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文献阅读13：【J CLEAN PROD】探索中国长江流域城市化与生态系统服务之间历史与未来的空间互动关系

GISer last · 公众号 · · 2025-01-27 22:57

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0 论文信息

标题： Exploring the historical and future spatial interaction relationship between urbanization and ecosystem services in the Yangtze River Basin, China

期刊： Journal of Cleaner Production

（中科院一区 TOP; IF: 11.1）

时间： 2023年10月

作者： Zhenzhen Pan, Guangyao Gao, Bojie Fu, Shuguang Liu, Jianwei Wang, Jianhua He, Dianfeng Liu

1 引言

城市化是一个社会经济发展、土地利用方式转型、人口聚集和生活方式转变的多维发展过程。城市化与 ES 之间存在复杂的相互作用关系，并具有显著的阶段性特征。因此，系统了解不同时期城市化与生态系统服务之间的相互作用关系有助于促进区域可持续发展。

从空间相互作用机制的角度量化城市化与生态系统服务之间的复杂关系，是实现区域可持续发展的基本前提。然而，由于未来人口和经济城市化预测的难度和不确定性，未来不同情景下经济和人口城市化与生态系统服务之间的空间相互作用关系大多被忽视，这不利于系统地理解不同类型城市化的生态效应。总体而言，很少有研究对历史时期和未来时期不同类型城市化与生态系统服务之间的空间互动关系进行全面比较。

总之，现有研究缺乏对整个长三角地区历史和未来时期不同类型城市化与生态系统服务之间复杂空间相互作用机制的探讨。为弥补这些不足，研究目标包括 (I) 评价和预测 1990-2050 年间长三角地区不同类型城市化与生态系统服务的时空格局；(II) 探测 1990-2050 年间长三角地区城市化与生态系统服务之间的空间相互作用关系。

2 研究方法与数据来源

2.1. 研究区概况

图1 研究区位置

2.2. 数据来源

3 研究方法

为了探索长三角地区历史和未来时期不同类型城市化与生态系统服务之间复杂的空间互动关系，我们主要通过以下步骤来实现这一目标（图 2）。

（1）我们分别测量和预测了 1990-2050 年间经济城市化、人口城市化和土地城市化的空间格局，其中 2050 年的土地城市化是从未来土地利用模拟（FLUS）模型预测的未来土地利用格局中提取的。

（2）对长三角地区的 ES 空间分布进行了量化和预测，包括产水、生境质量、碳储存和土壤保持。

（3）通过多种模型（即空间自相关模型、耦合协调度模型和解耦模型）检测了 1990-2050 年间长三角地区不同类型城市化与生态系统服务之间的空间自相关、耦合协调度和解耦关系。

图 2. 本研究的流程图

3.1. 情景设计

根据不同的发展路径在 CMIP6 中选择了三种情景，包括 SSP1-2.6、SSP2-4.5 和 SSP5-8.5，这三种情景已被广泛用于预测未来区域城市化发展和气候变化。

3.2. 未来土地利用模拟

利用未来土地利用模拟（FLUS）模型对 2050 年的土地利用模式进行了空间显式模拟。FLUS 模型包括人工神经网络（ANN）和自适应惯性与竞争机制（Liu 等，2017；Liang 等，2018）。（具体就不细说了，DDDD）

3.3. 城市化测量

我们采用经济密度（GDP）和人口密度（POP）分别代表经济城市化和人口城市化。采用建设用地比例（CLP）来量化土地城市化。

3.4. 生态系统服务评估与验证

选择了与社会和人类福祉密切相关的 ES，包括产水量、碳储存、生境质量和水土保持等，并通过 InVEST 模型进行估算。通过对每种生态系统服务进行归一化和求和，确定了长三角地区生态系统服务总供应量（TES）的特征。

3.5. 城市化与生态系统服务之间的空间互动关系

（1）空间自相关分析： 应用双变量全局空间自相关和局部空间自相关来诊断不同类型城市化与 TES 之间的全局空间相关性和局部集聚特征。
（2）耦合协调度模型： 本研究采用耦合协调度模型（CCDM）来考察不同类型城市化与生态系统服务之间的耦合协调度。
（3）解耦分析（脱钩模型）： "解耦 "源于物理学领域，指两个或多个具有影响关系的物理量不再具有相互关系。为了进一步描述城市化与 ES 之间的复杂关系，本研究采用脱钩分析模型来检测两者之间的空间脱钩关系。

4 结果与分析

4.1. 城市化水平的空间格局

4.1.1. 未来土地利用模拟

图 3. 2050 年长三角地区三种情景下的模拟土地利用格局

4.1.2. 城市化格局

图 4. 2050 年经济、人口和土地城市化的空间分布。GDP 密度：经济密度；POP 密度：人口密度；CLP：建设用地比例

4.2 . 生态系统服务的空间格局

图 5. 不同情景下历史时期（1990 年、2000 年和 2019 年）和未来时期（2050 年）YRB ESs 的空间分布。CS：碳储存；HQ：生境质量；SC：土壤保持；WY：产水量。

图 6. 不同情景下历史时期（1990 年、2000 年和 2019 年）和未来时期（2050 年）生态系统服务总量（TES）的空间分布。

4.3. 城市化与生态系统服务之间的空间相互作用

4.3.1. 空间自相关分析

图 7. 1990-2050 年间不同类型城市化与生态系统服务总量（TES）之间的双变量 LISA 聚类图。(a-f）：经济城市化；（g-l）：人口城市化；（m-r）：土地城市化。高-高：高城市化和高 TES；低-低：低城市化和低 TES；低-高：低城市化和高 TES；高-低：高城市化和低 TES。

4.3.1. 耦合协调度分析

图 8 显示，1990-2050 年间，不同类型的城市化与 TES 之间的耦合协调度（CCD）从长江流域上游向下游呈逐渐上升趋势。土地城市化与 TES 之间的 CCD 低于经济和人口城市化。

图 8. 1990-2050 年间城市化与 TES 之间耦合协调类型的空间分布（a-r），以及 YRB 的平均耦合协调类型（S）。

4.3.3. 城市化与生态系统服务之间的空间脱钩关系

1990-2019 年间，由于长三角地区经济和人口密度主要呈上升趋势，经济和人口城镇化与生态系统服务之间的脱钩关系主要表现为强脱钩和弱脱。

5 讨论

5.1. 城市化与生态系统服务之间复杂的空间互动关系

明确城市化与生态系统之间的空间互动关系，可为实现区域可持续发展提供指导参考。

5.1.1. 不同类型的城市化与生态系统服务之间的空间相互作用差异

值得注意的是，我们发现经济和人口城市化与 TES 之间的 CCD 明显高于土地城市化。同时，与经济和人口城市化与 TES 之间的强解耦关系不同，土地城市化与 TES 之间主要存在弱解耦关系。传统的以土地为中心的城镇化是典型的 "不完全城镇化 "和 "低质量城镇化"，城市用地呈现爆炸式无序扩张趋势，土地开发粗放，土地利用效率低。这些都导致了较低的 CCD 和土地城市化与 ES 之间较弱的脱钩关系。

5.1.2. 城市化与生态系统服务之间相互作用关系的区域差异

研究结果表明，长江中下游地区城市化与生态系统服务之间的 CCD 大于上游地区。这主要归因于在稳定的城市化过程中，由于强调生态环境保护和治理。这些地区有望通过城镇化的高质量发展，促进两者关系向强脱钩方向发展。

在长江上游地区，1990-2050 年经济和人口城镇化与 TES 的脱钩关系以强脱钩为主，这意味着生态系统能够承受经济和人口城镇化的发展。此外，城市化的集约发展模式可以通过集聚效应和规模效应更合理、更高效地配置资源。因此，其社会经济效益远远大于负面影响。然而，除成渝城市群外，在长江上游地区，城市化与 TES 之间主要存在严重的不协调。

文献阅读13：【J CLEAN PROD】探索中国长江流域城市化与生态系统服务之间历史与未来的空间互动关系

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