南水北調(diào)中線工程建設(shè)期水源地及受水區(qū)碳平衡時(shí)空演化特征

摘 要：掌握重大引調(diào)水工程水源地和受水區(qū)域碳平衡時(shí)空演化規(guī)律及其影響因素，有助于制定符合區(qū)域特點(diǎn)的低碳綠色發(fā)展政策、提高減碳增匯政策的科學(xué)性。以縣域碳排放量和植被固碳量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用碳平衡系數(shù)、Kernel密度函數(shù)分析南水北調(diào)中線工程建設(shè)期前后，其水源地和受水區(qū)域縣域尺度碳平衡時(shí)空演變特征分析。結(jié)果表明：南水北調(diào)中線工程水源地碳平衡能力呈現(xiàn)出“下降-穩(wěn)定”趨勢(shì)，漢江流域漢江及丹江沿線各縣（市、區(qū)）碳平衡能力降級(jí)情況嚴(yán)重；受水區(qū)域碳平衡能力呈現(xiàn)出“上升-波動(dòng)下降-波動(dòng)上升”的時(shí)序特征，以中大型城市輻射圈的碳失衡情況逐漸嚴(yán)重，空間集聚效應(yīng)增強(qiáng)，南水北調(diào)中線工程236縣（市、區(qū)）碳平衡能力呈現(xiàn)出“西高東低”的空間分布格局。

關(guān)鍵詞：碳平衡；碳源碳匯；縣域尺度；引調(diào)水工程；時(shí)空演變

中圖分類號(hào)：X24 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

為應(yīng)對(duì)主要由二氧化碳引起的全球變暖等氣候問題，作為全球最大的碳排放國(guó)，我國(guó)于2020年9月提出了2030年前碳排放量達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。黨的二十大提出協(xié)同推進(jìn)碳減排及碳增匯，推進(jìn)綠色低碳循環(huán)發(fā)展，并設(shè)立“綠色低碳發(fā)展示范區(qū)”作為試點(diǎn)先行，以期為新發(fā)展格局提供示范引領(lǐng)作用。作為南水北調(diào)中線工程水源地，丹江口庫(kù)區(qū)及其上游流域是保障北方8 500萬人口特別是首都地區(qū)供水安全的“生命線”，流域內(nèi)各?。ㄊ?、自治區(qū)）均在為建設(shè)成“綠色低碳發(fā)展示范區(qū)”而努力，在確保南水北調(diào)中線工程調(diào)水水質(zhì)、水量的同時(shí)，發(fā)揮水源地生態(tài)系統(tǒng)碳匯在“碳中和”目標(biāo)中的作用。但城鎮(zhèn)化率的不斷提升以及丹江口大壩加高工程引起的水位消落區(qū)生態(tài)退化，給區(qū)域綠色低碳發(fā)展和水源地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，分析南水北調(diào)工程建設(shè)期內(nèi)水源地及受水區(qū)域的碳源碳匯時(shí)空特征，掌握區(qū)域碳平衡的時(shí)空演化規(guī)律，厘清水源地和受水區(qū)域間的碳源碳匯關(guān)系，對(duì)促進(jìn)區(qū)域綠色低碳發(fā)展、提升南水北調(diào)中線工程水源地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于區(qū)域碳源碳匯的研究主要集中在以下三個(gè)方面：①碳排放時(shí)空分析。彭瑞等[1]分析了2000—2017年江蘇省縣域碳排放時(shí)空演化及影響因素。Xu等[2]運(yùn)用雙重差分模型，分析了我國(guó)能源節(jié)約和碳減排政策對(duì)碳排放量的影響。陳亮等[3]基于LMDI-Attribution模型，以國(guó)家五年規(guī)劃為時(shí)間劃分，探究了京津冀地區(qū)2000—2020年能源強(qiáng)度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和排放因子對(duì)其碳排放強(qiáng)度變化驅(qū)動(dòng)的時(shí)空演變特征。②碳平衡分析。李瀟等[4]采用InVEST碳固存模塊、IPCC碳排放核算、人口密度法等方法，研究了河南省1995年、2005年、2015年區(qū)域碳平衡的時(shí)空變化。李竹等[5]采用溫室氣體清單法、碳吸收清查法、碳平衡指標(biāo)法和多元城鎮(zhèn)化測(cè)量法分別測(cè)算1999—2018年我國(guó)省域碳平衡能力，并分析省域碳平衡能力與城鎮(zhèn)化的時(shí)空演變特征及互動(dòng)關(guān)系。余曉泓等[6]基于多區(qū)域投入產(chǎn)出模型的戈什模型，核算并分析了1995—2011年全球41個(gè)國(guó)家和地區(qū)的下游碳貿(mào)易平衡。③引調(diào)水工程碳源碳匯影響。李肇桀等[7]結(jié)合實(shí)地調(diào)研情況，分析了調(diào)水儲(chǔ)能對(duì)“雙碳”目標(biāo)的積極作用以及在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境上的可行性，有針對(duì)性地提出了利用調(diào)水儲(chǔ)能促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的建議。

現(xiàn)有研究已在碳排放和碳平衡方面取得豐富成果，但多聚焦于國(guó)家、省域尺度[8-12]，少有關(guān)于縣域尺度碳源碳匯的研究，厘清縣域尺度的碳排放和碳匯時(shí)空演化規(guī)律，能更好地提出更具操作性和針對(duì)性的碳中和政策。同時(shí)，現(xiàn)有省域尺度碳平衡研究難以反映重大引調(diào)水工程在實(shí)施過程中對(duì)其沿線范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的影響，如碳儲(chǔ)存和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等[13-16]。本文以南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域內(nèi)236個(gè)縣級(jí)行政區(qū)為研究對(duì)象，分析區(qū)域內(nèi)碳排放量、植被固碳量的時(shí)空演化特征，以期為推動(dòng)南水北調(diào)中線工程水源地綠色低碳發(fā)展、區(qū)域碳源碳匯生態(tài)補(bǔ)償長(zhǎng)效機(jī)制建立提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)中線工程于2003年12月27日正式開工，2014年12月12日正式通水。截至2023年12月12日，南水北調(diào)中線工程全面通水9年，累計(jì)調(diào)水超過670億m3，為1.76億人提供了水安全保障。南水北調(diào)中線工程建設(shè)期主要為2004—2014年，為驗(yàn)證建設(shè)期成效，對(duì)比建設(shè)前后差異，選取2001—2017年開展時(shí)序研究。

南水北調(diào)中線工程的建設(shè)期間，丹江口水庫(kù)大壩壩頂由原來的162 m加高到176.6 m。水位從157 m提高到170 m，丹江口水庫(kù)總庫(kù)容達(dá)到290.5億m3。丹江口水庫(kù)上游地區(qū)淹沒面積達(dá)到144 km2，整個(gè)庫(kù)區(qū)移民34.5萬人，移民搬遷安置任務(wù)主要集中于2010年、2011年完成。

南水北調(diào)中線工程輸水干渠地跨河南省、河北省、北京市和天津市。受水區(qū)域主要為沿線的南陽(yáng)、平頂山、許昌、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽(yáng)、邯鄲、邢臺(tái)、石家莊、保定、北京、天津等14座大、中城市，輸水干渠總長(zhǎng)1 277 km，供水范圍內(nèi)總面積達(dá)15.5萬km2，根據(jù)2020年民政事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，共涉及192個(gè)縣級(jí)行政單元。南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域如圖1所示，左上角標(biāo)識(shí)3區(qū)域整體涉及行政區(qū)域情況 。其中，南水北調(diào)中線工程水源地為丹江口水庫(kù)及其上游流域，主要涉及湖北省、河南省、陜西省、甘肅省、四川省和重慶市，總面積為8.8萬km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

縣級(jí)行政單元碳排放和植被固碳量數(shù)據(jù)來源于中國(guó)碳核算數(shù)據(jù)庫(kù)，土地利用數(shù)據(jù)來源于自然資源部土地調(diào)查成果共享應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，南水北調(diào)中線工程矢量數(shù)據(jù)源自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心。

其中，縣域碳排放量采用粒子群優(yōu)化-反向傳播（PSO-BP）算法，根據(jù)國(guó)家地理物理數(shù)據(jù)中心提供的NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)計(jì)算；縣域陸地植被固碳量采用MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品NPP，通過植物干物質(zhì)與吸收二氧化碳的轉(zhuǎn)化系數(shù)計(jì)算[17]。

1.3 研究方法

1.3.1 歸一化碳平衡系數(shù)

歸一化碳平衡系數(shù)（Normalized Difference Carbon Balance Coefficient，NDCBC）能較好地反映碳平衡能力[18-19]。計(jì)算公式如下：

式中：CSi和Ci分別表示某縣i的固碳量和碳排放量；NDCBC在[-1，1]，NDCBC＞0，表示該縣固碳能力強(qiáng)于碳排放，表現(xiàn)為碳匯，且NDCBC越大，代表碳平衡能力越強(qiáng)，NDCBC＜0，則表明該縣表現(xiàn)為凈碳源，且NDCBC越小，其碳平衡能力越差。

1.3.2 Kernel密度估計(jì)

Kernel密度估計(jì)是一種非參數(shù)估計(jì)方法，采用離散樣本點(diǎn)進(jìn)行表面內(nèi)插以描述隨機(jī)變量的分布形態(tài)，比傳統(tǒng)的散點(diǎn)圖和直方圖更加準(zhǔn)確地反映變化趨勢(shì)[20]。本文采用Kernel密度估計(jì)的Epanechnikov函數(shù) 來分析區(qū)域碳源碳匯碳平衡時(shí)序演進(jìn)趨勢(shì)的分布形態(tài)及其延展性特征。其計(jì)算公式如下：

式中：x1、x2、…、xn是從某個(gè)單變量分布中抽取的獨(dú)立同分布樣本；n為樣本數(shù)量；K是內(nèi)核；h是帶寬的平滑函數(shù)；Kh為縮放內(nèi)核。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳排放時(shí)空特征分析

2.1.1 碳排放量時(shí)序特征

根據(jù)縣域碳排放量數(shù)據(jù)、南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域總體碳排放量數(shù)據(jù)，2001—2017年，南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域碳排放量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖2所示?？梢钥闯?，2001—2017年間，南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域碳排放量整體可分為兩個(gè)階段，即以2012年為時(shí)間拐點(diǎn)的上升和波動(dòng)下降兩個(gè)階段。2001—2012年水源地和受水區(qū)域碳排放量整體表現(xiàn)為逐年上升趨勢(shì)，2001年、2004年、2012年水源地碳排放量分別為15.48萬、21.77萬、50.81萬t，年際碳排放量增長(zhǎng)率分別為13.54%、16.67%；2001年、2004年、2012年受水區(qū)域碳排放量分別為315.71萬、433.07萬、853.07萬t，年際碳排放量增長(zhǎng)率分別為12.39%、12.12%。整體碳排放量的增長(zhǎng)可能和工業(yè)的快速發(fā)展、能源的消耗量增大有關(guān)，此外，經(jīng)濟(jì)增速相對(duì)較慢的水源地碳排放量增速高于受水區(qū)域，且水源地在南水北調(diào)中線工程建設(shè)期間碳排放量增速高于開工前，和受水區(qū)域碳排放量時(shí)序特征不一致。一方面可能是因?yàn)樗吹靥寂欧帕炕鶖?shù)較小，另一方面也可能是由于工程建設(shè)中移民搬遷帶來的快速城鎮(zhèn)化及其帶來的經(jīng)濟(jì)能源結(jié)構(gòu)變化。2013—2017年，水源地和受水區(qū)域碳排放量呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，水源地碳排放量由2012年的50.81萬t下降至2017年的49.78萬t。受水區(qū)域碳排放量由2012年的853.07萬t降至2017年的823.51萬t，年平均降幅相差不大，分別為0.41%、0.69%，這得益于清潔低碳能源體系的建立和綠色循環(huán)低碳發(fā)展新理念的推行，同時(shí)也表明，隨著移民搬遷工作的結(jié)束和南水北調(diào)中線工程的平穩(wěn)運(yùn)行，水源地和受水區(qū)域在碳排放量的演變趨勢(shì)上趨于一致。

2.1.2 碳排放量動(dòng)態(tài)演進(jìn)分析

采用Kernel密度分析南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域碳排放量的動(dòng)態(tài)演進(jìn)特征。根據(jù)區(qū)域碳排放量的時(shí)序特征，選取2001年（分析時(shí)段開始年份）、2004年（南水北調(diào)中線工程建設(shè)期初始年份）、2012年（重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)）、2017年（分析時(shí)段結(jié)束年份）截面數(shù)據(jù)繪制核密度圖，如圖3所示。區(qū)域整體碳排放量Kernel密度曲線的中心點(diǎn)在2001—2012年逐漸向右移動(dòng)，然后在2017年發(fā)生左移，表明區(qū)域整體碳排放量先逐漸增高后緩慢下降。具體來看，2001—2017年區(qū)域整體Kernel密度曲線均表現(xiàn)為左側(cè)“單峰”分布并伴隨明顯的右拖尾，峰值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)且曲線寬度增加，表明整體區(qū)域內(nèi)236縣碳排放量總體上增加但區(qū)域集聚水平降低、空間分異性增大?？赡苁鞘車?guó)家政策導(dǎo)向的影響，各地區(qū)積極發(fā)展清潔低碳能源，但由于能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和政策執(zhí)行力度的差異，區(qū)域內(nèi)各縣碳排放量時(shí)序演變存在差異。

2.1.3 碳排放量空間演變特征

為直觀反映碳排放量的空間分布，將縣域尺度的碳排放量分為5級(jí)，分別為碳排放量小于200萬t（低碳排放）、200萬～500萬t（較低碳排放）、500萬～1 000萬t（中等碳排放）、1 000萬～1 500萬t（較高碳排放）、大于1 500萬t（高碳排放）。同樣選取2001年、2004年、2012年、2017年的碳排放量數(shù)據(jù)制作空間分布圖，如圖4所示。水源地碳排放量顯著低于受水區(qū)域，受水區(qū)域縣域碳排放量整體呈現(xiàn)出“東高西低”的梯度分布特征。從碳排放量等級(jí)來看，2001—2012年相對(duì)變幅較大，水源地有7個(gè)區(qū)縣由低碳排放量變?yōu)橹械吞寂欧帕?，分別為周至縣、十堰市鄖陽(yáng)區(qū)、茅箭區(qū)、張灣區(qū)和丹江口市、安康市漢濱區(qū)及漢中市漢臺(tái)區(qū)；受水區(qū)域內(nèi)中等碳排放量以上的縣（市、區(qū)）由2001年的21個(gè)增加至2012年的47個(gè)，石家莊市長(zhǎng)安區(qū)、北京市通州區(qū)由中高碳排放量變?yōu)楦吲欧帕俊?012—2017年碳排放量增長(zhǎng)速率放緩，水源地僅商洛市商州區(qū)一區(qū)由低碳排放量增加至中低碳排放量；受水區(qū)域內(nèi)中等碳排放量以上的縣市區(qū)由47個(gè)變?yōu)?2個(gè)，增加15個(gè)。其中，天津市武清區(qū)由中高碳排放量增加至高碳排放量，高碳排放量縣市區(qū)總數(shù)增加至3個(gè)?？傮w而言，南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域縣域尺度碳排放量空間分布格局呈現(xiàn)出空間集聚性增強(qiáng)的趨勢(shì)，受水區(qū)域內(nèi)的較高碳排放縣市區(qū)集中于14座大中型城市周邊，水源地內(nèi)碳排放量增幅較大的縣市區(qū)集中在十堰市、漢中市和安康市3市，其中十堰市自南水北調(diào)中線工程開始建設(shè)后，先后有3個(gè)縣市區(qū)由低碳排放量變?yōu)橹械吞寂欧帕浚@和湖北省18.2萬人移民搬遷帶來的快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程和能源結(jié)構(gòu)變化存在強(qiáng)相關(guān)性。

2.2 植被固碳量時(shí)空特征分析

2.2.1 植被固碳量時(shí)序特征

通過匯總縣域植被固碳量數(shù)據(jù)得到南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域總體植被固碳量數(shù)據(jù)，2001—2017年南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域植被固碳量隨時(shí)間推移的變化趨勢(shì)見圖5。2001—2017年，南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域植被固碳量整體上呈現(xiàn)出“波動(dòng)上升”的趨勢(shì)，水源地和受水區(qū)域植被固碳量分別由2001年的204.49萬、143.49萬t增長(zhǎng)至2017年的251.1萬、203萬t，年平均增長(zhǎng)率分別為1.42%、2.59%，年植被固碳量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分別為17.59、21.03，總體上受水區(qū)域植被固碳量增速高于水源地，其年際植被固碳量波動(dòng)幅度大于水源地。考慮到水源地植被固碳量總體變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定，本文以水源地變化趨勢(shì)為基準(zhǔn)，選取水源地和受水區(qū)域出現(xiàn)較大差異的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，具體時(shí)間節(jié)點(diǎn)為：2010—2011年、2014—2017年。其中，2010—2011年，水源地植被固碳量減少7.74%，受水區(qū)域植被固碳量增加2.72%；2014—2017年，水源地植被固碳量減少2.76%，受水區(qū)域植被固碳量增加10.48%。2001—2017年，隨著降水增加、氣溫上升等有利于植被生長(zhǎng)的氣象條件增加以及植樹造林等生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施，區(qū)域整體植被固碳量向好。在區(qū)域差異上，2010—2011年，水源地植被固碳量大幅下降，主要原因可能是南水北調(diào)中線工程建設(shè)中移民搬遷安置工程實(shí)施帶來地表開挖、土地利用結(jié)構(gòu)變化；2014—2017年，水源地植被固碳量呈現(xiàn)短期波動(dòng)下降趨勢(shì)，主要原因是丹江口大壩蓄水至170 m后，新增了近144 km2的淹沒區(qū)，導(dǎo)致區(qū)域整體植被面積下降。

2.2.2 植被固碳量動(dòng)態(tài)演進(jìn)分析

采用Kernel密度分析南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域植被固碳量的動(dòng)態(tài)演進(jìn)特征，根據(jù)區(qū)域碳排放量的時(shí)序特征，選取2001年、2004年、2011年、2017年的截面數(shù)據(jù)繪制核密度圖。由于水源地和受水區(qū)域植被固碳量時(shí)序特征存在較大差異，分別對(duì)兩者進(jìn)行動(dòng)態(tài)演進(jìn)分析，如圖6所示。受水區(qū)域植被固碳量Kernel密度曲線中心點(diǎn)在2001—2017年基本一致，表示受水區(qū)域總體植被固碳量隨時(shí)間推演變化不大。受水區(qū)域植被固碳量Kernel密度曲線在2001—2017年均表現(xiàn)出“單峰”帶右拖尾現(xiàn)象，其中，2001年的峰值最高，2004年的峰值最低，2011年和2017年曲線基本一致；水源地植被固碳量Kernel密度曲線2017年的中心點(diǎn)較2001年的中心點(diǎn)偏右，2004年和2011年幾乎一致，表明水源地植被固碳量在2001—2004年、2011—2017年增長(zhǎng)明顯，2004—2011年增長(zhǎng)緩慢。同時(shí)，水源地植被固碳量Kernel密度曲線在2001年表現(xiàn)出“雙峰”分布，2004—2017年“雙峰”趨勢(shì)逐漸向“單峰”趨勢(shì)轉(zhuǎn)變，曲線寬度逐漸增大，表明水源地植被固碳量?jī)杉?jí)分化現(xiàn)象逐漸減弱，區(qū)域集聚水平同步降低，水源地內(nèi)各縣（市、區(qū)）植被條件趨于均衡且逐漸向好。表明2001—2004年水源地各縣（市、區(qū)）植被固碳量集聚效應(yīng)顯著降低，2011—2017年水源地各縣（市、區(qū)）植被固碳量空間分布趨勢(shì)趨于一致?？赡艿脑蚴撬吹馗骺h（市、區(qū)）植被條件在2001年較為一致，在2001—2004年間，由于地勢(shì)、氣候等自然條件的差異，縣域間植被條件變化差異逐漸增大。2004—2017年，南水北調(diào)中線工程開工建設(shè)和移民搬遷工程以及政府按整體規(guī)劃實(shí)施的差別化生態(tài)治理建設(shè)，在一定程度上改變了水源地各縣（市、區(qū)）間植被條件變化趨勢(shì)。

2.2.3 植被固碳量空間演變特征

如圖7所示，將縣域尺度的固碳量同樣分為5級(jí)，分別為固碳量小于 200萬t（低固碳量）、200萬～400萬t（較低固碳量）、400萬～600萬t（中等固碳量）、600萬～800萬t（較高固碳量）、大于800萬t（高固碳量）。水源地固碳量顯著高于受水區(qū)域，水源地和受水區(qū)域固碳量空間格局整體較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)出“西高東低”的空間分布特征，相比于東側(cè)華北平原，受水區(qū)域西側(cè)為太行山脈，林地資源廣闊，生態(tài)環(huán)境良好，固碳量較高。從固碳量等級(jí)來看，南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域總體空間格局存在小幅度波動(dòng)，整體趨于穩(wěn)定。水源地內(nèi)有9個(gè)縣（市、區(qū)）由2004年的中高固碳量增長(zhǎng)至2011年的高固碳量，后又降低至2017年的中高固碳量，分別為神農(nóng)架林區(qū)、竹山縣、竹溪縣、盧氏縣、洋縣、寧強(qiáng)縣、鎮(zhèn)巴縣、山陽(yáng)縣及鎮(zhèn)安縣。受水區(qū)域內(nèi)鄧州市、魯山縣呈現(xiàn)出中低固碳量→中固碳量→中低固碳量的變化趨勢(shì)，涉縣、武安市、杜旗縣和輝縣市呈現(xiàn)出低固碳量→中低固碳量→低固碳量的變化趨勢(shì)。水源地和受水區(qū)域內(nèi)河南省段、河北省段、天津市和北京市固碳量的平均總量占比分別為56.4%、21.39%、14.59%、2.74%和4.88%，水源地固碳量超受水區(qū)域整體固碳量達(dá)29.4%。受水區(qū)域內(nèi)部各區(qū)域固碳量差異的主要原因?yàn)椋罕本?、天津總體面積小，建筑面積占比大，壓縮了有限的林地、草地等碳匯地類；河南省各縣（市、區(qū)）相對(duì)生態(tài)環(huán)境較好，存在大面積覆蓋的林地，碳吸收量較受水區(qū)域內(nèi)其他區(qū)域高。

2.3 碳平衡時(shí)空特征分析

2.3.1 碳平衡時(shí)序特征

歸一化碳平衡系數(shù)能將碳平衡情況限定在[-1，1]（正值表示凈碳匯、負(fù)值表示凈碳源），更直觀地表現(xiàn)碳平衡情況并提升低碳源碳匯區(qū)的靈敏度。運(yùn)用歸一化碳平衡系數(shù)分析2001—2017年南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域各縣（市、區(qū)）碳平衡能力的時(shí)序特征（見圖8），可以發(fā)現(xiàn)：①水源地整體表現(xiàn)為凈碳匯、受水區(qū)域表現(xiàn)為凈碳源。②對(duì)于水源地碳平衡時(shí)序而言，主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2011年，2001—2011年，水源地碳平衡能力逐年下降，2011—2017年，水源地碳平衡能力維持穩(wěn)定且有一定上升趨勢(shì)。主要原因在于水源地植被固碳量水平變幅較小的情況下，工程建設(shè)中移民搬遷帶來的快速城鎮(zhèn)化及其帶來的經(jīng)濟(jì)能源結(jié)構(gòu)變化使水源地的碳排放量增大。在2011年整體移民搬遷工作完成后，隨著清潔低碳能源體系的建立和綠色循環(huán)低碳發(fā)展新理念的推行，水源地碳平衡能力維持穩(wěn)定向好趨勢(shì)。③受水區(qū)域整體表現(xiàn)為“兩節(jié)點(diǎn)-三階段”的變化格局，即以2004年和2010年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)“上升-波動(dòng)下降-波動(dòng)上升”三個(gè)階段。2001—2004年，受水區(qū)域碳平衡能力呈上升趨勢(shì)，主要由于受水區(qū)域植被固碳量的增速顯著快于碳排放量的增速，表明在早期經(jīng)濟(jì)發(fā)展及能源消耗量增速較緩時(shí)，受益于有利的氣候條件和生態(tài)環(huán)境政策，受水區(qū)域雖然仍表現(xiàn)為凈碳源，但其碳平衡能力有一定提升；2004—2010年，受水區(qū)域碳平衡能力呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，表明盡管氣候環(huán)境有利于植被恢復(fù)，但粗放的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、能源利用以及快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中人工干預(yù)下的土地利用模式給區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；2011—2017年，受水區(qū)域碳平衡能力呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，表明隨著一系列政策的落實(shí)，城市擴(kuò)張速度受到紅線約束，綠色低碳發(fā)展理念得到深入貫徹，受水區(qū)域碳平衡能力朝著穩(wěn)中向好的方向逐步發(fā)展。

2.3.2 碳平衡動(dòng)態(tài)演進(jìn)分析

運(yùn)用歸一化碳平衡系數(shù)和Kernel密度分析南水北調(diào)中線工程水源地和受水區(qū)域碳平衡的動(dòng)態(tài)演進(jìn)特征。根據(jù)區(qū)域碳平衡的時(shí)序特征，選取2001年、2004年、2012年、2017年的截面數(shù)據(jù)繪制核密度圖，見圖9。綜合考慮水源地和受水區(qū)域時(shí)序特征，為降低誤差，選擇碳平衡時(shí)序特征相對(duì)穩(wěn)定后的2012年作為分析時(shí)間節(jié)點(diǎn)。相較于碳排放量和植被固碳量Kernel密度曲線，碳平衡Kernel密度曲線呈現(xiàn)出明顯的時(shí)間段差異。2001—2004年、2012—2017年水源地和受水區(qū)域碳平衡較為一致，而在2004—2011年，水源地和受水區(qū)域Kernel密度曲線中心點(diǎn)出現(xiàn)明顯左移，水源地Kernel密度曲線寬度逐漸增大，受水區(qū)域Kernel密度曲線寬度逐漸減少。表明水源地和受水區(qū)域碳平衡能力逐漸減弱，水源地各縣（市、區(qū)）碳平衡能力集聚效應(yīng)減弱，空間差異增大；受水區(qū)域碳平衡能力集聚效應(yīng)增強(qiáng)，碳平衡能力趨于一致。

2.3.3 碳平衡空間演變特征

圖10展示了南水北調(diào)中線工程縣域尺度碳平衡的時(shí)空分布格局，本文將歸一化碳平衡系數(shù)分為6級(jí)：碳失衡高、中、低3級(jí)，碳平衡高、中、低3級(jí)。歸一化碳平衡系數(shù)越接近1表示碳平衡越強(qiáng)，越接近-1則表示碳失衡情況更嚴(yán)重。從縣域尺度碳平衡動(dòng)態(tài)演變規(guī)律來看，南水北調(diào)中線工程對(duì)于水源地碳平衡的影響主要集中在正式開工建設(shè)的2004年至移民搬遷工程完成的2012年，水源地碳平衡能力逐年降低，2004—2012年，水源地高碳平衡縣（市、區(qū)）數(shù)量自34個(gè)降低至22個(gè)，降幅達(dá)35.29%、中碳平衡縣（市、區(qū)）數(shù)量自6個(gè)降低至1個(gè)，降幅達(dá)83.33%。從空間分布來看，碳平衡能力降級(jí)的17個(gè)縣中有15縣沿漢江和丹江主河道分布，一方面，漢江流域漢江及丹江沿線城市群人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，能源消耗量增加；另一方面，受丹江口大壩加高后水庫(kù)蓄水位上升影響的淹沒區(qū)主要分布在漢江及丹江沿線，隨著移民搬遷安置工程的實(shí)施，區(qū)域城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，耕園地及建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。在淹沒區(qū)和移民搬遷工程新建區(qū)對(duì)于區(qū)域植被的雙重影響下，漢江及丹江沿線縣（市、區(qū)）碳匯能力較水源地其他縣市區(qū)下降明顯。2004—2012年，受水區(qū)域縣域尺度碳平衡空間分布格局表現(xiàn)出以中大型城市為輻射圈的碳失衡情況逐漸加重態(tài)勢(shì)，碳失衡的空間集聚效應(yīng)增強(qiáng)?？赡艿脑蚴牵S著南水北調(diào)中線工程的建設(shè)以及城鎮(zhèn)化的進(jìn)程，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及工業(yè)發(fā)展集聚于中大型城市，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由第一產(chǎn)業(yè)向第二、三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，能源消耗集聚于中大型城市。受水區(qū)域縣域主要為凈碳源，隨著時(shí)間推移，以中大型城市為中心的輻射區(qū)域碳失衡情況逐漸加劇。

3 結(jié) 論

（1）南水北調(diào)中線工程建設(shè)期，水源地和受水區(qū)域碳排放量隨時(shí)間推移呈現(xiàn)“上升-波動(dòng)下降”趨勢(shì)，關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2012年，水源地碳排放量顯著低于受水區(qū)域，但其年際增速高于受水區(qū)域。水源地和受水區(qū)域碳排放量分別由2001年的15.48萬、315.71萬t上升至2017年的49.78萬、823.51萬t，增幅分別為221.58%、160.84%。水源地和受水區(qū)域236縣碳排放量Kernel曲線隨時(shí)間推移呈現(xiàn)出主峰右移、波峰漸寬且存在“右拖尾”現(xiàn)象，區(qū)域空間分異性隨時(shí)間增大，空間集聚性增強(qiáng)，整體呈現(xiàn)出“東高西低”的梯度分布特征。

（2）南水北調(diào)中線工程建設(shè)期，水源地和受水區(qū)域植被固碳量整體呈現(xiàn)出“波動(dòng)上升”的趨勢(shì)，水源地和受水區(qū)域植被固碳量分別由2001年的204.49萬、143.49萬t增長(zhǎng)至2017年的251.1萬、203萬t，年平均增長(zhǎng)率分別為1.42%、2.59%，年植被固碳量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分別為17.59、21.03?？傮w上受水區(qū)域植被固碳量增速高于水源地，年際植被固碳量波動(dòng)幅度大于水源地。2001—2017年，水源地44縣Kernel曲線波峰先變寬后縮緊，空間分異性增大后減少；受水區(qū)域192縣Kernel曲線由“雙峰”向“單峰”轉(zhuǎn)變、波峰漸寬，區(qū)域兩級(jí)分化現(xiàn)象逐漸減弱、空間分異性降低，水源地和受水區(qū)域整體空間格局較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)出“西高東西”的空間分布特征。

（3）南水北調(diào)中線工程建設(shè)期，水源地和受水區(qū)域碳平衡時(shí)序特征差異性較大，水源地以2011年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出“下降-穩(wěn)定”兩個(gè)階段，2001—2011年水源地碳平衡能力降幅達(dá)23.26%；受水區(qū)域則以2004年、2010年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，表現(xiàn)出“上升-波動(dòng)下降-波動(dòng)上升”的時(shí)序特征。2004—2011年，水源地和受水區(qū)域Kernel曲線波峰左移，水源地Kernel曲線波峰漸寬，受水區(qū)域Kernel曲線波寬漸窄。表明水源地和受水區(qū)域碳平衡能力逐漸減弱，水源地各縣（市、區(qū)）碳平衡能力集聚效應(yīng)減弱，空間差異增大；受水區(qū)域碳平衡能力集聚效應(yīng)增強(qiáng)，碳平衡能力趨于一致。隨時(shí)間推移，水源地44縣中漢江流域漢江及丹江沿線各縣（市、區(qū)）碳平衡能力降級(jí)情況嚴(yán)重，受水區(qū)域192縣以中大型城市為輻射圈的碳失衡情況逐漸嚴(yán)重態(tài)勢(shì)，碳失衡的空間集聚效應(yīng)增強(qiáng)。

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Spatio-temporal Evolution Characteristics of Carbon Balance in Water Source Areas and Water Receiving Areas during the Construction Period of the South-to-North Water Diversion Middle Route Project

WU Yibang1，2，F(xiàn)ENG Jingjin3，CHEN Zhe1，2，ZHAO Jing1，2，CUI Changlu1，2

（1.Spatial Information Technology Application Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. Water Center for Intelligent Drainage Engineering Technology Research，Wuhan 430010，China；3. Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：Mastering the spatio-temporal evolution law of carbon balance in major water sources areas and water receiving areas of significant water diversion projects，as well as its influencing factors，will contribute to formulate the low-carbon green development policies with regional characteristics and improve the scientific nature of carbon reduction and sink enhancement" policies. Based on the county scale carbon emissions and vegetation carbon sequestration data，this paper analyzes the spatio-temporal evolution characteristics of carbon balance at county scale in the water source areas and receiving areas before and after the construction of the Middle Route Project of the South-to-North Water Diversion using the carbon balance coefficient and Kernel density functions. The results show that the carbon balance capacity of the Middle Route Project of the South-to-North Water Diversion presents a “declining and stabilization”trend，while the counties（cities，districts）along the Hanjiang River and Danjiang River in the Hanjiang River basin are seriously degraded. The carbon balance capacity of the water-receiving areas presents a sequence of “rise-fluctuating decline-fluctuating rise”. The carbon imbalance in the radiation areas of medium and large cities is gradually worsening，and the spatial agglomeration effect is strengthening. The carbon balance capacity of 236 counties（cities，districts）along the Middle Route Project of the South-to-North Water Diversion presents a spatial distribution pattern of “higher in the west and lower in the east”.

Key words：carbon balance；carbon source and sinks；county scale；water diversion project；spatio-temporal evolution