西北师范大学潘竟虎教授团队在Catena发表最新研究！

人类活动带来的生态建设和城市化之间的权衡会改变土地利用，从而会导致碳平衡增加或减少。但是，生态建设和城市化的权衡如何影响区域碳平衡尚不明确。因此，为明确人类活动对碳平衡的影响，支撑实现“碳中和”目标推进，本文选择黄河流域为研究区，基于多源遥感数据，采用面板数据模型、土壤呼吸模型、GEM-CO2模型，将多个领域的碳排放（能源消耗、农作物秸秆燃烧、生活垃圾焚烧）和碳汇（植被与岩石）量化到栅格尺度。然后，通过地表覆盖度的变化将城市化与生态建设的权衡关系空间化。最后，在栅格尺度上分析了城市化与生态建设的权衡对区域碳平衡的影响作用。结果表明：黄河流域由2001年的能够维持碳平衡转变为2019年的严重碳失衡，其中能源消耗和生活垃圾直接焚烧的快速增多是造成这一现象的主要因素。城市化与生态建设之间的权衡程度呈现出增加的趋势，至2019年，有84.794%的栅格表现为权衡关系，这影响着流域的土地利用/覆被变化结构，进而间接影响了碳平衡的变化。快速城市化使得碳失衡状况进一步加重，而生态建设可以缓解这种恶化的增长。城市化与生态建设的权衡程度与碳平衡量呈负相关，人类活动对自然资源的改造加速了区域碳失衡的扩张。

本文的研究区为黄河流域（图1）。

图1 研究区概况图

本文的研究框架如图2所示。

图2  研究框架

1 碳排放量估算方法

（1）能源消费碳排放

面板数据模型是能在三维方向上分析研究对象个体特征及其变化规律的计量经济模型。与普通回归模型相比，面板数据模型可以承载更多信息，消除时间序列的多重共线性影响，更好的评估各因素对解释变量的影响。公式如下：

为提高碳排放模拟精度，采用省级能源碳排放数据进行逐省修正面板数据模型所得的碳排空间分布图结果，公式如下：

（2）农作物秸秆露天燃烧碳排放

中国作为一个农业大国，农作物秸秆资源丰富，其中水稻、小麦和玉米是三大主要秸秆资源。由于缺乏有效的露天作物秸秆燃烧管控政策，大量的作物秸秆在农田中被直接焚烧，这成为CO2排放的重要直接来源之一。农作物秸秆露天燃烧CO2排放量可以利用以下公式计算：

将研究区划分为1 km×1 km的格网，根然后据美国NASA的FIRMS官网火点数据提供的一年中不同时段的火点数据，统计每个格网中的火点总数。最后将每个省份的农作物秸秆焚烧碳排放量，通过火灾计数使用以下公式将其分配到每个火灾像素。

（3）生活垃圾焚烧碳排放

垃圾处理过程中会产生二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等温室气体，是温室气体主要的人为排放源。采用IPCC推荐的自下而上清单法计算生活垃圾固体废弃物在焚烧过程中的直接CO2排放量，计算公式如下：

2 碳汇估算方法

（1）土壤呼吸模型

净生态系统生产力（NEP）常用于度量区域的碳汇大小，如果不考虑其他自然和人为条件影响，植被生态系统碳汇可以表示为NPP与异养生物呼吸消耗 （Heterotrophic respiration, Rh）之间的差值，其计算公式如下：

为了在更大的空间尺度上反演Rh，采用了温度、降水和碳排放的回归方程。计算公式如下：

（2）GEM-CO2模型

岩石风化消耗的CO2量受岩石表面水流、大气温度和岩石类型的影响。“全球CO2通量侵蚀模型”（ GEM-CO2）模型是一种使用岩性和大陆盆地地图来估计全球化学风化消耗的碳的纬度分布的方法。

3 城市化与生态建设的权衡关系测算

为了量化城市扩张和生态建设之间的权衡，本文基于前人提出的权衡系数，引入不透水面覆盖度和植被覆盖度数据计算像元尺度的权衡系数，采用土地利用数据计算行政区尺度的权衡系数。

（1）像元尺度的权衡模型

（2）行政区尺度下的权衡模型

4 碳平衡时空分析方法

（1）碳平衡差值分析

碳平衡量将生态系统碳储存服务的实际供应与人类需求联系起来，可用于揭示生态系统碳固存服务的盈余或短缺。计算公式如下：

（2）逐像元相关性分析

基于逐像元空间相关分析方法—皮尔逊积矩相关系数法，计算城市化与生态建设间的权衡系数与碳平衡的相关系数，根据相关系数的正负以及绝对值的大小关系衡量生城市化与生态建设间的权衡与固碳服务供需比的关系，公式如下：

1 黄河流域碳排放时空分布特征

（1）能源碳排放

2001–2019 年期间，总 碳排放量呈上升趋势（图 3a–c）。2001年黄河流域能源碳排放整体处于较低水平，且空间分布范围较小。2010年研究区能源碳排放规模迅速增大，流域整体出现了很多碳排放网络，它们将各地的碳排放中心连接了起来。2019年能源碳排放规模进一步扩大，宁夏回族自治区北部和陕西省北部的碳排放区域相连并直接形成一片高碳排放的大区域。

（2）农作物秸秆露天燃烧

2001–2019年农作物秸秆露天燃烧碳排放总量呈现逐年上升但年均增长速率却渐缓的态势（图 3d–f）。2001年农作物秸秆露天燃烧碳排放量较低，且零散稀疏的分布在流域内。2010年各省的农作物秸秆燃烧碳排放点都呈现出明显的增加。2019年农作物秸秆燃烧碳排放规模持续增大，较为明显的碳排放的分布以黄河干流的内蒙古段、渭河、汾河为走向。

（3）生活垃圾碳排放

2001年黄河流域生活垃圾焚烧直接碳排放量非常低，在空间上主要分布于西宁市和河南省（图 3h和i）。2010年各省的生活垃圾焚烧直接碳排放量均呈现出增加的态势。2019年碳排放增加最为明显的就是甘肃省的中西部、宁夏的北部以及内蒙古的东部。

图3 黄河流域碳排放的空间分布

（4）碳排放总量

2001–2019年黄河流域碳排放总量呈现逐年上升但年均增长速率却渐缓的态势（图4）。2001、2010和2019年碳排放总量分别为404.365、1207.599和2292.461 MT。2001–2010年碳排放年均增长率达到12.926%，但2001–2019年的年均增长率却迅速减少到了7.382%。

图4 黄河流域总碳排放量的空间分布

2 黄河流域碳汇时空分布特征

（1）植被碳汇

2001年高水平植被碳汇主要分布于流域的南部（图 5a–c）。2010年流域植被碳汇整体增加，高水平植被碳汇区域向北方延伸。2019年流域的植被碳汇空间分布进一步扩大，更加明显地呈现出沿着黄河干流及其支流分布的态势。上述的高水平植被碳汇区域继续向北延伸，各地植被碳汇均有明显提升。呼和浩特市新增了小范围的高水平碳汇区。

（2）岩石风化碳汇

2001–2019年植被碳汇总量呈现先减少后增加，2001、2010和2019年岩石风化碳汇量分别为154.959×104、98.375×104和160.581×104 T（图 5d–f）。2001年流域整体岩石风化碳汇水平较高，分布范围集中于流域的中部，2010年流域的岩石风化碳汇在总量与分布范围上均呈现缩小态势，2019年流域整体岩石风化碳汇总体呈现增加，流域的高水平碳汇聚集区向西转移。

图5 黄河流域植被碳汇和岩石风化碳汇的空间分布

（3）碳汇总量

2001–2019年流域碳汇总量呈现逐渐增加的趋势（图6）。2001、2010和2019年碳汇总量分别为491.285、703.542和805.363 MT。2001–2010年流域碳汇年均增长率达到4.072%，但2001–2019年的却迅速减少到了1.514%。从黄河流域内部看，2001–2019年流域碳汇总量呈现出中游>上游>下游的空间分异特征。

图6 黄河流域总碳汇的空间分布

3 碳平衡的时空演化特征

2001–2019年流域碳平衡总量不断减少的态势。从长江流域内部看，2001–2019年流域上游、中游和下游的碳平衡总量均持续下降，尤其是中游地区由相对均衡的-0.722 MT降低为严重失衡的-756.744 MT。

2001 年，该地区大约 90% 的地区处于碳平衡状态（图 7）。在银川、包头和呼和浩特等工业城市观察到高度碳失衡。中度碳不平衡区以这些城市为中心，向四面八方蔓延，其次是西安和洛阳（图8）。

图7 栅格尺度上黄河流域碳平衡空间分布

图8 市（a–c）和县（d–f）尺度上碳平衡的空间分布

4 城市化与生态建设的权衡系数时空分布特征

2001–2010年，流域内80.688%的栅格呈强权衡关系，主要大面积的分布在流域上游西部、鄂尔多斯内流区以及陕西省中部的草地和林地（图9）。呈现弱权衡关系的栅格占整个流域的1.858%，主要零散的分布在城市中心，较为明显的如西安市和流域下游的各个市区。流域内2.376%的栅格呈强协同关系，呈现弱协同关系的栅格占整个流域的15.078 %。

图9  栅格尺度上黄河流域城市化与生态建设权衡的空间分布

5 城市化与生态建设的权衡系数与碳收支的相关性分析

黄河流域中大约 67% 的栅格只有植被，因此它们的权衡系数与碳平衡量无关（图 10）。权衡系数与碳平衡之间具有强负相关的栅格占 9.966 %。流域东部除了大汶河流域之外，整体呈现出负相关占多数，但是强负相关和强正相关的区域面积基本为持平的状态。

图10 黄河流域权衡系数与碳平衡的相关性

（1）黄河流域碳排放总量呈上升趋势，但在2001–2019年间，年增长率有所下降。2001–2019年间，碳汇总量呈增加趋势。总碳汇表现出中游>上游>下游的空间分异特征。

（2）2001–2019年黄河流域的碳平衡量迅速减少，40%的区域由供过于求转变为供不应求。随着时间的推移，它从孤立的碳失衡区域发展成为一个巨大的碳失衡网络。碳平衡的数量与LUCC密切相关。与城市地区相比，农村地区更有可能碳平衡不佳。通过将创造性的城市农业实践和绿色区域融入生态发展，可以大大减少碳排放。

（3）生态建设与城市化之间的权衡变得更加激烈。随着生态建设和城市化越来越权衡，区域碳失衡加剧。减少城市化和生态建筑之间的权衡至关重要，因为旨在实现碳中和的人类行动正变得越来越危险。

（4）本研究方法可以形象地描述人类活动如何影响陆地CO2水平，并为推进区域碳平衡的实现提供新的建议。本研究的发现为流域级碳中和政策的制定提供了一个理论框架。