基于城市空间紧凑度与碳排放强度关系分析——以厦门岛为例

李明峰，云国梁，何原荣

（1.闽南师范大学 生物科学与技术学院，福建 漳州 363000；2.中国科学院城市环境研究所 城市环境与健康重点实验室，福建 厦门 361021；3.厦门理工学院 计算机与信息工程学院，福建厦门 361024）

基于城市空间紧凑度与碳排放强度关系分析
——以厦门岛为例

李明峰1，云国梁2，何原荣3

（1.闽南师范大学 生物科学与技术学院，福建 漳州 363000；2.中国科学院城市环境研究所 城市环境与健康重点实验室，福建 厦门 361021；3.厦门理工学院 计算机与信息工程学院，福建厦门 361024）

全球气候变化背景下，发展低碳城市已成为世界各地城市实现低碳化可持续发展的主要途径之一。而目前影响城市碳排放的相关因素很多，本文采用5幅不同时期的厦门市遥感影像数据，运用Richardson和Cole空间紧凑度模型计算厦门岛空间紧凑度，并结合城市产业能源利用数据和经济社会统计年鉴数据，利用碳排放模型测算厦门岛不同历史时期碳排放强度。通过利用 ARCGIS软件进行数据分析，寻找城市空间紧凑度与碳排放强度相关性，得出结论：1992年到2014年近22年来厦门岛空间紧凑度不断增大，Richardson紧凑度指数高达0.8；22年间厦门市单位GDP耗能呈现下降趋势，与空间紧凑度呈现负相关；碳排放总量与城市空间紧凑度在1992年到2014年呈现正相关关系。未来随着城市的发展逐步趋于稳定，土地开发利用日趋合理，能源的利用效率和生产技术的提高，城市单位GDP耗能将会下降，空间紧凑度先呈现缓慢上升后趋于稳定。

城市紧凑度；土地利用多样性；碳排放；厦门岛

随着我国社会经济进入“新常态”的发展阶段，如何将城市紧凑化和城市低碳化发展有效的结合起来，从而实现城市可持续发展，是未来城市规划领域的重大议题。尤其在我国城市化进程快速发展时期，具有重要的指导意义。正如仇保兴认为城市建设用地的紧凑度是城市发展的核心理念[1]。城市紧凑度直接影响城市形态结构，最显著的是城市交通系统，它间接影响生态环境、工业生产，从而影响碳排放。Fong Wee-Kean等认为城市碳排放总量与城市空间紧凑度存在着一定关系，提倡紧凑城市的空间发展模式[1]。

厦门市是中国仅有的两个以海岛为主设立的副省级行政区之一，全市由厦门本岛、鼓浪屿岛、北部内陆部分及附近小岛海域组成，海岸线总长度234 km，海域面积390 km2。厦门岛是厦门市城市主体，是厦门城市化速度最集中，最快的区域，2014 年常住人口380 万左右人。本研究选择厦门岛5个不同时期的城市紧凑度指数与单位GDP耗能做定量比较，并结合土地利用多样性指标来综合分析城市空间紧凑度和碳排放强度的关系，对空间紧凑度与碳排放总量作量化分析,为城市紧凑化发展与低碳城市建设提供理论指导。

一、城市空间紧凑性测度

（一）城市空间紧凑度研究现状

自从国外学者DantzingG和Satty在1973年首次提出紧凑城市概念，之后被欧共体委员会(CEC)称作是“一种解决居住和环境问题的途径”，引起学界的广泛共鸣。城市紧凑度主要指以实现土地与能源的节约利用、提高城市运行效率为目的。关于紧凑城市的测量国内外均提出了测算模型，国外以Richardson指数为代表，国内学者方创琳、祁魏锋对紧凑城市理念与紧凑性测度的研究进展进行归纳，总结了紧凑城市综合测度方法，认为指标体系是较为科学的测度方法[3]。

（二）城市空间紧凑度计算

关于城市空间形态紧凑度计算的研究在国外起步较早,并且已经形成较为完善的指标体系。其实早在在紧凑城市理论提出之前，Richardson等根据城市经济学的相关理论，证明圆形是城市建设最有效率的外部空间形态[4]。随着城市紧凑度理论的不断发展，指标体系日益完善，国际上常用的城市空间形态紧凑度模型有Richardson指数模型、Cole指数模型、Gibbs指数模型，这些模型被广泛应用在城市空间形态紧凑度的量化研究中。

表1 城市空间紧凑度测量模型

本文将通过计算城市化建设用地扩展速度、Richardson指数、Cole指数、土地利用多样性指数、城市建设用地扩展速度综合衡量厦门市1992年到2014年城市空间形态和紧凑度变化。

由以上图1可知，从1992年-2014年，Richardson紧凑度指数、Cole紧凑度指数总体呈现上升趋势，局部呈现放缓状态。在1992-2014年间，土地利用多样性指数与建设用地扩张速度变化较为复杂，在1992-2002年间土地利用多样性逐渐降低，而建设用地扩张速度达到最大，其主要原因是厦门正式被批准为副省级城市，社会经济开始发展，人口迅速增长，原来的空间资源远远满足不了人们居住、工作的需求，于是通过围填海和使用耕地来增加建筑用地面积，导致城市扩张速度持续上升、各土地利用类型的比例发生显著变化。2003年厦门市进行海湾城市建设，内兴起新一轮的土地开发，扩展方向主要是岛内东部和北部。新建了枋湖新区、五缘湾新区等来至内部水域填土地区。造成耕地面积持续在减少。2009年至今厦门岛内可建设土地所剩较少，同时厦门岛在绿化方面有所加强，林地面积有所增加。但从2002到2014年的土地利用多样性指数总体还是呈现下降趋势，城市建设用地扩展速度逐年降低，最近几年呈现停滞状态。

图1 1992-2014年厦门岛空间形态变化趋势

Richardson紧凑度指数和Cole紧凑度指数变化急剧增大是在2002年，分别由0.52变化到0.65和0.47到0.53，其主要因素是厦门岛建设用地面积的快速增加和城市扩张。但在2007年到2014都呈现缓慢增长状态。其中1997-2002年形态紧凑度变化率最快，与建筑面积密度变化和城市扩张速率达到一致，表明建设用地面积的扩展对城市形态紧凑度有着正向相关影响。厦门由1978年改革开放为经济特区后，先后在厦门岛湖里、鼓浪屿成立经济特区。后筼筜湖周边形成新城区，并与主要交通干线周围建区连成一片，而后鹭江道之厦港一带的老城向环筼筜湖一带新城转移。岛上出现西部象屿港和保税区建设、北部高崎机场及航空港建设成为原有城市区域外的飞地[5]。2003年后，厦门实施海湾型城市建设战略，围填海扩展海岛城市向沿海边缘发展。至2007年厦门建成区基本连成一片，紧凑度达到0.71。这时，岛上可以建设的土地基本已被开发。所以从2007年至今，岛内主要是对老城区的整改和小面积的土地开发。从图中看出2007年和2014年城市形态紧凑度几乎持平稳状态，变化不大。

二、碳排放强度测算

城市的碳排放强度是指每单位国民生产总值的增长所带来的二氧化碳排放量。该指标主要是用来衡量国家经济同碳排放量之间的关系，如果一个国家在经济增长的同时并且每单位国民生产总值所带来的二氧化碳排放量下降，就表明实现了一个低碳的发展模式。2009年，世界发展报告指出工业生产和建筑领域的碳排放占据城市碳排放总量的80%以上，并呈现增加趋势。我国在“十二五”规划提出，五年期间全国碳排放强度要下降17%，而由于受到各国家经济社会的差异，国外的计算模型不能科学有效的衡量我国城市碳排放总量。所以计算方法的选择显得尤为重要。关于碳排放总量的计算，Yoichi Kaya在1989年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）研讨会上就率先提出碳排放恒等式[6]，之后各国学者也提出了一些计算方法，国内学者刘则渊等通过碳排放等式率先分析了我国能源效率和经济发展的变化对中国人均碳排放的影响。本文关于城市碳排放总量计算采用中国科学院可持续发展战略研究组的碳排放模型[7]。

采用公式（1）表示：

其中：K为能源转换比，E代表各种能源使用总量。

CO2排放总量的计算采用单位GDP耗能、人均GDP指标、单位GDP耗能以及二氧化碳与能源转换比（K）来计算，如公式2表示：

三、厦门历史特定年城市碳排放量

研究数据采用1990年到2015年厦门产业能源数据。从《福建省统计年鉴》和《中国能源统计年鉴》获取对应年份的能源消费数据，使用公式（2）计算厦门市特定年份的碳排放总量。

表2 1992-2014年厦门市碳排放总量 †

由表2可知，随着厦门经济社会的发展，厦门城市CO2排放总量呈现增加趋势，主要是由于1997-2007年厦门处于工业化加速发展的阶段，而支撑工业化发展需要消耗大量的能源。同时在工业化和城市化的过程中单位GDP能耗不断降低，由1992年的2.07降为2014年的0.43，厦门经济活动对能源的依赖性逐渐降低，能源的利用效率不断提高，当然这与厦门产业结构状况的改善、设备技术装备水平的提高、能源消费构成和利用效率的提高是分不开的。

四、城市空间紧凑度与碳排放强度相关性分析

（一）紧凑度与土地利用多样性相关性分析

紧凑度和多样性是城市可持续发展的两大核心，而土地利用多样性无疑是多样性的重要组成部分，本文土地利用多样性采用Shannon 多样性指数进行模拟[8]，该指数可测量土地利用异质性特征及其空间分布均匀程度，在一定程度上影响土地功能混合度。

本文通过对土地利用多样性指标和城市紧凑度指数进行回归分析，如图2所示，土地利用多样性和城市紧凑度的线性关系式：y=0.310x+0.963。随着城市土地利用多样性指数的降低，城市紧凑度逐渐增加。现阶段随着工业化、城市化进程加快，随着建设用地的增加，很多农田、林地、草地、滩涂都被开发为建设用地，土地类型逐渐单一，导致城市土地利用多样性逐年降低，由于建设用地的增加，城市紧凑度呈现上升态势。就目前形势，厦门城市土地利用多样性持续下降，要实现厦门可持续发展还有待提高，改善措施，以提高厦门城市土地功能的混合使用度。

图2 土地利用多样性与紧凑度指数的线性关系

（二）单位GDP耗能与紧凑度指数相关性分析

本文通过统计数据计算得到厦门1992年到2014年城市单位GDP耗能指数，它代表城市经济活动对能源的综合利用程度，直接反映城市能源利用效率和经济结构的变化，可以间接反映产业结构状况、设备技术装备水平、能源消费构成和利用效率。而紧凑城市的目的是实现提高城市运行效率、预防城市过度蔓延。以上两个指标分别从形状和功能两方面反映了城市的紧凑性。

本文通过对单位GDP耗能指标和城市紧凑度指数进行回归分析，由图3得出单位GDP耗能和城市紧凑度的线性关系式：y=0.138x+0.762。随着城市单位GDP耗能的降低，城市紧凑度逐渐增加，城市空间形态日趋紧凑、产业结构、能源利用效率逐步合理。

图3 单位GDP耗能与紧凑度指数的线性关系

五、结论

城市紧凑度和CO2排放量在不同历史阶段呈现不同变化特点和规律，本文以城市化和工业化发展为区分标志来分析不同历史时期期变化特点。

由图4可知，随着城市化和工业化的不断发展，CO2和城市紧凑度变化趋势呈“S”型。城市空间紧凑度对碳排放变化在城市不同阶段呈现不同特点和规律，工业化和城市化发展初期，城市紧凑度和CO2排放总量无显著变化，主要是由于工业生产、交通、建筑等经济社会发展处于初期，对能源的消耗和建设用地需求较少。在城市化和工业化快速发展时期，城市快速扩张，城市建设用地大幅增加，工业生产和经济社会发展日益加快，对能源需求逐步增加，导致这一时期CO2排放总量和城市紧凑度指数快速上升。未来随着城市发展逐步趋于稳定，工业生产和能源利用效率不断提高，城市碳排放量总体呈现稳定趋势。而城市空间紧凑度将随着城市建成区土地利用效率的提高而增加。直至达到饱和状态。

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，增强土地利用多样性，来达到降低城市碳排放的目的。正如方伟坚等认为城市碳排放强度与城市空间结构存在着相关性。研究一个城市不同历史阶段的空间紧凑度与碳排放总量之间的关系，可以有效的揭示城市空间形态的变化机制，从而得出低碳城市发展的模式，为低碳城市发展和紧凑城市发展提供依据。

图4 不同历史时期紧凑度和CO2排放总量变化趋势

[1]仇保兴.紧凑度和多样性——我国城市可持续发展的核心理念[J].城市规划,2006,30(11):18-24.

[2]Fong Wee-Kean, Hiroshi Matsumoto, Ho Chin-Siong, et a1.Energy Consumption and Carbon Dioxide Emission Considera’Gionslnt, he Urban Ptanning Process in Malaysia[J].Journal of the Malaysian Instituteof Planners, 2008(6): 101-130.

[3]王志远.低碳城市空间形态规划研究[D].长沙:中南大学,2012

[4]李佳佳.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[J].山西农业大学学报（社会科学版）,2016,15(2):110-114.

[5]吝 涛,李新虎,等.厦门岛城市空间扩张特征及其影响因素分析[J].地理学报,2010,65(6):715-726.

[6]王志远,郑伯红.城市空间紧凑度与碳排放强度相关性分析[J].城市发展研究,2013,15(6):8-15.

[7]中国科学院可持续发展战略研究组.2009 中国可持续发展报告:探索中国特色的低碳道路[M].北京:科学出版社,2009: 67.

[8]储金龙.城市空间形态定量分析研究[M].南京:东南大学出版社,2007.

Analysis on the Relationship between of Compactness of Urban Space and Carbon Intensity—— A Case Study of Xiamen Island

LI Mingfeng1, YUN Guoliang2, HE Yuanrong3
(1.College of Biological Sciences and Technology, Minnan Normal University, Zhangzhou 363000, Fujian, China; 2.Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese academy of Sciences, Xiamen 361021, Fujian, China; 3.Institute of Computer and Information Engineering ,Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, Fujian, China)

Under the background of global climate change, the development of low carbon cities has become one of the main sustainable development ways to realize low carbon cities all over the world.Now, many related factors influences urban carbon emissions, this article uses five different periods of Xiamen city remote sensing image data, calculates compact space in Xiamen with Richardson and Cole, compact space model, and calculates carbon intensity in different historical periods in Xiamen combined with city industry energy, data and economic statistical yearbook data, carbon emissions model.By using ARCGIS software for data analysis, to find the urban space compactness and carbon intensity correlation, the following conclusions: (1) From 1992 to 2014, space compactness in Xiamen is increasing in recent 22 years, Richardson compact index as high as 0.8, (2) In this 22 years per unit of GDP energy consumption presents downtrend, it is negative correlation with space compactness.(3) Total carbon emissions and the urban space compactness present positive correlation from 1992 to 2014.In the future, with the development of the city gradually stabilized,land development and utilization become more and more reasonable, improvement of energy efficiency and production technology, urban energy consumption of per unit of GDP will decline, space compact degree will rise slowly before they are stable.

urban compactness; land use diversity; Carbon emission; Xiamen Island

F205

A

1673-9272(2016)06-0010-05

10.14067/j.cnki.1673-9272.2016.06.003 http://qks.csuft.edu.cn

2016-10-23

福建省自然基金面上项目（2016J01199）。

李明峰，讲师，博士；E-mail：569901726@qq.com。

李明峰，云国梁，何原荣.基于城市空间紧凑度与碳排放强度关系分析——以厦门岛为例[J].中南林业科技大学学报（社会科学版），2016, 10(6): 10-14.

[本文编校：徐保风]