城市空间形态与碳排放关系研究进展与展望，本文主要内容关键词为：研究进展论文,形态论文,关系论文,城市论文,空间论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
由于科学界已有充分证据证明，当前气候变暖有90%以上的可能性是由人类活动排放的
等温室气体造成，近年来降低社会经济引致的碳排放，促进低碳经济与低碳城市的发展成为各国关注的焦点。城市聚集了人口、经济等诸多要素，源于城市的温室气体排放已占到全球总量的75%左右[1]，因此城市的碳排放成为城市与区域研究及全球碳排放研究关注的热点问题。从整体上看，城市化及土地利用变化与大气中浓度增加有着较强的相关关系[2]，城市蔓延增长导致的建筑与基础设施的增加更是加大了温室气体的排放[3]，包括中国在内的多个国家的研究都表明，城市化与能源消耗及碳排放有较强的相关关系[4-7]。而从城市的构成与运行看，城市的能源使用情况与来源、经济结构、生活方式及碳回收处理等低碳生产技术对城市碳排放水平有着决定性的影响，[8]。
城市空间形态对城市运行及各城市要素有一定锁定效应[9]，对提升城市能源使用效率，降低碳排放水平有重要作用[10]，逐渐成为城市碳排放的研究热点。欧美发达国家的研究表明，城市空间形态与城市交通[11]、热岛效应[12]及住房市场[13]等要素有较强的相关关系，而这些要素又与城市的能源消耗与碳排放紧密相关，因此城市空间形态是综合分析城市能源消耗与碳排放的主要切入点之一[10]。
国内社会经济发展阶段与欧美发达国家不同，碳排放的结构也与发达国家有一定差异。从现有的碳排放统计看，工业碳排放比重仍然是最高的，其减排的迫切性也最大。但从长期看，随着工业减碳技术和产业结构的调整，工业碳排放比重会持续下降。与发达国家类似，国内城市居民相关的碳排放一定会成为碳排放组成的核心，提前做好城市低碳化的相关研究能够为我国快速增长的城市及城市人口做好低碳发展的准备。而城市空间形态与碳排放的相关研究恰是低碳城市规划最直接、最具操作性的理论依据。
1 相关概念与研究框架
1.1 城市碳排放与低碳城市的概念
城市是经济与生活的集中地，城市既有生产的功能，也有承载居民生活的功能。因此广义的城市碳排放是城市产业、居民生活、交通等相关要素运行过程中因能源消耗而产生的排放量的总称[1]。由于城市工业生产的碳排放多被纳入工业碳排放的概念中，狭义的城市碳排放仅包括城市生活引起的碳排放[14]。
低碳城市的概念源于低碳经济[15]和低碳社会[16]的概念，具体指在城市实行低碳经济，以低碳生产和低碳生活消费为核心的城市发展模式[16]。国内外学者对低碳城市有不同的定义，但总体上都认为低碳城市应实行低碳经济，形成结构优化、循环利用、节能高效的经济体系；低碳城市应倡导低碳生活，市民以低碳生活为理念和行为特征、政府公务管理层以低碳社会为建设标本和蓝图[8],[14-16]。
1.2 城市空间形态的概念
城市空间形态指城市的物质形式，即城市建成区的形态与分布特征，欧洲国家多用“Urban Morphology”定义，美国更多用“Urban Form”。城市空间形态的概念根据“尺度”与“时间”的不同有不同内涵，在城市和区域尺度，空间形态主要指城市建成区的形态与布局特征[17]。
城市空间形态研究理论起源于1950年代由马奇和马丁(March & Martin)在英国剑桥大学创立的“城市形态与用地研究中心”。这一理论认为城市由基本空间元素组成，它们构成了不同的开放与围合空间及各种交通走廊等。空间形态研究从不同规模层次分析城市的基础几何元素，其目的是试图描述和定量化这些基本元素和它们之间的关系[18]。
由于不同学科从不同的视角对城市空间形态进行过探讨，城市空间形态研究也包含城市空间形态要素研究、城市内部空间模式研究、城市社会空间研究等多个方面，但影响最大、研究最为系统的是城市空间形态的整体模式及演变的研究，相应研究在我国快速城市化地区有着广泛的理论与实践基础。城市空间形态整体模式研究通过对城市建成区的外在轮廓及城市土地利用结构的演化分析，总结城市的发展模式，探寻影响城市增长的驱动力，探讨国内快速城市化带来的城市问题。与碳排放研究相关的城市空间形态研究也属此类。
1.3 城市空间形态与碳排放关系的研究框架
同城市空间形态与空气污染，城市空间形态与人体健康[5]等其他研究类似，城市空间形态与碳排放并不存在直接的关系，而是通过相应的中介要素与碳排放产生关联。即，城市空间形态影响中介要素，中介要素影响城市碳排放，所以城市空间形态影响碳排放。因此，城市空间形态与碳排放关系研究是随着越来越多中介要素的发现而逐渐进入人们视野的。
自从纽曼(Newman)等人的研究证实在小汽车主导的城市，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[11]后，城市基础设施与公共设施[3]、人口数量与人均收入[9]、气候与城市热岛[12]，[19]、碳税的征收方式[19]、建筑节能[10]等要素陆续被证明与城市碳排放有着较强的相关关系。而这些要素都与城市空间形态有着非常密切的关系，可以说正是因为不同的城市空间形态决定了这些要素的性质，从而影响到城市碳排放。
正因于此，尤因(Ewing)等搭建了城市空间形态与碳排放关系的研究框架，为相应研究提供了较为系统的理论框架[13]。他们认为城市空间形态可以通过三个途径(中介要素)影响城市居民的能源使用：一是电力传送和电力分配过程中的损失(T&D)；二是对住房市场的影响；三是形成城市热岛效应(UHIs)，进而影响城市居民的能源使用。而后，他们以三个中介要素为联系，构建起城市空间形态与碳排放关系的定量研究框架，证明了紧凑的城市发展能够有效降低城市居民的能源消耗，降低排放。虽然尤因(Ewing)等的理论框架受到兰道夫(Randolph)的批评，认为相应框架包含的中介要素不够全面，而未包含交通要素更是没有抓住城市碳排放问题的实质[20]，但尤因(Ewing)等搭建研究框架的思路值得参考，为相应研究框架的完善提供了基础平台，也为综合性的研究城市空间形态与城市碳排放关系奠定了理论基础。
2 主要研究方法
城市空间形态与碳排放关系研究仍处在起步阶段，各类方法还在逐步完善中。但从现有的研究方法看，相应研究已从初始的纯定性研究转为定量研究[11]，从单一城市要素的研究转为多要素综合研究[9]，[13]。现有研究多通过定量分析的方法探讨城市空间形态与碳排放的关系。因此碳排放的测算和城市空间形态测度是相应研究的基础工作。
2.1 碳排放的估算方法
由于碳排放源头多，相应的监测刚在发达国家开始试点，碳排放的估算与度量方法一直是学者们讨论的热点。通常可以通过经济数据、能源消耗数据等，采用统计分析、系统分析等相关方法对碳排放量及预测进行估算。1996年IPCC首次公布了《国家温室气体清单指南》，为各国碳排放估算与审计提供了标准的算法与可参照的标准。其后，IPCC根据《国家温室气体清单指南》工作情况及全球气候变化新发展对1996年的指南进行了修订，形成了《2006年国家温室气体清单指南》，成为各国碳排放量算的新标准。IPCC最常用的简单方法学方式是，把有关人类活动发生程度的信息(称作“活动数据”或“AD”)与量化单位活动的排放量或清除量的系数(即，“排放因子”或“EF”)结合起来。因此，基本的方程是：
排放=EF·AD
例如，在能源部门，燃料消费量可构成活动数据，而每单位被消耗燃料排放的的质量可以是一个排放因子。这一基本方程也成为缺乏碳监测国家估算碳排放的主要方法，而排放因子的取值自然成为相应研究的热点。
我国碳排放的构成中，工业排放占很大份额，而工业部门间碳排放系数差别较大，因此工业部门碳排放的估算很受重视。如，张德英采用系统拟真的方法对我国工业部门排碳量进行了估算[21]。王雪娜总结了目前能源类碳源排碳量的研究现状，引入系统动力学的概念，针对社会能源类碳源排碳和交通运输部门的能源类碳源排碳进行了分析和建模[22]。马忠海估算了我国煤电能源链、核电能源链和水电能源链的温室气体排放系数，并对水电站水库水体在不同季节的温室气体排放进行了实际测量[23]。在以上研究的基础上，徐国泉等人基于碳排放量的基本等式，采用对数平均权重Disvisia分解法，建立我国人均碳排放的因素分解模型，定量分析了1995-2004年间，能源结构、能源效率和经济发展等因素变化对我国人均碳排放的影响[24]。
2.2 城市空间形态的测算方法
城市空间形态的测度与量化一直是城市空间研究的热点问题，国内外诸多学者也用不同方法开展过相应研究。利用城市分形[25]、蔓延指数[13],[26-27]等定量方法能够有效地表征城市空间形态。欧美等发达国家的研究表明，定量化的空间形态能够更好地分析空间形态与碳排放的关系[13]，并针对不同的需要提出了简易[27]与精确[26]的定量化指数。
从城市空间形态定量化研究方法的演变看，遥感和GIS技术的应用大大提升了相应研究的深度与广度，空间形态指数、景观格局指数等量化指标，提升了相应研究的精度与科学性。在具体的量算中，通过遥感影像获得的建成区形态及各城市统计单元统计的社会经济数据是主要的数据源。与技术的提升相对应，近年来城市形态指数成为度量城市空间形态的有效方法。常用的指标有密度(density)、分散度(scatter)、跳跃度(leapfrogging)、散布度(interspersion)、可达性(accessibility)、连续性(continuity)、中心性(concentration)、聚集性(clustering)、集核性(nuclearity)、混合利用(mixed uses)和接近性(proximity)等，这些数量指标共同确定城市的紧凑与蔓延等形态特征[3]，[26-27]。城市形态指数的广泛应用为城市空间形态与碳排放关系研究提供了良好的数理基础。
3 相应研究结论
3.1 城市化过程影响能源消耗及碳排放
城市空间形态与碳排放关系研究是城市化与碳排放关系研究的细分与深化，而以城市社会经济系统整体为研究对象，探讨其碳排放关联的研究开展较早，较为深入。国内外诸多研究证明城市化水平与能源消费、人均能源消费存在显著的正相关关系[6],[28-29]，在城市化过程中，宏观经济总量、产业结构、城市化水平、居民消费结构的变化也会导致能源消费量和消费结构的变化[30-31]]，进而影响城市碳排放的规模。
3.2 碳排放、城市交通和城市空间形态的关系
交通的碳排放研究最早提出城市空间形态可以影响碳排放。纽曼(Newman)等人的研究证实在小汽车主导的城市，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[11]，而其他学者在各国的实践证明城市密度并非影响城市交通能源消耗的唯一空间要素，道路系统设计、公共交通、城市功能单元的布局[32-34]都是重要的影响要素。而城市密度、城市功能单元布局等正是城市空间形态的重要指标，也就是说城市空间形态能够对城市交通的碳排放产生重要影响。
3.3 碳排放，住房类型和城市空间形态的关系
城市碳排放的增长与住房消费的趋向有着很紧密的关系。面积较大的住房需要消耗更多的能源，因为它们需要加热和冷却更多的空间；而独立式住宅比同样大小的联排住宅需要更多的能源，因为它们的裸露空间更多。
城市空间形态可以影响住宅的类型，进而影响住房的碳排放。虽然住房消费与家庭的收入、家庭成员数以及文化背景等特征有密切关系[35]，但城市空间形态可以控制居住用地供应、地价等要素，进而影响住房市场[36-37]。从欧美相关研究看，紧凑的城市形态通常会对土地供给有较强的约束，其土地价格也相应较高，这些地区联排住房和公寓式住房较多[38]，也就是说城市空间形态能够对住房的碳排放产生重要影响。
3.4 碳排放，城市热岛效应和城市空间形态的关系
由于城市热岛效应，一些城市内的气温要高于郊区1-3℃。研究显示，规模越大、密度越大的城市，城市与郊区之间的温差就越大[39-40]。由于热岛效应的影响，城市夏季空调的能耗显著高于郊区，同时城市冬季的供热能耗要稍低一些。
城市空间形态从多方面影响城市热岛效应。低密度蔓延式城市区域的热源相对分散，但却产生了更多的机动车燃料热源[41]。而大地块的房屋需侵占更多的绿地，造成不透水表面积的增加，从而增强城市的热岛效应[12]。而城市热岛效应的增强能显著提高城市夏季空调的能耗，提升了城市碳排放。因此，城市空间形态能够影响因城市热岛产生的碳排放。
3.5 城市空间形态对碳排放的综合作用
由于城市空间形态能够影响多个城市要素进而影响城市碳排放，其对城市碳排放的综合作用也开始引起学者们的重视。格雷泽和凯恩(Glaeser & Kahn)通过计算全美66个大都市区人口与能耗(汽油、公共交通用能、家用燃料及电力使用的总和)的关系，证明城市增长会导致更高的碳排放水平，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碳排放量低于郊区[9]，[19]。芬兰的研究表明，赫尔辛基如果采取紧凑的城市发展方式可以在城市交通、区域集中供热方面节省能源，从而在2010年减排近35%[3]。泼马纳(Permana)等人通过问卷调查的方式研究了万隆市的三种城市形态与能源消耗的关系，表明相对于市中心，规划的卫星城和城市蔓延区的能耗水平更高[42]。相关研究多是根据现有技术条件及现实情况分析城市空间形态与能耗的关系，而石井慧(Satoshi Ishii)的研究则将太阳能电力(PV)等新技术在未来的可能应用与城市空间形态相结合，探讨何种城市空间形态在新技术条件下能耗水平更低[43]。
与其他发展中国家的相关研究类似，我国相关研究多集中在城市化与能源消耗的关系[6-7],[24]上，城市空间形态、城市规划与能源消耗关系的研究还在理论探讨阶段[16],[44-45]。虽然国内的相关研究还在理论探讨阶段，但国内学者已经认识到城市空间形态与碳排放关系研究的重要性，如潘海啸等基于低碳发展观，从区域规划、城市总体规划和详细规划三个层次分析了规划编制方法和技术标准，并结合实例指出城市空间规划中普遍存在的问题，在城市交通与土地使用、密度控制和功能混合方面提出改进规划编制的建议[45-46]。李迅等人预测了2050年前中国城市的能源消耗量，并提出了引导低碳生态城市发展的系统性策略[47]。
4 结论与展望
4.1 国内外相关研究的主要特征
综合起来，现阶段国内外城市空间形态与碳排放关系研究主要有以下特征：
(1)城市化与能源消耗、碳排放关系的研究在国内外都较多，方法成熟、结论基本一致；
(2)城市空间形态与碳排放关系的研究在欧美已渐成热点，但在包括我国在内的发展中国家尚处起步阶段；
(3)欧美城市空间形态与碳排放关系的研究中开始注重以指数形式对城市空间形态进行量化，从而增强空间形态与碳排放量的可比性；
(4)国内低碳城市规划等应用研究已开始借鉴欧美相应研究成果来支撑其实际工作，但定量的基础研究仍不多见。
4.2 国内城市空间形态与碳排放关系研究展望
从国内经济发展和城市化的速度看，未来城市居民相关的碳排放一定会成为碳排放组成的核心，城市低碳空间形态的研究能够为我国快速增长的城市及城市人口做好低碳发展的准备。虽然国内低碳城市规划实践的需求紧迫，部分学者也将发达国家的相应研究成果直接用在国内的实践工作中。但从本质上说，国内碳排放源头和城市空间形态均与发达国家有较大差异，相应研究需经过国内的检验才能保证其正确性。
4.2.1 城市化背景造就不同的城市空间形态
从时间上讲，发达国家的城市化起始于工业革命，战后的大规模城市化进程塑造了发达国家大部分城市的基本空间形态。其后，这些城市虽经历了郊区化等过程，但拥有城市中心，城市地价符合竞租曲线等是发达国家城市的基本城市形态[48]。与发达国家不同，我国大规模的城市化伴随着全球化与全球生产分工的兴起，东南沿海的部分城市在20多年内从农村发展成为城市，很多不具备单中心城市的空间形态特征。
从横向的分工关系上讲，全球经济一体化与全球生产分工使得全球城市出现碎化城市化(splintering urbanism)的现象[49]，将同一时间断面的城市塑造成不同形态。比如，全球分工下既有世界城市及金融和贸易服务业飞地(曼哈顿、伦敦城等)，又有为外商直接投资(FDI)的制造业而设置的地区[48]。也就是说，由于全球生产分工的不同，国内城市形态与发达国家有着根本差异。
4.2.2 空间计量证明国内城市与发达国家有较大差异
黄经南应用统一的城市形态度量指数对亚洲、欧洲、北美、拉美和澳洲的77个城市的空间形态进行了测度，并展开了对比研究，发现发展中国家的城市形态与发达国家有着显著差异[50]。
研究结果显示，除中心性(centrality)外，发展中国家其他空间指标都与发达国家显著不同(95%的置信区间)。总体上说，发展中国家的城市更偏向少的复合(complex)，多的紧凑(compact)，少的多孔性(least porous)以及很高的密度，而发达国家的城市形态正好相反。若将77个城市分成北美、欧洲、澳洲三个发达地区及亚洲和拉美两个发展中地区。则亚洲城市人口密度最高，其次是拉美，这两个地区也是最紧凑的。同时，这两区域的中心性(centrality)较低，密度最高的亚洲的中心性是最低的。而相对于美国，欧洲和日本的城市有着适中的密度(density)。
无论是城市化背景的定性分析还是定量的计量分析，都证明国内城市空间形态与发达国家有较大差异，因此欧美城市空间形态与碳排放关系研究的结论难以在国内简单套用。依据国内的实际情况开展城市空间形态与碳排放关系的定量研究对于指导国内低碳城市规划，丰富与发展相关领域在发展中国家的应用有着非常重要的作用，城市空间形态与碳排放关系的定量研究也将成为低碳城市、低碳城市规划研究的基础性工作与研究热点。