科学评估生态系统服务的供给、需求和流量，制定生态补偿政策，对于促进区域可持续发展具有重要意义。本文基于供需比模型、断点模型、场强模型、地理信息系统空间分析和统计方法，评估了2000年、2010年和2020年黄土高原固碳服务的供给、需求和供需关系，还分析了多尺度区域间固碳服务流，并进一步核算了横向生态补偿。结果表明， 2000-2020年，固碳服务的供给和需求都在增加，其中需求的增幅更大。高供给区主要分布在黄土高原中部和西北部，高需求区主要分布在中部以外的地区。固碳服务供需比下降，赤字县和盈余县数量大幅增加，主要集中在研究区的中西部地区。黄土高原内固碳服务流量增加。同一城市内的县际流量最高，但有所下降。同一省内的城市间流量虽然起初有所上升，但后来出现下降。最后，省际流量最低，但也在增加。黄土高原向外部地区的固碳服务流出量大于外部地区的流入量，但与 2010 年相比，2020 年的流出量减少，而外部地区的流入量增加。在考虑支付意愿和支付能力后，大多数城市实际获得或支付的生态补偿低于根据流量计算的补偿。此外，在黄土高原地区的44个城市中，获得生态补偿的城市数量和补偿总额均大于支付生态补偿的城市数量和补偿总额。这项研究不仅为了解生态系统服务在多尺度上的空间转移模式提供了理论依据，也为制定生态补偿政策，从而促进区域可持续发展的实现提供了理论依据。
生态系统服务（ESs）是人类直接或间接从生态系统中获得的商品和利益，可持续能源的稳定供给维持了社会经济系统的平稳运行。由于区域发展差异，ESs具有空间异质性，人口增长和城市化的加速正在入侵生态系统。这导致了ESs的供需不匹配的普遍存在以及区域间ESs流动溢出效应的出现。生态系统服务流（ESF）概念阐明了基于供需关系的生态系统转移过程，已成为生态系统研究的重要方向。此外，ESF研究促进了更全面的生态补偿政策的制定，以更好地维持可持续利用的稳定供给。
作为典型的生态系统服务（ES），碳固存服务（CS）可以抵消部分人类二氧化碳排放。实现碳汇供需平衡是减缓全球变暖的关键，碳中和的提出使人们对解决碳汇供需错配问题的期望越来越高。实现碳中和已成为中国的一项重大国家战略，而通过碳汇补充碳源缺口是在国家层面实现碳中和的重要手段。中国黄土高原（LP）是受水土流失影响最严重的地区之一。作为典型的生态脆弱地区，黄土高原人地矛盾突出，是研究生态系统服务的理想区域。自1999年以来，在LP实施的退耕还林项目恢复了当地植被，减少了水土流失，提高了ESs的质量。LP已成为重要的碳汇，尤其是因为CS的增加。然而，LP某些地区的社会经济发展水平已经超出了资源和环境的承载能力。尽管研究人员已经发现了LP出现的生态系统服务供需错配现象，但这一现象仍未得到根本解决。大多数关于CS的研究由于未考虑空间流动，未能全面反映区域供需水平，这使得横向生态补偿（EC）政策难以应用，无法在调节区域供需关系中发挥激励作用。因此，本文分析了LP内CS 的供给、需求和供需关系，探讨了CS的多尺度区域间流动，并计算了 EC。该方法不仅为科学评估生态系统服务供需和区域间流动提供了理论依据，而且有助于实现生态系统的可持续发展。
尽管已有研究已经确定低碳地区的ES供需不匹配，在黄土高原地区进行的ESF和基于ESF的EC研究依然很少。由于缺乏对空间流动的考虑，大多数关于固碳服务的研究未能全面反映区域供需水平，这使得横向生态补偿政策难以适用，也无法在区域供需关系调节中发挥激励作用。在此基础上，本文分析了低海拔地区生态系统的供给、需求和供需关系，探讨了生态系统的多尺度区域间流动，并计算了生态系统的价值。该方法不仅为科学评价ES供需和区域间流动提供了理论依据，而且有助于实现生态系统的可持续发展。
1. 固碳服务供给特征
经统计，2000年、2010年和2020年三年间，黄土高原中CS的县域供给、需求和增长率如图2所示。从2000年到2010年，总供给量从4.59×108Mg增加到6.39×108Mg，特别是在黄土高原中部地区增加明显。2010-2020年增速放缓，总供给量进一步增加至7.61×108Mg，其中西部、东部和东北部增幅较大。总体而言，在20年期间，大多数高供给地区位于LP的中部和西北部，所有县的供给都有不同程度的增长。增长最显著的是中部地区，有50个县的供给增长率在100%到200%之间，其中一半在延安、榆林和庆阳。与供给的变化趋势类似，需求增长的速度也有所下降。2000 - 2010年，总需求量从3.06×108 Mg增加到1.03×109 Mg，需求量增幅最小的县为107.70%。从2010年到2020年，总需求进一步增加到1.61×109 Mg，只有29个县的增长率超过100%。总体而言，需求的增长大于供给的增长，高需求地区大多在中部LP以外的地区，2000 - 2020年各县的增长率在156.25%至1852.87%之间。内蒙古、宁夏和陕西的需求显著增长，其中内蒙古大部分县和宁夏所有县的增长率均超过600%，陕西大部分县的增长率在300%-600%之间。
2. 固碳服务的供需关系
2000年、2010年和2020年的中部地区ES供需比（ESDR）和中部地区赤字县空间分布如图3所示。从2000年到2010年，低海拔地区县域CS盈余显著下降，平均县域ESDR从0.1114下降到0.2120。赤字县的数量从120个大幅增加到206个。新增逆差县主要集中在山西、宁夏、内蒙古和陕西中部，顺差明显减少。到2020年，LP县一级的平均ESDR下降到-0.2648，相对于2000年至2010年的下降速度有显著下降。赤字县数量小幅增加，达到222个，新增赤字县零星分布在河南以外的省份。宁夏、内蒙古和陕北地区的顺差有所减少，其余省份的ESDR保持相对稳定。与2010年相比，山西、甘肃和河南的51个县的ESDR增加，河南省所有县的ESDR都出现反弹，但这些县远低于2000年的盈余水平。总体而言，研究区CS盈余显著下降，ESDR在前10年快速下降，后10年下降速度相对较慢。基于供需关系的分析结果，本文将ESDR大于0的盈余县作为CS的供给区，将ESDR小于0的赤字县作为CS的受益区。供给区主要集中在西部和中部，受益区主要集中在西北部、东部和南部。
3. 固碳服务流
根据供需关系的分析结果，2000 - 2020年，广东省生产总值总体趋势由顺差转为逆差。因此，仅分析研究区域内的流动可能不够全面，需要考虑CS流动的域外效应。在本节中，本文首先分析了CS在LP内部的流动，然后研究了从邻近区域到LP的流动以及从LP到邻近区域的流动。
（1） 黄土高原内服务流
2000年、2010年和2020年LP内CS的流动如图4所示。在20年的时间里，LP内的CS流量增加了。2000年、2010年和2020年的总流量分别为6.9×106 Mg、1.18×107 Mg和1.45×107 Mg，分别占这几年总供给量的1.5%、1.85%和1.91%。2000年，同城县际流动占总流量的71.58%。流量最高的3个城市分别是宝鸡（9.06×105Mg）、西宁（5.40×105Mg）和西安（3.09×105Mg），占同一城市县际流量的三分之一。同省的城际流量占总流量的23.38%，其中长治至晋中（1.51×105Mg）、晋中至阳泉（1.15×105Mg）、太原至忻州（1.09×105Mg）的流量较大。省际流量仅占总流量的5.05%，山西省际流量占80.75%，陕西和河南向山西的流量最多，分别为1.42×105 Mg和1.39×105 Mg。
到2010年，同一城市内县际流量占总流量的比例下降到60.95%，而城市间和省际流量的比例分别上升到28.80%和10.25%。同城县际流量最高的3个城市分别是宝鸡、西宁和忻州，其中宝鸡县际流量占同城县际流量的比重超过三分之一。甘肃省、陕西省和宁夏定西至临夏、西安至宝鸡、延安至渭南和吴中至银川的城市间流量较高。宁夏吸收了58.48%的省际流量，其中甘肃和内蒙古流入宁夏最多。山西吸收总量为15.27%，陕西和河南对山西的吸收最多，较2000年有明显下降。
2020年，同城县际流量和省际流量占总流量的比例分别降至60.29%和24.98%，省际流量占比进一步上升至14.74%。同城县际流量较高的城市包括宝鸡市、鄂尔多斯市和忻州市，其中宝鸡市县际流量占同城县际总流量的39.81%。其次是陕西西安至宝鸡和延安至渭南。宁夏接收了68.02%的跨省流量，甘肃和内蒙古分别提供了1.16×106 Mg和2.89×105 Mg。山西接收了13.72%的跨省流量，河南和陕西分别提供了1.67×105 Mg和1.27×105 Mg。
（2）黄土高原与周边地区的相互流动
2000年、2010年和2020年邻近地区向低海拔地区的CS流分别如图5a、b和5c所示，低海拔地区向邻近地区的CS流分别如图5d、e和5f所示。2000年、2010年和2020年，邻近地区流向LP的CS流量分别为5.43×105 Mg、1.12×106 Mg和1.40×106 Mg，呈持续增加趋势。总体而言，约90%的资金流入来自省内，其中陕南至陕中地区的资金流入率最高。2000年、2010年和2020年，低水区向周边地区的CS流出量大于流入量，分别为3.62×106 Mg、9.70×106 Mg和8.38×106 Mg，占相应年份低水区CS总供给量的0.79%、1.52%和1.10%。流出量先增加后减少。省际流动率最高，2000年、2010年和2020年CS的流动率分别为2.14×106 Mg、6.64×106 Mg和7.05×106 Mg，主要接收地区为内蒙古。宁夏和山西的供给能力因赤字增加而下降，宁夏由于区域赤字，到2020年无法供给CS。
4. 横向生态补偿
本文分别使用流量和考虑支付意愿和支付能力的修改后的可支付EC来计算应该支付的EC，如图6所示。图6中A和B的和表示由流量决定的EC， B表示可以支付的修正EC。在LP内部流中，收到EC的城市及其金额如图6a所示，支付EC的城市及其金额如图6b所示。受益地区本应向供给地区支付的EC总额为24666万元，但由于生活水平和经济能力的差异，实际支付的EC仅为8086万元。定西是应该收到最多EC的城市（4445万元），但庆阳是实际收到EC最多的城市（1086万元），这两个城市都在甘肃省。此外，陕西的西安和延安，甘肃的平凉和白银，内蒙古的鄂尔多斯本应获得更多的EC，但实际上只有鄂尔多斯获得了理想EC的一半左右。临夏是应该支付最多EC的城市（3711万元），吴中是实际可以支付最多EC的城市（1349万元），鄂尔多斯可以支付所有EC的赔偿金。
在邻近地区流向LP的流量中，收到EC的城市及其金额见图6c，支付EC的城市及其金额见图6d。受益地区本应支付给供给地的EC共计4680万元，而实际可以支付的金额为1927万元。陕西商洛、安康和汉中是本应获得最多EC的三个城市，但商洛和安康实际获得的EC还不到理想EC的一半。西安（3308万元）是应该支付最多的城市，但实际上只有大约一半的理想EC被支付。在LP流向邻近区域的过程中，收到EC的城市及其金额见图6e，支付EC的城市及其金额见图6f。受益地区应向供给地区支付的总金额为35898万元，实际可支付的金额为26421万元（图6e和f）。海北、庆阳和白银是本应支付最多的三个城市，实际收到的金额相对较高。阿拉善是应该而且实际上能够支付最多EC的城市。此外，海西本可以全额赔偿。
根据修改后的实际可支付的EC，本文统计了纳入LP范围的44个城市的净EC（图7），其中包括了LP内部流动和LP与邻近地区之间相互流动产生的所有EC。由于LP向外部提供的流量远远大于从外部接收的流量，因此这44个城市中有更多的城市得到了补偿。26个城市总共可以收到25439万元人民币，其中白银（3729万元）和庆阳（3411万元）收到的EC最多。16个城市被要求缴纳1980万元，其中吴忠市缴纳的税款最多，达到589万元。两个城市既没有收到也没有支付，即济源和郑州。就净EC总量而言，作为碳汇的LP在其覆盖的7个省份中显然是补偿的接受者。
本文选择了使用最广泛的断点模型来模拟CS流，该模型实现了对ESF的准确定量分析，并且由于能够定义供给和受益区域，因此具有更实际的应用。然而，这种方法没有充分考虑自然或社会因素对ESF的潜在影响。虽然本文选择的生态系统由于其随大气运动传播，限制相对较少，但其他生态系统可能需要考虑其他影响因素，例如流经河流的水量和流经道路网络的食物供给，因为可持续生态系统管理通常需要综合考虑多种类型的生态系统。同时，由于ESF研究还处于探索的早期阶段，许多现有的相关研究采用单一的方法来模拟ESF。在这些研究中，能够模拟流动的ES类型也非常有限，有时会沿用以往ES相关研究中使用的静态状态空间方法来模拟ESF。因此，未来有必要构建更科学、更完整、更可推广的模型，以更精细的方式评估更多类型ESs的流动。此外，EC政策的制定和实施还处于探索阶段，许多研究者对EC价值的量化和分配标准不一；此外，欧共体政策的影响现在才开始探讨。虽然ESF研究的出现使得EC有了新的突破，但是从ESF到EC还有很长的路要走。2024年4月，国务院发布《生态保护补偿条例》。作为世界上第一部专门针对生态保护补偿的立法，它强调了开展生态补偿工作的重要性和紧迫性。随着中国碳交易市场的不断发展和完善，本文也将尝试建立更加规范的EC体系，使EC更好地促进区域可持续发展。
初审：梁笑嫣
审核：徐彩瑶
排版编辑：李 宁
文献推荐人：李 宁
参考文献：Yuhe Ma, Hai Chen, Miaomiao Yang, Gulibaiheremu Aihemaiti, Wenjing Lu, Rujun Zhao, Ecological compensation based on multiscale ecosystem carbon sequestration service flow, Journal of Environmental Management, Volume 372, 2024, 123396, ISSN 0301-4797.
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