水保学院方怒放研究员团队在淤地坝拦沙储碳效益研究方面取得新进展

近日，水土保持科学与工程学院（水土保持研究所）方怒放研究员团队联合华中农业大学、新加坡国立大学、香港大学等单位，在Nature旗下数据库期刊（IF=9.8）Scientific Data上发表题为“Vectorized dataset of silted land formed by check dams on the Chinese Loess Plateau”（西北农林科技大学曾奕副研究员为论文第一作者，方怒放研究员为通讯作者）以及Nature旗下期刊Communications Earth & Environment发表题为“Substantial role of check dams in sediment trapping and carbon sequestration on the Chinese Loess Plateau”（方怒放研究员和曾奕副研究员为第一作者，新加坡国立大学吕喜玺教授和华中农业大学史志华教授为通讯作者）的研究论文。

淤地坝作为防治土壤侵蚀的重要水土保持工程措施，广泛分布于中国黄土高原。近几十年来，淤地坝协同植被恢复和梯田等水土保持措施发挥了积极的减沙作用，导致黄河输沙量显著下降。然而，由于当前缺乏可用的淤地坝数据库，淤地坝的空间分布以及具体的拦沙效益仍存在很大的不确定性。此外，淤地坝作为重要的陆地干旱沉积环境，拦截泥沙的同时还埋藏大量有机碳，对陆地有机碳循环具有重要影响。然而当前淤地坝有机碳储量及其埋藏稳定机制仍不清楚。

图1 黄土高原淤地坝空间分布

针对以上问题，研究团队使用基于对象的分类方法，结合超高分辨率（0.3-1.0 m）的卫星影像和自主开发的人机交互程序，提出了第一个黄土高原淤地坝矢量数据集（https://doi.org/10.5281/zenodo.7857443）。该数据集提供了淤地坝的空间分布坐标、坝地面积、淤积体积和拦沙量等基础数据。数据集精度通过1947个淤地坝样本点进行了验证，总体精度为94.4%，其中生产者精度和用户精度分别为88.9%和99.5%。该数据集为研究人员量化淤地坝的拦沙、固碳和粮食产量等生态系统服务提供了基础数据，并为有关部门进行水土保持规划提供重要参考。

图2 黄土高原淤地坝碳储量及有机碳埋藏速率

在此基础上，研究团队结合卫星和无人机遥感以及大规模的野外采样调查，建立了淤地坝坝地面积和拦沙体积经验估算公式（Zeng et al., 2022, Journal of Hydrology），估算淤地坝共拦截了102亿吨泥沙，相当于1970-2020年黄河入海输沙量的46%，表明淤地坝是黄河泥沙急剧减少的重要原因。进一步估算黄土高原淤地坝有机碳储量约为21.6 ± 9.9 Tg（2164万吨），并发现其单位面积有机碳埋藏速率（468 g C m-2 yr-1）和有机碳埋藏效率（~80%）显著高于其他典型沉积环境，能有效的保存被侵蚀搬运的有机碳，形成重要的陆地碳库。该研究强调了淤地坝是中国陆地碳库的重要组成部分，并表明在干旱半干旱区修建淤地坝可以实现防治水土流失、固碳和和保障粮食安全的三赢局面，为量化水土保持措施对黄河水沙变化的影响以及水土保持碳汇指标核算提供数据支撑和科学依据。

图3 黄土高原淤地坝有机碳埋藏效率及特征

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41597-024-03198-z

https://doi.org/10.1038/s43247-023-00728-2

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128143

以上研究工作得到了国家自然科学基金（41930755, 42177335, 42207405, 42107361, U2243225）的资助。