碳效应的双重耦合：将排放-吸收模式与城市聚集区的土地利用强度和经济贡献联系起来

《Resources, Conservation and Recycling》：Dual-coupling of carbon effects: Linking emission-absorption patterns to land use intensity and economic contribution in urban agglomerations

土地利用碳强度与经济贡献的耦合机制研究——以珠江三角洲都市群2010-2020年为例。通过构建碳生态支持能力与碳经济贡献系数双耦合分析框架，揭示区域存在“中心低碳高经济贡献、边缘高碳生态支持”的显著空间分异特征，量化显示土地利用强度每提升1%可减少0.23吨/平方公里·年的碳排放，而经济产出增长0.1%将增加0.05吨/平方公里·年的排放。研究证实生态系统优化可提升碳汇效能18.6%-23.4%，为城市群低碳转型提供空间配置依据。

　　

张星|董一鸣|戴宇琪|徐琳宇|尚欣欣|王宇飞

北京师范大学环境学院区域环境与可持续性国家重点实验室，中国北京市海淀区新街口外街19号，邮编100875

摘要

土地利用是连接城市聚集区碳排放-吸收动态与区域经济表现的关键纽带。本研究构建了一个新的双耦合框架，以评估土地利用碳强度与经济贡献之间的关系，并以2010至2020年的珠江三角洲为例进行了分析。研究结果揭示了明显的空间不匹配现象：碳生态支持能力呈现出“外围高、中心低”的模式，而碳经济贡献系数则相反。碳生态-经济综合能力的下降表明，在碳减排与经济增长之间存在持续性的轻微失衡。土地利用强度是主要的排放抑制因素，而经济发展则推动了排放。增强的碳汇能力部分抵消了排放，这突显了基于生态系统的优化潜力。这些发现为制定有针对性的区域政策下的低碳经济规划提供了实用路径。

引言

土地利用对人类活动和自然生态系统功能有着重要影响，是决定区域碳排放和吸收的关键因素。自第二次工业革命以来，全球超过30%的人为碳排放可归因于土地利用变化（Houghton和Hackler，1999年）。在城市地区，这类变化占化石燃料碳排放的一半左右（He等人，2024年）。这些变化重塑了碳通量的空间分布，使得土地利用成为区域碳平衡的关键决定因素。已有研究详细探讨了土地利用碳强度的机制和核算方法，强调了直接效应（如造林或毁林）以及通过人类活动变化产生的间接效应（Zhao等人，2013年；IPCC，2014年）。例如，城市扩张通过能源消耗增加排放并减少碳汇（Hutyra等人，2011年；Liu X等人，2019年），而农业则通过化肥和畜牧业排放碳（Liao等人，2026年）。相反，森林和草地作为碳汇，部分抵消了排放（Chang等人，2021年；Wu W等人，2023年）。

尽管人们对城市土地利用碳强度的兴趣日益增加，但大多数研究要么单独关注碳排放，要么单独关注经济影响，很少将两者结合在一个连贯的框架中进行分析。这种差距在中国快速城市化的地区（如珠江三角洲）尤为明显。近年来，土地利用变化显著改变了该地区的碳排放和吸收模式（Liu X等人，2019年）。作为中国最发达的城市聚集区之一，珠江三角洲经历了快速的城市扩张和工业化，深刻改变了土地利用和碳动态。理解这一背景下土地利用碳强度与经济贡献之间的耦合关系对于可持续城市发展和碳管理至关重要。

以往的研究主要集中在全球、国家或区域层面，对城市聚集区这一关键的中观尺度关注较少（Tang等人，2023年；Li等人，2025年）。然而，城市聚集区已成为可持续性转型的关键单元，在分析碳-经济关系方面具有独特优势。城市聚集区内密集的功能联系，包括复杂的产业链、通勤流和物质交换，形成了跨越城市边界的紧密交织的碳排放和碳封存空间模式（Wang和Fang，2025年）。孤立地分析单个城市无法揭示这些跨界耦合动态（Wang和Fang，2025年）。在一个行政协调一致的城市聚集区内，社会经济和土地利用数据的相对一致性和可比性也使得时空比较分析更加稳健和精确（Wang和Fang，2025年；Zhang Y等人，2025年）。研究表明，城市土地利用变化，尤其是建设用地的扩张，显著影响了碳排放和吸收（Hutyra等人，2011年；Seto等人，2012年；Liu X等人，2019年）。例如，Hutyra等人（2011年）估计西雅图的城市扩张导致植被碳损失接近该地区化石燃料排放量的15%。同样，Seto等人（2012年）预测亚热带地区因城市扩张而出现大量陆地碳损失。在中国，快速的城市化显著增加了建筑和交通领域的排放（Chuai等人，2015年；Liu X等人，2019年）。然而，土地利用碳强度与经济贡献之间的关系仍缺乏研究，特别是在像珠江三角洲这样的聚集区，该地区包括广州、深圳、珠海等六个城市，是中国发展最快的城市区域之一。

为填补这一空白，本研究提出了一个新的双耦合分析框架，通过整合土地利用碳效应的生态和经济维度，超越了孤立的评估方法。这一整合解决了城市可持续性科学中的一个关键理论缺陷。我们的框架同时评估了碳生态支持能力（ESC）和碳经济贡献系数（ECC），并引入了它们的耦合协调度（碳生态-经济综合能力，CEECC），以诊断生态支持与经济效率之间的空间不匹配。将这一框架应用于2010至2020年的珠江三角洲，我们发现了影响城市聚集区低碳规划的系统性失衡。以珠江三角洲为例，我们分析了2010至2020年间土地利用碳排放和吸收的时空特征，并探讨了它们的耦合动态。这些发现为城市聚集区的可持续土地利用规划和低碳发展策略提供了科学依据。本文结构如下：第1节介绍背景并回顾了相关研究；第2节介绍研究方法和数据来源；第3节展示结果和讨论；第4节得出结论。

部分内容

双耦合分析框架

所提出的双耦合框架旨在诊断城市聚集区内碳生态支持与经济贡献之间的协同作用和不匹配现象——这是孤立分析无法捕捉到的关键动态。它整合了两个互补的子系统：

碳生态支持能力（ESC），量化区域碳吸收与排放之间的平衡

碳经济贡献系数（ECC），衡量单位碳的经济产出

碳排放/吸收的时空变化

分析了2010年、2015年和2020年珠江三角洲（PRD）土地利用碳排放的时空特征。结果显示，广州、东莞、佛山和深圳的城市和农村建设用地区域的碳排放强度最高，整体碳排放强度呈下降趋势（图1）。特别是在东莞等高排放区域，这一趋势更为明显

结论

本研究评估了2010至2020年的珠江三角洲，发现城市碳动态存在持续的空间不匹配现象：净排放呈现出“中心倒U形”模式，即城市中心的碳经济贡献（ECC）较高，而外围地区的碳生态支持（ESC）较高。因素分解表明，土地利用强度是主要的排放抑制因素，经济发展是主要驱动力

作者贡献声明

张星：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，资源，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。董一鸣：撰写 – 原稿，软件，方法论，正式分析，数据管理，概念化。戴宇琪：撰写 – 审稿与编辑，可视化，资源，正式分析，数据管理，概念化。徐琳宇：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2022YFF1301202）、国家自然科学基金国际合作与交流项目（编号：42361144720）和国家自然科学基金（编号：52270193）的支持。