城市空間形態(tài)與城市土地利用碳排放強度關系分析——以上海市為例

李佳佳

(同濟大學 經(jīng)濟與管理學院,上海 201804)

?

城市空間形態(tài)與城市土地利用碳排放強度關系分析——以上海市為例

李佳佳

(同濟大學 經(jīng)濟與管理學院,上海 201804)

摘要：采用1990年、2000年和2010年上海市城市土地分類利用數(shù)據(jù)和城市產(chǎn)業(yè)能源利用數(shù)據(jù)，運用空間緊湊度測度模型、能源消費模型和碳排放強度模型，得到上海市在這3個特定年份的城市緊湊度和基于產(chǎn)業(yè)空間基礎的土地利用碳排放強度。通過計算分析得出主要結論：(1)近20年隨著上海市空間緊湊度的增大，城市土地利用的碳排放強度也在增大；(2)交通產(chǎn)業(yè)空間和生活與工商業(yè)空間碳排放強度最大，與城市空間緊湊度的相關性也最大，因此，這兩個產(chǎn)業(yè)空間應作為土地利用規(guī)劃調整的重點區(qū)域；(3)未來隨著城市發(fā)展趨于穩(wěn)定和能源利用技術的進步，碳排量會不斷下降；而城市土地利用效率和強度會不斷提高，城市空間緊湊度會不斷增大，碳排放強度響應也會減小。

關鍵詞：城市空間；緊湊度；碳排放；產(chǎn)業(yè)空間；土地利用

城市是實現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展目標的重要區(qū)域，城市土地的合理利用是實現(xiàn)城市節(jié)能減排發(fā)展的重要途徑。首先，城市的主要功能是追求經(jīng)濟和社會效率，同時城市聚集了全球50%的人口，是人類社會經(jīng)濟活動的中心；但其能源消耗量占到世界能源消耗量的70%，碳排放量約占到全球總排放量的80%，城市能否實現(xiàn)低碳化的可持續(xù)發(fā)展，對整個社會低碳化可持續(xù)發(fā)展的實現(xiàn)起到至關重要的作用。[1]20世紀80年代以來，我國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，資料顯示“十二五”期間城鎮(zhèn)化率預計將超過50%。伴隨著人口大量向城市集聚，城市建設用地量劇增，城市空間也必然迅速擴展。城市空間形態(tài)的合理布局和擴展，成為實現(xiàn)城市低碳發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。其次，城市土地利用變化是城市碳排放變化的重要原因之一。城市中林地、濕地、耕地等具有“碳匯”功能的地類不斷減少，而“碳源”功能較強的建設用地面積不斷擴大，促使大氣中CO2的含量持續(xù)增加。城市空間形態(tài)的演化是城市化進程中土地利用演化的結果，土地利用的變化是城市空間形態(tài)形成和演化的基礎。城市土地的合理有效利用，引導城市產(chǎn)業(yè)結構的優(yōu)化與升級，降低碳排放強度，是實現(xiàn)城市低碳可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

城市空間發(fā)展形態(tài)的研究主要集中在緊湊型和松散型兩個方面。緊湊型的城市形態(tài)指城市空間擴張密度合理[2]，是一種城市發(fā)展策略，相關研究認為緊湊型的城市形態(tài)有利于減少碳排放[3]。因此，本文將城市的空間緊湊度作為分析城市空間形態(tài)的衡量指標。

在城市碳排放結構中交通排放、居民消費排放和制造業(yè)等產(chǎn)業(yè)排放所占比重最大，由此產(chǎn)業(yè)用地空間決定著土地利用碳排放。本文以產(chǎn)業(yè)空間碳排放研究為紐帶，建立起城市空間形態(tài)與城市土地利用碳排放之間的聯(lián)系，進而通過科學的土地利用規(guī)劃和合理的城市空間布局，降低城市碳排放強度，促進城市的低碳可持續(xù)發(fā)展。

一、城市空間緊湊度測度

城市空間形態(tài)緊湊度的研究在國外起步較早，且有了比較充分的研究，形成一系列較為完善的量化模型指標 (表1)。在緊湊城市理論形成之前，就有學者提出提高城市效率的空間衡量模型，如Richardson 等根據(jù)城市經(jīng)濟學的相關理論，證明城市建設最有效率的外部空間形態(tài)是圓形；同時他根據(jù)圓周率，提出測度城市空間擴張的緊湊度模型。之后，隨著緊湊城市理論的產(chǎn)生與發(fā)展，在對大量的城市空間形態(tài)緊湊度的量化研究中，Richardson指數(shù)模型、Cole指數(shù)模型、Gibbs指數(shù)模型等便被廣泛應用。

本文結合表1城市空間形態(tài)的模型和以往相關研究[4]，選取Richardson指數(shù)測度城市空間形態(tài)的緊湊度。Richardson指數(shù)又稱作形狀緊湊度，反映了空間數(shù)據(jù)圖形完整性和集聚性。Richardson指數(shù)越大，表示空間形狀越緊湊；反之，形狀緊湊性越小。其原理是將圓形作為參照度量單位，進而與要衡量的空間形態(tài)作比較。因此，當城市形狀為圓形時，緊湊度為1；當為正方形時，城市空間呈蔓延發(fā)展，緊湊度低；如果呈狹長型Richardson指數(shù)則遠遠小于1。Richardson指數(shù)是測量城市空間形態(tài)的一個重要概念。一方面，緊湊型的城市內部空間距離較短，城市交通空間能耗就會大大降低；另外，還會大大提高土地利用效率，從而促使產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式朝集約型方向轉變。

表1　城市空間形態(tài)緊湊度測度模型

根據(jù)王新生等在《中國特大城市空間形態(tài)變化的時空特征》中對城市形狀的定量化數(shù)據(jù)和陳敏《城市緊湊度的測量研究》的研究成果[5～6]，并查閱《中國城市統(tǒng)計年鑒》分別得到上海市在1990年、2000年和2010年的緊湊度(表2)和上海市城市面積數(shù)據(jù)。20年間上海市城市面積不斷增大，城市緊湊度也是增大的。

表2　上海市空間緊湊度測度結果

二、基于產(chǎn)業(yè)空間研究的土地利用碳排放

以石油、煤炭、天然氣等傳統(tǒng)化石能源消耗所產(chǎn)生的碳排放，成為全球氣候變暖的主要人為因素。研究人類經(jīng)濟和社會活動的能源消費產(chǎn)生的碳排放對全球碳循環(huán)的影響，也日益引起國內外學術界的關注。[7～11]回歸到本文的研究范圍界定，本文的研究區(qū)域主要在城市層面。實質上，城市經(jīng)濟和社會活動對區(qū)域碳循環(huán)的影響在很大程度上是通過城市中各個產(chǎn)業(yè)的空間布局方式來實現(xiàn)的，產(chǎn)業(yè)空間結構變動及區(qū)域差異會改變城市能源消費的格局，并進一步影響區(qū)域碳循環(huán)的速率。因此，城市產(chǎn)業(yè)活動及其碳排放效應的研究，成為城市節(jié)能減排的重要研究領域。在研究方法上多運用因素分解方法和投入產(chǎn)出法，分析制造業(yè)部門的碳排放強度和產(chǎn)業(yè)結構對碳排放的影響，并對碳減排措施和行為進行了評價[12～13]；同時，也有運用定量模型方法，對碳排放的組成結構進行了分析，得出替代性能源的使用是減少碳排放的主要原因的結論[14]。國內的研究方法多沿用西方比較成熟的分析方法，對碳排放的循環(huán)過程多有涉獵，同時也對不同產(chǎn)業(yè)參與國際貿易所產(chǎn)生的碳排放進行了研究[15～17]；另外，也有一些學者基于不同產(chǎn)業(yè)對碳排放的影響開展了相關研究[18～19]。但這些研究的重點集中在不同的產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)結構變化對碳排放的影響差異，而沒有將產(chǎn)業(yè)空間這一重要因素對碳排放強度的影響加以考慮。產(chǎn)業(yè)活動總是在區(qū)域空間的基礎上展開的，因此，將城市各個產(chǎn)業(yè)活動碳排放落實到城市空間上，對于分析和對比不同產(chǎn)業(yè)活動的在單位空間上的碳排放強度，進而采取合理的產(chǎn)業(yè)調控和土地利用政策，以降低區(qū)域碳排放具有重要意義。

(一)數(shù)據(jù)來源和計算方法

1.數(shù)據(jù)來源

目前，人類社會利用的主要能源有化石能源、電能、核能、生物質能、太陽能、水能和風能等，其中，又以化石能源為代表的傳統(tǒng)能源的消耗成為碳排放的主要原因。因此，本文僅計算化石能源和農(nóng)村生物質能等主要傳統(tǒng)高碳能源的碳排放。研究數(shù)據(jù)采用1990 年、2000年和2010年上海市不同產(chǎn)業(yè)各種能源消費量、土地利用數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。其中，各種能源的消費數(shù)據(jù)來自對應年份的《中國能源統(tǒng)計年鑒》和《上海統(tǒng)計年鑒》，土地利用等數(shù)據(jù)來自對應年份的《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國城市統(tǒng)計年鑒》和上海市政府公報。

2.不同能源消費碳排放

碳排放模型：

(1)

(1)式中，Ce為碳排放總量，Ch、Cb為化石能源和農(nóng)村生物質能源消費碳排放，計算式：

Ch=∑Qhi×NCVi×Cei

(2)

(2)式中，Ch為化石能源消費碳排放總量，Qhi表示第i 種化石能源消費量，NCVi為能源凈發(fā)熱值，Cei為C排放系數(shù)，NCVi、Cei均采用IPCC 的給定值。

Cb=∑Qbi×Dbi×Ebi

(3)

(3)式中，Cb為農(nóng)村生物質能源消費碳排放量，Qbi為第i 種能源消費量(主要為：薪柴、沼氣和秸稈)，Dbi為碳排放系數(shù)，取國內學者采用的煤炭排碳系數(shù)均值0.717235[20]，Ebi為折標準煤系數(shù)(折煤系數(shù)來自于《中國能源統(tǒng)計年鑒》中國統(tǒng)計出版社，2008 年)。

(二)不同產(chǎn)業(yè)空間的碳排放強度

為了對不同產(chǎn)業(yè)空間的碳排放進行核算，這里基于能源平衡表的能源消費項目與土地利用分類體系，參照趙榮欽等[20]的研究，進行合并、分解及適當調整，建立了不同產(chǎn)業(yè)空間與碳排放項目的對應關系(表3)。需要說明的是：(1) 本文的產(chǎn)業(yè)空間并不僅僅指產(chǎn)業(yè)本身，而是指以土地為承載基礎的產(chǎn)業(yè)活動的空間范圍；(2) 為了將產(chǎn)業(yè)活動能源消費與不同的土地利用類型對應起來，表中的產(chǎn)業(yè)劃分不是嚴格按照傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)類型劃分，而是進行了歸并，在此基礎上對單位產(chǎn)業(yè)空間的碳排放進行測算；(3)生活與生產(chǎn)空間主要是指人類生活和生產(chǎn)活動的空間，因此包含了居住用地和生產(chǎn)用地；(4)目前中國城市區(qū)域內外沿還有農(nóng)村居民點的分布，此區(qū)域的能源利用成為碳排放的主要來源，因此將其列入生活與生產(chǎn)空間；(5) 能源平衡表中其他行業(yè)不易再進行細分，因此將其碳排放歸入其他產(chǎn)業(yè)空間；(6) 由于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)等以碳吸收為主要特征，人為碳排放很少，因此本文將其一并歸并為農(nóng)業(yè)空間。各個產(chǎn)業(yè)空間碳排放強度的計算方法如下：

(4)

(5)

(4)式和(5)式中，Cp 和Cpi分別為城市產(chǎn)業(yè)空間的碳排放強度和各類產(chǎn)業(yè)空間的碳排放強度(t/hm2)，i為不同產(chǎn)業(yè)空間類型，Si和Cti分別為第i種產(chǎn)業(yè)空間用地面積及對應的碳排放量。

表3　產(chǎn)業(yè)空間的劃分與碳排放的對應關系

(三)上海市產(chǎn)業(yè)空間碳排放強度分析

整理上海市近20年碳排放數(shù)據(jù)，產(chǎn)業(yè)空間的碳排放總量從1990年的2228.78萬噸增長至2010年的7271.64 萬噸(表4)，且各產(chǎn)業(yè)空間除農(nóng)業(yè)空間外，碳排放量也是不斷增長的，這與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)空間用地減少不無關系(見圖1)，我們需要對產(chǎn)業(yè)空間的碳排放強度進行計算。此外，我們看到生活與生產(chǎn)空間碳排放量最大，其次為交通產(chǎn)業(yè)空間，兩者是城市碳排放的主要空間單元，碳排放集中在城市的發(fā)達行業(yè)。

表4　上海市各產(chǎn)業(yè)空間碳排放量(單位：萬噸)

圖1　1990年、2000年和2010年上海市產(chǎn)業(yè)空間用地量(單位：km2)

根據(jù)式(4)和式(5)，通過計算可以得到三個年份總的碳排放強度和各個產(chǎn)業(yè)空間在不同年份的的碳排放強度(表5)，從表中我們可以看到，1990年到2010年間上海市產(chǎn)業(yè)空間碳排放強度是不斷增加的，其中交通產(chǎn)業(yè)空間碳排放強度最大，其次是生活與生產(chǎn)空間，這反映了發(fā)達產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間的有限性。

表5　上海市碳排放強度年度值和產(chǎn)業(yè)空間

注：QD1代表生活與生產(chǎn)空間碳排放強度；QD2代表交通產(chǎn)業(yè)空間碳排放強度；QD3代表農(nóng)業(yè)空間碳排放強度；QD4代表其他產(chǎn)業(yè)空間碳排放強度。

三、上海市空間緊湊度與產(chǎn)業(yè)空間碳排放強度關系的分析

與以往研究不同，從表4計算結果我們得到上海市空間形態(tài)緊湊度與產(chǎn)業(yè)空間碳排放強度都在增大(圖2)，但這不能說明緊湊型城市不利于城市低碳發(fā)展，這與其經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)業(yè)排放加大和城市產(chǎn)業(yè)空間不斷變化都有關系。

圖2　城市空間緊湊度與碳排放強度發(fā)展形勢圖

基于以上計算結果分析，上海市土地利用碳排放強度并沒有隨著城市空間緊湊度的變大而減小，這與城市經(jīng)濟、社會發(fā)展規(guī)模不斷增大有較大聯(lián)系。因此，從根源上應該調整城市能源結構，多利用清潔能源來減少碳排放量。

除了加強城市發(fā)展空間緊湊度，還應該在土地利用規(guī)劃時，加強內部產(chǎn)業(yè)空間布局的合理性，來達到降低城市碳排放的目的。如加強對高碳排放空間，尤其是交通產(chǎn)業(yè)空間、工業(yè)空間等的調控；增強生產(chǎn)性土地(耕地、林地、湖泊、城市綠地等)的固碳效率，以期有效降低城市的碳排放強度。

從長遠來看，隨著城市發(fā)展趨于穩(wěn)定和能源利用技術的提高，城市碳排放總量會趨于下降。提高城市土地利用效率和城市空間緊湊度，將避免城市盲目擴張，有效降低城市通勤的碳排放；還能夠保護城市的生態(tài)系統(tǒng)而增強城市碳匯。

參考文獻

[1]ICLEI．The Cities for Climate Protection Campaign (CCPC) and The Framing of Local Climate Policy[J]．Local Environment，2004，9(4)：325-336．

[2] 戴均良，高曉路，杜守帥．城鎮(zhèn)化進程中的空間擴張和土地利用控制[J]．地理研究，2009，10(29)：1822-1832．

[3]Newman，Kenworthy．Gasoline consumption and cities：A comparison of US cities with a global survey and its implication[J]．Journal of the American Planning Association，1989，55 (1)：24-37．

[4] Frey B J，Dueck D．Clustering by Passing Messages between Data Points [J]．Science，2007(315)： 972-976．

[5]王新生，劉紀遠，莊大方，等．中國特大城市空間形態(tài)變化的時空特征[J]．地理學報，2005，60 (3)： 395-396．

[6]陳敏．城市緊湊度的測量研究[D]．上海：華東師范大學，2012．

[7] Soytasa U，Sari R， Ewing B T． Energy consumption，income，and carbon emissions in the United States[J]．Ecological Economics，2007，62(3/4)：482-489．

[8]齊玉春， 董云社．中國能源領域溫室氣體排放現(xiàn)狀及減排對策研究[J]．地理科學，2004，24(5)：528- 534．

[9] 張雷．中國一次能源消費的碳排放區(qū)域格局變化[J]．地理研究，2006，25(1)：1-9．

[10]劉慧，成升魁，張雷．人類經(jīng)濟活動影響碳排放的國際研究動態(tài)[J]．地理科學進展，2002，21(5)： 420-429．

[11]朱永彬，王錚，龐麗，等．基于經(jīng)濟模擬的中國能源消費與碳排放高峰預測[J]．地理學報，2009， 64(8)： 935-944．

[12] Schipper L．Carbon emissions from manufacturing energy use in 13 IEA countries[J]．Energy Policy，2001，29(9)：667-688．

[13] Chang Y F，Lin S J．Structural decomposition of industrial CO2 emission in Taiwan[J]．Energy Policy，1998，26(1)：5-12．

[14] Casler S D．Carbon dioxide emissions in the U．S．economy[J]．Environmental and Resource Economics，1998，11(3/4)：349-363．

[15]陳紅敏．包含工業(yè)生產(chǎn)過程碳排放的產(chǎn)業(yè)部門隱含碳研究[J]．中國人口(資源與環(huán)境)，2009，19(3)：25-30．

[16]余慧超．中美商品貿易的碳排放轉移研究[J]．自然資源學報，2009，24(10)：1837-1846．

[17]魏本勇，方修琦，王媛．基于投入產(chǎn)出分析的中國國際貿易碳排放研究[J]．北京師范大學學報(自然科學版)，2009，45(4)：413-419．

[18]張德英．我國工業(yè)部門碳源排碳量估算方法研究[D]．北京：北京林業(yè)大學，2005．

[19]譚丹．我國工業(yè)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級與碳排放關系分析[J]．四川環(huán)境，2008，27(2)：74-78．

[20]趙榮欽，黃賢金，鐘太洋.中國不同產(chǎn)業(yè)空間的碳排放強度與碳足跡分析[J]．地理學報，2010，65(9):1048-1057．

(編輯：佘小寧)

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

中圖分類號：F293.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-816X(2016)02-0110-05

作者簡介：李佳佳(1986-)，女(漢)，河南洛陽人，博士研究生，主要從事城市環(huán)境發(fā)展與管理方面的研究。

收稿日期：2015-12-02