低碳视角的城市空间形态优化路径研究

[摘 要]低碳城市空间形态是低碳城市研究的重要领域。本文基于城市中碳流动和影响低碳城市空间形态的主要中介要素之间的关系搭建了分析框架，详细探讨了其中的城市碳源、碳汇、热岛、城市规模、土地利用强度和混合度、交通出行方式、建筑群空间关系、低碳政策及其影响评估等要素对碳排放的影响机制及其要素之间的相互关系。在总结现有研究结论和争论的基础上粗略地提出了低碳城市空间形态的原则，并结合中国城市的特点从城市发展阶段、形态特征和制度要素三个方面展望了中国低碳城市空间形态优化路径的优势与挑战。

[关键词]低碳；城市空间形态；中西方城市

[中图分类号]TU984.11+3 [文献标识码]A [文章编号]1005-6432（2013）4-0051-06

1 引 言

最新的研究进一步证实自20世纪中叶以来，大部分已观测到的全球平均温度升高很可能（90%以上）是观测到的人为温室气体浓度（主要是CO2）增加所致。城市是人类活动强度最大的区域，其温室气体排放占全球总量的75%[1]。我国287个地级以上城市CO2排放量占中国总量的58.84%，统计到城镇更高达80%以上[2]。发展低碳城市已经成为世界和我国城市发展的共识。

建设低碳城市的前提是找到城市碳排放的构成、影响要素及其影响机制。西方发达国家的城市碳排放主要源于交通和建筑耗能（纽约、东京、伦敦等全球城市的能源消费中建筑和交通的比值占到近90%[3]），而建筑、交通碳排放在很大程度上取决于城市空间形态，因此西方国家的低碳城市空间形态研究十分丰富；而我国城市碳排放主要取决于城市的能源构成和产业结构，因此我国低碳城市研究多侧重于产业结构调整、生活方式转变、低碳技术应用等方面[4][5][6]。

随着我国低碳城市的进一步发展，低碳城市空间形态的减排潜力将日益凸显，通过合理规划、设计、营运和物业管理，城市甚至可以减少50%的温室气体排放量[7]。

2 低碳城市空间形态的影响要素与研究框架

当前研究发现，城市空间形态与碳排放并不存在直接的关系，而是通过中介要素与碳排放产生关联[8]，相关的中介要素包括城市规模[9]、能源传输[10]、城市用地（密度与土地混合利用度等）[11]、气候与城市热岛效应[10-11][12]、交通能耗[13]、碳汇和碳捕捉等[14]。总结相关学者对城市中碳流动的分析[15]，本文基于上述中介要素与碳排放的相互关系构建城市低碳空间形态优化框架如下页图所示：

3 低碳城市空间形态各中介要素的作用机制

3.1 城市碳源、碳汇与热岛效应的影响暨相互关系

由于城市能源仍以化石燃料为主，基于碳源的低碳城市空间形态研究主要探讨城市空间形态对能源供给效率的影响，尤其是集中式供给和分散式供给的比较研究。集中式供给主要是靠近生产者而远离城市的大型发电站，其能源生产效率高（含传输损失可达到50%），但余热往往无法充分利用，且可能因污染集中而导致生态问题；分散式供给主要是靠近使用者的小型热电厂，其能源生产效率大约只有30%，但通过热电联产等综合利用后总效率可以达到80%，如果以城市废弃物为燃料可进一步减少化石能源消耗和碳排放[16]。将微型热电联产系统与城市电网（集中式供电）相结合，既能有效利用能源，还能平滑能源的波峰波谷需求曲线，提升城市能源利用效率，并更好的保障城市能源安全[17]。

广义的城市碳源还包括交通和跨界交通，以及城市必需品（食物、燃油、水和建材）生产过程中产生的温室气体。基于美国8城市的混合型生命周期碳足迹模型研究发现，跨界温室气体排放（即跨界交通和必需物生产过程温室气体排放）占总排放的47%，使用绿色建材，倡导减少肉类比重的饮食结构将显著降低城市温室气体排放量[18]。反映到城市空间形态则应保持城市农业用地，并考虑在城市中的空地、公园等地区种植农产品[19]。

城市碳汇主要依靠城市绿地系统。数据监测表明，1公顷阔叶林年净供氧量为12吨，但草坪的碳汇能力仅为其1/8～1/4，因此城市绿化应以乡土乔灌草结合的复合防护林系统为主，合理种树面积应不少于绿化面积的70%以上[20]。此外，我国农田土壤生态系统也具有很大的固碳能力和潜力[21]。

低碳城市空间形态研究框架图

城市热岛效应是城市微气候中最重要的一种，主要影响城市夏季的制冷能耗（同时也减少了冬季供热能耗），其最主要的影响因子是城市规模（建成区面积和人口规模）和当地气候（主要是风速）[22][23][24]，城市规模扩张带来的城市不透水表面的增加，也是增强热岛效应的重要原因[12]，但也有学者指出地表反射率每提高0.01，相当于减排CO22.5kg/m2，而改进地表材料可以使城市地区的净反照率增加10%左右[25]。

3.2 城市规模、密度、用地混合度与城市交通出行的相关性研究 生态城市理论认为城市发展存在生态极限，所以城市6825a65541d283ff2a9e4183730f1647ac7d34fd95f24ebde2534966b581e7eb空间形态扩张也应存在限制[26]。但基于碳排放的研究发现城市规模越大，其环境绩效越好[27]，这很有可能是因为城市规模越大，其土地利用强度越高，而土地利用强度与碳排放强度有明显的负相关性。Newman等发现城市人口密度与人均汽油消耗之间存在负幂指数关系[28]，随后Mindalia基于同一数据的进一步研究认为两者的负幂指数关系仅在CBD和内城有效，在外城没有明显的统计关系[29]。Glaeser[9]、Kennedy[30]等人的研究在证实这一负幂指数关系的同时也指出，气候、资源可获取程度、废弃物处理等对城市温室气体排放的影响也很大。

从碳排放的构成来看，交通碳排放是狭义城市碳排放中最重要组成部分之一，而公共汽车、无轨电车和轨道交通的百千米人均能耗仅分别为小汽车的11.9%、10%、6.2%[31]，步行与骑车几乎为零，因此调整交通出行方式，尤其是减少小汽车出行是低碳城市空间形态研究的重点领域[32]。城市交通出行方式与文化有关[33]，也与公共交通的竞争力有关[34]，还与城市密度有直接的关系[35]。Frank等对美国华盛顿州人口普查区的研究发现，人口密度达到每英亩13人，或就业密度在每英亩20～75人及125人以上时，小汽车出行将会减少[36]，Levtnson对美国百万人口以上大都市区的研究发现小汽车出行与人口密度的反比关系只有在人口密度低于7500人/平方英里时成立[37]。当然密度也并非唯一的空间要素，土地利用混合度也十分重要。英国4社区的比较研究发现高密度和土地混合使用相结合的社区比低密度单一功能的社区减少70%的小汽车出行和75%的非工作用途交通出行距离[35]，美国59个大型郊区发展项目的研究也证实了每增加20%的零售和商业活动面积，会引起小巴共乘或公交的出行比例增加4.5%[38]。此外，区域的步行氛围和整体的自然活跃度也很重要[39]，更细致的研究还进一步探讨了公交可达性指标、居住区商业指标、步行可达性指标、每亩公交日行距离、十字交叉路口密度、尽端路口密度、街道穿越难易度、步道连续度、地区街道特征、高差平坦度[15]，以及公交衔接、自行车路权等影响因素[40]。

当然目前的研究也证明，社会经济要素[41][42][43][44][45]对出行方式的影响超过了城市空间形态，居民出行的自我选择强化[46]也在其中扮演了重要的作用。

3.3 理想低碳城市空间形态及建筑群布局

尽管现有的研究大多指向紧凑的城市形态是较好的低碳城市形态，但对其的争论一直不断。不少学者相信通过城市群策略，走廊城市（corridor city）和边缘城市（edge city）同样也可以获得与紧凑城市类似甚至更好的效果[35][47]。紧凑城市理论也开始倾向于这种“分散化集中”模式，即以公共轨道交通系统相联系的城市群模式，以城市为核心进行高密度、高强度发展[48]，但这种紧凑布局的高强度中心只有与更大尺度的城市空间组构良好联结时，才能实现城市的可持续发展[49]。且研究也已经证实多样性是不亚于紧凑性的重要指标[50]。笔者还认为这也要充分考虑到走廊城市和边缘城市的规模。国内形成的中国都市区低碳发展模式共识也与之类似，即以绿楔间隔的公共交通走廊型的城市空间扩张，将新的开发集中于公共交通枢纽[38][51][52]。

在社区尺度，新城市主义者早就提出了以DPZ倡导的TND模式和以Calthorpe为代表倡导的TOD模式两种理想城市空间形态[53][54][55]，但现有的研究还仅为理论推导，并没有控制其它变量而对不同社区形态低碳绩效的实证比较研究。

目前的实证研究主要集中于建筑群空间布局对气候的适应性，尤其是热环境的模拟，这将影响到城市和建筑的能耗，进而影响碳排放。这其中有草坪屋面[56]、绿化树种及其种植密度[57]、各种建筑布局形式（如行列式、错列式、斜列式、围合式等）的风环境[58][59]对建筑群和街区的单因子影响研究；也有综合考察建筑密度、容积率、空间组合、道路结构和绿化水体等影响因素的多因子分析[60][61][62][63][64]。但不同地区的气候环境不一样，上述研究一般只能指导特定地区的小范围城市社区、街区布局。

3.4 政策研究与评估

国内外不少城市已经制定了低碳城市发展政策，但主要集中于新能源开发与应用[65][66]、建筑节能[67]、碳税[65]等，对与低碳城市空间形态紧密相关的土地利用、用地强度、交通出行等大多通过价格和相关政策[4][68]、城市规划师技能要求[69][70]等间接手段进行调节和影响。

由于低碳城市发展时间较短，到目前为止尚没有全面的低碳城市政策评估。这一点远远落后于对精明增长相关法案的评估研究。且近年来对精明增长法案的研究已经不仅仅包括遏制城市蔓延的[71]，还包括人均交通里程、税收与财政支出、人口与就业岗位以及房价涨幅等多个方面[72]，并深入探讨了其实施时遇到的阻力，如政府财政能力不足、“NIMBY”运动[73]、联邦政府对城市工业污染用地再开发过高的清理污染费用门槛、对汽车使用者的事实上的隐性补贴[19]，以及各种利益集团的阻挠[74]等，值得未来低碳城市政策评估研究借鉴。

3.5 小结：低碳城市空间形态的共识与争论

当前，学界对低碳城市形态的研究已经达成了初步的共识，但仍有不少争论。

从城市的碳基能源的供给方式上来看，集中式与分散式相结合的布局方式已经得到认可，今后城市需要在提升生产工艺以减少污染物排放的条件下，大力发展与社区规模相适应，与主干电网相配套的小微型热电联产设施；

从城市碳汇的角度来看，在城市中及周边形成良好的以本地树种（阔叶林为佳）为主的复合防护林体系，并重新恢复城市农业，既能有助于扩大城市碳汇，同时也有助于减少因为农产品和建材等输入造成的间接碳排放；

从城市规模上看，尽管城市规模与热岛效应的关系明显，但大城市的碳排放强度往往远远小于中小城市。这主要是因为大城市的人口密度一般远大于中小城市，而城市人口密度和碳排放强度呈现出明显的负相关关系。

但城市密度究竟多高为宜则尚无统一结论。虽然较高的城市密度可以容纳更多的城市发展活动，从而保护郊区开敞空间，缩短交通距离，保障公交系统的利用效率[35][75]，提高基础设施效率[76]，从而降低能耗；紧凑的住宅还能减少建筑能耗（但也有学者认为1980年后独栋住房和多家庭住房之间的能耗差异越来越小[77]）。但高密度城市也会导致市内开放空间减少[78]，以及中心区严重的交通拥堵等问题[75]。事实上，密度是一个动态的过程，各城市对于高密度的可承受能力也各不相同。

城市空间形态与城市碳排放中最重要中介要素——交通出行碳排放的影响机制也并未完全廓清，一般认为虽然高的密度和用地混合度有助于减少出行距离和小汽车出行（也有学者认为其对出行方式的影响甚小[77]），但社会经济要素对于出行方式的影响要远大于城市空间形态的影响，密度和混合度也并非城市空间形态中唯一的影响因素，还需要良好的公共交通系统和交通换乘系统，以及较好的非机动车出行环境（包括路网、路权等）。

总的来说，低碳城市空间形态一般应符合以下特征：较大的城市规模；较高的人口和用地密度；公交导向的、紧凑而多样化的城市用地布局；各个子系统（能源、公共设施等）均能形成有效的网络化空间结构；完善的公共交通系统、适宜于非机动出行的城市道路系统和出行环境、以及良好的驳接、换乘系统；良好的城市防护林体系及一定程度的城市农业；与气候相适应的路网与建筑群布局形式。

但这一低碳城市空间形态是否可行也被广泛争论，目前还没有完善的遏制城市低密度蔓延措施。基于城市经济学的研究发现在一个封闭的经济系统中，只有当不同的城市增长产生相同的外部性[79]，且政府对人口分布进行行政干预[80]时，控制城市蔓延的政策才可能实现。

4 我国低碳城市空间形态路径优化的优势与挑战 截至2006年年底，我国已建成国家级可持续发展实验区58个，省级试验区90多个[81]，并选择了五省八市开展低碳试点工作，许多城市已经编制了城市低碳发展规划[82]。随着中国城市化的继续发展，未来还将形成若干容纳数百万人口的低碳新城和低碳新区。但是我国城市与西方发达国家城市有着显著的不同，其空间形态的优化路径也有独特的优势和挑战。

4.1 中西方城市发展阶段不同，中国低碳城市空间形态中介要素研究需要更多地考虑工业化城市的特点 我国目前还处于工业化和城镇化加速发展阶段，工业碳排放是主因，城市空间形态的影响相对较小。即便在低碳城市空间形态研究领域，其影响机制和应对策略也很不同。西方城市的低密度蔓延是在较高城市化水平下市场经济自发作用的结果[83]，其交通出行CO2排放受居民收入影响显著，小汽车出行距离一般与建成区面积正相关。而我国城市扩张的根本原因是城市人口快速增长、城市住户收入水平迅速提高和农用地征地补偿最高限价的综合作用结果[84]，我国交通CO2排放与人均收入相关性很低，与各省GDP相关性却较高，小汽车行驶里程和城市建成区面积也呈现负相关关系，这说明我国城市的扩张密度较高，且交通碳排放还是主要集中于货运和公务商务用车上[3]。上海市的实证研究也进一步证实了对外交通是交通运输碳排放的主因；另外才是郊区化导致的郊区人口出行量的增加[85]。

4.2 中西方城市空间形态特征不同，中国低碳城市空间形态具有紧凑优势，但中心体系不明显 发达国家城市虽然在1960—1970年经历了郊区化浪潮，但一般中心性较好；而发展中国家的城市发展往往受到全球分工（FDI）、农村快速城镇化等因素的影响，突出地表现为紧凑度高但复合性较低、中心性最低的特点[86]。此外，我国城市还存在着各类园区开发失控，区域性道路交通等基础设施建设占地过大，独立工矿和小城镇建设用地快速增长，郊区土地以租代征造成建成事实等特点[87]，各城市间形态和结构差异极大。这种城市空间形态差异虽然有利于建设紧凑的低碳城市，但在研究交通出行规律、公共服务设施布局等方面则更难把握，有学者就认为增加密度并不能显著降低我国城市交通的能源消耗[32]。

4.3 中西方土地制度等外部制度条件不同，中国低碳城市空间形态政策研究的影响力更大 政府是应对气候变化、低碳转型发展的主要推动者，国际上的低碳城市建设大多从税收、规划体系、基金、社区等间接手段入手，我国也出台了可再生能源建筑应用财政补贴、可再生能源示范城市的财政补助、贷款贴息、以奖代补、资本金注入、种子基金等，以及既有建筑节能改造补贴、北方地区热改、大型公共建筑节能改造与监测等政策[2]。但我国实行的土地公有制有助于政府采取更强有力的土地利用策略对低碳城市空间形态产生即刻和显著的影响[88]。

5 结 论

低碳城市空间形态的研究不断完善，已经在城市碳源、碳汇、热岛等方面基本达成了共识，但在城市规模、城市密度、交通出行等方面的研究还存在着不少争论。我国当前的低碳城市空间形态研究虽有创新，但大多还处于在国外研究的本土化阶段，且我国城市空间形态的形成机理、发展阶段、制度环境等均与国外显著不同，因此还需要更多的符合我国国情的低碳城市空间形态研究。

同时我们也应该清醒地看到，低碳城市仅仅是可持续城市、生态城市的一种量化概念，只关注了城市温室气体排放这一个问题[89]。要应对可持续发展的挑战，需要建立更综合的可持续发展观。从这一角度而言，低碳城市空间形态只是一个过程而远非结果。

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[基金项目]本文得到国家自然科学基金项目《中国城市空间增长的低碳化形态模式研究》（编号41171130）的资助。

[作者简介]黄斌（1983—），男，助理研究员。研究方向：低碳城市规划；吕斌（1950—），男，教授。研究方向：低碳城市形态与城市可持续再生。