吉林省低山丘陵区侵蚀沟治理的碳汇作用

Carbon sink function of erosion gully control in low mountain and hilly areas of Jilin Province

摘要

目的 科学评估黑土区侵蚀沟治理工程的碳汇作用，为深入了解黑土区土壤侵蚀对碳汇作用的影响机制提供科学支撑。 方法 于2024年秋季选取吉林省东部低山丘陵区两条不同治理年份（2017和2022年）、不同立地条件（林地和耕地）的侵蚀沟为研究对象，从保土保碳、减蚀减排、增绿增汇3方面定量评估其碳汇效应，对侵蚀沟内淤积泥沙进行体积测量及有机碳、容重测试，对乔灌木进行每木检尺。 结果 ①林地侵蚀沟Ⅰ的保土减排增汇量为1.602 0 t。其中，保土保碳量为0.564 1 t，减蚀减排量为0.112 8 t，增绿增汇量为0.925 1 t。耕地侵蚀沟Ⅱ的保土减排增汇量为1.474 8 t。其中，保土保碳量为1.162 0 t，减蚀减排量为0.232 4 t，增绿增汇量为0.080 4 t； ②侵蚀沟Ⅰ的表层土壤（0—20 cm）有机碳含量和保土保碳量均显著高于其他土层（p<0.05），呈现明显表聚性，表层土壤保碳量比例最低达42.29%； ③两条侵蚀沟的年均保土保碳量、减蚀减排量及增绿增汇量差异较大，治理年限、土地利用类型及人为因素等是造成两条侵蚀沟各方面碳汇作用差异的主要原因；林地侵蚀沟通过长期植被恢复实现高效增绿增汇，而耕地侵蚀沟因耕作扰动增强了保土保碳效应。 结论 黑土区侵蚀沟具有明显的保土保碳、减蚀减排、增绿增汇等碳汇作用，通过合理配置工程及植物措施，充分发挥各项措施功能，能够显著提升黑土区侵蚀沟的碳汇作用与碳汇能力。

Abstract

Objective The carbon sink function of erosion gully control projects in black soil regions were analyzed in order to provide scientific support for understanding the mechanisms by which soil erosion affects carbon sink processes. Methods In autumn 2024， two erosion gullies in the low mountain and hilly area of eastern Jilin Province， with different treatment years （2017 and 2022） and site conditions （forest land and cultivated land）， were selected as research objects. Their carbon sink effects were quantitatively evaluated from three aspects： soil conservation and carbon conservation， erosion reduction and emission reduction， and greening and carbon sink enhancement. Volume measurement， organic carbon content， and bulk density tests were conducted on the sediment accumulated in the gullies， and a tree-by-tree survey method was performed for trees and shrubs. Results ① The total amount of soil conservation， erosion and emission reduction， and greening and sink enhancement for gully I （forest land） was 1.602 0 t， including 0.564 1 t of soil and carbon conservation， 0.112 8 t of erosion and emission reduction， and 0.925 1 t of greening and carbon sink enhancement. For gully Ⅱ （cultivated land）， the total amount was 1.474 8 t， with soil conservation and carbon conservation of 1.162 0 t， erosion and emission reduction of 0.232 4 t， and greening and carbon sink enhancement of 0.080 4 t. ② In gully I， the surface soil （0—20 cm） had significantly higher organic carbon content and soil carbon conservation than the other layers （p<0.05）， indicating obvious surface accumulation， with the proportion of carbon conservation in the surface soil reaching a minimum of 42.29%. ③ The two gullies exhibited large differences in their annual average amounts of soil and carbon conservation， erosion and emission reduction， and greening and carbon sink enhancement. Treatment duration， land use type， and human activities were the main factors causing the differences in carbon sink effects. The forest erosion gully achieved efficient greening and carbon sequestration through long-term vegetation restoration， whereas the farmland erosion gully enhanced soil and carbon conservation due to cultivation disturbance. Conclusion Gullies in the black soil area have obvious carbon sink functions， including soil conservation and carbon conservation， erosion reduction and emission reduction， and greening and carbon sink enhancement. Through rational allocation of engineering and plant measures， the carbon sink function and the carbon sink capacity of these gullies can be significantly enhanced.

Graphical abstract

关键词

侵蚀沟 / 水土保持措施 / 碳汇作用 / 碳汇能力 / 吉林省低山丘陵区

Key words

erosion gully / soil and water conservation measures / carbon sink function / carbon sink capacity / low mountain and hilly area of Jilin Province

文献参数： 陈月， 张瑜， 崔斌， 等.吉林省低山丘陵区侵蚀沟治理的碳汇作用［J］.水土保持通报，2026，46（1）：29-36. Citation:Chen Yue， Zhang Yu， Cui Bin， et al. Carbon sink function of erosion gully control in low mountain and hilly areas of Jilin Province ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2026，46（1）：29-36.

东北黑土区是中国重要的农业生产基地和粮食生产区，以土壤有机质含量高而著称，是国内外学者的研究热点^［1］。但由于长期的高强度耕作，东北黑土区土壤侵蚀和退化日益严重^［2］，加剧了侵蚀沟的形成，从而导致可耕作面积减少，植被生产力降低和土壤养分流失^［3-5］，强烈影响生态系统碳循环过程^［6］。黑土区侵蚀沟的综合治理对于减少水土流失，提高土壤有机碳，巩固和提升生态系统碳汇能力具有重要意义。相关学者通过利用遥感解译数据构建侵蚀沟系统分类方法^［7］，探究侵蚀沟与地形因素的关系^［8］，评估秸秆覆盖技术对侵蚀沟的防护作用^［9］，分析耕地切沟治理效果^［10］等，对黑土区侵蚀沟综合治理开展研究，为黑土区水土保持工作做出了重大贡献，但针对黑土区侵蚀沟治理碳汇作用方面仍缺乏探讨。目前已有研究者^［11］对水土保持碳汇功能与机理进行了系统的阐述，提出了保土保碳，减蚀减排，增绿增汇的概念框架。这一理论框架的核心在于通过水土保持措施降低碳流失，增加碳固定，最终实现区域碳平衡。据此，有学者对崩岗治理^［12］、梯田^［13］、小流域综合治理的碳汇作用^［14-15］以及水土保持措施^［16］展开了探索。

本研究主要利用上述水土保持碳汇的理论框架也能够对黑土区侵蚀沟的碳汇作用进行探讨，从而揭示黑土区特定土壤类型和特定侵蚀类型下的碳汇规律。通过实地调查选取2条吉林省东部低山丘陵区不同年份、不同立地条件的治理侵蚀沟为研究对象，定量分析侵蚀沟保土保碳，减蚀减排，增绿增汇等3个方面的碳汇作用，旨在深入了解黑土区土壤侵蚀对碳汇作用的影响机制，为科学评估黑土区侵蚀沟的碳汇能力提供理论指导。

1 研究区概况

研究区位于吉林省东辽县杏木小流域（125°22′40″—125°26′10″E，42°58′05″—43°01′40″N），地处长白山余脉，为吉林省典型低山丘陵区地貌类型，海拔高度为270~400 m。温带大陆性气候特征，四季分明。无霜期年平均135 d，年平均日照时数2 504.20 h，年平均降水量658.10 mm。主要土壤有暗棕壤、白浆土、冲积土等。水土流失类型为水力侵蚀，为国家级和省级水土流失重点治理区，土地利用类型以耕地和林地为主，耕地坡长而缓，主要种植作物为玉米（Zea mays），植被以落叶松（Larix gmelinii）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、红松（Pinus koraiensis）、云杉（Picea asperata）、五角枫（Acer mono）、蒙古栎（Quercus mongolica）为主。吉林省低山丘陵区侵蚀沟数量多，密度大，大部分侵蚀沟长度为100~300 m，宽度主要在5~10 m，其次为0~5 m，且侵蚀沟比降较大。本研究选取的侵蚀沟Ⅰ位于林地，2017年秋季开始治理；侵蚀沟Ⅱ位于耕地，2022年秋季开始治理（表1）。通过定期监测，两条侵蚀沟的沟头溯源、沟底下切以及沟岸扩张基本得到控制，各项治理措施均有效发挥了作用。两条侵蚀沟均位于吉林省低山丘陵区的中心区，且侵蚀沟长度、宽度等均在“中型侵蚀沟”的核心区间内，治理模式均为“工程+植物”协同模式，沟底比降较大，具有典型性和代表性。

2 材料与方法

2.1 样品采集与测定

土壤及植物样品的采集均于2024年秋季进行。

2.1.1 土壤样品

对两条侵蚀沟的谷坊所淤积泥沙进行分层采样，每层设置3次重复，按照淤积深度，去除地表的植被和杂物后，每隔20 cm采集约500 g土样装入贴好标签纸的自封袋中，并用体积为100 cm³环刀采集各层原状土样。侵蚀沟Ⅰ共采集42个土壤样品和42个环刀样品，侵蚀沟Ⅱ共采集51个土壤样品和51个环刀样品。采用燃烧氧化-非分散红外法^［17］测定土壤样品中有机碳（SOC）含量，环刀法测定土壤容重。在每个谷坊淤积体的上、中、下部位取3个断面，分别测定淤积长度、厚度及宽度，计算谷坊淤积量。

2.1.2 植物样品

对侵蚀沟Ⅰ，侵蚀沟Ⅱ区域内的乔木、灌木进行每木检尺，测定乔木树高、胸径，测定灌木种类、基径、株高、冠幅。乔木、灌木地上、地下生物量及含碳率等指标通过查阅《温室气体自愿减排项目方法学造林碳汇（CCER-14-001-V01）》^［18］附录获取。

2.2 数据计算与处理

2.2.1 侵蚀沟保土保碳量

侵蚀沟的保土保碳作用是指侵蚀沟中的土壤所保持的碳储量，即谷坊所拦蓄泥沙中储存的碳量所储存的碳量。计算公式为

C_p={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\left(V_{y,i}·{\rho }_{y,i}·S_{y,i}\times \frac{\mathrm{1}}{{}^{{\mathrm{10}}^{\mathrm{3}}}}\right)（1）

式中：C_P 为侵蚀沟保土保碳量，单位（t）； V_{y， i} 为沟底第i层淤积泥沙的体积（m³）； ρ_{y， i} 为沟底第i层淤积土壤容重（g/cm³）； S_y，i 为沟底第i层淤积泥沙有机碳含量（g/kg）； i为淤积泥沙分层采样和沟壁分层采样的总层数，i=1，2，3，…n。

2.2.2 侵蚀沟减蚀减排量

侵蚀沟的减蚀减排作用是指侵蚀沟治理后所保持的土壤发生流失，流失土壤被矿化产生的排入大气中的碳量。计算公式为

C_R=C_P·P（2）

式中：C_R 为侵蚀沟减蚀减排量（t）； C_P 为侵蚀沟保土保碳量（t）； P为土壤有机碳在搬运过程中矿化氧化的比例（%）。

2.2.3 侵蚀沟增绿增汇量

侵蚀沟的增绿增汇作用是指相比于不治理的侵蚀沟，治理侵蚀沟区域内所增加的碳储量，主要计算植物增汇。计算公式为

B_A=\sum _j〔f\left(D_j,H_j\right)\times N_j〕\times \frac{\mathrm{1}}{{\mathrm{10}}^{\mathrm{3}}}\times w_j（3）

B_S=\sum _j〔f\left(x\right)\times N_j〕\times \frac{\mathrm{1}}{{\mathrm{10}}^{\mathrm{3}}}\times w_j（4）

B=B_A+B_S（5）

式中：B_A 为侵蚀沟乔木林增汇量（t）； f(D_j,H_j)为乔木全株（或地上）生物量与胸径和树高的相关方程（kg/株）； D_j 为乔木林树种j的平均胸径（cm）； H_j 为乔木林树种j的平均树高（m）；N_j 为树种j的株数（株）； w_j为树种j的含碳率（%）； B_S 为侵蚀沟灌木林增汇量（t）； f（x）为灌木生物量与测树因子（基径、灌高、冠幅等）的相关方程，不同树种的f（x）方程详见表2；B为侵蚀沟植物增汇量（t）。

2.2.4 侵蚀沟治理保土减排增汇量

侵蚀沟治理的保土减排增汇量是指侵蚀沟保土保碳量、减蚀减排量、增绿增汇量之和。计算公式为

C=C_P+C_R+B（6）

式中：C为侵蚀沟治理保土减排增汇量（t）。

2.2.5 数据处理及分析

利用Microsoft Excel 2016对试验数据进行预处理，通过IBM SPSS 22.0进行数据分析，并由Origin 2021进行绘图。

3 结果与分析

3.1 侵蚀沟保土保碳量与减蚀减排量

两条侵蚀沟的谷坊均有一定量的泥沙淤积，对每个谷坊所淤积泥沙的体积进行测量，得出侵蚀沟Ⅰ的谷坊淤积体积为34.50 m³，侵蚀沟Ⅱ的谷坊淤积体积为68.45 m³。由图1—2可知，侵蚀沟Ⅰ每个谷坊不同土层深度的有机碳含量存在显著差异（p<0.001），表现为表层（0—20 cm）土壤有机碳含量极显著高于深层土壤有机碳含量，侵蚀沟Ⅱ的各层土壤有机碳含量则无上述规律。根据公式（1）可计算出侵蚀沟谷坊各层土壤保碳量，结果表明侵蚀沟Ⅰ的表层（0—20 cm）土壤保碳量均显著高于深层土壤保碳量（p<0.05），表层土壤保碳量比例最低为42.29%（表3）。计算各谷坊的保碳量得出侵蚀沟Ⅰ的保土保碳量为0.564 1 t，年平均保土保碳量为0.080 6 t；侵蚀沟Ⅱ的保土保碳量为1.162 0 t，年平均保土保碳量为0.581 0 t。

根据前人^［19］研究，土壤有机碳在流失过程中被氧化矿化的比例为20%~40%，本文p值取20%，3.1中得出侵蚀沟Ⅰ，侵蚀沟Ⅱ的保土保碳量分别为0.564 1和1.162 0 t，根据公式（2）可计算出侵蚀沟Ⅰ的减蚀减排量为0.112 8 t，年平均减蚀减排量为0.016 1 t；侵蚀沟Ⅱ的减蚀减排量为0.232 4 t，年平均减蚀减排量为0.116 2 t。

3.2 侵蚀沟增绿增汇量

实地调查侵蚀沟Ⅰ，侵蚀沟Ⅱ内的植物种类及株数，统计侵蚀沟Ⅰ区域内乔木为旱柳50株、火炬树30株，灌木为紫穗槐50株；侵蚀沟Ⅱ乔木为旱柳100株，灌木为紫穗槐80株，榛子60株。每木检尺得出各树种胸径、树高、基径等指标，查阅《温室气体自愿减排项目方法学造林碳汇》中林分生物量碳计量模型与含碳系数（表2），得出侵蚀沟Ⅰ旱柳地上生物量为1 362.545 2 kg，地下生物量为366.524 6 kg；火炬树地上生物量为150.967 2 kg，地下生物量为40.610 2 kg；紫穗槐地上生物量为16.399 5 kg，地下生物量为16.041 9 kg。根据公式（3）—（5）计算可得侵蚀沟Ⅰ植物碳储量为0.925 1 t，年平均值为0.132 2 t；同理可得侵蚀沟Ⅱ植物碳储量为0.080 4 t，年平均值为0.040 2 t。各指标值详见表4。

3.3 侵蚀沟治理保土减排增汇量

根据上文的研究结果及图3，侵蚀沟Ⅱ在土壤保持与碳固定方面的成效显著，单位治理年限的保土保碳量达到0.581 0 t，同时在减少土壤侵蚀与碳排放方面也实现了0.116 2 t的减蚀减排量，二者合计的碳汇贡献比例高达94.55%。上述指标分别为侵蚀沟Ⅰ对应数值（保土保碳量0.080 6 t/a，减蚀减排量0.016 1 t/a，碳汇贡献比例42.25%）的7.2，7.2和2.2倍，其中保土保碳与减蚀减排量的优势尤为显著，倍数均超7倍。

相反，在增绿增汇方面，侵蚀沟Ⅰ展现出显著优势，其单位治理年限增绿增汇量达到0.132 2 t，对应碳汇贡献比例为57.75%。而侵蚀沟Ⅱ的增绿增汇碳汇贡献比例仅为5.45%，侵蚀沟Ⅰ的贡献比例是侵蚀沟Ⅱ的11倍，且单位治理年限增绿增汇量远高于后者，充分体现长期植被恢复对林地侵蚀沟碳汇的核心支撑作用。利用公式（6）进行计算得出侵蚀沟Ⅰ的保土减排增汇量为1.602 0 t，年平均值为0.228 9 t；侵蚀沟Ⅱ的保土减排增汇量为1.474 8 t，年平均值为0.210 7 t。

4 讨论

东北黑土区侵蚀沟主要分布在耕地上，耕地面积虽然仅占东北黑土区总面积的三成但集中近3/4的侵蚀沟。本研究中侵蚀沟Ⅱ各层土壤有机碳含量均表现出较高水平，且随土层深度增加无明显规律性，年均保土保碳量和减蚀减排量均高于侵蚀沟Ⅰ，甚至达到7倍之多。这是因为侵蚀沟Ⅱ位于耕地中，在播种期和收获期可能受机械或人为扰动影响，土壤结构被破坏，表层高活性有机碳土壤更易被水力搬运至谷坊，使谷坊拦蓄了更多的耕地中有机质丰富的表层土，因此出现上述结果。相反，侵蚀沟Ⅰ位于林地中，受人为扰动影响相对较小。土壤有机碳含量及保土保碳量均具有明显的层次性，0—20 cm土层的有机碳含量和保碳量均显著高于其他土层，且随着土层深度增加，二者含量均逐渐降低。有机碳及保碳量变化与许明祥等^［20］、郭艳杰等^［21］研究人工林的土壤养分特征所取得的成果保持一致，即土壤养分及有机碳均呈现出表聚性（0—20 cm），且随土层深度增加逐渐降低最终保持稳定水平。马瑞等^［22］以黄土丘陵沟壑区典型县域为研究对象，探讨耕地、草地、林地0—80 cm土层有机碳含量，研究表明，区域差异和土地利用类型对土壤有机碳含量的积累影响显著。本研究中，两条侵蚀沟的年均保土保碳量相差较大，说明不同土地利用类型（林地和耕地）及人为因素对侵蚀沟保土保碳量的积累具有一定影响。根据前人研究，土壤有机碳在流失过程中被氧化矿化的比例为20%~40%，保守估计，本文中p值取下限值20%，可避免高估碳损失，使研究结果具有稳健性。

植物措施是侵蚀沟治理的重要措施。严重的水土流失直接造成植被退化，且水土流失地区的植被碳储量远低于植被条件好的区域^［23］。东北黑土区侵蚀沟治理植物措施中，一般选择根系萌蘖力强、抗冲蚀且耐贫瘠的树种，多选用水土保持效果好的紫穗槐、柳树、榛子等^［24-25］。植物在生长过程中通过光合作用不断吸收大气中的CO₂，发挥固碳释氧功能，形成地上、地下生物量储存在植物体内，是侵蚀沟治理中主要的碳汇来源。本研究中，两条侵蚀沟均产生了明显的植物增汇量，侵蚀沟Ⅰ中植株数量更少，但年均植被碳储量远高于侵蚀沟Ⅱ，这是因为侵蚀沟Ⅰ开始治理的时间较早，随着时间的推移，植物净光合作用产生的有机质会逐渐积累，使得植物生物量逐年增加。同时，侵蚀沟Ⅱ受扰动影响，紫穗槐等灌木根系易被翻耕破坏，导致植被生物量增长缓慢，植被碳汇积累受到抑制。许小明^［26］研究黄土丘陵地貌区不同植被恢复方式的生态系统固碳功能发现，植被长期恢复产生的碳汇效应更加明显。Yao Xiong等^［27］研究表明，土壤侵蚀水平和造林对土壤有机碳储量有显著影响，土壤有机碳含量随侵蚀的增加而显著下降，但随着造林时间的增加而显著增加。上述相关研究表明，对侵蚀沟治理采取植物措施既能减缓土壤侵蚀、阻挡泥沙流动，又能产生碳积累、增加碳汇，且植被生长时间越长，产生的碳汇量越高，与本研究中侵蚀沟Ⅰ植物增汇量更高的结果保持一致。李智广等^［11］提出的增绿增汇作用包括植物增汇和土壤增汇两部分，本研究只讨论了侵蚀沟植物增汇作用，因未获取基线情景下的侵蚀沟土壤有机碳含量等指标值，故未对土壤增汇部分进行探讨，未来研究可增加对此部分内容的核算。

经计算，侵蚀沟Ⅰ的年均保土减排增汇量达到0.228 9 t，略高于侵蚀沟Ⅱ的年均值0.210 7 t。总体而言，两条侵蚀沟的沟道特征差异并不显著。值得注意的是，与侵蚀沟Ⅱ相比，侵蚀沟Ⅰ的治理年限更长，有机碳积累时间更久，产生的增绿增汇量也更高。然而，由于受到了人为扰动因素的影响，侵蚀沟Ⅱ产生了更高的保土保碳量及减蚀减排量。根据计算结果可知，侵蚀沟Ⅰ植物措施的碳汇贡献比例为57.75%，工程措施（保土保碳+减蚀减排）的碳汇贡献比例为42.25%，保土减排增汇量主要来源于增绿增汇作用。侵蚀沟Ⅱ工程措施的碳汇贡献比例为94.55%，植物措施的碳汇贡献比例为5.45%，保土减排增汇量主要来源于保土保碳及减蚀减排作用。因此，侵蚀沟Ⅰ在增绿增汇方面展现出更为突出的能力，碳汇作用依赖植物措施的长期积累，侵蚀沟Ⅱ的保土保碳能力更强，碳汇作用以工程措施的短期保土为主。此外，本研究得出的侵蚀沟保土保碳量及增绿增汇量均小于崩岗^［12］、罗地河小流域^［14］的对应指标值，这是因为黑土区沟道长度100~500 m的侵蚀沟占69.49%，中型沟的数量更多，本研究中两条侵蚀沟均属于中型沟，沟缘面积较小，且沟道治理时间短，有机碳积累少，植被均属于幼龄阔叶树种，其碳储量及碳汇能力均低于针叶林和针阔混交林^［28-29］，故本研究得出的两项指标值更低。综上所述，治理侵蚀沟应采用“工程措施+植物措施”协同模式，侧重植物长期碳汇、强化工程短期保土，兼顾碳汇量与稳定性，为碳储量的增加及碳汇能力的提升做出贡献。此外，在研究碳汇作用与能力时，应根据具体情况综合考虑治理年限、土地利用类型及人为因素等进行分析。

本研究中考虑春季耕作、施肥及喷洒农药等会对样品采集和测定产生影响，故选择秋季进行野外调查。且现场调查发现，两条侵蚀沟的谷坊仍有淤积空间，植被生长状况较好，可继续积累生物量，因此，两条侵蚀沟的碳汇能力和作用均具有较大提升空间。未来研究中可考虑从不同季节角度持续关注两条侵蚀沟的保土减排增汇量变化，并开展土壤有机碳组分分析，探究碳组分与碳汇量的关联机制，从微观层面量化耕作扰动对碳汇功能的影响路径，弥补本研究中存在的不足，为东北黑土区侵蚀沟碳汇作用的后续研究提供数据支撑。

5 结论

（1） 侵蚀沟治理具有保土保碳，减蚀减排，增绿增汇等方面碳汇作用。两条治理侵蚀沟的保土减排增汇量分别为1.602 0和1.474 8 t。其中，侵蚀沟Ⅰ的保土保碳量为0.564 1 t，减蚀减排量为0.112 8 t，增绿增汇量为0.925 1 t；侵蚀沟Ⅱ的保土保碳量为1.162 0 t，减蚀减排量为0.232 4 t，增绿增汇量为0.080 4 t。

（2） 侵蚀沟Ⅰ的表层土壤（0—20 cm）有机碳含量和保碳量均显著高于其他土层（p<0.05），表层土壤保碳量比例最低达42.29%，各土层均发挥了明显的保碳效益。

（3） 侵蚀沟Ⅰ植物措施的碳汇贡献比例为57.75%，工程措施的碳汇贡献比例为42.25%。侵蚀沟Ⅱ工程措施的碳汇贡献比例为94.55%，植物措施的碳汇贡献比例为5.45%。两条侵蚀沟的治理年限、土地利用类型及人为因素影响是造成保土保碳、减蚀减排及增绿增汇等碳汇作用及贡献差异的主要原因。

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基金资助

国家重点研发计划项目“黑土地沟蚀发展演变及防控体系构建与示范”(2024YFD1501204-5)

吉林省财政厅项目“吉林省侵蚀沟治理效益监测与评价”