风中碳追踪：一种前向轨迹框架与区域环境治理

《Environmental Impact Assessment Review》：Tracing carbon in the wind: A forward trajectory framework and regional environmental governance

　　

摘要

碳汇服务对缓解气候变化至关重要，但其效益在空间上分布不均。高排放地区往往与生态系统碳吸收能力强的区域不同，造成碳需求、生态供给与补偿责任之间的空间错配。现有的评估通常集中于静态的供需平衡或基于距离的源汇关系，而未能充分关注大气传输路径及跨区域效益归属。为弥补这一空白，本研究开发了一种基于前向轨迹的框架，用于追溯碳汇效益并促进公平的区域补偿。该框架整合了碳汇供需评估、基于HYSPLIT的大气轨迹模拟、代表性轨迹聚类、流量分配、生态系统服务付费及财务可持续性评估。将其应用于2000至2022年的青藏高原及周边地区，该框架揭示了大气介导的碳汇服务流的时空结构及其补偿含义。结果表明，碳汇效益路径呈现方向性刚性、广泛弱连通性以及显著流量不对称特征。区域碳汇系统已从相对独立转向更强的跨区域协同，表明碳亏损区与碳盈余区之间的相互依赖日益增强。估算的补偿结构显示空间极化，但随时间推移也出现了收敛迹象，且支付规模总体呈上升趋势。财务可持续性评估表明，所提出的支付方案对支付方和接收方均未造成系统性失衡。本研究为碳汇归属、生态补偿及区域碳治理提供了一种空间显式的决策支持框架。

引言

碳汇服务（CSS）是一种关键的调节性生态系统服务，通过陆地生态系统吸收和储存大气碳来促进气候变化缓解（Pan et al., 2024; Ruehr et al., 2023）。随着碳中和政策日益要求对碳源、碳汇及责任进行空间显式核算，CSS评估已不再局限于固定行政边界内的碳汇估算（Bagstad et al., 2013; Schroeter et al., 2018; Zhang et al., 2024; Zhou et al., 2025b）。碳排放、生态系统碳吸收及人类受益者往往分布不均。生态能力强的区域不一定具有高碳需求，而城市和工业区可能依赖其他地区产生的碳汇功能。这种空间错配引发了环境评估和生态补偿中的一个核心问题：如何对碳汇效益进行空间归属，以及如何使这种归属支持公平且财务可持续的跨区域责任分担？

生态系统服务流（ESFs）研究为回答这一问题提供了有用的框架。与主要衡量固定区域内服务供给或需求的静态生态系统服务评估不同，ESFs方法考察服务如何通过生态、物理、基础设施或社会路径从供给区流向受益区（Bagstad et al., 2013; Serna-Chavez et al., 2014; Zhou et al., 2026）。从基于存量的评估转向基于流的评估具有重要意义，因为它不仅有助于识别服务在哪里生产，还能揭示谁从中受益、通过何种机制，以及对区域规划、生态补偿和环境影响评估有何影响。

现有的CSS及相关ESFs建模方法可归纳为四类。第一类是静态供需评估，比较空间单元的产能、需求以及盈余或赤字，但未能解释服务如何在行政边界之外传递和实现（Burkhard et al., 2012; Lin et al., 2024; Liu et al., 2025; Villamagna et al., 2013）。第二类是距离衰减和引力型模型，根据距离、服务量级或社会经济权重估算供需区域间的潜在流量，但通常将传输简化为二维邻近关系（Li et al., 2019; Schroeter et al., 2018; Wang et al., 2025）。第三类是网络或路径型模型，通过廊道、节点或交付链来表示服务移动，从而在可识别清晰路径的情况下改善空间归属（Cui et al., 2026; Egarter Vigl et al., 2017; Huang et al., 2025）。第四类是基于过程的模型，利用水文、大气或生态过程来表示介导服务移动的物理机制。对于空气介导的服务，该方法尤为相关，因为风场、大气稳定性、垂直混合、地形和土地利用条件决定了传输的方向和范围（Stein et al., 2015; Stohl et al., 2005; Wang et al., 2025）。然而，仅靠基于过程的大气模型并不能定义生态系统服务流，需要与生态供给、受益者需求和分配规则相结合。

关于风蚀传输和大气模拟的更广泛国际文献为空气介导的ESFs建模提供了重要基础。对风蚀沙尘的研究表明，沙尘的排放、传输和沉积受风速、土壤可蚀性、粒径、植被覆盖、地表粗糙度和大气环流影响（Alfaro et al., 2022; Pi et al., 2023; Wang et al., 2021; Woodward, 2001; Zhou et al., 2025a; Ziegler et al., 2020）。国际沙尘传输研究使用HYSPLIT识别沙尘事件中的源-受体关系和传输路径，包括全球沙尘暴和中东沙尘传输（Ashrafi et al., 2014; Wang et al., 2011）。更广泛地说，HYSPLIT、STILT和FLEXPART等拉格朗日轨迹和粒子扩散模型展示了如何在环境建模中表示大气传输路径、受体影响区和源汇关系（Lin et al., 2003; Stein et al., 2015; Stohl et al., 2005）。这些研究通常未将大气传输视为生态系统服务流，但它们为使用轨迹建模识别跨区域环境关联提供了物理和方法论基础。

在此基础上，更专门的ESFs研究领域已将HYSPLIT应用于生态防风固沙服务。这些研究尤为相关，因为它们明确将大气传输路径转化为生态系统服务关系。早期研究识别了荒漠化控制区域中受益于防风固沙服务的区域，从而将服务供给区与下风向受益区联系起来（Jiang et al., 2016）。后续研究将风蚀模型（如修订风蚀方程）与HYSPLIT结合，量化防风固沙供给、模拟传输路径、识别受益区并估算物理或货币服务流量（Hu et al., 2022; Huang et al., 2024; Zhang et al., 2025）。近期的应用已将该方法扩展到大面积干旱内陆河流域和尾闾湖流域，表明HYSPLIT有助于划定跨区域受益区并揭示风介导生态系统服务的空间范围（Han et al., 2024; Yu et al., 2025）。相关的生态补偿研究进一步表明，识别受益区和效益水平可以支持防风固沙服务差异化的跨区域支付方案（Su et al., 2020）。

这些先例提供了重要经验，但未能解决CSS流归属问题。沙尘流涉及颗粒物，其移动、沉降和避免的损害可以更直接地与风轨迹联系起来（Zhang et al., 2025）。相比之下，大气CO?传输受平流和扩散的共同影响，而碳吸收取决于生态系统生产力、土地利用、植被类型、大气条件和停留时间（Bloom et al., 2016; Prather et al., 2008）。因此，轨迹本身并不是CSS流。只有当轨迹信息与碳需求、生态供给、传输方向、吸收能力和分配规则相结合时，它才与生态系统服务评估相关。这一区别至关重要。这意味着CSS流建模的创新性不在于将大气轨迹视为碳固定的直接证据，而在于开发一个透明的归属框架，将主要大气路径与生态系统服务供给、受益者需求和补偿设计联系起来。前向轨迹法模拟受碳吸收影响的空气团的轨迹、持续时间和范围，将碳固定转化为可追溯的服务流。它自然地与源-流-汇框架相一致，并通过将轨迹足迹与社会经济数据叠加来量化效益。HYSPLIT在防风固沙服务流中的成功应用展示了沙尘传输与CO?贫化空气平流的物理相似性，支持了这种方法论迁移的合理性和可行性。

生态系统服务付费（PES）提供了一种制度机制，用于解决生态系统服务供给与受益之间的空间错配问题（López-Cubillos et al., 2022）。传统PES方案通常根据保护成本、生态价值或行政指定来补偿供给区（Shen et al., 2022; Song et al., 2018）。基于ESFs的PES通过将支付与供给区和受益区之间的估算服务流量联系起来，提供了一种更具空间显式性的替代方案（Tao et al., 2025; Wang et al., 2024; Zhou et al., 2026）。这对CSS尤为重要，因为碳汇效益在各区域间分布不均，生态补偿需要可辩护的规则来确定谁应支付、谁应接收以及多少补偿是合理的。然而，当前PES研究仍以水资源、土地或固沙服务为主，空气介导的CSS补偿研究仍处于发展不足的状态。此外，许多PES评估侧重于支付规模，而对财务可持续性关注不足，包括支付义务是否对支付方造成过度负担或是否为接收方产生不成比例的利益。

因此仍存在三个空白。第一，在概念上，CSS流研究未能充分区分物理大气传输、生态系统吸收与具有政策意义服务的归属。第二，在方法上，现有方法要么依赖静态供需匹配或简化的距离衰减关系，要么使用大气模型而未充分整合生态供给和社会经济需求。第三，在制度上，很少有研究将估算的CSS流转化为跨区域PES方案，然后检验这些方案对支付方和接收方是否财务可持续。弥补这些空白对环境评价具有重要意义，因为碳中和规划日益需要能够将生物物理过程、空间责任与政策实施联系起来的工具。

青藏高原（QTP）及其周边地区为开发此类框架提供了重要背景。青藏高原是重要的生态安全屏障和碳汇区域，但其特点还包括复杂地形、强大气环流系统、多样的土地利用类型以及人口、工业活动和经济能力方面显著的区域差异（Chen et al., 2022; Liu, 2023; Yurova et al., 2026）。这些条件使其成为研究CSS流归属的有用案例，同时也要求在结果推广时保持谨慎。本研究并不声称具有普遍适用性，而是利用青藏高原来检验一个方法论框架，该框架可被改编用于大气传输在生态系统服务交付中发挥重要作用的其他区域。

本研究开发了一种基于前向轨迹的框架，用于追溯碳汇效益并促进公平的区域补偿。该框架整合了CSS供需评估、基于HYSPLIT的轨迹模拟、代表性轨迹聚类、流量分配、PES核算及财务可持续性评估。其创新性体现在四个方面。第一，将CSS流重构为空间归属问题，而非简单的源汇匹配。第二，在CSS流评估中引入大气传输路径，同时避免将轨迹本身视为已实现碳固定的假设。第三，将生物物理传输信息与生态供给和社会经济需求相结合，以估算跨区域CSS关系。第四，将估算流量转化为PES框架，不仅评估支付规模和方向，还评估各区域可能面临的财务负担和利益分布。

本研究探讨四个研究问题：

RQ1：在主要大气传输路径下，CSS效益如何空间结构化？

RQ2：如何通过结合大气轨迹与供需关系来估算CSS效益？

RQ3：如何基于估算的CSS效益设计跨区域PES？

RQ4：由此产生的支付义务和补偿效益在财务上有多可持续？

通过这些研究问题，本文为环境评价做出贡献，为碳汇归属、生态补偿和区域碳治理评估提供了一种空间显式的决策支持框架。

素材与方法节选

本研究按照以下六个步骤展开（见图1）：1）评估供需。本研究使用多源数据识别CSS供需，并在省级、市级和县级尺度上进行汇总。2）耦合大气传输与生态过程。本研究采用HYSPLIT模型，以净CO?排放区为受体模拟CO?扩散的前向轨迹，建立物理传输过程与CSS供需及其关系之间的联系。

从2000年到2022年，县级CSS供需格局呈现显著的空间异质性和结构性失衡：西藏和云南等省的各县以盈余为主导，而四川和甘肃的各县以赤字为主导，揭示了明显的空间错配（补充材料图……

S1-S3）。CSS（碳汇服务）供给、需求及均衡的长期时空演变呈现出空间异质性特征。（1）供给方面（见图3a）：参数敏感性分析——前向轨迹持续时间和边界层高度我们通过八种敏感性情景评估了权重不确定性：（1）改变前向轨迹持续时间（24、48、96小时），边界层高度固定在1000米；（2）改变边界层高度（100、500、1500米），轨迹持续时间固定在72小时；（3）两种交互组合，即（24小时，100米）和（96小时，1500米）。以72小时和1000米为基准，计算了三个指标（见补充材料表S13）：平均传输距离误差（MTDE）、平均角度误差（MAE）以及Jensen-Shannon散度

**结论**

本研究的主要发现总结如下：

1）CSS流呈现三种结构特征：方向刚性、广泛的弱连接性以及流不对称性。

2）区域碳汇模式正从相对独立向跨区域协同转变。

3）基于CSS流的PES（支付生态服务）方案在支付与收益之间呈现空间分异格局，支付规模及其空间集聚程度均呈上升趋势。

4）PES方案……

**作者贡献**

- **魏滨松（Weibing Sun）**：撰写初稿、可视化、方法论、调查研究、正式分析、数据整理
- **刘家（Jia Liu）**：概念构思、撰写-审阅与编辑、资源、软件
- **付斌（Bin Fu）**：撰写-审阅与编辑、概念构思、项目管理、资金获取、监督指导
- **杨春燕（Chunyan Yang）**：撰写-审阅与编辑、资源、验证
- **梁明轩（Mingxuan Liang）**：撰写-审阅与编辑、方法论
- **郭应曼（Yingman Guo）**：撰写-审阅与编辑
- **李媛（Yuan Li）**：撰写-审阅与编辑

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本研究受四川省高原与盆地暴雨及旱涝灾害重点实验室资助（"气候变化下四川植被碳汇潜力时空格局及其驱动因素"）（项目编号：SCQXKJYJXMS202402）、四川省高原与盆地暴雨及旱涝灾害重点实验室（"四川碳源碳汇监测评估技术开发与应用"）（项目编号：……）

魏滨松|刘家|付斌|杨春燕|梁明轩|郭应曼|李媛|陆端方|马晓

中国科学院山地灾害与环境研究所，山地发展研究中心，四川成都 610041，中国