1绪论
1.1城市化对区域生态环境影响的概述
在全球城市化的背景下，世界城市人口不断增加，城市规模持续扩张。全球城市人口总数已经由1950年的7.5亿上升至2021年的44.5亿，城市人口比例已达到56.5%。与欧美发达国家相比，我国城市化起步时间较晚。自20世纪70年代改革开放以来，我国逐步加快了城市化的步伐，并长期保持高速的发展态势，截至2016年，我国城市化率达到57.35%（吕永龙等，2018）。随着城市化进程的加快，我国大中型城市的数目迅速增加，已形成京津冀城市群、长江三角洲城市群、珠江三角洲城市群、长江中游城市群、成渝城市群5个国家*的大城市群。城市化过程涉及地理、经济、人口和社会4个方面，包括城镇用地不断扩张、农业经济转变为非农业经济、农村人口转变为城镇人口及农村生活方式转变为城镇生活方式（金丹和戴林琳，2021）。城市化是国家和地区经济社会发展的必然过程，对促进经济增长和提高人民生活水平具有重要意义（宫倩楠等，2020）。
城市化在推动社会经济快速发展的同时，也造成了诸多区域生态环境问题。城市化过程*明显的特征是城镇用地的扩张，这导致了原本森林、草地、农田等自然和半自然生态系统的面积下降，同时也使得原有景观破碎化，进而导致城市化区域生态系统的水循环过程发生巨大变化（Lee and Bang，2000）。城市化过程对区域水环境的影响主要体现在两个方面：一是不透水地表的扩张导致地表径流明显增加，这直接导致了区域地下水补给量的减少，并且增加了洪涝发生的可能性（Suter II，1990）；二是城市化过程中建筑用地使用的材料和社会经济活动成为面源污染源，污染物会随降雨产生的径流汇入区域下游的地表水体中，造成灌溉用水、饮用水污染或水体富营养化（Dauphin et al.，1998）。此外，城市化区域河湖水文过程改变和水体污染进一步导致水生态系统健康的下降和水生生物多样性的降低。
城市土壤是城市生态系统中重要的组成部分之一，发挥着重要的生态系统服务功能。然而在快速城市化的过程中，城市土壤受到人类活动的强烈干扰，人类活动导致城市中原始的土地覆被类型不断被工业建筑用地及人工景观取代，自然土壤被硬化地表逐渐封实，土壤物理、化学性质发生改变，土壤退化不断加剧，重金属和多环芳烃等污染日益加重。此外，城市土壤退化导致土壤动物生态特征与行为模式发生变化，城市景观格局与土地利用类型的变化强烈影响了土壤动物的栖息地，给土壤动物的生存与生物多样性带来潜在威胁，同时，城市化过程改变了土壤微生物群落组成与功能特征，影响了城市土壤维持植物生长、土壤自然消减能力及碳储存功能等重要的生态系统服务功能（谢天等，2019）。
伴随人口快速增长和产业集聚，城市机动车保有量大增，能源大量集中消耗，加上工业排放和建筑扬尘等因素，使得面源和点源空气污染物大量排放，但污染物脱除技术和设施滞后，导致城市和城市群区域大气污染日趋严重。我国中东部大部分城市化区域甚至成为受高浓度细颗粒物（全年）和高浓度臭氧（夏秋季节）影响的典型“双高”型污染区域（王跃思等，2013）。此外，城市化带来的人工地表大幅扩张和人为热排放的增加，改变了区域原有的热平衡，使得城市的气温高于周边郊区或农村地区，产生城市热岛效应（Grimmond，2007），导致城市区域在夏季面临更为严重的热环境风险、公共健康风险和经济损失（Estrada et al.，2017；Laaidi et al.，2012）。
1.2城市化的区域生态环境效应及影响机制研究现状
自20世纪末以来，全球范围内对城市土壤的关注逐渐增多。当前针对城市土壤生态环境问题的研究主要集中在城市各类人为排放的污染物在土壤中的累积特征及生态和健康风险（McIlwaine et al.，2017）。全球各地的学者对不同国家不同城市的土壤重金属含量进行了较为全面和系统的调查研究，发现城市土壤的重金属含量通常远高于周边区域和背景值（Manta et al.，2002）。国内学者对我国不同区域不同程度的土壤重金属污染展开了较为系统的分析。从全国整体的重金属污染状况来看，我国经济发达地区，尤其是珠江三角洲及东北老工业基地等典型的城市区域土壤污染相对严重（李玉文等，2011；马瑾等，2004），这表明了城市的发展进程直接或间接导致了当地土壤的重金属污染。已有研究表明，人类活动与工业生产产生大量的多环芳烃*终会通过大气沉降累积到城市土壤中（He et al.，2009）。因此，城市人口密度高的地区和多环芳烃排放源附近的土壤多环芳烃浓度更高（Jensen et al.，2007）。土地利用类型决定着源的类型和周围环境，也对土壤多环芳烃累积产生影响。此外，土壤有机质可以抑制多环芳烃的挥发、降解和淋溶（Yu et al.，2006）。不同组分的多环芳烃（PAHs）具有不同的化学性质，也会影响到其归趋和在土壤中的累积（Wang et al.，2007）。作为城市土壤生态系统*为重要的功能之一，土壤的自然消减能力对城市环境的保护及城市居民健康起到了积极的作用（Rittmann，2004）。已有的研究提出基于生态过程的土壤生态功能评价指标体系，构建了包括土壤物理、化学和微生物指标的土壤生态服务功能指标评价体系（vanWijnenetal.，2012），但对城市土壤自然消减能力的研究仍十分有限，城市化强度对土壤自然消减能力的影响机理尚不清晰。
国外对城市化过程的水环境效应研究早期多关注土地利用方式对水质的影响，后逐渐转移到研究土地利用方式对城市地表径流污染特征及其长期土地利用变化对非点源污染负荷的影响等方面。国内对城市化的水环境效应研究起步较晚，学者大都参考国外污染负荷模型，对大城市的城区非点源污染进行监测和模拟，并分析其性质（王晓燕等，2004；Yin et al.，2005）。此外，已有研究多基于水质长期监测数据和长时间序列的城市不透水地表变化的动态分析，以不透水地表作为地表覆被参数，通过模型模拟方法，探讨不透水地表变化对研究区域水文水质的影响（Mejía and Moglen，2009），常用的模型有SWMM（storm water management model）、L-THIA（long-term hydrologic impact assessment）、HSPF（hydrologic simulation program-fortran）和SWAT（soil and water assessment tool）（Engel et al.，2015）。随着城市内涝的频发，暴雨径流调控等方面的研究被重新重视起来。尽管有大量的水文模型用于降雨径流模拟研究，但是复杂水文模型的应用往往需要较多的参数。一些研究采用径流系数和SCS曲线方法估算城市径流带来很大的误差，没有对城市水文过程的水量平衡进行定量分析，相关的研究结果很难应用到城市规划与雨洪管理决策和实践中。另外，绿色基础设施消减径流的效果被广泛研究，但是由于缺乏有效的绿色基础设施的设计和评估工具，真正将这些雨洪管理策略付诸工程实践的步伐却很慢。例如，SWMM等模型对地形、汇水区划分和排水管网汇水的计算导致模型较为复杂，模型开发应用需要专业的分析技能，超出了一般公众的能力，使得规划管理者对模型的操作应用存在困难，而且复杂的模型掩盖了对水文机制的定量刻画（Elliott and Trowsdale，2007）。
大量研究表明空气细颗粒物（PM2.5）对人体健康危害巨大，近年来成为国内外关注的焦点。在PM2.5特征和性质方面，已有研究主要分析了化学特征、空间集聚性、空间变异性及雾霾污染期间人体可吸入的微生物等（熊欢欢等，2017；Sun et al.，2006；Pinto et al.，2004）。在影响因素方面，已有研究表明空气PM2.5浓度的经济社会影响因素主要有人均GDP和城市化率、人口密度和公共交通运输强度及能源消耗（杨冕和王银，2017；Wang and Fang，2016），自然地理影响因素主要有气压，温度，相对湿度，风速，降水量，日照时数及SO2、NO2、CO、O3浓度等（贺祥和林振山，2017）。此外，已有研究使用的方法主要有灰色关联模型、地理探测器、土地利用回归、主成分分析、混合回归及空间计量等模型（王振波等，2019）。防控建议方面，主要提出了分层跨区多向联动的大气污染治理模式、多元主体协同治理体系、多方承担雾霾治理成本的经济补偿机制，以及气象科学与技术提升等（刘华军和雷名雨，2018；王振波等，2017）。
城市扩张通常伴随着自然地表或植被转化为人工覆盖地表，这一过程通常被视为大多数城市产生热岛效应越来越严重的主要原因（Huetal.，2017）。Cao等（2018）的研究表明随着人工地表的快速扩张，夏季气温升温的速度也显著上升。
城市建筑材料（混凝土、沥青等）的大量使用改变了城市地表组成，进而影响了地表辐射收支和能力平衡，降低了潜热通量和增加了感热通量，*终导致热岛效应的显著加强（Arnfield，2003）。人为热的排放也是热岛效应的正向贡献因素之一（Shahmohamadi et al.，2011）。与之相反，城市绿地、水体或者绿色屋顶等被视为热汇，能够通过增加蒸散发减弱热岛效应（Sun et al.，2018）。此外，已有的研究分析了热浪、降水、风速等背景气候对城市热岛效应的影响（Founda and Santamouris，2017；Yang et al.，2017）。
城市化和区域生态环境系统不协调的问题总体上表现为城市化对生态环境的胁迫作用和生态环境对城市化的约束作用两个方面（Fang et al.，2016），其中，城市化对生态环境的胁迫主要来自城市中的人口、工业和交通等方面，生态环境对城市化的约束则主要由城市化带来的人工地表大幅扩张和资本流向引起。城市化与生态环境系统是一个社会与自然相结合的复杂巨系统，目前，有关城市化与生态环境系统的研究已成为国内外学术领域的热点问题。针对城市化与生态环境的协同发展研究，国内外学者作了诸多探索，在理论研究方面，Fang等（2016）基于城市群城市化与生态环境之间复杂的非线性耦合关系，创建出两者近远程交互耦合效应的理论框架；在演变过程方面，黄金川和方创琳（2003）采用代数学和几何学方法推导出城市化与生态环境交互耦合的数理函数和几何曲线，即环境库兹涅茨曲线和对数曲线的逻辑复合；在交互耦合机理方面，刘耀彬等（2005）采用灰色关联度和耦合度模型，定量揭示了城市化与生态环境系统交互耦合的主控因素，解读了城市化对生态环境的胁迫效应和生态环境对城市化的约束效应。对城市化与生态环境系统影响因素的研究主要分析了城市地区单一系统的影响因素，探究土地节约、土地利用变迁、人民需求、植被覆盖率和城市景观对区域生态环境系统的影响（Chen and Yu，2017；Li et al.，2016；Stanley et al.，2015），探究土地荒废、经济增长和气候变化对区域城市化系统的影响（Chen et al.，2016；Bai et al.，2012），以及快速城市化过程中，城市化对能源消耗、空气质量、社会经济可持续发展、城市多功能景观及生态系统服务的影响（Delphin et al.，2016；Peng et al.，2016；Zhang and Lin，2012）。然而，鲜有文献从不同时间和空间尺度研究城市化与生态环境复合系统协同效应的影响因素。对中国区域的研究主要分析了快速城市化对西部城市、沿海城市、大运河香河段等地区生态环境的影响（Chen and Yu，2017；Li et al.，2016；Fan et al.，2014），较少研究东部城市群地区城市化与生态环境系统的协同发展效应。
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