额尔古纳湖流域碳封存服务流的多尺度模拟及其对生态补偿的启示

《Ecological Frontiers》：Multi-scale simulation of carbon sequestration service flow and its implications for ecological compensation in the Ebinur Lake Basin

　　

摘要

在中国实现碳达峰与碳中和的目标背景下，碳封存服务流及相关生态补偿机制对于维持区域碳平衡、推动协同生态治理具有重要意义。本研究以典型的干旱内陆流域——艾比湖流域为研究对象，整合了2001年至2022年的多源数据，运用风向约束的空间关联模型与断点场强度模型，从像素级和行政级两个尺度系统分析了碳封存服务的供需格局与空间关联特征、碳封存服务流的潜在空间关联特性以及相应的生态补偿价值。研究结果表明：（a）该流域的碳封存服务供给呈现波动上升趋势，供给过剩区主要分布在流域西部和南部的自然植被覆盖区域，而需求不足区则集中在人口密度高、工业活动密集的中西部地区。（b）在像素级上，受盛行风方向约束的碳封存服务流潜在关联路径总体呈西北-东南走向，并会随着区域供需格局的变化而发生时空调整。（c）在行政级上，托里县、温泉县和尼勒克县是碳封存服务的主要供给区，这些区域作为核心供给地，与多个需求区形成潜在空间关联，使得流域内的碳封存服务流关联关系呈现出空间集中分布的特征。（d）基于碳封存服务流潜在关联的生态补偿格局存在显著的空间差异，需求压力较大的克拉玛依区和呼图壁市对应的潜在补偿金额较高，而作为主要供给区的托里县2020年的潜在补偿金额最高，达1.873亿元人民币。总体而言，本研究揭示了干旱地区碳封存服务流的多尺度供需关系及潜在空间关联特征，为优化生态补偿机制、改善区域碳平衡管理提供了科学依据。

引言

为应对全球气候变化与生态退化问题，中国于2020年提出了碳达峰与碳中和的战略目标[1]。作为陆地碳循环的重要组成部分，生态系统通过植被碳吸收、大气碳交换、土壤碳储存等过程发挥重要的碳汇功能，为维持区域碳平衡、减缓气候变化提供了自然基础[2][3]。然而，生态系统碳封存能力存在明显的空间异质性，导致不同区域在碳封存服务供给方面存在较大差异。仅基于碳储量或碳封存能力的评估无法全面反映碳封存效益的空间分布特征，在某些区域，碳封存效益可能超出当地需求，并通过生态过程扩散到其他区域[4]。因此，从生态系统服务流的角度研究碳封存效益将供给区与受益区连接起来的空间机制至关重要[5][6]。

生态系统服务的供需关系是理解生态系统服务流形成与传递机制的重要基础[7]。由于自然条件、生态系统结构以及人类活动强度的不同，各区域之间往往会出现生态系统服务供给与需求的失衡现象[8]。对于碳封存服务而言，基于生态系统服务流的分析能够帮助识别碳汇供给、社会需求及其空间关联，从而为区域碳平衡调控及生态补偿机制的建立提供依据[9][10]。近年来，生态系统服务流研究的发展重点已从评估服务供给能力转向分析供需关系、模拟空间传递过程以及研究受益者之间的关系[11][12]。相关研究已在欧洲[13]、中国的典型区域[14]以及重要生态保护区[15]开展。通过运用生态系统服务与权衡综合评估模型（InVEST）[16][17]和服务路径归因网络（SPANs）[4]等方法，以往研究从供需匹配、传递路径和受益范围等方面揭示了生态系统服务的空间关联特征[18][19]。现有研究表明，生态系统服务供给区并不一定与实际受益区重合，服务效益可以通过自然过程或社会经济互动跨区域传播[20]。基于生态系统服务流识别生态供给方与受益方，有助于明确区域间的生态联系，为分配生态补偿责任、确定补偿标准提供依据[21]。与水资源供给、土壤保持等具有相对明确传递路径的生态系统服务相比，碳封存服务具有更强的隐性特征和溢出效应，其传递过程受到生态系统生产力、气候条件、大气过程以及人类活动模式等多重因素的共同影响。现有研究主要集中在碳封存服务的供需匹配与区域空间关联方面，而综合考虑传递机制、供给-受益关系以及生态补偿应用的系统性研究仍较为有限。此外，仅在单一空间尺度上进行分析，无法同时把握像素级的服务流特征以及行政单元之间的受益者关联[22][23]。这一局限性在干旱内陆地区尤为突出，由于水资源限制，干旱地区的生态系统生产力和碳汇能力存在显著的空间异质性，而人口与经济活动则高度集中在有限的绿洲区域，导致碳封存服务供给与社会需求之间存在明显的空间失衡。因此，构建一个整合生态供给、空间传递、受益者识别及生态补偿的多尺度分析框架，对于揭示干旱地区碳封存服务流的空间关联、完善区域生态补偿机制具有重要意义。

艾比湖流域是中国典型的干旱内陆流域，其地貌以山地-绿洲-沙漠的镶嵌景观为特征。生态供给区与人口密集、工业活动集中的区域之间存在明显的空间分隔，这使得该流域成为研究碳封存服务流与生态补偿的典型案例。以往研究表明，艾比湖湿地及其周边生态系统具备较高的土壤碳储量和碳封存潜力，而植被类型、土地利用变化以及景观格局动态则会对区域碳库和生态系统服务供给产生显著影响[24][25][26]。然而，现有研究大多聚焦于碳储量、碳封存能力以及生态系统服务供给评估，对于碳封存服务流在供给区与受益区之间的潜在空间关联及其对生态补偿的启示关注不足。因此，本研究构建了一个融合像素级与行政级的双尺度分析框架：在像素级上，将碳封存服务过剩区域识别为潜在的服务源区，并结合盛行风方向模拟碳封存服务流的潜在关联路径；在行政级上，运用断点场强度模型分析各县之间的碳封存服务流空间关联，识别生态供给-受益关系，并量化潜在的横向生态补偿价值。通过将受自然环境条件约束的空间关联与受社会经济互动影响的区域受益关系相结合，本研究揭示了干旱内陆流域中碳封存服务供给与区域社会效益之间的多尺度空间机制。这些研究结果为中国在碳达峰与碳中和目标背景下推进协同生态治理、优化生态补偿政策提供了理论支撑。

章节节选

研究区域

艾比湖流域位于中国新疆维吾尔自治区西北部（北纬44°02′-45°23′，东经79°53′–83°53′），总面积为5.09×10?平方公里。该流域属于温带大陆性干旱气候，降水稀少且蒸发强烈，境内山地、绿洲、沙漠和湖泊等景观共同构成了独特的镶嵌格局[27]。整体地形从周边山区向中央湖盆逐渐倾斜，降水量

艾比湖流域碳封存服务供需的时空演变

在县级尺度上，艾比湖流域的碳封存服务供给、需求以及供需平衡存在显著的空间异质性。根据碳封存服务供给与需求的相对水平，研究区域可划分为三类：第一类为供给高而需求低的区域，主要包括托里县、温泉县和尼勒克县，这类区域生态用地比例较高，植被覆盖度大，碳封存服务供给能力较强，而

碳封存服务流的地尺度效应与区域异质性

空间尺度会影响生态系统服务供需关系的表现形式以及服务关联过程的特性。以往研究表明，空间聚合可能会削弱局部异质性，使供需失衡的特征更加平滑[9]。本研究采用了像素级与行政级相结合的尺度，旨在同时刻画碳封存服务流的空间过程，并识别区域性的生态补偿关系。与

CRediT作者贡献声明

夏文来：写作——初稿撰写、验证、资源获取、方法设计、数据整理、概念构建。吴兆鹏：写作——审阅与编辑、验证、项目管理、方法设计、概念构建。唐玉清：软件应用、资源获取、方法设计、定量分析、数据整理、概念构建。田雨婷：软件应用、方法设计、数据整理。张瑞瑞：软件应用、方法设计、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢新疆自然科学基金项目的资助，项目名称为“绿洲生态系统对土地利用变化的碳封存服务响应、评估与模拟”（项目编号：2023D01A47）。

夏文来|吴兆鹏|唐玉清|田雨婷|张瑞瑞

中国新疆乌鲁木齐市830054，新疆师范大学地理科学与旅游学院