中国城市群二氧化碳排放的规模定律：从齐普夫定律的角度看及其政策意义

《Sustainable Cities and Society》：The Scaling Law of CO2 Emissions in Chinese Urban Agglomerations: A Zipf’s Law Perspective and its Policy Implications

　　宁颖|娄永财|刘颖
中南林业科技大学水土保持学院，中国长沙410004

**摘要**
理解城市碳排放的空间模式对于实现碳中和至关重要，然而城市规模分布与排放动态之间的相互作用仍然知之甚少。本研究引入了Zipf定律与时空分析的结合方法，以探讨城市化对中国城市群（UAs）二氧化碳排放的多维影响。在全国范围内，城市层面的二氧化碳排放呈现幂律分布（R2=0.618），但偏离了Zipf定律：2000年Zipf定律系数的平均值为1.209（p < 0.01），2022年为1.18（p < 0.01），表明城市化进程持续且广泛。空间分析显示，六个最初集中在高排放、广泛发展（H-H象限）的城市群在2010年后从H-H象限向L-H象限（集约型-低效率模式）偏移，表明碳密集型活动的溢出效应维持了高区域排放。SHAP分析的结果表明，在成熟的城市群中，人口密度支持低碳基础设施建设；而在发展中的地区，快速扩张超过了基础设施的承载能力，导致显著的碳排放偏差。基于人口、GDP和城市面积的“频率”数据，拟合的Zipf系数呈现出持续下降的趋势。这种线性模式与环境库兹涅茨曲线（EKC）的结构转变相吻合，意味着在观察到的城市化范围内尚未达到预期的拐点。我们提出了一个政策整合框架，以同步城市群的发展与碳中和目标，为中国及其他类似发展中的经济体提供可复制的策略。

**引言**
城市化是21世纪的一个显著特征，伴随着大规模的人口迁移、城市聚集和规模经济，同时也带来了深刻的环境问题（刘等人，2021；Seto等人，2010）。当前 Urbanization 正以前所未有的速度发展，预计到2050年，全球68%的人口将居住在城市地区（联合国，2018）。城市在所有社会中都具有多样化的功能，既是经济增长的主要引擎，同时也是温室气体排放的主要来源（杨和赵，2023）。尽管城市仅占世界陆地表面的2%，却贡献了大约75%的全球二氧化碳排放（Gurney等人，2022；李等人，2021）。这种明显的不平衡凸显了城市在应对气候变化减缓和适应中的关键作用（Ribeiro等人，2019）。因此，加速和公平的城市气候行动对于实现可持续发展至关重要，这取决于我们理解城市系统演变轨迹及其复杂性，以及城市化与二氧化碳排放之间的相互关系（Allam等人，2022）。加强城市层面的气候目标应促使各国追求中长期减排目标，从而实现《巴黎协定》中提出的愿景。

**研究区域**
中国的人口增长、城市土地扩张和经济增长是能源消耗的双重决定因素和后果（程等人，2022；王等人，2024）。为维持城市人口和基础设施所需的能源和材料形成了一个反馈循环。社会经济活动推动能源需求，而消费模式日益碳密集化，进而加剧了碳排放。这被称为城市化的规模效应。随着城市规模的扩大和消费模式的碳密集化，碳排放往往会加剧（Salahuddin等人，2019）。迄今为止，关于城市碳排放如何响应城市发展的学术讨论仍在继续（杨等人，2025）。先前的研究发现城市化与二氧化碳排放之间存在复杂的双向因果关系（Hashmi等人，2021；刘等人，2022a），即城市化通常会增加温室气体排放（Sarkodie等人，2020）。值得注意的是，其他研究也发现城市化对二氧化碳排放有负面影响，这归因于边际生产率递减规律——这种效应在发达地区尤为明显（孙和黄，2020）。越来越多的证据支持城市化与二氧化碳排放之间的非线性关联，与环境库兹涅茨曲线假说（EKC）一致（Hashmi等人，2021；王等人，2022），例如倒U形关系。综合来看，城市化对二氧化碳排放的影响具有异质性和非线性特征（王等人，2021）。现有文献的一个主要局限性是倾向于孤立地研究这些维度，忽视了城市系统自身的层级结构对环境绩效的制约作用（徐等人，2018）。本研究通过将Zipf定律与EKC假说结合，提出了一个“结构化EKC”框架，将分析视角从简单的规模效应转向结构效应，从而超越了传统的排放核算，提供了更细致的城市形态理解。这样的研究不仅加深了对城市化-环境关系的理论理解，更重要的是，为制定区域脱碳政策提供了空间明确的证据基础。

**中国背景**
过去几十年里，中国的改革、开放和社会主义现代化推动了显著的成就（白等人，2014；卢等人，2019）。作为全球最大的排放国，中国2021年的温室气体排放量占比超过27%，面临巨大的脱碳压力（李和林，2015）。城市群在中国能源消耗和排放中占据了不成比例的份额（70.38%）。与此同时，中国在发展过程中付出了巨大的环境代价（魏等人，2021）。鉴于中国地理和发展的巨大差异，不同城市群的二氧化碳排放驱动因素和强度存在显著差异（宁等人，2022）。目前关于中国城市二氧化碳排放的研究往往受限于有限的空间范围，通常只关注单个特定城市群（如珠江三角洲或京津冀城市群）。值得注意的是，缺乏涵盖多个城市群的综合性分析，阻碍了对城市群间差异的系统性理解。此外，需要注意的是，碳排放并不局限于局部边界，可以通过大气循环在地区间扩散。这种空间溢出效应需要研究城市群内部或之间的碳排放的内生或外生空间互动，而这仍处于初级阶段。了解二氧化碳排放与城市化的三个核心维度（人口增长、土地扩张和经济发展）之间的联系对于压力巨大的城市群尤为重要。这些知识对于揭示不同城市群的排放模式和低碳路径至关重要，基于城市群的研究可以从中推断出城市化的碳绩效和潜在的气候变化成本，从而为规划提供依据。

**研究方法**
本研究选择了中国12个具有代表性的城市群作为研究对象，选择标准包括数据可用性和城市群的代表性（例如不同的发展阶段）。中国城市群通常分为三个层级：世界级城市群、国家级城市群等。

**结论**
全球范围内对碳中和存在共识，但在有效测量和管理城市碳排放以推进脱碳方面仍面临挑战。鉴于中国过去几十年的非凡成就以及各级政府实施的多级政策框架，中国是分析城市化及其环境后果的理想国家。我们的研究通过结合Zipf定律与时空分析，探讨了2000年至2022年间城市化对中国12个城市群二氧化碳排放的多维影响。实证分析揭示了几个关键发现。

**致谢**
宁颖负责方法论、软件和初稿撰写；娄永财负责修订、概念化和软件；刘颖负责修订和监督。所有作者均已阅读并同意发表的手稿版本。