摘要
城市是实现中国2035年碳减排目标的关键载体，但现有的城市碳治理往往忽视了建成环境空间形态及其利用效率中隐含的碳排放。本研究构建了一个包含碳排放总量（Carbon Emission Amount，CEA）、碳排放强度（Carbon Emission Intensity，CEI）和碳排放密度（Carbon Emission Density，CED）的三维碳治理框架，旨在识别南京市面向中国2035年国土空间治理与碳减排目标的脱碳路径。研究结果表明，过去20年间，南京市经济碳强度下降了56.6%，但碳排放总量增至原来的3.6倍，土地碳排放强度增至原来的1.3倍，反映出严重的空间碳锁定现象。情景模拟结果显示，仅SSP1和SSP2情景下的碳减排幅度与2035年目标保持一致。尽管现行规划能够确保南京市在2030年前实现碳达峰，但仍不足以实现2035年的碳减排目标。根据安全与公正原则将国家目标分解至南京市后，只有通过优化空间配置（CEI）和建筑体量密度（CED），才有可能实现所需的7.6%—10.8%的碳减排幅度。尤为重要的是，有效减排需要实施差异化的空间管控：对于工业用地，应优先设置CED阈值，来约束建筑体量的垂向叠加；对于商业和居住用地，则应实行CEI与CED相结合的协同管控方案。本研究将低碳发展目标转化为国土空间规划中的可操作要求，为协调城市紧凑化发展与碳排放绝对量下降提供了可量化、可实施的规划指标。
中国城市碳治理重心正在由达峰前的增量控制转向达峰后的绝对减排。与传统意义上的能源效率提升相比，城市空间结构一旦形成，土地用途、建筑形态和交通组织往往会在较长时期内保持稳定，由此产生持续性的能源需求和碳排放。因此，仅从产业结构或单位GDP碳排放出发，难以充分解释城市扩张与建成环境中长期存在的碳锁定效应。
既有研究已经对城市碳排放核算、土地利用变化和二维空间分布开展了大量讨论，但仍存在两个方面的不足。一方面，碳排放总量无法区分高排放究竟源于建设用地规模过大，还是单位土地面积承载的碳排放过高；另一方面，传统二维土地指标难以反映建筑高度、建筑体积以及垂直开发所形成的三维空间差异。这使得总体碳目标与国土空间规划之间缺少了可以直接衔接的中间指标。为此，本研究将城市建设用地碳治理划分为三个相互关联的维度。其中，CEA反映一定空间范围内的碳排放规模，CEI表示单位建设用地面积承载的碳排放，CED则表示单位建筑体积所对应的碳排放。三类指标共同回答“排放了多少”、“单位土地承载多少排放”以及“排放如何嵌入三维建成环境”的问题，从而将城市碳治理由总量控制和二维土地配置进一步拓展至三维空间形态治理。
南京是长江三角洲地区重要的特大城市，也是国家低碳试点的示范城市。伴随长期快速城市化发展，南京形成了高密度中心城区、外围工业集聚区、旧城更新区以及持续垂直开发区并存的空间结构。到了2020年，南京建成区面积已达到868.28 km²，城市空间扩张所形成的存量建成环境具有较强的路径依赖。同时，不同地区在土地用途、建筑形态和产业结构方面存在明显差异，这为识别城市三维碳效率及其空间异质性提供了典型案例。
本文以南京市为研究对象，构建了由碳排放总量（CEA）、碳排放强度（CEI）和碳排放密度（CED）组成的三维碳治理框架，分别从排放规模、空间配置和建成环境形态三个维度衡量城市建设用地的碳排放绩效。研究综合能源消费统计、兴趣点、夜间灯光、人口、GDP、道路网络及建筑体量等多源数据，将不同部门的碳排放降尺度至90 m网格；进一步结合三维未来土地利用模拟模型与改进的IPAT/Kaya模型，对BAU、SSP1、SSP2、SSP5及现行规划情景下的城市空间与碳排放变化进行模拟，并依据安全与公正原则将国家2035年碳减排目标分解至南京市。
首先，本研究说明了南京经济碳效率的提升并未同步带来空间碳效率的改善且建设用地碳排放表现出显著的空间分异和土地利用类型差异。过去20年间，南京经济碳强度下降了56.6%，但碳排放总量增至原来的3.6倍，土地碳排放强度增至原来的1.3倍。单位建设用地面积碳排放呈显著上升趋势，说明城市扩张、产业集聚与减排效率提升之间尚未形成协调关系，经济效率改善在一定程度上掩盖了建成环境中持续累积的空间碳锁定。2020年，南京建设用地碳排放总量约为108.14 Mt CO₂，占全市人为碳排放的84.18%，并呈现由中心城区向外围工业地区集聚的空间格局。CEA、CEI和CED的综合比较表明，碳排放总量较低并不必然意味着空间碳效率较高：不同地区的高排放可能分别源于建设用地规模扩张、单位土地排放集聚或建筑体量中的碳排放叠加。因此，仅采用统一的总量指标难以准确识别不同高碳空间的形成机制。
其次，本文判断不同发展情景在实现2035年碳目标上存在明显差异。SSP1和SSP2情景下，南京预计于2025年前后达到碳峰值，并可在2030—2035年分别减排10.39 Mt CO₂和9.98 Mt CO₂，是能够满足2035年目标的两种发展路径。相比之下，SSP5情景的达峰时间推迟至2033年，无法形成足够的达峰后减排空间。现行规划虽然能够保障南京在2030年前后实现碳达峰，但2030—2035年的减排量仅为0.78 Mt CO₂，仍不足以完成2035年碳减排任务。这说明“如期达峰”并不等同于“实现达峰后的绝对减排”，现行规划仍需进一步强化空间碳约束。
第三，本文说明要实现2035年目标则需要从总量控制转向差异化的三维空间治理。根据国家目标分解结果，南京建设用地碳排放需在2030—2035年下降约7.6%—10.8%。外围工业集聚区应重点控制工业用地的CED阈值，约束高碳活动在建筑体量上的垂向叠加；商业和居住用地则应实施CEI与CED协同管控，在推进紧凑开发的同时避免局部碳排放过度集中。不同地区还应根据其CEA、CEI和CED组合特征，分别采取产业脱碳、土地利用结构调整、技术升级和垂直开发优化等措施。
为了突破了传统二维碳排放指标的局限，本研究将土地开发规模、空间配置效率和三维建筑形态纳入统一的碳治理框架，并将国家减排目标转化为国土空间规划中可量化、可分解的管控指标。该框架为在规划许可、土地供应、城市更新和项目准入中嵌入CEI与CED阈值提供了方法支撑，也为协调城市紧凑化发展与碳排放绝对量下降提供了新的空间治理路径。
Figure 1 Schematic diagram of 3D spatial carbon governance. a. The rationale for incorporating land as a factor into spatial carbon governance; b. A comprehensive three-dimensional spatial carbon management framework encompassing emission amount (CEA), emission intensity (CEI), and emission density (CED).Figure 2 Technology roadmap for construction land 3D carbon governance
Figure 3 Trends in construction-land CEI and GDP-based carbon intensity in Nanjing from 2000 to 2020. a. The horizontal axis represents construction-land CEI, measured as emissions per unit area of construction land (unit: t/ha). The vertical axis represents GDP-based carbon intensity, measured as emissions per unit GDP (unit: t/10,000 yuan). The size of the gray circles represents total emissions. b. The Mann–Kendall trend test for land carbon intensity from 2000 to 2020 showed a significant increase (Z = 4.92, p < 0.001), with a Sen’s slope of 24.84 t/ha/yr; c. The Mann–Kendall trend test for economic carbon intensity from 2000 to 2020 showed a significant decrease (Z = -5.41, p < 0.001), with a Sen’s slope of -0.18 t/10,000 yuan/yr.
Figure 4 Spatial patterns of three-dimensional construction land carbon emissions in Nanjing. (a) Total emissions (CEA); (b) Emission intensity (CEI); (c) Emission density (CED); (d) Three-dimensional pattern characteristics. Zones with colored shade distinguish three types of districts: high-carbon agglomeration zones, high-carbon transition zones, and low-carbon high-efficiency zones.
Figure 5 Spatial pattern of three-dimensional carbon emission for different types of construction land in Nanjing. a–c. total carbon emissions (CEA) from industrial, residential, and commercial construction land; d–f. carbon emission intensity (CEI) of the three types of construction land; g–i. carbon emission density (CED) of three types of construction land. The numbers 1–11 in the bar chart represent the values for the 11 districts and counties of Nanjing, namely: Qinhuai, Jianye, Xuanwu, Gulou, Jiangning, Luhe, Qixia, Yuhuatai, Pukou, Lishui, and Gaochun.
Figure 6 Three-dimensional carbon emission patterns of different types of construction land in Nanjing.
Figure 7. Projected changes in construction land expansion and average building height in Nanjing under the BAU, SSP1, SSP2, and SSP5 in 2030. BAU serves as a trend-based reference for evaluating the spatial effects of planning intervention, while the SSP scenarios represent alternative socioeconomic development pathways. a. Built-up land expansion under different scenarios; b. Changes in average building height under different scenarios; c-f. Spatial distribution of construction-land expansion under BAU, SSP1, SSP2, and SSP5, respectively.
Figure 8. City-level three-dimensional carbon efficiency outcomes of Nanjing under different scenarios in 2030. a. Total emissions (CEA) of Nanjing in 2030 under SSPs (unit: Mt); b. Emission intensity (CEI) of Nanjing in 2030 under SSPs (unit: kg/m2); c. Emission density (CED) of Nanjing in 2030 under SSPs (unit: kg/m3).
Figure 9. Spatial patterns of three-dimensional carbon efficiency in Nanjing under different SSPs and planning scenarios in 2030. a-c. Projected layout of total emissions (CEA) in Nanjing under SSPs; d-f. Projected layout of emission intensity (CEI) in Nanjing under SSPs; g-i. Projected layout of emission density (CED) in Nanjing under SSPs.
Figure 10. Construction land expansion under the aligned 2035 carbon emission reduction targets and planning goals. a. The map on the left shows the distribution of three types of construction land under the urban development boundary control in 2035 spatial planning; b. The carbon emission amount (CEA) of construction land expansion in Nanjing under planning scenarios; c. The carbon emission intensity (CEI) of construction land expansion in Nanjing under planning scenarios; d.The carbon emission density (CED) of construction land expansion in Nanjing under planning scenarios.
Figure 11. Future Carbon Emission Trends and Gaps in Nanjing. a. Emission trends of Nanjing from 2020-2035, and the gap between planned scenarios and carbon reduction targets; b. Carbon emission reduction (CEA) required for construction land in Nanjing under the 2035 carbon target; c. Carbon emission intensity (CEI) target for construction land in Nanjing under the 2035 carbon target; d. Carbon emission density (CED) target for construction land in Nanjing under the 2035 carbon target.
Figure 12. Decarbonization pathways from three dimensions for three types of construction land toward the 2035 carbon target. a. represents the decarbonization pathways from three dimensions for the total construction land during 2030-2035; b. represents the decarbonization pathways from three dimensions for industrial land during 2030-2035; c. represents the decarbonization pathways from three dimensions for commercial land during 2030-2035; d. represents the decarbonization pathways from three dimensions for residential land during 2030-2035.
