解析空间方向性规律对城市扩张形态和碳排放的影响

《Sustainable Cities and Society》：Unpacking the law of spatial directionality on urban expansion morphology and carbon emissions

城市扩张方向与形态对碳排放的影响研究，基于中国90城850县建筑footprint数据，揭示延伸型扩张显著影响城市级碳排放，而蔓延效应在县级层面更突出，多中心结构与人口规模呈线性碳关联，空间锁定效应存在临界阈值，需综合密度、形态与扩张方向制定低碳规划。

　　城市形态与碳排放之间的关系一直是城市可持续发展研究中的重要议题。随着全球气候变化问题日益严峻，城市作为碳排放的主要来源之一，其发展模式对环境的影响也愈发受到关注。当前，许多研究集中于城市形态如何影响碳排放，尤其是通过空间结构的变化来调控能源使用、交通模式以及社会活动的分布。然而，大多数研究往往局限于对城市形态静态特征的分析，忽视了城市扩张方向性的动态变化。本文旨在填补这一研究空白，通过分析中国90个城市和850个县的建筑足迹数据，探讨城市形态与碳排放之间的复杂关系，特别是城市扩张的方向性如何影响碳排放的长期锁定效应。

研究发现，从2000年到2018年，中国城市建成区的扩张主要表现为线性扩展，而非传统的蔓延式增长。线性扩展指的是城市沿着主要轴线进行有序、集中的增长，而蔓延式增长则表现为分散、多方向的扩张模式。这种扩张方向性的差异在不同尺度上表现各异，例如在城市层面，线性扩展对碳排放的影响显著，而在县层面，蔓延式增长的贡献更为突出。此外，研究还揭示了一个阈值效应：适度的城市距离有助于减少碳排放，而过长的城市距离则可能加剧碳排放。这一发现表明，城市形态的方向性不仅是影响碳排放的重要因素，而且是长期碳锁定效应的关键机制。

城市形态可以被理解为城市化区域中固定元素的空间配置，包括建筑布局、交通网络和开放空间的安排。它不仅反映了人类活动的空间分布，还代表了城市长期增长的轨迹和演化过程。因此，城市形态既是社会经济过程的物理结果，也是未来城市发展路径的结构决定因素。它在土地利用、基础设施组织和资源分配与消耗方面起着中介作用。此外，城市形态还体现了规划决策、技术体制和制度约束的累积印记，从而将物质环境与能源使用、交通流动和社会互动模式联系在一起。因此，城市形态的变化直接影响碳排放的规模和强度，因为城市空间结构塑造了土地利用效率、基础设施供给和人类行为的多尺度表现。

从城市层面来看，城市形态对碳排放的影响主要体现在交通方式和建筑能耗上。更紧凑的城市形态使公共交通更加便捷，缩短了出行距离，从而减少了车辆排放。例如，在高密度的城市区域，从居住地到工作地、购物地等目的地的距离较短，且低碳出行方式（如步行、骑行和公共交通）更为普遍。在建筑层面，紧凑的布局可以提高建筑的加热和冷却效率，减少单位体积建筑的暴露表面积，从而降低建筑能耗需求。同时，紧凑的建筑布局还可能通过改变局部微气候，如风向、遮阳和城市热岛效应，影响季节性的能源使用模式。例如，在社区尺度上，住宅建筑的空间布局显著影响供暖和制冷需求，紧凑的布局比蔓延的郊区设计或现代高层和板式建筑更具节能优势。

然而，城市形态对碳排放的影响并非单一维度。除了直接的能源消耗，城市形态还可能通过非排放机制影响碳浓度，如城市热岛效应和人类活动模式。在某些情况下，过度紧凑的城市布局如果没有足够的公共服务设施，可能会加剧环境压力，提高局部的制冷需求，并影响社会公平。相反，蔓延式的城市扩张往往降低土地利用效率，破坏生态功能，从而减少城市生态系统对碳的固存能力。因此，城市形态的影响机制是双重的：它同时调控碳排放的来源（通过人类活动强度）和碳排放的汇（通过土地覆盖和生态完整性）。这些结构性效应的持续存在解释了为什么城市形态对碳排放具有长期的“锁定”影响。

在研究方法上，以往的研究主要依赖于土地利用空间数据和景观格局指数来量化城市形态特征。然而，这种方法在捕捉城市建成环境的结构细节和空间扩展的具体轨迹（如形状曲率和方向变化）方面存在局限。此外，目前尚无研究系统地探讨城市形态特征与碳排放之间的功能关系，特别是在宏观尺度上使用高分辨率的建筑级数据。这一研究空白凸显了需要整合宏观尺度城市形态与建筑级数据的必要性，以揭示不同城市背景下的碳排放动态变化。基于城市空间扩展的动态过程，我们定义了城市扩张的方向性惯性，即城市在当前国家空间规划的指导下，向经济集聚和人口密集的区域扩展。为了更好地理解城市形态与碳排放之间的相互作用，我们提出了一种框架，该框架考虑了过去、现在和未来的时间尺度场景。这一框架分析了不同尺度下的城市化进程，考虑了宏观和局部层面的多维影响和干扰。这些动态变化可能表现出显著的非线性效应，有助于全面理解塑造城市环境及其碳足迹的空间和时间互动。

本文的研究区域涵盖了中国所有省会城市和重要行政中心，这些城市在地理分布、经济和政治地位以及自然条件方面具有多样性，能够代表全国40%的人口，为研究提供了广泛的视角。通过分析这些城市的建筑足迹数据，我们能够更全面地了解城市形态的变化趋势及其对碳排放的影响。此外，我们还探讨了不同城市规模、人口规模和地理区位对城市形态与碳排放关系的影响，发现这些因素在不同尺度上对碳排放的调控作用存在差异。

研究结果表明，城市形态与碳排放之间的关系呈现出非线性特征。在宏观尺度上，城市形态指数（如城市形态和建筑足迹指数）与碳排放之间存在次线性关系，而聚中性（polycentricity）和人口规模则与碳排放之间呈现线性关系。这一发现意味着，城市形态的变化对碳排放的影响并非简单的正比关系，而是随着城市结构的复杂性而变化。例如，随着城市形态的多样化，碳排放的调控机制变得更加复杂，需要综合考虑多个因素。此外，研究还发现，城市形态的方向性对碳排放的影响存在显著差异。在城市层面，线性扩展对碳排放的影响更为显著，而在县层面，蔓延式增长的贡献更为突出。

为了进一步探讨城市形态与碳排放之间的关系，我们采用了多尺度时空地理加权回归分析，结合了城市形态特征和碳排放数据，以揭示其内在联系。这一方法能够捕捉城市形态在不同时间和空间尺度上的变化趋势，并分析其对碳排放的影响机制。此外，我们还探讨了城市形态与碳排放之间的非线性关系，以及空间锁定效应如何影响碳排放的长期轨迹。研究结果表明，城市形态的方向性不仅影响碳排放的规模，还可能通过改变土地利用模式、交通流动和人类行为，影响碳排放的效率和效果。

综上所述，城市形态作为城市空间扩展的重要组成部分，对碳排放的影响具有多维性和复杂性。通过分析中国90个城市和850个县的建筑足迹数据，我们发现城市扩张的方向性对碳排放的长期锁定效应具有显著影响。这一发现不仅丰富了城市形态与碳排放关系的理论框架，还为制定有效的低碳空间规划提供了实证依据。未来的研究应进一步关注城市形态的动态变化，以及其对碳排放的多尺度影响，以实现更全面的可持续城市发展目标。