城镇化与生态环境“耦合魔方”的基本概念及框架

城镇化与生态环境耦合系统是人地关系地域系统的重要一环,面对新时代全球尺度的远程联系、时空压缩与社会经济重构,传统的研究框架急需转型和升级。借鉴人地关系地域系统、远程耦合和星球城市化等理论,从复杂性科学视角出发,首先解析了城镇化与生态环境耦合系统的内涵,进而从空间、时间、表象和组织四个维度,提出了一个解释城镇化与生态环境耦合机理的分析框架——“耦合魔方（CHNC）”,并论述了其概念、内涵、演化规律和分析框架：魔方中的系统与系统、系统与要素、要素与要素间通过各种“耦合线”相互联系与作用,形成一个彼此嵌套、相互联系、对立统一的有机整体;魔方的旋转代表了不同地域间城镇化与生态环境的时空非线性耦合作用,系统通过不断能量交换,产生临界相变与整体涌现性,长期处于有序与无序之间的中间状态;“耦合魔方”包括近远程耦合、近远期耦合、组内间耦合和显隐性耦合,共四个维度,八种类型。重点剖析了远程、远期、组间和隐性耦合的科学内涵、研究方法与典型案例,并形成更具普遍意义的人地关系耦合矩阵。“耦合魔方”为揭示城镇化与生态环境耦合系统的演化和机理提供一个更加全面系统的跨学科研究范式,拓展了人地系统耦合研究的分析维度,为面向人类福祉的区域可持续发展政策制定提供科学支撑。     

城市化背景下食物系统耦合研究的理论框架及优先方向

受城市化、地域功能分化、生产要素优化配置和交通网络快速扩展等因素影响,区域之间资源要素的流动已成为区域可持续发展的内在需求。在这种背景下,人类与地理环境互动模式的网络化就要求地理学研究采取全程耦合范式,即将区域内部、区域与周边区域、以及非邻接区域之间的人地互动同时纳入考虑。食物系统作为衔接乡村与城市、以及产地与全球消费市场的产业链和价值链,是开展人地系统近远程耦合研究的重要切入点。基于这种认识,本文在论证理论研究内在依据及外在条件的基础上,将食物系统的构成要素与远程耦合框架相结合,建立“城市化驱动下食物系统近远程耦合的理论框架”并论述该理论框架的具体内涵。以拓展理论框架中的前沿领域为基本导向并结合国家重大战略需求,本文进一步明确了食物系统耦合研究的基本问题和4个亟待突破的优先研究方向。其中,基本问题是食物域的格局特征、时空演化及其动力机制。4个优先方向则包括：耦合社会经济文化变迁与生物地球化学循环的供应链网络人地互动研究;食物系统近远程耦合效应及其调控策略研究;基于食物系统的城乡融合与长效脱贫机制研究;以及面向公共卫生安全的食物系统跨区域、多层次治理研究。本文最后设计了食物系统耦合研究的一般技术路径,研究结果可为进一步的案例实证提供理论支撑和研究思路参考。     

城镇化与生态环境耦合动态模拟理论及方法的研究进展

城镇化与生态环境耦合是当前研究热点,而其动态模拟将是未来的重要方向。基于系统科学与跨尺度耦合理论揭示城镇化与生态环境耦合系统的本质,即一个非线性的、具有高低阶多重反馈的开放的复杂巨系统。通过综述城镇化与生态环境耦合动态模拟的理论、方法与应用的研究进展,可知：① 动态模拟成为趋势,相关理论与机理解析不断完善;② 动态模拟技术趋向多元化、精细化、智能化和集成化;③ 应用研究基于多类型案例区、多要素以及近远程与跨区域3个方面。当前研究不足包括：① 理论发展与整合不足;② 方法集成与数据共享力度滞后;③ 耦合关系链条和主控要素的动态特征未被完整揭示,远程耦合模拟缺乏定量表达、系统性整合以及与区域联动层面的应用衔接。今后,应以理论为根基,推动多科学交叉融合;以方法为支撑,推动动态模拟技术整合与数据共享;以应用为导向,揭示城市群等重点地区的近远程关系链条与主控要素的动态演化模式,为区域可持续城镇化提供决策支持。     

特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应解析的理论框架及技术路径

特大城市群地区是国家经济发展的战略核心区和国家新型城镇化的主体区,担当着世界经济重心转移承载地的历史重任,但在发展过程中面临着日益严重的资源与生态环境的胁迫压力。开展特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应的研究,是未来10 年地球系统科学研究的前沿领域和高优先研究主题。本文系统解析了特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应的基本理论框架。首先从理论上分析了特大城市群系统各自然要素和人文要素交互作用的非线性耦合关系及耦合特征,科学辨识近远程主控要素作用下城市群系统内外部各要素相互作用的胁迫强度、近远程耦合机理与规律,总结特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合圈理论,进一步构建多要素—多尺度—多情景—多模块—多智能体集成的时空耦合动力学模型,研发特大城市群地区可持续发展优化智能调控决策支持系统;其次从方法上将特大城市群地区视为一个开放的复杂巨系统,在建立同一标准化共享数据库的基础上,采用多要素—多目标—多模型—多情景环境下的城镇化与生态环境交互耦合集成技术方法、大数据支持下的城镇化与生态环境交互耦合技术方法,构建多尺度—多技术—多智能体集成的城镇化与生态环境交互耦合技术框架,按照分析时空演变特征—寻求主控要素—辨识耦合关系—揭示胁迫机制—发现耦合规律—筛选调控变量—求解临界阈值—进行调控试验—完成情景模拟—提出优化方案—完成情景模拟—提出优化方案—实现国家目标这样一条技术路径,提出解 决问题的整体优化方案。本文旨在为特大城市群地区由问题集中区转为可持续发展区提供理论指导和方法支撑。     

现代人地关系与人地系统科学

人地关系地域系统理论系统提出30 a来，对促进地理学综合研究、学科建设和服务国家重大战略决策发挥了重要的科学支撑与导向作用。深入解析了人地关系地域系统理论的科学内涵及时代价值，诠释了现代人地系统的类型与环境，提出了“人地圈”与人地系统科学研究的主要内容和前沿领域。初步研究表明：① 现代人地系统具有复杂性、地域性和动态性特征，人?地交互作用过程、格局及其综合效应正在发生深刻变化，地球表层人地系统成为现代地学综合研究的核心内容和重要主题。② 科学认知和有效协调人地关系，亟需深入探究人地系统耦合格局与机理，探明人地关系地域系统类型、结构及其动力机制。依据城乡关系将人地关系地域类型划分为城市地域系统、城乡融合系统、乡村地域系统。乡村地域系统可细分为农业系统、村庄系统、乡域系统、城镇系统等子系统，分别对应于作土关系、人居关系、居业关系、产城关系。③ 现代人类活动强烈地作用于地球表层人地系统，形成了人地系统耦合与交互作用的地表圈层——“人地圈”，其实质是现代人类活动与地表环境相互联系、耦合渗透而形成的自然–经济–技术综合体或人地协同体。④ 人地系统科学或人地科学是研究人地系统耦合机理、演变过程及其复杂交互效应的新型交叉学科。它是现代地理科学与地球系统科学的深度交叉和聚焦，以现代人地圈系统为对象，致力于探究人类活动改造和影响地表环境系统的状态，以及人地系统交互作用与耦合规律、人地协同体形成机理与演化过程。人地系统耦合与可持续发展是人地系统科学的研究核心。传承创新人地关系地域系统理论和发展人地系统科学，更能凸显地球表层人类的主体性、人地协同的过程性和可持续发展的战略性，为人地系统协调与可持续发展决策提供科学指导。     

城镇化与生态环境耦合圈理论及耦合器调控

城镇化与生态环境之间客观上存在着极其复杂的近远程非线性耦合关系,如何协调城镇化与生态环境的关系问题已上升为全球性战略问题和世界性科学难题。本文从理论上揭示了城镇化与生态环境交互作用的耦合性、耦合关系和耦合度;根据主控要素总结出了城镇化与生态环境耦合的10种关系和交互方式;根据耦合度强弱将耦合性分为低度耦合、较低耦合、中度耦合、较高耦合、高度耦合和完全耦合6种类型,分别对应随性耦合、间接耦合、松散耦合、协同耦合、紧密耦合和控制耦合,进而形成城镇化与生态环境耦合塔;创建了城镇化与生态环境耦合圈理论,按每旋转10°生成一个图谱构建了由直线图谱、指数曲线图谱、对数曲线图谱、双指数曲线图谱和“S”型曲线图谱等组合而成的45种耦合图谱,不同图谱对应着不同的城市发展阶段和发展模式。在多种耦合图谱中,认为“S”型曲线耦合图谱是最佳图谱,代表着多种图谱中体现城镇化与生态环境相互作用的最佳耦合状态。以“S”型曲线耦合图谱为依托,借助SD模型及各变量之间存在的一对一、一对多和多对多的复杂关系,构建了由11个调控要素和201个变量构成的耦合调控器（UEC）,只要一个变量发生变化,就会牵一发而动全身,影响整个耦合调控器的结构、功能和调控结果。这种耦合调控器包括同一时间多个城市城镇化圈与生态环境圈之间的静态调控、不同时间同一城市城镇化圈与生态环境圈之间的动态调控、不同时间多个城市城镇化圈与生态环境圈之间的动态调控3种时空尺度,通过调控将逐步推动城镇化圈与生态环境圈之间由低级耦合向高级耦合方向演进。     

新时代乡村振兴地理学研究

城乡融合与乡村可持续发展,既是中国现代化建设的重要战略主题,也是地理学乡村系统研究的主要前沿课题。面对快速城镇化进程中城乡分隔、人地分离和日趋严峻的乡村病问题,加快推进城乡融合与乡村振兴上升为国家战略。本文简要分析了新时代乡村振兴的经济社会背景及其重要意义,指出深度探究人地系统耦合、城乡发展融合、村镇功能契合重大理论与科学途径,成为现代地理学面向国家战略、服务乡村振兴的重要责任。重点介绍了乡村振兴战略提出一周年来国内相关研究进展及本专辑论文的主要内容与特点。最后,着眼于发挥地理学优势和特色,阐释了新时代乡村振兴科学研究的前沿问题及科技需求,提出了进一步深化中国乡村科学与乡村振兴地理学研究的初步思考和建议。     

中国城镇化发展的地理学贡献与责任使命

城镇化是中国全面建成小康社会和实现现代化的必由之路,中国城镇化不仅决定着中国的未来,而且决定着世界城镇化的进程。近35 a来中国地理学家对中国城镇化发展做出了重要贡献,主要表现在：首次提出了城镇化的概念,推动城镇化上升为国家战略;率先将Northam提出的城镇化发展三阶段论修正为四阶段论;提出了中国城镇化发展合理进程并被《国家新型城镇化规划》采用;研制了中国新型城镇化综合区划,构建了中国新型城镇化合理格局;率先研制了城镇化发展质量定量测度方法与系统,为提升城镇化发展质量提供了技术支撑;较早发布了《中国新型城镇化发展报告》,提出了新型城镇化发展的通用模式和差异模式;首次提出了城镇化与生态环境耦合圈理论与技术图谱。中国地理学家在城镇化这一多学科研究的重大领域中经常扮演着组织者角色,并担当重任,主要是：综合分析城镇化发展面临的问题及国际经验,探索城镇化发展的驱动机制与基本规律,辨析城镇化发展的空间格局和差异模式,揭示城镇化发展与资源环境的耦合关系,模拟预警城镇化发展的多种情景与风险,选择城镇化发展质量提升的可持续之路。今后一段时间内,创新国家新型城镇化高质量发展理论,优化“一带一路”背景下中国城镇化发展的空间格局,揭示中国城镇化与生态环境交互耦合机理及规律,研制中国城镇化发展的智能决策支持系统与引导政策,是中国城镇化发展的地理学使命。     

连接科学与社会——从第33届国际地理大会看地理学的发展态势

本文介绍了第33届国际地理大会的会议概况和主要议题,从会议论题中总结当前国际地理学研究的前沿问题与发展态势。当前国际地理学界关注的前沿问题主要有：未来地球研究,陆地表层过程作用的综合研究、土地利用变化与生态系统服务,人类活动对全球变化的影响、响应与适应,城市化与可持续发展,地理学与环境、健康问题,自然灾害形成过程与风险分析,大数据、地理信息科学与决策制定,地理学与多元文化等。地理学的发展需要更加关注人地系统的综合研究、自然—社会系统的耦合研究及基础理论和方法的发展与突破。中国地理学应关注当前国际地理学的前沿问题与发展趋势,实现系统的综合和耦合,引领地理科学的发展。     

江苏省城镇化与生态环境系统耦合协同发展的路径选择

城镇化与生态环境系统是一对交互耦合、胁迫发展的耗散结构体,剖析两者之间的作用机理及演化规律的研究,对于我国城镇化的可持续发展,具有非常重要的现实意义。以城镇化发展较快的江苏省为例,首先用熵值法对13个地级市2002-2013年间城镇化与生态环境系统发展水平进行综合测定分析,再运用结构方程(SEM)PA-OV模型对各城市城镇化与生态环境系统的耦合演变,从时空两个维度进行路径分析检验,并根据因果关联的主要因素分析,提出了江苏省城镇化与生态环境系统耦合协同发展的主要路径。     

International progress and evaluation on interactive coupling effects between urbanization and the eco-environment

Global urbanization is exerting severe stress and having far-reaching impacts on the eco-environment, and yet there exists a complex non-linear coupling relationship between the two. Research on the interactive coupling effect between urbanization and the eco-environment will be a popular area of study and frontier in international earth system science and sustainability science in the next 10 years, while also being a high-priority research topic of particular interest to international organizations. This paper systematically collates and summarizes the international progress made in research on interactive coupling theory, coupling relationships, coupling mechanisms, coupling laws, coupling thresholds, coupling models and coupling optimization decision support systems. The research shows that urbanization and eco-environment interactive coupling theories include the Kuznets curve theory, telecoupling theory, planetary boundaries theory, footprint family theory and urban metabolism theory; most research on interactive coupling relationships is concerned with single- element coupling relationships, such as those between urbanization and water, land, atmosphere, climate change, ecosystems and biodiversity; the majority of research on interactive coupling mechanisms and laws focuses on five research paradigms, including coupled human and nature systems, complex social-ecological systems, urban ecosystems, social-economic-natural complex ecosystems, and urbanization development and eco-environment constraint ring; the majority of interactive coupling simulations use STIRPAT models, coupling degree models, multi-agent system models and big data urban computer models; and research has been carried out on urbanization and eco-environment coupling thresholds, coercing risk and optimal decision support systems. An objective evaluation of progress in international research on interactive coupling between urbanization and the eco-environment suggests that there are six main research focal points and six areas lacking research: a lot of research exists on macroscopic coupling effects, with little research on urban agglomeration and scale coupling effects; considerable research exists on single-dimension coupling effects, with little on multiple-dimension coupling effects; a great deal exists on “one-to-one” dual- element coupling effects, with little on “many-to-many” multiple-element coupling effects; a lot exists on positive feedback coupling effects, and little on negative feedback coupling effects; a great deal exists on empirical coupling effects, and little on theoretical coupling effects; a great deal exists on the use of simple quantitative methods, and little on using integrated simulation methods. Future studies should focus on coupling effects between urbanization in urban agglomerations and the eco-environment, spatial scale coupling effects, multi-dimensional coupling effects, telecoupling effects, “one-to-many” and “many-to-many” element coupling effects, and positive and negative feedback coupling effects. There is also a need to strengthen the development and application of dynamic models for multi-element, -scale, -scenario, -module and -agent integrated spatiotemporal coupling systems and further improve theoretical innovations in coupling effect research and integrate and form complete and diverse coupling theoretical systems.     

城镇化与生态环境交互耦合效应研究的国际进展与总体评价（英文）

Global urbanization is exerting severe stress and having far-reaching impacts on the eco-environment, and yet there exists a complex non-linear coupling relationship between the two. Research on the interactive coupling effect between urbanization and the eco-environment will be a popular area of study and frontier in international earth system science and sustainability science in the next 10 years, while also being a high-priority research topic of particular interest to international organizations. This paper systematically collates and summarizes the international progress made in research on interactive coupling theory, coupling relationships, coupling mechanisms, coupling laws, coupling thresholds, coupling models and coupling optimization decision support systems. The research shows that urbanization and eco-environment interactive coupling theories include the Kuznets curve theory, telecoupling theory, planetary boundaries theory, footprint family theory and urban metabolism theory; most research on interactive coupling relationships is concerned with single- element coupling relationships, such as those between urbanization and water, land, atmosphere, climate change, ecosystems and biodiversity; the majority of research on interactive coupling mechanisms and laws focuses on five research paradigms, including coupled human and nature systems, complex social-ecological systems, urban ecosystems, social-economic-natural complex ecosystems, and urbanization development and eco-environment constraint ring; the majority of interactive coupling simulations use STIRPAT models, coupling degree models, multi-agent system models and big data urban computer models; and research has been carried out on urbanization and eco-environment coupling thresholds, coercing risk and optimal decision support systems. An objective evaluation of progress in international research on interactive coupling between urbanization and the eco-environment suggests that there are six main research focal points and six areas lacking research: a lot of research exists on macroscopic coupling effects, with little research on urban agglomeration and scale coupling effects; considerable research exists on sin-gle-dimension coupling effects, with little on multiple-dimension coupling effects; a great deal exists on "one-to-one" dual- element coupling effects, with little on "many-to-many" multiple-element coupling effects; a lot exists on positive feedback coupling effects, and little on negative feedback coupling effects; a great deal exists on empirical coupling effects, and little on theoretical coupling effects; a great deal exists on the use of simple quantitative methods, and little on using integrated simulation methods. Future studies should focus on coupling effects between urbanization in urban agglomerations and the eco-environment, spatial scale coupling effects, multi-dimensional coupling effects, telecoupling effects, "one-to-many" and "many-to-many" element coupling effects, and positive and negative feedback coupling effects. There is also a need to strengthen the development and application of dynamic models for multi-element,-scale,-scenario,-module and-agent integrated spatiotemporal coupling systems and further improve theoretical innovations in coupling effect research and integrate and form complete and diverse coupling theoretical systems.     

中国城市化与生态环境系统耦合研究进展

城市化过程与生态环境变化之间的相互联系、相互作用,是面向可持续发展的人文过程与自然过程综合研究的重要课题。基于系统耦合理论,文章将具有城市化特征的各类城市人文要素的集合与组成生态环境的各类自然要素的集合视为2个相互独立又彼此影响的系统,分别从理论与方法的角度梳理并总结了当前中国城市化过程与生态环境变化之间关系的研究进展。中国学者不仅在城市化与生态环境耦合关系和演化规律认识上取得了成果,而且在定量评价与测度两大系统各要素及系统之间的耦合机制方面积累了经验,也提出了实现城市化发展与生态环境维护相互协调的对策。综合而言,目前国内研究在内容上的多维性特征、方法上的多元化特征和研究对象上的区域性特征明显,但同时还存在理论基础薄弱、定量评价指标体系缺乏以及研究的滞后性和被动性等问题,今后应围绕城市化与生态环境系统耦合理论框架和方法体系、系统作用观测与评价指标体系及预警机制、城市生态空间扩展与优化的模式与方法等方面展开深入研究。     

长三角城市群城镇化与生态环境质量优化研究

以2003—2016年的长三角城市群26个城市为研究对象,分析长三角城镇化和生态环境的时空变化特征,运用STIRPAT模型探讨城镇化对生态环境影响。结果表明:① 2003—2016年,长三角城镇化与生态环境质量均有提升,且城镇化水平的地区差异大于生态环境质量。长三角形成以上海、南京和杭州为中心的城镇化水平高值集聚,生态环境质量整体提升明显且空间差异小。② 长三角城镇化明显改善本城市生态环境质量,对相邻城市的生态环境质量有一定的负面影响。对本城市而言,多维的城镇化从人口、经济、土地、社会层面疏解生态环境压力,加强生态环境治理,优化提升生态环境质量。以人口集聚和结构优化为特征的人口城镇化,促进消耗集中、排放集中,提升了资源使用效率和污染治理效率。以产业集聚和经济发展为特征的经济城镇化,通过产业集中布局和创造经济效益,在资源配置和污染治理上发挥集聚效应,并为生态环境改善提供资金支持。对相邻城市而言,城市的城镇化“虹吸效应”大于“扩散效应”,城市的产业转型和环境规制会使污染向相邻城市转移,从而对相邻城市生态环境质量有一定的负面影响。