中国黄土高原淤地坝拦沙和碳固持的重要作用

在全球碳收支中，陆地有机碳的横向转移仍存在很大争议。土壤来源的有机碳不仅被动迁移，且在沉积区进行生物地球化学过程和固存。据报道，约34%~82%被侵蚀的有机碳沉积在陆地沉积系统，构成重要的陆地碳汇。最新的研究表明，由于气候变化和人类活动导致侵蚀加剧和泥沙通量减少，预计陆地沉积环境中的泥沙和有机碳埋藏将增加。了解沉积区碳的特征是揭示侵蚀—搬运—沉积过程属于净大气碳源还是碳汇这一争论的重要前提，并且对于完善人们对碳循环的理解至关重要。

陆地沉积系统通常包括干旱沉积环境（例如冲积扇、淤地坝）以及水库、湖泊和池塘等含水沉积环境。当前的研究多集中在水库和湖泊，而在泥沙和有机碳存储量较高的干燥沉积环境中，有机碳储量埋藏情况仍未得到很好的认知。此外，水库和湖泊的碳排放量显著高于其碳固持量，通常被视作重要的大气碳源。与之相比，完全不同的有机碳属性和干燥沉积系统的环境特征可能导致有机碳的不同命运，这值得进一步研究。

淤地坝在世界广泛分布，以有效控制土壤侵蚀和泥沙损失，尤其是在侵蚀严重的干旱半干旱地区。作为典型陆地干燥沉积环境，淤地坝拦截了大量的侵蚀泥沙和相关的有机碳。先前的研究特别关注流域尺度淤地坝的水文、生态和地貌功能。然而，对于淤地坝碳埋藏和固持仍然缺乏系统研究，这可能导致陆地碳固持被低估。黄土高原是世界上典型的干旱和半干旱地区，同时也是水土流失最严重和淤地坝分布最密集的地区。作为黄土高原地区控制土壤侵蚀和泥沙流失的一种有效方式，自20世纪70年代以来，地方政府和群众广泛推广淤地坝，将淤地坝作为控制黄土高原土壤侵蚀和泥沙流失的有效方法。

黄土高原面积640000平方公里，主要分布在黄河的中游地区，是黄河泥沙的主要来源区。从西北到东南，年均降雨量变化范围为200-600 mm。降雨主要集中在6月到9月，多以高强度暴雨的形式的出现。由于深厚的易蚀黄土、破碎的地形、密集的坡耕地以及干旱半干旱气候特征，使得黄土高原成为世界上侵蚀最为严重的地区。淤地坝是黄土高原流域河道稳定和侵蚀控制最常用的措施之一。

2017-2021在整个黄土高原地区进行野外工作。在400多个坝控流域进行野外调查，最终选择86个完整的淤地坝进行采样。每个源样本由10个子样本组成，这些子样本来自5×5 m网格的表层土壤（0-5 cm）。多种工具被用于收集淤地坝的泥沙样品，包括手动钻、冲击钻、挖掘机和手动挖井。因为大多数淤地坝位于上游，并且交通不便，因此我们选择了因地制宜的取样方法。通常选择坝地中心作为采样点。垂直方向上，在600 cm上以25 cm的间隔采样，在600 cm下以50 cm为间隔采样。由于选择的淤地坝通常都种植作物，因此取样通常从50厘米开始，以减少作物及其根系的影响。在黄土高原获取了315个源采样点和2121个泥沙样品。

从6个剖面获得60个样地的土壤容重。最大的土壤容重是1.68 g cm ^-3 ，容重采样深度达到11.3 m。沉积深度和土壤容重具有较好的线性关系。根据深度和淤积区之间的关系计算每个淤地坝的深度。使用激光分析仪（Mastersizer 2000, Malvem, England）分析测定粒径分布。再过0.25 mm筛后，使用K2Cr2O7-H2SO4氧化法测定有机碳，使用凯氏定氮法测定总氮。

同位素分析在β分析放射性碳测年实验室进行。使用加速器质谱法测定Δ ¹⁴ C活性。Δ ¹⁴ C结果表示为现代碳的比例和常规放射性碳年龄。使用同位素比率质谱仪进行稳定碳同位素的测定。测定前进行预处理。为了测量稳定碳同位素（δ ¹³ C），将2 g过筛的土壤样品用10 ml H3PO4溶液预处理12 h以除去碳酸盐。将预处理后的土壤样品在1020 °C下燃烧，并用同位素比质谱仪进行分析。

结合高分辨率谷歌地球图像和面向对象的分类方法，获取了 50226 座 淤地坝 的位置和淤积面积。 然后，利用无人机摄影测量与虚拟筑坝的方法确定淤积面积与泥沙量的关系。基于面积 - 体积经验公式和实测的土壤容重来计算每个淤地坝的泥沙体积和质量。

我们使用每个沉积剖面实测的有机碳含量结合插值方法，获得有机碳含量的空间分布。因此，结合每个淤地坝的总泥沙量，我们估算了淤地坝的有机碳储量。水利部黄河水利委员会根据基层水利部门统计数据，提供了不同时期淤地坝的泥沙拦沙总量和比例。结合这个比例以及估算的淤地坝总泥沙量和有机碳储藏量，粗略估计了不同时期淤地坝的泥沙滞留率和有机碳的埋藏率。

坝地泥沙和有机碳的埋藏深度在3-30米之间，相当于7-60年的埋藏时间。根据有机碳含量随埋深（或埋藏时间）的变化趋势，简单估算了有机碳埋藏效率。对86座具有代表性的淤地坝进行了回归分析，回归斜率（S）代表有机碳分解速率。根据有机碳随深度（D）的分解和表土样品的有机碳含量(OC _topsoil )，确定了有机碳埋藏效率（OC _be ）。

埋在淤地坝中的沉积物是不同来源的侵蚀沉积物的混合物。包含来自基岩和沟道中古黄土的岩成有机碳 （ OC _petro ）和来自坡耕地 / 草地 预陈化土壤 和现代植物 残体的 生物 有机碳 （ OC _bio ）。 基于放射性碳同位素二元混合模型，量化坝地沉积物中岩石有机碳和生物有机碳 。

如果Fm _petro =0，那么公式（4）可以简化为：

式中，Fm、Fm _petro 和Fm _bio 分别为总有机碳、岩石有机碳和生物有机碳的放射性碳组成。同样，%OC、%OC _petro 和 %OC _bio 分别代表总有机碳、岩石有机碳和生物有机碳含量。

1、淤地坝拦沙 ：

2、淤地坝的碳埋藏速率 ：

IMPLICATIONS：            

           

本研究分析的淤地坝的泥沙滞留和碳埋藏对区域和全球尺度的沉积物和碳管理至少具有三个重要意义。首先，对中国黄土高原现有淤地坝的泥沙滞留量进行了迄今为止最准确的估计，并且发现淤地坝的有效拦截泥沙导致黄河的输沙量减少11-53%。这些数据将有助于理解人类活动对黄河及更远地区前所未有的泥沙变化的影响。根据《黄土高原综合治理规划纲要》，到2030年黄土高原还将再建造56161淤地坝。这些已建成和规划中的淤地坝将进一步改变中国黄土高原的水文条件。该研究为未来评估修建淤地坝的环境影响提供了重要的基准。

第二，研究结果强调，淤地坝是中国陆地碳库的重要组成部分，可能同水库和湖泊一样重要。值得注意的是，就单位面积的有机碳埋藏效率而言，淤地坝比湖泊、水库以及其他典型沉积环境更有效。更重要的是，水库和湖泊等内陆水系通常伴随着比碳埋藏更强的碳排放，这通常表示为大气碳源。相反，沉积环境干燥的淤地坝具有较高的有机碳埋藏速率和较低的有机碳分解效率，是陆地碳汇的热点。我们的分析也表明淤地坝能够大大改变与土壤侵蚀过程相关的碳循环。在低阶河网处修建淤地坝可以快速埋藏并有效保存被侵蚀的有机碳，从而将黄河的有机碳出口通量减少35-39%。此外，根据这个区域的沉积率，泥沙沉积引起的快速埋藏还可以避免长距离河流迁移过程中有机碳进一步分解。值得注意的是，本文研究结果表明，大量岩生有机碳已经被埋藏在淤地坝中。若没有这些淤地坝的拦截，在河流搬运过程中，这种被侵蚀的岩石有机碳将成为地质时间尺度上的一个重要碳源。

第三，研究主张在全球干旱半干旱地区建造淤地坝，例如西班牙、澳大利亚、美国、印度、伊朗和埃塞俄比亚，有助于实现减少侵蚀、碳中和和粮食安全的三赢局面。可预测的全球变暖和人类活动的增加可能会加剧这些干旱半干旱地区的土壤侵蚀。淤地坝不仅能够拦截泥沙，而且在沉积过程有效保存大量有机碳。此外，拦截泥沙形成的农地将提供额外的粮食生产和碳储存。总体而言，淤地坝在多种生态系统服务之间提供了意想不到的协同作用，从而为干旱和半干旱地区实现《2030年可持续发展议程》中的可持续发展目标2、13和15提供了一种新的潜在解决方案。