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随着城镇化进程的快速推进，CO2等温室气体排放不断增加，全球气候变暖和城市热岛效应日益成为城镇化健康发展的限制因素。中国是CO2排放大国，近年来不但面临着温室气体减排不同利益集团在政治外交上的博弈，也面临着维持国内经济平稳增长和资源环境承载力不足的巨大挑战。因此，鉴于理论和实践的双重需要，迫切需要从多重角度综合解析城市化过程与CO2排放的作用机理与效应。本文正是由此而展开，在系统总结和梳理国内外相关理论和研究的基础上对城市化过程与CO2排放效应的相互作用机理进行了探讨，提出本文的研究框架。运用定性与定量相结合的方法分析了不同尺度下CO2排放指标的时空格局和演变机理，同时探讨了CO2排放的区域差异及尺度贡献率。从静态和动态双重视角对CO2排放影响因素进行全面分析，并着重探讨了经济增长与能源消费和CO2排放的计量关系。借助Landsat TM和ETM影像定量剖析了城市形态对CO2排放的作用机理，同时运用熵值权重法构建城市开发强度综合评价指标体系定量刻画了城市开发强度对CO2排放的作用机制。利用DMSP/OLS夜间灯光数据模拟反演了全国343个地级城市单元的CO2排放，着重分析了其时空格局和类型划分。并以此为基础在城市群尺度上分析和核算了CO2排放强度和绩效，着重分析了城市群的减排潜力和排放绩效的驱动因素。通过设置不同发展情景模拟了我国未来的CO2排放趋势，筛选最优发展模式。最后提出城市化进程中CO2减排的主要措施。主要结论如下: (1)在核算CO2排放的基础上，分析了不同尺度下CO2排放指标的时空格局和演变机理。不同尺度下CO2排放总量和人均CO2排放持续攀升，CO2排放强度逐步下降。全国人均GDP和人均CO2排放量高度相关，相关系数为0.986;城市化水平与CO2排放总量之间存在长期均衡的协整关系和短期动态调整机制。区域CO2排放指标间存在显著差异，依据排放总量和强度指标划分了区域减排类型。省级总量和人均指标总体表现为东高西低的空间格局，呈现出与中国区域经济发展格局相似的特征;人均指标存在集聚效应且分化趋势严重。人均排放差异在不同尺度上均呈缩小趋势;省级尺度区域差异对总体差异的贡献份额最大，历年平均贡献率达68％。 (2)基于双重视角综合解析CO2排放的影响因素，并着重分析经济增长与CO2排放的计量关系。地理加权回归分析发现，经济规模、人口规模、城市化水平和能源结构与CO2排放呈正相关，而能源效率与CO2排放呈负相关。CO2排放总量在省区尺度上存在空间集聚—“俱乐部趋同”现象，人均CO2排放集聚趋势表现出一定程度的路径依赖或空间锁定。面板计量模型分析发现，经济增长对CO2排放起促进作用，但二者之间不存在EKC曲线;城市化水平、产业比重、能源结构与CO2排放显著正相关;能源强度、碳强度和第三产业比重与CO2排放显著负相关。进一步发现经济增长与能源消费和CO2排放之间存在协整关系和长期双向相关关系;经济增长与能源消费、能源消费与CO2排放间存在双向Granger因果关系，经济增长和CO2排放存在单向Granger因果关系。 (3)基于Landsat TM和ETM影像定量测算城市形态相关指标，发现城市扩张和城市形态复杂性促进CO2排放，而城市持续性（紧凑）抑制CO2排放。建立综合指标体系定量分析城市开发强度对CO2排放的作用机理，发现土地利用强度、经济强度、人口强度、基础设施强度和公共服务设施强度与CO2排放呈正相关;而生态环境强度与CO2排放呈负相关。 (4)利用DMSP/OLS夜间灯光数据模拟反演了全国地级城市单元的CO2排放，发现全国城市CO2排放总量持续增长，城市CO2排放空间格局总体呈现出与区域经济格局相类似的特征。排放总量空间聚集特征明显，基本形成了以京津冀、长三角、山东半岛和珠三角为核心的高高集聚类型区。 (5)城市群CO2排放强度存在显著差异，空间分布呈现西高东低格局，区域差异逐步缩小但集聚性增强。CO2排放绩效总体呈现上升趋势，减排潜力逐步增大，具体从2000年的12.27％增加到2010年的24.03％，可减排量也相应从31425万t增加到了155599万t;经济增长、产业结构、研发投入和环境治理投入比有助于CO2排放绩效改善;工业化水平和能源强度不利于CO2排放绩效改善。 (6)基于城市化模拟研究发现，到2015、2020和2025年，全国的CO2排放量将分别达到105.72-112.48、121.84-134.92和136.26-158.63亿t，10种发展情景中，情景BTU能较好满足经济平稳增长又能有效减缓CO2排放。基于产业结构优化模拟发现，到2015、2020和2025年，全国的CO2排放量将会分别达到92.82-103.33，101.84-132.35和110.72-161.46亿t，然而控制情景相比于低碳情景，到2015、2020和2025年还分别有1.59、5.51和9.75亿t的减排潜力，低碳发展任重道远。 (7)发展低碳城市和低碳经济，推行低碳发展模式，走新型城镇化道路，主要减排措施应考虑优化产业结构、调整能源结构、倡导科学规划改变城市形态和控制开发强度、提高能源效率及CO2排放绩效等。