析不同區域土地利用類型的土壤碳儲量，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。

現階段土地碳排放的研究主要側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劃等技術手段實現土地利用低碳化，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研究更為鮮見。本文以地處黃土丘陵溝壑區的延安市寶塔區南泥灣鎮治溝造地工程為研究內容，運用碳排放測算方法以及中國地質調查局編制的《多目標區域地球化學調查規范》中的采樣方法實地采樣，分析治溝造地工程碳效應，為發展低碳型土地整理提供決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

項目區選址在距離延安市48 km的南泥灣鎮，其區域屬于典型的溝道地貌，共涉及6個溝道，其中，僅陽灣溝、九龍泉溝兩條溝道長度達到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。氣候屬于溫帶季風氣候區，冬季寒冷干燥，降水較少；夏季炎熱多雨，降雨集中。項目區水土流失、滑坡等自然災害嚴重，同時存在部分水田鹽堿嚴重、田坎占地多等問題。治溝造地對于在該區域增加耕地面積、保障糧食安全、保護生態環境、促進社會主義新農村建設具有積極意義。其中，延安市南泥灣鎮治溝造地項目為全國治溝造地的典型項目，項目建設期為2012年3月至2014年12月，項目區面積為651.79 hm2，建設期間實施了土地平整工程（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、生產路14.27 km）以及農田防護和生態保護工程（油松9056株、側柏10 757株、柳樹8336株）。

1.2 數據來源

研究利用的項目區治溝造地工程實施前后土地利用變化數據主要來源于《延安市寶塔區南泥灣鎮等土地整治項目設計報告書》《延安市寶塔區南泥灣鎮等土地整治項目補充設計報告》；土地整理施工工程量和能源消費數據等來源于《延安市寶塔區南泥灣鎮等土地整理項目預算書》；能源使用量計算的相關參數來源于《中國能源統計年鑒》《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》《土地開發整理項目預算定額》、《土地開發整理項目施工機械臺班費用定額》。

1.3 樣品的采集與測定

土壤樣品的采集參照《多目標區域地球化學調查規范》中樣品采集方法，采樣時間為2017年4月，在不同土地利用類型中，按4 hm2布點，用土鉆取3個點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個混合樣品；同時在每個大格內用100 cm3環刀取樣，測定土壤容重。全碳均采用TOC/TN分析儀測定；容重采用環刀法測定。

1.4 治溝造地施工碳排放計算

治溝造地施工碳排放包括推土機、鏟車、挖掘機等現代化機械設備的使用以及工程所需的鋼筋、水泥、混凝土等材料的生產排放的溫室氣體。《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中汽油、柴油的建議排放系數為 2.26 kg·L-1和 2.73 kg·L-1，運用汽油和柴油的平均密度換算單位質量燃料的碳排放量，得到汽油、柴油的二氧化碳排放系數分別為3.12 kg·kg-1和3.21 kg·kg-1，進而得到汽油、柴油的碳排放系數分別為 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，kg·kg-1；Q1、Q2分別表示施工中汽油、柴油的使用量，kg。

根據公式1，綜合延安市治溝造地項目的投資情況，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）引入評價指標體系，多方面評價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 工程實施后土地利用變化的碳儲量計算[16]

式中：TC為區域土壤碳儲量，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；ρ為土壤容重，g·cm-3。

2 結果與分析

2.1 治溝造地施工碳排放

運用《土地開發整理項目預算定額》《土地開發整理項目施工機械臺班費用定額》計算出柴油、汽油的使用量，結合1.4中所述的計算方法，計算得到延安市治溝造地工程施工的碳排放量（表1）。

由表1可知治溝造地項目施工中，柴油的碳排放量是汽油的115.56倍，主要是因為治溝造地中土地平整工程量大，需要用到大型機械設備多，柴油耗用量大；對柴油碳排放量貢獻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%，貢獻最小的是農田防護與生態環境保護工程，不產生碳排放；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的使用以及田間道路建設中灑水車的使用。

各類工程投資總額的排序為土地平整工程＞灌溉與排水工程＞田間道路工程＞其他工程＞農田防護工程；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＞農田防護工程（表1），單位投資碳排放、單位投資比例具有高度相關性，但與投資總額排序不一致，主要是因為灌溉與排水工程施工過程中多使用插入式振搗器、起重機等電力設備以及風水（砂）槍等清潔能源設備，汽油、柴油使用量相對較少。灌溉與排水工程投資后的生態效應優于其他產生碳排放的工程。

2.2 土地利用類型變化對碳儲量的影響

根據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施后發生變化的土地利用類型的土壤全碳及土壤容重，運用SPSS 19.0軟件進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施用地中的坑塘水面，均值為35.21 g·kg－1；最小的是交通運輸用地，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，治溝造地工程根據項目區因地制宜，將坑塘水面以及一部分溝渠和農田道路改為水田；水域及水利設施用地中溝渠面積減少最多，為5.33 hm2，主要是因為治溝造地工程中實施灌排一體渠技術，節約用地面積。

表1 項目區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 項目區施工前后不同土地利用類型土壤全碳及容重（均值±標準差）Table2 Total carbon and density of different land use types before and after construction in project area（mean±standard deviation）

2.3 治溝造地碳效應測算

治溝造地工程施工產生的碳排放表現為碳源效應；土地利用變化導致的儲量變化中一類是碳低密度轉高密度（農田道路、溝渠轉化為耕地），表現為碳匯效應，另一類是碳高密度轉化為碳低密度（園地、坑塘轉化為耕地），表現為碳源效應；土地利用保持不變的地類對碳效應不產生影響（林地、其他土地），不計入碳效應測算中，由此構建了治溝造地項目碳效應的測算表（表3），明確治溝造地中的碳源/匯作用。

項目區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，有利于減緩區域溫室效應。單位投資的碳排放量為3 564.46 kg·萬元－1，單位投資的碳儲量為 90 488.23 kg·萬元－1，單位投資的碳儲量為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濟發展方式，不僅對區域經濟增長有重要作用，也有利于環境保護和生態建設。

整理年限是影響土壤碳儲量的重要因素之一，隨著整理年限的增加，農作物種植季數增加，土壤生物量大量積累，土壤肥力與耕層結構改善，土壤熟化，碳含量穩定。同時通過良性循環形成區域農田小氣候以及穩定的生態系統，發揮涵養水源、保育土壤、固碳供養、凈化空氣、增加生物多樣性、田間游憩等生態服務功能。項目區整理工程完成近3年，土壤已基本熟化，在土地平整完成后及時保證灌溉與排水，保土保肥，同時通過林網建設提高林網覆蓋率和水土保持能力，防止水土流失和土地沙漠化，改善區域內田間小氣候，建立生態系統，從而改善農田生態環境，使土壤碳儲量趨于穩定，實現經濟、生態協同發展。

表3 項目區治溝造地碳效應測算Table3 The calculation of carbon effect in project area

3 討論

3.1 施工對碳排放的影響分析

從碳排放的作用機制上看，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致的直接碳排放，但間接碳排放，如混凝土預制板、鋼材、水泥、PVC管等制備和運輸過程等也會影響碳收支的變化[17-18]，考慮治溝造地工程施工周期內的間接碳排放量，建立包括直接碳排放和間接碳排放在內的土地整理工程碳排放計算方法體系，更加真實反映土地整理項目碳排放情況[19]，限于資料和數據原因，暫未將間接碳排放量計入其中；治溝造地工程實施后，地形局部平坦，田塊平整，生產路和田間路形成路網體系，適合機械化耕作，機械化耕作過程產生的碳排放會影響碳收支，因此有學者認為在土地平整工程、田間道路工程等其他工程的施工中，應該提高動力機械的使用效率，保證專業的維修和保養，防止操作員不夠專業、機具不配套，損壞、浪費、油耗高的現象發生[20-21]，逐步實現農業機械的“低碳化”[22]，保障治溝造地工程綠色環保。

3.2 土地利用類型變化對土壤碳儲量的影響分析

耕地向建設用地轉化是土地利用變化碳排放的一個主要過程，將對土壤碳庫造成長期的影響。耕地轉化為建設用地伴隨著地表植被的清除，經過土地的翻動和回填后，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，將對土壤有機碳含量產生直接的影響[23]。姜群鷗等[24]指出耕地與建設用地之間的轉移是減少植被碳儲量的主要原因。建設用地面積增加將導致強烈的碳排放[25]。項目區土地利用類型變化方式是建設用地轉化為耕地，使碳低密度轉向高密度，有利于土壤碳儲量的積累。葉延瓊等[26]對廣東省1996—2012年農業用地碳匯進行計算，得到園地固碳量是耕地的140.33倍。固碳是濕地生態系統參與陸地生態系統碳循環的重要服務功能[28]，濕地儲存的碳占陸地土壤碳庫的18%～30%[27]，是全球最大的碳庫之一。項目區將園地、坑塘水面等土地利用類型變為耕地，由碳高密度轉向低密度，減少了區域碳儲量，這是考慮到項目區整體規劃以及項目補充耕地的性質，但最終與增加的碳儲量抵消后還是有所增加。

4 結論

（1）項目區治溝造地工程施工表現為碳源效應。治溝造地項目施工過程中應該提倡使用清潔能源以及采取各種措施提高機械動力的使用效率，減少碳排放，保障治溝造地工程綠色環保。

（2）項目區治溝造地工程實施后土地利用類型變化使碳儲量增加，表現為碳匯效應。治溝造地項目實施前應注重規劃土地利用方式，在保證耕地面積的基礎上增加有利于土壤固碳的土地利用類型。

（3）項目區治溝造地工程總體上表現為碳匯效應。該示范工程是國家開展治溝造地工程實現“生態與經濟協同發展”預期目標的成功案例，為黃土丘陵溝壑區治溝造地工程可持續發展提供參考和借鑒。

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