地理学视角下“双碳”研究：主题、成效及展望

　　地理学视角下“双碳”研究：主题、成效及展望

　　1.引言

　　碳达峰碳中和（“双碳”）既是应对全球气候变化与环境治理的必然选择，也是推动中国高质量发展和生态文明建设的内在要求。党的二十大报告明确提出要积极稳妥推进碳达峰碳中和，并有计划分步骤实施碳达峰行动。实际上，“双碳”是一项长期性、复杂性和系统性的工程，涉及人类社会经济活动和地球系统多圈层多要素间的相互作用和互馈机制，进而推动社会经济系统的深层次变革并实现绿色发展。长期以来，地理学一直以人地系统为研究核心，强调时空区域性、综合性、交叉性、复杂性和系统性，从而揭示人文与自然系统的空间格局、耦合过程和驱动机理等，这使得地理学科具有独特的比较优势。基于地理学“格局一过程一机制一效应一调控”的学科逻辑开展“双碳”研究，有助于充分分析区域经济一社会一生态复合系统碳收支的空间格局和演化过程，揭示微观一中观一宏观等不同尺度下的驱动因素和内在机理。同时，运用地学分析模型的理论、技术与方法，结合地区资源禀赋和产业结构实际，有助于制定区域性、差异性、针对性和可操作性的“双碳”行动方案，促进稳妥有序推进“双碳”战略目标的实现。因此，本文系统梳理中国主流地理学期刊及学者发表的研究文献，厘清地理学视角下的“双碳”研究脉络，遵循“学科分支一数据方法一研究对象一成果贡献”的目标导向思维，总结地理学分支学科下的研究主题、数据方法、研究对象以及成果产出等，以期为“双碳”研究提供新的学科视角补充，进一步提升地理学对“双碳”研究的理论贡献和支撑作用。

　　2.地理分支学科下的“双碳”研究

　　地理学主要有自然地理学、人文地理学和信息地理学三大传统分支学科。自然地理学以人类生存的自然环境为主要研究对象。在“双碳”语境下，自然地理学主要研究陆地生态系统碳源碳汇、土地利用的碳排放效应、林业和海洋的碳库结构、大气CO2浓度与气候变化的关系等，侧重碳汇本底条件的更新调查和碳储量评估，重点聚焦陆地生态系统碳汇研究。人文地理学则以人类活动的地域空间分布规律为研究对象，主要围绕不同尺度碳排放的时空演变、影响因素、作用机理、减排潜力、情景模拟和实施路径等方面展开研究，侧重分析不同空间尺度碳排放的时空演变过程及其驱动机制，为低碳国土空间格局优化提供调控方案。信息地理学以地理信息技术为手段，为地理学研究及应用提供方法工具和决策支持。信息地理学主要关注精细尺度碳排放核算、高分辨率排放清单编制、城市能耗空间定量化分析以及区域碳排放系统开发等方面，侧重将卫星遥感监测数据和传统能源消费数据相结合，进行碳数据空间可视化呈现，实现碳源碳汇的空间格局由行政边界向像元转换。

　　随着学科分析范式发展和国家战略需要，综合地理学成为地理学新的分支学科，凸显了地理学科交叉融合的发展特性。“双碳”作为地理学研究的新主题，本质上反映的是人地系统的协调，既涉及从国家到地方多空间尺度耦合的复杂性系统性问题，也涉及经济、社会和环境等诸多行业领域的交叉性综合性问题。未来，应主要基于区域性和综合性的地理学基本逻辑语境和人文一自然跨学科交叉融合优势，从格局一过程一机理一效应一调控的地理学视角探讨“双碳”议题，系统揭示社会一经济一自然复合生态系统中碳源碳汇的过程、格局、机制及其与人文一气候系统的互馈机理，并加强气候变化减缓、经济增长转型、社会运行体系优化等多学科分析和探讨，在“双碳”研究方向上建立地理学视角下的综合研究体系。

　　3.碳数据源、核算方法和地学分析模型

　　3.1碳数据源和核算方法

　　在地理学学科范畴下，常见的碳数据源主要有社会经济统计数据、遥感卫星监测数据和新型地理感知数据等。社会经济统计数据通过提供分行业分地区的能源消费数据，能够简单估算行政区划尺度的能源消耗产生的排放量。卫星遥感具有覆盖范围长、可重复观测和获取成本低等优势，同时能够获取多尺度长时间的数据，保证了数据的连续性和稳定性，成为观测大气CO2浓度变化的重要技术手段和有效数据来源。当前，利用遥感卫星估算CO2排放量主要有2个方面：一方面直接利用碳卫星数据，结合模式反演方法估算碳排放；另一方面通过建立夜间灯光数据与区域能源消耗间的关系方程，进而估算CO2排放总量。伴随着大数据时代的到来，交通大数据、调研访谈数据、城市地块数据和兴趣点(PointofInterest，POI)数据等多源数据与能耗数据相结合，形成了核算碳排放的新型数据来源，逐渐被应用于小尺度的碳排放估算中。另外，国内相关高校和科研院所构建了不同形式的数据库，为科研工作者和政府决策者提供了基础数据支持，如中国碳核算数据库、中国多尺度排放清单模型和《中国城市温室气体排放数据集》等。

　　如何采用有效的计量手段和科学的测算方法精确及时地核算C02排放，是实现“双碳”目标及相关过程的基础，也是实现“双碳”目标的难点之一。对地理学文献进行梳理后发现，碳核算方法主要有排放系数法、实测法、投入产出法和遥感模拟反演法等。排放系数法被地理学者广泛应用于不同部门行业和不同能源品类的碳排放核算当中，是适用范围最广、应用最为普遍的一种碳核算办法。但是碳排放因子获取渠道主要来源于IPCC方法学指南，有部分系数来源于政府部门、国际组织、行业机构、科研单位和学术成果等，不同机构和学者对碳排放系数确定的标准各不相同。实测法主要基于碳排放源的现场实测基础数据，进而汇总得到CO2排放量。但实测法在获取数据方面相对困难，投入较大，并且容易漏掉中间环节。投入产出法主要基于投入产出表，即通过列昂惕夫逆矩阵变换得到各部门中间生产过程及最终需求所导致的能源消耗量，然后基于碳排放系数计算碳排放量。已有研究主要基于单区域投入产出模型、双边投入产出模型、多区域投入产出模型及其衍生模型核算温室气体排放。由于区域投入产出表编制浪费大量时间和精力，计算过程较为复杂，因而在估算碳排放量时可能存在时间迟滞性等问题。遥感模拟反演法是通过碳卫星监测CO2浓度或通过夜间灯光数据反演估算碳排放量，具有统计口径一致、时间序列较长和覆盖范围较广等优势。遥感模拟反演法主要有2种：第一种是通过高光谱遥感卫星探测大气CO2浓度，反演区域CO2含量并结合地基监测数据，可以实时动态地监测CO2浓度变化；第二种是通过拟合美国国防气象卫星搭载的可见光线性扫描业务系统(DefenseMeteorologicalSatelliteProgramOperationalLinescanSystem，DMSP/OLS)夜间灯光数据和能源消费数据的关系进而估算碳排放量。该方法过分依赖夜间灯光数据及其与CO2排放之间的相关性关系，加上夜间灯光数据本身存在过饱和、背景噪声和不连续等固有缺陷，导致其应用场景无法被广泛接受。

　　3.2地学分析模型

　　地学分析模型主要是对获得的碳数据进行整合和分析，反映碳源碳汇的空间分异规律，并进行空间预测。地理学通常采用标准差椭圆、空间自相关、空间插值和空间马尔科夫链等方法探究碳源碳汇的空间分布、空间集聚、空间溢出、空间依赖以及空间关联等空间效应，结合地理探测器、地理加权回归模型和空间计量模型等方法，对碳源碳汇驱动力的地理尺度效应和空间异质效应进行定量研究。如杜海波等采用空间自相关和地理探测器对黄河流域能源消费碳排放的空间关联性和影响因素展开探讨。原伟鹏等综合采用探索性空间分析、标准差椭圆、核密度和多尺度地理加权回归模型等揭示多尺度地理空间视角下城市减污降碳协同的时空演变特征和驱动因子。薛彩霞等采用标准差椭圆刻画了保护性耕作净碳汇空间重心移动趋势。陈儒等运用空间自相关方法探索了农业碳汇的全局自相关和局部自相关性。综上发现，一方面，地理学研究更侧重于碳排放，主要是能源碳排放等，结合标准差椭圆和空间自相关等方法开展空间分析。目前来看，这些方法还是以传统地理学空间分析方法为主，缺少时空大数据与GIS空间分析相结合等新方法的使用。另一方面，目前地理学研究遵循碳源碳汇一空间分异的单一路线，相对缺乏多学科集成。Science和Nature上发表的相关论文指出，在面对日益复杂的全球气候变化引起的人类生存危机和社会文明崩溃，需要通过多学科集成融合模式，加强跨学科科研合作，构建跨学科的框架来揭示气候一社会的相互作用以及在不同时空尺度上辨别气候变化影响人类历史机制的固有不确定性，解决跨领域的环境和可持续性问题。在此方向上，地理学仍需要通过集成融合和吸纳应用各学科新的分析手段和研究方法，逐步形成操作性强、多重方法参与的“双碳”研究体系，建立综合研究数据库，提升地理学视角下“双碳”研究的整体水平。

　　4.研究对象类别及特征

　　地理学关注空间上自然环境和人类活动的相互作用方式、强度及在不同空间尺度下的叠加效应。地理空间下人与环境的关系是一个动态演化的过程，着力于关注人类活动中自然环境的时空演变特征和地域分异规律以及人类活动空间分布、人文现象空间特征、人类活动和赖以生存的地理环境间的耦合关系。因此，地理学视角下的“双碳”研究主要关注地理空间下自然环境和人类活动的空间分异、时间演变和相互作用，由此，研究对象分为空间和活动2个维度。

　　4.1空间对象

　　空间是地理学研究的核心视角，碳源碳汇分布受地理环境、本底条件、资源禀赋和经济发展等诸多因素影响，具有显著的空间特征。相似空间尺度的碳源碳汇分布往往具有一定的相似性，不同空间尺度的碳源碳汇分布特征则具有异质性。通过对已有文献梳理发现，国内地理学研究主要集中国家、区域、省域、城市、县域和社区等空间尺度，基于地理学“过程+格局+机理+效应+调控”的研究范式，结合地学空间分析模型和计量经济模型等，探讨不同空间尺度碳源碳汇的分布格局、演变特征、驱动机理及优化路径等。

　　全球尺度的研究主要是运用投入产出表和国际碳排放数据库数据，揭示全球碳源碳汇的时空演化格局。如李晖等使用Eora全球供应链数据库构建全球185个国家的贸易隐含碳净转移网络，发现全球贸易隐含碳净转移网络存在显著的空间溢出效应。区域尺度主要集中于黄河流域、京津冀城市群、长三角城市群、珠三角城市群和粤港澳大湾区等热点区域，并针对不同区域的社会一经济一环境发展背景，总结归纳碳源碳汇的总量结构、演变过程及空间分异。如朱泳丽等%"基于产业转移视角研究长三角城市群碳排放强度的空间效应。省域尺度的“双碳”研究基于省区层面能源消费数据，分析碳源碳汇的地域差异和空间特征。如王康等以东北三省为研究区域，分析东北三省内部碳排放区域差异。城市尺度的“双碳”研究主要以地级市、特大型城市、海岛型城市以及低碳试点城市等为研究对象，揭示城市尺度碳源碳汇的空间异质性和驱动因素。如王少剑等研究发现在城市尺度上中国能源消费碳排放的区域差异在逐渐缩小。县域尺度的“双碳”研究重点关注碳源碳汇的时空演变特征、空间效应机制和碳脱钩关系等方面。如王睿等基于城镇化视角探究县级城市碳排放空间分布特征。社区尺度的“双碳”研究主要是从微观层面出发，借助问卷调查数据、高空分辨率数据等数据形式，探索社区尺度碳源碳汇的空间分布特征，为构建低碳城市空间结构，传播低碳消费理念提供科学依据。如黄晓燕等结合问卷调查数据分析广州市3个圈层社区的居民通勤碳排放特征。

　　4.2活动对象

　　地理学视角下的活动对象主要分为自然活动对象和人类活动对象。自然活动对象包括自然环境演化、陆地生态系统服务功能、气候与气候变化、地表圈层相互作用等，人类活动对象包括农业生产、工业活动、旅游活动和工程建设等。结合《IPCC国家温室气体清单指南》中对碳排放活动来源的分类，我们认为地理学视角下“双碳”活动对象主要侧重于能源、工业、农业、土地利用变化和林业活动等。

　　能源活动主要基于能源地理视角，研究能源产业、制造业、建筑业和运输业等活动因能源消耗而产生的碳排放的时空格局、空间转移、地理特征以及路径依赖效应等，探索区域能源绿色低碳转型的实现路径。工业活动主要基于经济地理和工业地理等学科研究范式，耦合地理学空间分析模型和情景模拟模型，分析水泥、钢铁、火电和有色金属等不同工业行业碳排放的时空演变和区域差异，量化评估不同地区的减排潜力。农业活动侧重分析农作物种植、水产养殖、畜牧养殖和化肥使用等活动碳源碳汇的时空特征、地区差异、区域比较、影响因素和互动机制等，丰富了农业地理学的研究内涵。土地利用变化和林业活动主要基于自然地理和人文地理学科交叉融合视角，围绕土地利用变化的碳排放效应、森林的碳汇功能等方面展开研究。如范建双等研究发现南京市土地利用结构碳排放存在显著的空间差异；张小标等采用全球林产品模型研究表明中国木质林产品2030年的碳库容量达到1581Mt，是2010年容量的2倍。

　　除了以上4种活动对象之外，旅游业、家庭消费、电商行业和区域贸易等其他活动成为新的“双碳”研究对象。旅游业作为国民经济支柱的战略性产业，低碳旅游发展对缓解气候变暖具有重要意义。王凯等对旅游业碳减排潜力的研究表明，东部地区在旅游业碳减排空间关联中处于核心位置，对碳减排所需要素的掌控和支配能力明显强于中西部地区。随着经济发展和居民生活水平提高，家庭能源消耗产生的碳排放受到学界广泛关注，地理学者的关注点主要集中于区域差异及空间特征。如曹志宏等研究发现中国食物消费碳排放存在显著的城乡差异和空间分异性，碳排放高值区主要分布在直辖市和东部沿海相对发达城镇地区。以电子商务、直播带货和社会团购等为代表的新兴消费业态所产生的碳排放逐年增加，年均增长率显著高于同时期全国年均增长率。余金艳等通过研究发现中国电商快递包装在全生命周期产生的碳排放整体呈现“东多西少、南多北少”的空间分布特征。区域间贸易频繁往来加剧了贸易碳排放转移。黄和平等通过对长江经济带贸易隐含碳排放测算发现，长江经济带沿线省市调出的贸易隐含碳排放呈现由东到西递减的趋势。

　　5.“双碳”研究成果实践及贡献

　　地理学者一直聚焦国家重大发展战略，积极参与国家和地方“双碳”战略的决策、规划、实施当中，为国家服务和地方发展提供决策关联和科学支撑，研究成果实践及贡献具体可以归纳为如下3个方面：

　　第一，提出了系列体现区域空间分异规律的“双碳”理论成果，包含不限于区域碳源碳汇的时空特征、影响因素、区域比较、低碳路径等。例如，刘华军等通过考察县域碳排放的时空分布特征发现，中国碳排放总量的空间分布呈现东高西低的分布格局。王正等指出能源消费碳排放的影响因素具有时间效应、空间效应和空间尺度效应。陈文婕等通过对东部、中部、西部及东北地区四大经济区的交通碳排放量进行比较后发现，东部地区道路交通碳排放量最高，之后依次是西部、中部和东北部地区。张赫等认为由于碳脱钩存在显著的时空异质性和空间集聚性特征，应该针对区域发展差异，因地制宜地制定低碳发展路径。这些成果都充分体现了地理学的空间分异规律，即着力于围绕区域的自然环境条件和人类经济活动开展影响因素识别研究，实现“双碳”成果的本地化理论总结。

　　第二，提出并发展了面向低碳的国土空间规划体系，承担了诸多区域的低碳规划及碳汇规划等重大任务。例如，闫凤英等从用地结构与布局优化、交通体系与绿色空间、低碳工业与生态园区、绿色建筑与理性技术等方面编制了碳减排情景下海城市国土空间规划方案。张赫等提出了人地规模系统、经济发展系统、交通出行系统、居住生活系统、生态绿化系统以及能源效率系统等6项规划方案引导要求。李禅等在总结广东省省、市两级国土空间规划实践后认为，未来国土空间规划编制应在已有基础上从“双碳”视角形成新的规划指标、管控政策及评估体系。陈可欣等提出在碳中和背景下应该从“目标一指标一策略”维度出发构建国土空间规划编制框架。国土空间是人类各种社会经济活动的载体，国土空间规划则是实现“双碳”目标的空间蓝图。地理学者承担的区域低碳规划充分发挥了国土空间规划对于“双碳”的引领作用，对于实现“双碳”目标具有重要理论和实践意义。

　　第三，提出了面向人地系统协调，特别是区域行为主体的网络关系分析，为低碳空间治理提供了重要贡献。实现“双碳”目标涉及政府、市场、企业和居民等多重主体，地理学研究逐渐从传统的人地关系思维范式向网络化思维范式转型，形成了“政府主导一市场调节一企业主体一居民参与”的多元行为主体共治为特征的现代化“双碳”网络治理体系。例如相关文献建议，政府需要进行顶层设计和加强宏观调控，构建实现“双碳”目标的政策体系。市场需要逐步完善碳市场交易制度，吸引绿色信贷、绿色债券等绿色金融产品进入碳市场，积极有效开展碳交易项目。企业作为减碳主体，需要通过科技创新生产清洁能源产品和低能耗材料。公众需要从衣食住行等方面增强绿色消费意识，增加绿色产品需求，追求绿色低碳生活，满足不同生活价值取向。多元行为主体共治为特征的现代化“双碳”网络治理体系充分反映地理学核心主题一人地关系研究，对“双碳”实现路径的政策制定具有重要的理论价值和科学参考。

　　6.结论与展望

　　“双碳”目标本质上是人地关系协调发展，而人地关系始终是地理学的核心研究命题。基于地理学视角，遵循学科分支一数据方法一研究对象一成果贡献的思维，总结当前地理学下“双碳”研究进展，通过综述得到以下结论：

　　(1)“双碳”研究议题具有学科特性，其中自然地理学着重研究碳源碳汇及其变化，人文地理学重点关注碳排放的过程格局及驱动机制，信息地理学侧重开发碳源碳汇空间可视化分析工具。未来需要立足综合地理学学科特点，解析地理学对“双碳”的支撑作用。

　　(2)地理学视角下碳核算方法包括排放系数法、实测法、投入产出法和遥感模拟反演法等，碳数据通过统计年鉴、遥感卫星和新数据集等方式获取。地学空间分析模型方法在探讨碳源碳汇的空间异质性、空间依赖性以及区域差异性等方面发挥了主导作用。

　　(3)“双碳”研究对象分为空间对象和活动对象。从空间对象看，相同尺度的碳源碳汇空间分布存在相似性，不同尺度的碳源碳汇空间分布具有异质性。从活动对象看，能源、工业和农业等活动产生的碳源碳汇受自然地理环境和人文社会经济的共同影响，存在明显的空间分异特征。

　　(4)地理学对“双碳”的成果出口贡献主要集中在提出了系列体现地理分异规律的双碳理论成果、“双碳”目标下的国土空间规划理论框架和实现路径、面向人地系统协调的区域行为主体治理网络体系等方面。

　　整体而言，地理学视角下的“双碳”研究已经取得了较为丰富的理论成果和实践探索，完善和拓展了地理学分支学科体系，但仍有几个问题需要探讨：首先，在获取碳数据方面，多数研究使用的数据并不是基于地方或组织的独有数据，而是主要依靠第三方数据，这使得在结果分析时可能遭受“路灯“效应”。因为他们使用可以访问但不完整的碳数据集，而不考虑这些数据集是为什么创建的、如何产生的、如何可能有偏见的以及是否能够支撑起自己的研究需要。其次，在对碳数据进行核算时，以自下而上的方法由于缺乏关于排放源、能源消耗和地理位置等的详细数据，在时空分析中的应用通常有限。以自上而下的方法中由于人口数据、能源活动的空间分辨率较为粗略，结果可能存在偏差。再者，目前地理学侧重探讨不同空间尺度碳收支的演化特征，对于“双碳”成果是否统筹国家战略和社会需求，是否与地方区域发展策略相互融合的关注不够。最后，当前地理学对“双碳”的地方化服务已经有一定程度的支撑和贡献，但是对于“双碳”研究的全球语境和国际化表达依然是薄弱环节。

　　因此，研究认为未来基于地理学视角的“双碳”研究应加强以下4个方面的探索：

　　(1)加强碳数据的空间数据集研发。地理学需要借助碳卫星遥感监测数据、社交媒体数据中的人类时空活动数据、工商业部门日常活动数据等多源数据，综合利用遥感技术、人工智能、机器学习和高通量计算等新技术手段，处理生产数据并与地基数据进行交叉验证，形成高时空分辨率的碳排放近实时数据集，将碳数据映射到地理网格等更精细的空间尺度，实现碳数据空间分布信息由行政单元统计数据向像元栅格转换。

　　(2)加强碳数据的地学计算模型建模。加强地理学视角下碳数据的计算模型建模，采用自上而下和自下而上空间分解相结合的碳核算方法，提高数据空间估算的准确性，进一步完善并开展空间碳数据核算系统研发工作。同时基于GIS方法详细说明空间分布状况，通过地理信息系统平台开发地理参考计算工具，绘制温室气体排放分布地图，为地方政府提供有助于区域气候治理、国土空间规划、区域管理实践的支撑方案。

　　(3)加强“双碳”成果的决策运用与服务。地理学需要从国土空间治理角度出发，结合综合性、区域性、交叉性的学科特点，基于中国自然环境空间分异规律，充分考虑碳源碳汇的区域差异，为实施差别化碳减排路径和区域协同减排对策提供科学依据。同时做好区域碳环境、碳生态和碳安全的顶层设计，参与编制区域碳达峰碳中和实施方案工作，为地方提供“地理学”视角下的“双碳”治理方案，加强地方化的社会服务和决策价值。

　　(4)加强“双碳”的全球合作和国际化表达。面对日益复杂的国际政经形势，需要加强世界地理和政治地理等分支学科在“双碳”目标中的系统探讨和实证分析，关注世界碳交易和碳市场的建设、世贸组织框架下碳边境调节税的政策协调等实现路径研究。积极寻求全球温控目标下公平合理、合作共赢地提高行动和支持力度的绿色低碳协同解决方案，形成可推广复制的发展经验和治理模式，提升中国在全球语境中的“双碳”话语权。

　　

　　

　　

　　摘自《地球科学进展》2023年第7期

原文链接：http://zrzy.hebei.gov.cn/heb/gongk/gkml/kjxx/kjfz/10932366138255360000.html
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