城市温室气体排放空间特征及分区

邓红兵， 陈喆菲, 2， 卢 璐， 邱 莎, 2， 唐明方

(1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域国家重点实验室， 北京 100085；2. 中国科学院大学， 北京 100049； 3. 重庆国际投资咨询集团有限公司， 重庆 400023)

城市温室气体排放空间特征及分区

邓红兵1， 陈喆菲1, 2， 卢 璐3， 邱 莎1, 2， 唐明方1

(1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域国家重点实验室， 北京 100085；2. 中国科学院大学， 北京 100049； 3. 重庆国际投资咨询集团有限公司， 重庆 400023)

作为地表受人类活动影响最深刻的区域， 城市系统成为能源消耗和碳排放的集中地. 由于不同功能区的空间分布差异， 城市系统中存在碳流动过程的特异性及温室气体排放的空间异质性等问题. 在分析城市空间形态与温室气体排放的关系的基础上， 从城市碳流动特征出发， 构建基于温室气体排放的城市空间分区体系， 即根据人类社会经济活动类型结合城市碳流动三要素进行一级分类； 其次， 基于现有的城市用地类型， 根据一级分类结果对城市不同功能区用地进行二级分类. 通过分区， 可实现城市温室气体排放的定量化、 空间化和可视化， 为相关研究和管理提供参考和借鉴.

城市； 温室气体； 碳流动； 低碳； 空间特征

0 引言

城市化带来的化石燃料燃烧和土地利用变化是导致温室效应及全球气候变化的重要原因. 从20世纪90年代后期开始， 全球碳循环研究受到人类的普遍关注[1]， 城市作为人类群居生活的高级形式， 是社会经济活动的中心， 也是人类活动对地表影响最深刻的区域. 城市以占据全球2%的表面积容纳了全球50%的人口， 在创造全球80%以上GDP的同时， 也消耗着全球85%的资源和能源， 排放出占全球总量75%的温室气体[2-4]. 在《京都议定书》中规定控制的6种温室气体中， CO2由于人类活动使其大气浓度持续增加而最受关注； 自工业化以来， CO2体积分数已增加了40%， 这首先是由于化石燃料的排放， 其次是由于土地利用变化导致的净排放[5-6].

自2003年提出低碳经济与低碳城市的概念后， 相关研究快速发展， 多数研究侧重于理论研究框架的构建[7-8]， 包括城市低碳规划的基本假设、 理论框架、 方法体系及技术指标； 也有一些研究具体到城市复合生态系统碳循环过程， 比如从城市土地利用的角度对碳储量展开分析[9-11]. 近年来， 众多学者还从社会经济的角度对城市温室气体排放进行了研究， 如人口规模与结构对碳排放的影响[12-13]， 以及GDP、 能源消耗与碳排放量的关系； 城市系统、 行业、 产业碳排放量的计算等[14-16].

城市由于拥有不同的功能区， 其碳流动过程及温室气体排放也就具有较强的空间异质性[17]. 从城市不同用地类型的空间属性出发， 结合城市碳排放与碳流动特征， 系统研究其规划功能及土地利用与温室气体排放的内在联系， 构建基于温室气体排放的城市空间分区体系， 有助于拓宽对城市温室气体排放特征的认识， 为城市实现低碳发展提供一定的科学依据.

1 城市空间形态与温室气体排放的关系

影响城市温室气体排放的因素众多， 有的直接与排放相关， 有的则是间接影响. 城市空间形态主要是通过一些中间要素与温室气体排放相联系. 比如城市密度与土地混合利用程度是影响城市交通能源消耗的主要因素[18]， 居民出行行为特别是通勤特点和城市交通碳排放的空间特征及差异性是构建低碳城市和解决城市交通问题的基础， 城市人口数量与人均收入及消费特征， 基础设施与公共设施建设， 城市热岛与气候、 建筑节能等也被证明与城市温室气体排放有较强相关性[19].

城市空间形态与温室气体排放存在密切关系是无疑的， 而且这种关系由于存在中间要素的影响往往难以被直接刻画和定量表述， 因此相关研究还有许多值得深入的地方， 具体的研究方法除了通用的碳清单核算、 城市形态的有效表述与测算外， 地理信息系统的引入是一重要进展， 这使得研究可以更加定量和直观. 另一方面， 城市是一个复合生态系统， 存在多种城市要素， 对这些多要素进行综合研究也是未来发展方向之一.

一般地， 城市空间形态与温室气体排放存在以下关系[17, 19]：

1) 城市化程度或水平与温室气体排放存在正相关关系. 许多研究都证明在城市化进程中， 与城市化相关的一些经济指标比如经济总量与居民消费结构的变化也会导致能源消费与结构的变化， 进而影响城市碳排放的规模； 一般来说， 城市化会促进总的能源消费及人均能耗， 导致城市碳排放显著上升.

2) 城市空间形态会在较大程度上影响一些行业的温室气体排放. 城市温室气体排放的三大主要来源是工业、 建筑和交通， 而工业布局、 公共设施和各种建筑的建设以及交通路网， 这些与城市空间形态密切相关的因素， 都会对这些行业的温室气体排放产生直接或间接的影响.

3) 城市空间形态与城市热岛效应密切相关， 而城市热岛效应会在不同时间与区域影响城市能耗， 从而导致对碳排放存在较为复杂的影响. 比如城市夏季空调的能耗显著高于郊区， 但冬季的供热能耗会稍低.

4) 城市空间形态对温室气体排放的综合影响. 多种城市要素复合， 会对城市温室气体排放存在综合作用. 对城市增长的研究表明， 低密度城市增长的碳代价要高于高密度城市， 大部分城市中心区域的温室气体排放量低于郊区[20]； 基于此， 也有学者认为建设紧凑城市可成为解决一系列城市问题的有效途径.

2 城市碳流动过程及空间特征分析

碳流动或碳循环是导致城市温室气体产生并排放的根本原因, 除与自然过程密切相关的直接碳源/汇外， 城市的碳流动主要伴随着城市的能源流动而产生. 总之， 城市碳流动主要包括能源输入、 能源利用、 以及直接碳源/汇等三个要素. 从城市能源输入角度分析， 油、 煤、 气等化石能源经历生产、 供应和消费三个环节， 作为生产、 交通功能区活动中的动力， 以及工业、 公共建筑功能区内使用的燃料等， 此外还将转化为二次能源电力. 从城市能源利用角度分析， 除水、 核、 风、 太阳能等非化石能源大部分转化而来的电力外， 化石能源转化而成的电力也用于生产、 服务、 住宅功能区内活动能源， 且占用相当大的比重. 从直接温室气体排放源和吸收汇来看， 城市中的林地、 草地、 湿地等绿地功能区有着固碳、 汇碳的能力， 也可以利用碳捕捉技术封存温室气体排放[17].

城市碳流动如图1所示， 伴随着能源流动， 城市系统碳流动中的碳输入主要包括煤、 石油和天然气等化石能源， 这是目前城市的主要能量来源， 也是最主要的城市输入碳通量. 碳输出则主要是CO2的直接排放， 另外也有部分会以废弃物即碳水化合物形式进行流通[21]. 按照碳输出产生的温室气体排放终端来统计， 城市中温室气体排放的三大来源是工业、 交通和建筑.

图1 城市碳流动示意图Fig.1 Urban carbon flow schematic map

城市碳流动离不开生产、 生活与生态三大过程， 比如生产过程中的化石燃料生产及消费、 生活过程中因为消费产生的能耗和物耗, 以及自然生态系统中的直接排放与收储. 能源输入和能源利用与城市生产和生活相关， 直接碳源/汇则是部分非能源活动导致温室气体总量发生变化， 该过程将直接向大气排放或吸收温室气体. 而城市不同功能区用地类型又决定了三大环节的空间布局与特征， 由此可以在计算城市不同部门与行业碳清单的基础上将城市温室气体排放与空间特征结合起来， 进行城市温室气体排放空间的分区.

3 城市温室气体排放空间分区体系

通过地理信息系统来分析和表达城市用地类型与温室气体排放之间的关系， 先要综合考虑城市功能区划及其区划内社会经济活动中产生的碳流动， 然后将基于IPCC城市温室气体清单的部门和项目与不同的功能用地一一对应起来， 见表1.

表1 基于温室气体排放的城市空间分区体系

续表1

一级分类二级分类一级分类说明二级分类说明温室气体部门和项目交通运输空间对外交通运输城市道路运输附属设施对应要素为能源输入，表现为一次能源(化石能源)生产、供应和消费城市之间的交通以及城市地域范围内的城区与周围城镇、乡村的交通主干路、次干路、支路和城市轨道线路港口、机场、火车站及大型汽车站或停车场能源活动交通运输航空水运铁路公路公共服务空间居民生活空间农业生产空间绿地和水域空间行政办公商业休闲文化娱乐教育医卫废弃物处理居民住宅村镇居民用地村镇畜牧用地耕地园林绿地风景保护区水域对应要素为能源利用，表现为二次能源的使用对应要素为直接碳源/汇，表现为非能源活动导致温室气体直接变化党政机关、社会团体等用地商业、金融、贸易、旅馆业、市场交易活动等服务业各类文化、体育、娱乐及公共广场等各类教育，独立的科研、勘测、设计、技术推广、科普等及医疗卫生设施用地生活和工业污水处理用地粪便垃圾处理用地城市居民住宅用地用于村镇居民生活居住的各类房屋用地及其附属设施畜牧生产用地种植农作物的用地公园、街头绿地、防护绿地、疏林地等-河流、湖泊、水库能源活动服务业废弃物处理废水处理固体废弃物处理能源活动居民生活能源活动居民生活农林牧渔业生物质燃料燃烧(以能源利用为目的)农业动物肠道发酵动物粪便管理系统农业稻田农用地林业和土地利用变化-

由表1可知， 空间分区主要包括两个步骤： 一是基于城市碳流动三要素将社会经济活动类型进行一级分类； 二是基于一级分类结果及现有城市用地类型， 对城市功能区用地进行二级分类[17]. 将城市分区与温室气体排放部门和项目对应， 就可实现温室气体排放空间特征的量化处理， 而基于地理信息系统的工作则使得结果更加直观. 如表1所示， 可将城市温室气体空间分为六类， 分别为基于能源输入要素的工矿设施空间、 交通运输空间； 基于能源利用要素的公共服务空间和居民生活空间； 基于直接碳源/汇要素的农业生产空间、 绿地和水域空间. 在此基础上进行二级分类， 二级分类主要参考《城市用地分类与规划建设用地标准(GB 50137-2011)》[22]. 这样就实现了城市温室气体排放与城市用地空间的匹配及其数量关系刻画， 通过地理信息系统可以实现城市温室气体排放的定量化、 空间化和可视化.

4 结语

在分析城市空间形态与温室气体排放关系的基础上， 从城市碳流动特征出发， 构建基于温室气体排放的城市空间分区体系. 通过分区， 解析城市温室气体排放与城市用地空间的关系， 在此基础上， 结合碳排放清单核算及地理信息系统技术， 可为定量研究城市温室气体排放空间特征提供参考， 也可进一步开发出相关管理系统供管理部门辅助使用.

城市空间形态与温室气体排放的关系是复杂的， 本文提出空间分区的一种思路， 可使相关研究得到简化. 当然， 文中提出的分区角度不是十分完善， 也缺乏各种过程对于温室气体排放过程影响机制的深入探讨， 相信随着相关研究的进一步推进和深入， 未来的分区体系会更加全面和科学.

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(责任编辑： 蒋培玉)

Spatialcharacteristicsandzoningofurbangreenhousegasemissions

DENG Hongbing1, CHEN Zhefei1, 2, LU Lu3, QIU Sha1, 2, TANG Mingfang1

(1. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Chongqing International Investment Consultation Group Co Ltd, Chongqing 400023, China)

As profoundly impacted by human activities on the earth, energy consumption and carbon emission was concentrated in the urban system. Due to the different functional areas located in different areas, the problems of the specificity in the carbon flow processes and the spatial heterogeneity in the greenhouse gas emissions came to the urban system. On the basis of the analysis of the relationship between urban spatial form and greenhouse gas emissions, beginning with urban carbon flow characteristics, we constructed the urban space zoning system based on greenhouse gas emissions. At first, according to the types of social and economic activities, combined with the three elements of urban carbon flow, the primary classification was conducted. Then, based on the existing urban land use types, different functional areas of urban were zoned via secondary classification. It enables to qualify, to specialize and to visualize the urban greenhouse gas emissions through zoning, and provides a reference for related research and management as well.

urban; greenhouse gas; carbon flow; low carbon； spatial characteristics

X328

A

10.7631/issn.1000-2243.2017.04.0605

1000-2243(2017)04-0605-05

2016-03-24

唐明方(1982-)， 助理研究员， 主要从事城市碳循环研究， tangyi_fang@126.com

国家自然科学基金资助项目(41501602)