温室效应引起的全球气候异常已经成为国际社会日益关注的全球性环境问题,温室气体排放与人类活动之间的关系是当前国内外学术界研究的热点。含碳化合物的排放是温室气体的主要来源,人类活动导致的碳排放显著改变了区域碳循环过程,走低碳发展道路逐渐成为全人类的共识。土地作为人类活动的空间载体,城市扩张、产业布局、能源消耗等人类活动都与土地利用密切相关,土地利用变化直接改变区域自然碳循环过程,并间接改变区域人为碳排放水平。在低碳发展的背景下,如何建立土地低碳利用调控机制,以通过调整土地利用方式、结构、规模和强度来实现城市土地低碳利用,对城市发展过程中兼顾经济增长与实现碳减排有重要意义。关于土地利用和碳排放之间关系的现有研究多集中在区域土地利用低碳评价、土地利用碳排放影响因素、区域土地利用碳排放核算和土地利用变化碳效应等方面,并没有在此基础上提出系统的土地利用低碳调控路径和机制。因此,根据国内外土地利用碳排放的相关研究,本文首先全面梳理城市系统碳流通过程和发生机理,并厘清城市系统内各用地类型的碳流通过程和用地类型转换对碳流通的影响机理。其次,构建城市系统垂直碳通量核算体系,明确各碳通量来源的测算方法,以武汉市为实证对象,测算2002—2012年武汉市垂直碳通量并对其碳运行情况进行分析;在垂直碳通量测算的基础上,建立碳通量来源与各用地类型之间的对应关系,测算2002—2012年武汉市土地利用碳通量并对其碳土地利用碳源/汇强度和土地利用碳足迹进行分析。再次,利用土地利用碳通量测算结果,运用环境库兹涅茨曲线分析武汉市建设用地扩张的碳效应,运用多变量协整方法探讨武汉市各土地利用因素与碳排放量之间的长期均衡关系,并用LMDI方法将各土地利用变化的碳效应分解量化。最后,通过土地利用低碳调控的不同路径方案碳效应与现行土地利用规划碳效应之间的比较,从宏观规划层面和微观用地政策层面提出相应的土地利用低碳调控机制。主要研究内容如下:(1)比较自然生态系统和城市“自然—社会”二元系统的碳流通过程,描述两者各自的碳流通特征,并分析城市系统碳流通的时间机理和空间机理。分别分析包括耕地、园地、林地和草地在内的农用地碳过程特征和包括城镇村用地、工矿用地和交通用地在内的人工用地碳过程特征以及水域碳过程特征,从自然碳过程和人为碳过程两个方面讨论土地利用变化对城市系统碳过程的影响机理,在此基础上明确土地利用对城市碳流通的调控机理,提出基于宏观层面规划调控思路和微观层面用地政策的调控思路。(2)建立城市系统垂直碳排放核算体系,其中碳输入核算包括植物光合作用和水域碳吸收,而碳输出核算包括化石燃料燃烧、生产过程碳输出、呼吸作用碳输出、水域碳挥发和废弃物管理碳输出五个部分,在此基础上确定各碳通量来源的核算方法。测算武汉市垂直碳通量,并对其碳运行状态进行分析,结果显示:1)研究期内武汉市碳排放量总体上呈先增后减的趋势,其中2002-2010年武汉市碳排放量由1710.65万吨逐年增加到3633.85万吨;而2010-2012年由3633.85万吨减少到3288.14万吨;2)武汉市在研究期内人为碳效应指数由80.67%上升到86.65%,碳压力指数由7.00上升到11.21,人为活动对武汉市碳过程的影响逐年上升;3)从研究期整体来看,武汉市碳排放与经济增长之间脱钩弹性指数为0.34,处于弱脱钩状态;从研究期内历年来看,脱钩状态呈扩张性耦合—弱脱钩—强脱钩的变化趋势。(3)分析农用地、人工用地和水域的碳源/汇特征,建立土地利用类型和碳通量核算项目之间的对应关系,测算武汉市土地利用碳通量并分析其碳源/汇强度和碳足迹,结果表明:1)历年城镇村及工矿用地是碳输出的最主要来源,其中2012年占碳输出总量的87.2%;而交通用地是碳输出量增长最快的用地类型,研究期内增长了159%;2)非人工用地碳汇强度的变化决定了总体碳汇强度的变化趋势,而人工用地碳源强度决定了总体碳源强度的变化趋势;3)城镇村及工矿用地历年碳足迹总量最大,2012年占碳足迹总量的88.32%,其次为交通用地,占碳足迹总量的10.74%。(4)从理论上推导城市系统土地利用碳效应,运用库兹涅茨曲线分析武汉市建设用地扩张与碳排放强度之间的关系,结果显示建设用地总量和城镇村及工矿用地与各自碳排放强度之间呈倒U型曲线关系;而交通用地与其碳排放强度之间呈向上倾斜的N型曲线关系。将土地利用变化分解为土地碳排放强度、土地利用结构、土地利用效率、经济发展和人口规模五个因素的变化,运用多变量协整方法分析其与碳排放量之间的关系并用LMDI方法将五个因素的碳效应分解量化,结果表明:1)五个因素与碳排放量之间存在稳定的长期均衡关系。2)经济发展对碳排放拉动作用最强,研究期内其贡献值达2627.21万吨;其次为土地结构效应,其贡献值达到了1020.97万吨;土地利用强度和人口规模的贡献值相对较小,分别为550.87万吨和517.03万吨;而土地利用效率对碳排放起抑制作用,其贡献值达-3138.59万吨。土地利用效率提高对城市碳减排起到的积极效应远大于单位土地碳排放强度提高和土地利用结构改变带来的负面效果。(5)通过与现行规划方案碳效应的比较,运用两变量协整模型分析城市建设用地规模管控路径,运用多元线性规划分析土地利用结构低碳优化路径,运用蒙特卡洛模拟分析土地利用碳排放强度管制路径。从土地利用低碳调控路径出发,第一,提出以建设用地规模管控和用地结构优化为导向的空间管制手段,包括低碳化土地利用总体规划、低碳化城市总体规划和低碳化主体功能区规划;第二,提出制定以降低土地利用碳排放强度为导向的城市土地利用政策,调控土地供应政策,降低碳排放强度,实现土地低碳利用;最后,从宏观上的空间管控手段和微观上的用地政策手段两个层面入手建立城市土地低碳利用调控机制。