不同城市外部形态和内部空间梯度下地上生物量的分布格局

《Habitat International》：Distribution patterns of above-ground biomass across different urban external morphology and internal spatial gradients

　　

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  基于几何和人口数据，C40城市被划分为五种类型。
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  全球城市形态与地上生物量（AGB）的关联在不同气候和地理区域中持续存在。
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  沿几何和人口梯度，AGB呈现出不同的分布规律。
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  在C40城市中，AGB及其密度从城市核心向边缘区递增。

引言

城市是全球碳排放的主要贡献者，也是实现碳中和目标的关键行动者（Huovila et al. 2022; Liu et al. 2019）。因此，城市正日益成为全球气候治理中的核心利益相关方（Fuhr et al. 2018; Zengerling, 2018）。随着全球气候治理向更加多元化和协作性的范式演变，跨国城市气候网络已成为全球各大国所采用气候治理战略的重要组成部分（Aboagye & Sharifi, 2024; Stranadko, 2022）。其中，C40城市气候领导组织（C40）长期以来一直将优化城市生态系统和碳汇能力作为优先事项，定位为促进可持续发展和应对全球气候变化的典范（Acuto, 2015, pp. 106–118; Sancino et al. 2022; Wei & Wei, 2024）。

随着城市形态合理性作为可持续发展关键推动因素获得更广泛的认可，学者们日益关注不同城市形态下碳中和潜力的差异（Pili et al. 2017）。尽管紧凑型和集聚型外部形态被普遍认为是促进低碳城市发展的有利因素，但关于形态指标与碳储存功能之间直接关系的系统分析仍明显不足（Chakraborty et al. 2024; Ding et al. 2022; Yang et al. 2025）。城市外部形态的类型学分类在揭示形态-功能关系方面发挥着重要作用，其相关测量指标和方法学框架也通过持续的学术贡献不断得到完善（Li et al. 2022; Woldegerima et al. 2017）。在指标选取方面，城市几何特征和人口密度常被用作城市形态类型分类的核心数据（Lv et al. 2021; Wu et al. 2024）。景观格局分析和分形理论已被广泛作为方法学工具应用于城市形态的系统分类中（Jia et al. 2019; Taubenb?ck et al. 2025）。然而，标准化分类体系的缺失不仅限制了当前城市形态框架在不同情境下的适用性，也阻碍了对形态与碳储存功能之间复杂交互关系的深入理解（Fleischmann et al. 2021; Xing & Meng, 2020; Zhang et al. 2023）。此外，现有分类方案往往侧重于城市扩张的几何特征或人口的空间分布，忽视了二者对城市生态功能的联合影响（Derudder et al. 2021; Li & Liu, 2025）。因此，需要建立一个整合城市几何特征和人口密度的多维框架，以更全面地表征城市形态类型，从而更好地理解不同城市形态与碳储存功能变化之间的关联。

作为一种动态过程，快速城镇化深刻重塑了城市外部形态特征，并推动了内部空间格局的演变，进而导致生态功能的空间分异（Chen, 2024, pp. 7427–7433; Xia et al. 2020; Yuan et al. 2024; Zhu et al. 2023）。在城市空间中，城市核心区通过集聚效应承载高密度人口和密集的建设发展，而城市边缘区则在扩散效应驱动下向外扩张（Lv et al. 2024; Zhou & Gao, 2020）。集聚与扩散的相互作用塑造了城市空间结构的渐进分化梯度，最终导致不同空间梯度上碳储存功能的显著差异（He et al. 2019）。在高度开发的城市核心区，有限的土地可用性和密集的人类活动制约了植被建立和生长的物理空间。随着距城市核心距离的增加，开发强度的降低通常提供了更多的植被扩展机会，从而提高了碳储存潜力（De la Barrera & Henríquez, 2017; Zhang et al. 2025）。然而，碳储存的空间格局沿城市内部空间梯度的变化规律仍不明确（Xu et al. 2018）。弥补这一知识缺口需要划定城市内部梯度，识别差异化的城市区域，并调查这些区域之间碳储存的空间变化。

在城市碳中和和气候适应的双重需求驱动下，兼具碳汇调节和气候调节功能的植被正成为城市生态系统的关键组成部分（Li et al. 2025; Wei & Wei, 2024）。尤其值得注意的是，非林地树木（TOF）凭借其可观的碳封存潜力，引起了学术界的广泛关注。城市TOF包括城市森林、城市树木以及城市和农田灌木等重要资源类别（Reiner et al. 2023; Schnell et al. 2015）。TOF的地上生物量（AGB）是衡量城市碳储存能力的核心指标，对于维持区域生态安全和调节碳平衡具有重要意义（Agbelade & Onyekwelu, 2020）。与自然植被不同，城市TOF嵌入于高度改造的城市环境中，其空间分布在不同的城市形态背景下存在差异，导致各城市间TOF的AGB分布格局有所分化（Kariuki et al. 2026）。在更大的空间尺度上，TOF AGB的分布还受到气候因素（如降水和温度）和地理背景（如洲际差异和国家属性）的综合作用影响，使得TOF AGB空间格局的跨区域和全球比较更加困难（Ma et al. 2021; Tian et al. 2023; Ye et al. 2021）。然而，在系统分析TOF AGB空间格局时，这种大尺度的气候和地理考量往往被忽视。因此，将气候和地理背景与城市形态分析相结合，对于理解不同城市环境中TOF AGB的变化至关重要，从而为优化TOF空间配置和制定针对特定城市情境的碳汇策略提供科学依据。

本研究整合了全球96个C40城市的几何和人口数据，建立了城市外部形态分类和内部空间梯度划分的综合研究框架。在此基础上，基于城市TOF的AGB数据集，本研究系统考察了不同形态类型和空间梯度上AGB的分布特征。研究结果可为优化城市碳固定和碳封存能力提供科学支持，并引导全球气候变化研究更加重视城市维度。

章节摘录

研究区域

C40于2006年正式启动，是一个由近100个世界领先城市及其市长共同发起的国际非政府组织（Boulanger & Massari, 2022）。其名称源于最初的40个特大城市成员，至2023年，C40城市网络已扩展至96个城市（Wei & Wei, 2024）（表A.1）。分布在六大洲的C40全球城市覆盖人口超过6亿，占全球国内生产总值的22%（

城市形态分类分析

96个C40城市呈现出五种形态模式，主要以蔓延和多中心性为主要特征。基于几何-人口分类框架，96个城市被划分为五种不同的城市形态类型（图3a）。在五种城市形态类型中，T1表现为紧凑的城市形态但缺乏突出的人口中心，例如墨尔本（图3b）。该类型仅包含6个城市（6.2%），是数量最少的组别。相比之下，T5

城市形态分类及其与AGB的关联

现有文献主要从两个维度描述城市形态。第一个维度关注城市形态紧凑性，特征包括几何紧凑性、空间连续性和边界复杂性（Liang et al. 2020; Ming et al. 2023; Su et al. 2021）。第二个维度考察城市形态多中心性，特征包括人口中心集聚、主次中心之间的邻近度以及次中心的重要性（

结论

本研究整合了全球96个C40城市建成区边界、人口分布和AGB数据，系统探讨了城市外部形态和内部空间梯度与AGB分布之间的关系。本研究从几何和人口两个维度选取三个量化指标，构建了包含五种类型的城市形态分类体系，并分析了城市形态与AGB之间的关系，结果显示

CRediT作者贡献声明

Ge Yan（严）：原始稿件撰写、监督指导、方法论、正式分析、数据整理、概念构思。Zhifang Shi（史智方）：正式分析、数据整理。Yaoping Cui（崔亚平）：稿件审阅与编辑、验证、资源提供、方法论、资金获取。Nan Li（李楠）：资源提供、数据整理。Gaomin Lian（廉高民）：软件、数据整理。Kailong Cui（崔凯龙）：软件、资源提供、数据整理。Mengmeng Cao（曹蒙蒙）：可视化、验证。

资金来源

本研究得到以下项目支持：国家自然科学基金（42071415 和 42501143）、河南省优秀研究型教学课程"遥感大数据与云计算"、河南省研究生优秀教材建设项目（YIS2023JC22）、河南省高校科技创新团队（25IRTSTHN004）、中原青年顶尖人才项目及信阳市生态研究所开放基金（2023XYMS01）。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

严（Ge Yan）|史智方（Zhifang Shi）|崔亚平（Yaoping Cui）|李楠（Nan Li）|廉高民（Gaomin Lian）|崔凯龙（Kailong Cui）|曹蒙蒙（Mengmeng Cao）