丹江口小流域水土保持造林碳储量及空间分异特征

Carbon Storage and Spatial Differentiation of Soil and Water Conservation Afforestation in Danjiangkou Small Watershed

摘要

目的 评估荒山造林与退耕还林2种水土保持造林方式的碳储量能力，为丹江口水库入库炭沟河小流域碳汇型造林模式优化提供科学依据。 方法 以炭沟河小流域为研究区，通过实地监测乔木、灌草、枯落物及土壤碳密度，结合遥感与数字高程模型，分析不同造林模式下碳储量及其空间格局。 结果 1）荒山造林的碳密度（52.13~107.10 t/hm²）和碳储量（9.50万~57.12万t）均显著高于退耕还林（50.27~62.89 t/hm²和1.61万~8.66万t），其中荒山造林中阔叶混交林碳密度最高（107.10 t/hm²），针叶林碳储量最大（57.12万t）；2）阔叶类乔木碳密度（5.93~108.66 t/hm²）显著高于针叶类（8.56~22.70 t/hm²），且土壤碳库是生态系统碳储量的主要贡献者；3）碳密度空间分布具有显著地形梯度效应，随海拔升高而增加，随坡度增大而降低（退耕还林区域坡度影响不显著）。 结论 荒山造林（特别是针叶林与阔叶混交林）显著提升流域碳储量，其空间分布受地形因子调控。未来流域管理应统筹造林模式、植被配置及地形驱动的空间格局，以实现水土保持与碳汇功能的协同提升。

Abstract

Objective This study aims to evaluate the carbon storage capacity of two soil and water conservation afforestation methods， namely barren land afforestation and the "Grain for Green" project， and to provide a scientific basis for optimizing carbon-sink afforestation models in the Tangou River small watershed， a tributary of the Danjiangkou Reservoir. Methods The Tangou River watershed was selected as the study area， and carbon storage and its spatial pattern under different afforestation models were analyzed by integrating field monitoring of carbon density in trees， shrubs， herbs， litter， and soil with remote sensing data and digital elevation models. Results 1） Both carbon density （52.13-107.10 t/hm²） and carbon storage （95 000-571 200 t） of barren land afforestation were significantly higher than those of the "Grain for Green" project （50.27-62.89 t/hm²； 16 100-86 600 t）. Among barren land afforestation types， broadleaf mixed forests exhibited the highest carbon density （107.10 t/hm²）， whereas coniferous forests showed the largest carbon storage （571 200 t）. 2） Carbon density of broadleaf trees （5.93-108.66 t/hm²） was significantly higher than that of coniferous trees （8.56-22.70 t/hm²）， and the soil carbon pool was the main contributor to ecosystem carbon storage. 3） The spatial distribution of carbon density showed significant topographic gradient effects， increasing with elevation and decreasing with slope gradient， whereas the influence of slope was not significant in "Grain for Green" areas. Conclusion Barren land afforestation， particularly coniferous and broadleaf mixed forests， significantly enhances watershed carbon storage， and its spatial distribution is regulated by topographic factors. Future watershed management should coordinate afforestation models， vegetation configuration， and terrain-driven spatial patterns to achieve synergistic improvements in soil and water conservation and carbon-sink functions.

Graphical abstract

关键词

水土保持造林 / 碳密度 / 碳储量 / 空间分布 / 地形梯度

Key words

soil and water conservation afforestation / carbon density / carbon storage / spatial distribution / topographic gradient

森林作为陆地生态系统的重要组成部分，其碳汇功能在缓解气候变化中具有关键作用。森林生态系统通过光合作用固存二氧化碳，将碳以生物量和土壤有机碳的形式储存，是减缓全球变暖关键的自然解决方案。丹江口水库作为南水北调中线工程的核心水源地，其生态环境的优劣直接关系到引水安全和区域生态安全^［1］。水土保持造林通过提升植被覆盖、减少水土流失，不仅改善土壤结构，也增强区域碳储量能力。

随着国家“双碳”战略的深入实施，水土保持于2023年纳入国家标准委等部门发布的《碳达峰碳中和标准体系建设指南》。李智广等^［2］参考区域尺度碳汇监测方法，结合水土保持实情提出了水土保持碳汇能力评估指标体系，为落实水土保持国家碳汇核算规范提供了技术支撑。不同区域的学者和管理者立足区域水土保持措施特点，钟小剑等^［3］对福建长汀罗地河小流域7种治理措施的碳储量及碳汇能力进行监测评价，并提出了优化治理措施推动水土保持增汇的路径；高春泥等^［4］测算了长江上游九省的水土保持林和经果林草林的碳汇量及碳汇量变化，并刻画了各林种类型的净碳储量变化趋势；丁禹等^［5］则结合贵州省水土保持措施类型，分工程、林草和耕作措施对碳汇能力进行测算。

荒山荒坡造林和退耕还林是丹江口库区重要的水土保持措施^［1］。荒山造林通过快速恢复植被覆盖，增强土壤抗侵蚀能力；退耕还林则将坡耕地转为林地，减少农业扰动，促进生态恢复^［6-7］。这2种措施在控制水土流失的同时，通过植被和土壤的物理化学作用固定大气中的二氧化碳，展现出显著的碳固定潜力^［8］。然而，小流域尺度下碳储量的空间分布受地形和人为活动的强烈影响，高海拔区域可能因人为干扰弱更利于碳积累，陡坡区则因水土流失导致碳损失风险升高^［9-10］。不同造林方式和植被类型的碳储量的贡献及其空间响应机制尚待系统量化^［11-12］。

本研究以丹江口水库流域为对象，通过样方调查与空间分析，系统评估荒山造林和退耕还林的碳储量能力，解析碳密度空间格局与地形因子的关系，以期为流域水土保持与碳汇协同管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

炭沟河流域（32°14′10″~32°58′10″N，110°47′53″~111°34′47″E）地处秦岭山系武当山隆起与大横余脉之间，处于丹江口水库北侧，面积约为2 750 hm²（图1）。海拔240~935 m，属汉江北岸丘陵山岗地。多年平均日照总时长1 933 h，多年平均气温15.6 ℃，多年平均降雨量为797.6 mm。该流域内地质构造活动性比较强烈，岩体以泥质岩、红砂岩等为主，土壤以黄棕壤为主。土地利用主要为林地和耕地。炭沟河流域水土保持造林总面积为2 143.52 hm²，主要为水土保持造林，其包含荒山造林（1 969.37 hm²）和退耕还林（174.15 hm²）2个类型（表1）。

1.2 研究方法

1.2.1 植被与土壤碳密度调查

根据研究区土地利用现状和林业“林地一张图”数据，采用均匀分布和代表性原则，共布设32个样方，其中20 m×20 m乔木样方24个（荒山造林20个，退耕还林4个）。荒山造林包括栎树类（6个）、阔叶混交林（5个）、针叶林（5个）、阔叶林（4个），退耕还林包括针叶林（4个）。此外，还分别在荒山造林和退耕还林各布设4个10 m×10 m的灌木样方（图2）。所有样方边缘距地块边界≥10 m，并记录各样方地理坐标、海拔、土壤类型等基础信息。

试验于2024年8月21日至9月3日开展。乔木样方测量胸径（DBH）和树高（H），采用对角线采样法收获3个1 m×1 m子区域的灌草和枯落物；灌木样方收获地上部分鲜重。植物样品按器官（茎、叶、枝）分采，测定含水量（烘干法）^［13］和有机碳含量（重铬酸钾-外加热法）^［14］。土壤采样遵循《森林土壤调查技术规程》（LY/T 2250—2014）^［15］和《土壤质量 自然、近自然及耕作土壤调查程序指南》（GB/T 36393—2018）^［16］，每样方沿对角线设置3个采样点，采集0~10、10~20 cm土层样品，测定土壤体积质量、含水量及有机碳含量。本研究聚焦水土保持造林对土壤表层碳库的直接影响，且研究区土层普遍较薄，故选择0~20 cm作为代表性采样深度。

本研究区的水土保持造林工程主要于2000年前后实施。由于历史数据缺失，详细的土地利用历史难以精确追溯，本研究使用“林地一张图”中“小班（属性为30）”作为退耕还林地块。荒山造林地块多为长期未耕作的荒山坡，退耕还林地块前期用地类型为坡耕地。各林型优势树种为：针叶林以柏木为主；栎树类以麻栎、栓皮栎为主；阔叶林以杨树为主；阔叶混交林为栎树、刺槐、榆树、化香、泡桐等的混交；灌木林则以盐肤木、润楠、毛丹麻秆为主。

1.2.2 碳储量计算模型

乔木碳密度基于《主要树种立木生物量模型与碳计量参数》（GB/T 43648—2024）^［17］，结合实测数据构建乔木生物量估算模型（表2）。灌草、枯落物及灌木碳密度通过实验室测定各部位碳含量计算。土壤碳密度通过测定不同土层有机碳含量获得。水土保持造林碳储量（C）由各碳层碳密度（L_i ）与面积（S_i ）之积计算公式为：

C={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{L}_i\times S_i（1）

式中：C为水土保持造林碳储量，t；L_i 为各植被类型碳密度，t；S_i 为各碳层面积，t。

L_i=V_i+\mathrm{S}\mathrm{h}{\mathrm{r}}_i+\mathrm{L}\mathrm{i}{\mathrm{t}}_i+\mathrm{S}\mathrm{o}\mathrm{i}{\mathrm{l}}_i（2）

式中：V_i 为植被碳密度，t/hm²；Shr _i 为灌草碳密度，t/hm²；Lit _i 为枯落物碳密度，t/hm²；Soil _i 为土壤碳密度，t/hm²。

1.2.3 空间分布特征分析

基于样方调查获得的碳密度数据（总碳密度、土壤碳密度和植被碳密度）和对应样方中心点的地理坐标，利用ArcGIS Pro 2.5.2软件进行IDW空间插值生成流域水土保持造林碳密度空间分布图。需要指出的是，研究区下垫面空间异质性高，基于有限样点的空间插值结果存在不确定性，其主要目的在于直观展示碳密度空间分布的宏观趋势。同时，借助R Studio平台的“Ggally”包，基于32个实地样方的观测数据与其对应位置的地形属性（DEM和坡度），结合造林方式进行相关性分析，以探究地形地貌对碳密度格局的影响。

研究区下垫面属性空间异质性较高，而野外调查的样点数量有限，因此基于反距离权重法（IDW）得到的碳密度空间分布存在一定的不确定性，其主要目的在于直观展示碳密度空间分布的宏观趋势，而非精确量化每个位置的具体数值。本研究中，地形因子与碳密度的相关性分析（图8）主要基于32个实地样方的观测数据与其对应位置的地形属性（DEM、坡度）进行，该分析结果相对独立于空间插值过程，旨在从统计上揭示变量间的关系。

2 结果与分析

2.1 植被及枯落物碳密度

由图3可知，不同植被类型各层次碳密度存在差异，阔叶类乔木（栎树类、阔叶林和阔叶混交林）的树木碳密度为5.93~108.66 t/hm²，明显高于针叶林的8.56~22.70 t/hm²，其中荒山造林-阔叶林的树木碳密度最高，达46.07 t/hm²，而退耕还林类和荒山造林类针叶林的碳密度差异较小，栎树类、阔叶林和阔叶混交林的碳密度变化较大。相比之下，灌草碳密度相对变化较小，退耕还林-栎树类的灌草碳密度最大（7.05 t/hm²），荒山造林-阔叶类的灌木草碳密度最小（6.15 t/hm²）。枯落物碳密度差异明显，荒山造林-阔叶类的枯落物碳密度最高（3.50 t/hm²），阔叶混交林的枯落物碳密度最低（2.79 t/hm²）。此外，灌木样方碳密度要远小于乔木林下的灌草碳密度，且不同造林方式的灌木碳密度变化不大。总之，不同植被类型各空间层次的碳密度存在显著差异，阔叶类植被在乔木碳密度方面表现突出，灌草和枯落物碳密度也有明显变化，而灌木样方碳密度相对较低且变化不大。

2.2 土壤碳密度

由图4可知，在相同植被类型下，荒山造林的土壤碳密度普遍高于退耕还林，且不受土层变化影响。荒山造林-针叶林的土壤碳密度最大，平均为76.45 t/hm²；而退耕还林-针叶林的土壤碳密度最小，平均仅为42.17 t/hm²。退耕还林类型中，针叶林土壤碳密度要小于灌木；而荒山造林类型中则出现相反的趋势。荒山造林类型中，栎树类的平均土壤碳密度为58.53 t/hm²，阔叶混交林和阔叶林的平均土壤碳密度分别为51.55、51.38 t/hm²。此外，土壤碳密度在不同植被类型和土壤层次之间差异明显，荒山造林的土壤碳密度整体优于退耕还林。

2.3 碳储量分析

基于植被和土壤碳密度，进一步探究水土保持造林碳密度和碳储量变化特征。由图5可知，流域内不同造林方式及植被类型的碳密度和碳储量。整体来看，荒山造林的碳密度和碳储量均显著高于退耕还林，荒山造林的平均碳密度（87.82 t/hm²）较退耕还林（56.58 t/hm²）高58.94%。具体而言，从碳密度来看，退耕还林-针叶林的碳密度最高，为62.89 t/hm²，退耕还林-灌木的碳密度为50.27 t/ hm²；而荒山造林的植被类型中，阔叶林的碳密度最高，达107.10 t/hm²，针叶林为100.26 t/hm²，栎树类为93.90 t/hm²，阔叶混交林为84.73 t/hm²，灌木为52.13 t/hm²。从碳储量来看，荒山造林的针叶林碳储量最高，达57.12万t，退耕还林的针叶林和灌木的碳储量相对较低，分别为8.66万、1.61万t，荒山造林的栎树类、阔叶林、阔叶混交林、灌木的碳储量依次为9.50万、10.01万、20.50万、20.44万t。荒山造林总碳储量达117.57万t，占流域水土保持造林总碳储量的91.96%，其中针叶林对总碳储量的贡献最大，占比为44.68%。总之，荒山造林的碳储存能力均优于退耕还林，针叶林和阔叶混交林是碳储量的重要贡献者。

2.4 植被及碳密度空间分布特征

由图6可知，炭沟河流域的水土保持林工程以荒山造林为主要形式，并辅以退耕还林。空间上，这2种造林方式分布迥异，荒山造林地块集中分布于流域北侧的高地，而退耕还林地块则主要位于流域南侧相对平缓的区域。该分布格局与流域“北高南低”的地形特征高度吻合，即造林方式的区域与原始地形条件密切相关。由图7可知，本流域碳密度空间异质性显著。总碳密度和土壤碳密度空间分布相对一致，植被碳密度呈东侧高，西侧低的分布格局。

进一步的相关性分析揭示地形因子与碳密度之间的关系（图8）。海拔与总碳密度、土壤碳密度和植被碳密度均呈显著正相关（p<0.01），而坡度与碳密度的关系依赖于造林方式。在整个流域上，坡度与总碳密度、土壤碳密度及植被碳密度均呈显著负相关（p<0.01）。但值得注意的是，在退耕还林区域，坡度与碳密度却呈显著正相关（p<0.01）。

3 讨 论

本研究系统评估了丹江口库区炭沟河小流域2种主要水土保持造林方式的碳储能力，并揭示其空间分异特征。与许多关注单一碳库或大尺度格局的研究不同，本研究尝试在异质性强烈的山地小流域尺度上，将碳分配格局与地形因子、造林方式及植被类型进行关联整合分析。本研究结果不仅证实荒山造林在碳汇能力上的优势，更重要的是，揭示人为管理背景可以根本性地改变地形因子（尤其是坡度）对碳固存的效应，为精细化、分区化的碳汇型流域管理提供新的科学依据。

3.1 土壤碳库稳定性的核心作用

本研究发现，荒山造林的生态系统碳密度与碳储量均显著高于退耕还林（图5），此差异主要源于土壤碳库的巨大贡献（图4）。其核心机制在于2种造林方式初始土地利用历史所决定的人为扰动强度存在本质差异。荒山造林实施于未开垦或长期撂荒的土地，其土壤生态系统长期未受剧烈扰动，有机质得以相对稳定地积累和存留^［18-19］。相比之下，退耕还林的前身为坡耕地，长期的耕作活动不仅破坏了土壤团聚体结构，还加速原有土壤有机碳的矿化分解，导致土壤碳库出现严重耗竭^［20-21］。尽管退耕后植被得以恢复，但土壤碳库的恢复是一个滞后且缓慢的生态过程^［22-23］。因此，退耕还林区较低的土壤碳密度在很大程度上反映其历史扰动造成的“碳债”，与前人^［24-25］关于土地利用历史对土壤碳长期影响的结论一致。此发现强调，在评估造林工程的碳汇潜力时，必须考虑其本底条件与历史扰动，对于准确预测其长期固碳轨迹至关重要。值得注意的是，在荒山造林中，尽管针叶林的乔木碳密度最低，但其凭借最大的分布面积和可观的土壤碳密度，成为流域总碳储量的最大贡献者（占比44.68%）。凸显在流域尺度的碳汇管理中，土壤碳库的稳定性与植被类型的面积权重，有时比单一林分的单位面积乔木碳密度更具决定性意义。

3.2 植被类型对碳分配格局的调控

植被类型是调控生态系统碳在各组分间分配的关键因子。本研究中，阔叶类乔木（栎树类、阔叶林及阔叶混交林）的树木碳密度显著高于针叶类（图3a），主要与树种本身的生物学特性（如生长速率、木材密度和凋落物质量）有关。然而，碳在生态系统中的最终归宿不仅取决于植被本身。乔木林（占流域碳储量82.75%）作为碳储量的主体贡献者，其林下形成的灌草层和枯落物层是土壤有机碳的重要来源。这些凋落物经长期分解和转化，不断向土壤碳库输入有机质^{［12，26-27］}，形成“植被-土壤”协同固碳的良性循环。

3.3 碳密度空间格局的地形驱动与人为调控

碳密度空间格局与地形因子之间复杂且依赖于管理背景的关联。整体上，海拔与碳密度（尤其是土壤碳密度）的正相关（图8）符合高海拔区域因人为活动减弱、环境更利于有机质积累的普遍认知^［28-30］。而坡度与碳密度在整体上呈现的负相关，则与陡坡地区土壤易受侵蚀、碳损失风险升高密切相关^［31-32］。

然而，在退耕还林区域，坡度与碳密度呈现出显著的正相关（图8）。退耕还林工程多实施于靠近居民点、本底条件相对较好的缓坡区域。在这些区域内，相对更陡的坡位可能被识别为生态修复的重点和难点，从而获得更优化的水土保持工程措施和更精细的树种配置与管理。这种针对性的人为干预有效遏制坡度可能带来的土壤侵蚀，并为植被生长创造有利条件，从而实现比缓坡位置更高的碳积累效率。此现象清晰地表明，在人为积极且精准的干预下，地形限制可以被打破。因此，炭沟河流域碳储量的空间异质性格局，是由自然地形因子（海拔、坡度）与人为造林活动（方式、区位、管理强度）共同塑造的结果（图6）。

3.4 研究局限性与展望

本研究亦存在局限性。首先，退耕还林样本仅包含针叶林与灌木类型，缺乏与荒山造林中阔叶林对应的类型，限制了对2种造林方式下同类植被固碳能力的直接配对比较。因此，本研究的结论更侧重于揭示现有造林配置下的碳分布模式及其与地形的相互作用机制。其次，在空间异质性强烈的山地小流域，基于有限样点的空间插值结果存在不确定性，尽管相关性分析主要基于样点数据，但未来研究可通过增加样点密度或结合遥感反演技术来提升空间估测的精度。此外，造林时间（林龄）的细微差异及更精确的土地利用历史信息未能完全量化，这些都可能对结果产生一定影响。未来的工作应致力于收集更完整的立地背景信息，并开展长期定位监测，以更精确地揭示碳汇动态及其驱动机制。

4 结 论

1）造林方式显著影响固碳能力。荒山造林的碳密度（52.13~107.10 t/hm²）与碳储量（9.50万~57.12万t）均显著高于退耕还林，其中荒山造林中阔叶混交林的碳密度最高（107.10 t/hm²），针叶林的碳储量最大（57.14万t）。

2）植被-土壤固碳具有协同作用。阔叶类乔木植被碳密度（5.73~108.66 t/hm²）远超针叶林（8.56~22.70 t/hm²），荒山造林因土壤扰动较小更具长期固碳优势。

3）碳密度空间分布受地形显著调控。整体呈现随海拔升高而增加、随坡度增大而降低的趋势（退耕还林区域除外）。地形通过影响侵蚀过程、人为干扰强度及微环境，与造林方式和植被类型共同决定流域碳储量的空间格局。优化水土保持林布局需综合考虑造林模式、植被选择和地形条件。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42477354)