城鎮(zhèn)空間緊湊度對碳排放的影響研究*
——以長興縣為例

郭 嶸 吳曉晨 瑞 芳 GUO Rong, WU Xiaochen, RUI Fang

0 引言

全球氣候變暖逐漸對城市社會、經濟、環(huán)境等各方面產生不同程度的威脅[1]，在一定程度制約城市可持續(xù)發(fā)展。基于《巴黎協(xié)定》設立的“把全球平均溫度較工業(yè)化前水平升高控制在2 ℃以內，同時努力爭取把升溫控制在1.5 ℃以內”的目標，各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體。我國2021年發(fā)布的《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出要制定2030年前碳排放達峰行動方案，并推進低碳城市建設。

縣域是中國的基本經濟單元，2015年中國縣域GDP總量達60%以上，人口占比達到73%，碳排放總量高達50%以上[2-3]，未來縣域碳排放將會給中國帶來新的增長點?？h域城鎮(zhèn)空間承載城鎮(zhèn)居民重要的生產生活活動，是城鎮(zhèn)經濟發(fā)展與空間建設的重點區(qū)域，也是碳排放的主要來源。在“碳達峰”和“碳中和”的背景下，國家提出以綠色低碳理念引領縣城高質量發(fā)展的目標，低碳化也成為城鎮(zhèn)建設的主要發(fā)展方向[4-5]。將城鎮(zhèn)空間作為低碳規(guī)劃的基本單元不僅有利于全面布局低碳規(guī)劃工作，還能高效完成控碳減排的目標。本研究旨在揭示城鎮(zhèn)空間緊湊度與碳排放的關系，探究緊湊發(fā)展對于城鎮(zhèn)空間低碳減排的可行性。

1 既有研究綜述

既有研究發(fā)現，碳排放不僅受到經濟發(fā)展、能源強度、產業(yè)結構等因素的影響，還受到城市緊湊布局、土地混合利用、城市空間結構等空間因素的影響。隨著碳排放與空間形態(tài)相關研究的深入，緊湊度對碳排放的影響已逐漸成為學者們關注的焦點。緊湊的城市形態(tài)意味著更高的密度，表現為高密度開發(fā)和土地混合利用。高強度的開發(fā)帶來人口聚集、人口密度增加。土地混合利用能夠促進居民短距離出行，有利于減小基礎設施的投資建設，提高設施的使用效率[6-8]；高密度的建設提高城市道路密度并提高公共交通的客流量與使用頻率，進而降低交通能耗[9-13]。人口與建筑的集中布局能實現街區(qū)集中供熱或熱電聯供系統(tǒng)，降低建筑能耗[14-18]。也有學者認為對于中小城市，緊湊布局會提高二氧化碳的經濟效率[19]，但如果緊湊度過高，則會導致二氧化碳的社會效率降低[20]。也有研究結果表明城市緊湊度與碳排放正相關，但隨著未來城市發(fā)展，能源利用效率和生產技術的提高，緊湊度增加則會降低碳排放[21-22]。目前對碳排放的研究內容豐富、方法多樣，研究尺度從大尺度的地級市及以上城市到縣級城市等中小尺度轉變，為縣級層面的相關研究提供了參考。

綜上所述，城鎮(zhèn)空間緊湊度與碳排放之間的關系對于縣級城市低碳發(fā)展至關重要。本研究以長興縣城鎮(zhèn)空間為例，構建城鎮(zhèn)空間緊湊度測度評價體系，運用熵值法確定權重，測算長興縣的城鎮(zhèn)空間緊湊度及碳排放量，利用相關分析法和回歸分析法探討城鎮(zhèn)空間緊湊度對碳排放的影響，為低碳城鎮(zhèn)建設提供借鑒和參考。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域與數據來源

2.1.1 研究區(qū)域

長興縣位于浙江省湖州市，地處蘇浙皖三省交界地區(qū)，是浙江省典型的工業(yè)主導型城鎮(zhèn)。2020年，長興縣全年地區(qū)生產總值為702.39億元，其中第二產業(yè)比重為51.3%，是中國工業(yè)百強縣（市）之一，也是浙江省工業(yè)強縣建設實施試點縣。長興縣城鎮(zhèn)空間的總用地面積為194 km2，由雉城街道、太湖街道、畫溪街道、龍山街道四個街道組成（圖1）。

圖1 長興縣城鎮(zhèn)空間示意圖Fig.1 town space map of Changxing County

2.1.2 數據來源

本研究以2009—2018年長興縣城鎮(zhèn)空間社會、經濟、能源消耗等數據為樣本，來源于對應年份的《長興縣統(tǒng)計年鑒》和《長興縣國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，能源折標準煤系數和碳排放系數來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》《2006 IPCC國家溫室氣體清單指南》。

2.2 研究方法

2.2.1 城鎮(zhèn)空間緊湊度測度方法

根據已有研究成果，城鎮(zhèn)空間的緊湊程度可以從形態(tài)緊湊與功能緊湊兩方面進行解讀。功能緊湊強調要素集聚和提高密度；形態(tài)緊湊著重于邊緣形態(tài)，避免無序擴張[23]。本研究從多維度構建緊湊度評價體系，并將形態(tài)緊湊作為其中一個指標綜合測度。選擇熵值法確定指標權重，與層次分析法和德爾菲法等方法相比，熵值法能夠有效避免人為因素干擾，減少主觀隨意性，保證評價結果的客觀性和真實性[24-25]，最后根據指標權重以及標準化后的各指標值計算緊湊度綜合得分。計算步驟如下：

第一，構建原始數據矩陣Y。

式中，xij表示第i年份下第j項指標的數值。

第二，各項指標數據標準化。

各項指標在單位和量綱上存在差異，為了使各指標間具有可比性，通過離差標準化剔除指標間的差異，得到最終的單一測度指標[26]。由于計算過程中會用到每個指標值與極小值求差的形式，會有零值存在。為保證取值有意義，進行數據平移處理，最終形成的數據在1～2之間[27]。計算公式如下：

且xij*是各個指標標準化后得到的數據，xij為指標的原始數據。

第三，各項指標同度量化。

根據標準化數據矩陣，計算第j項指標下第i年份指標值比重Pij:

第五，計算第j項指標的信息效用價值，即差異性系數gj:

某項指標的差異性系數取決于該指標的熵與1之間的差值，差異性系數越大，對評價的重要性就越大，權重也就越大，在出現某項指標下的數據完全相等時，差異性系數最小為0。

第六，計算第j項指標的權重wj:

利用熵值法估算各指標的權重，其本質是利用該指標信息的價值系數來計算，其差異系數越高，對評價的重要性就越大，即對評價結果的貢獻越大。

第j項指標的權重為：

2.2.2 碳排放量測算方法

本研究的碳排放是指能源消費過程中產生的碳排放，采用《IPCC國家溫室氣體清單指南》中能源部分所提供的基準方法計算[28]。既有碳排放量的測算方法以全域為主要研究對象，較少有針對城鎮(zhèn)空間碳排放量進行研究。有學者對比人均碳排放法、地均碳排放法、產業(yè)比重法得到的碳排放量，最終將人均碳排放法計算出的碳排放量作為研究結果[29]。結合相關研究及長興縣的具體情況，本研究將人均碳排放法和產業(yè)比重法測算出碳排放量的平均值作為城鎮(zhèn)空間碳排放量進行后續(xù)研究。

縣域碳排放總量計算公式如下：

式中，CT為縣域碳排放各種能源消費的碳排放總量；ENa為第a類能源經過折算后的標準煤消費量；EFa為第a類能源的碳排放系數；a表示能源種類數目。各種化石能源的折標煤系數與碳排放系數如表1所示。

表1 不同能源的折標準煤系數及碳排放系數表Tab.1 table of standard coal coefficient and carbon emission coefficient of different energysources

城鎮(zhèn)空間碳排放量計算公式如下：

式中，CE為城鎮(zhèn)空間碳排放量，β為城鎮(zhèn)空間人口占縣域人口的比重，γ為二三產業(yè)比重之和。

3 長興縣城鎮(zhèn)空間緊湊度與碳排放測度

3.1 城鎮(zhèn)空間緊湊度評價

3.1.1 城鎮(zhèn)空間緊湊度評價指標體系構建

本研究以功能緊湊為主，結合形態(tài)緊湊，將人口緊湊度、經濟緊湊度、土地利用緊湊度、基礎設施緊湊度、生態(tài)環(huán)境協(xié)同度5個維度作為評價體系的一級指標。二級指標結合既有研究[30-35]，遵循可比性、可獲取性和可行性的原則，確定了人口密度、人口聚集度等共13項指標，通過計算指標權重，得到長興縣城鎮(zhèn)空間緊湊度評價指標體系（表2）。

表2 長興縣城鎮(zhèn)空間緊湊度評價指標體系Tab.2 evaluation indicator system of town space compactness in Changxing County

3.1.2 城鎮(zhèn)空間緊湊度測度

長興縣城鎮(zhèn)空間緊湊度呈現增長的趨勢（圖2），2009—2015年是緊湊度快速增長的階段，人口不斷向城鎮(zhèn)空間聚集，基礎設施、生態(tài)環(huán)境也在不斷完善，土地利用緊湊度也隨之提高，各類要素的聚集與經濟發(fā)展同時加速，緊湊度隨之快速增長。在2015年之后，人口向城鎮(zhèn)空間聚集的速度趨于平穩(wěn)；土地利用和基礎設施建設達到一定規(guī)模后，這兩類要素聚集的速度減緩，但經濟持續(xù)發(fā)展，緊湊度持續(xù)增加，增速逐漸減緩。

圖2 2009—2018年長興縣城鎮(zhèn)空間緊湊度變化圖Fig.2 changes in town spaces compactness in Changxing County, 2009-2018

經濟緊湊度、土地利用緊湊度與基礎設施緊湊度在城鎮(zhèn)空間緊湊度變化的過程中，貢獻度均大于17%（圖3），表明這三個要素對于緊湊度提升起較大的作用。人口緊湊度與生態(tài)環(huán)境協(xié)同度的變化對于緊湊度的影響相對較小，貢獻度在11%～18%之間。

圖3 一級指標貢獻度Fig.3 contribution of first-level indicators

3.2 城鎮(zhèn)空間碳排放測度

根據公式計算出長興縣全域碳排放量、城鎮(zhèn)空間碳排放量（圖4）?？梢钥闯?，長興縣城鎮(zhèn)空間碳排放在2009—2018年間呈現先降低后升高的趨勢，增長速度逐漸減緩。非城鎮(zhèn)空間的碳排放量與城鎮(zhèn)空間碳排放量的增長趨勢保持一致，但整體水平低于城鎮(zhèn)空間水平。人均碳排放量也呈現出先下降后上升的趨勢（圖5），在2016年之后增速減緩，呈現出較為平穩(wěn)的狀態(tài)。碳排放強度呈現“下降—平穩(wěn)—下降”的趨勢，表明隨著技術進步與能源結構調整，經濟不斷發(fā)展，產生單位GDP排放的二氧化碳量在逐年減少。

圖4 2009—2018年長興縣碳排放量Fig.4 carbon emissions in Changxing County, 2009-2018

圖5 2009—2018年長興縣人均碳排放量與碳排放強度Fig.5 per capita carbon emissions and carbon intensity in Changxing County, 2009-2018

長興縣對重點行業(yè)和重點污染企業(yè)，采取企業(yè)兼并重組、產業(yè)集中布局、升級生產設備和淘汰落后設備等措施。非城鎮(zhèn)空間內的部分產業(yè)通過不同組織形式或被取締或被轉移到城鎮(zhèn)空間，人口隨之轉移?；A設施的規(guī)模和服務范圍隨之提升，土地不斷被開發(fā)利用，外來資本的引入提高城鎮(zhèn)空間的經濟產出，非城鎮(zhèn)空間的碳排放與城鎮(zhèn)空間碳排放的差值逐漸增大，長興縣的碳排放主要集中于城鎮(zhèn)空間。

4 長興縣城鎮(zhèn)空間緊湊度對碳排放的影響分析

4.1 城鎮(zhèn)空間緊湊度與碳排放的相關性分析

利用SPSS對城鎮(zhèn)空間緊湊度和碳排放量、人均碳排放量、碳排放強度進行相關性分析（表3），結果表明城鎮(zhèn)空間緊湊度與三個碳排放度量指標均有較高的相關性。隨著人口、經濟、土地利用、基礎設施等要素不斷向城鎮(zhèn)空間聚集，緊湊度也不斷提升，城鎮(zhèn)空間的經濟活動、居民生活等各類活動強度增大，碳排放量、人均碳排放量也隨之升高；經濟的增長速度大于碳排放的增長速度，碳排放強度逐年降低，碳排放產生的經濟效益逐年增加。

表3 城鎮(zhèn)空間緊湊度與碳排放量的相關性Tab.3 correlation between town space compactness and carbon emissions

4.2 城鎮(zhèn)空間緊湊度與碳排放的回歸分析

4.2.1 模型檢驗

為進一步驗證城鎮(zhèn)空間緊湊度對碳排放的影響，構建歸回模型，將影響碳排放的其他因素作為控制變量，再通過回歸分析，判斷控制變量的情況下，城鎮(zhèn)空間緊湊度是否影響碳排放。結合Kaya恒等式改進后的計算模型[36]及對碳排放影響因素的研究[37-38]，將能源強度、人口規(guī)模、經濟發(fā)展作為控制變量。

由表4可知，當前模型復相關系數為0.997，即因變量實際值與預測值間的Pearson相關系數為0.997，呈顯著相關性，表明模型中所有自變量與因變量之間的線性關系密切，適合采用線性回歸擬合模型，各變量擬合情況優(yōu)秀，當前模型具有統(tǒng)計學意義。

表4 模型摘要Tab.4 summary of model

4.2.2 結果分析

通過回歸分析得出在控制能源強度、人口規(guī)模、經濟發(fā)展三個變量的情況下（表5），城鎮(zhèn)空間緊湊度作為自變量，對其回歸系數進行顯著性檢驗，p=0.029＜0.05，顯示城鎮(zhèn)空間緊湊度在0.05水平上對因變量存在顯著性影響。即在能源強度、人口規(guī)模、經濟發(fā)展不變的情況下，城鎮(zhèn)空間緊湊度對碳排放產生正向影響。

表5 回歸分析各變量系數Tab.5 regression analysis of variable coefficients

碳排放變化是由社會經濟等多要素共同作用的結果，但長興縣的研究結果表明城鎮(zhèn)空間緊湊度會對城鎮(zhèn)空間碳排放產生獨立作用，隨著城鎮(zhèn)空間要素的集聚，緊湊度增加，城鎮(zhèn)空間內生產活動、居民生活、城鎮(zhèn)建設的強度都在增大，高品質生活及高速經濟發(fā)展以碳排放為支撐，城鎮(zhèn)空間緊湊度的增加會促進城鎮(zhèn)空間碳排放的升高。

4.3 碳排放的影響因素分析

為進一步了解城鎮(zhèn)空間緊湊度測度對碳排放的影響因素，將城鎮(zhèn)空間緊湊度的一級指標與碳排放量、人均碳排放量、碳排放強度進行相關分析，結果如下所示（表6）。

表6 城鎮(zhèn)空間緊湊度一級指標與碳排放的相關性分析Tab.6 correlation analysis between first-level indicators of town space compactness andcarbon emissions

根據分析結果可知，人口緊湊度、生態(tài)環(huán)境協(xié)同度與碳排放強度相關性較強，且呈負相關；經濟緊湊度和基礎設施緊湊度對于碳排放的3個度量指標量均存在較大影響，經濟和基礎設施越緊湊，碳排放量與人均碳排放量越大，碳排放強度則越??；土地利用緊湊度的提升促進碳排放量和人均碳排放量的增加。經濟越緊湊，碳排放量越大，表明長興縣城鎮(zhèn)空間的經濟發(fā)展是以碳排放為代價，經濟發(fā)展與碳排放未進入到脫鉤狀態(tài)；碳排放強度降低，可以看出通過技術進步和產業(yè)結構調整后，產生單位GDP所產生的碳排放在減少，低碳經濟逐步發(fā)展。城鎮(zhèn)空間土地開發(fā)強度和利用程度越高，在土地上產生的活動強度越大，碳排放量也隨之增加。城鎮(zhèn)空間人口規(guī)模、密度增加，居民對于交通和設施的需求隨之增加，增加的人口產生更多的生活能耗，基礎設施在建設與完善中也產生相應碳排放。

5 結論

本研究以浙江省工業(yè)主導型城鎮(zhèn)長興縣城鎮(zhèn)空間為研究對象，基于城鎮(zhèn)空間緊湊度與碳排放測算，分析二者的相關性及作用關系，并得出如下結論。

首先，長興縣城鎮(zhèn)空間緊湊度整體上呈現增長的趨勢，在2015年之后增速減緩。在2009—2015年之間，是長興縣各類要素快速向城鎮(zhèn)空間聚集的階段。此后，人口增長趨于穩(wěn)定，基礎設施和土地利用達到一定規(guī)模，要素的聚集速度減緩，經濟緊湊度不斷增加，城鎮(zhèn)空間緊湊度的增長速度出現減緩趨勢。

其次，長興縣城鎮(zhèn)空間碳排放整體上呈現先下降后上升的趨勢，且增速逐漸減緩，非城鎮(zhèn)空間的碳排放與城鎮(zhèn)空間碳排放的增長趨勢保持一致，但整體水平低于城鎮(zhèn)空間水平。要素的集聚作用將非城鎮(zhèn)空間與城鎮(zhèn)空間碳排放的差值逐漸拉大，城鎮(zhèn)空間成為縣域的主要碳排放源。但碳排放強度逐年降低，表明通過技術進步和產業(yè)結構調整后，產生單位GDP所產生的碳排放在減少，低碳建設取得一定成效。

最后，城鎮(zhèn)空間緊湊度對碳排放存在正向作用，將能源強度、人口規(guī)模、經濟發(fā)展三個影響碳排放的因素作為控制變量的情況下，城鎮(zhèn)空間緊湊度依然與碳排放正向相關。經濟、土地利用、基礎設施緊湊度的增加使碳排放增加，人口、經濟、基礎設施緊湊度和生態(tài)環(huán)境協(xié)同度增加會降低碳排放強度。

長興縣正處于快速城鎮(zhèn)化和經濟發(fā)展階段，需要通過能源消耗支撐城鎮(zhèn)建設。要素的聚集使城鎮(zhèn)空間緊湊度增加，促進碳排放的產生，而碳排放強度的降低表明碳排放產生了更高的經濟效益，符合長興縣未來的發(fā)展戰(zhàn)略。結合大城市的發(fā)展規(guī)律，在長興縣的各項建設基本完成、城鎮(zhèn)空間有序運行之后，要素的聚集將起到減少碳排放的作用。長興縣當前發(fā)展階段應采用兼顧功能緊湊和形態(tài)緊湊的規(guī)劃策略，主要的第二產業(yè)和第三產業(yè)應集中布局在城鎮(zhèn)空間，提高運輸效率降低交通碳排放，通過集聚效應促進城鎮(zhèn)空間經濟發(fā)展。應提高土地利用強度和產出效率，優(yōu)先盤活存量用地與低效用地；提高土地利用均衡度，豐富地塊功能與業(yè)態(tài)，實現功能和設施公平布局；結合人口聚集趨勢及未來城鎮(zhèn)發(fā)展定位，進行基礎設施建設并預留相關用地，在短距離出行范圍內滿足居民多種需求。加強城鎮(zhèn)空間生態(tài)環(huán)境建設，完善公園綠地體系，提高居民公共空間可達性，增加城鎮(zhèn)碳匯，從而降低城鎮(zhèn)凈碳排放。

本研究基于理論分析與量化研究得出了以上結論。但由于我國縣級城市數量較多，地理位置和發(fā)展階段差異較大，緊湊發(fā)展是否適用于其他類型縣級城市的低碳建設有待進一步驗證。此外，碳排放受到多維度多因素的影響，在低碳建設中不宜一味追求緊湊布局，應綜合考慮城鎮(zhèn)發(fā)展特征，因地制宜地制訂低碳規(guī)劃策略。未來研究中應選取處于不同發(fā)展階段的對象進行補充研究，深入挖掘多樣性和差異性的影響因素，為中小城市低碳發(fā)展提供更為有力的支撐。

圖表來源：

圖1-5：作者繪制

表1：作者根據《中國能源統(tǒng)計年鑒》《國家溫室氣體排放清單》《IPCC國家溫室氣體清單指南》繪制

表2-6：作者繪制