本文關(guān)鍵詞：中國城市化過程及其資源與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)機(jī)制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第28卷第1期2009年01月

地理科學(xué)進(jìn)展

PROGRESSINGEOGRAPHY

Vol.28,No.1Jan.,2009

中國城市化過程及其資源與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)機(jī)制

２

李雙成１，趙志強(qiáng)１，，王仰麟１

(1.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京100871；2.北京大學(xué)深圳研究生院，城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳518055)

摘

要：目前中國城市化進(jìn)程表現(xiàn)為速度過快、地域差異顯著以及城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)明顯等特征。城市化帶來了顯著的

生態(tài)效應(yīng)，使城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能受到影響或發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，出現(xiàn)了耕地資源流失、水資源稀缺、能源壓力、城市環(huán)境污染嚴(yán)重以及城市區(qū)域生態(tài)占用擴(kuò)大等資源與生態(tài)環(huán)境問題。目前國內(nèi)外學(xué)者研究了城市熱島效應(yīng)、城市地表覆被變化、城市生物多樣性損失以及城市水土資源等問題，但多側(cè)重單要素、單城市、單學(xué)科研究，缺乏多尺度機(jī)理性的研究。鑒于此，提出若干未來城市化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究的方向與議題，歸納為：(1)中國城市化過程多尺度定量模擬與監(jiān)測研究；(2)闡明城市化影響下地表自然過程和人文過程相互作用的機(jī)理；(3)資源與生態(tài)環(huán)境約束下中國未來城市化的可能情景及其風(fēng)險(xiǎn)評估等。

關(guān)鍵詞：城市化過程；資源與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)；研究動(dòng)態(tài)；中國

1引言

城市化過程是指人口向城市地區(qū)集中和農(nóng)村地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械貐^(qū)的過程，這一過程至少包括兩方面內(nèi)涵：一是人口遷移，它必然導(dǎo)致社會結(jié)構(gòu)的變遷、經(jīng)濟(jì)要素的流動(dòng)和產(chǎn)業(yè)的推移；二是生態(tài)環(huán)境的變化，這則引起土地利用/土地覆被類型、自然資源和生態(tài)環(huán)境狀況的改變。目前人類社會正在經(jīng)歷著有史以來最快的城市化過程，特別是在發(fā)展中國家。1900年時(shí)全世界大約僅有10%的人口居住在城市，而目前這一比例已經(jīng)超50%[1]。改革開放

20600多個(gè)。城鎮(zhèn)人口從1949年的5000萬，已經(jīng)發(fā)

展到2005年的5.62億，城鎮(zhèn)化率已經(jīng)達(dá)到43％。

其中，城鎮(zhèn)化率從20％到40％只用了22年，這個(gè)過程比發(fā)達(dá)國家平均快了1倍多。其中，2005年我國

43％的城鎮(zhèn)化率是“虛高”的，因?yàn)榘?.3億“農(nóng)

民工”和他們的家屬[4]。

(2)城市化出現(xiàn)“集群式”特征。產(chǎn)業(yè)升級、產(chǎn)業(yè)

轉(zhuǎn)移以及國際國內(nèi)產(chǎn)業(yè)分工調(diào)整導(dǎo)致的城市化及其速度的空間集聚日趨顯著。在一些大城市地區(qū)，城市新區(qū)與郊區(qū)新城紛紛涌現(xiàn)，出現(xiàn)了城市區(qū)域化和區(qū)域城市化的快速增長現(xiàn)象，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)則進(jìn)一步出現(xiàn)了城市群現(xiàn)象或集群發(fā)展模式。如長江三角洲、珠江三角洲和環(huán)渤海地區(qū)，全球資本、技術(shù)、信息、勞動(dòng)力、智能管理等活動(dòng)與交流日趨集中，逐漸形成以一個(gè)超大型城市為核心，集聚著眾多城市的城市密集區(qū)，城市發(fā)展由“獨(dú)立式”為主轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹菏健睘橹鱗5]。

30年以來，中國作為世界上成長最快的經(jīng)濟(jì)體，城

市化過程發(fā)展迅速，城市化率由1978年的17.9%上升到2007年的44.9%,按照美國城市地理學(xué)家諾瑟姆提出的城鎮(zhèn)化階段性規(guī)律[2],20世紀(jì)90年代中期中國開始進(jìn)入城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段。根據(jù)聯(lián)合國的預(yù)測，到2020年，中國超過一半的人口將居住在城鎮(zhèn)地區(qū)[3]。到2050年，這一比例預(yù)計(jì)可能會達(dá)到

(3)城市化水平空間異質(zhì)性日益明顯。20世紀(jì)90年代以來，中國東、中、西三大地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平

差異逐步擴(kuò)大，直接導(dǎo)致了東西部大的區(qū)域空間上城市化水平的質(zhì)與量均有顯著差距。東部地區(qū)已經(jīng)形成了以民營企業(yè)為依托的小城鎮(zhèn)廣域分布，并出

70%左右。

目前，中國城市化進(jìn)程呈現(xiàn)出以下一些特點(diǎn)：

(1)城市化速度加快，呈現(xiàn)“虛高”和“冒進(jìn)”態(tài)勢。2004年底全國有設(shè)市城市660多座，建制鎮(zhèn)

收稿日期：2008-08；修訂日期：2008-12.

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（40635028）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40771001)�；痦�(xiàng)目：

作者簡介：李雙成(1961－)，男，河北平山人，副教授，主要從事地表格局與過程復(fù)雜性計(jì)算和模擬研究。

頁

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地理科學(xué)進(jìn)展28卷

現(xiàn)了環(huán)渤海地區(qū)、長江三角洲和珠江三角洲三個(gè)城鎮(zhèn)密集地區(qū)，具有較為完善的城鎮(zhèn)體系以及較高質(zhì)量的城市化水平。而西部地區(qū)城市化主要依賴資源型工業(yè)和重工業(yè)，城市布局相對分散，城市化質(zhì)量較低[6]。城市化的省際與省內(nèi)發(fā)展也同樣差異巨大。京、津、滬的城市化水平最高，黑、遼、粵、蘇、浙、閩、瓊、鄂等省區(qū)的城市化水平次之，其他省和自治區(qū)的城市化水平最低。目前中國城市化過程在呈現(xiàn)加速、集群以及空間異質(zhì)性態(tài)勢的同時(shí)，也凸顯了資源與生態(tài)環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)，而中國城市化過程的資源與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)特點(diǎn)也對應(yīng)著上述城市化特點(diǎn)。

去的城市供水問題主要是給排水設(shè)施的不足，而今天隨著城市人口的劇增，生產(chǎn)用水和生活用水量將大幅上升，加上江河湖泊等地表水以及地下水水質(zhì)已遭受嚴(yán)重污染，據(jù)專家估計(jì)，這將使得我國660多個(gè)城市不同程度地面臨水資源匱乏問題，200多個(gè)城市嚴(yán)重水資源不足[7]。

(3)能源供需平衡壓力日益增大。城市化對能

源，包括電、煤、石油、燃?xì)獾刃枨蠖紝⒂芯薮蟮脑鲩L。目前我國每生產(chǎn)1萬元的GDP其能耗比發(fā)達(dá)國家高出10～12倍，同時(shí)城市的人均耗能、人均用水以及集中產(chǎn)生的垃圾量要比農(nóng)村大得多。即使按照每年1個(gè)百分點(diǎn)的城市速率增長，未來城市化過程對于資源供給的壓力也十分巨大。

2中國城市化過程的資源與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)特征

城市化是一種強(qiáng)烈的地表人類活動(dòng)過程，與資源和生態(tài)環(huán)境條件之間相互耦合相互制約，城市化對資源及生態(tài)環(huán)境可能產(chǎn)生劇烈影響，而這種影響反過來又可能對城市化進(jìn)程形成約束。一般認(rèn)為，城市化帶來的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)表現(xiàn)為：改變了城市區(qū)域生物地球化學(xué)循環(huán)，排放大量溫室氣體，造成嚴(yán)重環(huán)境污染；改變氣候特征，出現(xiàn)“熱島”效應(yīng)；改變下墊面景觀結(jié)構(gòu)特征，水分循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生變化；以及生物多樣性降低和外來物種入侵等。上述這些負(fù)面效應(yīng)大多由城市化過程的資源利用不當(dāng)和土地利用方式的轉(zhuǎn)換引起[1]。

縱觀我國城市化發(fā)展歷程、現(xiàn)狀和態(tài)勢，不可避免地對資源與生態(tài)環(huán)境造成巨大影響，同時(shí)也面臨能源和自然資源的超常規(guī)利用以及生態(tài)環(huán)境惡化帶來的壓力和制約。其特征表現(xiàn)如下：

(4)城市環(huán)境污染嚴(yán)重，生態(tài)惡化明顯�？焖俪�

市化和經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展給城市地區(qū)的環(huán)境造成巨大壓力。水體污染、大氣污染、土壤污染和固體廢棄物堆積問題突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)90％的城鎮(zhèn)水域和65％的飲用水源受到不同程度的污染，90％的城市沿河水域遭到污染，而全國城市污水處理率只有36％。全國城市年產(chǎn)生活垃圾1.5億t，有200個(gè)城市出現(xiàn)垃圾圍城的局面，在50％的垃圾處理率中只有

10％達(dá)到無害化處理標(biāo)準(zhǔn)。如長三角地區(qū)水資源污

染嚴(yán)重，太湖流域出現(xiàn)普遍的“水質(zhì)性缺水”；大氣污染使幾乎整個(gè)長江三角洲都處于酸雨的威脅；土壤重金屬污染和有機(jī)物污染已出現(xiàn)由原來點(diǎn)狀的、局部的演變成面上的區(qū)域性污染擴(kuò)散的態(tài)勢等[8]。與此同時(shí)，城市區(qū)域的生態(tài)惡化態(tài)勢顯著，具體表現(xiàn)在城市或城市地區(qū)的熱島效應(yīng)不斷加強(qiáng)，城市土壤的理化性質(zhì)和肥力下降，地表徑流特性改變，自然和半自然景觀破碎化嚴(yán)重，生物多樣性和自然生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力降低，一些城市地下水過度開采引起的地面沉降加劇等等。

(1)耕地資源流失過速。根據(jù)建設(shè)部門專家的數(shù)據(jù)，1991-2000年全國城市建設(shè)用地，每年平均增

加150多萬畝，2001年在300萬畝以上，2002年上升到500萬畝左右，而建設(shè)用地的增加主要來自耕地占用。根據(jù)國土資源部的數(shù)據(jù)顯示，在1997-

(5)城市地區(qū)的生態(tài)占用不斷增加，需要的生態(tài)

支撐面積越來越大。城市化發(fā)展通過地域景觀演替和土地利用方式的變化，改變自然系統(tǒng)的承載能力，使城市化發(fā)展逐漸成為影響生態(tài)足跡供需變化的重要因素。城市和城市化地區(qū)是地表產(chǎn)生生態(tài)足跡密度最大的區(qū)域，也是生態(tài)赤字的主要貢獻(xiàn)區(qū)。其中，城市化率對建筑用地、草地和化石燃料用地的影響較顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)城市需要大于其本身面積的10～100倍區(qū)域來支撐其物質(zhì)和能量需求，其中也包括生態(tài)服務(wù)功能的供給和廢棄物的吸納2000年期間，平均每年建設(shè)占用耕地為270多萬畝；而在2001-2005年期間，該數(shù)量已增加至328

萬畝�？焖俚某鞘谢^程加劇了耕地資源的流失，如沿海各省市2010年的土地指標(biāo)在2001年已經(jīng)用完。城市水平很高的長三角地區(qū)更是人多地少，目前人均耕地僅0.7畝，土地資源十分稀缺，而且仍。

。，過

1期李雙成等：中國城市化過程及其資源與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)機(jī)制

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3城市化過程及其資源與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)機(jī)制研究現(xiàn)狀

3.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

城市化過程帶來的資源與生態(tài)效應(yīng)日益引起決策者、科學(xué)家和公眾的關(guān)注。近年來國內(nèi)外相關(guān)研究逐漸增多。

點(diǎn)、城市系統(tǒng)與全球環(huán)境變化的相互作用和結(jié)果、城市生態(tài)系統(tǒng)中對全球環(huán)境變化影響的結(jié)果與反饋過程等四大專題的研究[13，14]。IHDP有關(guān)城市化與全球環(huán)境問題的研究計(jì)劃目前已制定發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃[15]。項(xiàng)目研究穩(wěn)步推進(jìn)并取得了積極進(jìn)展，包括：全球環(huán)境變化海岸帶城市地區(qū)人類安全的影響[16]，城市化過程中的碳管理與清潔空氣問題，城市景觀格局與全球環(huán)境變化問題，發(fā)展中城市建模、全球環(huán)境變化與政策制定問題，全球城市及其脆弱性問題及中國的城市化研究等[17]。

近期國外研究中，最突出的是2008年1月發(fā)表在Science上的一組有關(guān)城市方面的文章。其中，

3.1.1國外部分研究現(xiàn)狀

1995年，Grossman和Krueger用計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)方法，以42個(gè)發(fā)達(dá)國家的板面數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)證，揭示了

隨著城市經(jīng)濟(jì)水平的提高，城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)倒“U”型的演變規(guī)律，提出著名的環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)假設(shè)[10]。城市化引發(fā)的環(huán)境及生態(tài)問題，如城市局部氣候惡化、生物多樣性消失等激起了世界人們的廣泛注意。如Deosthali模擬了城市化對城市局部氣候的影響[11]，Deplazes等[12]分析了城市化對城市野生生物的多重影響等。

國際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃(International

Grimm等[1]人的《Globalchangeandtheecologyofcities》從城市生態(tài)學(xué)視角探討了全球環(huán)境變化下由

人類活動(dòng)引發(fā)的在局地、區(qū)域和全球等不同尺度下城市社會生態(tài)系統(tǒng)的各種環(huán)境變化和響應(yīng)(圖1)。

3.1.2國內(nèi)部分研究現(xiàn)狀

近幾年國內(nèi)有關(guān)城市化及其資源與生態(tài)效應(yīng)的研究工作也較多。在城市化過程中資源消耗以及反饋約束方面，除了一般的綜合性論述外，土地資源、水資源和能源資源受到了較多的關(guān)注[4，，5，7]。李桂林等回顧了城市化過程對土壤資源的質(zhì)與量產(chǎn)生的深刻影響，主要表現(xiàn)為：城市向外擴(kuò)張、交通設(shè)施建設(shè)等占用的多為最好的農(nóng)業(yè)土壤資源，導(dǎo)致土壤

HumanDimensionsProgrammeonGlobalEnviron-mentalChange，IHDP)關(guān)注城市化與全球變化相互

關(guān)系及相互作用機(jī)制的研究。其中，科學(xué)計(jì)劃—城市化與全球環(huán)境變化(UGEC)是IHDP的核心研究計(jì)劃之一，該研究包括城市系統(tǒng)對全球環(huán)境變化的影響、全球環(huán)境變化影響城市系統(tǒng)的路徑和作用

1-([1])

Fig.1showingaofto

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地理科學(xué)進(jìn)展28卷

資源數(shù)量縮減；建設(shè)用地開發(fā)、采石、筑路等在內(nèi)的各種城市化活動(dòng)能明顯加劇土壤侵蝕過程；土壤利用方式的轉(zhuǎn)換引起土壤理化性質(zhì)的改變，同時(shí)導(dǎo)致土壤碳儲量的變化；城市化過程中強(qiáng)烈的人為活動(dòng)導(dǎo)致土壤中生物多樣性和活力的下降；城市地區(qū)由于資源的集中消費(fèi)及化學(xué)物質(zhì)集中釋放而對土壤環(huán)境的刺激強(qiáng)度越來越大[18]。

中國現(xiàn)有300多個(gè)城市不同程度缺水，其中嚴(yán)重缺水的有108個(gè)。因此城市化進(jìn)程與城市水資源、水環(huán)境研究成為熱點(diǎn)。如張一平[19]和宋軍繼[20]對城市化引發(fā)的城市水環(huán)境問題進(jìn)行了研究；周海麗等[21]建立回歸模型定量分析了深圳的城市化發(fā)展與城市水環(huán)境質(zhì)量變化的關(guān)系。城市化對下墊面水文系統(tǒng)的影響也較為顯著[22]。陳德超等[23]考察上海城市化過程中的河網(wǎng)水系變化，發(fā)現(xiàn)從一個(gè)世紀(jì)以前的河網(wǎng)密布，到隨著近半個(gè)世紀(jì)的城市化過程中建成區(qū)不斷向外擴(kuò)展使許多河流被填沒、淤堵，全市河道長度縮短了約270km，河網(wǎng)密度也大為減少，其結(jié)果導(dǎo)致河道自然排水功能下降，加大了城市暴雨積水的可能，同時(shí)影響了河流的水質(zhì)狀況。王玉成等[24]則研究了城市化過程中的“雨島”效應(yīng)，由于大量人口向城市聚居，工業(yè)、商業(yè)迅速發(fā)展，污塵排放量顯著增加，城市上空的灰塵成為降雨的催化劑，同時(shí)使城市溫度明顯提高，從而形成城市降雨。同時(shí)，下墊面性質(zhì)發(fā)生改變，地面多成為硬制的、不透水表面，減少了蓄水洼地，蓄滲能力大幅度下降，使得地表徑流總量增大。

城市化帶來了顯著的生態(tài)效應(yīng)，這也是國內(nèi)研究的一個(gè)方向。城市化過程通過直接或間接的改變地面形態(tài)及原本自然的生物地球化學(xué)過程，使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能受到影響或發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市景觀格局特征越來越復(fù)雜，受格局影響的生態(tài)過程、功能也不斷發(fā)生變化[25]。城市化過程中對于氣候影響最顯著的是城市熱島效應(yīng)。單體城市的熱島效應(yīng)研究成果較多，以北京市為例，北京城市熱島強(qiáng)度和總?cè)丝趯?shù)呈線性相關(guān)關(guān)系；建成區(qū)的范圍與城市熱島影響范圍呈同步變化趨勢；熱島強(qiáng)度以平均每10年0.22℃的速率加劇[26]。城市帶或城市地區(qū)的熱島效應(yīng)波及范圍更大，對區(qū)域性氣候格局構(gòu)成影響。如長三角地區(qū)城市帶熱島強(qiáng)度和城市總?cè)丝趯?shù)呈線性正相關(guān)關(guān)系；城市帶增溫效應(yīng)使得區(qū)域的年，1991-2005年間增溫幅度為0.047℃，表明這一時(shí)期

長江三角洲城市帶的空間擴(kuò)展正在改變區(qū)域溫度變化趨勢，且這種增溫趨勢顯著[27]。

城市地區(qū)的土地利用和土地覆被變化研究一直是國內(nèi)研究熱點(diǎn)之一。早期的工作集中在不同時(shí)期土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換分析上，其數(shù)據(jù)多靠遙感影像解譯獲取，空間分析主要依靠地理信息系統(tǒng)，其指標(biāo)多采用景觀格局指數(shù)。近年來，一些學(xué)者采用基于非參數(shù)化的算法如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、粗糙集理論、免疫進(jìn)化算法及多智能體等，結(jié)合

GIS與元胞自動(dòng)機(jī)模型來模擬和預(yù)測城市地區(qū)的土

地利用變化[28]。同時(shí)，城市土地利用變化導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)也逐漸引起一些學(xué)者的關(guān)注[29]，效應(yīng)研究集中在熱環(huán)境[30~31]和大氣環(huán)境[32]。

從整體上看，城市化對地表植被覆蓋帶來的是負(fù)面影響。韓貴鋒和徐建華等[33]利用SPOT/VGT-

NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，探討了城市化與地表植被之

間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，從時(shí)間序列上看，城市化率和植被生長活力之間有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)程度越來越強(qiáng)；在空間上，植被生長活動(dòng)與人口和

GDP等變量之間均以負(fù)相關(guān)為主，且高的負(fù)相關(guān)主

要分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，例如上海-蘇州-無錫-常州-鎮(zhèn)江-南京城市帶。說明人口大量集中、城鎮(zhèn)用地的迅速擴(kuò)張以及高強(qiáng)度的生產(chǎn)活動(dòng)，對植被的侵占和破壞十分明顯[33]。城市化進(jìn)程隨著人口大量增加和環(huán)境污染，地表覆被與下墊面自然生境不斷退化與喪失，進(jìn)而降低了生物多樣性[34]。大致規(guī)律是，城市生物多樣性由市郊向中心區(qū)梯度性減少，野生物種多樣性由城市中心區(qū)向城郊逐漸增加，城市化增加了外來種入侵的概率[35]。除了上述對于城市化過程中資源與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的單要素研究外，一些學(xué)者嘗試綜合效應(yīng)的研究。Shen等[36]采用一個(gè)基于過程的生態(tài)系統(tǒng)模型，分析了美國鳳凰城地區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)城市化引起的環(huán)境變化。研究結(jié)果表明，可利用水分控制著生態(tài)系統(tǒng)對CO2濃度升高、氣溫和氮沉降響應(yīng)的幅度與格局，城市化效應(yīng)在濕潤年份要比正常和偏干年份更顯著。部分學(xué)者對城市化與生態(tài)環(huán)境的交互耦合機(jī)制與規(guī)律性做了分析，黃金川等[37]采用代數(shù)學(xué)和幾何學(xué)兩種方法對環(huán)境庫茲涅茨曲線和城市化對數(shù)曲線進(jìn)行邏輯復(fù)合，推導(dǎo)出城市化與生態(tài)環(huán)境交互耦合的數(shù)理函數(shù)和幾何曲線，揭示出區(qū)域生態(tài)環(huán)境隨城市化的發(fā)展存，

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