城市空间形态与城市土地利用碳排放强度关系分析——以上海市为例

李佳佳

(同济大学 经济与管理学院,上海 201804)



城市空间形态与城市土地利用碳排放强度关系分析——以上海市为例

李佳佳

(同济大学 经济与管理学院,上海 201804)

摘要：采用1990年、2000年和2010年上海市城市土地分类利用数据和城市产业能源利用数据，运用空间紧凑度测度模型、能源消费模型和碳排放强度模型，得到上海市在这3个特定年份的城市紧凑度和基于产业空间基础的土地利用碳排放强度。通过计算分析得出主要结论：(1)近20年随着上海市空间紧凑度的增大，城市土地利用的碳排放强度也在增大；(2)交通产业空间和生活与工商业空间碳排放强度最大，与城市空间紧凑度的相关性也最大，因此，这两个产业空间应作为土地利用规划调整的重点区域；(3)未来随着城市发展趋于稳定和能源利用技术的进步，碳排量会不断下降；而城市土地利用效率和强度会不断提高，城市空间紧凑度会不断增大，碳排放强度响应也会减小。

关键词：城市空间；紧凑度；碳排放；产业空间；土地利用

城市是实现低碳可持续发展目标的重要区域，城市土地的合理利用是实现城市节能减排发展的重要途径。首先，城市的主要功能是追求经济和社会效率，同时城市聚集了全球50%的人口，是人类社会经济活动的中心；但其能源消耗量占到世界能源消耗量的70%，碳排放量约占到全球总排放量的80%，城市能否实现低碳化的可持续发展，对整个社会低碳化可持续发展的实现起到至关重要的作用。[1]20世纪80年代以来，我国城镇化发展迅速，资料显示“十二五”期间城镇化率预计将超过50%。伴随着人口大量向城市集聚，城市建设用地量剧增，城市空间也必然迅速扩展。城市空间形态的合理布局和扩展，成为实现城市低碳发展的关键环节。其次，城市土地利用变化是城市碳排放变化的重要原因之一。城市中林地、湿地、耕地等具有“碳汇”功能的地类不断减少，而“碳源”功能较强的建设用地面积不断扩大，促使大气中CO2的含量持续增加。城市空间形态的演化是城市化进程中土地利用演化的结果，土地利用的变化是城市空间形态形成和演化的基础。城市土地的合理有效利用，引导城市产业结构的优化与升级，降低碳排放强度，是实现城市低碳可持续发展的关键。

城市空间发展形态的研究主要集中在紧凑型和松散型两个方面。紧凑型的城市形态指城市空间扩张密度合理[2]，是一种城市发展策略，相关研究认为紧凑型的城市形态有利于减少碳排放[3]。因此，本文将城市的空间紧凑度作为分析城市空间形态的衡量指标。

在城市碳排放结构中交通排放、居民消费排放和制造业等产业排放所占比重最大，由此产业用地空间决定着土地利用碳排放。本文以产业空间碳排放研究为纽带，建立起城市空间形态与城市土地利用碳排放之间的联系，进而通过科学的土地利用规划和合理的城市空间布局，降低城市碳排放强度，促进城市的低碳可持续发展。

一、城市空间紧凑度测度

城市空间形态紧凑度的研究在国外起步较早，且有了比较充分的研究，形成一系列较为完善的量化模型指标 (表1)。在紧凑城市理论形成之前，就有学者提出提高城市效率的空间衡量模型，如Richardson 等根据城市经济学的相关理论，证明城市建设最有效率的外部空间形态是圆形；同时他根据圆周率，提出测度城市空间扩张的紧凑度模型。之后，随着紧凑城市理论的产生与发展，在对大量的城市空间形态紧凑度的量化研究中，Richardson指数模型、Cole指数模型、Gibbs指数模型等便被广泛应用。

本文结合表1城市空间形态的模型和以往相关研究[4]，选取Richardson指数测度城市空间形态的紧凑度。Richardson指数又称作形状紧凑度，反映了空间数据图形完整性和集聚性。Richardson指数越大，表示空间形状越紧凑；反之，形状紧凑性越小。其原理是将圆形作为参照度量单位，进而与要衡量的空间形态作比较。因此，当城市形状为圆形时，紧凑度为1；当为正方形时，城市空间呈蔓延发展，紧凑度低；如果呈狭长型Richardson指数则远远小于1。Richardson指数是测量城市空间形态的一个重要概念。一方面，紧凑型的城市内部空间距离较短，城市交通空间能耗就会大大降低；另外，还会大大提高土地利用效率，从而促使产业发展方式朝集约型方向转变。

表1　城市空间形态紧凑度测度模型

根据王新生等在《中国特大城市空间形态变化的时空特征》中对城市形状的定量化数据和陈敏《城市紧凑度的测量研究》的研究成果[5～6]，并查阅《中国城市统计年鉴》分别得到上海市在1990年、2000年和2010年的紧凑度(表2)和上海市城市面积数据。20年间上海市城市面积不断增大，城市紧凑度也是增大的。

表2　上海市空间紧凑度测度结果

二、基于产业空间研究的土地利用碳排放

以石油、煤炭、天然气等传统化石能源消耗所产生的碳排放，成为全球气候变暖的主要人为因素。研究人类经济和社会活动的能源消费产生的碳排放对全球碳循环的影响，也日益引起国内外学术界的关注。[7～11]回归到本文的研究范围界定，本文的研究区域主要在城市层面。实质上，城市经济和社会活动对区域碳循环的影响在很大程度上是通过城市中各个产业的空间布局方式来实现的，产业空间结构变动及区域差异会改变城市能源消费的格局，并进一步影响区域碳循环的速率。因此，城市产业活动及其碳排放效应的研究，成为城市节能减排的重要研究领域。在研究方法上多运用因素分解方法和投入产出法，分析制造业部门的碳排放强度和产业结构对碳排放的影响，并对碳减排措施和行为进行了评价[12～13]；同时，也有运用定量模型方法，对碳排放的组成结构进行了分析，得出替代性能源的使用是减少碳排放的主要原因的结论[14]。国内的研究方法多沿用西方比较成熟的分析方法，对碳排放的循环过程多有涉猎，同时也对不同产业参与国际贸易所产生的碳排放进行了研究[15～17]；另外，也有一些学者基于不同产业对碳排放的影响开展了相关研究[18～19]。但这些研究的重点集中在不同的产业和产业结构变化对碳排放的影响差异，而没有将产业空间这一重要因素对碳排放强度的影响加以考虑。产业活动总是在区域空间的基础上展开的，因此，将城市各个产业活动碳排放落实到城市空间上，对于分析和对比不同产业活动的在单位空间上的碳排放强度，进而采取合理的产业调控和土地利用政策，以降低区域碳排放具有重要意义。

(一)数据来源和计算方法

1.数据来源

目前，人类社会利用的主要能源有化石能源、电能、核能、生物质能、太阳能、水能和风能等，其中，又以化石能源为代表的传统能源的消耗成为碳排放的主要原因。因此，本文仅计算化石能源和农村生物质能等主要传统高碳能源的碳排放。研究数据采用1990 年、2000年和2010年上海市不同产业各种能源消费量、土地利用数据等数据。其中，各种能源的消费数据来自对应年份的《中国能源统计年鉴》和《上海统计年鉴》，土地利用等数据来自对应年份的《中国统计年鉴》、《中国城市统计年鉴》和上海市政府公报。

2.不同能源消费碳排放

碳排放模型：

(1)

(1)式中，Ce为碳排放总量，Ch、Cb为化石能源和农村生物质能源消费碳排放，计算式：

Ch=∑Qhi×NCVi×Cei

(2)

(2)式中，Ch为化石能源消费碳排放总量，Qhi表示第i 种化石能源消费量，NCVi为能源净发热值，Cei为C排放系数，NCVi、Cei均采用IPCC 的给定值。

Cb=∑Qbi×Dbi×Ebi

(3)

(3)式中，Cb为农村生物质能源消费碳排放量，Qbi为第i 种能源消费量(主要为：薪柴、沼气和秸秆)，Dbi为碳排放系数，取国内学者采用的煤炭排碳系数均值0.717235[20]，Ebi为折标准煤系数(折煤系数来自于《中国能源统计年鉴》中国统计出版社，2008 年)。

(二)不同产业空间的碳排放强度

为了对不同产业空间的碳排放进行核算，这里基于能源平衡表的能源消费项目与土地利用分类体系，参照赵荣钦等[20]的研究，进行合并、分解及适当调整，建立了不同产业空间与碳排放项目的对应关系(表3)。需要说明的是：(1) 本文的产业空间并不仅仅指产业本身，而是指以土地为承载基础的产业活动的空间范围；(2) 为了将产业活动能源消费与不同的土地利用类型对应起来，表中的产业划分不是严格按照传统的产业类型划分，而是进行了归并，在此基础上对单位产业空间的碳排放进行测算；(3)生活与生产空间主要是指人类生活和生产活动的空间，因此包含了居住用地和生产用地；(4)目前中国城市区域内外沿还有农村居民点的分布，此区域的能源利用成为碳排放的主要来源，因此将其列入生活与生产空间；(5) 能源平衡表中其他行业不易再进行细分，因此将其碳排放归入其他产业空间；(6) 由于农业、林业、牧业等以碳吸收为主要特征，人为碳排放很少，因此本文将其一并归并为农业空间。各个产业空间碳排放强度的计算方法如下：

(4)

(5)

(4)式和(5)式中，Cp 和Cpi分别为城市产业空间的碳排放强度和各类产业空间的碳排放强度(t/hm2)，i为不同产业空间类型，Si和Cti分别为第i种产业空间用地面积及对应的碳排放量。

表3　产业空间的划分与碳排放的对应关系

(三)上海市产业空间碳排放强度分析

整理上海市近20年碳排放数据，产业空间的碳排放总量从1990年的2228.78万吨增长至2010年的7271.64 万吨(表4)，且各产业空间除农业空间外，碳排放量也是不断增长的，这与农业产业空间用地减少不无关系(见图1)，我们需要对产业空间的碳排放强度进行计算。此外，我们看到生活与生产空间碳排放量最大，其次为交通产业空间，两者是城市碳排放的主要空间单元，碳排放集中在城市的发达行业。

表4　上海市各产业空间碳排放量(单位：万吨)

图1　1990年、2000年和2010年上海市产业空间用地量(单位：km2)

根据式(4)和式(5)，通过计算可以得到三个年份总的碳排放强度和各个产业空间在不同年份的的碳排放强度(表5)，从表中我们可以看到，1990年到2010年间上海市产业空间碳排放强度是不断增加的，其中交通产业空间碳排放强度最大，其次是生活与生产空间，这反映了发达产业发展空间的有限性。

表5　上海市碳排放强度年度值和产业空间

注：QD1代表生活与生产空间碳排放强度；QD2代表交通产业空间碳排放强度；QD3代表农业空间碳排放强度；QD4代表其他产业空间碳排放强度。

三、上海市空间紧凑度与产业空间碳排放强度关系的分析

与以往研究不同，从表4计算结果我们得到上海市空间形态紧凑度与产业空间碳排放强度都在增大(图2)，但这不能说明紧凑型城市不利于城市低碳发展，这与其经济发展产业排放加大和城市产业空间不断变化都有关系。

图2　城市空间紧凑度与碳排放强度发展形势图

基于以上计算结果分析，上海市土地利用碳排放强度并没有随着城市空间紧凑度的变大而减小，这与城市经济、社会发展规模不断增大有较大联系。因此，从根源上应该调整城市能源结构，多利用清洁能源来减少碳排放量。

除了加强城市发展空间紧凑度，还应该在土地利用规划时，加强内部产业空间布局的合理性，来达到降低城市碳排放的目的。如加强对高碳排放空间，尤其是交通产业空间、工业空间等的调控；增强生产性土地(耕地、林地、湖泊、城市绿地等)的固碳效率，以期有效降低城市的碳排放强度。

从长远来看，随着城市发展趋于稳定和能源利用技术的提高，城市碳排放总量会趋于下降。提高城市土地利用效率和城市空间紧凑度，将避免城市盲目扩张，有效降低城市通勤的碳排放；还能够保护城市的生态系统而增强城市碳汇。

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(编辑：佘小宁)

Study on the relationship between urban spatial form and intensity of urban land use carbon emission——taking Shanghai as an example

Li Jiajia

(CollegeofEconomicsandManagement,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Abstract:In this paper, the urban land use data of 1990, 2000 and 2010 in Shanghai and different industrial energy use are employed, through the space compact model, energy consumption model and carbon emission intensity model, urban compactness and industrial space based land use carbon emissions intensity of the three specific years in Shanghai are summarized. There are three main conclusions. Firstly, the carbon intensity of urban land use is increasing with the increase of Shanghai's space. Secondly, the space of traffic industry and industrial and commercial space are the most important. Therefore, these two industries should be used as the key areas of land use planning. Finally, in the future, with the development of cities and the technology of energy use, carbon emissions will decrease, and the efficiency and intensity of urban land use will be improved continuously, and the urban space compactness will increase and the response of carbon emission intensity will decrease.

Key words:Urban space; Compactness; Carbon emissions; Industrial space; Land use

中图分类号：F293.2

文献标识码：A

文章编号：1671-816X(2016)02-0110-05

作者简介：李佳佳(1986-)，女(汉)，河南洛阳人，博士研究生，主要从事城市环境发展与管理方面的研究。

收稿日期：2015-12-02