基于CiteSpace的城市碳排放研究进展与研究体系建构

宋丽美, 徐峰, 2

基于CiteSpace的城市碳排放研究进展与研究体系建构

宋丽美1, 徐峰1, 2

1. 湖南大学建筑学院, 湖南, 长沙 410082 2. 丘陵地区人居环境湖南省重点实验室, 湖南, 长沙 410082

采用知识图谱方法对1991-2019年国内碳排放研究进行梳理, 得到我国城市碳排放研究科学知识图谱。梳理国内“城市碳排放”研究热点与演进规律, 构建城市碳排放研究框架体系。研究发现: (1)近20年国内城市碳排放研究内容主要集中在“低碳经济”、“城市规划”、“土地管理”、“温室气体排放”等方面, 以实证研究为主, 缺乏系统的理论体系研究, 跨学科的研究也较少; (2)研究精度和深度不够: 各行业部门碳排放研究主要是诊断性地对碳源及影响因素的梳理, 缺乏具体因素作用过程和机制的探讨; (3)基于空间数据的碳排放研究缺乏, 数据收集与共享是当下碳排放研究中急需解决的基础工作; (4)未来研究需要识别不同特征及不同发展阶段城市的低碳发展之路, 有针对性地提出低碳城市规划发展模式及路径, 为制定科学合理的碳排放研究体系提供理论依据, 为更加积极有效地低碳城市建设提供决策参考。

碳排放; 科学知识图谱; CiteSpace

0 前言

碳排放研究在全球积极应对气候问题的大趋势下成为重点, 从国家, 区域, 城市到农村都开始探索低碳发展模式。系统的碳排放研究梳理有助于引导决策者从不同环节管理CO2排放量, 最终减少温室气体排放。国内学者从不同行业对于碳排放研究现状进行了总结, 如孙晋坤0对旅游交通碳排放, 张丹0对农作物碳足迹核算研究述评; 范凤岩等0对能源碳排放影响因素研究进行了梳理; 张晓梅0对省际区域碳排放核算进行了回顾和述评; 王悦0运用文献计量归纳了城市家庭消费碳排放研究进展。近年来城市规划视角下碳排放研究综述也逐渐增多, 以顾朝林为代表的学者较早关注气候变化下城市规划的适应性及研究进展0。也有学者从具体规划出发, 如杨磊等0梳理了城市空间形态与碳排放关系研究的基本思路, 发现定量研究是主流方向; 肖华斌0从城市空间结构组织与形态、土地资源开发与利用、交通系统规划与管理和城乡绿地评估几个方面阐述了国内外低碳导向的空间规划理论和技术研究现状; 魏书威等0从城市住区碳排放体系建构、方案评价实践等方面系统梳理了城市住区方案碳评的研究进度; 侯路瑶等0梳理了1990—2016年国外气候变化与城市规划的研究热点和发展趋势, 发现整合气候要素、人类社会、空间系统三者互动协作发展的适应性规划体系是今后适应性发展的核心。

可以发现, 已有的综述在研究内容上多是独立性地对某个领域进行研究, 且以传统的主观文献阅读整理为主, 缺少结合文献计量学对城市碳排放整体研究现状的总结和体系化的研究。采用文献计量学方法对各类研究主题文献的特征进行分析, 可以反映出学科领域的研究现状和发展趋势0。且系统地对城市碳排放研究框架进行梳理可以让已有研究脉络和研究空缺更加清晰, 对未来的研究方向和趋势把握具有一定参考价值。本文基于文献计量学, 利用CiteSpace在碳排放研究科学知识图谱的基础上, 梳理1991—2019年这一时间段国内外碳排放研究热点与热点演变规律, 旨在分析国内碳排放研究中存在的不足与空缺, 提出城市碳排放研究框架体系, 为进一步开展相关研究提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

当前有关文献计量的软件有十余种之多, 各个软件都具有各自的优势, 而Cite Space软件以其强大的文献共被引分析而知名, 当前Cite Space软件已经被广泛应用于计算机科学、信息科学、医学等60多个领域0。鉴于1990年IPCC(气候变化政府间工作小组)第一次提出各国应承担气候变化的责任这一举措对各国气候研究问题的影响, 本文以中国知网(CNKI)收录的学术期刊和Web of science为核心数据库, 以“碳排放”和“城市”为主题词以及摘要关键词对学术期刊和学术论文两类文献进行检索, 通过citespace软件去重后, 收集了1991年至2019年(数据获取截止日为2019年10月31日)“城市碳排放”相关文献共2204篇。

1.2 研究方法

科学知识图谱是显示科学知识发展进展与结构关系的一种关系网络图, 可以反映某学科的发展历程、研究热点和趋势。本文使用CiteSpace5.5.R2 SE(64-bit)作为分析工具, 对CNKI数据进行格式转换, 去重建立分析数据库生成科学知识图谱。

2 城市碳排放研究总体趋势分析

2.1 碳排放研究关键词分析

通过CiteSpace软件的“关键词共现”对1991—2019年所有文献中关键词出现的频次进行聚类分析, 可以发现碳排放研究中出现最多的关键词为“碳排放”、“低碳经济”、“城市规划”、“土地管理”、“温室气体排放”等如下图1。化石燃料的使用和土地利用的变化是引起 CO2增加的主要原因, 而经济结构和土地利用方式直接影响着能源使用及其碳排放强度, 所以近20年国内城市碳排放研究的热点与趋势也主要集中在低碳经济发展, 土地利用管理, 低碳城市规划三个方面。

对“低碳城市”关键词再次分析后得到下图2关键词聚类图谱, 研究热点具体集中在“低碳生态城市”、“指标体系”、“控制性详细规划”、“模型”等方面。可以发现低碳经济概念提出后, 众多城市研究学者开始从严谨的定量化研究角度和明确的规划方法上引导城市低碳发展。

图1 国内城市“碳排放”研究关键词聚类图谱

Figure 1 Clustering atlas of keyword research on "carbon emissions" in domestic cities

图2 国内“低碳城市”研究关键词聚类图谱

Figure 2 Keyword clustering map of domestic "low-carbon city" research

2.2 城市碳排放研究脉络分析

通过城市碳排放研究突现词图谱选取前13个突现词, 如下图3。可以发现, 2009年是“碳排放”研究突现时间段, 与图4知网文献数量变化趋势一致。发现2010年开始出现城市规划对“碳排放”思考的热潮, 从2014年开始, 碳排放研究的关键词开始增多, 逐渐出现了“生态城市”、“城镇化”和“碳减排”这样的关键词, 可以看出大家对低碳发展模式的认识逐渐加强。

2.3 城市碳排放研究的主要机构与作者

我国从事城市碳排放研究的人员散布在全国各地的科研机构及院校中, CiteSpace分析结果如下图5, 城市碳排放研究的主要机构是高校和研究院, 其中中国社会科学院城市发展与环境研究所发文数量最多为30篇, 发文数量情况如下表1。

2.4 城市碳排放研究的期刊分布特征

将发文数量超过20篇以上的期刊定为城市碳排放关注的重要期刊, 统计发现, 《城市发展研究》、《城市规划》、《中国人口·资源与环境》等8本期刊是为低碳城市研究的主要期刊。近年来发文数量、主要发文作者、共被引次数情况(统计截止时间为2019年11月15日)如下表2。

图3 国内城市“碳排放”研究突现词图谱

Figure 3 A map of the emergent words of "carbon emission" research in domestic cities

图4 2001 年至 2018 年城市碳排放文献增长变化趋势

Figure 4 Urban carbon emissions literature growth trends from 2001 to 2018

图5 国内城市碳排放研究的主要机构图谱

Figure 5 Atlas of major institutions for domestic urban carbon emission research

表1 国内城市碳排放研究的主要发文机构

统计截止日期: 2019年11月15日

表2 城市碳排放研究主要期刊

3 城市碳排放研究内容分析

通过CiteSpace文献关键词聚类分析发现, 国内学者对于城市碳排放的研究主要集中在: 碳排放核算、碳排放影响因素分析、碳排放与用地关系研究、低碳城市发展模式与路径研究等4个方面。

3.1 城市碳排放核算研究

IPCC(政府间气候变化专门委员会)于2006 年出版的碳排放清单是被广泛普遍认可的[16]。顾朝林[17]梳理了中国城市温室气体排放清单编制和方法综述, 丛建辉等[18]归纳了9种城市碳排放边界界定方法, 都为后来研究提供了重要参考。我国发布的“企业温室气体排放核算和报告”系列国家标准, 建筑碳排放计算标准(GBT 51366-2019)是我国温室气体核算标准的良好开端, 但还尚未成熟。

国外学者0提出城市碳排放清单包括食物, 水, 建筑材料, 化石燃料和电力, 以及垃圾填埋, 焚烧, 回收和废水等; 核算范围多是城市尺度0, 也有“社区”尺度的研究0, 但小尺度研究都集中在发达国家的城市地区, 因为数据更容易获得。国内学者张梅0从能源消费、工业生产过程和废弃物排放方面对城市碳排放进行了估算和分析; 叶瑞克等0分别就城市建筑群碳排放核算、道路交通碳排放核算构建模型。

总体来看, 城市尺度的碳排放清单涵盖的排放活动类型非常全面, 但研究分类不够细致。对于不同层级碳排放的核算仍然没有统一的清单, 这种不确定性很大程度上由于数据缺乏。如何根据区域特征有针对性地提出科学全面的碳排放核算清单仍然是当下学术研究和政策制定中的重要挑战。

3.2 城市碳排放影响因素研究

3.2.1 整体因素分解研究

(1)研究内容

从温室气体被关注以来就有国内外学者关注碳排放因素分解。城市碳排放的影响因素研究一方面是从宏观角度研究城市或区域的碳排放特征与影响因素0。采用不同的分析方法结果可能不同, 但大多结论都表明人口规模、能源强度、人均收入水平以及经济结构是影响二氧化碳排放的重要因素0。另一方面是从具体行业视角研究不同领域碳排放影响因素, 如交通运输业碳排放0, 工业碳排放0, 家庭生活能源消费碳排放0, 城市能源碳排放0, 城市住宅碳排放0。通过文献梳理发现, 不管是城市整体能源消耗的碳排放还是具体行业领域碳排放的影响因素都可以归纳为人口、经济、产业结构、能源结构、能源强度4个方面。大部分研究表明, 能源强度和经济规模的变动是影响我国CO2排放的主要因素, 而经济结构和能源消费结构的影响在不同时期贡献程度会不相同0。

(2)研究方法

当前对于碳排放影响因素的研究方法主要有以下四种: ①EPAT方程因素分解; ②对数均值迪氏指数因素分解法(LMDI); ③kaya恒等式; ④STIRPAT模型。总体来看对于城市总量数据进行宏观因素分解的研究较多, 缺少对于具体行业内部微观的深入研究。可以将城市系统中影响因素具体指标概括为下图6, 研究基本是从城市形态特征、功能特征、地理特征、社会经济特征几个方面展开。

单因素分析是就一个具体因素分析其与碳排放之间的关系, 如人口规模, 结构, 密度和增长率与碳排放的关系。国外学者表明随着小型家庭显著增加, 人口结构的变化增加了温室气体的排放0。杨文芳0研究我国人口对碳排放的影响, 表明人口增长对东部碳排放有显著正的影响, 而对西部省份影响不明显; 如经济水平与碳排放的关系, 大多数研究证明经济条件与能源使用和碳排放呈正相关0。

对碳排放因素的研究后来逐渐扩展到对城市化与环境污染之间的因果关系验证。众多研究表明城市化对CO2排放有促进作用0, 但Sharma S.S0则指出了相反的研究结果。对于城市化与碳排放关系研究以发展中国家居多, 如Ning Zhang0利用1961-2011年期间141个国家的面板数据, 验证了城市化与碳排放之间存在倒U型关系, 转折点约为73.80%; 也有人指出城市化相关的CO2排放依赖于能源消费组合等因素0, 能源使用是模拟城市化与CO2排放关系的关键变量。

众多研究表明, 目前我国城市化对碳排放是促进作用, 正处于环境库兹涅茨曲线的上升阶段, 不同城镇化模式下各因素对碳排放的影响存在明显差异。

3.3 用地规划视角下的城市碳排放研究

(1)城市用地与碳排放的关系研究

国内外大量关注土地利用变化对气候变化的研究0表明退耕还林或还草能显著增强生态系统的碳汇能力; 赵荣钦等0针对土地利用变化与碳排放关系做了大量研究, 总结了土地利用类型与碳排放源对应关系如下表3。

图6 城市能源消费的影响因素模型

Figure 6 Influencing factors model of urban energy consumption

表3 土地利用类型与碳排放源对应关系

城市扩张过程的用地面积增长和空间特征变化均会影响城市碳排放。国外学者采用DEA分析0、Malmquist指数模型0方法对土地利用的碳排放效率研究表明土地利用结构(特别是建设用地的冗余)是造成碳排放效率差异的主要原因。国内学者舒心等0研究了长三角城市群碳排放与城市用地增长的脱钩状态, 表明至2015年近70%的城市已达到了脱钩; 朱志远0研究了城市建设用地集约利用程度与碳排放效率的关系, 表明城市建设用地集约程度与碳排放综合效率并不保持普遍一致。虽然学者们对城市化与碳的因果关系进行了大量研究, 但对土地利用导致碳排放的动态过程仍没有深刻理解, 对有哪些低碳干预措施, 在哪个环节干预或者干预效果如何都没有研究的很透彻。

(2)土地利用碳排放的驱动机制及因素分解

城市土地利用碳排放的影响因素分解有助于理清主要的碳排放源, 为低碳城市规划找到切入口; 李健0发现经济水平与建设用地规模是碳排放量增长的正效应因素, 碳排放强度与土地利用效率是负效应因素; 张俊峰等0研究发现, 经济水平, 人口因素对城市土地利用碳排放具有较强的正效应, 土地利用结构、土地利用效率、能源效率和能源结构优化一定程度上抑制碳排放。

可以发现大多数研究是针对中观城市区域进行土地利用碳排放测算和因素分解, 对碳排放趋势和主要影响因素有了初步认识, 并提出优化土地利用结构、提升土地利用和能源效率等策略减少碳排放的途径。但这类文章多基于宏观视角分析, 出现在经济管理、土地资源规划与管理专业领域, 对于怎么构建和如何干预某一因素的作用机制没有深入研究。

(3)城市形态与碳排放优化研究

Ewing第一次系统性地研究了城市空间形态与碳排放关系, 认为城市空间形态通过电力传输过程的损耗、对住房市场的影响、形成城市热岛效应这三个途径来影响居民碳排放0; 国内学者如潘海啸0从区域规划、城市总体规划和详细规划三个层次提出低碳城市空间规划策略, 并在城市交通与土地使用、密度控制和功能混合方面提出改进规划编制的建议; 秦波0表明建筑密度、土地利用形态、就业可达性和公交可达性均对居民的直接碳排放产生显著影响; 还有很多学者模拟不同城市规划方案碳排放动态情景提出低碳空间规划策略0。总体来看, 空间形态与碳排放关系与规划策略可概括为下图7。大多数研究主要侧重于空间形态、土地利用控制和空间布局方案的优化策略, 缺少基于空间数据分析的定量研究和微观机理的解释。应该加强分析不同土地利用属性、集约度与人类资源投入等微观层面土地利用碳排放效应的具体分析, 提高研究精度。

3.4 城市低碳建设模式与路径研究

大多数学者认为低碳模式是一种以低能耗、低污染、低排放和高效能、高效率、高效益的新的经济发展模式。诸大建0从建筑、生产和交通三方面制定了基于城市生活低碳化、物质生产循环化及城市空间紧凑化的低碳发展策略; 中国科学院0也指出低碳城市就是以城市空间为载体来发展低碳经济, 实施绿色交通和建筑来转变居民消费观念, 创新低碳技术, 从而达到城市低碳发展; 董琦0从城市空间规划、交通规划和产业规划三方面阐述了建设低碳城市对城市规划政策的引导要求; 宋德勇0总结了较为成熟的6种低碳发展模式, 并指出不同的城市应该根据自身特征选择适宜的发展模式; 庄贵阳0从产业低碳化、能源供应低碳化, 空间布局及基础设施的低碳化、低碳生态系统和增强碳汇、低碳社会消费模式阐述了城市低碳发展路径; 顾大治0从交通体系重构和土地利用规划入手, 探讨绿色城市空间规划方法实现低碳城市发展目标; 李超骕等0则认为低碳城市建设是涉及政府、企业以及居民三方面的多目标问题。总体看低碳城市建设路径可概括为: 以低碳经济为基础, 城市空间为载体, 通过规划引领, 低碳建设, 有效管理与公众参与最终实现城市“三生”系统的低碳目标, 如下图8。从研究现状来看, 我们国家低碳城市建设模式处于起步探索阶段, 但是随着多个低碳试点确定, 国内对低碳城市发展规划的研究不断增多。一方面需要增强理论体系研究, 提高研究精度, 研究城市化过程中经济、社会、生态系统如何影响能源和土地使用并影响碳排放。

图7 城市空间形态与碳排放作用机制及规划策略

Figure 7 Urban spatial form and carbon emissions action mechanism and planning strategy

另一方面, 为了提高社会关注, 必须让政府企业等利益相关者或更多的社会参与者共同参与碳排放系统研究, 共同探索减缓碳排放的路径, 向低碳城市化道路转变。

4 结论与展望

4.1 碳排放理论研究体系

总体来看, 国内外对于低碳城市的关注度越来越高, 基于以上分析可以将城市碳排放研究按照研究内容分为3级, 如下图9, 使得碳排放研究层级更加清晰。旨在为今后研究者提供参考, 从研究不足和空缺不断完善碳排放理论研究体系。

4.2 碳排放框架体系

通过主要的期刊的碳排放研究文献梳理发现, 城市碳排放研究涉及了国家-省域-城市-社区的不同尺度, 交通运输业、旅游业、建筑业、工业、制造业、物流业、家庭生活等不同部门, 碳排放核算、区域分异、影响因素分析等不同研究内容, 研究体系如下图10,而规划视角的碳排放研究体系可概括为图11, 后期的“低碳城市规划研究”内容与范基平低碳城市研究综述0中“发展模式, 支撑体系, 实现途径, 评估体系”等低碳城市发展理论相关研究内容一致。

图8 低碳城市建设路径

Figure 8 The path of low-carbon city construction

图9 碳排放研究层级(由内到外研究范围逐渐缩小)

Figure 9 Carbon emission research level (gradual narrowing of research scope from inside to outside)

图10 城市碳排放研究体系

Figure 10 Urban carbon emission research system

4.3 研究不足

通过梳理可以发现国内城市碳排放的研究丰富, 但也存在不足之处, 主要表现在以下方面:

(1)研究方法

首先, 当前核算方法主要是基于能源消费的碳排放量, 但是二氧化碳的排放不仅与终端能源有关, 它涉及到工业生产过程、废弃物处理等非能源消费环节。因此基于全过程、全领域的碳排放核算方法是目前碳排放核算方法中迫切需要解决的难题。其次, 不同领域中能源来源可能不同, 是否采用不同的能源碳排放系数, 碳排放系数的选择直接影响了碳排放核算结果的准确性, 所以不同行业碳排放核算差别与碳排放系数的确定需要更加精确。

(2)研究内容

首先, 以实证研究为主, 缺少体系化的理论研究。对于城市碳排放的动态过程仍然没有深刻系统的研究, 低碳干预措施在哪个环节干预或者干预效果如何都没有研究的很透彻; 已有研究多是诊断性的, 指出有哪些碳排放源, 排放了多少碳, 缺乏具体环节碳排放作用机理的定量化研究。尤其是规划视角下的研究需要量化空间利用与碳排放的“机制”和“规划干预”等中后期研究。

其次, 跨学科和综合的研究仍然较少, 少有学者将其他学科研究成果结合来对城市化过程中区域不同层次和系统的碳排放进行更深入的理解。

(3)研究手段

研究方法大多依赖传统统计数据, 以空间数据为载体的规划碳排放研究缺乏。地理信息系统、卫星图像和大数据计算能力和储存极大地扩大了我们研究不同地区碳排放的能力, 应该得到充分利用, 而这一块是当前我国碳排放研究的空缺。

4.4 研究展望

低碳建设是一项复杂的系统工程, 对于碳排放清单的梳理是碳排放评价和碳减排研究的基础。未来碳排放研究一方面需要梳理碳排放清单找出不同行业碳排放源, 研究不同碳排放源的排放机制, 影响因素, 再针对性地提出碳减排策略; 另一方面对不同系统碳排放研究精度有待加强, 需要基础研究和应用研究的结合以对碳排放问题有更综合系统的理解; 同时针对我国实际, 更多的研究需要识别不同特征及不同发展阶段城市的低碳发展之路, 有针对性地提出低碳城市规划模式及路径。

图11 城市规划视角下的碳排放研究框架体系

Figure 11 Carbon emissions research system from the perspective of urban planning

值得探索的研究方向包括: 1)城市建设低碳发展模式, 城市化碳效应与国外进行对比分析; 2)定量化研究城市建设发展中碳系统变化, 研究各子系统, 如改变经济和政策对碳排放和碳库的影响; 3)加强微观层面碳库碳汇系统的研究, 对土地资源可持续管理以应对城市发展碳增加的部分; 4)基于城市空间数据深入研究各种“碳排放”驱动因素作用机制, 从土地利用、能源、建筑等微观层面提出低碳技术; 5)探索定量研究来控制能源使用和碳排放预测, 约束碳增量, 使得碳排放增量在城市系统的“碳”承载范围内。

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A review of the research on the carbon emission based on CiteSpace and construction of research system

SONG Limei1, XU Feng1,2

1. Architecture school, Hunan University, Chang Sha, Hunan 410082, China 2. Hunan key laboratory of sciences of urban and rural human settlements in hills areas, Chang Sha, Hunan 410082, China

This paper analyzed the carbon emission study in China from 1998 to 2019 by CiteSpace, and got the scientific knowledge map of city carbon emission research in China. On this basis, it presented the most research hotspots and evolution rules of "carbon emission of city", built a carbon emission research system of city . The results show that: (1)In the past 20 years, the research content of domestic urban carbon emissions has mainly focused on “low-carbon economy”, “urban planning”, “land management”, “greenhouse gas emission”. It was mainly based on empirical research, but was lacking systematic theoretical system research, interdisciplinary and integrated research. (2) The accuracy and depth of research are not enough; the research on city carbon emissions of various systems is mainly diagnostic for carbon sources, lacking of the discussion of the process and mechanism of carbon emissions in a certain industries. (3)Carbon emissions research based on geographic information systems and satellite imagery is the vacancy in current carbon emissions research in China, and data collection and data sharing are the basic work that need to be urgently addressed in current carbon emissions research. (4)Future research needs to identify the low-carbon development model of cities for different characteristics and different stages of development, and propose the development model and path of low-carbon urban planning in a targeted manner. It can provide a theoretical basis for formulating a scientific and reasonable carbon emissions research system, and provide a decision-making reference for a more active and effective low-carbon city construction.

carbon emissions; scientific knowedge map; CiteSpace

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.023

X196

A

1008-8873(2021)05-183-12

2020-04-05;

2020-05-04

国家重点研发计划资助”田园综合体宜居村镇规划设计技术集成与示范”(2019YFD11001301); 湖南省科技创新团队“绿色宜居村镇建筑协同发展与创新”(2020RC4045)

宋丽美(1991—), 女, 山西朔州人, 博士研究生, 从事农村与区域低碳建设发展方面的研究, 电话13107005808, email:35727948@qq.com

通信作者:徐峰(1971—), 男, 湖南长沙人, 教授, 院长, 博士生导师, 从事绿色宜居村镇技术集成研究, fengxu@hnu.edu.cn

宋丽美, 徐峰. 基于CiteSpace的城市碳排放研究进展与研究体系建构[J]. 生态科学, 2021, 40(5): 183–194.

SONG Limei, XU Feng. A review of the research on the carbon emission based on CiteSpace and construction of research system[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 183–194.