城市溫室氣體排放空間特征及分區(qū)

鄧紅兵， 陳喆菲, 2， 盧 璐， 邱 莎, 2， 唐明方

(1. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家重點實驗室， 北京 100085；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3. 重慶國際投資咨詢集團有限公司， 重慶 400023)

城市溫室氣體排放空間特征及分區(qū)

鄧紅兵1， 陳喆菲1, 2， 盧 璐3， 邱 莎1, 2， 唐明方1

(1. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家重點實驗室， 北京 100085；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3. 重慶國際投資咨詢集團有限公司， 重慶 400023)

作為地表受人類活動影響最深刻的區(qū)域， 城市系統(tǒng)成為能源消耗和碳排放的集中地. 由于不同功能區(qū)的空間分布差異， 城市系統(tǒng)中存在碳流動過程的特異性及溫室氣體排放的空間異質(zhì)性等問題. 在分析城市空間形態(tài)與溫室氣體排放的關(guān)系的基礎(chǔ)上， 從城市碳流動特征出發(fā)， 構(gòu)建基于溫室氣體排放的城市空間分區(qū)體系， 即根據(jù)人類社會經(jīng)濟活動類型結(jié)合城市碳流動三要素進行一級分類； 其次， 基于現(xiàn)有的城市用地類型， 根據(jù)一級分類結(jié)果對城市不同功能區(qū)用地進行二級分類. 通過分區(qū)， 可實現(xiàn)城市溫室氣體排放的定量化、 空間化和可視化， 為相關(guān)研究和管理提供參考和借鑒.

城市； 溫室氣體； 碳流動； 低碳； 空間特征

0 引言

城市化帶來的化石燃料燃燒和土地利用變化是導(dǎo)致溫室效應(yīng)及全球氣候變化的重要原因. 從20世紀(jì)90年代后期開始， 全球碳循環(huán)研究受到人類的普遍關(guān)注[1]， 城市作為人類群居生活的高級形式， 是社會經(jīng)濟活動的中心， 也是人類活動對地表影響最深刻的區(qū)域. 城市以占據(jù)全球2%的表面積容納了全球50%的人口， 在創(chuàng)造全球80%以上GDP的同時， 也消耗著全球85%的資源和能源， 排放出占全球總量75%的溫室氣體[2-4]. 在《京都議定書》中規(guī)定控制的6種溫室氣體中， CO2由于人類活動使其大氣濃度持續(xù)增加而最受關(guān)注； 自工業(yè)化以來， CO2體積分?jǐn)?shù)已增加了40%， 這首先是由于化石燃料的排放， 其次是由于土地利用變化導(dǎo)致的凈排放[5-6].

自2003年提出低碳經(jīng)濟與低碳城市的概念后， 相關(guān)研究快速發(fā)展， 多數(shù)研究側(cè)重于理論研究框架的構(gòu)建[7-8]， 包括城市低碳規(guī)劃的基本假設(shè)、 理論框架、 方法體系及技術(shù)指標(biāo)； 也有一些研究具體到城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程， 比如從城市土地利用的角度對碳儲量展開分析[9-11]. 近年來， 眾多學(xué)者還從社會經(jīng)濟的角度對城市溫室氣體排放進行了研究， 如人口規(guī)模與結(jié)構(gòu)對碳排放的影響[12-13]， 以及GDP、 能源消耗與碳排放量的關(guān)系； 城市系統(tǒng)、 行業(yè)、 產(chǎn)業(yè)碳排放量的計算等[14-16].

城市由于擁有不同的功能區(qū)， 其碳流動過程及溫室氣體排放也就具有較強的空間異質(zhì)性[17]. 從城市不同用地類型的空間屬性出發(fā)， 結(jié)合城市碳排放與碳流動特征， 系統(tǒng)研究其規(guī)劃功能及土地利用與溫室氣體排放的內(nèi)在聯(lián)系， 構(gòu)建基于溫室氣體排放的城市空間分區(qū)體系， 有助于拓寬對城市溫室氣體排放特征的認識， 為城市實現(xiàn)低碳發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 城市空間形態(tài)與溫室氣體排放的關(guān)系

影響城市溫室氣體排放的因素眾多， 有的直接與排放相關(guān)， 有的則是間接影響. 城市空間形態(tài)主要是通過一些中間要素與溫室氣體排放相聯(lián)系. 比如城市密度與土地混合利用程度是影響城市交通能源消耗的主要因素[18]， 居民出行行為特別是通勤特點和城市交通碳排放的空間特征及差異性是構(gòu)建低碳城市和解決城市交通問題的基礎(chǔ)， 城市人口數(shù)量與人均收入及消費特征， 基礎(chǔ)設(shè)施與公共設(shè)施建設(shè)， 城市熱島與氣候、 建筑節(jié)能等也被證明與城市溫室氣體排放有較強相關(guān)性[19].

城市空間形態(tài)與溫室氣體排放存在密切關(guān)系是無疑的， 而且這種關(guān)系由于存在中間要素的影響往往難以被直接刻畫和定量表述， 因此相關(guān)研究還有許多值得深入的地方， 具體的研究方法除了通用的碳清單核算、 城市形態(tài)的有效表述與測算外， 地理信息系統(tǒng)的引入是一重要進展， 這使得研究可以更加定量和直觀. 另一方面， 城市是一個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)， 存在多種城市要素， 對這些多要素進行綜合研究也是未來發(fā)展方向之一.

一般地， 城市空間形態(tài)與溫室氣體排放存在以下關(guān)系[17, 19]：

1) 城市化程度或水平與溫室氣體排放存在正相關(guān)關(guān)系. 許多研究都證明在城市化進程中， 與城市化相關(guān)的一些經(jīng)濟指標(biāo)比如經(jīng)濟總量與居民消費結(jié)構(gòu)的變化也會導(dǎo)致能源消費與結(jié)構(gòu)的變化， 進而影響城市碳排放的規(guī)模； 一般來說， 城市化會促進總的能源消費及人均能耗， 導(dǎo)致城市碳排放顯著上升.

2) 城市空間形態(tài)會在較大程度上影響一些行業(yè)的溫室氣體排放. 城市溫室氣體排放的三大主要來源是工業(yè)、 建筑和交通， 而工業(yè)布局、 公共設(shè)施和各種建筑的建設(shè)以及交通路網(wǎng)， 這些與城市空間形態(tài)密切相關(guān)的因素， 都會對這些行業(yè)的溫室氣體排放產(chǎn)生直接或間接的影響.

3) 城市空間形態(tài)與城市熱島效應(yīng)密切相關(guān)， 而城市熱島效應(yīng)會在不同時間與區(qū)域影響城市能耗， 從而導(dǎo)致對碳排放存在較為復(fù)雜的影響. 比如城市夏季空調(diào)的能耗顯著高于郊區(qū)， 但冬季的供熱能耗會稍低.

4) 城市空間形態(tài)對溫室氣體排放的綜合影響. 多種城市要素復(fù)合， 會對城市溫室氣體排放存在綜合作用. 對城市增長的研究表明， 低密度城市增長的碳代價要高于高密度城市， 大部分城市中心區(qū)域的溫室氣體排放量低于郊區(qū)[20]； 基于此， 也有學(xué)者認為建設(shè)緊湊城市可成為解決一系列城市問題的有效途徑.

2 城市碳流動過程及空間特征分析

碳流動或碳循環(huán)是導(dǎo)致城市溫室氣體產(chǎn)生并排放的根本原因, 除與自然過程密切相關(guān)的直接碳源/匯外， 城市的碳流動主要伴隨著城市的能源流動而產(chǎn)生. 總之， 城市碳流動主要包括能源輸入、 能源利用、 以及直接碳源/匯等三個要素. 從城市能源輸入角度分析， 油、 煤、 氣等化石能源經(jīng)歷生產(chǎn)、 供應(yīng)和消費三個環(huán)節(jié)， 作為生產(chǎn)、 交通功能區(qū)活動中的動力， 以及工業(yè)、 公共建筑功能區(qū)內(nèi)使用的燃料等， 此外還將轉(zhuǎn)化為二次能源電力. 從城市能源利用角度分析， 除水、 核、 風(fēng)、 太陽能等非化石能源大部分轉(zhuǎn)化而來的電力外， 化石能源轉(zhuǎn)化而成的電力也用于生產(chǎn)、 服務(wù)、 住宅功能區(qū)內(nèi)活動能源， 且占用相當(dāng)大的比重. 從直接溫室氣體排放源和吸收匯來看， 城市中的林地、 草地、 濕地等綠地功能區(qū)有著固碳、 匯碳的能力， 也可以利用碳捕捉技術(shù)封存溫室氣體排放[17].

城市碳流動如圖1所示， 伴隨著能源流動， 城市系統(tǒng)碳流動中的碳輸入主要包括煤、 石油和天然氣等化石能源， 這是目前城市的主要能量來源， 也是最主要的城市輸入碳通量. 碳輸出則主要是CO2的直接排放， 另外也有部分會以廢棄物即碳水化合物形式進行流通[21]. 按照碳輸出產(chǎn)生的溫室氣體排放終端來統(tǒng)計， 城市中溫室氣體排放的三大來源是工業(yè)、 交通和建筑.

圖1 城市碳流動示意圖Fig.1 Urban carbon flow schematic map

城市碳流動離不開生產(chǎn)、 生活與生態(tài)三大過程， 比如生產(chǎn)過程中的化石燃料生產(chǎn)及消費、 生活過程中因為消費產(chǎn)生的能耗和物耗, 以及自然生態(tài)系統(tǒng)中的直接排放與收儲. 能源輸入和能源利用與城市生產(chǎn)和生活相關(guān)， 直接碳源/匯則是部分非能源活動導(dǎo)致溫室氣體總量發(fā)生變化， 該過程將直接向大氣排放或吸收溫室氣體. 而城市不同功能區(qū)用地類型又決定了三大環(huán)節(jié)的空間布局與特征， 由此可以在計算城市不同部門與行業(yè)碳清單的基礎(chǔ)上將城市溫室氣體排放與空間特征結(jié)合起來， 進行城市溫室氣體排放空間的分區(qū).

3 城市溫室氣體排放空間分區(qū)體系

通過地理信息系統(tǒng)來分析和表達城市用地類型與溫室氣體排放之間的關(guān)系， 先要綜合考慮城市功能區(qū)劃及其區(qū)劃內(nèi)社會經(jīng)濟活動中產(chǎn)生的碳流動， 然后將基于IPCC城市溫室氣體清單的部門和項目與不同的功能用地一一對應(yīng)起來， 見表1.

表1 基于溫室氣體排放的城市空間分區(qū)體系

續(xù)表1

一級分類二級分類一級分類說明二級分類說明溫室氣體部門和項目交通運輸空間對外交通運輸城市道路運輸附屬設(shè)施對應(yīng)要素為能源輸入，表現(xiàn)為一次能源(化石能源)生產(chǎn)、供應(yīng)和消費城市之間的交通以及城市地域范圍內(nèi)的城區(qū)與周圍城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村的交通主干路、次干路、支路和城市軌道線路港口、機場、火車站及大型汽車站或停車場能源活動交通運輸航空水運鐵路公路公共服務(wù)空間居民生活空間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間綠地和水域空間行政辦公商業(yè)休閑文化娛樂教育醫(yī)衛(wèi)廢棄物處理居民住宅村鎮(zhèn)居民用地村鎮(zhèn)畜牧用地耕地園林綠地風(fēng)景保護區(qū)水域?qū)?yīng)要素為能源利用，表現(xiàn)為二次能源的使用對應(yīng)要素為直接碳源/匯，表現(xiàn)為非能源活動導(dǎo)致溫室氣體直接變化黨政機關(guān)、社會團體等用地商業(yè)、金融、貿(mào)易、旅館業(yè)、市場交易活動等服務(wù)業(yè)各類文化、體育、娛樂及公共廣場等各類教育，獨立的科研、勘測、設(shè)計、技術(shù)推廣、科普等及醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)施用地生活和工業(yè)污水處理用地糞便垃圾處理用地城市居民住宅用地用于村鎮(zhèn)居民生活居住的各類房屋用地及其附屬設(shè)施畜牧生產(chǎn)用地種植農(nóng)作物的用地公園、街頭綠地、防護綠地、疏林地等-河流、湖泊、水庫能源活動服務(wù)業(yè)廢棄物處理廢水處理固體廢棄物處理能源活動居民生活能源活動居民生活農(nóng)林牧漁業(yè)生物質(zhì)燃料燃燒(以能源利用為目的)農(nóng)業(yè)動物腸道發(fā)酵動物糞便管理系統(tǒng)農(nóng)業(yè)稻田農(nóng)用地林業(yè)和土地利用變化-

由表1可知， 空間分區(qū)主要包括兩個步驟： 一是基于城市碳流動三要素將社會經(jīng)濟活動類型進行一級分類； 二是基于一級分類結(jié)果及現(xiàn)有城市用地類型， 對城市功能區(qū)用地進行二級分類[17]. 將城市分區(qū)與溫室氣體排放部門和項目對應(yīng)， 就可實現(xiàn)溫室氣體排放空間特征的量化處理， 而基于地理信息系統(tǒng)的工作則使得結(jié)果更加直觀. 如表1所示， 可將城市溫室氣體空間分為六類， 分別為基于能源輸入要素的工礦設(shè)施空間、 交通運輸空間； 基于能源利用要素的公共服務(wù)空間和居民生活空間； 基于直接碳源/匯要素的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、 綠地和水域空間. 在此基礎(chǔ)上進行二級分類， 二級分類主要參考《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)(GB 50137-2011)》[22]. 這樣就實現(xiàn)了城市溫室氣體排放與城市用地空間的匹配及其數(shù)量關(guān)系刻畫， 通過地理信息系統(tǒng)可以實現(xiàn)城市溫室氣體排放的定量化、 空間化和可視化.

4 結(jié)語

在分析城市空間形態(tài)與溫室氣體排放關(guān)系的基礎(chǔ)上， 從城市碳流動特征出發(fā)， 構(gòu)建基于溫室氣體排放的城市空間分區(qū)體系. 通過分區(qū)， 解析城市溫室氣體排放與城市用地空間的關(guān)系， 在此基礎(chǔ)上， 結(jié)合碳排放清單核算及地理信息系統(tǒng)技術(shù)， 可為定量研究城市溫室氣體排放空間特征提供參考， 也可進一步開發(fā)出相關(guān)管理系統(tǒng)供管理部門輔助使用.

城市空間形態(tài)與溫室氣體排放的關(guān)系是復(fù)雜的， 本文提出空間分區(qū)的一種思路， 可使相關(guān)研究得到簡化. 當(dāng)然， 文中提出的分區(qū)角度不是十分完善， 也缺乏各種過程對于溫室氣體排放過程影響機制的深入探討， 相信隨著相關(guān)研究的進一步推進和深入， 未來的分區(qū)體系會更加全面和科學(xué).

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(責(zé)任編輯： 蔣培玉)

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-)， 助理研究員， 主要從事城市碳循環(huán)研究， tangyi_fang@126.com

國家自然科學(xué)基金資助項目(41501602)