一个耦合的水文-生物地球化学框架，用于评估流域尺度上土地利用变化导致的土壤有机碳侧向损失

《Journal of Environmental Management》：A coupled Hydro–Biogeochemical framework for evaluating lateral loss of soil organic carbon under land-use change at the basin scale

退耕还林工程通过减少耕地面积、增加林地和草地，显著降低了黄土高原渭河上游流域的土壤侵蚀和有机碳损失，其中退耕还林（CTF）的效果优于退耕还草（CTG）。研究采用SWAT-DayCent耦合模型结合经验碳富集系数，揭示了空间异质性显著的特征，为区域碳汇管理和生态恢复提供科学依据。

　　
本研究以中国黄土高原典型流域——渭河流域为对象，系统评估了退耕还林还草（Grain for Green, GFG）工程对土壤侵蚀和土壤有机碳（SOC）迁移的影响机制。研究团队通过整合水文模型SWAT与生物地球化学模型DayCent构建耦合分析框架，创新性地引入经验碳富集系数量化侵蚀驱动的SOC侧向迁移过程，为黄土高原生态治理提供了关键科学依据。

黄土高原作为全球水土流失最严重的区域之一，其生态恢复成效直接关系区域碳循环平衡。研究显示，1995至2020年间，GFG工程有效遏制了耕地扩张，将流域耕地面积从5864平方公里缩减至5455平方公里，同时推动林地面积由2113平方公里增至2214平方公里。这种植被结构优化显著改变了地表物质能量交换格局，其中坡耕地转为林地（CTF）的碳固存效果比转为草地（CTG）提升近1.5倍。

模型模拟揭示出空间异质性特征：流域西部和南部因地形陡峭（坡度＞15°占比达43%）和降水集中（年降雨量＞600mm区域占流域61%），土壤侵蚀强度达峰值值1179t/km2·yr，SOC侧向迁移量达10.29t/km2·yr。经GFG工程干预后，西部高陡坡地的土壤流失量在2020年降至15.24t/km2·yr，降幅达98.7%，同期SOC迁移量锐减至0.22t/km2·yr，降幅更达97.9%。这种空间分异特征与流域三维地形结构（高程差达3000m）、水文网络密度（每平方公里河道长度＞0.8km）及植被覆盖度梯度密切相关。

研究创新性地构建了"水文-生物地球化学"协同分析框架，通过SWAT模型模拟不同土地利用情景下的径流泥沙输移路径，结合DayCent模型追踪SOC在侵蚀过程中的再分配机制。特别开发的碳富集系数（经验值0.18-0.25kg/kg）有效解决了传统模型中SOC迁移量估算偏差问题。验证结果显示，SWAT模型在流域尺度上对月均径流的模拟误差（PBIAS=-15.9%）和 Nash-Sutcliffe效率系数（NSE=0.68）均达到可接受范围，为后续SOC迁移模拟提供了可靠基础。

研究取得三方面突破性成果：其一，量化揭示了GFG工程对水土保持的长期效益，2015-2020年间流域年均土壤侵蚀量从基准期的965t/km2·yr降至232.95t/km2·yr，降幅76.3%；SOC年损失量从8.68t/km2·yr降至2.25t/km2·yr，降幅74.1%。其二，发现植被类型转换的碳固存效能差异显著，CTF模式较CTG模式多固碳约3.8t/km2·yr，这源于林地冠层截留（增加23.6%）和根系固定（提升18.9%）的双重作用机制。其三，建立了"地形-水文-植被"三维耦合作用模型，成功解析坡度＞25°区域因径流集中导致SOC迁移速率达平缓地形的4.7倍，为精准施策提供空间依据。

研究进一步揭示出黄土高原碳迁移的独特规律：在年均降雨＞500mm区域，SOC侧向迁移量占流域总损失量的82%；而在干旱半干旱区（年降雨＜400mm），SOC固定量反而超过迁移量，形成区域碳汇能力的空间分异。这种矛盾现象源于植被恢复过程中生物量积累与物理侵蚀的博弈关系——在西部干旱区，人工林根系对表土的固持作用（提升35%）超过了径流侵蚀带来的碳损失，而在东部半湿润区，植被恢复带来的增加入渗（提升28%）有效遏制了SOC侧向迁移。

研究团队特别关注GFG工程对不同生态系统服务的影响。在渭河流域中段，土壤侵蚀模数从基准期的6.2t/ha·yr降至2.1t/ha·yr，降幅66.1%，对应SOC年损失量从1.24t/ha·yr降至0.31t/ha·yr。这种协同效应验证了"植被恢复-水土保持-碳汇增强"的生态链理论。值得关注的是，在海拔1500-2000m的中高山区，GFG工程通过退耕还林使SOC密度提升42%，其碳富集效果比同海拔草地的生物量积累（28%）更显著，这为高寒山地生态修复提供了新思路。

研究提出的三维调控策略具有重要实践价值：在坡度＞15°区域优先推进林地恢复（CTF），可最大程度抑制SOC迁移；在年降雨量300-500mm过渡带，发展混交林（林草复合系统）能实现水土保持与碳汇功能的最佳平衡；对于海拔＞2000m的寒冷地区，应注重林草协同恢复模式。这些结论已通过模型敏感性分析得到验证，当植被覆盖度提升10%时，SOC迁移量减少幅度达18.7%，且存在显著阈值效应（最佳覆盖度在45%-55%之间）。

研究还发现GFG工程存在显著的时空滞后效应。在实施初期（2000-2010），由于林地尚未形成稳定碳库，SOC迁移量仍维持在较高水平（8.2t/km2·yr）。但2010年后随着植被成熟，碳固存效率提升37%，形成"先抑后扬"的动态曲线。这种时滞效应提示生态工程评估需延长观测周期，建议后续研究采用百年尺度模拟来完善模型预测能力。

该研究构建的耦合分析框架具有显著推广价值。在黄土高原东南部类似流域（如洮河流域），应用相同方法可预测GFG工程实施后20年内的碳汇潜力提升空间。模型参数经过验证，坡面侵蚀因子（M）和泥沙运移参数（C）的取值范围可扩展至15°-35°坡度区间，覆盖黄土高原80%以上地形。此外，开发的碳富集系数数据库（包含12种典型黄土高原土壤类型）已被纳入国家生态修复技术标准体系，为后续工程提供标准化参数支持。

研究最后提出"双碳协同治理"新范式，强调生态工程需统筹考虑碳汇提升与水土保持的协同增效。通过建立水土保持-碳汇增益矩阵模型，可量化不同治理模式下单位面积碳汇成本效益。这种综合评估方法已成功应用于黄土高原其他6个重点生态区，显示出显著的模型泛化能力。研究结果为全球半干旱地区生态治理提供了重要参考，特别是在撒哈拉以南非洲等类似生态脆弱区，该框架可有效指导水土保持与碳汇提升的协同规划。