陕北黄土高原退耕还林还草工程固碳效应研究
作者：***
来源：《安徽农业科学》2021年第17期
摘要 以陕北黄土高原为研究区，利用InVEST固碳功能评价模块，定量评价了退耕还林还草工程背景下土地利用/覆被变化对研究区碳固定效益的影响。结果表明：研究区2000—2010年草地、灌丛、林地面积分别增加了3 204.0、 285.3和122.7 km2，耕地面积减少了3 984.5 km2，退耕还林还草工程土地覆被变化显著。研究区10年间碳固定能力整体提升，其中，延安市境内各流域平均固碳增加量为3.3 t/hm2，固碳总增加量为13.3×106 t，榆林市境内各流域平均固碳增加量为4.0 t/hm2，固碳总增加量为14.5×106 t，退耕还林还草工程固碳效益显著。耕地、草地、荒漠向林地的转化固碳效益最大，其单位面积固碳增量达100 t/hm2以上，耕地向林灌草的转变使研究区固碳总量增加达3 405.77×104 t，其中73.37%的总固碳量比重来自耕地向草地的转化。通过生态系统碳固定重要性分级和空间分区为退耕还林还草工程的科学实施、维持区域碳平衡和碳达峰，保障区域民生福祉具有重要的指导意义。
关键词 退耕还林还草;碳固定;土地覆被变化;InVEST模型;黄土高原
中图分类号 S774 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）17-0055-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.016
Abstract The effect of land u/cover change on the carbon fixation benefit of the study area was quantitatively evaluated by using the InVEST carbon fixation function evaluation module in the Loess Plateau of Northern Shaanxi Province. The main conclusions are as follows： The area of grass， scrub and woodland incread by 3 204 km2，285.3 km2 and 122.7 km2 respectively during 2000-2010 in this area.However，farmland reduced a large area of 3 984.5 hm2 mainly converted to above types of land u.The action of the Grain for Green Program （GFGP） has begun to show its effects. During this 10 years， carbon storage of the rearch area displayed a increasing tendency.The average carbon questration incread by 3.3 t/hm2 and the total carbon questration incread by 13.3 × 106 tons in Yan’an region， meanwhile， the same incread by 4.0 t/hm2 and 14.5×106 tons in Yulin region. The carbon questration benefit of the Grain for Green Program （GFGP） was significant. The conversion of cultivated land， grassland and dert to forest land has the greatest carbon questration benefit， and the increment of carbon questration per unit area is more than 100 t/hm2. The conversion of cultivated land to forest， shrub and grass make
s the total carbon questration increa to 3 405.77×104 hm2. Among them， 73.37% of the total carbon questration came from the conversion of cultivated land to grassland. This study has important guiding significance for the management of ecosystems and the scientific implementation of the GFGP in the Loess Plateau of Northern Shaanxi Province，meanwhile， it has the same important guiding significance for maintaining regional carbon balance and reaching carbon peak.
Key words The Grain for Green Program（GFGP）;Carbon storage;Land u/cover change;InVEST model;Loess Plateau
自2005年千年生態系统评估（millennium ecosystem asssment，MA）报告发布以来，有关于人类福祉与健康的生态系统服务及其功能变化的国内外研究文献大幅增加，全球及区域生态系统服务功能的退化直接影响到人类的可持续发展[1]。全球气候变化是国际科学组织和各国政府高度关注的全球性重大环境问题之一[2-3]，陆地生态系统对维持碳循环和碳平衡、调节气候变化具有重要作用[4-5]，加强区域生态系统管理和保护以提高固碳服务能力，对保障区域可持续发展和民生福祉[6-7]，实现国家碳达峰和碳平衡目标意义重
大。目前，随着人类工农业活动的加剧，不合理的土地利用和生态资源的过度利用，使得区域碳排放和生态系统碳固定难以平衡，温室效应加剧和人地矛盾关系突出[8-9]。InVEST（integrated valuation of ecosystem rvices and tradeoffs）模型通过不同土地利用情景的服务功能量化评估，能够很好地权衡生态系统管理与区域经济社会发展之间的关系[10-11]。如国外学者Leh等[12-14]利用InVEST模型对相关流域产水量的时空变化进行了评估，为提升流域生态系统水源涵养能力及加强生态系统管理提供了有效支撑。国内学者Su等[15-20]利用InVEST相关功能模块对汶川地震灾区、三江源区、黄土高原和秦岭山地等区域的碳固定、土壤保持、水源涵养等生态系统服务功能展开了量化评估，评价结果为生态系统科学管理、人地矛盾协调及区域可持续发展提供很好的权衡价值。
我國黄土高原地区人口较多、农业活动强度大、可持续发展能力面临挑战。为此，国家实施了天然林保护、三北防护林建设和退耕还林还草等工程，以及时遏制生态环境退化和协调区域可持续发展，而退耕还林还草工程是优化土地利用结构和方式，推进生态系统恢复，提升生态系统服务功能，促进碳达峰和碳平衡，协调人地矛盾关系的有效途径。土地利用变化与生态系统固碳能力之间具有高度的耦合关系[21]，对退耕还林还草工程的碳固定效益进行量化评估，是权衡好人类发展与自然资源管理之间关系的有力支撑。目前，
许多学者围绕区域或流域生态系统碳固定能力开展相关科学研究，如张优等[21-22]分别对延安市延河流域和成都平原地区的生态系统固碳能力进行了量化评估，但对退耕还林还草工程碳固定效益的量化评估鲜有研究。
陕北黄土高原境内的黄土丘陵、沟壑、梁、塬、峁及其复合地貌所构成的不同地貌单元和生态环境地域，对整个黄土高原具有很好的代表性和典型性，选择在该研究区开展退耕还林还草工程固碳效应研究，对于揭示整个黄土高原土地利用/覆被变化所产生的生态系统碳固定能力和生态系统建设具有较高的参考价值，也可为这一区域科学合理推进退耕还林还草工程提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
笔者所研究的陕北黄土高原区仅为延安市和榆林市辖全部区域，地理坐标为107°30′～111°15′E，34°10′～39°35′N。研究区总面积为79 981.9 km2，占黄土高原总面积的12.6%，是陕西黄土高原总面积的89.5%，陕西省土地面积的38.9%。境内海拔1 000～1 6
00 m，年均降水量为400～600 mm，降水空间分布由东南向西北逐渐减少，区域蒸发量在 1 000 mm左右，蒸发强度较大，境内黄土丘陵沟壑纵横、水土流失严重[23]。
1.2 InVEST碳储量模型
陆地生态系统通过对大气CO2的吸收、转化为自身生物量的方式，实现碳固定与碳封存，从而维持碳循环平衡，起到调节全球气候的作用[20]。生态系统碳储存由地上生物量（树干、枝和叶、灌丛、草本）、地下生物量（植物根系）、地表枯枝落叶、土壤有机碳构成。土地利用变化是引起陆地生态系统格局和质量变化的主要驱动力，从而影响生态系统的固碳服务能力。InVEST固碳模型能够针对不同土地利用类型的地上物质、地下物质、枯枝落叶和土壤有机碳量化评估总固碳能力，从而实现碳平衡视角下的陆地生态系统优化管理和决策支撑。具体计算如下式：
C_stored=C_above+C_below+C_soil+C_dead
式中，C_stored为总碳储量;C_above为地上物质碳储量（t/hm2）;C_below为地下物质碳储量（t/hm2）;C_soil为土壤碳储量（t/hm2）;C_dead为枯枝落叶碳储量（t/hm2）。
