全 文 ：第 34卷 第 6期 生 态 科 学 34(6): 193200
2015 年 11 月 Ecological Science Nov. 2015

收稿日期: 2014-12-22; 修订日期: 2015-09-22
基金项目: 国家科技支撑计划课题(2012BAC07B04), 厦门市科技计划项目(3502Z20122001)
作者简介: 余兆武, 男(1990—), 博士研究生, 从事城市生态学与城镇化过程生态环境效应研究, E-mail: zwyu@iue.ac.cn; zhyu@ign.ku.dk.
*通信作者: 郭青海, 男, 博士, 副研究员, 主要从事城市生态学与景观生态学研究, E-mail: qhguo@iue.ac.cn

余兆武, 郭青海, 曾瑜皙, 等. 城镇化过程土地利用变化及效应研究进展[J]. 生态科学, 2015, 34(6): 193200.
YU Zhaowu, GUO Qinghai, ZENG Yuxi, et al. Research progress on urban land use/cover change and its eco-environmental effects in
urbanization process[J]. Ecological Science, 2015, 34(6): 193200.

城镇化过程土地利用变化及效应研究进展
余兆武 1,2, 郭青海 1,*, 曾瑜皙 3, 何志超 4
1. 中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室, 福建省厦门 361021
2. 哥本哈根大学地球科学与自然资源管理系, 哥本哈根市 1958
3. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京市 100101
4. 福建师范大学地理科学学院, 福州市 350100

【摘要】 城镇化最显著的特征之一是土地利用变化, 并引起了各类生态环境效应。从城市土地利用变化的压力驱动机
制与模型, 水环境效应、土壤环境效应、景观格局效应、碳排放效应及生态系统服务效应等方面进行了分析与讨论。
发现现有研究对城镇化压力及驱动机制探讨、个案分析较多, 内在机理分析不足。土地利用变化导致的状态效应研究
较多, 但尺度单一; 也存在具体案例分析多, 内在机理规律总结少的问题; 长时间序列、多因素、多尺度耦合研究相当
缺乏。文章最后提出在“时-空-量-序-构”各层面与城市区域独有特性相结合的以远程耦合(Tele-coupling)方法开展可
持续性的城市土地变化科学(URB-LCS)研究。

关键词：城镇化; 土地利用变化; 生态环境效应 研究进展; 远程耦合
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.06.030 中图分类号：K903 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)06-193-08
Research progress on urban land use/cover change and its eco-environmental
effects in urbanization process
YU Zhaowu1, 2, GUO Qinghai1,*, ZENG Yuxi3, HE Zhichao4
1. Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen
361021, China
2. Department of Geosciences and Natural Resource Management, University of Copenhagen, Copenhagen DK 1958, Denmark
3. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
4. School of Geographic Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350100, China
Abstract: One of the most significant features of urbanization is land use/cover change, which can cause a series of
eco-environment effects. We analyzed pressures of land use /cover, water environmental effects, soil environmental effects,
landscape pattern effects, carbon emissions effects and ecosystem services effects. These results show that current studies
always just explore urbanization pressures and driving forces based on case studies, while analysis on internal mechanisms is
inadequate. In addition, most current studies focused on effects of land use/cover change with single scale, and are lack of
multi-scales coupling researches with long time series and multi-factors. Finally, we propose that sustainable urban land
change sciences (URB-LCS) should be developed based on the tele-coupling combing "Temporal-Spatial-Quantity-
Order-Structure” with the special urban characteristics.
Key words: urbanization; urban land use change/cover; eco-environmental effect; research progress; tele-coupling
194 生 态 科 学 34 卷

1 前言
城镇化过程最显著的特征之一是土地利用变
化, 由土地利用变化引起的生态环境响应也是最明
显的[1]。城镇化过程中城市建设用地大规模扩大和
自然半自然生态系统被人为生态系统所替代[2]。不
透水面增加、城市绿地和水体景观减少、景观破碎
和离散化加剧[1], 由此引起城市径流时空变化、城市
非点源污染、生态系统服务能力下降等各类生态环
境问题[2–3]。
全球城市人口从 1900 年不足 10%到 2011 年已
经达到 52%, 2030年将达到 60%[4–5]], 并且 Seto等人
预测这一期间全球城市土地覆盖增长将达到 152.7
万 km2 [6]。具体如美国数据可知, 1980—2000 年美国
城市人口增长了 24%, 同一时期土地利用却增长了
34%[4]。1991—2001 年, 中国城市建设用地面积扩大
87. 43%, 城镇人口仅增长 54. 04%, 城镇用地规模
弹性指数达 1.62, 2001—2011 年, 城市建设用地面
积扩大 72. 81%, 城镇人口仅增长 43. 72%, 城镇用
地规模弹性指数达 1. 67[7]。城市大规模增加、经济
发展导致了资源能源消耗、生态退化、土地利用与
覆盖变化加剧。研究认为 35%的人为二氧化碳排放
完全可以追溯到土地利用方式的转变, 特别是转化
为城市用地的间接影响更为重大[8]。土地利用变化
导致耕地的减少对粮食供给、粮食安全等方面已经
产生了很大的压力与危机[2,9]。土地利用变化一般
认为是区域环境问题, 尽管城市面积占地球表面积
近 3%, 但它却逐渐成为一个全球问题, 具有全球
影响[2,10]。
2 压力驱动机制
城镇化造成大规模的土地利用与覆盖变化。这
个过程的压力驱动机制以及相应的模型是学者研究
的热点, 包括定性与定量分析压力驱动机制。土地
利用变化驱动力研究包括狭义的主驱动因子辨别与
广义的对驱动机制的分析和驱动过程的模拟, 从而
实现对土地利用状况的调控与预测[11]。李平[12]提出
土地利用的基本竞争模型是土地利用类型变化驱动
力分析的理论基础, 通过将土地收益的边界效应作
为基本竞争模型开始分析, 到建立土地利用变化驱
动力的层次和类型的宏观分析模型。摆万奇等利用
系统动力学方法, 从系统的整体性、层次性和动态
变化对土地利用动态进行了整体深入的分析, 为土
地利用变化动力学提供了新思路[13]。有的还通过元
胞自动机模型 (Cellular Automaton Model)、SITE
(Simulation of Terrestrial Environments)、LandSHIF
等软件模型分析城市土地利用变化及其驱动力[14–16]。
Seto通过将城市土地远程连接(Urban land Teleconnections)
作为一个概念框架来表示城镇化动态与土地利用变
化的内在联接关系[17]。
除了在理论和大尺度上对城市土地利用变化的
压力驱动机制上做相应的研究之外, 更多的研究的
是在不同区域、不同研究视角以及不同学科背景下
进行的, 诸如对长三角地区、珠三角地区、环渤海
地区[11]以及北京、深圳等城市区域的土地利用变化
的压力驱动力实证研究[18-19], 这类实证研究的不足
在于城市区域具有不同的特点, 很难找到共性的地
方。为了更好的整合各类土地利用模型, Peter[20]在分
析层次(Level of analysis)、跨尺度动态(Cross-scale
dynamics)、驱动因子(Driving forces)、空间相互作用
与邻域影响 (Spatial interaction and neighborhood
effects)、时间动态(Temporal dynamics)和整合层级
(Level of integration)的 6 个层次上对各种模型比较
分析, 提出为了更好表征土地利用变化模型的跨尺
度特征、空间邻域以及城乡土地动态等方面, 应该
开发出新一代的土地利用变化模型。邵景安 [21]、杨
梅[11]等从区域土地利用变化的概念内涵、驱动因子
识别、驱动尺度效应、驱动过程模拟模型等方面总
结了城市区域土地利用变化的驱动力与模型的研
究, 指出未来研究中应该关注的尺度依赖、社会经
济因素的定量化模型化以及加强与 3S 技术相结合
的问题。
3 城市土地利用变化与水环境效应
自然半自然用地转化为城市用地显著的改变了
区域水环境状态。城市地表硬化, 不同的土地利用
方式对城市水环境产生了极大的影响。
水环境效应主要包括水文过程与水环境质量两
个方面, 尤其洪水和水污染问题得到了国内外众多
学者的关注[22]。城镇化过程中, 各类型不透水用地
减少了地表的渗透和地下水位, 树木和植被的减少
降低了地表蒸发和截流, 增加了地表径流量, 增多
了河流的沉积量, 加剧了潜在的洪水威胁[1,23]。Brun
与 Marsalek 等人使用 HSPF 模型估算土地利用变化
6 期 余兆武, 等. 城镇化过程土地利用变化及效应研究进展 195

对城镇化流域径流过程的影响, 表明基流在城镇化
后下降 20%, 但径流系数变化不大, 认为存在一个
不透水面积比例阈值(≈20%), 当不透水面积比例超
过此阈值后, 径流系数有较大变化[24]。产沙方面, 一
般来说, 流经城市的河流产沙相对较少, 但是市内
各类基础设施建设却对泥沙输出有很大的影响[25]。
Erin 对正在迅速城镇化的流域土地利用和河流沉积
物悬浮物的相对影响研究表明, 流域的人类活动尤
其是城市发展使河流年含沙量增加了 50%[26]。郑璟
等人也通过对深圳的研究发现城镇化的过程使得流
域蒸散发量、土壤水含量和地下径流深度以及地表
径流等水文要素的空间和年际特征发生了显著的改
变[27]。
城市地表径流携带氮、磷、有毒物质进入河流
或湖泊, 污染地表水和地下水。Tim 等用径流、土壤
侵蚀模型与 GIS 的结合来评价非点源污染的不同来
源[28], Kadi 以地下水模型结合 GIS 模拟水流和水体
中的非点源污染物, 取得了较好的效果[29], Huang等
研究发现土地利用变化与城市水环境质量存在相关
关系, 并认为土地利用类型的面积的百分比比景观
格局指数更能有效的预测水质 [30]。岳隽等从
“源”“汇”的角度, 构建流域尺度的土地利用优化框
架 [31]。郭青海等也对城市非点源污染的影响、来源
以及控制途径等有了较为系统的研究[32-33], 研究发
现土地利用异质性改变了土地利用类型与水质的相
关关系, 在研究城市土地利用与水体水质相关性时
需要考虑土地利用类型的特征和格局[22]。也有学者
通过跨学科的整体研究对快速发展的广州市进行了
综合的研究, 探索城市土地利用对新城轴线的地表
与地下水以及污水排放的影响[34]。城市土地利用变
化对水质的影响一直以来都是研究的热点, 众多学
者在多个城市从不同方面进行研究, 取得了许多成
果, 但是多为个案研究能够很少发现内在机理及共
性, 这是有待进一步研究的地方。
4 城市土地利用变化与土壤环境效应
城镇化迅速的改变了城市土壤的理化结构。城
镇化过程中大规模的工程建设、交通运输、污染物
排放, 尤其是不当的土地利用和管理等, 使城市土
壤严重受损, 有些甚至是不可逆的[35]。一直以来, 土
壤学研究主要集中在如何提高生产力上, 城市土壤
的研究一直比较欠缺[36]。对于城市土壤的研究主要
集中在物理化学性质变化及其产生的影响, 但人为
活动过程的区分及其对土壤物质来源、属性、土壤
中的物理化学过程的具体影响目前还不明确[37]; 城
市土壤养分的及其集聚产生的影响, 包括对城市土
壤中有机质和氮含量及其有效性降低[38], 产生明显
的土壤磷富营养化特征[39], 有研究还指出磷富集对
浅层地下水和地表水都有很大影响, 这些影响包括
地下水含磷量与磷土壤剖面最大提取的磷量成正
比[40], Lu 等还认为磷富集现象应作为城市人为土壤
的标准[41]; 城市土壤空间变异及其对水、大气等影
响。由于城市土地利用类型多样, 导致城市土壤在
空间上变异明显, 城镇化过程诸多人为因素始终决
定了城市土壤的发育方向[40], Schleuss 等研究发现
城市土壤层次出现和人为活动的强度以及居住的密
度相关[42], 城市区域内广泛的土壤压实和封闭现象
使得调蓄水流过程功能减弱, 地表径流增大[43], 暴
雨情况下很容易出现城市内涝等现象。另外, 城市
人口高度密集, 带有各种有害的颗粒物(PM2.5)对人
体有很大的影子, 根据研究上海颗粒物中 31%来自
土壤扬尘[44]。
5 城市土地利用变化与景观格局效应
城市土地利用变化必然会导致景观破碎化、景
观多样性以及景观格局变化, 并且这一变化对于城
市景观结构响应具有时间滞后性[45]。很多学者将土
地利用与景观结构相结合进行研究。如彭建等人对
深圳进行研究时发现土地利用分类对景观格局指数
具有显著影响, 并且景观指数对土地利用类型数目
变化响应的可预测性可分为强、弱以及无规律性变
化三种情况[46]。Deng 等人通过时空动态和演化分析
了土地利用变化和景观格局之间的响应 [47],
Claessens 还为土地利用变化和景观过程之间的相互
作用与反馈机制建立了模型[48]。土地利用变化与景
观格局的研究基本可以归结为以下方式: 通过 RS、
GIS 等技术手段 , 采用相关的景观指数模型
(Fragstats)或者土地利用模型, 运用数理统计的方法
(AHP、相关分析、主成分分析、聚类分析等), 采用
某种研究方法或从某些角度的创新, 再以某一地区
作为案例进行研究, 得出相应的研究结论[30,46]。很多
案例研究中, 会出现不同甚至完全相反的研究结论,
例如有学者就认为地表温度(LST)与大气温度(AT)
具有极强的相关关系与相似的空间格局, 但另一些
196 生 态 科 学 34 卷

学者却认为两者之间并没有持续稳定的相关关系[49–50]。
城市生态系统除受自然因素影响外, 还受各种人为
因素的影响, 研究中出现相反结论原因可能在于没
有考虑其他因素的影响, 仅仅就监测数据进行分析,
没有进行全面的时空变异分析, 导致研究结论相差
极大, 无法找出规律性的结论, 这也是研究需要改
进的地方。“配对流域”[64]实验方法是水文学特别是
森林水文学研究最有效的手段, 能够有效在复杂多
样的流域中找出其内在规律, 未来研究可以借鉴“配
对流域”实验理念进行更深入的研究。
城市土地利用变化与景观格局的研究中, 城市
“热岛效应”是一个研究热点。城市热岛效应是景观
格局演变最直接的结果[1]。研究发现城市景观的空
间区位及其邻域关系也会对热岛效应产生显著影
响[51]。Zhou 等[6]人研究表明城市土地利用的组成
(Composition)的影响比城市土地配置(Configuration)
大 , 但也有学者持相反意见 [4]。Susca[52]通过城
市与建筑两个景观尺度来评价绿色植物对城市
热岛效应的影响 , 发现在城市尺度上拥有最多
与最少绿色植物的区域二者具有 2 ℃ 的温差 ,
在建筑物景观尺度上 , 具有绿色植物的屋顶能
够有效的降低温度。Li 等从景观结构、景观破碎
度, 景观动态等角度探讨对热岛效应的影响[53]。
与此同时 , 一些学者开始关注“城市冷岛”, Sun 等
通过分析不同大小、形状、空间位置的水体发现
其“冷岛”的平均强度为 0.54 ℃·hm–1, “冷岛”效率
平均为 1.76 ℃·hm–1·ha–1[51, 54]。Chang 等人通过绿
地斑块形状来分析“城市冷岛”效应[55], 在绿地覆
盖率相当的情况下, 大斑块绿地降温效应明显高
于小斑块绿地, 并且具有非线性的关系 [56], 水体
和绿地对“冷岛效应”往往还存在着一个阈值, 只
有在阈值范围内才能发挥最大的冷岛效应[1, 54]。水
体、绿地以及公园等景观斑块具有冷岛效应, 但城
市不可能无限制的增加这些斑块, 需要探索在最
小斑块面积以及最优的景观结构下达到最高的冷
岛效率。因此, 这类研究逐渐侧重于确定不同类型
城市景观斑块最佳阈值[57]。
6 城市土地利用变化与碳排放效应
土地利用方式的改变对气候变化和碳排放的影
响是科学界比较关注的问题[58]。人们很早就意识到
了土地利用变化影响着碳排放以及所引起的全球气
候变化[59–60]。城市建设过程对土壤碳排放变化产生
最直接影响, 变化也是非常复杂的, 研究表明从最
初自然半自然土地类型到城市土地类型过程中, 土
壤碳库及碳通量发生的很大的变化[61]。Pouyat 等人
利用巴尔的摩市商业区开发过程中的数据, 估算出
2600 m2 的建设活动引起 2. 7104 kg 碳损失[62]。孙
昌龙[63]等人对全球 76 个国家样本研究发现城镇化
对碳排放的影响表现为驱动和制动双重作用, 在城
镇化初期表现为驱动与制动作用均不明显, 碳排放
缓慢增长, 城镇化中期表现为驱动作用逐渐占主导,
制动作用较小, 碳排放迅速增长, 以及城镇化后期
表现为驱动作用仍然占主导地位, 但制动作用逐渐
增强, 碳排放速度有所减缓。
土地利用变化与碳排放问题的研究集中在较
大尺度上 [58], 或者某种土地类型转化为另一种土
地类型中碳排放的具体变化 [60], 对城市土地利用
变化的碳排放研究相当少。城市土地利用变化研究
中更多是对土地利用方式转变等进行情景分析, 然
而缺少更深入的耦合研究。尽管城市面积仅占地表
总面积的 3%左右[4], 相比于自然半自然生态系统
来说城市碳存储量影响相对较小, 但是城市生态系
统通过各种远程耦合关系对全球碳存储的变化起
到了重要的影响。然而现阶段人们对城市土地利用
变化的机理性和规律性的研究并没有像对自然半
自然生态系统土地利用之间变化研究那么深入[60]。
城市是一个复杂的巨系统, 城镇化不仅可以直接的
改变土地利用覆盖与类型, 可以通过其他各种响应
间接改变森林、草地等使用过程, 这一过程也就间
接的改变了碳排放过程。这种复杂的远程耦合研究
目前还不多, 是新的研究方向, 也是未来研究所必
要的。
7 城市土地利用变化与生态系统服务效应
城市土地利用变化与生态系统服务功能密切相
关, 城市土地利用变化将导致城市及其周围地区生
态系统结构与功能的变化, 并且导致“水-土-气-碳”
等环境环境效应直接影响其生态系统服务效应变化
与价值的实现。如赵丹[64]等通过对淮北市的研究发
现 1987-2007 年城镇化发展土地利用发生剧烈变化,
这个过程导致生态系统服务价值呈现先增加后减少
的趋势, 并且废物处理和水源涵养功能退化最为严
重, 二者存在显著的相关关系。Liu[65] 等从城市扩张
6 期 余兆武, 等. 城镇化过程土地利用变化及效应研究进展 197

与政策变化视角研究也发现城市土地利用变化引起
生态系统服务和功能变化, 并指出生态环境脆弱地
区土壤组成与保护、水源供给是两个最大的服务功
能, 占 32%。胡和兵[66]等从流域城镇化尺度研究了
土地利用类型与强度对生态系统服务价值的时空变
化, 并提出流域生态服务价值空间自相关表现出明
显的尺度效应。Kroll[67]等从城乡变化二维梯度, 从
能源-食物-水源三种基本服务视角定量分析了生态
系统服务价值的变化情况, 发现在食物和水的供需
比出现上升, 能源则出现下降, 同时生态系统需求
的格局呈现出城乡差异性。
城市土地利用变化时空动态、利用强度以及
景观格局对生态系统服务具有重大的影响, 并已
经得到学者普遍认同[64–65, 68]。但是纵观这一领域
研究目前仅停留在土地利用变化与生态系统服务
之间损失量的估算, 缺少多角度、多尺度的耦合。
未来研究我们认为生态系统服务价值(ESV)应该
统筹城市土地利用变化过程所产生的水环境效
应、土壤环境效应、碳排放效应以及景观格局效
应等研究 , 更加深入分析城市土地利用变化引
起的生态环境效应对生态系统服务价值的影响
程度。
8 讨论与展望
现有研究主要集中在具体案例方面, 内在机理
研究较少。对不同城市进行相同类型研究会产生截
然不同的结论[49–50], 说明案例研究虽然能够为我们
发现规律提供一个好的手段, 但是发现内在普遍规
律才是我们研究的目的。研究应该首先加强在对现
有研究成果综合分析, 找出相同或相似研究中相似
与相反的结论, 研究其结论背后不同的原因, 这个
过程很重要。可以借鉴水文学中的“配对流域”[69]的
实验方法进一步分析, 并在此基础上寻找普遍规
律。也可以利用大数据分析手段分析现有研究的差
异与问题所在，并结合大数据手段寻找未来研究的
方向与视角，真正为更好解决中国大规模城镇化过
程导致的生态环境问题提供一个科学的行之有效的
思维与手段。
我们认为无论是城镇化导致土地利用变化的压
力驱动机制分析、模型分析、景观格局分析、碳排
放以及与生态系统服务的影响分析, 都缺少多因
子、多尺度、跨区域的耦合研究与动态研究。由于
缺少较为完整的方法论, 耦合与动态研究一直是
研究难点 , 城市是一个复杂的巨系统 , 它的复杂
性包括景观在结构和功能的时空异质性、尺度的多
样性、生物地球化学循环过程、非线性关系, 以及
生态过程和社会经济动态的相互作用的紧密性[70]。
单因素、单尺度的研究很多时候很难发现其内在
的规律。我们认为今后应该在方法论上做突破, 进行
多尺度、长时间序列的远程耦合(Tele-coupling)[3, 71]
与动态研究。
土地利用变化科学(Land Change Science, LCS)
是 Turner[8]等人于 2007 年提出的一门新方法论。它
基于土地利用变化产生的人类与自然环境系统耦合
研究, 提出之后即得到很多学者的响应[72]。但是这
一研究理念基于所有形式的土地利用变化/覆盖过
程研究, 如同城市生态系统研究不能与森林农田生
态系统完全相同一样, 城市土地利用变化也不能完
全与“农-林-牧”自然半自然土地利用变化的研究方
法相同。因此, 基于城市区域自身特点的可持续性
的城市土地利用变化科学 (Urban-Land Change
Science, URB-LCS)应该得到我们重视, 它的研究应
该以多学科、多角度、多尺度耦合研究为核心, 以“远
程耦合(Tele-coupling)—时空量序构”等以研究复杂
巨系统为目标的方法论为依托。

致谢：本论文得到国家留学基金资助。
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