2000—2020 年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯時(shí)空演變及影響因素分析

黃漢志，賈俊松，劉淑婷，陳地蘭

1. 江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330022

2. 江西師范大學(xué)，鄱陽(yáng)湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330022

探究土地利用/覆被中碳匯的大小、分布及其變化是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)/平衡研究中的重大科學(xué)問(wèn)題[1]. 2020 年中國(guó)提出了“3060”目標(biāo)，即CO2排放量力爭(zhēng)于2030 年達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和(“雙碳”目標(biāo)). 但從碳達(dá)峰到碳中和的過(guò)渡期來(lái)看，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍需要50~70 年，而中國(guó)設(shè)定的過(guò)渡期僅為30 年，這意味著中國(guó)在應(yīng)對(duì)全球氣候變化和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的行動(dòng)道路上將面臨著比發(fā)達(dá)國(guó)家更為艱巨的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)[2]. 碳增匯作為減緩大氣CO2濃度上升和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要手段[3-5]，由于不同地區(qū)的土地利用方式、生態(tài)管理策略等不盡相同，導(dǎo)致地區(qū)之間的碳匯分布和潛力也存在較大差異[6-7]，因此探討地區(qū)之間碳匯演變差異及其影響因素，有助于科學(xué)評(píng)估區(qū)域的碳匯分布和潛力，厘清影響碳匯的驅(qū)動(dòng)機(jī)制以及因地制宜地進(jìn)行碳匯管理等.

在《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》中，碳匯被定義為從大氣中清除CO2或其他含C 元素的溫室氣體的過(guò)程、活動(dòng)和機(jī)制[8]，碳匯用地是指通過(guò)光合作用等形式將大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物，并以有機(jī)碳的形式固定在植物體內(nèi)或土壤內(nèi)的用地，包括林地、水域、牧草地和其他非建設(shè)用地等[9]. 目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者多通過(guò)結(jié)合相關(guān)模型和土地利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)碳匯進(jìn)行研究，其主要研究?jī)?nèi)容可歸納為以下兩方面：一是對(duì)區(qū)域的土地利用碳匯時(shí)空演變特征進(jìn)行研究，研究[10-12]發(fā)現(xiàn)，隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，碳匯用地失衡可能是導(dǎo)致國(guó)土空間碳循環(huán)失衡的重要原因；二是探究影響碳匯的驅(qū)動(dòng)因素[13-15]，其中碳匯分布受自然因素(如降水、氣溫等)影響較大，已有研究[16]從不同尺度驗(yàn)證了降水量及地形等因素對(duì)區(qū)域碳匯變化具有重要影響. 另有研究[17-19]表明，土地利用/覆被變化對(duì)區(qū)域的碳匯潛力將產(chǎn)生巨大影響，土地利用變化會(huì)導(dǎo)致區(qū)域植被分布和植被覆蓋率發(fā)生改變，從而影響碳匯的積累速率[20]. 綜上，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于土地利用/覆被變化下的碳匯研究已取得了豐碩成果，但仍有些方面亟需改進(jìn)和深入研究：首先，數(shù)據(jù)的精度有待提高，在研究碳匯的時(shí)空演變時(shí)鮮有使用連續(xù)的土地利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法捕捉到某一時(shí)段碳匯變化的具體情況，進(jìn)而影響到研究結(jié)果的精確度；其次，在探究驅(qū)動(dòng)因素時(shí)，研究方法多樣，如灰色關(guān)聯(lián)模型[21]、地理加權(quán)回歸模型[22]等，但傳統(tǒng)的相關(guān)性分析和回歸方法易忽略要素之間的關(guān)聯(lián)性和耦合性，易忽視驅(qū)動(dòng)因子作用的空間異質(zhì)性問(wèn)題[23]；此外，現(xiàn)有研究中就因子之間的交互作用對(duì)區(qū)域碳匯的影響程度未做充分考慮，這不利于深入理解生態(tài)系統(tǒng)碳匯的分布和演變規(guī)律.

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶作為國(guó)家區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的重要區(qū)域，是國(guó)家重要的生態(tài)功能保護(hù)區(qū)[24]和碳匯貢獻(xiàn)區(qū)[11,15,25]，區(qū)域內(nèi)地形、氣候等自然條件復(fù)雜多樣，碳匯儲(chǔ)量豐富. 新時(shí)期以來(lái)，在城市化和工業(yè)化快速推進(jìn)的同時(shí)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的碳匯儲(chǔ)量也面臨著減少的風(fēng)險(xiǎn)[26]，區(qū)域內(nèi)碳匯分布狀況及影響因素等問(wèn)題日益受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[15,27-28]，研究長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯的分布和驅(qū)動(dòng)因素具有重要的理論和實(shí)踐意義. 首先，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶是中國(guó)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的區(qū)域，同樣也是國(guó)家重大的區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略試驗(yàn)區(qū)，加強(qiáng)對(duì)其碳匯研究不僅利于促進(jìn)該區(qū)域低碳可持續(xù)的碳匯管理和生態(tài)文明建設(shè)，還可為我國(guó)其他相似地區(qū)的碳匯研究以及碳減排政策制定提供有益啟示和借鑒. 其次，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶域內(nèi)各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異較大，這也導(dǎo)致了該地區(qū)的碳匯分布情況和驅(qū)動(dòng)因素的特殊性，加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)的碳匯研究也有助于深化了解不同的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境對(duì)土地利用/覆被碳循環(huán)的影響.

基于此，該文以長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯用地為研究對(duì)象，在核算研究區(qū)碳匯量的基礎(chǔ)上，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、重心遷移模型、地理探測(cè)器等方法，探討長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯用地在時(shí)空格局上的演變規(guī)律和驅(qū)動(dòng)性因素等問(wèn)題. 以期促進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶減碳增匯發(fā)展，同時(shí)為我國(guó)其他地區(qū)進(jìn)行碳匯研究和碳匯的可持續(xù)管理提供有益參考和借鑒.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶橫跨中國(guó)東、中、西三大區(qū)域，東起上海市，西至云南省，面積約205.23×104km2，人口和生產(chǎn)總值均超過(guò)全國(guó)的40%，是國(guó)家重點(diǎn)實(shí)施的“三大戰(zhàn)略”之一. 區(qū)域內(nèi)地勢(shì)西高東低，東西海拔差異較大；以季風(fēng)氣候?yàn)橹?，年降水量豐富；植被茂密，生態(tài)環(huán)境良好、碳匯發(fā)展?jié)摿薮? 作為中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的先行示范區(qū)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶肩負(fù)著率先實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重大使命. 為此，分析長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶土地利用/覆被中碳匯的時(shí)空格局和影響因素對(duì)于促進(jìn)該區(qū)域的減碳增匯以及綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

數(shù)據(jù)來(lái)源：①2000——2020 年土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)源于楊杰、黃昕研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的30 m 土地覆蓋數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集最大的優(yōu)勢(shì)是基于Google Earth Engine (GEE)云平臺(tái)，利用LandSat 數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)年的土地利用分類(lèi)結(jié)果，時(shí)間和空間分辨率明顯優(yōu)于其他數(shù)據(jù)集[29]. ②DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)于2020 年發(fā)布的全球30 m 分辨率DEM 數(shù)據(jù)集，為當(dāng)前最新的一套數(shù)據(jù)，具有質(zhì)量好、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn). ③2000——2020 年降水量數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)——中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0). ④2000——2020 年社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括年末總?cè)丝?、工業(yè)產(chǎn)值、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)等，來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和部分省份統(tǒng)計(jì)年鑒；植樹(shù)造林面積數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶統(tǒng)計(jì)年鑒》.

數(shù)據(jù)處理：對(duì)遙感影像利用ArcGIS 10.2 軟件進(jìn)行解譯，并按中國(guó)科學(xué)院土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地類(lèi)進(jìn)行重分類(lèi)，最后分區(qū)統(tǒng)計(jì)得到各省份土地利用面積；由于2020 年降水量數(shù)據(jù)缺失，故以相鄰年份2019 年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充；對(duì)于個(gè)別缺失值采用多重插值法進(jìn)行補(bǔ)齊.

1.3 研究方法

1.3.1 碳核算系數(shù)法

由于耕地上的農(nóng)作物雖然會(huì)通過(guò)光合作用吸收CO2，但很快又會(huì)以CH4的形式將C 排放到大氣中[30].此外，農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中由于大量氮肥和有機(jī)肥的使用，耕地上還會(huì)產(chǎn)生N2O 等溫室氣體的排放[31]，碳匯效應(yīng)很弱，因此將其視為碳源. 所以該研究中碳匯的核算主要包括林地、草地、水域和未利用地，根據(jù)IPCC 碳核算系數(shù)法，該研究中核算方法如下：

式中：CTm為第m種碳匯用地的碳匯量，104t；Bm為對(duì)應(yīng)的碳匯用地的面積，hm2；bm為碳匯用地m的碳匯系數(shù)(速率)，t/hm2. 在結(jié)合研究區(qū)地理環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)追蹤國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果[32-35]，確定林地、草地、水域和未利用地碳匯系數(shù)分別為0.644、0.022、0.253、0.005 t/hm2.

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓(standard deviation ellipse，SDE)是研究區(qū)域要素空間分布及其演變趨向的經(jīng)典方法. 相較于其他研究要素空間分布的方法，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓能更直觀(guān)地表征地理要素空間方向的分布格局，并從全局的角度定量揭示要素空間演變的趨向性、延展性和空間分布范圍的集聚或分散等整體性特征[36-38]. 在該研究中，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯空間分布相關(guān)橢圓參數(shù)的測(cè)算，可定量分析碳匯在整體層面上的地理空間分布及演變特征. 計(jì)算公式如下：

式中：n為研究區(qū)某種碳匯用地?cái)?shù)量，CTi為第i個(gè)研究對(duì)象(某種碳匯用地)的碳匯量，104t；(xi，yi)為研究對(duì)象的空間位置坐標(biāo)；、分別為標(biāo)準(zhǔn)差橢圓平均中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)；和分別為研究對(duì)象的空間坐標(biāo)到平均中心的坐標(biāo)偏差；σx、σy分別為標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長(zhǎng)軸、短軸的距離，km；θ為標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的方向角度，是由正北沿順時(shí)針?lè)较蚺c橢圓長(zhǎng)軸的夾角；ωi為第i個(gè)研究對(duì)象的權(quán)重，在該研究中以各碳匯變量的屬性作為權(quán)重. 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長(zhǎng)軸表示碳匯的分布方向，短軸表示碳匯的分布范圍，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的長(zhǎng)短軸比例越大，表示碳匯分布的方向性越明顯，反之不明顯.

1.3.3 重心遷移模型

重心遷移模型是一種用于揭示區(qū)域內(nèi)一組要素的平均中心隨時(shí)間變化的常用方法，可借助重心點(diǎn)、遷移方向、遷移距離等指標(biāo)來(lái)分析特定要素的動(dòng)態(tài)空間分布及在空間上的演變趨勢(shì)[39-41]. 與傳統(tǒng)的靜態(tài)分析法相比，重心遷移模型更注重研究要素在時(shí)空上的動(dòng)態(tài)變化特征. 假設(shè)某區(qū)域由n個(gè)子區(qū)域組成(本研究中n為某種碳匯用地的數(shù)量)，其中第i個(gè)研究對(duì)象的空間地理坐標(biāo)(或質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo))為(xi，yi)，ωi為第i個(gè)研究對(duì)象的權(quán)重，采用加權(quán)平均中心來(lái)獲取研究對(duì)象i的平均地理中心坐標(biāo). 該研究中將各碳匯變量的屬性作為權(quán)重，采用加權(quán)平均中心來(lái)獲取各研究對(duì)象的坐標(biāo)平均值. 計(jì)算公式如下：

1.3.4 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器是基于空間異質(zhì)性原理，對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并揭示其背后驅(qū)動(dòng)因子的研究方法[42-44]. 與其他研究影響因素的方法(如LMDI 因素分解法)相比，地理探測(cè)器可用來(lái)解釋影響因素的空間異質(zhì)性問(wèn)題；地理探測(cè)器模型無(wú)線(xiàn)性假設(shè)，對(duì)多重共線(xiàn)性免疫，與傳統(tǒng)的回歸分析法相比，能夠更好地探究影響因素之間復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系. 該研究運(yùn)用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)模塊和交互作用探測(cè)模塊對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行探測(cè)分析. 其中q值是地理探測(cè)器中最為主要的統(tǒng)計(jì)量，可用于度量空間分異性、探測(cè)解釋因子、分析變量之間的交互關(guān)系.q值的計(jì)算公式如下：

式中：h=1，2，···，L為變量Y或因子X(jué)的分層(Strata)；Nh和N分別為層h和全區(qū)的單元數(shù)(樣本量)；σh2和σ2分別為層h和全區(qū)Y值的方差. 由式(6)可知，q的取值范圍為[0,1]，數(shù)值越大，說(shuō)明因子對(duì)被解釋變量空間分異的解釋力度越強(qiáng).

基于此，該研究綜合考慮自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，選取海拔高度、降水量等6 個(gè)指標(biāo)變量來(lái)分析影響長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯量的驅(qū)動(dòng)性因素，各變量定義如表1所示.

2 結(jié)果與分析

為便于分析，依據(jù)長(zhǎng)江干流河段劃分標(biāo)準(zhǔn)及考慮到研究區(qū)省份的完整性，將長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶劃分為三大地區(qū)：①上游地區(qū)，包括云南省、四川省、貴州省和重慶市；②中游地區(qū)，包括湖北省、江西省和湖南?。虎巯掠蔚貐^(qū)，包括安徽省、江蘇省、浙江省和上海市.

2.1 時(shí)序特征分析

由圖1 可知，2000——2020 年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量和碳匯強(qiáng)度總體上以波動(dòng)上升為主，其中碳匯量從2000 年的6 971.98×104t 增至2020 年的7 004.09×104t；碳匯強(qiáng)度從2000 年的0.532 t/hm2增至2020 年的0.538 t/hm2. 具體而言，2000——2012 年碳匯總量呈現(xiàn)波動(dòng)上升；2012——2014 年碳匯總量又有明顯下降，從7 008.78×104t 降至6 956.30×104t，2014 年成為研究期內(nèi)碳匯量的一個(gè)“低谷”年，這可能與重大自然災(zāi)害導(dǎo)致部分省份碳匯用地特別是林地退化有關(guān)；后期又開(kāi)始穩(wěn)步回升到2020 年的7 004.09×104t. 從碳匯結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)來(lái)看，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯結(jié)構(gòu)在研究期內(nèi)變動(dòng)幅度較小，基本保持穩(wěn)定. 碳匯貢獻(xiàn)量從大到小依次為林地、水域、草地和未利用地，其中林地是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶最大的碳匯貢獻(xiàn)者，平均每年維持在6 817.66×104t 左右的固碳量水平，占碳匯總量的96%以上，除2002 年和2014 年有所下降外，其余年份均以上升為主. 水域和草地的碳匯比重占3%左右，其中水域碳匯在2014 年達(dá)到最大值(129.51×104t)，之后趨于下降，但總體以上升為主；草地碳匯呈現(xiàn)下降 的 態(tài) 勢(shì)，從2000 年 的44.09×104t 降 至2020 年 的40.62×104t，降幅約為7.87%. 未利用地的碳匯比重較小，固碳能力微弱. 從分地區(qū)(見(jiàn)圖3)來(lái)看：首先，就變化趨勢(shì)而言，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各地區(qū)之間的碳匯強(qiáng)度變化特征不盡相同，中上游地區(qū)的碳匯強(qiáng)度以波動(dòng)上升為主，如上游地區(qū)從0.487 t/hm2升至0.497 t/hm2，碳匯潛力得到提高；相比之下，下游地區(qū)的碳匯強(qiáng)度大致呈現(xiàn)倒“M”型的變化特點(diǎn)，2008 年和2016 年成為研究期內(nèi)兩個(gè)明顯的強(qiáng)度“低谷”年，2016 年后才開(kāi)始出現(xiàn)逐步回升. 其次，就變動(dòng)頻率而言，上游地區(qū)變動(dòng)頻率較低，整體以上升態(tài)勢(shì)為主，而中下游地區(qū)的碳匯強(qiáng)度波動(dòng)較頻繁，如2000——2002 年和2012——2016年均有不同程度的降低. 綜上，研究期內(nèi)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量和強(qiáng)度均有提高，林地是最大的碳匯貢獻(xiàn)用地且碳匯結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定；此外，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各地區(qū)碳匯強(qiáng)度變化不盡相同，中上游以上升態(tài)勢(shì)為主，但中游變動(dòng)頻率較高，下游地區(qū)碳匯強(qiáng)度大致呈倒“M”型的變化特點(diǎn)且變動(dòng)也較頻繁.

圖1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量和碳匯強(qiáng)度的變化Fig.1 Changes in total carbon sinks and carbon intensity in the Yangtze River Economic Belt

圖2 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯結(jié)構(gòu)Fig.2 Carbon sink structure of the Yangtze River Economic Belt

圖3 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各地區(qū)碳匯強(qiáng)度的時(shí)間變化Fig.3 Temporal variation of carbon sink intensity by region in the Yangtze River Economic Belt

2.2 空間演變特征分析

2.2.1 碳匯強(qiáng)度的時(shí)空演變特征

考慮到長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶沿線(xiàn)省份面積大小不一，以碳匯強(qiáng)度的變化情況來(lái)反映長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶不同地區(qū)碳匯的時(shí)空演變差異性更符合客觀(guān)實(shí)際. 由圖4 可見(jiàn)，2000——2020 年，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各省份碳匯強(qiáng)度在空間上分布不均，碳匯強(qiáng)度最大的省份主要分布在中上游地區(qū)，而下游大部分省份碳匯強(qiáng)度較低，在空間上大致呈現(xiàn)“南高北低、西高東低”的空間分布格局. 隨著時(shí)間推移，中上游大部分省份碳匯強(qiáng)度均有所增強(qiáng)，如四川省碳匯強(qiáng)度從2000 年的0.349 t/hm2增至2020 年的0.362 t/hm2，增幅達(dá)到3.66%，是上游地區(qū)碳匯強(qiáng)度增長(zhǎng)最快的省份；相比之下，下游地區(qū)的省份由于受城市化推進(jìn)的影響顯著，部分省份碳匯強(qiáng)度有出現(xiàn)不同程度減弱的情形，如江蘇省碳匯強(qiáng)度從2000 年的0.311 t/hm2降至2020 年的0.303 t/hm2，降幅為2.56%.

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析

由碳匯標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析結(jié)果(見(jiàn)圖5)可知，2000——2020 年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量以東北——西南空間布局為主且集中分布于長(zhǎng)江中上游地區(qū). 究其原因：長(zhǎng)江中上游地區(qū)地形多以山地丘陵為主，森林、草地等碳匯用地面積較大，導(dǎo)致碳匯總量的主體也主要集中于中上游地區(qū)，包括貴州省、重慶市等. 此外，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯整體上在往西躍進(jìn)，2010 年后向西遷移的趨勢(shì)更加明顯，表明東部地區(qū)固碳速率高的碳匯用地(如林地等)有所縮減且速度可能在加快，這導(dǎo)致碳匯總量集中分布區(qū)會(huì)在后期呈現(xiàn)向西加快移動(dòng)的特點(diǎn).

為分析各用地碳匯量的空間分布及演變趨向，結(jié)合式(4)得到各用地碳匯標(biāo)準(zhǔn)差橢圓，結(jié)果如圖6 所示. 首先，林地碳匯標(biāo)準(zhǔn)差橢圓與碳匯總量相似，也呈東北——西南走向，結(jié)合橢圓向西收縮的趨勢(shì)可知，林地面積在研究期內(nèi)有所下降且分布區(qū)域在西移. 其次，草地和未利用地碳匯集中分布在四川省中西部的川西高原，二者均呈現(xiàn)南(稍偏西)——北(稍偏東)走向，且與2000 年相比，碳匯用地都有明顯縮小. 最后，水域碳匯主要分布在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長(zhǎng)軸可知其碳匯也主要以東北——西南走向?yàn)橹鞑⑾蛭鬈S進(jìn).

圖6 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各用地碳匯標(biāo)準(zhǔn)差橢圓Fig.6 Standard deviation ellipse of carbon sinks by sites in the Yangtze River Economic Belt

由表2 可知，研究期內(nèi)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量及各用地碳匯在空間分布上均有較大變化. 2000——2010年，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量以及林地和水域碳匯的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓面積都有所擴(kuò)大，表明這10 年間長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶林地及水域碳匯在空間分布上有所擴(kuò)展，集中度有所減弱；但其中草地和未利用地的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓面積有所縮小，表明其空間分布范圍趨向集中. 2010——2020年，除水域碳匯外，其余用地的碳匯面積均在縮減，其中草地和未利用地碳匯的空間位置分布更為集中，而水域碳匯的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓面積則進(jìn)一步擴(kuò)大，這得益于近年來(lái)長(zhǎng)江中下游地區(qū)退耕還湖等政策的有效實(shí)施.

表2 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量及各用地碳匯標(biāo)準(zhǔn)差橢圓相關(guān)參數(shù)Table 2 Elliptical correlation parameters for total carbon sinks and standard deviation of carbon sinks by site in the Yangtze RiverEconomic Belt

2.2.3 重心遷移模型

由圖7 可見(jiàn)，2010 年后長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯的重心變化幅度均大于2010 年前，在2010 年后碳匯總量與各碳匯用地的空間演變特征趨于顯著. 其中，林地碳匯與長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量的重心主要集中在貴州省德江縣境內(nèi)(即長(zhǎng)江上游地區(qū))且二者遷移軌跡相似，2000——2004 年先向東北移動(dòng)，2004 年后開(kāi)始往西躍進(jìn)，累積實(shí)現(xiàn)的遷移距離分別為18.81 和17.76 km.水域碳匯重心主要集中在湖北省境內(nèi)(即長(zhǎng)江中游地區(qū))，整體上以向西躍進(jìn)為主且重心變化較大，累積實(shí)現(xiàn)遷移距離73.46 km；草地碳匯重心主要集中在四川省滎經(jīng)縣境內(nèi)，整體以向北移動(dòng)為主，累積實(shí)現(xiàn)遷移距離21.76 km；未利用地碳匯重心主要集中在四川省天全縣境內(nèi)，重心波動(dòng)較大但整體以向西遷移為主，累積實(shí)現(xiàn)遷移距離32.38 km.

圖7 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯量及各碳匯用地重心遷移軌跡Fig.7 Carbon sinks and the migration trajectory of the center of gravity of each carbon sink site in the Yangtze River Economic Belt

2.3 影響因素分析

2.3.1 總體影響因素分析

通過(guò)運(yùn)用地理用探測(cè)器模型得到相關(guān)探測(cè)結(jié)果如圖8 所示. 由圖8(a)所示q值可知，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯量受到自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的雙重作用，其影響力由大到小依次為地形(x1)、降水量(x2)、國(guó)家政策(x6)、土地利用強(qiáng)度(x5)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平(x3)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模(x4).

圖8 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶地理探測(cè)器相關(guān)結(jié)果Fig.8 Related results of geodetector in the Yangtze River Economic Belt

由圖8(b)可見(jiàn)，各因素交互作用后均呈現(xiàn)雙因子增強(qiáng)的特點(diǎn)，不存在相互獨(dú)立起作用的因子，并且任何兩個(gè)驅(qū)動(dòng)因素相互作用后對(duì)碳匯量大小分布的影響力均大于單一因子. 首先，自然因素和其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素相互作用時(shí)，其q值的統(tǒng)計(jì)量均大于0.9，表明碳匯大小的分布在受到人類(lèi)活動(dòng)影響之后，變化更加顯著. 其次，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中，雖然經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的單因子影響力較低，但與其他因子交互作用后解釋力都有所增強(qiáng)，表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模是影響碳匯量分布的間接因素. 最后，土地利用強(qiáng)度與國(guó)家政策的交互影響(q=0.932)在所有社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素交互作用中的影響力最大，表明政策因素影響下的人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)于碳匯量大小的變化具有重要影響.

2.3.2 影響因素具體分析

在自然因素中，地形、降水等自然條件可為碳匯用地(如林地、草地、水域)等提供必要前提. 對(duì)于長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶，相較長(zhǎng)江中下游平原而言，以丘陵山地為主的中上游地區(qū)不利于耕地的發(fā)展和建設(shè)用地的擴(kuò)張，再加上在地形的影響之下，地形雨較多，導(dǎo)致碳匯用地分布較廣，碳匯潛力巨大. 根據(jù)地理探測(cè)器結(jié)果可知，自然因素在受到人為擾動(dòng)的影響后，碳匯大小的變化可能會(huì)更加顯著.

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中，國(guó)家政策是影響其碳匯量變化的最重要原因，退耕還林、封山育林等生態(tài)政策對(duì)于長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)帶碳匯用地的保護(hù)與增加具有重要作用.“十三五”以來(lái)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶沿線(xiàn)省份加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境治理，共抓大保護(hù)，不搞大開(kāi)發(fā)，林地、草地等碳匯用地均得到較好的恢復(fù)和保護(hù). 2014 年后特別是“十三五”規(guī)劃實(shí)施以來(lái)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶加強(qiáng)其生態(tài)支撐能力建設(shè)，進(jìn)一步退耕還林還濕，通過(guò)限制建設(shè)用地向碳匯用地的過(guò)度擴(kuò)張，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的治理，有效增強(qiáng)了地區(qū)的生態(tài)固碳能力.

土地利用強(qiáng)度對(duì)碳匯的影響也較為顯著，人口的增加和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)不可避免地會(huì)帶來(lái)建設(shè)用地和耕地等碳源用地的擴(kuò)張，最終影響到碳匯面積的大小. 為此，在城鎮(zhèn)化過(guò)程中應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)對(duì)碳匯用地的保護(hù)力度，防止對(duì)林地、水域等的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用.

經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模雖然不會(huì)直接影響到碳匯量的大小，但其通過(guò)與其他因素的交互作用，也最終會(huì)對(duì)碳匯起到重要影響. 例如，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)會(huì)帶來(lái)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的提高，進(jìn)而也會(huì)影響到區(qū)域碳匯的增減.

3 討論

3.1 碳匯核算的不確定性

由于國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)于碳吸收系數(shù)還未形成統(tǒng)一的觀(guān)點(diǎn)[1,46]，碳匯核算存在一定的不確定性. 這是因?yàn)椴煌臄?shù)據(jù)源和研究方法均會(huì)影響碳吸收速率測(cè)算的精確性，而且不同區(qū)域碳匯用地的固碳效率也存在差異[4]，如在不同的生長(zhǎng)環(huán)境下，林地可表現(xiàn)出不同的碳吸收能力. 為此，該研究對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯估算可能會(huì)存在一定的誤差，但與已有文獻(xiàn)報(bào)道[15,26]對(duì)比，該研究對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯核算的結(jié)果與已有報(bào)道的變化趨勢(shì)基本一致，研究結(jié)果仍具有一定參考價(jià)值. 未來(lái)可加強(qiáng)對(duì)符合長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶實(shí)際情況的碳匯系數(shù)(速率)的研究，以提高地區(qū)碳匯核算的精確度.

3.2 碳匯時(shí)空演變特征

從時(shí)間上看，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶近些年來(lái)生態(tài)治理初見(jiàn)成效，各地區(qū)的碳匯能力都得到了較大提高. 2000——2020 年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總體以上升趨勢(shì)為主，碳匯強(qiáng)度有所增強(qiáng)，這與已有研究結(jié)果[11,47]相一致. 但通過(guò)連續(xù)年的土地利用遙感數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量和強(qiáng)度并非一直呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在2000——2002年和2012——2014 年間碳匯總量及強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，由于該區(qū)域受季風(fēng)氣候影響顯著，水旱災(zāi)害頻發(fā)，重大自然災(zāi)害可能會(huì)威脅到部分地區(qū)的植被生境質(zhì)量并造成土地退化等生態(tài)問(wèn)題，這也使得在部分時(shí)段內(nèi)區(qū)域碳匯能力有所降低[48-49]. 通過(guò)比較不同地區(qū)之間碳匯強(qiáng)度的時(shí)間變化可知，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中下游的碳匯強(qiáng)度在2000——2002 年和2012——2014 年均表現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)，這可能是導(dǎo)致在此時(shí)段內(nèi)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量減少的重要原因. 此外，中下游地區(qū)碳匯強(qiáng)度波動(dòng)頻率較上游地區(qū)更高，究其原因在于長(zhǎng)江中下游地區(qū)工農(nóng)業(yè)活動(dòng)密集，在城市化推進(jìn)過(guò)程中受建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的客觀(guān)需要以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的內(nèi)在需求的雙重影響[23,26]，土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整頻繁，進(jìn)而導(dǎo)致碳匯強(qiáng)度變化也趨于不穩(wěn)定.

從空間分布上看，首先，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯強(qiáng)度整體呈現(xiàn)“西高東低、南高北低”的空間分布格局，并且中上游地區(qū)的大部分省份碳匯強(qiáng)度高于下游地區(qū)，而下游地區(qū)由于人口和產(chǎn)業(yè)活動(dòng)集聚，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，建設(shè)用地、耕地等碳源用地比重較高，導(dǎo)致部分省份的碳匯比重相對(duì)偏低. 其次，除水域碳匯外，其他用地碳匯主要分布在中上游地區(qū)，其中草地和未利用地碳匯集中分布于川西高原，究其原因在于長(zhǎng)江中上游地區(qū)地形條件復(fù)雜多樣(如擁有高原、山地等多種地形地貌)，域內(nèi)光、熱、水充足，生態(tài)環(huán)境良好，森林、草地等植被茂密且分布廣闊，相比之下，長(zhǎng)江中下游以平原為主，域內(nèi)水系、湖泊眾多，故成為水域碳匯的集中分布區(qū).

從時(shí)空演變來(lái)看，首先，碳匯總量在空間分布上更集中于中上游地區(qū)并且其重心在往西遷移，這可能與下游地區(qū)在城市化推進(jìn)影響下林地面積出現(xiàn)減少有關(guān). 這是因?yàn)榱值厥情L(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶面積最大的碳匯用地且固碳速率高[1,23]，在碳匯結(jié)構(gòu)中占有絕對(duì)比重，使得林地面積的增減對(duì)碳匯總量演變影響較大. 其次，草地和未利用地碳匯整體在縮小并且重心向北遷移，這可能與重心以南的地區(qū)出現(xiàn)草地退化、冰川萎縮等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題有關(guān)[19,50]. 最后，水域碳匯整體在向西躍進(jìn)且空間分布的不均衡性在減弱，這得益于近些年來(lái)中游地區(qū)退耕還湖、生態(tài)環(huán)境治理等措施的有效實(shí)行[6].

3.3 碳匯驅(qū)動(dòng)因素

相比傳統(tǒng)的回歸分析方法，地理探測(cè)器能夠更好地揭示空間異質(zhì)性，分析多個(gè)驅(qū)動(dòng)因子之間復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系(如交互性和非對(duì)稱(chēng)性等)，提高對(duì)碳匯影響因素的解釋力和預(yù)測(cè)力[42]，增強(qiáng)研究的推廣性和應(yīng)用價(jià)值. 通過(guò)運(yùn)用地理探測(cè)器，對(duì)影響長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯變化的主導(dǎo)因素和驅(qū)動(dòng)因素之間的交互作用進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯分布受自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的雙重影響，其中自然因素影響較大，是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯變化的主導(dǎo)因素，并在受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素(如土地利用強(qiáng)度、國(guó)家政策等)交互作用時(shí)，其對(duì)碳匯的影響力顯著加強(qiáng). 人類(lèi)活動(dòng)(如能源消耗、工業(yè)活動(dòng))導(dǎo)致大氣中CO2濃度升高，加劇了氣候變化，這將進(jìn)一步加強(qiáng)自然因素(如降水等)對(duì)碳匯的影響.在社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中，國(guó)家政策對(duì)碳匯的影響最大，已有研究表明植樹(shù)造林、生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施是我國(guó)陸地碳匯的重要驅(qū)動(dòng)要素[51]；通過(guò)政策鼓勵(lì)使用清潔可再生能源，減少對(duì)化石能源的依賴(lài)，從而維護(hù)區(qū)域碳匯的穩(wěn)定. 土地利用強(qiáng)度因素同樣會(huì)對(duì)區(qū)域碳匯增減產(chǎn)生重要影響，高強(qiáng)度的土地開(kāi)發(fā)可能會(huì)導(dǎo)致森林、草原等生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞和退化，降低碳儲(chǔ)存能力.最后，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模交互后，對(duì)碳匯大小的影響顯著提高. 經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程也是產(chǎn)業(yè)集聚、規(guī)模擴(kuò)大的過(guò)程[52]，而產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大通常需要消耗更多的原材料和資源(如木材、水和礦物等)，過(guò)度開(kāi)采和消耗這些資源可能會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞和碳儲(chǔ)能力的降低，進(jìn)而減少碳匯量. 綜上，為了更好地管理和保護(hù)碳匯，需要綜合考慮自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素兩個(gè)層面，以便更好地理解及調(diào)控它們對(duì)碳匯的影響.

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

a) 2000——2020 年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量從6 971.98×104t 增至7 004.09×104t，碳匯強(qiáng)度從0.532 t/hm2增至0.538 t/hm2，地區(qū)的碳匯能力得到一定的提高. 林地是主要的碳匯貢獻(xiàn)者，占碳匯總量的96%以上，其次為水域、草地和未利用地. 此外，各地區(qū)碳匯強(qiáng)度變化也不盡相同，中上游地區(qū)以上升態(tài)勢(shì)為主，但中游地區(qū)變動(dòng)頻率較高，相比之下，下游地區(qū)碳匯強(qiáng)度有明顯的低值年并大致呈倒“M”型變化特征且變動(dòng)較頻繁. 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各省份碳匯強(qiáng)度在空間上分異明顯，呈現(xiàn)“西高東低、南高北低”的分布格局.

b) 2000——2020 年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯總量和林地碳匯在空間分布上具有較強(qiáng)的一致性，集中于中上游地區(qū)且其重心呈現(xiàn)先向東北后往西移動(dòng)的特點(diǎn)，分布范圍先擴(kuò)張后收縮；水域碳匯主要分布于中下游地區(qū)，呈現(xiàn)向西躍進(jìn)的擴(kuò)張態(tài)勢(shì)，空間分布的集中性在減弱；草地和未利用地碳匯主要集中分布于川西高原，草地碳匯重心以向北移動(dòng)為主，而未利用地碳匯軌跡變化較為波動(dòng)，但整體以向西遷移為主，二者的碳匯用地空間分布都有明顯縮小，分布范圍趨于集中.

c) 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯大小主要受自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩方面因素的綜合作用，其影響力由大到小依次為地形(x1)、降水量(x2)、國(guó)家政策(x6)、土地利用強(qiáng)度(x5)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平(x3)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模(x4). 其中自然因素對(duì)碳匯大小分布的解釋力最強(qiáng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中國(guó)家政策(x6)、土地利用強(qiáng)度(x5)影響較大. 此外，任何兩個(gè)驅(qū)動(dòng)因素相互作用后對(duì)碳匯量分布的影響程度均大于單一因子.

4.2 建議

a) 因地制宜，探索差異化的低碳發(fā)展路徑. 研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯在空間上分布不均，中上游地區(qū)林地碳匯比重大且固碳速率高，可與下游開(kāi)展橫向碳補(bǔ)償、碳交易等，加強(qiáng)與下游地區(qū)的低碳交流與合作，在將自身資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)彌補(bǔ)下游地區(qū)可能出現(xiàn)的“生態(tài)赤字”問(wèn)題. 而下游地區(qū)作為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯低值區(qū)，林地碳匯較少. 為此，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，可通過(guò)植樹(shù)造林或增加城區(qū)綠化面積等方式，以提高地區(qū)的碳匯能力.

b) 優(yōu)化碳匯用地結(jié)構(gòu)，進(jìn)行可持續(xù)的碳匯管理.在研究期內(nèi)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯結(jié)構(gòu)變化較大，特別在2010——2020 年間，除水域碳匯外，林地和草地等碳匯面積均在下降. 為此，應(yīng)優(yōu)化長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的碳匯用地結(jié)構(gòu)，調(diào)整各碳匯用地相應(yīng)的比例. 在碳匯結(jié)構(gòu)中林地是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶主要的碳匯貢獻(xiàn)者，但面臨著面積縮小的風(fēng)險(xiǎn)，可規(guī)劃建設(shè)森林自然保護(hù)區(qū)、退耕還林等措施來(lái)穩(wěn)定并提高區(qū)域林地的碳匯能力；同時(shí)需保護(hù)好草地資源，抑制草場(chǎng)可能存在的進(jìn)一步退化趨勢(shì)；水域作為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶唯一擴(kuò)張的碳匯用地，在穩(wěn)定其碳匯能力的同時(shí)也要防范不合理的人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致水域面積縮減的風(fēng)險(xiǎn)；而未利用地由于碳匯能力微弱且多分布在不宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)的地區(qū)(如高原)，可在生態(tài)保護(hù)的同時(shí)嘗試通過(guò)恢復(fù)未利用地上的植被，以提高未利用地的碳匯速率，進(jìn)行可持續(xù)的碳匯管理.

c) 通過(guò)制定環(huán)境政策和土地利用規(guī)劃等促進(jìn)地區(qū)的低碳發(fā)展. 研究表明，除自然因素外，國(guó)家政策和土地利用強(qiáng)度對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶碳匯的影響較大. 為此，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的“減碳增匯”，一方面需通過(guò)制定和實(shí)施嚴(yán)格的環(huán)境政策，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境治理和修復(fù). 例如，設(shè)定地區(qū)的減排目標(biāo)、實(shí)施排放標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)清潔能源的開(kāi)發(fā)與使用，減少溫室氣體的排放，推動(dòng)第二產(chǎn)業(yè)特別是高耗能產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，通過(guò)實(shí)施“碳稅”等引導(dǎo)企業(yè)走綠色低碳的發(fā)展道路. 另外，需進(jìn)行合理的土地利用規(guī)劃，控制土地利用強(qiáng)度. 集約利用土地資源，優(yōu)化地區(qū)的碳源和碳匯比例，避免因城鎮(zhèn)化的推進(jìn)導(dǎo)致建設(shè)用地的盲目性擴(kuò)張和碳匯資源的破壞；此外，還可通過(guò)給予稅收優(yōu)惠、生態(tài)補(bǔ)償?shù)燃?lì)措施，引導(dǎo)企業(yè)、個(gè)人等社會(huì)主體對(duì)土地資源進(jìn)行可持續(xù)利用與管理.