汾河流域碳平衡分区时空演变趋势

汪宇祥，宋 洁，张克露

(太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619)

碳平衡分区指在一定的行政管辖范围内，依托既有行政区划、功能单元或基于基础尺度(1 km×1 km)栅格的空间边界内碳源与碳汇的承载能力及空间分布，以及碳源与碳汇的总量及强度、减排潜力等，通过碳平衡计算，划定出具有相似特征及不同发展导向的次一级空间单元，表征不同空间单元碳排放的空间异质性[1]。中国政府将2030年碳达峰行动计划纳入“十四五”经济社会发展五年规划，但中国经济增长质量与欧美发达国家仍有较大差距，实现碳中和目标所需的碳减排量远高于其他经济体[2]。通过碳平衡分区，分析不同空间单元的碳平衡，协调区域碳平衡，有助于实现区域碳中和目标。

近年来，国内外学界开展了部分区域碳平衡的相关研究。Shaw等[3]分析认为加拿大阿尔伯塔省油砂地区的石油和天然气开采等人类活动是导致该地土地利用变化(森林减少)的主要原因，促使区域碳平衡从碳汇变成了碳源。Li等[4]对中国区域碳平衡研究显示，华北和西北为净碳源区，其他区域是净碳汇，土地利用变化导致各地区碳储量损失。城市地域的碳平衡研究成果较多。赵荣钦等[5]构建城市系统碳循环的理论框架，分析了南京市碳平衡状况。余光英等[6]对武汉城市圈开展碳平衡适宜性评价来划定碳平衡功能分区，并从土地利用结构优化的角度提出区际协调建议。彭文英等[7]从城乡生态补偿的视角开展了北京市碳平衡分析，以促进城乡生态统筹发展。张思敏等[8]以省域为研究区，通过安徽省各城市碳收支差异分析发现皖北和皖南区域碳平衡格局存在显著差异。宋苑震等[9]以北部湾城市群为研究区，认为调整碳汇用地形态与用地结构来增强碳循环能力以实现区域碳平衡。张小平[1]则以县域为单位，从整体上评估了桓台县各乡镇碳平衡状况，并从低碳空间规划的视角提出了基于碳平衡分区的差异化城镇发展模式。

总体而言，已有文献较少从流域视角开展碳平衡研究。流域属于一种典型的自然区域，是一条河流(或水系)的集水区域，它是以河流为中心，由分水线包围的区域，是一个从源头到河口的完整、独立、自成系统的水文单元，流域内各自然要素的相互关联极为密切，地区间相互影响显著[8]。由于流域内的生态环境具有一定的关联性和整体性，因此以流域为研究区，对协调和优化区域碳平衡具有重要的实践意义。本文以汾河流域为研究区，县域为基本单元，探讨流域内碳排放和碳吸收强度，分析其时空特征，进行碳平衡分区。

2020年12月召开的中央经济工作会议将碳达峰和碳排放列为2021年八项重点工作之一，提出调整能源结构、土地绿化等方面的意见，生态环境部要求各省政府制定全省碳达峰行动计划。山西省在2030年实现碳达峰面临一系列挑战。一是山西省社会经济发展水平不高，不仅要保持经济持续增长，而且要控制碳排放。二是重工业结构占比大，山西省能源密集型产业比重仍然较高，传统增长模式产生大量碳排放。三是山西省能源结构中煤炭占比大，煤炭约占58%，高碳能源结构面临转型困难。汾河流域是山西省重要的能源化工基地，是山西省国家资源型经济转型综合配套改革试验区的核心区域，是黄河流域生态保护和高质量发展的重要组成部分。进行汾河流域碳平衡分区，对山西省实现碳达峰碳中和目标、完善主体功能区划等具有重要参考意义。

1 数据来源与计算方法

1.1 研究区域

汾河发源山西省宁武县管涔山，于万荣县注入黄河，全长约713 km，是黄河重要的一级支流。汾河流域(35°22′6″～38°49′24″N、110°30′3″～112°50′24″E)流域面积39 826 km2。属温带大陆性气候，年均气温11 ℃，年均降水量392.8 mm，地表水资源量为15.855 7 m3，水资源总量为28.244 6 m3。汾河流域内自然资源丰富，包括2个国家级、10个省级自然保护区，6个国家级、9个省级森林公园以及19个湿地公园和9个风景名胜区，是黄河流域生态保护和高质量发展重要组成部分。流域主要涵盖忻州市、太原市、吕梁市、晋中市、临汾市、运城市6市的40个县区(图1)，是山西重要的能源化工基地、山西中部盆地城市群的主要部分。

图1 汾河流域所涉县区图

1.2 数据来源

以2020年山西省各县市的行政区划为标准，对存在变动的县市进行相应的调整。流域内各县市GDP数据来源于山西统计年鉴以及部分市县的统计年鉴数据，研究时间序列为2000—2017年。碳排放与碳吸收数据来源于中国碳核算数据库CEADs。CEADs是在国家自然科学基金委员会、科技部国际合作项目及重点研发计划、英国研究理事会等共同支持下编纂完成的涵盖中国及其他发展中经济体的多尺度碳核算清单及社会经济与贸易数据库。CEADs采用粒子群优化-反向传播(PSO-BP)算法将DMSP/OLS和NPP/VIIRS卫星数据进行匹配和统一，并对中国省市的夜间灯光数据和省市化石能源消费CO2排放数据进行拟合，然后基于自上而下的思路，以区县灯光亮度总量为权重反演中国区县的化石能源消费CO2排放量；采用MODIS平台提供的MOD17A3H产品测算各区县中所对应的净初级生产力，最后借助植被干物质与吸收CO2的转化系数得到陆地植被固碳量[10]。

1.3 计算方法

1.3.1 碳排放经济贡献系数

碳排放经济贡献系数(ECC)用于从经济利益角度衡量流域碳排放量的差异性[10]，计算公式为

(1)

式中：Cn和Dn分别表示第n个县的GDP 和碳排放量；C和D分别表示汾河流域的GDP和碳排放量。若 ECC>1，表明该县的碳排放经济贡献系数较高，反之则较低。

1.3.2 碳吸收生态承载系数

碳生态承载系数(ESC)即表示某一地区碳吸收占全区的比例与该区域碳排放全区的比例的商，反映了流域碳汇能力的大小[10]，计算公式为

(2)

式中：Em和Dm分别表示第m个县的碳吸收量和碳排放量；E和D分别表示汾河流域的碳吸收量和碳排放量。若ESC>1，表明该县的碳吸收生态承载系数较高，反之则较低。

2 结果与分析

2.1 汾河流域碳排放及其时空特征分析

2017年汾河流域碳排放总量为16 678.01万t，自2000年整体快速增长(图2)。大体可分为两个阶段：2000—2010年，为高速增长阶段；2011—2017年，为波动下降阶段。2017年上游碳排放量为1 392.20万t，中游碳排放量为9 689.70万t，下游碳排放量为5 596.11万t，中游碳排放量约为上游排放量7倍，不同河段差异显著。2000—2017年，中游碳排放量与下游碳排放量呈快速增长，上游碳排放量呈低位低速增长。不同河段的碳排放量整体呈增长趋势，即中游碳排放量>下游碳排放量>上游碳排放量。

图2 2000—2017年汾河流域碳排放量与碳汇量

2017年，各县市碳排放强度差异明显(图3)。其中，碳排放强度>1的有4个县市分别是太原市辖区、孝义市、介休市与河津市；碳排放强度<0.1的仅有一个县市，即静乐县。反映出汾河流域碳排放强度整体较高。从不同河段来看，上游碳排放强度最低，所涉5个县市碳排放强度均<0.5，呈低强度；中游碳排放强度最高，碳排放强度>1.5的有一个县市，即太原市辖区，碳排放强度>1的有两个县市，即孝义市与介休市，碳排放强度>0.5的有4个县市，即清徐县、汾阳市、灵石县与霍州市；下游碳排放强度次之，碳排放强度>1的有一个县市，即河津市，碳排放强度>0.5的有5个县市，即洪洞县、临汾市辖区、襄汾县、曲沃县与侯马市。整体呈现出中间高、南北两侧低的格局。这与汾河流域人类社会经济活动差异有关。

2.2 汾河流域碳吸收及其时空特征分析

2017年汾河流域碳吸收总量5 719.90万t，自2000年整体波动低速增长[图2(b)]。大体可为3个阶段：2000—2004年，为高速增长阶段；2005—2011年，为平稳阶段；20012—2017年，为波动上升阶段。2017年上游碳吸收量1 241.51万t，中游碳吸收量2 816.61万t，下游碳吸收量1 661.78万t，由于流域面积不同，不同河段呈现出不同差异。2000—2017年，上游碳吸收量与下游碳吸收量呈低位低速增长，中游碳吸收量呈较明显的波动增长。不同河段的碳吸收量整体呈稳定趋势，变化较小。

2017年，各县市碳吸收强度差异明显[图3(b)]。其中，碳吸收强度为0.16的有5个县市，分别是宁武县、岚县、交城县、翼城县与绛县；碳吸收强度为0.11的仅有一个县市，即清徐县。从不同河段来看，上游碳吸收强度最高，所涉4个县市碳排放强度均≥0.14，呈高强度；中游碳吸收强度最低，碳吸收强度为0.11的有一个县市，即清徐县，碳吸收强度为0.12的有3个县市，即太原市辖区、霍州市与介休市，碳吸收强度为0.13的有6个县市，即晋中市辖区、汾阳市、祁县、平遥县、灵石县与孝义市；下游碳吸收强度相对较高，碳吸收强度为0.16的有两个县市，即翼城县与绛县，碳吸收强度为0.11的有一个县市，即河津市。整体呈中间低、南北两侧高的格局。这与汾河流域不同地区的地形差异和土地利用方式有关。

2.3 汾河流域ECC与ESC时空特征分析

为探究汾河流域碳排放与碳吸收的动态演变规律，将计算出的汾河流域34县市的ECC与ESC输入STATA16软件进行核密度估计分析。为方便分析各年份核密度在时间上的动态变化，本文选取2000、2009、2017年3个时段的数据分别进行测算。

由表1可知，2000、2009、2017年3个时段的ECC均值均为中游>下游>上游，其中上游差距较大，说明上游的经济效率和能源利用效率显著低于中游与下游。并且，全流域ECC均值由0.76下降到0.72，呈下降态势。上游ECC均值至2009年下降明显，后有回升，但整体呈下降趋势；中游ECC均值微下降后保持较稳定的态势；下游ECC均值则微上升之后明显下降。3个时段的ESC均值均为上游>中游>下游，其中上游ESC均值明显较高，说明上游具有相对较高的碳吸收量。上游ESC均值在2000年处较高水平，之后发生显著下降；中游ESC均值也呈一定下降趋势；下游ESC均值略有变化，但较为稳定。从整体上看，ESC均值由1.86下降到1.65，呈明显下降的趋势。

表1 2000、2009、2017年汾河流域ECC与ESC均值

从图4来看，3个时段的ECC均呈明显的单峰模式，并大部分低于0.8。自2000年两极分化程度较高到2009年两极分化程度降低再到2017年两极分化程度又增大的过程。2006—2017年的核密度曲线先右移后微量左移，整体呈微量右移趋势，从位置上看，ECC的核密度分布2000年呈右偏态分布，2009年和2017年转为正态分布，反映出汾河流域的ECC总体上呈现降低的趋势。3个年份的ESC存在差异，2000年的曲线呈双峰模式，波峰分布在1和5附近，第1峰值明显高于第2峰值，表明该时期汾河流域ESC的两极分化程度相对较低。2009年的曲线呈三峰模式，第2、3波峰位于2～4，第1峰值明显高于第2、3峰值，波峰间距较2000年曲线明显收窄，表明该时段汾河流域ESC的两极分化程度相对较高。2017年的曲线呈双峰模式，第2波峰位于2～3，第1峰值明显高于第2峰值，波峰间距较2009年曲线收窄，表明该时段汾河流域ESC的两极分化程度进一步提高。3个年份的ESC大部分高于1，呈右偏态分布，说明2006—2017年汾河流域ESC整体较高。2006—2017年的核密度曲线未明显移动，但ESC>4的核密度值明显减小，反映出汾河流域的ESC总体上呈现减小的趋势。上述结果说明，汾河流域的社会经济为粗放发展。

图4 2000、2009、2017年汾河流域ECC与ESC核密度

2.4 汾河流域碳平衡分区

综上，通过对汾河流域各县市碳排放总量、碳排放强度、经济贡献率和生态承载系数等指标的测算，划分为4类区域，即碳收支平衡区、碳强度控制区、碳汇功能区和高碳优化区。碳收支平衡区即ECC>0.8、ESC>1的县市，该类县市的碳排放总量较小或单位GDP碳排放量较小，且碳吸收量较高，生态压力相对不明显；碳强度控制区即ECC>0.8、ESC<1的县市，该类县市的单位GDP碳排放量较小，经济发达，但碳排放总量较大或由于忽视生态系统的规划建设，导致碳吸收生态承载系数较低；碳汇功能区即ECC<0.8、ESC>1的县市，该类县市单位GDP碳排放量较大，经济粗放，但碳排放总量低或由于生态基础较好，碳吸收量较高，生态压力较低；高碳优化区即ECC<0.8、ESC <1的县市，该类县市碳排放总量相对较大或单位GDP碳排放量较大，且碳吸收量不高。本文选择2000、2009、2017年汾河流域的碳平衡分区按上中下游进行对比分析(图5)。

图5 2000、2009、2017年汾河流域上中下游ECC与ESC雷达图

上游碳平衡分区：主要为碳汇功能区，反映出汾河流域上游生态环境整体良好。其中，宁武县、静乐县、岚县与娄烦县在3个时段均为碳汇功能区，古交市于2000年和2009年为高碳优化区，2017年转为碳汇功能区，反映出古交市生态环境得到改善。

中游碳平衡分区：介休市、霍州市与汾阳市在3个时段均为高碳优化区，经济发展迅速，但较为粗放，生态环境不佳。阳曲县、文水县、交城县与交口县在3个时段均为碳汇功能区，是中游重要的碳汇。太原市辖区在3个时段均为碳强度控制区，反映出太原市辖区经济发达，但生态环境未得到同步改善。祁县在3个时段均为碳收支平衡区，反映出祁县经济与生态协调发展。清徐县于2000年和2009年为碳强度控制区，2017年转为高碳优化区，反映出清徐县生态环境未好转。平遥县于2000年为碳汇功能区，2009年和2017年转为高碳优化区，反映出平遥县生态环境逐渐恶化。晋中市辖区于2000年和2009年为碳收支平衡区，2017年转为碳强度控制区，反映出晋中市辖区生态环境有恶化趋势。寿阳县于2000年为碳汇功能区，2009年和2017年转为碳收支平衡区，反映出寿阳县生态环境逐渐恶化。灵石县和孝义市于2000年为高碳优化区，2009年和2017年转为碳强度控制区，反映出灵石县社会经济快速发展，但生态环境未得到同步改善。汾西县于2000年和2009年为高碳优化区，2017年转为碳汇功能区，反映出汾西县生态环境得到改善。

下游碳平衡分区：稷山县、襄汾县与洪洞县在3个时段均为高碳优化区。古县和翼城县在3个时段均为碳汇功能区，是中游重要的碳汇。侯马市和临汾市辖区在3个时段均为碳强度控制区，反映出该地经济发达，但生态环境未得到同步改善。绛县在3个时段均为碳收支平衡区，反映出绛县经济与生态协调发展。万荣县在2000年为碳收支平衡区，2009年和2017年转为碳汇功能区，反映出万荣县生态环境得到改善。新绛县在2000年为碳收支平衡区，2009年转为碳强度控制区，2017年转为碳汇功能区，反映出新绛县生态环境先恶化后改善。曲沃县和河津市于2000年和2009年为碳强度控制区，2017年转为高碳优化区，反映出河津市社会经济与生态环境同步恶化的趋势。浮山县于2000年和2009年为碳汇功能区，2017年转为碳收支平衡区，反映出浮山县生态环境有恶化趋势。

从全流域看，2017年，碳收支平衡区为4个，碳强度控制区为6个，碳汇功能区为14个，高碳优化区为10个。碳强度控制区主要为碳排放总量大且经济较发达的地区，包括太原市辖区、晋中市辖区、临汾市辖区、孝义市、灵石县以及侯马市，均分布在汾河中游与下游。高碳优化区主要为碳排放量总量较大但经济效率较低、且生态环境较差的地区，包括清徐县、汾阳市、平遥县、介休市、霍州市、洪洞县、襄汾县、曲沃县、稷山县以及河津市，均分布在汾河中游与下游。碳收支平衡区主要为社会经济发展相对较弱，但生态环境较好的地区，包括寿阳县、祁县、浮山县以及绛县，均分布在汾河中游与下游。碳汇功能区主要为社会经济发展弱，但生态环境良好的地区，包括宁武县、静乐县、岚县、娄烦县、古交市、阳曲县、交城县、文水县、交口县、汾西县、古县、翼城县、新绛县以及万荣县，全流域均有分布，但主要位于上游。汾河流域碳平衡整体上呈现出中间差、南北两侧好的空间格局。2000、2009、2017年汾河流域碳平衡分区如图6所示。

图6 2000、2009、2017年汾河流域碳平衡分区

3 讨论与结论

3.1 讨论

汾河流域整体气候状况、地形地貌、土地覆被类型以及社会经济发展等方面的差异，影响了各单元的碳排放总量、碳汇总量、碳排放强度、碳吸收强度、碳排放经济贡献系数和碳吸收生态承载系数，共同决定了碳平衡的区域分异。受各单元社会经济规模影响，汾河流域的碳排放量表现为：中游碳排放量>下游碳排放量>上游碳排放量，流域碳排放强度整体呈现出中间高、南北两侧低的格局，这与汾河流域县域经济的热点和冷点区域相吻合[10]。各县市的工业发展程度不同，流域碳排放量与碳排放强度差异明显。

土地覆被类型以及社会经济发展对流域碳吸收量和碳吸收强度有明显影响。中游土地面积较大，碳吸收总量也相对较大，但由于人口众多、矿产资源开发规模大、社会经济发达，大量土地转变为耕地和建设用地[9]，导致大量林地和草地被侵占，碳吸收强度明显较低。上游与下游由于土地面积较小，因此碳吸收总量相对较小。下游东南部与上游人口密度较小，多山地，以林草地为主，碳吸收强度高，导致流域碳吸收强度整体呈现出中间低、南北两侧高的格局。

产业结构、能源结构和科技水平对ECC有重要影响。ECC均值为中游>下游>上游，其中上游差距较大。上游县市工业基础较薄弱，经济效率和能源利用效率较低。2000、2009、2017年3个年份的汾河流域ECC均呈明显的单峰模式，并大部分低于0.8，汾河流域的ECC总体上呈现降低的趋势。2000年以来，汾河流域煤炭经济高速增长，炼焦、冶金、电力等重化工企业快速崛起，碳排放量巨大，但经济效益偏低，尤其在2012年国际煤炭价格持续走低之后，ECC进一步降低。此外，由于煤炭价格与技术进步呈正向线性相关关系[11]，低迷的煤炭价格阻碍了减碳技术的进步，未能有效减小单位GDP碳排放量，致使ECC下降。

上游ESC均值虽较高水平，之后发生显著下降，ESC的降低主要体现为区域植被固碳能力的下降，说明上游林草资源受到明显破坏。同时，水资源短缺地区对重化工产业响应明显，间接影响到流域植被固碳能力。汾河流域用水量较大，为31.08亿m3，占黄河流域用水量的60.7%，占全省用水总量的40.9%[12]，挤占了部分生态用水，对流域ESC存在一定影响。2000、2009、2017年3个年份的汾河流域ESC的两极分化程度逐步扩大，其中静乐县、宁武县以及寿阳县ESC最高。宁武县生态环境基础好，但多年来，生产活动频繁、工矿用地过度扩张，对耕地、建设用地的需求增加[13]，宁武县ESC整体下降之势，静乐县与寿阳县则经历了生态破坏和修复的过程。但由于社会经济发展较为粗放，生态环境修复有待加强，造成汾河流域的ESC总体上呈现减小的趋势。

汾河流域上游生态环境整体良好，主要为碳汇功能区。研究认为汾河流域的生态空间位于流域边缘山区，生产、生活空间位于核心盆地区[14]。与此相应，汾河流域碳平衡整体上呈现出中间差、南北两侧好的空间格局。经济发展程度较高的县市碳平衡普遍较差；经济发展较弱的县市主要是一些山区县市，碳平衡普遍较好。其中，碳收支平衡区包括寿阳县、祁县、浮山县以及绛县，主要为社会经济发展相对较弱的地区，说明汾河流域社会经济发展水平与生态环境质量水平不协调。

3.2 结论

1)受各单元社会经济规模影响，汾河流域的碳排放量表现为：中游碳排放量>下游碳排放量>上游碳排放量，流域碳排放强度整体呈现出中间高、南北两侧低的格局。

2)2000—2017年，上游碳吸收量与下游碳吸收量呈低位低速增长态势，中游碳吸收量呈较明显的波动增长变化。不同河段的碳吸收量整体呈稳定趋势，变化较小。流域碳吸收强度整体呈现出中间低、南北两侧高的格局。汾河流域的碳排放经济贡献系数与碳吸收生态承载系数总体上均呈现下降的趋势，因社会经济发展较为粗放，生态环境修复有待加强。

3)汾河流域碳平衡整体上呈现出中间差、南北两侧好的空间格局，汾河流域上游生态环境整体良好，为汾河流域主要的碳汇功能区。经济发展程度较高的县市，碳平衡普遍较差；经济发展较弱的县市，碳平衡普遍较好，汾河流域社会经济发展水平与生态环境质量水平不协调。