水-土-碳耦合视角下区域碳排放演化特征与驱动机制研究——以山东省为例

《Carbon Balance and Management》：Evolution characteristics and influencing factors of regional carbon emissions from the perspective of water-land-carbon linkage: a case study of Shandong Province

　　本研究针对水资源短缺与土地利用压力下的碳排放管控难题，以典型工业大省山东为案例，通过构建碳排放经济贡献系数(EC)、碳水系数(CWC)等创新指标，结合标准差椭圆与Kaya-LMDI模型，揭示了三大经济圈碳排放的时空分异规律，发现碳排放效率效应、土地经济效应和人口效应是主要驱动因素，为协同推进"双碳"目标与水土资源优化提供了新视角和实践依据。

　　

随着中国成为全球最大碳排放国，实现2030年碳达峰与2060年碳中和的"双碳"目标面临严峻挑战。其中，土地利用碳排放占比高达三分之一，而作为碳循环载体的水土资源短缺更增加了减排不确定性。山东省作为经济大省（GDP全国第三）、人口大省（人口规模第二）和北方严重缺水地区（人均水资源量仅为全国1/6），其能源结构长期偏煤偏油，工业碳排放问题突出，亟需从水土碳协同视角探索减排路径。

为解析区域碳排放演化规律，研究团队创新性地构建了水-土-碳联动理论框架，将城市系统划分为水系（农业用水、生态用水、工业用水、生活用水）、土地系统（草地、水域、未利用地、耕地、林地、建设用地）和碳系统（能源开采、加工、传输、消费）。基于此框架，研究人员首先核算了2000-2020年山东省16个地级市的土地利用碳排放和总碳排放量，进而建立碳排放经济贡献系数(EC)、碳水系数(CWC)、碳强度(CI)和变异系数(CV)等指标体系，采用标准差椭圆刻画时空分布特征，并运用改进的Kaya-LMDI模型量化五大驱动因素的贡献率。

关键技术方法包括：基于IPCC系数法和MOD17A3HGF遥感数据的多源碳核算体系；融合经济圈划分的空间异质性分析；结合重心迁移轨迹和标准差椭圆的时空演化可视化；引入碳水系数的改进Kaya-LMDI分解模型（涵盖碳排放效率效应、用水强度效应、土地经济效应、人均用地效应和人口效应）。

研究结果揭示出三大核心发现：

碳排放格局呈现显著空间分异

省会经济圈(PEC)的土地利用碳排放和总碳排放量均高于胶东经济圈(JEC)和鲁南经济圈(LEC)。EC指标显示JEC（青岛、烟台等）碳控能力最优，CWC指标表明JEC碳-水协同效率最低，而CI指标反映LEC碳排放强度最高。时空演变上，土地利用碳排放呈"东北-西南"分布，重心轨迹呈现"西北-东北-西南"迁移；总碳排放则由"东北-西南"向"东南-西北"转变，标准差椭圆显示先发散后集聚的动态特征。

驱动机制存在阶段性逆转

Kaya-LMDI分解表明：碳排放效率效应、土地经济效应和人口效应总体促进碳排放，但2015-2020年间转为抑制因素；用水强度效应和人均用地效应早期抑制碳排放，后期却转为促进因素。以济南为例，2000-2005年碳排放效率效应贡献1871.49万吨（11.71%），2005-2010年转为-62.2万吨（-0.065%）；土地经济效应累计贡献由2000-2005年的33.59亿吨转为2015-2020年的-5.48亿吨。

政策启示具有精准靶向性

针对PEC应优先推动产业结构调整和可再生能源开发；JEC需加强节水循环技术应用，严格管控高耗水高排放产业；LEC应重点优化土地利用效率，发展低碳农业并严控高耗能项目。特别值得注意的是，基于2000-2020年数据构建的"产业转型-节水-降碳"协同机制，与山东省2023年发布的《绿色低碳高质量发展试点区建设三年行动计划》中关于枣庄、菏泽等地的现代煤化工优化方向高度契合。

讨论部分指出，本研究虽创新性地构建了碳水系数等指标，但碳核算精度仍可结合夜光数据提升；LMDI模型虽无残差优势，但未考虑因子交互作用，后续可采用地理探测器等方法深化机制研究。结论强调，水-土-碳联动视角能有效识别区域碳排放的时空异质性，为城市协同减排提供新范式。该成果发表于《Carbon Balance and Management》2025年第20卷，不仅为山东碳减排提供实践依据，也为资源禀赋相似地区提供了可借鉴的分析框架。