以碳收支为基础的低碳生态新区控规编制探索——以山东省巨野北部新区控规为例

张 萍

1 概述

1.1 低碳生态新区规划的发展趋势分析

随着生态文明的大力推进，低碳生态新区①① 这方面，国内影响较大的实例是已开工建设的天津中新生态城和河北唐山曹妃甸生态城。如《上海市控制性详细规划技术准则》（2011年7月）、《江苏省控制性详细规划编制导则》（2012年1月修订）均增加“低碳生态的内容”。往往成为地方发展的目标之一。对于低碳生态新区规划建设的讨论大多集中在宏观的概念（总体规划层面）和微观的生态技术层面（绿色建筑技术层面）。而对于控规，目前讨论的大多是在传统控规编制的基础上，加入低碳生态的相关内容②《美国清洁能源与安全法案（ACES）》（2009年6月通过），明确指出：设置碳排放总量控制限额，与2005年水平相比，到2020年全球变暖污染将逐步削减至17%，2030年削减至42%，2050年削减至83%。。借助计量学，从“低碳、生态”的本义出发，综合多学科形成规划的前置条件和过程要求，为规划的合理性和可实施性提供充分依据，显得迫切和必要。在这方面，环境学、生态学等提供了许多新的启发和思路。其中，基于学科交叉的应用，从碳收支方面进行控规编制的讨论是一个崭新的方向，也是本文展开讨论的基本视角。

1.2 碳收支的基本概念阐释

1.2.1 碳源和碳汇

碳源是指向大气中释放温室气体（主要为CO2）的过程、活动或机制。本文特指规划期限内规划范围内“能源相关碳源、人类呼吸碳源、土壤呼吸碳源”3类。

碳汇是指从大气中清除温室气体（主要为CO2）的过程、活动或机制。本文特指规划期限内规划范围内绿地所吸收的温室气体数量。

1.2.2 碳收支

碳收支计算包括两种计算方法。第一个是净碳量，就是碳源减去碳汇，所得到的净碳量

表1 碳收支平衡的四种情况

表2 不同固碳地（生态绿地）的平均碳吸收率

资料来源：叶祖达，2011。表示大气中温室气体的净变化量。当净碳量为正时，表示大气中的温室气体增加了；为负时，表示大气中的温室气体减少了；为零时，表示实现了碳收支的平衡。第二个是碳吸收率（固碳比），就是碳汇除以碳源的比值，代表的是碳吸收率的情况。只有接近碳收支平衡的系统才是稳定和可持续发展的系统。世界各国关于低碳减排，根据自身具体的情况，均有各自的规定——如美国③注释欧洲议会2008年12月批准“欧盟能源气候一揽子计划”。该计划提出：到2020年将温室气体排放量在1990年的基础上至少减少20%，将可再生清洁能源占总能源消、欧盟④耗的比例提高到20%，将煤、石油、天然气等化石能源的消费量在1990年的基础上减少20%。2011年3月8日，欧盟发表了《在2050年实现低碳经济路线图》。根据这一“路线图”，至2050年，欧盟的碳排放量将在1990年的基础上减少80%。、中国⑤中国政府在2009年11月25日宣布了控制温室气体排放的行动目标，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%到45%。（表1）。

按照规划要求，基准年为2012年，近期到2015年，中期到2020年，远期到2030年。

1.3 研究范围界定

1.3.1 对象的空间界定

本文以规划的山东省菏泽市巨野县北部新区为研究对象，进行规划期限内的碳收支计算。

由于气体具有流动性和扩散性，规划对象和周边环境之间不可避免地存在着气体交换，为使问题简化以获得具有普遍性的评价方法和结论，本文只考虑规划范围内的碳收支。

1.3.2 对象的时间界定

2 关于碳收支的国内外研究综述

2.1 国外关于碳收支的研究

国外对碳收支的研究始于20世纪70年代。欧美国家在对碳收支的计算、认证，碳交易等方面已经形成领先的研究成果，尤其是在碳收支（碳源、碳汇）时间、空间双重格局的连续观测、定量计算等方面形成强大的数据平台，能从宏观到微观进行研究的深化和应用反馈。其中，1997年12月《京都议定书》的诞生更是刺激欧美各国在该方面加大科技投入力度。特别是美国，在碳收支计算方面已经研发若干先进软件系统，能有效进行高精度计算，在规划实践中已取得了不错的效果⑦如加州能源理事会开发的I—PLACE3s软件，是美国金郡为本地规划方案的可持续性开发的一款主要评价交通影响的空间分析工具，其运算主要基于金郡的交通规划基础数据，包括整个金郡范围内交通二氧化碳排放量与土地利用属性(居住密度、容积率、路网密度、土地混合利用程度、公服设施可达性等)的回归关系分析数据库(TheLawrenceFrank,ZO10)。而美国城市和区域规划咨询公司CriterionPlanners开发的Index软件，主要进行建筑、交通以及市政基础设施的碳排放影响评估，其建筑碳排放的评估方法基于当地典型建筑能耗的能耗数据库计算，交通碳排放量从密度、道路连通度、交通可达性等属性特征出发进行计算(PatrickM.Condonetal.2009)。。

2.2 国内关于碳收支的研究

国内关于碳收支的研究始于20世纪80年代中后期，在最近10年的发展最为迅速。该方面一直以来是地理学、气象学、植物学、卫星遥感、林业学、环境学等研究的重点对象之一⑧如中国科学院2001年即启动知识创新工程重大研究项“ 中国陆地和近海生态系统碳收支研究”，搭建了良好的研究平台。，其进展已从最初的基础科学问题研究进入到服务于实际的探索新阶段，并且从单一的碳收支评价发展到多种复杂的碳循环过程综合研究。其中，典型课题为2011年中国科学院的“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”战略性先导科技专项⑨该先导科技专项的重点定位在研究我国陆地碳收支系统的定量认证、碳增汇潜力与速率评估、增汇技术与措施选择、生态工程固碳效果评价、增汇技术的试验示范等重大科学技术问题。。

从2009年开始，规划学界开始把碳收支作为技术手段引入到规划中。基于目前数据全面获取的困难性，其主要用于粗略的模拟评价⑩IPCC提出“生态系统碳增汇效果认证体系必须满足可计量、可验证和可核查”3大要求。 这大多需要连续性数据，而我国在这方面仅仅处于起步阶段，目前难以满足相关要求。。一方面，把碳收支作为低碳的决策工具，用于宏观尺度的规划决策评价，如叶祖达利用碳收支对低碳城市规划的讨论：《碳排放量评估方法在低碳城市规划之应用》（2009）、《建立低碳城市规划工具——城乡生态绿地空间碳汇功能评估模型》（2011）、《碳汇功能承载力在低碳生态城镇体系规划的应用》（2011）。另一方面，是针对规划不同的情境方案进行碳收支评价，如邱红等《碳排放评估方法在城市设计中的应用》（2011）一文主要针对中微观尺度城市设计项目提出碳排放评估方法等。然而，关于碳收支的评价理论基础尚需进一步梳理，评价方法的定量化有待完善，评价模型有待改进。

3 以碳收支为基础的低碳生态新区控规编制方法探讨

立足于对“低碳、生态”的本义理解，着力于“低碳生态新区”的规划建设，秉承多学科交叉合作的原则（包括“环境学的风环境、水环境、气象、热环境、能源等专业；生态学的生态景观学、生态植物学等；地理信息学；城市规划学”等），笔者对“以碳收支为基础的低碳生态新区控规编制”进行总结，将其核心流程概括为“ 三个一”：一大要求（生态安全）前置、一大校核（碳收支）应用、一个行动（地块生态指标控制）落实⑪注释篇幅所限，本文主要讨论“一大校核（碳收支）应用”，对其余两部分内容则不展开讨论。。

3.1 一大要求前置: 生态安全要求前置

先对规划范围进行生态敏感性（利用GIS技术完成，也可结合遥感分析技术完成）分析，然后依据“生态安全格局”要求，进行空间组织，形成生态型的土地使用框架。首先，明确生态基底（生态绿地、水系）；然后，明确生态廊道（道路骨架、绿廊、通风廊道）；最后，组织生态斑块（城市功能组团），形成土地使用框架。

3.2 一大校核（碳收支）应用

3.2.1 碳收支计算校核

（1）第一步，对规划范围内的碳源（碳排放）和碳汇（碳吸收）进行现状情况计算。

① 采取排放系数法，进行碳源的现状计算

碳排放包括直接排放和间接排放两种情况，需分别进行计算。为了简化计算，一般将CO2的排放来源分为来自“能源相关碳源、人类呼吸碳源、土壤呼吸碳源”3类。一般来说，鉴于数据获取的困难性，碳源计算采用较多的是排放系数法⑫对碳源的计算方法较多。目前，对碳源的测算主要采用3种方法：实测法、物料衡算法和排放系数法。这三种方法各有所长，互为补充。。

a.能源相关碳排放

式中：C—碳排放量，Mt；Ci—i种燃料使用量，kg，m3；Ei—燃料净发热值，燃料低位发热值，kJ/kg，kJ/m3；βi—排放因子，kg/TJ。

b.人口呼吸碳排放

式中：B—人口呼吸排放量，Mt；P—人口总数；βi—排放因子；Bi—每人每天呼吸的碳释放量，0.9kg/(人·天)。

c.土壤碳排放

式中：S—土壤呼吸碳排放量，Mt；Ai—植被面积；Vi—相应植被的土壤平均呼吸速率；βi—排放因子；δ—C元素转化成CO2系数，3.67；ρ—非根系呼吸占土壤总呼吸量，0.55。

② 采取碳吸收系数法，进行碳汇的现状计算

在规划范围内吸收CO2的陆地生态系统包括森林、农田、草地、湿地等不同植被为主构成的生态系统（表2）。

Q吸=Ai×Bi

式中：Q吸—CO2的吸收量，单位为t·a-1；Ai——不同固碳地的面积，单位为hm2；Bi——不同固碳地的平均碳吸收率，单位为t·hm-2·a-1。

（2）第二步，对规划范围内依据规划方案进行碳源（碳排放）和碳汇（碳吸收）计算。

① 依据规划方案，采取排放系数法，计算规划后的碳源（碳排放）情况。

根据规划范围的建设用地总量和人口规模（该数值随最终方案应进行校正——即逼近法的运用）计算其中建设用地的碳排放（C1，建设用地的碳排放），并对非建设用地的碳排放（C2，非建设用地的碳排放）也进行计算，得出规划范围内的碳排放总值（C = C1+ C2）。

② 依据规划方案，计算规划范围内规划后的碳汇（碳吸收）情况。

③ 对碳收支进行计算，以净碳值和固碳比判断规划方案的碳收支平衡状态。

3.2.2 依据校核结果，运用生态策略对方案进行修正（减少碳排、增加碳汇）

（1）减少碳排——按照低碳生态要求，全面落实生态营城策略（尤其是能源、公交）

从碳源着手，优化能源结构、使用再生资源、大力减少私人机动车的使用等，切实减少碳排放（该措施为控规确定资源使用的各种量化生态控制要求提供重要依据）。按照我国政府控制温室气体排放的行动目标“到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%到45%”的可操作经验推算，近期减少为原来的80%（即减排20%），远期减少为原来的60%（即减排40%）。

（2）增加碳汇（包括调整绿化种植结构、增加城市绿地面积）

首先，通过调整绿化种植结构提高单位城市绿地的碳汇能力；其次，根据计算，增加相应的城市绿地面积。

① 提出生态绿地的生态系统控制指标，提高城市绿地的单位碳汇能力，为地块的生态控制提供依据。

根据相关研究，乔木、灌木的碳汇量分别为草坪的4倍和2倍，充分说明了绿化乔木和灌木在碳汇功能方面的优越性。为此，依据相关研究提出城市绿地种植结构的生态要求——明确规定乔木的种植要求：3株乔木/100m2（换算成乔木的绿地单位覆盖率约为30%）。根据计算，达到3株乔木/100m2后的城市绿地单位碳汇能力可提升150%—200%。本文取高值，即单位城市绿地的碳汇能力提升200%。改善种植结构后（强制规定乔木的种植比例），城市绿地年碳汇量的计算如下：

式中，Sgr为城市绿地年碳汇量，kg/年，Ga为城市绿地面积，f%为城市绿地面积中乔灌草复层绿化面积占全部城市绿地面积的百分比，Cg1为当地植物单位土地面积年固碳量系数，Cg2为复层绿地单位面积固碳系数。

B其次，根据碳排放减少后的数值，明确固碳地（生态绿地）的增量，对其进行优化以减少后的碳排放量减去原规划方案的碳汇量，得出差值，即

然后计算这部分差值需要建设用地范围内的生态绿地增量△Ga（包括城市绿地、地块绿地两大部分）面积。再根据各地块的生态控制指标要求，单独计算出城市绿地增量△G（城市绿地应占到绿地总量的60%以上）。

其中，G为城市绿地；R为居住用地；A为公共管理与公共服务设施用地；B为商业服务业设施用地；M为工业用地——《城市用地分类与规划建设用地标准》（2012年版）。

依据计算结果，对方案中城市绿地的用地规模、布局模式、生态控制进行深化调整。

3.2.3 依据修正后的方案，再次进行碳收支平衡状态评估

对方案进行反馈修正（逼近法），结合控规的时序，达到碳收支平衡要求：近期（2015年）达到低碳良好要求，固碳比为60%；中期（2020年）达到从低碳良好向低碳优秀过渡的要求，建议固碳比为70%；远期（2030年）达到低碳优秀要求，固碳比为80%。

3.3 一个行动（地块生态指标控制）落实

从实施管理出发，以碳收支的修订要求为依据，落实地块生态控制细则，进行调控管理。

4 实证分析——山东省巨野北部新区的控规编制

4.1 规划背景

巨野县位于山东省菏泽市东部，是国家级煤矿——巨野煤矿的所在地，是鲁南城市带上的重要能源城市。北部新区是实现巨野中心城区中“北扩战略”的重要载体。基地内大野水库、老洙水为其提供了优良的生态条件。本次规划的控制面积为17.5km2，建设用地约13km2。

4.2 研究范围界定

4.2.1 对象的空间界定

本文以规划的北部新区为研究对象，进行规划期限内的碳收支计算。

由于气体具有流动性和扩散性，规划对象和周边环境之间不可避免地存在着气体交换，为使问题简化以获得具有普遍性的评价方法和结论，本文只考虑规划范围内的碳收支。

4.2.2 对象的时间界定

按照规划要求，基准年为2012年，近期到2015年，中期到2020年，远期到2030年。

4.3 基于碳收支的规划方法

以建设“可实施的低碳生态新区”为出发点，本次规划采取“碳收支平衡”的系统方法进行规划编制。该方法主要包括两大要点：第一，进行系统的碳收支计算。第二，对碳收支计算进行合理修正。

表3 巨野新区碳收支现状情况（2012年）

表4 巨野新区常规发展模式下碳收支规划情况（2030年）

首先，规划对新区进行了系统的碳收支现状计算。为简化计算，只考虑不同规划模式下的碳收支变化情况。依据IPCC（政府间气候变化专门委员会）的相关研究及国家《综合能耗计算通则》，结合巨野当地有关数据进行计算，得出现状碳吸收率为9%。同时，对新区进行常规发展模式下的碳收支计算，得出此时新区的碳吸收率仅为2%。由此可见，碳排放能力大大增强，固碳能力减弱，碳收支不平衡严重加剧，需要进行合理修正（表3，表4）。

4.4 基于碳收支的“减少碳排、增加碳汇”规划策略

4.4.1 减少碳排——按照低碳生态要求，全面落实生态营城策略

（1）能源生态策略的要点有：清洁能源的选用、可再生能源利用、优化能源负荷标准

首先，规划方案针对前面计算提出的减排目标，提出能源的生态控制指标。据此，本次规划优先选用天然气作为新区主要能源种类，对可再生能源利用方面进行探索性规划，划分两个能源利用分区，充分利用水源、地源热泵技术，规划建设两处区域绿色能源站，敷设冷热能源管线，同时鼓励多种太阳能系统的使用（表5）。

4.4.2 增加碳汇（包括调整绿化种植结构、增加绿地面积）

（1）绿地规模的确定

本次规划用地总面积为17.5km2，其中规划范围内城市建设用地控制为13.05km2，预测2030年巨野县北部新区规划人口控制为14万人，人均城市建设用地91.5m2。本次规划绿地与广场用地（G类用地）面积333.54hm2，占城市建设用地的25.64%（表6）。

根据碳收支的计算方法，按照“2030年能源的碳排放为原来的60%、碳吸收率为80%、单位城市绿地（G类用地）汇碳能力提高200%，即1.66×2=3.32 tC/hm2/a”的标准进行计算，实际需要的城市绿地（G类用地）为420hm2。

从城市绿地的占比（25.64%）来看，已经满足国家关于“绿地与广场用地占建设总用地的10.0%—15.0%”的相关规定。同时，为平衡生态绿地和开发用地的关系，建议不再增加地面的绿化用地，而是从立体利用出发，提出可利用屋顶绿化的方法。该部分屋顶绿化面积为86.46hm2（420—333.54=86.46）。结合绿色建筑的要求，优先考虑将“公共管理与公共服务设施用地（129.93 hm2）”、“商业服务业设施用地（72.97hm2）”列为立体绿化的地块，分别按照相应的建筑密度控制，得出这两部分的屋顶绿化面积共计为55hm2。其次，考虑对部分“居住用地”进行立体绿化控制，该部分居住用地面积为（86.46-55）/20%=157.3hm2，即占总居住用地的30%（157.3/525.5=30%）。

为此，规划提出对全部的“公共管理与公共服务设施用地（129.93hm2）”、“商业服务业设施用地（72.97hm2）进行立体绿化强制性规定，对30%的居住用地进行立体绿化强制性规定（表7）。

表5 能源及资源利用的生态指标控制（在控规中进行明确规定）

表6 生态绿地的面积现状及规划对比情况

表7 绿化的面积构成分析

表8 绿地的生态控制指标

表9 控规图则中关于生态控制指标的内容

（2）绿地生态控制的确定

针对碳收支的具体情况，从提高碳汇出发，规划中对绿地提出明确的生态控制要求：

① 对333.54hm2提出绿容率⑬注释绿容率（Gv）的定义：也称绿量容积率，指某规划建设用地内，单位土地面积上植物的总绿量。绿容率与规划建设发生了关联，它不是衡量绿地本身的绿量大小，而是将地块上的总绿量摊在某规划建设用地上。它是联系绿量、绿量率与生态城市规划与建设的桥梁，更突出了绿色植物、绿量在生态建设中的作用。的要求，强制性明确绿地的种植结构比例，以提高碳汇能力（表8）。

② 对“公共管理与公共服务设施用地”、“商业服务业设施用地”提出“可利用屋顶绿化比例为100%”的立体绿化强制性规定；对“居住用地”提出“可利用屋顶绿化比例为30% ”的立体绿化强制性规定。上述要求结合绿色建筑的要求，在图则中进行明确规定。

4.5 规划实施与管理

规划实施与管理建议创新：控规图则中加入生态控制指标，并以《绿色建筑评价标准》为主要依据，按照碳收支的计算要求设定地块生态控制指标，提出绿色建筑实施措施，对地块的绿色建筑实施要求均作相应规定，并引入绿色建筑达标的奖励机制，方便协调管理（表9）。

5 结语

本文结合巨野北部低碳生态新区的控制性详细规划编制，剖析了碳收支方法在低碳生态新区规划中的具体应用。可以说，碳收支这一方法由于其有效的低碳计量分析，使得在编制低碳生态新区规划时，对低碳的情景预期有更清晰和更直观的研判，从而为规划编制的科学性和规划的调控提供更加可靠的基础。

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