综述：城市更新背景下城市形态对碳排放的影响：一项批判性综述

《Land》：The Impact of Urban Morphology on Carbon Emissions Under Urban Renewal: A Critical Review

　　

温室效应对全球可持续发展构成严峻环境挑战。碳排放作为温室气体的主要来源，使其减排成为城市更新的关键目标。本研究对过去十年间发表于Web of Science的100余项实证研究进行了系统性文献综述。结果表明，城市形态对碳排放的影响呈现空间异质性和非线性特征：城市紧凑度在小中城市中可降低排放，但在部分特大城市中可能增加排放。同时，三维形态指标（如建筑高度、天空可视因子（SVF））对运行碳排放呈现U型效应，且主要通过局地微气候效应介导。此外，本研究还总结了城市更新全生命周期及不同气候区碳排放的差异。仅少数研究采用全生命周期评价（LCA），且多数聚焦运行碳而非隐含碳。本综述首次从城市更新视角审视城市形态、城市功能与碳排放的关系，为低碳策略提供理论参考与实践启示。

1 引言

温室气体排放导致严重气候危机，深刻影响全球可持续发展。城市虽仅占地球陆地面积不足3%，却消耗全球约60%至80%的能源，贡献超过70%的全球温室气体排放。二氧化碳作为主要温室气体，占总排放量的73.48%。因此，分析城市环境与碳排放的关系、优化城市规划以降低碳排放，在城市研究中日益重要。影响碳排放的主要因素可分为社会经济因素（如人均GDP、城市化水平、人口增长率）和城市形态因素。城市形态作为一个多维概念，既指城市的物质形式，也指城市要素与人类活动相互作用所影响的城市功能。已有研究发现，城市形态可解释超过50%的城市碳排放总量。采用多尺度城市形态指标评估和预测城市碳排放已成为主流方法。作为城市形态的关键指标之一，城市空间扩张为住宅提供更多面积，这在城市化早期阶段——特别是20世纪60至70年代——占据主导地位。以低密度和空间无序为特征的该发展模式，即城市蔓延，引发诸多问题：基础设施建设成本高、土地与能源浪费、环境污染等。20世纪，由于环境问题、土地利用约束及市中心租金上涨，许多特大城市和发达国家出现从市中心向郊区迁移的趋势，即郊区化，进一步导致自然景观破坏和能源消耗。因此，城市蔓延似乎是一种不可持续的开发模式。

为应对城市蔓延带来的问题，城市更新被提出作为改善环境质量、振兴衰败地区、强化社区和促进弱势群体融入的可持续途径。城市更新通常定义为旨在改善城市社会、经济、生态和文化条件的过程，涵盖城市再生、城市再开发、城市修复、城市重建和绅士化等多种术语，反映了其多面性特征。在全球气候变化和碳中和承诺背景下，城市更新被视为通过针对性干预降低碳排放的重要途径。该策略已在全球范围内日益广泛实施，以振兴老旧区域并实现可持续低碳发展。例如，中国《2030年前碳达峰行动方案》明确提出"推动城市组团式发展，科学确定建设规模，控制新增建设用地过快增长"。本研究采用生命周期评价（LCA）视角讨论城市更新的碳排放。通常，LCA是一种标准化方法，用于全面量化和经济成本。生命周期方法涵盖四个阶段：材料提取与制造、建造与运输、运营与维护、以及报废处置或回收。然而，研究通常假设对象相对稳定，建筑的节能改造在建造期初一次性完成，节能效果和可再生能源容量在周期内保持不变。忽视动态更新过程引起的建筑生命周期变化，可能导致生命周期碳排放（LCCE）和生命周期成本（LCC）的估计偏误。采用不同形态指标可能对运行碳与隐含碳排放产生相反效应，使得LCA框架在更新情境下的整体碳核算中至关重要。

2 方法论

2.1 检索策略

本研究遵循系统综述和荟萃分析首选报告项目（PRISMA）指南，确保文献筛选的严谨性。以Web of Science（WOS）数据库为主要数据来源，涵盖联合国六种官方语言（中文、英文、法文、俄文、西班牙文、阿拉伯文）的文献。检索时间范围为2015年2月1日至2025年12月30日，检索式为：("urban form" OR "urban morphology" OR "compact city" OR "urban sprawl" OR "density" OR "land use mix") AND ("carbon emission" OR "CO₂ emission" OR "greenhouse gas" OR "GHG")。

2.2 纳入标准

纳入标准包括：（1）具有直接或可推导数据的实证研究（排除综述、会议论文或海报、理论研究或政策文章）；（2）明确量化城市形态指标与碳排放或其代理变量（如能源消耗、家庭消费）关系的研究；（3）发表于英文同行评审期刊。最终122项研究符合纳入标准，其中31项涵盖城市更新背景下的城市形态指标。

3 结果

3.1 文献概览

3.1.1 发表趋势分析

2015至2025年间发表的122篇文章中，约70%发表于近三年。出版物数量呈现明显的阶段性上升趋势，可分为平稳增长期（2015–2021）和快速发展期（2022–2025）。前期每年约发表4篇，表明该领域研究仍处于初步探索阶段；后期年均发表量超过20篇，2024年达37篇，为该阶段初期的近三倍。中国文献占WOS数据库总发表量的87.7%。这一增长归因于：国际和国家政策激励、后疫情恢复策略，以及城市碳核算方法学的进步（如高分辨率夜间灯光数据、机器学习、异构图神经网络）。

3.1.2 文献共被引网络

使用Citespace分析共被引网络，识别出十个最重要的共被引聚类，其中最大的三个聚类为：#0城市形态、#1发散效应、#2碳排放。

3.1.3 关键词共现网络分析

通过Vosviewer分析，识别出56个高频关键词，主要聚类包括：城市形态与能源、碳排放核算、城市化、土地利用模式与碳排放、城市紧凑度。当前研究热点包括"碳排放"、"形态"、"城市化"、"中国"和"能源消耗"。

3.2 城市形态与碳排放的关系

在122篇综述文章中，85篇考察宏观尺度因素，36篇关注中微观尺度因素。本研究系统整合城市形态因素与城市功能因素。

3.2.1 城市形态因素

宏观尺度的城市形态指标主要包括三类：城市规模、城市结构和城市空间格局。城市规模是最具影响力的城市特征，主要采用景观规模指标，如总面积、斑块面积（CA）、城市规模，通常对碳排放产生正向影响。城市结构指各类城市要素的空间布局及其相互关系，主要包括中心性、土地利用结构和交通系统三方面。中心性指标描述城市单中心发展程度，包括欧几里得平均最近邻距离中心性指数、多中心性、距市中心距离等，其效应因城市而异。土地利用维度研究聚焦于土地利用多样性，常用指标包括城市建成区规模（km²）和香农多样性指数。路网系统关键指标包括道路面积、距最近站点距离、路网密度和公共交通站点密度。

城市空间格局强调整体城市规划模式，反映当前及未来发展趋势，主要包括紧凑度、复杂度和扩张三类测度。紧凑度研究主要采用最大斑块指数（LPI）、斑块凝聚度指数（COHESION）和平均斑块形状指数等指标。对于大多数处于城市化进程中的区域，优先紧凑发展仍是主要趋势，尤其发展中国家。复杂度常用斑块数量（NP）、景观形状指数（LSI）、平均周长面积比（PARA_MN）、平均形状指数（SHAPE_MN）、边缘密度（ED）等指标测度。扩张指建成区和人口规模的持续增长，通常采用蔓延度指数（CONTAG）、斑块密度（PD）和相似邻接比例（PLADJ）等指标。

中微观尺度的城市形态指标可分为两类：城市街区的空间格局和建筑街区的具体特征。街区空间格局关注城区内建筑集群的结构特征，最常用的是街区形状指标，包括容积率（FAR）、建筑密度和建筑覆盖率（BCR）。与典型城市规划方法相关的紧凑度指标在11篇文章中被讨论。交通相关指标包括绿地（GS）和水体（WB）的连通性。建筑街区生活特征关注建筑集群自身的具体属性，与现代城市化过程中人类活动和行为模式直接相关，可分为三类：聚落类型、分散度和生活特征。聚落类型指住宅建筑的规模和位置；分散度描述建筑集群的空间散射程度；生活特征包括与居民行为模式密切相关的指标，如按建筑类型划分的房间数量、街区围合度和居住密度（m²·人^?1）。

随着城市化进程和建筑施工技术的发展，高层建筑在大多数现代城市中涌现，使三维（3D）城市形态指标更为关键。25篇文章纳入了3D城市形态因素，22项研究在中微观尺度进行。主要中微观指标包括与形状相关的指标如天空可视因子（SVF）和建筑高度（H/m）、建筑集群的拓扑特征（低层、多层、高层）以及空间围合程度。

3.2.2 城市功能因素

75篇研究讨论了城市功能因素，其中宏观层面46篇，中微观层面29篇。宏观功能指标包括土地利用强度、土地利用结构和土地利用类型。土地利用强度指标包括工业比例（%）/产业结构和建成区比例；土地利用结构关注土地利用类型与城市形态的动态整合，考虑空间组织和功能交互，指标包括二三产业比例、功能紧凑度POI平均最近邻指数（ANNI）、公共服务比例和住宅比例；土地利用类型指土地利用的总体趋势，包括住房、工业、交通、娱乐等建设用地类型和自然土地。

中微观功能指标可分为三类：交通连通性、功能类型和功能混合。交通连通性指从目标街区到市中心、绿地和水体的可达性，包括绿地和水体平均距离、道路类型、工作通勤时间等；功能类型包括住宅、商业和工业区；功能混合反映不同功能的整合情况，体现人类活动，优化住宅、商业和公共服务设施的布局有助于减少机动车出行，从而降低碳排放，但在高密度城区，功能混合可能通过集中更多高能耗活动而增加本地碳排放。

3.2.3 城市形态-功能整合分析

74篇文章同时讨论了城市形态和功能指标。宏观层面，19项研究关注土地利用结构类别，主要使用产业结构（IS）和工业功能指标。研究表明产业结构优化和土地利用集约化对碳减排有积极贡献。第二产业比例通常与碳排放正相关，而第三产业比例的增长在不同发展阶段的城市呈现异质性效应：在发展型城市可能因经济活动强化而增加排放，在收缩型城市则通过产业更新减缓碳排放。中微观层面，研究主要聚焦于工业和住宅领域。18项研究涉及这两个领域，11篇讨论住宅密度和建筑设施比例。研究发现住宅建筑的功能布局显著影响出行模式和能源消耗。紧凑住宅区开发可降低交通碳排放，但不同路网形式间存在显著差异。就业-居住平衡程度较高的城市通勤距离更短，从而减少交通碳排放；而居住与就业功能的错配则显著增加通勤距离和交通排放。

3.3 城市更新导向研究

从122篇实证研究中，识别出31篇明确提及"城市更新"、"再开发"、"存量更新"、"建筑改造"、"翻新"和"填充式扩张"的文章。这些研究与传统城市形态研究的不同之处主要体现在：采用更本地化和针对性的指标，如中等城市或蔓延城市模式、蓝绿空间紧凑度；在中微观层面更多采用3D指标和街区级紧凑度测度；更可能纳入土地利用功能指标；更全面地分析影响机制，系统分类不同城市化水平和规模的城市。

3.4 碳排放阶段

建筑碳排放研究主要关注运行排放（包括直接排放和电力、供暖、制冷等的间接排放），其约占能源消耗总量的36%和碳排放总量的近40%。随着清洁能源的广泛使用和建筑碳排放的优化，研究更多关注隐含碳排放，其在建筑总能耗中的比例在不同情景下差异显著（20%–60%）。部分形态指标可能对隐含碳和运行碳排放产生相反效应。整体而言，仅4篇关于建筑生命周期碳排放的研究被识别，主要使用动态模拟和异构图神经网络方法。

3.5 研究区域的空间分布

综述研究主要在亚热带季风气候区（83.78%）、温带大陆性季风气候区（4.92%）、温带季风气候区（8.20%）和温带海洋性气候区（1.64%）开展，地中海气候区（0.82%）和热带沙漠气候区（1.64%）研究较少。近年学者开始关注传统研究较少涉及的区域，如寒冷气候区。许多研究采用局地气候区（LCZs）而非整个国家区域进行分析，因为LCZs在阐明城市形态与大气成分（包括排放）机制方面比更广泛的用地类型更为有效。

4 讨论

4.1 形态指标选择对碳核算的分歧影响

不同指标显著影响城市形态与碳排放的相关性。紧凑发展模式通常与较高城市中心性相关，但关于单中心发展模式对碳排放的影响存在争议：部分研究表明高中心化对应较低整体碳排放，另有研究认为其可能增加交通排放。这些冲突发现部分源于数据来源和排放估算方法的差异，但更重要的是城市自身规模和发展阶段的差异。在向外扩张中，大多数城市规模增长，而城市更新过程中的城市形态变化在不同城市间差异显著。较大城市倾向于向内更新，增加老城区商业活力；较小城市更关注土地开发和城中村改造。此外，碳排放评估具有尺度敏感性：大尺度变量研究不太可能与小尺度研究得出一致结论，因此引入中微观指标十分必要。

4.2 城市形态与功能整合指标的不足

仅考虑城市形态因素而忽视功能因素，难以详细描述城市内部复杂机制，无法捕捉不同土地利用功能的效应。在工业或资源导向型城市，城市形态因素主要影响交通碳排放，其影响往往不如其他用地类型显著；这些区域的碳排放主要由产业结构和部门构成等功能因素驱动。优化城市功能布局成为相对低成本的城市规划途径。现有研究多集中于单一功能类型或经济生产功能，缺乏对整体土地利用类型的综合考虑。

本研究提出兼顾形态与功能的规划框架：横轴为各类城市形态因素，纵轴区分不同功能。未来研究和城市规划策略应采取跨尺度和功能的系统方法，实现更合理和针对性的低碳发展。

4.3 城市更新导向的碳研究分析

城市更新背景下的研究针对不同城市化阶段和地方条件进行了重要调查。关于城市紧凑度，传统宏观研究通常表明更紧凑的城市形态有助于整体碳减排，尤其交通部门；但由于城市更新过程的差异，城市空间结构对碳排放的影响日趋多样化，正负影响的阈值因城市群而异。微观证据表明，更新区域的高紧凑度常与道路基础设施增加和绿地覆盖率降低相关，可能导致家庭和交通排放增加。低碳更新政策与城市形态变化之间的影响是双向的，未来研究应进一步考虑政策实施的影响。

4.4 静态碳核算对长期城市更新决策的不足

在建筑生命周期更新时代，其评估对总碳排放有关键作用。某些城市形态指标（如紧凑度）可能对运行碳和隐含碳排放产生相反效应：密集的城市开发可能减少交通相关运行能源，但同时因更多材料使用和建造消耗而增加隐含碳排放。现有生命周期排放研究相对较少，主要集中在微观尺度的特定功能区，测度指标因建模限制而趋于简化。近期研究呈现从静态评估向动态模拟转变的有前景趋势，这对现代社会发展过程中精确模拟形态、功能与排放之间复杂的时变关系至关重要。建议未来努力开发开放、标准化的城市建筑LCA数据库和工具，支持从单体建筑到城市街区的动态碳核算。

4.5 结果在不同气候区的可转移性

当前气候区研究主要集中于亚热带地区，其他气候区和寒冷地区研究缺乏。这是因为亚热带地区往往以高速城市扩张和人口集聚为特征，显著的城市热岛（UHI）效应以及夏季空调的大量需求导致更多住宅能源消耗。随着城市化背景下人居环境和基础设施建设的发展，相关研究开始更多关注寒冷地区，但常限于学校和商业区等特定功能区。研究表明，在亚热带城市减少碳排放的紧凑城市形态，在寒冷气候区可能产生相反效果。城市热岛效应在温暖气候中增加制冷需求和排放，而在寒冷气候中减少供暖需求从而降低排放。即使在亚热带和温带地区，建筑密度也需适度；过高密度可能对能源消耗和碳排放产生不利影响，尤其在活动水平较高的住宅区。因此，将亚热带/温带地区研究得出的形态阈值或规划策略转移到寒冷气候区时，需给予相当关注。

4.6 研究局限性

本研究局限性包括：主要基于英文数据库（Web of Science）可能引入语言和发表偏倚；纳入研究存在相当大的异质性，形态指标定义在城市功能、研究区域间存在差异；地理范围主要聚焦中国和美国，对其他国家或地区的适用性需谨慎；碳排放数据来源存在差异。

5 结论与建议

本研究系统综述了2015至2025年间发表于WOS数据库的122项城市形态与碳排放研究。主要发现：地理上，研究主要在亚热带和温带气候区开展，多数聚焦中国和美国；形态与功能整合分析仍存在研究空白；城市形态对碳排放的影响呈现空间异质性和非线性；3D城市形态指标与运行碳排放呈U型或倒U型关系，主要由局地微气候调节；LCA和功能-形态整合研究仍然稀缺。未来研究方法上，应系统整合三维形态数据与详细人类活动测度与二维宏观数据；针对不同气候区识别最优形态参数；构建开源高分辨率3D城市数据集，增强机器学习和空间显式建模应用。城市更新规划策略上，应优先建筑能源改造和功能适应而非拆除重建；根据发展阶段、产业特征和气候背景制定针对性策略；实施更综合的土地利用规划，超越部门分割规划。