低碳視角的城市空間形態(tài)優(yōu)化路徑研究

[摘 要]低碳城市空間形態(tài)是低碳城市研究的重要領(lǐng)域。本文基于城市中碳流動和影響低碳城市空間形態(tài)的主要中介要素之間的關(guān)系搭建了分析框架，詳細(xì)探討了其中的城市碳源、碳匯、熱島、城市規(guī)模、土地利用強(qiáng)度和混合度、交通出行方式、建筑群空間關(guān)系、低碳政策及其影響評估等要素對碳排放的影響機(jī)制及其要素之間的相互關(guān)系。在總結(jié)現(xiàn)有研究結(jié)論和爭論的基礎(chǔ)上粗略地提出了低碳城市空間形態(tài)的原則，并結(jié)合中國城市的特點(diǎn)從城市發(fā)展階段、形態(tài)特征和制度要素三個(gè)方面展望了中國低碳城市空間形態(tài)優(yōu)化路徑的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。

[關(guān)鍵詞]低碳；城市空間形態(tài)；中西方城市

[中圖分類號]TU984.11+3 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1005-6432（2013）4-0051-06

1 引 言

最新的研究進(jìn)一步證實(shí)自20世紀(jì)中葉以來，大部分已觀測到的全球平均溫度升高很可能（90%以上）是觀測到的人為溫室氣體濃度（主要是CO2）增加所致。城市是人類活動強(qiáng)度最大的區(qū)域，其溫室氣體排放占全球總量的75%[1]。我國287個(gè)地級以上城市CO2排放量占中國總量的58.84%，統(tǒng)計(jì)到城鎮(zhèn)更高達(dá)80%以上[2]。發(fā)展低碳城市已經(jīng)成為世界和我國城市發(fā)展的共識。

建設(shè)低碳城市的前提是找到城市碳排放的構(gòu)成、影響要素及其影響機(jī)制。西方發(fā)達(dá)國家的城市碳排放主要源于交通和建筑耗能（紐約、東京、倫敦等全球城市的能源消費(fèi)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決于城市空間形態(tài)，因此西方國家的低碳城市空間形態(tài)研究十分豐富；而我國城市碳排放主要取決于城市的能源構(gòu)成和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，因此我國低碳城市研究多側(cè)重于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生活方式轉(zhuǎn)變、低碳技術(shù)應(yīng)用等方面[4][5][6]。

隨著我國低碳城市的進(jìn)一步發(fā)展，低碳城市空間形態(tài)的減排潛力將日益凸顯，通過合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)、營運(yùn)和物業(yè)管理，城市甚至可以減少50%的溫室氣體排放量[7]。

2 低碳城市空間形態(tài)的影響要素與研究框架

當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn)，城市空間形態(tài)與碳排放并不存在直接的關(guān)系，而是通過中介要素與碳排放產(chǎn)生關(guān)聯(lián)[8]，相關(guān)的中介要素包括城市規(guī)模[9]、能源傳輸[10]、城市用地（密度與土地混合利用度等）[11]、氣候與城市熱島效應(yīng)[10-11][12]、交通能耗[13]、碳匯和碳捕捉等[14]?？偨Y(jié)相關(guān)學(xué)者對城市中碳流動的分析[15]，本文基于上述中介要素與碳排放的相互關(guān)系構(gòu)建城市低碳空間形態(tài)優(yōu)化框架如下頁圖所示：

3 低碳城市空間形態(tài)各中介要素的作用機(jī)制

3.1 城市碳源、碳匯與熱島效應(yīng)的影響暨相互關(guān)系

由于城市能源仍以化石燃料為主，基于碳源的低碳城市空間形態(tài)研究主要探討城市空間形態(tài)對能源供給效率的影響，尤其是集中式供給和分散式供給的比較研究。集中式供給主要是靠近生產(chǎn)者而遠(yuǎn)離城市的大型發(fā)電站，其能源生產(chǎn)效率高（含傳輸損失可達(dá)到50%），但余熱往往無法充分利用，且可能因污染集中而導(dǎo)致生態(tài)問題；分散式供給主要是靠近使用者的小型熱電廠，其能源生產(chǎn)效率大約只有30%，但通過熱電聯(lián)產(chǎn)等綜合利用后總效率可以達(dá)到80%，如果以城市廢棄物為燃料可進(jìn)一步減少化石能源消耗和碳排放[16]。將微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與城市電網(wǎng)（集中式供電）相結(jié)合，既能有效利用能源，還能平滑能源的波峰波谷需求曲線，提升城市能源利用效率，并更好的保障城市能源安全[17]。

廣義的城市碳源還包括交通和跨界交通，以及城市必需品（食物、燃油、水和建材）生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的溫室氣體?；诿绹?城市的混合型生命周期碳足跡模型研究發(fā)現(xiàn)，跨界溫室氣體排放（即跨界交通和必需物生產(chǎn)過程溫室氣體排放）占總排放的47%，使用綠色建材，倡導(dǎo)減少肉類比重的飲食結(jié)構(gòu)將顯著降低城市溫室氣體排放量[18]。反映到城市空間形態(tài)則應(yīng)保持城市農(nóng)業(yè)用地，并考慮在城市中的空地、公園等地區(qū)種植農(nóng)產(chǎn)品[19]。

城市碳匯主要依靠城市綠地系統(tǒng)。數(shù)據(jù)監(jiān)測表明，1公頃闊葉林年凈供氧量為12噸，但草坪的碳匯能力僅為其1/8～1/4，因此城市綠化應(yīng)以鄉(xiāng)土喬灌草結(jié)合的復(fù)合防護(hù)林系統(tǒng)為主，合理種樹面積應(yīng)不少于綠化面積的70%以上[20]。此外，我國農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)也具有很大的固碳能力和潛力[21]。

低碳城市空間形態(tài)研究框架圖

城市熱島效應(yīng)是城市微氣候中最重要的一種，主要影響城市夏季的制冷能耗（同時(shí)也減少了冬季供熱能耗），其最主要的影響因子是城市規(guī)模（建成區(qū)面積和人口規(guī)模）和當(dāng)?shù)貧夂颍ㄖ饕秋L(fēng)速）[22][23][24]，城市規(guī)模擴(kuò)張帶來的城市不透水表面的增加，也是增強(qiáng)熱島效應(yīng)的重要原因[12]，但也有學(xué)者指出地表反射率每提高0.01，相當(dāng)于減排CO22.5kg/m2，而改進(jìn)地表材料可以使城市地區(qū)的凈反照率增加10%左右[25]。

3.2 城市規(guī)模、密度、用地混合度與城市交通出行的相關(guān)性研究 生態(tài)城市理論認(rèn)為城市發(fā)展存在生態(tài)極限，所以城市6825a65541d283ff2a9e4183730f1647ac7d34fd95f24ebde2534966b581e7eb空間形態(tài)擴(kuò)張也應(yīng)存在限制[26]。但基于碳排放的研究發(fā)現(xiàn)城市規(guī)模越大，其環(huán)境績效越好[27]，這很有可能是因?yàn)槌鞘幸?guī)模越大，其土地利用強(qiáng)度越高，而土地利用強(qiáng)度與碳排放強(qiáng)度有明顯的負(fù)相關(guān)性。Newman等發(fā)現(xiàn)城市人口密度與人均汽油消耗之間存在負(fù)冪指數(shù)關(guān)系[28]，隨后Mindalia基于同一數(shù)據(jù)的進(jìn)一步研究認(rèn)為兩者的負(fù)冪指數(shù)關(guān)系僅在CBD和內(nèi)城有效，在外城沒有明顯的統(tǒng)計(jì)關(guān)系[29]。Glaeser[9]、Kennedy[30]等人的研究在證實(shí)這一負(fù)冪指數(shù)關(guān)系的同時(shí)也指出，氣候、資源可獲取程度、廢棄物處理等對城市溫室氣體排放的影響也很大。

從碳排放的構(gòu)成來看，交通碳排放是狹義城市碳排放中最重要組成部分之一，而公共汽車、無軌電車和軌道交通的百千米人均能耗僅分別為小汽車的11.9%、10%、6.2%[31]，步行與騎車幾乎為零，因此調(diào)整交通出行方式，尤其是減少小汽車出行是低碳城市空間形態(tài)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域[32]。城市交通出行方式與文化有關(guān)[33]，也與公共交通的競爭力有關(guān)[34]，還與城市密度有直接的關(guān)系[35]。Frank等對美國華盛頓州人口普查區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，人口密度達(dá)到每英畝13人，或就業(yè)密度在每英畝20～75人及125人以上時(shí)，小汽車出行將會減少[36]，Levtnson對美國百萬人口以上大都市區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)小汽車出行與人口密度的反比關(guān)系只有在人口密度低于7500人/平方英里時(shí)成立[37]。當(dāng)然密度也并非唯一的空間要素，土地利用混合度也十分重要。英國4社區(qū)的比較研究發(fā)現(xiàn)高密度和土地混合使用相結(jié)合的社區(qū)比低密度單一功能的社區(qū)減少70%的小汽車出行和75%的非工作用途交通出行距離[35]，美國59個(gè)大型郊區(qū)發(fā)展項(xiàng)目的研究也證實(shí)了每增加20%的零售和商業(yè)活動面積，會引起小巴共乘或公交的出行比例增加4.5%[38]。此外，區(qū)域的步行氛圍和整體的自然活躍度也很重要[39]，更細(xì)致的研究還進(jìn)一步探討了公交可達(dá)性指標(biāo)、居住區(qū)商業(yè)指標(biāo)、步行可達(dá)性指標(biāo)、每畝公交日行距離、十字交叉路口密度、盡端路口密度、街道穿越難易度、步道連續(xù)度、地區(qū)街道特征、高差平坦度[15]，以及公交銜接、自行車路權(quán)等影響因素[40]。

當(dāng)然目前的研究也證明，社會經(jīng)濟(jì)要素[41][42][43][44][45]對出行方式的影響超過了城市空間形態(tài)，居民出行的自我選擇強(qiáng)化[46]也在其中扮演了重要的作用。

3.3 理想低碳城市空間形態(tài)及建筑群布局

盡管現(xiàn)有的研究大多指向緊湊的城市形態(tài)是較好的低碳城市形態(tài)，但對其的爭論一直不斷。不少學(xué)者相信通過城市群策略，走廊城市（corridor city）和邊緣城市（edge city）同樣也可以獲得與緊湊城市類似甚至更好的效果[35][47]。緊湊城市理論也開始傾向于這種“分散化集中”模式，即以公共軌道交通系統(tǒng)相聯(lián)系的城市群模式，以城市為核心進(jìn)行高密度、高強(qiáng)度發(fā)展[48]，但這種緊湊布局的高強(qiáng)度中心只有與更大尺度的城市空間組構(gòu)良好聯(lián)結(jié)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展[49]。且研究也已經(jīng)證實(shí)多樣性是不亞于緊湊性的重要指標(biāo)[50]。筆者還認(rèn)為這也要充分考慮到走廊城市和邊緣城市的規(guī)模。國內(nèi)形成的中國都市區(qū)低碳發(fā)展模式共識也與之類似，即以綠楔間隔的公共交通走廊型的城市空間擴(kuò)張，將新的開發(fā)集中于公共交通樞紐[38][51][52]。

在社區(qū)尺度，新城市主義者早就提出了以DPZ倡導(dǎo)的TND模式和以Calthorpe為代表倡導(dǎo)的TOD模式兩種理想城市空間形態(tài)[53][54][55]，但現(xiàn)有的研究還僅為理論推導(dǎo)，并沒有控制其它變量而對不同社區(qū)形態(tài)低碳績效的實(shí)證比較研究。

目前的實(shí)證研究主要集中于建筑群空間布局對氣候的適應(yīng)性，尤其是熱環(huán)境的模擬，這將影響到城市和建筑的能耗，進(jìn)而影響碳排放。這其中有草坪屋面[56]、綠化樹種及其種植密度[57]、各種建筑布局形式（如行列式、錯(cuò)列式、斜列式、圍合式等）的風(fēng)環(huán)境[58][59]對建筑群和街區(qū)的單因子影響研究；也有綜合考察建筑密度、容積率、空間組合、道路結(jié)構(gòu)和綠化水體等影響因素的多因子分析[60][61][62][63][64]。但不同地區(qū)的氣候環(huán)境不一樣，上述研究一般只能指導(dǎo)特定地區(qū)的小范圍城市社區(qū)、街區(qū)布局。

3.4 政策研究與評估

國內(nèi)外不少城市已經(jīng)制定了低碳城市發(fā)展政策，但主要集中于新能源開發(fā)與應(yīng)用[65][66]、建筑節(jié)能[67]、碳稅[65]等，對與低碳城市空間形態(tài)緊密相關(guān)的土地利用、用地強(qiáng)度、交通出行等大多通過價(jià)格和相關(guān)政策[4][68]、城市規(guī)劃師技能要求[69][70]等間接手段進(jìn)行調(diào)節(jié)和影響。

由于低碳城市發(fā)展時(shí)間較短，到目前為止尚沒有全面的低碳城市政策評估。這一點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于對精明增長相關(guān)法案的評估研究。且近年來對精明增長法案的研究已經(jīng)不僅僅包括遏制城市蔓延的[71]，還包括人均交通里程、稅收與財(cái)政支出、人口與就業(yè)崗位以及房價(jià)漲幅等多個(gè)方面[72]，并深入探討了其實(shí)施時(shí)遇到的阻力，如政府財(cái)政能力不足、“NIMBY”運(yùn)動[73]、聯(lián)邦政府對城市工業(yè)污染用地再開發(fā)過高的清理污染費(fèi)用門檻、對汽車使用者的事實(shí)上的隱性補(bǔ)貼[19]，以及各種利益集團(tuán)的阻撓[74]等，值得未來低碳城市政策評估研究借鑒。

3.5 小結(jié)：低碳城市空間形態(tài)的共識與爭論

當(dāng)前，學(xué)界對低碳城市形態(tài)的研究已經(jīng)達(dá)成了初步的共識，但仍有不少爭論。

從城市的碳基能源的供給方式上來看，集中式與分散式相結(jié)合的布局方式已經(jīng)得到認(rèn)可，今后城市需要在提升生產(chǎn)工藝以減少污染物排放的條件下，大力發(fā)展與社區(qū)規(guī)模相適應(yīng)，與主干電網(wǎng)相配套的小微型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施；

從城市碳匯的角度來看，在城市中及周邊形成良好的以本地樹種（闊葉林為佳）為主的復(fù)合防護(hù)林體系，并重新恢復(fù)城市農(nóng)業(yè)，既能有助于擴(kuò)大城市碳匯，同時(shí)也有助于減少因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品和建材等輸入造成的間接碳排放；

從城市規(guī)模上看，盡管城市規(guī)模與熱島效應(yīng)的關(guān)系明顯，但大城市的碳排放強(qiáng)度往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中小城市。這主要是因?yàn)榇蟪鞘械娜丝诿芏纫话氵h(yuǎn)大于中小城市，而城市人口密度和碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

但城市密度究竟多高為宜則尚無統(tǒng)一結(jié)論。雖然較高的城市密度可以容納更多的城市發(fā)展活動，從而保護(hù)郊區(qū)開敞空間，縮短交通距離，保障公交系統(tǒng)的利用效率[35][75]，提高基礎(chǔ)設(shè)施效率[76]，從而降低能耗；緊湊的住宅還能減少建筑能耗（但也有學(xué)者認(rèn)為1980年后獨(dú)棟住房和多家庭住房之間的能耗差異越來越小[77]）。但高密度城市也會導(dǎo)致市內(nèi)開放空間減少[78]，以及中心區(qū)嚴(yán)重的交通擁堵等問題[75]。事實(shí)上，密度是一個(gè)動態(tài)的過程，各城市對于高密度的可承受能力也各不相同。

城市空間形態(tài)與城市碳排放中最重要中介要素——交通出行碳排放的影響機(jī)制也并未完全廓清，一般認(rèn)為雖然高的密度和用地混合度有助于減少出行距離和小汽車出行（也有學(xué)者認(rèn)為其對出行方式的影響甚小[77]），但社會經(jīng)濟(jì)要素對于出行方式的影響要遠(yuǎn)大于城市空間形態(tài)的影響，密度和混合度也并非城市空間形態(tài)中唯一的影響因素，還需要良好的公共交通系統(tǒng)和交通換乘系統(tǒng)，以及較好的非機(jī)動車出行環(huán)境（包括路網(wǎng)、路權(quán)等）。

總的來說，低碳城市空間形態(tài)一般應(yīng)符合以下特征：較大的城市規(guī)模；較高的人口和用地密度；公交導(dǎo)向的、緊湊而多樣化的城市用地布局；各個(gè)子系統(tǒng)（能源、公共設(shè)施等）均能形成有效的網(wǎng)絡(luò)化空間結(jié)構(gòu)；完善的公共交通系統(tǒng)、適宜于非機(jī)動出行的城市道路系統(tǒng)和出行環(huán)境、以及良好的駁接、換乘系統(tǒng)；良好的城市防護(hù)林體系及一定程度的城市農(nóng)業(yè)；與氣候相適應(yīng)的路網(wǎng)與建筑群布局形式。

但這一低碳城市空間形態(tài)是否可行也被廣泛爭論，目前還沒有完善的遏制城市低密度蔓延措施?；诔鞘薪?jīng)濟(jì)學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)在一個(gè)封閉的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，只有當(dāng)不同的城市增長產(chǎn)生相同的外部性[79]，且政府對人口分布進(jìn)行行政干預(yù)[80]時(shí)，控制城市蔓延的政策才可能實(shí)現(xiàn)。

4 我國低碳城市空間形態(tài)路徑優(yōu)化的優(yōu)勢與挑戰(zhàn) 截至2006年年底，我國已建成國家級可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)區(qū)58個(gè)，省級試驗(yàn)區(qū)90多個(gè)[81]，并選擇了五省八市開展低碳試點(diǎn)工作，許多城市已經(jīng)編制了城市低碳發(fā)展規(guī)劃[82]。隨著中國城市化的繼續(xù)發(fā)展，未來還將形成若干容納數(shù)百萬人口的低碳新城和低碳新區(qū)。但是我國城市與西方發(fā)達(dá)國家城市有著顯著的不同，其空間形態(tài)的優(yōu)化路徑也有獨(dú)特的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

4.1 中西方城市發(fā)展階段不同，中國低碳城市空間形態(tài)中介要素研究需要更多地考慮工業(yè)化城市的特點(diǎn) 我國目前還處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段，工業(yè)碳排放是主因，城市空間形態(tài)的影響相對較小。即便在低碳城市空間形態(tài)研究領(lǐng)域，其影響機(jī)制和應(yīng)對策略也很不同。西方城市的低密度蔓延是在較高城市化水平下市場經(jīng)濟(jì)自發(fā)作用的結(jié)果[83]，其交通出行CO2排放受居民收入影響顯著，小汽車出行距離一般與建成區(qū)面積正相關(guān)。而我國城市擴(kuò)張的根本原因是城市人口快速增長、城市住戶收入水平迅速提高和農(nóng)用地征地補(bǔ)償最高限價(jià)的綜合作用結(jié)果[84]，我國交通CO2排放與人均收入相關(guān)性很低，與各省GDP相關(guān)性卻較高，小汽車行駛里程和城市建成區(qū)面積也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這說明我國城市的擴(kuò)張密度較高，且交通碳排放還是主要集中于貨運(yùn)和公務(wù)商務(wù)用車上[3]。上海市的實(shí)證研究也進(jìn)一步證實(shí)了對外交通是交通運(yùn)輸碳排放的主因；另外才是郊區(qū)化導(dǎo)致的郊區(qū)人口出行量的增加[85]。

4.2 中西方城市空間形態(tài)特征不同，中國低碳城市空間形態(tài)具有緊湊優(yōu)勢，但中心體系不明顯 發(fā)達(dá)國家城市雖然在1960—1970年經(jīng)歷了郊區(qū)化浪潮，但一般中心性較好；而發(fā)展中國家的城市發(fā)展往往受到全球分工（FDI）、農(nóng)村快速城鎮(zhèn)化等因素的影響，突出地表現(xiàn)為緊湊度高但復(fù)合性較低、中心性最低的特點(diǎn)[86]。此外，我國城市還存在著各類園區(qū)開發(fā)失控，區(qū)域性道路交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)占地過大，獨(dú)立工礦和小城鎮(zhèn)建設(shè)用地快速增長，郊區(qū)土地以租代征造成建成事實(shí)等特點(diǎn)[87]，各城市間形態(tài)和結(jié)構(gòu)差異極大。這種城市空間形態(tài)差異雖然有利于建設(shè)緊湊的低碳城市，但在研究交通出行規(guī)律、公共服務(wù)設(shè)施布局等方面則更難把握，有學(xué)者就認(rèn)為增加密度并不能顯著降低我國城市交通的能源消耗[32]。

4.3 中西方土地制度等外部制度條件不同，中國低碳城市空間形態(tài)政策研究的影響力更大 政府是應(yīng)對氣候變化、低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要推動者，國際上的低碳城市建設(shè)大多從稅收、規(guī)劃體系、基金、社區(qū)等間接手段入手，我國也出臺了可再生能源建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼、可再生能源示范城市的財(cái)政補(bǔ)助、貸款貼息、以獎代補(bǔ)、資本金注入、種子基金等，以及既有建筑節(jié)能改造補(bǔ)貼、北方地區(qū)熱改、大型公共建筑節(jié)能改造與監(jiān)測等政策[2]。但我國實(shí)行的土地公有制有助于政府采取更強(qiáng)有力的土地利用策略對低碳城市空間形態(tài)產(chǎn)生即刻和顯著的影響[88]。

5 結(jié) 論

低碳城市空間形態(tài)的研究不斷完善，已經(jīng)在城市碳源、碳匯、熱島等方面基本達(dá)成了共識，但在城市規(guī)模、城市密度、交通出行等方面的研究還存在著不少爭論。我國當(dāng)前的低碳城市空間形態(tài)研究雖有創(chuàng)新，但大多還處于在國外研究的本土化階段，且我國城市空間形態(tài)的形成機(jī)理、發(fā)展階段、制度環(huán)境等均與國外顯著不同，因此還需要更多的符合我國國情的低碳城市空間形態(tài)研究。

同時(shí)我們也應(yīng)該清醒地看到，低碳城市僅僅是可持續(xù)城市、生態(tài)城市的一種量化概念，只關(guān)注了城市溫室氣體排放這一個(gè)問題[89]。要應(yīng)對可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，需要建立更綜合的可持續(xù)發(fā)展觀。從這一角度而言，低碳城市空間形態(tài)只是一個(gè)過程而遠(yuǎn)非結(jié)果。

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[基金項(xiàng)目]本文得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《中國城市空間增長的低碳化形態(tài)模式研究》（編號41171130）的資助。

[作者簡介]黃斌（1983—），男，助理研究員。研究方向：低碳城市規(guī)劃；呂斌（1950—），男，教授。研究方向：低碳城市形態(tài)與城市可持續(xù)再生。