一种测算水土保持工程措施土壤碳汇潜力的方法与流程

1.本发明属于水土保持碳汇技术领域，尤其涉及水土保持工程措施土壤碳汇 测算的方法。


背景技术：

2.水土保持工程措施可以有效减少水土流失，固定和增加土壤有机碳含量， 是土壤碳汇的重要途径。李勇等(2003)选取典型黄土高原丘陵沟壑区进行研究， 以位于陕西省延安市宝塔区东北部的碾庄沟流域12个淤地坝为研究对象，结果 表明：1957～2000年碾庄沟流域12个淤地坝共储存有机碳1.73
×
105t，流域碳储 存强度提高了0.13～5.03t
·
hm2·
a-1
，平均为1.28t
·
hm2·
a-1
。符素华等(2009)发现 鱼鳞坑、水平条等水土保持工程措施的多年平均减沙效益超过90％，同时还有 研究发现沉沙池、小型水库的修建可以强化泥沙淤积掩埋，形成不易矿化的深层 土壤碳从而实现碳埋藏，增加土壤碳汇。淤地坝是水土流失沟道治理工程的骨干 力量，设置淤地坝不仅可以提高土壤有机碳含量，同时拦泥淤地，使荒沟变成了 人造小平原，增加耕地面积，大大提高地表植物生产力。袁立敏等(2014)研究 发现沙障可以减少风蚀，结合种植植被来增加土壤有机质含量，起到固碳作用。 岳遥等(2016)计算了小流域尺度土壤侵蚀/淤积引起的碳通量特征，同时计算 了全国尺度由侵蚀引起的土壤有机质和co2通量变化。
3.目前计算土壤侵蚀对土壤碳影响时未考虑水土保持工程措施对土壤碳的作 用，而工程措施的研究一般为实测土壤碳的变化且为单一工程措施的研究，均未 对水土保持工程措施进行分类研究，目前尚无水土保持工程措施土壤碳汇的计算 方法。


技术实现要素：

4.针对现有对水土保持工程措施碳汇计算的需求，本发明的目的是提供一种 普遍适用的针对不同水土保持工程措施的土壤碳汇潜力测算方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种测算水土保持工程措施土壤碳汇潜力的方法，包括以下步骤：
7.步骤一，将所采用水土保持工程措施进行分类：分为面型措施和点型措施； 所述面型措施为对面尺度土壤侵蚀控制作用的工程措施；所述点型措施为对于已 侵蚀的泥沙进行拦截存储作用的措施；
8.步骤二，确定点型工程措施的最大库容q
最大
和已拦蓄泥沙量的分层淤积量， 分层淤积量的总和为点型工程措施已拦蓄泥沙量q
已
；
9.步骤三，计算点型工程未淤满部分泥沙拦蓄潜力：采用点型工程措施的最大 库容减去点型工程措施已拦蓄泥沙量，即：q
最大
－q
已
；
10.步骤四，计算点型工程达到最大库容后可发挥的其他减蚀作用的系数α；
11.步骤五，测定点型工程淤积层泥沙分层有机碳含量和侵蚀区土壤有机碳含 量；
12.步骤六，计算点型工程措施拦蓄泥沙固碳量：采用公式(1)～(5)进行计 算：
13.c
点
＝c
点已
c
点未
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014][0015][0016]c点未
＝q
潜力g侵蚀
/1000
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0017]q潜力
＝(q
最大-q
已
) q
最大
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0018]
式中：c
点
为点型工程措施拦蓄泥沙固碳量，单位为t；c
点已
为点型工程措 施已淤积泥沙固碳量，单位为t；c
点未
为点型工程措施未来固碳潜力，单位为t； qi为淤积泥沙第i层淤积量，单位为t；gi为淤积泥沙第i层有机碳含量，单位 为kg/t；q
已
为点型工程措施已拦蓄泥沙量，单位为t；q
潜力
为点型工程泥沙拦蓄 总潜力，单位为t；g
侵蚀
为点型工程措施侵蚀区土壤有机碳含量，单位为kg/t；q 最大
为点型工程措施的最大库容，单位为t；α为点型工程达到最大库容后可发挥 的其他减蚀作用的系数，取值范围0～1，无单位；
[0019]
步骤七，计算工程措施使用年y(例如工程措施建成时间为1990年，计算当 年为2022年，则y等于2022年-1990年＝32年)；
[0020]
步骤八，测定面型工程措施内部区域表层土壤有机碳含量g
面内
；
[0021]
步骤九，测量面型工程措施的管控区域面积a
面
(通过实地或在地形图上测 量得到)；
[0022]
步骤十，分别建立无面型工程措施和有面型工程措施径流小区并测定小区年 总产沙量；无面型工程措施径流小区年总产沙量除以小区面积，得到无面型工程 措施的土壤侵蚀模数x0；有面型工程措施径流小区年总产沙量除以小区面积，得 到有面型工程措施的土壤侵蚀模数x；
[0023]
步骤十一，测量输沙量，计算泥沙输移比sdr；
[0024]
步骤十二，计算面型工程措施拦蓄泥沙固碳量，采用公式(6)-(8)进行 计算：
[0025]c面
＝q
面g面内
y/1000
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0026]q面
＝a
面
(x
0-x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0027]
x＝x0e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0028]
式中：c
面
为面型工程措施拦蓄泥沙固碳量，单位为t；q
面
为面型工程措施 区年土壤侵蚀减沙/固沙量，单位为t/a；g
面内
为面型工程措施内部区域表层土壤 有机碳含量，单位为kg/t；y为工程措施使用年，单位为a；a
面
为面型工程措施 的管控区域面积，单位为km2；x0为无面型工程措施的土壤侵蚀模数，单位为 t/(km2·
a)；x为有面型工程措施的土壤侵蚀模数，单位为t/(km2·
a)；e为工程措 施因子(取值参考《中国水土流失方程(csle)》)；
[0029]
步骤十三，在面型工程措施控制区测定侵蚀区土壤有机碳含量g
侵蚀
和淤积区 泥沙有机碳含量g
淤积
；
[0030]
步骤十四，计算区域内工程措施总固碳量：
[0031]
不考虑泥沙输移比时采用公式(9)进行计算：
[0032]
c＝c
面
c
点
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0033]
考虑泥沙输移比时采用公式(10)～(11)进行计算：
[0034]
c＝c
面
sdr c
点
c
面
(1-sdr)b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0035]
b＝1-g
淤积
/g
控侵
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0036]
式中：c为区域内固碳量，单位为t；sdr为工程措施管控区的泥沙输移比； b为土壤被侵蚀后，搬运-淤积过程中损失的碳比例，在0～1之间；g
控侵
为面型工 程措施控制区被侵蚀区土壤有机碳含量，单位为kg/t；g
淤积
为淤积区泥沙有机碳 含量，单位为kg/t。
[0037]
进一步的，步骤一中，所述面型措施包括：梯田、水平阶、水平沟、竹节 沟、鱼鳞坑、大型果树坑、沙障固沙、工程护路，所述点型措施包括：坡面小型 蓄排工程、沟头防护、谷坊、於地坝。
[0038]
进一步的，步骤二中，所述已拦蓄泥沙量的分层淤积量，选取20cm为一层， 淤积泥沙第i层淤积量表示为qi，
[0039]
qi＝ai·hi
·
bdi/1000
[0040]
其中：qi为淤积泥沙第i层淤积量，单位为t；ai为淤积泥沙第i层的底面积， 单位为平方米；hi为淤积泥沙第i层的厚度，单位为m；bdi为淤积泥沙第i层的淤 积泥沙容重，单位为kg/m3。
[0041]
进一步的，步骤四中，α＝1-(s
满
/s
未
)，其中：s
满
为点型工程措施淤满后点 型工程措施出口产沙量，单位为t/yr；s
未
为未建点型工程措施时出口产沙量，单 位为t/yr；yr表示年。
[0042]
进一步的，步骤五中，具体的操作为：点型工程采集整个淤积层泥沙样品， 分层使用有机碳分析仪测定淤积泥沙第i层有机碳含量gi，取20cm为一层；侵 蚀区土壤有机碳含量根据采集的侵蚀区土壤表层5cm土样，使用有机碳分析仪 测定，点型工程措施侵蚀区土壤有机碳含量表示为g
控侵
。
[0043]
进一步的，步骤八中，具体操作为：采集面型工程措施内部区域表层5cm 土壤样品，使用有机碳分析仪测定土壤有机碳含量g
面内
。
[0044]
进一步的，步骤十中，建立无面型工程措施和有面型工程措施径流小区并测 定小区年总产沙量的具体操作为：无面型工程措施和有面型工程措施径流小区除 工程措施外其他参数均一样，小区下方放置泥沙集蓄设备，收集径流中的泥沙， 每次降雨后对泥沙进行采集和称重，获取每次产沙量，一年中每次产沙量之和为 年总产沙量。
[0045]
进一步的，步骤十一中，测量输沙量，计算泥沙输移比sdr的具体操作为： 在区域出口设置卡口站，放置泥沙集蓄设备，收集径流中的泥沙，每次降雨后对 泥沙进行采集和称重，获取每次输沙量，一年中每次输沙量之和为年总输沙量， 总输沙量与总产沙量的比值为泥沙输移比sdr。
[0046]
进一步的，步骤十三中，具体的操作为：在面型工程措施控制区的侵蚀区 采集的侵蚀区土壤表层5cm土样，在淤积区采集整个淤积层的泥沙样品，分别 使用有机碳分析仪测定侵蚀区土壤有机碳含量g
控侵
和淤积区泥沙有机碳含量g
淤积
[0047]
本发明的优点和有益效果是：本发明首次提出了针对面型和点型水土保持 工程措施，在考虑了土壤侵蚀-输移-淤积过程土壤有机碳变化的情况下，根据不 同资料情况，普遍适用的水土保持工程措施碳汇计算方法。本发明提供不同水土 保持工程措施的土壤碳汇潜力计算方法，相比现有技术中其他计算方法更加科学 全面，考虑了水土保持工程措
施的类别和泥沙在输移过程中碳的损失，结果更准 确。
附图说明
[0048]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0049]
图1是本发明实施例方法流程示意图；
[0050]
图2是本发明实施例1中2梯田和卡口站位置图。
具体实施方式
[0051]
实施例1
[0052]
如图1所示，一种测算水土保持工程措施土壤碳汇潜力的方法，包括以下 步骤：
[0053]
步骤一，对水土保持工程措施进行分类，对面尺度土壤侵蚀控制作用的工程 措施划分为面型，对于已侵蚀的泥沙进行拦截存储作用的措施划分为点型措施。
[0054]
表1水土保持工程措施分类
[0055][0056][0057]
步骤二，确定点型工程措施的最大库容q
最大
和已拦蓄泥沙量的分层淤积量， 分层淤积量的总和为点型工程措施已拦蓄泥沙量q
已
；
[0058]
所述已拦蓄泥沙量的分层淤积量，选取20cm为一层，淤积泥沙第i层淤积量 表示
为qi，
[0059]
qi＝ai·hi
·
bdi/1000
[0060]
其中：qi为淤积泥沙第i层淤积量，单位为t；ai为淤积泥沙第i层的底面积， 单位为平方米；hi为淤积泥沙第i层的厚度，单位为m；bdi为淤积泥沙第i层的淤 积泥沙容重，单位为kg/m3。
[0061]
步骤三，计算点型工程未淤满部分泥沙拦蓄潜力：采用点型工程措施的最大 库容减去点型工程措施已拦蓄泥沙量，即：q
最大
－q
已
。
[0062]
步骤四，计算点型工程达到最大库容后可发挥的其他减蚀作用的系数α，为 1减去点型工程措施淤满后点型工程措施出口产沙量与未建点型工程措施时出口 产沙量的比值；
[0063]
α＝1-(s
满
/s
未
)，其中：s
满
为点型工程措施淤满后点型工程措施出口产沙量， 单位为t/yr；s
未
为未建点型工程措施时出口产沙量，单位为t/yr。
[0064]
步骤五，测定点型工程淤积层泥沙分层有机碳含量和侵蚀区土壤有机碳含 量：点型工程采集整个淤积层泥沙样品，分层使用有机碳分析仪测定淤积泥沙第 i层有机碳含量gi，取20cm为一层；侵蚀区土壤有机碳含量根据采集的侵蚀区土 壤表层5cm土样，使用有机碳分析仪测定点型工程措施侵蚀区土壤有机碳含量g
侵蚀
。
[0065]
步骤六，根据公式(1)-(5)计算点型工程措施拦蓄泥沙固碳量；
[0066]c点
＝c
点已
c
点未
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0067][0068][0069]c点未
＝0
潜力g侵蚀
/1000
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0070]q潜力
＝(q
最大-q
已
)-q
最大
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0071]
式中：c
点
为点型工程措施拦蓄泥沙固碳量，单位为t；c
点已
为点型工程措 施已淤积泥沙固碳量，单位为t；c
点未
为点型工程措施未来固碳潜力，单位为t； qi为淤积泥沙第i层淤积量，单位为t；gi为淤积泥沙第i层有机碳含量，单位 为kg/t；q
已
为点型工程措施已拦蓄泥沙量，单位为t；q
潜力
为点型工程总泥沙拦 蓄总潜力，单位为t；g
侵蚀
为点型工程措施侵蚀区土壤有机碳含量，单位为kg/t； q
最大
为点型工程措施的最大库容，单位为t；α为点型工程达到最大库容后可发 挥的其他减蚀作用的系数，取值范围0～1，无单位。
[0072]
步骤七，计算工程措施使用年y，例如工程措施建成时间为1990年，计算当 年为2022年，则y等于2022年-1990年＝32年；
[0073]
步骤八，测定面型工程措施内部区域表层土壤有机碳含量g
面内
；具体操作为： 采集面型工程措施内部区域表层5cm土壤样品，使用有机碳分析仪测定土壤有机 碳含量g
面内
。
[0074]
步骤九，测量面型工程措施的管控区域面积a
面
(通过实地或在地形图上测 量得到)。
[0075]
步骤十，分别建立无面型工程措施和有面型工程措施径流小区并测定小区年 总
产沙量；无面型工程措施径流小区年总产沙量除以小区面积，得到无面型工程 措施的土壤侵蚀模数x0；有面型工程措施径流小区年总产沙量除以小区面积， 得到有面型工程措施的土壤侵蚀模数x；建立无面型工程措施和有面型工程措施 径流小区并测定小区年总产沙量的具体操作为：无面型工程措施和有面型工程措 施径流小区除工程措施外其他参数均一样，小区下方放置泥沙集蓄设备，收集径 流中的泥沙，每次降雨后对泥沙进行采集和称重，获取每次产沙量，一年中每次 产沙量之和为年总产沙量。
[0076]
步骤十一，测量输沙量，计算泥沙输移比sdr的具体操作为：在区域出口 设置卡口站，放置泥沙集蓄设备，收集径流中的泥沙，每次降雨后对泥沙进行采 集和称重，获取每次输沙量，一年中每次输沙量之和为年总输沙量，总输沙量与 总产沙量的比值为泥沙输移比sdr。
[0077]
步骤十二，计算面型工程措施拦蓄泥沙固碳量，采用公式(6)-(8)进行 计算：
[0078]c面
＝0
面g面内
y/1000
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0079]q面
＝a
面
(x
0-x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0080]
x＝x0e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0081]
式中：c
面
为面型工程措施拦蓄泥沙固碳量，单位为t；q
面
为面型工程措施 区年土壤侵蚀减沙/固沙量，单位为t/a；g
面内
为面型工程措施内部区域表层土壤 有机碳含量，单位为kg/t；y为工程措施使用年，单位为a；a
面
为面型工程措施 的管控区域面积，单位为km2；x0为无面型工程措施的土壤侵蚀模数，单位为 t/(km2·
a)；x为有面型工程措施的土壤侵蚀模数，单位为t/(km2·
a)；e为工程措 施因子(取值参考《中国水土流失方程(csle)》)。
[0082]
步骤十三，在面型工程措施控制区测定侵蚀区土壤有机碳含量g
控侵
和淤积 区泥沙有机碳含量g
淤积
；具体的操作为：在面型工程措施控制区的侵蚀区采集 的侵蚀区土壤表层5cm土样，在淤积区采集整个淤积层的泥沙样品，分别使用 有机碳分析仪测定侵蚀区土壤有机碳含量g
控侵
和淤积区泥沙有机碳含量g
淤积
。
[0083]
步骤十四，计算区域内工程措施总固碳量：
[0084]
不考虑泥沙输移比时采用公式(9)进行计算：
[0085]
c＝c
面
c
点
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0086]
考虑泥沙输移比时采用公式(10)～(11)进行计算：
[0087]
c＝c
面
sdr c
点
c
面
(1-sdr)b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0088]
b＝1-g
淤积
/g
控侵
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0089]
式中：c为区域内固碳量，单位为t；sdr为工程措施管控区的泥沙输移比； b为土壤被侵蚀后，搬运-淤积过程中损失的碳比例，在0～1之间；g
控侵
为面型工 程措施控制区被侵蚀区土壤有机碳含量，单位为kg/t；g
淤积
为淤积区泥沙有机碳 含量，单位为kg/t。
[0090]
本实施例中：
[0091]
点型工程措施计算数据如下：
[0092]
点工程措施选取淤地坝，淤地坝建坝设计最大库容q
最大
500t，侵蚀区实测土 壤有机碳含量为g
侵蚀
2.3kg/t，淤地坝淤满后实测出口产沙量s
满
为400t/a，未建淤 地坝时实测出口产沙量s
未
为500t/a，根据实测的分层淤积量和有机碳含量(表1) 和公式(1)-(5)可以得到：已淤积泥沙q
已
420t，已淤积部分的固碳量c
点已
为 0.825t，α为1-400t/a
÷
500t/a＝0.2，未来淤积潜力q
最大-q
已
为80t，总潜力 q
潜力
＝(q
最大-q
已
) q
最大
α，计算得q
潜力
为180t，点型工程措
施未来固碳潜力 c
点未
计算得0.414，淤地坝拦蓄泥沙固碳量为c
点
＝c
点已
c
点未
为1.239t。
[0093]
表2已淤积泥沙固碳量
[0094]
深度(cm)分层淤积量qi(t)有机碳含量gi(kg/t)qi*gi固碳量(t)0-20502.10.10520-40702.20.1540-60801.50.1260-801001.70.1780-1001202.30.276
[0095]
面型工程计算数据如下：
[0096]
本实施例面型工程措施选取梯田，根据遥感影像(图2)确定梯田范围，测 量梯田面积a
面
为0.1km2，梯田建设期为1995-1997年，1998年开始使用，工程措 施使用年y为24年(2022-1998年)，根据土壤样品，梯田多年平均有机碳含量g 面内
为3.4kg/t，在区域出口建设卡口站，测量区域产沙量，无梯田措施时产沙量为 20t/a。根据csle，计算该无梯田时土壤侵蚀模数x0为500t/(km2·
a)，石坎水平 梯田工程因子e为0.124，根据公式(6)-(8)，计算得到：泥沙输移比sdr为0.4， 工程措施建立后土壤侵蚀模数x为62t/(km2·
a)，梯田年土壤侵蚀减沙量q
面
为 43.8t/a，梯田拦蓄泥沙固碳量c
面
为3.57t。
[0097]
工程措施总固碳量：不考虑泥沙输移比的情况下，区域固碳量c为 1.239t 3.57t＝4.809t；在考虑泥沙输移比的情况下，采集侵蚀区和淤积区的土壤 样品，测定土壤有机碳的含量分别为g
控侵
2.3t/a和g
淤积
1.5t/a，根据公式(9)-(11)， 计算得到b为0.35，区域内固碳量c为3.4167t。
[0098]
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照 较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以 对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和 范围。