揭示城市碎片化对转型中大都市地区碳排放的非线性和交互效应

本研究提出新框架评估城市破碎化对碳排放的非线性及交互影响，以武汉都市圈为例。发现形态、连接性和功能性破碎化均与碳排放正相关，组合效应显著提升解释力，为低碳转型提供依据。

余佩恒|邓向正|陈友林|李卓玲

中国科学院地理科学与自然资源研究院，北京，100101，中国

摘要

低碳建筑环境在实现城市可持续性方面的重要作用已得到广泛认可。尽管在气候变化研究中人们对城市形态的兴趣日益增加，但对城市碎片化对碳排放的非线性影响的定量评估仍然有限。因此，本文提出了一种新的框架来研究城市碎片化与碳排放之间的非线性和交互关系。由于武汉大都市区独特的城市发展、建筑环境和能源消耗情况，被选为低碳转型的代表案例。通过形态、连接性和功能性形式来评估城市碎片化，捕捉各种空间特征。研究结果表明，高度碎片化的区域通常对应于城市边缘地带，这些地区以社区分散、工业集群和严重的功能冲突为特征。碳排放表现出明显的空间聚集性，中心城区和城市边缘地带的总碳排放量相似，但工业排放水平有显著差异。在城市碎片化形式、生态密度以及社会经济变量（如GDP密度和人口密度）之间观察到复杂的相互依赖关系。具体而言，城市碎片化的形态、连接性和功能性形式都与碳排放呈正相关。变量之间的组合（二元和非线性）相互作用显著增强了碳排放的解释力，揭示了城市形态、社会经济活动和生态配置的协同影响。这些结果为引导大都市区的低碳转型提供了基于证据的见解。

引言

快速的城市化加剧了全球空间模式的碎片化，尤其是在亚洲、非洲和拉丁美洲的发展中地区（Muñiz和Rojas，2019；Chakwizira，2020；W. Chen等人，2023），这些地区的城市景观正在发生快速变化。城市碎片化表现为不连续的土地开发、碎片化的功能分区和不均衡的基础设施供应，尽管其具体形式因地区而异。这种城市碎片化的现象特点是计划性和非计划性定居点的共存，形成了“连续不连续”的空间结构（Balbo，1993）。它是由不可持续和无序的土地利用方式驱动的，其特征是城市土地利用的不连续性、分散性和分割（Lemoine-Rodríguez等人，2020）。与相关概念（如通常指低密度向外扩张的城市蔓延或多中心性，强调多个功能中心的存在）不同，城市碎片化突出了城市斑块之间形态连续性、网络连通性和功能整合的同时破坏，无论发展密度或增长方向如何（Chen等人，2023；Chen等人，2023）。在不同地区，城市碎片化还受到土地和住房政策、主导的经济发展轨迹（例如工业或服务驱动的增长）以及关于居住模式和流动性的社会文化偏好的影响。值得注意的是，城市碎片化的空间表现在中心城区（通常以功能集中、高人口密度和发达的交通基础设施为特征）和城市边缘地带（倾向于表现出非正式蔓延和投机性开发）之间可能存在显著差异（Yeh和Li，2001；Korah等人，2019）。城市碎片化的加剧可能导致景观破碎、污染加剧、通勤拥堵和生态系统服务退化（Cárdenas Rodríguez等人，2016），这对实现联合国可持续发展目标（SDGs）构成了重大挑战。这些目标包括但不限于SDG 3（良好健康与福祉）、SDG 8（体面工作与经济增长）和SDG 11（可持续城市和社区）。因此，迫切需要更详细地研究城市碎片化模式，以解决这些紧迫问题并促进联合国SDGs的实施。

在加速工业化和全球城市化的时代，不合理的城市形态和不受控制的资源消耗导致了大量的温室气体排放，阻碍了社会经济发展（Cao等人，2024）。低碳转型的必要性已在全球范围内得到重视，特别是各国寻求应对气候风险和实现可持续发展时（Nawaz和Satterfield，2024）。低碳转型被理解为一种系统性转型过程，其特征是通过提高能源效率、优化城市空间结构和调整工业及功能布局来减少碳排放强度和总排放量（Wei等人，2021）。这种转型需要密切关注排放模式的空间异质性，因为由于土地利用、工业结构和人口密度的差异，不同城市功能区之间存在显著差异。例如，在住宅区，生活水平的提高和生活方式的改变导致建筑能源使用和家庭消费的碳排放增加（Ji等人，2022）。第二产业区集中了许多高能耗产业，其碳排放强度通常高于其他功能区（Edelenbosch等人，2023）。第三产业区由于人口密集和频繁的商业活动，也因能源消耗而显著贡献于碳排放（Creutzig等人，2022）。此外，作为城市生活的重要组成部分，交通对碳排放也有显著贡献，尤其是在交通拥堵和出行方式选择方面（Ridhosari和Rahman，2020；Wu等人，2022）。这种空间异质性不仅影响城市碳排放的总体水平，还对可持续发展和环境管理构成挑战。因此，准确估计城市功能区内的碳排放及其空间分布，并制定有针对性的政策以促进区域间的协同管理和低碳转型至关重要。

城市碎片化与碳排放之间的关系已成为一个关键的研究前沿，特别是在全球城市化加速和气候挑战加剧的背景下。这一空间现象通过破坏有效的资源分配、改变交通层级和重塑能源消费模式，从根本上重新配置了城市代谢过程（Shu等人，2018）。住宅区面临着生活水平提高导致能源需求上升的双重压力，而由于城市碎片化导致的低密度蔓延通过依赖汽车的生活方式加剧了排放（Zuo等人，2020）。在第二产业区，碎片化的城市形态通过分散的生产集群扩大了能源密集型供应链，从而加剧了碳排放强度（Falahatkar和Rezaei，2020）。第三产业区由于城市形态的碎片化，通过重复的基础设施网络和分散的服务设施中的次优能源性能也增加了碳排放（Frank和Pivo，1994）。此外，在碎片化的城市中，住宅区、第二产业区和第三产业区之间的距离趋于增加，这鼓励了更多依赖私人车辆进行通勤和运输（Grasst，2023）。这不仅导致更高的燃料消耗，还增加了交通拥堵，这两者都加剧了碳排放。更重要的是，城市碎片化的碳影响在中心城区和城市边缘地带可能有不同的机制（Xia等人，2017）。鉴于城市碎片化同时在形态、连接性和功能维度上表现出来，它们的共同存在可能通过重叠和相互强化的机制加剧碳排放，而不仅仅是孤立效应。这些关系可能遵循非线性动态，当城市碎片化达到临界水平时可能发生交互效应（Song等人，2020）。因此，理解城市碎片化与碳排放之间的这些复杂关系对于制定有效的空间规划和有针对性的气候政策以实现可持续的城市转型至关重要。

鉴于上述情况，本文旨在探讨正在进行低碳转型的都市区中城市碎片化对碳排放的影响。更具体地说，本研究的目标是：（i）提出一个综合框架，通过多种指标来评估城市碎片化；（ii）通过提出的经济-能源综合指数模拟城市功能区内碳排放的精细空间分布；（iii）研究城市碎片化与碳排放之间的非线性和交互效应。通过共同引入多维城市碎片化指数和高分辨率碳排放模拟方法，本研究提供了关于非线性和交互式碎片化-排放关系的实证证据，以支持低碳城市规划。

部分摘录

城市碎片化的概念化

为了更好地理解城市系统内的空间动态，有必要对城市碎片化进行概念化。尽管在城市研究中经常提到碎片化，但这一概念在理论和实证理解方面仍然不够成熟。虽然各种术语可能具有共同的认识论基础，但它们在含义和解释上存在差异，例如极化城市、双重城市、断开的城市、非法城市和合法城市、分割的城市等

方法论框架

方法论程序包括以下步骤（图1）。首先，我们概念化碎片化的形态、连接性和功能性形式，并通过平均街区面积指数（MBAI）、空间接触障碍指数（SCBI）和邻接冲突指数（ACI）来量化城市碎片化的程度。其次，我们通过整合夜光数据和电力消耗数据提出了一个经济-能源综合指数，然后使用该指数来模拟精细的空间分布

城市碎片化的空间分布

武汉大都市区在城市碎片化方面表现出复杂的空间异质性（图3）。具体而言，MBAI值从中心城区（0.011）逐渐增加到城市边缘地带（0.031）。MBAI值较低的地区主要位于中心城区，反映了高程度的土地开发和密集的道路网络。相比之下，城市边缘地带的MBAI值较高，这归因于较低的土地成本和众多的生态设施

城市形态、社会经济压力和生态背景在塑造碳排放中的协同机制

本研究的结果既加强了又推进了人们对城市碎片化与碳排放之间关系的现有理解，提供了更细致和基于实证的解释。先前的研究广泛承认了碎片化城市形态与碳排放增加之间的正相关关系（Ou等人，2013；Yu等人，2023）。我们的发现证实了这一总体趋势，并进一步阐明了碎片化如何以非线性方式相互作用

结论

本研究提出了一种创新的方法论框架，用于研究城市碎片化与碳排放之间的非线性和交互效应。基于这一框架，本研究提供了关于大都市区有效低碳转型的独特见解。研究结果如下。

武汉大都市区的城市碎片化程度显示出明显的空间异质性，城市边缘地带在形态、连接性和

CRediT作者贡献声明

余佩恒：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。邓向正：撰写——原始草稿、验证、监督、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化。陈友林：可视化、验证、软件、资源、正式分析。李卓玲：可视化、验证、方法论

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国博士后科学基金会（2025M770365）和国家博士后人才引进计划的支持。