土地利用碳排放对城市扩张的响应——来自中国11个人口超过1000万的超大城市的证据

　　超大城市代表了城市发展的高级阶段，扩张引发的碳债务增加了环境压力。本研究考察了超大城市的碳储量变化对城市扩张的空间响应。基于2000—2020年11个中国超大城市土地利用/土地覆盖（LULC）数据，研究人员采用同心圆环分析和空间探索性方法，量化了城市扩张强度和

　　超大城市代表了城市发展的高级阶段，扩张引发的碳债务增加了环境压力。本研究考察了超大城市的碳储量变化对城市扩张的空间响应。基于2000—2020年11个中国超大城市土地利用/土地覆盖（LULC）数据，研究人员采用同心圆环分析和空间探索性方法，量化了城市扩张强度和碳储量变化，并推断阶段性转换特征。结果表明：（1）城市扩张强度随时间下降，增长模式从快速的边缘或填充扩张转向智慧增长导向的发展；（2）碳预算波动减弱，排放模式向改善的碳平衡和增强的碳汇效应演变，北京和天津成为局部碳汇；（3）土地利用/覆盖变化（LUCC）的碳效应表现出从快速扩张-密集排放向缓慢扩张-适度排放的阶段性转变，政策干预重塑了这种关系。超大城市扩张的碳效应是阶段性而非线性的，政策干预可以在经济成熟之前改变这种关系，为发展中国家背景下的低碳规划提供指导。

　　**论文解读：中国超大城市扩张过程中土地利用碳排放的阶段性响应机制**

　　全球变暖及其相关的环境后果已成为21世纪可持续发展的重大挑战。土地利用变化被广泛认为是碳排放的重要驱动因素，因为它改变了陆地生态系统中碳源与碳汇之间的平衡。1970—2017年间，土地利用变化贡献了全球约27%的人为温室气体排放，这一贡献主要由快速城市扩张和农业发展驱动。由于粮食生产需求不断增长，限制农业活动不太可能成为有效的碳减排途径。相比之下，城市扩张可以通过土地利用规划和管理进行调控。因此，理解不同城市扩张模式如何影响生态系统碳储量，对于制定有效的碳减排策略至关重要。

　　超大城市代表城市发展的高级阶段，其扩张引发的碳债务增加了环境压力。截至2022年，全球超大城市数量已达83个，并随着发展中国家持续城市化而预计进一步增加。人口和经济活动在超大城市的集中加剧了城市热极端、空气污染和水资源压力等一系列环境挑战。城市扩张还与生态系统碳储量变化密切相关。自然和半自然土地转换为建设用地减少了植被覆盖和生态系统碳汇能力，导致大量碳储量损失。这种效应在快速扩张的超大城市和城市群中尤为明显，大规模的土地利用/覆盖变化（LUCC）产生了可观的碳赤字。然而，现有研究主要在国家级、省级、城市群或城市尺度上分析城市化与碳的关系，将每个城市视为单一分析单元，未能捕捉超大城市内部不同城市化梯度下碳响应的空间异质性。尽管已有研究评估了个别超大城市的碳预算和碳中和路径，但很少有研究系统调查城市发展阶段中超大城市内部LUCC诱导的碳储量变化。因此，本研究旨在揭示中国超大城市扩张过程中LUCC的碳储量后果，为基于土地利用的碳管理和适应不同发展阶段的低碳城市化策略提供依据。该论文发表在《Land》期刊。

　　研究人员采用以下关键技术方法：（1）同心圆环分析：以每个城市2000年建成区的几何中心为原点，向外生成50个1公里间隔的同心圆环，用于刻画城市扩张的空间模式。（2）土地利用碳排放（LUCE）测算：结合植被碳密度和土壤有机碳（SOC）密度系数，通过土地利用转移矩阵量化LUCC引起的碳储量变化。（3）城市化强度指数（UIIU8国际平台官网）：计算每个圆环内建成区面积的标准化年增长率，表征扩张强度。（4）双变量空间自相关分析：利用GeoDa软件计算全局和局部Morans I，评估UII与LUCE之间的空间关联及阶段性转换。数据来源为中国科学院资源环境科学数据中心提供的2000、2010、2020年30米分辨率LULC数据，研究涉及11个2020年人口超过1000万的中国超大城市。

　　通过同心圆环分析和UII量化，发现所有11个超大城市在2000—2010年（T1）期间快速扩张，峰值UII集中在第1—25环，以填充式扩张为主；而在2010—2020年（T2）期间，UII显著下降（普遍低于1），表明扩张从快速边缘或填充扩张转向智慧增长导向的发展，核心区土地潜力减弱，外围增长增加。整体上，中国超大城市经历了从快速扩张到适度增长的明显转变，主导模式从大规模填充演变为填充、边缘扩展和蛙跳开发的多样化组合。

　　基于LUCE的幅度和空间集中度，将11个超大城市分为三类：I型城市（上海、重庆、成都、武汉、杭州）碳损失较低（200 tC/ha），碳预算不平衡；III型城市（天津、西安）高碳损失集中在核心圆环，外围相对平衡。T1期间LUCE变化范围-491.85至561.1 tC/ha，T2期间显著下降（-204.04至212.82 tC/ha），部分城市出现碳增益，北京和天津成为局部碳汇。整个研究期（TA）碳支出模式反映了T1和T2动态的综合效应，LUCE动态具有强阶段依赖性和空间异质性。

　　全局Morans I显示，TA和T1期间UII与LUCE之间存在强协同关系（相关系数最高0.952），而T2期间所有城市相关系数显著下降，上海、北京、深圳等7个城市转为权衡关系，表明扩张与碳损失逐渐脱钩。局部Morans I（LISA）揭示了核心-外围分异：内环（1-10环）以低-低（L-L）簇为主，显示扩张潜力有限、碳损失较低；中环（11-20环）广泛出现高-高（H-H）簇，代表扩张和碳支出的主要前沿；外环（41-50环）多出现权衡关系（低-高或高-低簇），表明外围扩张的人为活动强度与扩张不完全同步。T2相比T1，多数城市从协同转向权衡，体现了新兴的脱钩效应。

　　通过结合UII和LUCE状态分类，T1期间多数城市处于快速扩张-适度排放象限，而北京、深圳、东莞处于快速扩张-密集排放象限。T2期间所有城市UII大幅下降，转入缓慢扩张范围，LUCE响应分叉：天津和北京呈现缓慢扩张-碳吸收，多数城市仍为缓慢扩张-适度排放。这表明中国超大城市从快速扩张伴随中高排放转向较慢扩张伴随较低排放甚至碳吸收，政策干预（如北京-天津-河北协同发展规划、平原造林工程）重塑了这种关系。

　　**讨论部分**：城市扩张通过扩张模式、发展阶段和政策干预影响LUCC碳效应。T1时期快速扩张导致大量农田和生态用地转为建设用地，造成显著碳损失并与扩张强度强耦合；随着城市成熟，扩张放缓，碳成本下降，耦合减弱。三种城市类型（I、II、III型）的差异源于地理条件、经济结构和政策背景。政策干预（如北京首钢搬迁、平原造林，天津湿地恢复）显著改变了扩张-碳关系，使城市从碳源转向部分碳汇。研究局限性包括：同心圆环方法假设均匀向外扩张，未充分考虑多中心城市和方向性约束；碳估算采用静态碳密度值，未考虑森林成熟、气候变化等动态因素，且仅涵盖LUCC效应，不包括化石燃料燃烧排放；11个超大城市均位于中国，受快速城市化和“双碳”政策背景影响，阶段性模式可能与其他国家不同。未来研究可采用多中心或加权中心方法结合高分辨率网格数据，整合化石燃料排放分析，并扩展到其他国家超大城市和中等城市。

　　**研究结论**：本研究利用同心圆环分析和空间探索性数据分析（ESDA），考察了2000—2020年中国11个超大城市扩张强度与LUCE之间的空间响应关系。主要发现如下：（1）扩张强度下降，增长模式从快速填充或边缘扩张转向智慧增长导向的发展，核心区土地潜力减弱，外围增长增加。（2）碳预算缓和，城市从平衡、不平衡或核心-外围分异排放向整体改善演变，北京和天津的增强碳汇能力促进了长期平衡。（3）LUCC的碳效应表现出从快速扩张-密集排放到缓慢扩张-适度排放的阶段性转变。超大城市扩张的碳效应是阶段依赖而非线性的，政策干预可以在经济成熟之前改变这种关系，为发展中国家背景下的低碳规划提供指导。