城市扩张形态与碳排放的空间方向性规律解析

       气候变化的主要原因在于人类活动产生的温室气体排放，这也给城市发展过程及其演化动态带来了显著的不确定性。当前，城市贡献了全球约 70% 的碳排放，是气候变化的核心驱动因子之一。随着城市化进程不断加快，气候变暖问题日益严峻，全球亟需通过有效减排路径减少人为碳排放，以应对其对社会经济可持续发展的显著与潜在威胁。现有研究主要聚焦于宏观层面量化城市化、人类活动与碳排放之间的关系，比如通过解析碳源、碳汇以及碳排放预算来识别其归因机制与影响路径。这些研究已经明确指出，城市层面的碳排放主要来源于交通、建筑能耗、电力消费以及废弃物和工业活动等直接和间接因素。因此，有效降低城市碳排放已成为全球城市发展的共同目标。

       作为多层次、多元系统交织的复杂社会经济实体，城市需要从人口结构产业构成、能源结构、基础设施以及土地利用等多维视角展开跨学科的综合分析，才能深入理解城市化进程对碳排放的影响机制。在此背景下，越来越多的研究指出城市形态作为城市空间结构的重要组成部分，亦对碳排放具有显著的调节作用。城市物理形态不仅决定了建筑、道路和开敞空间等固定要素的空间分布，也决定了资源流动、人类活动和能耗模式的组织方式。在碳排放轨迹的时空路径中，城市形态在物质流、能量流、信息流和人口流动等方面可能产生“空间锁定效应”（spatial lock-in），从而潜在制约碳减排行动或政策路径的可达性和灵活性。因此，本研究认为城市形态的碳排放影响机制可被视为城市系统在宏观空间结构上对碳通量的一种长期结构性约束（空间效应）。

       尽管已有研究从城市密度、多中心结构和建筑布局等角度初步探讨了城市形态与碳排放之间的关系，但当前研究普遍存在以下不足：（1）缺乏对城市扩张“方向性”的系统性关注，即城市是沿主轴延伸增长（elongation）还是多向性无序蔓延（sprawl）；（2）对不同行政级尺度（城市 vs. 县域）上空间形态变化与碳排放的耦合机制未充分探讨；（3）研究方法多采用基于土地利用的静态度量指标，缺乏建筑、地块等微观动态过程识别与多源大数据整合。

       为解决上述研究不足，本研究引入“空间方向性”（spatial directionality）概念，重点识别城市扩张中延伸式增长与蔓延式增长的碳排放效应及其异质性。我们基于高分辨率建筑足迹数据，构建并计算了一系列城市形态指标（如延展度、蔓延度、碎片化指数、多中心性等），并结合城市尺度律（scaling laws）和地理加权回归模型（GTWR、MGWR），在全国 90 个城市和 850 个县域范围内，系统分析了城市形态对碳排放的非线性影响、尺度差异与空间异质性。研究旨在：（1）提出并验证“方向性扩张锁定效应”理论；（2）识别碳减排最优城市形态区间（建筑指标）（如“适度延展”、“适中距离”）；（3）为实现碳达峰与碳中和目标提供基于空间形态规划和干预的空间治理策略。

研究结果与重点讨论

       实施紧凑型城市的空间规划措施，需要审视最具碳排放效率的城市形态。然而，过去关于城市形态指标的研究主要聚焦于形态格局模式，而忽视了城市扩张的空间方向性。研究结果显示，2000 至 2018 年间，中国城市建成区的扩张主要表现为延伸式增长而非蔓延式扩张。以建筑间距为代表的“城市平均距离”增长加快（上升 94.6%），但 2010 年后显著放缓（仅增长 9.22%），全国范围内呈现持续的多中心化发展趋势，表明城市空间结构正在由集中趋于多核、复合和方向性增强的扩张形态。城市形状指数与建筑占地指数相对于碳排放呈次线性缩放关系，而多中心性和人口规模则呈线性关系。城市平均距离同样表现出次线性缩放特征。研究发现，在城市尺度上，延伸性对碳排放有显著影响；而地理与时间加权回归（GTWR）和多尺度地理加权回归（MGWR）分析结果表明，在县域尺度上，蔓延对碳排放的影响更为显著。

图 8 自然对数归一化数据与城市尺度（a/b）及县域尺度（c/d/e/f）之间的线性回归分析。(a)、(b) 和 (c) 为城市平均距离 UDI；(d)、(e) 和 (f) 为建筑物平均实际距离 Di。(a)、(b)、(d) 和 (e) 显示普通线性回归分析结果，而 (c) 和 (f) 显示分段回归分析结果。

       在碳排放影响的形态学机制上，城市扩张形态的空间方向性在不同空间尺度下表现出显著的分化效应。比如在城市尺度，延伸性（Elongation Index, Ei）为主要驱动因素，呈现出显著的超线性放大作用，对碳排放的解释力达到94%；而在县域尺度上，蔓延性（Sprawl Index, Si）成为影响更显著的变量。多尺度地理加权回归（MGWR、GTWR）结果进一步证实了形态变量在不同尺度下的权重差异，反映出尺度敏感性与地理异质性共存的形态与排放相互影响的特征关系。

       此外，进一步分析表明，城市形态与碳排放之间存在非线性阈值响应关系：适度的城市建筑距离有助于降低排放，而过大的距离则会加剧排放。建筑平均距离（UDI）与碳排放总体呈次线性缩放，当 UDI 处于2.8~3.4之间时，碳排放效率最为优化，形成“最优形态区间”；超过该阈值后，碳排强度迅速上升，出现空间锁定效应（spatial carbon lock-in）.同时，幂律回归结果显示，建筑数量（Bi）、占地面积（Ai）、蔓延指数（Si）与碳排放呈次线性关系，而延伸性（Ei）则呈显著超线性关系。此外，人口规模与碳排放在城市尺度近似线性（β≈0.98），在县域尺度表现为强烈超线性（β≈1.85），揭示了城市空间结构与人口集聚联动下的多尺度排放放大机制。

图 9 不同尺度下 GTWR（a/b/c）和 MGWR（d）模型系数的空间分布格局。(a) 城市足迹指数。(b) 城市形状指数。(c) 城市多中心指数和人口指数。(d) MGWR 模型中解释变量及带宽统计的汇总。

       这些发现深化了对“空间方向性”这一关键但长期被忽视的城市形态维度的理论理解，尤其是它在塑造长期碳锁定效应中起着重要作用，本文的研究内容为理解城市形态的路径依赖性与非线性反馈机制提供了新的解释模型。所以，在我国城市更新背景下，面向未来城市低碳目标的实现应制定基于方向性或形态学空间指标与密度等规模指标协调的城市规划策略，在不同区域合理引导延伸性扩张、抑制低效蔓延，同时结合城市更新与多中心协调发展，实现差异化的低碳空间干预路径。

       同时，虽然本研究得出城市扩张的方向性导致形态分化，显著影响碳锁定效应的空间异质性等结论，然而，这些现象规律仍需要深入探讨，尤其是街区、地块等更细尺度上如何定量空间形态特征以表征城市空间结构的细微变化？形态学空间要素如何从消费端/需求端对人的衣食住行等人类活动方面产生深层次影响？如何耦合其他可持续发展目标（宜居、公平、正义、包容等）与低碳城市的权衡协同关系？最为重要的是，从规划实践上来看，我国城市发展已从规模扩张迈向存量提质增效新阶段，内涵式发展成为关键，如何彻底摒弃规模导向的路径依赖，建设创新、宜居、美丽、韧性、文明、智慧的现代化人民城市，我们认为论证“基于形态的空间规划（FBC，Form-based planning)”的可行性、有效性和社会经济、生态环境效应等是关键路径或规划手段之一。

       本研究由上海市城市设计与城市科学重点实验室联合华东师范大学、厦门大学、中国农业大学共同完成。本研究得到了上海市自然与健康基金会、上海市教育委员会（人工智能驱动的科研范式改革与学科发展赋能重点项目）、国家海外青年人才项目、上海高校特聘教授“东方学者”岗位计划、浦东新区“明珠计划”领军人才项目、上海市科技创新行动计划启明星项目扬帆专项、浦东新区博士后创新实践基地科研项目等支持。

文章引用

Li, C., Guan, C., Zhang, B., Ma, R., & Chen, X. (2025). Unpacking the law of spatial directionality on urban expansion morphology and carbon emissions. Sustainable Cities and Society, 106935. https://doi.org/10.1016/j.scs.2025.106935