摘 要城市部门结构调整引发的碳基能源代谢时空异构性是城市地域系统中矛盾最尖锐的人地关系之一，城市碳基能源代谢结构分异与演变机理分析是因地制宜解决该问题的重要基奠。以“城市产业结构调整如何引发碳基能源代谢变化”这一问题为核心，将城市碳基能源流与人流、经济流耦合叠置，通过界定碳基能源代谢核算范畴与边界来阐释自然系统与社会经济系统的反馈耦合边界；通过分析城市部门碳基能源代谢结构分异来阐释社会经济子系统中人流、经济流与自然子系统中碳基能源流耦合叠置的相互联系特点；通过分析不同空间人流、经济流的碳基能源代谢结构与格局来阐释城市地域系统的人地耦合的空间相关性与分异性；通过分析结构、空间、时间维度碳基能源代谢的驱动机制来阐释城市地域系统人地相互作用的机理。总体上构建碳基能源代谢的结构-格局-过程（碳锥）三维分析框架，借鉴城市空间结构、产业结构、空间分析等方面的计量方法，建立城市碳锥分析模型，以北京市为典型案例，研究人口变化、产业调整引起的城市碳基能源代谢结构分异、空间变化及演变机理，得出以下结论：（1）基于空间要素流的城市碳基能源代谢分类有助于增加碳排放核算的规范性和可比性。基于地理边界、足迹区和地理边界+的碳基能源代谢核算既能描述生产过程的碳排放，又能刻画产业链过程的碳排放，可进一步增强产业与能源结构调整、消费模式转变所导致的碳排放核算的规范性和可比性，有助于制定更有操作性的碳减排约束政策。不同边界与范畴下的碳基能源代谢核算能描述了不同程度的人地关系紧张程度，三种核算方法从不同层面揭示了城市社会经济发展的碳基能源代谢特点。（2）城市碳基能源代谢结构-格局-过程分析框架（碳锥概念模型）多层面和多尺度揭示了城市碳基能源代谢的演变特点。通过城市碳基能源代谢结构的进一步分解，突破了仅从部门产值结构进行分析的局限性，突出了对外服务结构和关联网络结构以及空间结构在理解城市碳基能源代谢方面的开放性和复杂性，可在明确碳减排关键部门的基础上能够进一步阐释城市之间的碳减排关联和定位碳减排敏感部门，还能进一步呈现城市碳基能源代谢的地域网络、圈层模式以及空间集聚分散的分异过程，进而多尺度和多层面展示了城市碳基能源代谢的开放性、复杂性和动态性。（3）城市碳基能源代谢结构-格局-过程集成模型（碳锥分析模型）多维度测度了碳基能源代谢结构，综合阐释了碳基能源代谢演变规律。将人流、经济（产业）流与碳II基能源流进行耦合叠置，以及与改进的 EIO- LCA 模型、空间分析模型进行综合集成而构建的城市碳锥分析模型，可有效整合基于产业的结构分异和基于人口集散的空间分异分析方法，并使其能够对城市碳基代谢进行多维测度，有助于从初始投入结构、最终需求结构、最终产出结构层面综合解释碳基能源代谢演变机制。（4）北京市部门、对外服务、产业关联的碳基能源代谢结构变化分别具有阶段性-部门性、交替演变性、生产过程与产业异位性的特点。北京市碳基能源代谢总量与强度呈现不同的部门特点，并依工业行业类型及碳排放量而存在位序-规模分布和倒 U 型分布等分布模式。对外服务碳基能源代谢潜力“退二进三”的产业变化趋向明显，对外服务碳基能源代谢能力呈现行业波动增长的状态，城市对外服务所带来的经济增长效益低于所带来的资源压力与环境影响。碳基能源代谢关联程度高的部门碳排放变化波动大，关联程度低的部门变化相对平稳；高直接碳排部门的隐含碳排放并不一定高，直接碳排放相对较低的部门隐含碳排放可能居高不下。（5）北京市碳基能源代谢存在明显的圈层结构。空间等级结构整体上表现为核心-外围模式，但网络结构的雏形已经显现，且碳排放中心与人口、经济中心错位，功能地域结构呈现为圈层结构上的斑块化，圈层之间受产业异质性冲击而形成新的代谢类型。各区县根据不同的代谢特点可分为 4 种碳基能源代谢区域，因地域分工变化而表现出不同的演变规律与地域组合。街区碳基能源代谢的空间增长模式属于人口规模驱动型发展（扩散式 1 型、集聚式 2 型），中心区与外围区交接地带可能存在高能耗产业驱动的代谢模式（极化式 2 型、扩散式 2 型）。（6）北京市碳基能源代谢与经济增长存在长期均衡关系，产业投入产出结构从多层面影响碳基能源代谢变化。城市、部门经济发展与其碳基能源代谢变化表现为总体上的直线型与农业、工业部门的倒 U 型演变态势，但工业分行业的扩张性负脱钩及扩张性耦合则进一步表明经济发展速度总体上要高于碳排放增长速度，进而说明初始要素投入结构、最终消费结构、最终需求结构变化对碳排放增加的比较突出。本研究的主要贡献为：（1）基于空间要素流视角提出地理边界、足迹区、地理边界+的碳基能源代谢核算方法体系，能够弥补已有研究中基于生产和消费碳排放核算方法中存在的重要缺陷，有助于揭示社会经济发展对资源耗竭与环境变化的影响。（2）城市碳基能源代谢结构的多维分解及其城市碳锥分析模型的构建，以及对城市碳基能源代谢产业结构、空间结构、关联网络结构和时间演变的有效测度，在很大程度上突破了单一产业碳排放结构分析的局限，不仅有助于揭示城市碳基能源代谢的开放性、复杂性和动态性，而且有助于进一步阐释城市、部门经济发展与碳基能源代谢变化的复杂关系，还能为制定因时因地的碳减排约束政策提供理论依据。关键词：碳基能源代谢；碳锥模型；结构分异；驱动机制；北京市1 绪论1.1 选题背景与意义地理学研究的核心是人地关系地域系统，城市作为人类活动在资源环境与社会经济作用下形成的空间地域实体，是人地关系的重要产物，也是人地地域系统中社会经济活动密集的板块。随着城市化与工业化进程的推进，城市物质和能源消费随之剧增，在全球资源耗竭与气候变化的背景下，城市碳基能源消费及碳排放增加成为影响人地地域系统中社会经济持续发展的重要因素。因而，为减缓与适应气候变化、促进人地地域系统协调运转，城市低碳生态发展成为全球性科学问题。碳基能源代谢指碳基能源输入、转移、转化与输出的过程，城市碳基能源代谢是从生命周期视角测度城市碳基能源消费及碳排放的重要标尺。基于城市碳基能源及碳排放核算进行碳基能源代谢结构分析是城市碳排放总量控制的关键，基于碳排放演变机理分析进而识别城市碳基能源代谢变化的驱动机制是城市低碳生态发展的重要手段。本研究以城市空间要素流的碳基能源代谢为视角，重点基于人流、经济流的碳基能源消费及碳排放变化分析城市碳基能源代谢的演变规律，以人口、产业碳基能源代谢为载体，深入分析城市碳基能源代谢的部门（因素）及其空间结构分异，进而揭示经济增长、结构调整、空间集聚机制下城市碳基能源代谢的演变特点，为城市低碳生态发展提供指导方略。1.1.1 课题来源本选题基于国家重大科学研究计划（2012CB955800）“气候变化经济过程的复杂性机制、新型集成评估模型簇与政策模拟平台研发”、国家自然科学基金项目（41171438）“城市居民碳排放的因素-结构-过程模拟与调控研究”和国家教育部人文社会科学重点研究基地重大项目（10JJDZONGHE015）“黄河中下游地区低碳经济发展的机理与路径研究”的相关研究，以典型城市为例重点探析碳基能源代谢的核算方法、结构分异与演变机理，以期为低碳生态城市水平评价及发展路径研究提供基础。1.1.2 研究背景1.1.2.1 碳基能源消费的碳排放与管理成为全球性科学问题全球变暖已是毫无争议的事实，以 CO为主的温室气体增加导致全球气候变暖也已成为世界公认的环境问题，而化石能源（即碳基能源）消耗是 CO排放（下文均称之为