研究流域土地利用的碳效应，对于减缓全球气候变暖、促进流域内不同区域协调减排、实现流域高质量发展具有重要意义。既有研究主要集中在碳排放方面，较少涉及由碳源和碳汇形成的碳平衡，缺乏对低碳经济分区发展的应用分析。基于此，本文以黄河流域（YRB）为例，探讨1980-2020年黄河流域县域土地利用碳排放的时空演变特征，并利用PLUS模型预测2030年和2060年自然条件下土地利用碳收支的空间格局；然后叠加主体功能区规划，将黄河流域735个县域划分为6个低碳经济发展分区，并对其经济发展进行分析。研究结果表明：（1）近40年黄河流域土地利用碳平衡时空分异变化较大。（2）2030年和2060年自然背景下土地利用碳平衡空间分布格局与1990年更接近。（3）不同低碳经济发展分区的碳减排潜力和格局优化差异较大，具有不同的低碳经济发展模式。研究结果可为科学合理地制定黄河流域县域低碳发展经济政策提供理论依据，也为世界其他类似流域或地区的相关研究提供重要参考。
全球变暖对生态系统和人类社会构成严重威胁，减少CO₂排放已成为人类生存和发展的重大挑战之一。人类活动造成的碳排放被认为是导致气候变化的主要原因，虽然土地利用变化是人类活动的集中反映，但城市发展增加了对农业用地和木材产品的需求，以及大量化石能源的消耗，导致土地利用转型，进而影响碳排放。因此，该区域土地利用变化的碳效应已成为当前热点研究内容之一，受到各国政府和学术界的广泛关注。为应对全球变暖，中国提出了2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的战略。针对碳中和地位，制定低碳发展的发展规划，对区域经济和生态发展具有重要意义。
在研究尺度上，以往的研究主要集中在国家尺度、省尺度、城市群中产生的城市群和市级尺度。不同尺度的人类活动导致城市土地利用的扩张，带来了大量的人为碳排放。这种人为的碳排放是许多自然和社会经济因素的结果。这为黄河流域县域尺度的研究范围提供了一个研究区域，从县域尺度上，可以更准确地了解当前县域碳收支状况和低碳发展政策，与市、省尺度相比，县域尺度更微观，且对于低碳政策的实施更有效率。在研究方法上，学者们综合运用灰色关联度、引力模型、环境库兹涅茨曲线、碳平衡集中指数等测度方法，分析了土地利用碳平衡与其他要素的关系、时空演变及驱动因素。本文在借鉴国内外最新研究成果的基础上，构建了土地利用碳平衡测度模型，并将该测度方法应用于中国土地利用碳平衡研究。在文献综述的基础上，以黄河流域735个县（市）为研究区域，分析了黄河流域碳平衡的时空演变及低碳经济发展分区。
（1）阐明了1980-2020年黄河流域县域尺度碳排放、碳吸收和碳中和的时空特征。
（2）运用PLUS模型预测了2030年和2060年的碳收支状况。
（3）在国土空间规划的国家政策指导下，对主体功能区进行规划，划定碳收支低碳经济区。为黄河流域实现碳中和、低碳经济发展和土地利用结构优化提供理论依据，同时也为其他类似区域流域提供借鉴。
1. 结果
1.1 1980-2020年YRB土地利用变化特征
对1980年、1990年、2000年、2010年和2020年5个时期的土地利用进行叠加分析，得到土地利用流转的分布格局(图3a)和各土地利用类别的总体流转面积(图3b)。1980-1990年各类土地利用变化转移数量较少，土地流出方向主要集中在耕地向不透水地表转移(1893.06 hm² )、水体向耕地转移(1894.59 hm²)和不透水地表转移(1247.31 hm²)；而各类土地向不透水地表净转移面积最大，达3788.01 hm²。1990-2000年和2000-2010年土地利用转移变化较大，期间各类土地向不透水地表转移面积达到3.18×104 hm²。1980-2000年，水域向耕地和不透水地表转移，林地向未利用地转移。2000-2010年开始出现反向流转，各类土地向林地转移1.59 ×104 hm²，各类土地向不透水地表流转面积达2.56 ×104 hm² ，向水域转移(5152.14 hm²)，其中，耕地向不透水地表净转移量达1.76×104 hm²。1990-2010年，草原向未利用地的净转移面积为15.44 ×104 hm²，远大于其他类型土地间的转移面积。2010 - 2020年，土地利用变化主要集中在各类土地向不透水地表转移，净转移面积为1.77×104 hm², 2010年前耕地向草地和未利用地转移的情况发生逆转，各类土地向未利用地转移的净转移面积为1.03×104 hm²。2010-2020年土地向水域转移的情况，2020年出现反向转移，耕地向草地净转移4009.86 hm²，各类土地向水净转移1.03×104 hm²。
1.1.1 2030年和2060年土地利用变化空间格局
2020-2030年土地利用变化(图4d)显示，耕地净转移出153.82×104 hm²，其中，转移到草地和不透水地表的面积更多，分别为68.43×104 hm²和77.33×104 hm²；移出林地面积为40.40× 104 hm²，林地净减少34.90×104 hm²。不透水地表面积增加最多，达133.57×104 hm²，其中耕地转化为不透水地表面积占57.89%。未利用土地转移出面积最大，达262.43×104 hm²，其中更多的是草地和水域，占71.28%。2020-2060年，未利用地转移出面积达807.85×104 hm²，净转移出面积达787.42×104 hm²，为最大数量，除耕地外，各类土地均有未利用地转入(图4e)。耕地净转出面积为299.95×104 hm²，其中94.31%转移到草地和不透水地表。不透水地表净转移量为524.91×104 hm²，仅次于未利用土地出让量。
1980-2020年，YRB碳排放总量变化较大(图5)，碳排放总量从1980年的4.10×108 t下降到2000年的3.15×108 t，再增加到7.31×108 t(2020年)，比1980年增长56.09%。同时，各县(区)碳排放均值从55.80×104 t(1980年)下降到42.91×104t(2000年)，再增加到99.45×104 t(2020年)，增幅为56.11%。这表明，整个YRB区碳排放总量和县(区)碳排放变化较大，均呈现“V”型增长趋势。
从YRB县域碳排放水平来看(表2)，1980 - 2000年，处于最低水平的县域数量最多，处于较低水平的县域数量次之，所占比例达到33.06%。从2010年开始，处于较低水平的县数量超过了处于最低水平的县数量。值得注意的是，2020年，各级县数量较为均匀，最高一级县数量较往年大幅增加。这表明，YRB的碳排放量不仅总排放量呈增加趋势，而且各级覆盖的县域碳排放量也呈增加趋势。通过对2030年和2060年碳排放各层级县域数量的预测，发现最低和更低的县域数量水平最大(477个县)，碳排放水平最高的县数量减少(只有14个县)，占比最低(1.90%)。这表明，未来YRB县域碳排放的发展趋势是碳排放总量减少，各县碳排放水平下降。
1980-2020年YRB总碳吸收量变化不大(图6)，从时间上看，1980-2000年减少了33.78%(1.44×108 t)，2000-2020年呈稳定下降趋势。YRB县(区)平均碳吸收量从1980年的30.24×104 t下降到2000年的19.65×104 t，之后变化不大，直到2020年20.05×104 t。这表明1980-2020年，在YRB的县域碳吸收相对于碳排放变化较小，更稳定。
从YRB各县域的固碳水平来看(表3)，1980 - 2000年，处于最低固碳水平的县域数量最多，占54.56%。其次是较低水平，占比33.06%，其次是中级(14.01%)、较高(12.97%)和最高(5.17%)，各水平覆盖的县域范围碳吸收量逐渐减少，变化不大。对2030年和2060年各等级固碳县数量的预测表明，2030年和2060年各等级固碳县数量所占比例逐渐减少。这表明YRB县域碳吸收的未来发展趋势是各县域碳吸收水平随时间变化相对稳定。
1.2.3 碳中和的时空演化
本研究利用碳测量模型测量1980-2020年的碳中和状况，预测自然情景下2030年和2060年土地利用的碳中和，并将碳中和变化划分为碳控制区和碳优化区(图7)。
1980-2020年净碳排放总量变化较大，碳控制区净碳排放总量从1980年的1.88×108 t增加到2020年的6.24×108 t，增加了3.32倍。碳优化区净碳吸收总量由1980年的0.97×108 t下降到0.41 ×108 t，2020年减少42.27%，净碳吸收远小于净碳排放。近40年来，净碳吸收量增加的县只有36个，占县总数的4.90%，主要包括内蒙东部的泰木斯旗和正蓝旗，以及陕西中北部边缘的部分县；河南东北边县和山东北部边县。净碳排放总量增加的县有699个，净碳排放量最大，达到249.98×104 t，高值区主要分布在环县、多伦县、紫仓县和洛川县的城市边缘。
从YRB县域碳控制区和碳优化区数量的变化来看，碳优化区从1980年的158个县减少到2020年的90个县，覆盖的县域数量减少了9.25%。碳控制区县数增加，且远多于碳优化区县数。2030年和2060年的固碳预测结果表明，内蒙古中部和山西中部的碳控制区向碳优化区转变，碳控制区的空间分布与1990年的碳控制区基本一致。这表明，未来YRB县域碳控制区和碳优化区空间发展趋势将是：碳优化区逐渐增加，净碳吸收量增加，逐步实现碳中和目标。
1.3 YRB 低碳经济发展分区
1.3.1 碳控制区
碳控制区数量远多于碳优化区，包含区域内重点开发区、农产品限制主产区和重点生态功能区(表3)。2020年，碳控制重点开发区（CC-KDZ)由272个县组成，包括白银区、银都区、永城市、小店区和北林区，占YRB县总数的37.01%(图8a)。空间上主要分布在山东省中部、河南省中部以郑州市为中心、山西以太原为中心、虎宝-鄂渝城市群区域、甘肃省河西走廊区域、青海省西宁市为中心。其中，市辖区和县级市231个，占CC-KDZ县总数的84.93%。区域碳排放总量为2.64 × 108 t，占CC-KDZ碳排放总量的42.31%，县域碳排放平均值达到96.89 × 104 t。CC-KDZ县域数量在2030年(图8b)和2060年(图8c)有所减少。且碳排放总量相对2020年分别减少43.56%和40.15%。2030年和2060年区域内县域平均碳排放量分别为58.24 ×104 t和62.09×104 t，分别比2020年降低39.89%和35.92%。
1.3.2 碳优化区
碳优化区还包括区域内重点开发区、限制农产品主产区、重点生态功能区等。2020年碳优化重点开发区由18个县组成，包括河南登封市、山东文登区、青海循化撒拉族自治县、陕西姚苏区、兴平市、宝塔区和山西交城县；占YRB县总数的2.45%(图8)。其中，市辖区和县级市辖区占碳优化重点开发区（CO-KDZ）县总数的55.56%。区域净碳吸收量为37.02×104 t，占CO-KDZ碳排放总量的10.54%，县域平均碳吸收量仅为2.06×104 t。2030年和2060年，CO-KDZ县域数量分别增加到34个和35个。而碳吸收总量相对于2020年分别增加1551.19×104 t和1532.28 ×104 t。
2. 讨论
2.1 土地利用变化对碳平衡的影响
本研究对黄河流域735个县域的土地利用碳平衡进行了估算，发现碳排放总量在1980-2000年间呈下降趋势，2000年以后呈持续上升趋势。造成这种情况的重要原因是2000年以来碳排放量的快速增长，当时中国工业化的井喷、化石能源和资源燃料的大规模贸易导致国内碳排放量较过去大幅增加。
近40年来，黄河流域建设用地面积净增加4.98×104 hm²，各类用地转为建设用地的面积高达12.42×104 hm²，未利用土地面积净减少4.78 ×104 hm²。远高于其他土地利用类型之间的转换。随着城市化的快速发展，城市人口和城市建设用地面积显著增加，导致城市空间不断扩大，进而导致碳排放量增加3.21×108 t。建设用地的增加，人类活动强度的增加，城市不透水地表的增加，以及由此带来的工业生产强度的提高，以及工业能源燃料的积累和消耗，都带来了巨大的环境压力，这些都是碳的主要来源。相关学者的研究表明，煤炭、石油和天然气分别占碳排放总量的44%、34%和21%。电力、交通和工业等部门分别占碳排放总量的38%、24%和23%，导致了土地用途的碳排放增加。
2.2 YRB碳减排潜力和模式的优化
本研究构建了黄河流域土地利用碳中性预算模型来区分碳控制区和碳优化区。1980-2020年碳排放分区面积远大于碳吸收分区，净碳排放远大于净碳吸收。碳控制区高价值区呈东南向西北递减趋势，高价值区沿黄河干流分布；这主要是由于上游河谷和沿江平原地区适合城市建设发展，导致建设用地面积扩大，导致碳源增加，而山地高原地区植被覆盖度高，碳汇较高；使得碳排放有盈余，碳减排潜力大。东部以祁连山为界，以平原和丘陵为主，适宜城市发展，使得山东和河南两省集中了碳控制高价值区。山西、陕西、宁夏南部为碳控低价值地区，碳排放赤字较为严重，减碳潜力较小。因此，黄河流域碳减排潜力具有“东南低、西北高”的空间特征，碳减排潜力空间差异较大。
2.3 YRB不同区域的低碳经济发展模式
本研究在碳中性区划的基础上叠加主体功能区规划，将黄河流域低碳经济发展区划分为6个等级。CC-KDZ集中在市辖区和县级市，该区域碳排放量占碳控制总面积的42.31%，碳减排潜力最小，未来在碳控制重点开发区，应引领碳减排方向。由于CC-KDZ经济发展水平高，人口密度高，城市建设用地面积占比较大，提高能源消费强度和总量实行双重控制是未来CC-KDZ低碳经济发展的重要模式。建立重点产业绿色转型升级、交通物流节能减排、城乡绿色节能项目。完善重点区域污染物减排、挥发性有机物综合治理体系，提高环境基础设施水平。充分发挥CC-KDZ在黄河流域生态保护和高质量发展中的关键经济、文化和社会发展功能，确保到2030年全省实现碳达峰。
首先，本研究对未来土地利用的预测存在一定的误差，这种误差来自研究数据和方法，PLUS模式的模拟尚不能完全还原真实的土地利用变化，未来人口、气候、城市经济社会发展变化也无法精细预测；客观因素的不确定性导致了建模研究方法中不可避免的问题。其次，该研究没有预测到人们价值观的变化，人类生态保护意识的提高和经济环境适应能力的提高将对未来我国低碳经济的发展产生重要影响。
初审：钱一莹
审核：徐彩瑶
排版编辑：陈 楠
文献推荐人：陈 楠
参考文献：Linlin Dong.Spatio-temporal evolution and prediction of carbon balance in the Yellow River Basin and zoning for low-carbon economic development.Scientific reports,2024,14(1),385.
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