【规划年会】赵鹏军：基于碳中和的土地利用优化
导读
2021年9月29日，作为2020/2021中国城市规划年会暨2021中国城市规划学术季的重要活动之一，由中国城市规划学会城市生态规划学术委员会承办的专题会议十八“生态引领，创新发展”在线上成功举办。赵鹏军教授作了题为《基于碳中和的土地利用优化》的报告，主要对如何在可持续发展和“碳中和”目标下实现城市群地区的土地利用的总量、功能、强度、布局等系统化优化做了探究。
本文字数：5212字
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赵鹏军
学会小城镇规划学委会委员，北京大学城市规划与设计学院院长、教授
土地利用是国土空间规划编制和国土空间用途管制的重要内容之一，如何在可持续发展和“碳中和”目标下实现城市群地区的土地利用的总量、功能、强度、布局等系统化优化，是当前我国自然资源治理与国土空间规划的关键焦点。赵鹏军教授的报告对这个问题做了探究。该报告是赵鹏军教授与其博士后康婷婷博士正在做的研究工作的阶段成果，主要包括五个方面内容：第一，土地利用和碳循环之间的关系；第二，土地单要素的碳源/碳汇发生过程；第三，碳源/碳汇与其他系统要素的关系；第四，城市群地区的多目标土地优化策略；第五，问题与展望。
一
土地利用和碳循环之间的关系
土地利用的基本概念，对于不同行业、规划需求、时空尺度有所差异。但就碳中和背景下土地所参与的环境变化过程而言，其定义更符合“土地利用/覆被变化”研究计划的表达，即：土地利用是人类对土地自然属性的利用方式、目的和意图，是土地的经济和社会属性。土地利用是土地资源资产化和资本化过程的基础环节。
土地利用的具体内涵主要包括三个方面：第一是人类为经济社会目的对土地长期或者周期性经营的过程，该过程既受到自然的作用，又会受到经济、技术、社会条件的影响，同时还会受到国家宏观政策的约束。第二，土地利用牵涉特定区域内是复杂系统变化过程，是自然、经济、技术和社会条件共同影响的产物，碳中和下的土地利用同时不排斥对社会经济发展的考虑。第三，协调农林牧业发展、城市发展、生态保护等方面用地的利用与分配是个复杂的过程。自然资源部强调资源、资产到资本“三资”的过程，如果我们基于某种功能导向下的资产净值、竞价肯定会影响到在其他领域的表现。
国土空间规划是解决国土空间、自然资源和自然资产“三位一体”的过程，而土地最能体现空间属性、资源属性和资产属性。不同发展理念之下，我们可能对土地利用类型划分作出一定的调整，甚至允许混合用地或者某种中间状态用地的存在。另外，国土空间规划下的土地利用任务，不仅仅是空间分工、空间保障和空间优化，更是在重塑国土空间开发格局的基础上，实现对土地所承载的自然资源的高效利用与再分配，以及自然资源资产的保值增值。
土地利用跟碳循环之间的关系，陆地生态系统碳库与土地利用及其变化之间存在非常强的联系，主要体现在植被以及土壤碳在土地利用变化过程中可能产生碳源/碳汇。随着城市的建成区的扩张，土地利用排放占全球人为温室气体排放总量的27%，目前全球每年约排放401亿吨二氧化碳，其中86%源自化石燃料利用，14%由土地利用变化产生。土地利用碳排放的途径很多，从图1可以看出来土地利用本身不是二维的，可能是立体的，包括深表层土壤、土地所承载的植被，牲畜及人类活动等等。
图1 陆地生态系统碳循环过程
党中央、国务院提出3060“双碳”目标，土地利用结构的优化和布局对于二氧化碳的减排潜力比常规用技术性的改变、能源性的改变，效率基本上能够增加30%。此外，从1990年到2010年的近20年间，我国自然资源管理导致碳储量损失14亿吨，年均0.7亿吨，显著削弱了生态系统碳汇的潜力。
在2005年基础上依据《全国土地利用总体规划纲要（2005-2020）》进行土地利用结构优化，对2020年实现单位GDP碳减排40%-45%的目标有27.6%的贡献。土地利用对碳减排有多种渠道，包括土地利用的形态、利用类型、三维密度等等，因此土地利用格局对于实现碳中和具有重要意义。
二
土地单要素的碳源/碳汇发生过程
土地利用含有多种要素，每种要素对于碳循环的贡献其潜在价值不同。
对森林而言，全球每年的森林碳汇-7.6±49 Gt CO2e，每年总移除量基本上在-15.6±49 Gt CO2e，碳汇和碳源敏感性非常强。另外，它对碳源/碳汇过程中间的作用程度，在不同的地区差异性非常明显，而且随着季节性的变化也有体现。我国森林碳储存主要集中在西南和东北地区，其中西南地区碳密度最高。2020-2050年间，中国森林将吸收化石燃料产生的22.14%的CO2排放量，这将对减缓未来30年温室气体的增加发挥重要作用。
草地是巨大的碳库，我国草地面积约4亿公顷，占全国面积将近42%，其碳库约为290亿吨，约占世界草原总碳储量的10%。近年来在某些地区的草原退化、草的质量退化等等，对碳循环的影响非常大。
农田系统首要作用是供应粮食，农田生态系统提供着全世界66%的粮食。但同时田地和农业生产有关，农业、林业和土地利用直接排放的CO2占人为温室气体排放量的24%，农业占了近一半。过去300年以来，我国耕地不断扩张，增加的面积主要来自森林和草地。耕地开垦所导致的碳排量在20亿吨-50亿吨之间。在退耕还林和退牧还林等政策影响下，林、草和田之间的关系非常重要，它们的变化影响着陆地的碳循环收支过程。
对于河流湖泊碳循环而言，全球河流陆地碳负荷中的三分之一到达海洋，25%-44%经过呼吸作用以CO2释放到大气中。全球每年河流排放的CO2占总净生态系统交换量的10%，中国境内湖泊的全新世碳埋藏总量为80亿吨。
湿地虽然占陆地面积比较少，但也是非常重要的碳汇。湿地仅占全球陆地面积的5%-8%，但是湿地土壤碳占全球土壤碳存量的20%-30%。这对大湾区来讲是非常好的消息，因为大湾区浅海地区有很多的湿地，这个应该得到重视。对大湾区、尤其滨海敏感地区，如果说我们对林、草、田和湖、湿地之间作出权衡，可能对于1公顷单位面积湿地的调整大于其他类型。基于碳循环去考虑土地利用优化的时候，首先要把这些最敏感的用地类型如湿地、耕地算清楚，再考虑其他的。
在城市群地区，人类活动对于碳中和的影响主要体现在建设用地的规模、强度、形态与结构布局。建设拥堵的空间蔓延、密度、混合度等等都会对其碳排产生直接或间接影响。比如城市蔓延诱发交通能耗，有直接和间接性。2006年到2030年间，城市能源使用的二氧化碳排放量每年增加1.8%，占全球二氧化碳排放量的比例从71%上升到76%。如果城市规划领域的人要介入更加大的国家的“双碳”目标，还是要把精力放在城乡建设用地的形态、规模、密度、强度的角度。城乡建设用地从城市来看，全球50个最大的城市排放合计贡献了全球第三大人为来源仅次于美国全国总碳排和中国全国总碳排，因此城市非常重要，既是碳排放主要的源，同时也是“双碳”目标的主战场。近年来，紧凑城市、低碳城市、绿色城市等规划理念在诸多地区得以实践。但是，随着交通网络的高速化、互联网和物联网的普及化，以及企业布局和居民生活方式的变化，城市社会经济活动移动性增强，活动范围更广，呈现“大分散、小集中”形态，都市圈和城市群格局快速形成。对于超大尺度下的城市群土地利用低碳化研究相对较少。大数据与人工智能技术，为超大尺度的高时空精度研究提供了好的条件，例如，赵鹏军教授的科研团队采用百亿级的全国尺度手机信令数据对于各个城市群人口流动开展了研究。
三
碳源/碳汇与其他系统要素的关系
碳源/碳汇跟其他要素的关系，首先需要谈及的便是人口与碳排。它们的关系从人口规模、人口结构和人口密度方面研究。人口总量增加越多，碳排放总量增加；随着人口素质的提高，人均碳排放下降。但是人们生活方式的变化，反过来促进碳排放的增加。例如现在网购一个水果，包装用到很多的塑料和纸，现代化的城市生活方式这几年来可能会增加碳排放总量。
这里有三张图（图2-图4）。图2显示我们的城市从碳代谢的角度来看可以分为四大类，左下角是收入比较低、碳流入量比较低的，像北京、德里、曼谷等等；右上角是收入比较高、碳流入量比较大，像纽约、洛杉矶、新加坡等等；还有右下角可能是我们要追求的目标，收入很高、但是碳流入量又很低，比方说维也纳、东京等等，这些是要鼓励的城市，同时也揭示了城市碳的流入量不是富裕程度独立决定的，而是受到了城市形态、人口密度等多因素的共同控制。图3显示，人口密度越大、总人口不变的情况下，人均碳排放下降，这是为什么我们要建设紧凑城市、提高城市密度的原因。图4反映出，人口结构的变化可能跟碳排也有关。我们在谈30、60目标时一定不要忘记中国的老龄化趋势，老龄化过程可能会对“双碳”目标有一定的好处，但是也要取决于现在的老人和20年后的老人代际不一样、生活方式不一样，最起码目前这代老人从他们生活方式来看对碳排放有一定正相关含义。
图2 全球16个城市的人均流入碳与人均国民生产总值
图3 人口综述、人口密度与碳排的关系
图4 碳排放与人口结构的关系
另外，城市居民还有其他行为，例如交通，会影响碳排放。交通出行基本上消耗全球石化能源32%、贡献21%的碳排放。现在强调绿色交通，尤其大湾区城际之间强调轨道交通，减少城际小汽车的使用。在珠三角各城市间吸引力非常强，城际之间的交流需求很大，如果城市群到了一体化发展的阶段，轨道交通和公共交通领域的节能效果立马就可以看出来。还有绿色建筑，包括新建和更新建筑。城市中心区的城市更新采用绿色建筑可能是一个趋势。还有人均建筑面积，这涉及到生活质量改善的问题。长远来讲，我们的城镇化对节能减排的作用性效果是非常明显，不可忽略。
城市空间形态与碳排也有关联性，紧凑型的城市，尤其是高密度、功能混合、多中心的城市都有利于节约碳排放。另外，密度高间接鼓励居民减少出行距离。我们对中国100多个城市做了模拟研究，郊区新城多中心的形态加上大运量快捷公共交通，基本上能够节约14%的交通碳排放，效果非常明显。多中心的形成一定要与公共交通衔接起来。住宅区的规划，可能会涉及到小区的公园、绿地，还有15分钟生活圈可能有利于减少碳排放。另外建筑形态的影响，根据国外研究，与典型的单层独立式住宅布局相比，用公寓楼取代郊区一半的建筑面积，人均总能耗降低了19.6%。
城市群本身对碳排放的影响也非常明显，随着城市跟城市之间的交流不断增加，城市群成为我们新型城市化发展的一种形式。城市群在节排减排方面的贡献，主要是交通和工业园区两个方面，尤其是工业集群的分布。深圳、东莞和惠州、广州之间的产业分布很有意思，比方说华为和腾讯在惠州、东莞、深圳之间的布局直接影响到很大一批人的就业，以及孩子在哪上学、在哪安家。城市群不仅仅是把城市当点看，还要考虑产业园区、集中功能区的布局，这个布局从根本上决定了地区碳排放的地理格局。
四
多目标的土地优化策略
如何用可量化的模式得出比较理想的土地利用格局，这部分工作还没有完成。我们探究了优化的多目标，碳中和不代表不搞经济发展，我国城市群虽然可以走在世界前列实施碳中和发展理念，但是我国的人均收入低、地区与城乡间发展不平衡的客观国情是不可忽视的，经济繁荣和富民这个阶段使命是不可忽视的。如果低碳损失了生态安全、粮食安全、社会福祉与公平等因素，也将是不可持续的低碳模式。所以，碳中和目标下的城市群地区土地利用优化，一定是一个多目标的过程，而且是有一定的阶段性，城市群内部各个地区也应该有子目标的界定。借助启发式算法的土地结构优化策略，首先生成基于碳中和的土地利用规划情景，然后在不同的规划情景下通过模型量化的方式反馈过来，计算不同情景下的排放，最后筛选出最优方案。其中人口分布基本上可以用到非常精细的数据，不仅是一年的碳、一个月的碳，甚至每小时某地人口和企业的状态变化，这种土地利用模拟器越来越倾向于精细化。
五
问题与展望
对于大湾区土地利用的几点思考：首先要在大湾区限制城市的无序扩张，城市群扩张过程中要依据资源供需约束、生态承载力、基础设施承载力等条件，遵循人地关系协调发展规律，做好资源—空间—人类活动的统筹发展；第二应该鼓励“多中心+快捷交通”的广义紧凑城市发展理念，促进大分散、小集聚的过程，完善城市群的居民点地域体系，形成城市、乡镇、村庄、工业园区、交通枢纽等不同类型的中心节点，大力推进就近就地的人居形态模式，这个过程中要意识到城市生活方式、建筑利用等等所带来其他的一些方式；另外，土地利用建筑形态、小区空间形态可能也需关注。但是要把这个账算清楚非常难，因为碳源/碳汇取决于数据的精度，取决于计算的尺度，而且碳源/碳汇不是局地性，而一定是区域性的，所以也要考虑碳交易等其他手段的辅助政策。
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供稿单位：中国城市规划学会城市生态规划学术委员会
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