城市化带来的土地利用变化和化石燃料消耗深刻改变了全球碳代谢循环系统,是引起全球气候变化和温室效应的重要因素。城市碳代谢因其高强度和复杂性,在全球碳循环过程中占有重要地位。快速城镇化是我国碳排放持续增长的重要驱动因素,作为全球第一碳排放大国,我国目前面临严峻的减排压力,如何协调经济增长与低碳发展的关系、促进减排目标实现、建设低碳城市是新型城镇化发展面临的重要问题。土地作为人类活动的承载体,城镇化进程中的能源消耗、产业结构、经济发展模式等人类活动与土地利用密切相关,合理的城市土地利用管控在减排方面具有显著作用。因此,基于土地利用视角开展城市碳代谢系统研究有利于从国土空间规划、产业调整、城镇布局等全方位引导城市低碳发展。目前关于碳代谢的研究主要集中在社会经济部门,缺乏对碳代谢过程和空间格局的分析,难以空间调控碳代谢的关键节点。另外,城市碳代谢研究以黑箱研究为主,多集中于碳排放和碳汇的核算,很少有研究打开这个黑箱来揭示碳元素在城市系统内部代谢的基本特征和运行机制。同时,由于缺乏市级层面的能源平衡表,我国碳代谢的研究尺度比较单一,主要集中在省级、全国尺度,缺少一个城市层面的多尺度的分析框架,不利于多层级基础政府协同推进碳减排和致力于打造低碳城市发展目标。鉴于此,本研究将土地利用与城市碳代谢有机结合,从宏观/微观两个尺度研究城市碳代谢过程及进行减排潜力的情景模拟,宏观尺度关注城市层面,微观尺度则以街道为研究单元。以杭州市为例,以揭示1995到2015宏观尺度城市土地利用碳排放、碳汇时空演变规律和2015年微观尺度城市居民出行碳排放为起点,在厘清城市土地利用变化的碳代谢机理基础上,通过构建“碳流”模型完整追踪碳元素在城市土地利用系统内部的流转过程和代谢系统的自我调节特征;然后,在剖析碳代谢过程中城市形态的重要作用基础上,通过计量模型量化宏观/微观尺度城市形态与碳排放之间的关系;最后,在考虑城市扩张模拟基础上,以国土空间规划末期2035年为本研究目标年,利用情景模拟预测宏观/微观尺度的减排潜力。本文的主要研究内容及成果如下:(一)宏观/微观尺度城市碳汇、碳排放时空分布特征:(1)宏观尺度建立了土地利用类型与不同碳排放项目的对应关系,以IPCC清单法、经验系数法核算了杭州1995-2015年不同土地利用类型碳汇、碳排放量的时空分布特征。结果表明:1995-2015年杭州碳排放从297.78×10~4tC增加到1601.6×10~4tC,总量增加了4.47倍,增加量主要来源于工业用地碳排放和道路交通用地碳排放。该期间碳汇呈轻微下降趋势,2015年碳汇总量比1995年下降了22.29%。该期间的碳汇量只能抵消同期0.66%的碳排放总量。空间分布上,高碳排放量从城市中心向东南、东部方向转移,高碳汇量呈现西北方向的集聚。(2)微观尺度碳汇核算依旧沿用经验系数法,碳排放关注道路交通用地的居民出行碳排放的核算,以出租车GPS数据为基础,结合居民出行模式问卷调查数据、机动车比功率模型和不同出行模式碳排放系数计算杭州典型工作日主要时间段(6:30-9:30、10:30-15:30、17:30-21:30和22:00-24:00)出行碳排放及其时空分布特征。结果表明:杭州典型工作日主要时间段居民出行碳排放总量为17819.12kg,早高峰6:30-9:30是居民出行碳排放的高峰期。高碳排放区域分布在主城区的东部、东南部以及西北部,高碳汇街道分布在西南部分。工作日主要时间段碳汇能抵消91.89%的出行碳排放,其中碳收支赤字最大的街道集中在主城区中心偏东区域。(二)宏观/微观城市碳代谢过程:(1)宏观尺度定量化追踪了1995-2015年期间土地利用类型转换引起的“碳流”,且利用生态网络效用分析方法构建互惠指数(M)全面评估了土地利用变化对于城市碳代谢的综合作用;以城市各用地规模类比生物体质量,基于Kleiber’s law生物新陈代谢定律利用面板模型建立了碳排放强度与建设用地规模之间的关系,讨论了城市碳代谢是否具有自我调节特征。结果表明:1995-2015年期间土地利用转换的消极“碳流”总量为积极“碳流”总量的6.5倍。近三分之二的消极“碳流”来自于耕地→工业用地的转换,积极“碳流”主要来自于工业用地→城镇其他建设用地的转换,该转换占积极“碳流”的70%。互惠指数(M)在整个研究期的平均值小于1,说明该研究期间土地利用变化加剧了城市碳代谢的紊乱。生物体自我调节特征类比研究结果表明杭州总碳排放强度与建设用地总规模符合Kleiber’s law,这说明城市内部土地城镇化较高区域相对来说更加低碳。(2)微观尺度关注居民出行碳排放强度与用地规模之间的关系是否符合Kleiber’s law,讨论土地城镇化与人口城镇化的协调关系对减排作用的影响,结果表明:居民出行碳排放强度与用地规模呈现近似线性关系,并不符合Kleiber’s law生物体代谢规律。但当增加人口密度这个控制变量后,居民出行碳排放强度与用地规模关系才符合Kleiber’s law。出行碳排放随着人口密度增加而下降,人口密度增加削减了用地规模扩张的增排效应。回归模型结果显示当土地城镇化与人口城镇化同步增长时,人口密度增长的减排效应能得到良好体现。但是当人口城市化速度远远低于土地城市化速度时,人口城镇化带来的减排效应会被土地城镇化的增排效果所抵消。(三)城市形态与城市碳排放的关系:(1)宏观尺度从城市土地利用景观格局、道路分布与城市形态耦合程度两个方面来描述城市形态,利用面板数据模型研究城市形态对碳排放的作用。结果表明:城市建设用地斑块增加引起碳排放的增加,但提高建设用地斑块的集聚程度有助于减少城市碳排放。城市道路布局与城市形态耦合程度越高,碳排放越低。建设用地最大斑块指数增加会导致碳排放的增加,这说明单核的城市扩张模式不利于减排。可见,紧凑且多核的城市扩张模式、与城市扩张方向耦合的道路分布有助于城市减排。(2)微观尺度结合多源数据从密度、多样性和道路特征三方面描述了街道层面的城市形态,利用多项式回归模型、地理加权回归模型探讨城市形态与居民出行碳排放的关系,结果表明:提高道路面积率和用地混合度,降低职住分离度能促进低碳出行和减排;城市用地混合度和道路面积率对出行碳排放的影响具有空间非平稳性,提高杭州主城区内环街道的用地混合度、主城区西南西北和东北的街道的道路面积率,可以有效促进减排。(四)2035年宏观/微观尺度城市减排情景模拟:以动态思维利用FLUS模型模拟了基准和创新天堂两种情景下2035年杭州城市土地利用空间格局,在此基础上,(1)宏观尺度对2035年杭州城市建设用地碳排放进行了情景模拟,分析对比了土地利用调控和减排措施的减排作用,其中前者包括城市扩张规模控制和用地结构调整,后者包括技术改革、绿色低碳出行等措施。结果表明:在基准惯性情景下,杭州2035年碳排放达到5.67×10~7t,是2015年的3.68倍。有效控制城市扩张规模、严格落实低碳土地利用方案和实施减排措施作用下,创新减排优化情景的2035年碳排放达到2.63×10~7t,比无任何调控的基准惯性情景减少了53.62%,且此时单位GDP碳排放达到目前世界发达国家的一般水平。可见,低碳城市土地利用方案与减排措施有机结合是实现低碳城市发展的必然途径。(2)微观尺度以2035年杭州城市土地利用空间格局模拟结果为基础,讨论城市扩张规模控制和城市形态优化下的减排作用。结果表明:在无任何调控的基准惯性情景下,2035年典型工作日主要时间段碳排放达到78404.13kg,是2015年的4.4倍。有效控制城市扩张速度和优化城市形态作用下,2035年该部分碳排放达到45260.56 kg,相比基准惯性情景减少了42.27%。可见,微观层面的城市土地利用调控方案减排效果明显。本研究一方面极大丰富了城市碳代谢理论研究体系,另一方面拓展了城市碳代谢的研究维度,宏观/微观相结合的研究为不同层级政府减排政策制订与实施提供了重要参考。