科学问题
目前，全球都在经历着快速的城市化过程。快速城市化已经成为世界面临的最紧迫的问题之一。长期以来，城市化一直被认为是许多生态环境问题的主要驱动因素。随着老城区的扩张和新城区的建立，城市化将农田、森林、湿地、草原和荒漠都转化为了建成区。许多研究已经记录了这种城市扩张及其相关的土地转换从地方到全球范围内的不利生态和环境影响。城市化不仅是世界范围内土地利用和土地覆盖变化的主要驱动力，直接导致了耕地和野外生境的丧失，而且还加剧了生境的破碎化，威胁到生物多样性，导致城市和区域变暖，增加地表径流并造成水污染，同时还会导致空气污染物的浓度高。然而，人们对城市空间变化的另外两个重要方面知之甚少：随着区域内城市的扩张和相互联系，巨型城市区域的形成，以及现有城市的内部动态变化。城市巨型区域的形成，以及持续的城市内部动态变化，这两者会如何影响区域内的生态环境，目前仍知之甚少。
研究方法
本文采用长时间序列遥感数据，结合地面监测数据，以生态系统质量、城市热岛和细颗粒物（PM2.5）污染为典型案例，系统研究了2000年至2015年中国城市化空间形态的时空特征及其对生态环境的影响。
首先，根据2000-2015年土地覆盖图中提取的建设用地（the developed land），量化了中国多尺度的城市扩张的时空格局。两个常用的指数，即新增建设用地面积和建设用地增长率，分别用于评估城市扩张的规模和速度。在国家、地区（东北部、东部、中部和西部）和地级市的不同尺度上分析了2000-2015年的城市扩张动态。此外，文章还量化了1980年至2015年六个主要城市群（京津冀城市群、长三角城市群、成渝城市群、武汉城市群、珠三角城市群和长株潭城市群）城市扩张的时空格局。
其次，根据城市边界数据划定新城区和老城区，从而对比新老城区对生态环境的不同影响趋势。具体地，本文首先参考已有研究使用建设用地数据来确定2000年和2015年的城市边界。简而言之，首先根据30米的土地覆盖分类数据生成900米×900米大小的网格。使用的900米大小是30米土地覆被分类数据空间分辨率的30倍，也与增强植被指数EVI、地表温度LST和PM2.5数据源的1公里空间分辨率大致相等。然后，计算每个网格中建设用地土地的覆盖比例。选出建设用地比例超过50%的所有网格单元，并将其分离，这样会产生一个大的多边形和许多分散的小的多边形。然后，删除不与大多边形相连的分散的网格，并分离出建设用地占比少于50%但完全被大多边形所覆盖的网格。这样一来，就确定了2000年和2015年的城市边界。接下来，文章将2000年城市边界内的区域定义为老城区，将2000年至2015年期间新建设的城市区域定义为新城区。城市边界以外的地区则被定义为非城市区域。利用这些城市边界，文章比较了2000年至2015年整个城市地区、非城市地区、老城区和新城区的EVI、LST和PM2.5浓度的空间格局及其变化趋势。
再次，量化2000-2015年EVI和LST的变化趋势。2000-2015年 EVI 和 LST 的变化趋势是根据年均值的时间序列数据，通过最小二乘法（Ordinary Least Square，OLS）回归计算出来的。以EVI为例，通过计算OLS回归模型的斜率来估计每个像元的变化趋势。当斜率a与0有显著差异时，认为该趋势具有统计学意义。其中a大于0表示上升趋势，小于0表示下降趋势。根据空间分辨率为1公里的每个像元的斜率值，文章绘制了EVI趋势的空间格局，并量化了整个国家、城市和非城市地区、新老城区的不同趋势的土地覆盖比例。
最后，本文分析了城市扩张的不同生态环境影响。首先，文章根据不同年份的土地覆被数据计算出土地覆被转移矩阵，以量化城市扩张对土地转换的影响。利用土地覆被转移矩阵，计算了全国、不同巨型城市区域（等同于城市群，后文中以城市群进行指代）和不同城市的各种土地覆被类型转换为建设用地的面积及其占总面积的比例。同时进一步计算了每种土地覆被类型转换为建设土地的面积与土地转换总面积的比率，然后用这个比率来评估城市扩张对某一土地覆被类型转换的贡献。其次，使用城市热岛强度（intensity of urban heat island，UHII）及其变化来评估城市扩张和城市内部动态对当地气候的影响。城市热岛强度是指城市地区和非城市地区的LST差异。使用上述定义的城市边界，分别计算了2000年和2015年的城市热岛强度。同时，文章还计算了老城区和新城区的城市热岛强度。最后，通过将PM2.5浓度数据层与人口数据层叠加来估计暴露于PM2.5的人口。文章使用美国橡树岭国家实验室创建的LandScan人口分布产品。该人口数据在全球范围内具有约1公里的空间分辨率。文章选用了2000年、2005年、2010年和2015年四期的覆盖中国大陆的数据。文章计算了年PM2.5浓度大于35微克/立方米的人口暴露，这是世界卫生组织空气质量指南（Air Quality Guideline，AQG）的中期目标-1（Interim Target-1，IT-1），以及年PM2.5浓度大于70微克/立方米的人口暴露，这是IT-1的两倍。
研究结果
2000年至2015年，中国经历了快速且大规模，但不均衡的城市扩张。中国大陆的建设用地面积从2000年的211756平方公里（占中国陆地面积约2.2%）增加到2015年的291747平方公里（占中国陆地面积约3.0%），增加了约80000平方公里，年增长率为2.5%。许多城市都经历了快速且剧烈的城市扩张。例如，深圳从1970年代的渔村，在不到40年的时间里成长为拥有超过2000万人口的特大城市，城市用地面积从1980年的26.5平方公里扩大到2017年的946.1平方公里。武汉、合肥、海口等城市的建设用地面积几乎翻了一番。相比之下，在中国西部，尽管成都和贵阳等城市有所扩张，但与2000年至2015年的翻番相比还差得很远。
虽然所有城市都经历了城市增长，但城市扩张主要集中在少数几个地区，表现出显著的区域差异性。新增建设用地主要集中在东部和中部地区。东部地区建设用地覆盖率由2000年的8.6%提高到2015年的12.4%，增长率为43.4%。而西部地区仅从0.6%增加到1.0%。现有或规划中的城市群的城市扩张也有很大差异。例如，长三角城市群是最发达的城市群之一，建设用地覆盖率从1980年的4.1%增加到2015年的24.8%，增加了21376平方公里。相比之下，2015年成渝城市群建设用地覆盖率仅为3.4%，略高于全国平均水平（3.0%）（图1）。
图1 六个规划中的城市群的城市扩张
某些地区的城市扩张集中导致了城市群的出现（图2）。现有城市、扩张的郊区和新的城市住区以及基础设施已逐渐相互融入形成城市群。这些新兴城市群是城市人口和经济活动的集中地，建设用地覆盖率高，高速列车和高速公路连接良好。例子有长三角城市群、珠三角城市群和京津冀城市群（图1）。以长三角城市群为例，其面积为115626平方公里（占全国的 1.2%），总人口为 8020万（占全国的 5.8%），2015 年约占全国GDP的12.3%。
图2 2015年中国建设用地的空间格局（左图），以长三角地区为例，1980年至2015年城市群的出现（右图）
在城市不断向外扩张的同时，城市内已经建成的区域也发生了剧烈变化。以北京5环内区域为例，2005年至2010年的5年的时间里，区域内新建城市绿地70.1平方公里，但同时有40.2平方公里的绿地消失（图3）。城市内部的高度动态变化，为城市的绿色发展与更新、生态修复与重建提供了机遇，但也可能带来负面的生态环境影响，这其中的细节值得更多关注。
图3 城市核心区绿地动态变化的幅度和比例
城市扩张是中国土地转换的主要驱动力。从2000年到2015年，耕地受城市扩张的影响最大，其次是草地和林地（图4）。在约8万平方公里的城市化土地中，耕地占70.9%，草地占11.1%，林地占10.1%，湿地占4.2%。城市扩张也是耕地流失的主要驱动力，占全国总流失量的43.2%。城市扩张对耕地流失的贡献在城市群中比在孤立城市周围更为突出。例如，在珠江三角洲、武汉和长株潭等城市群，超过70%的新增城市化区域是由耕地转换而来的。除了造成耕地和自然土地的流失，城市化也是中国土地破碎化的主要驱动力。例如，随着城市扩张，耕地越来越分散，表现为耕地平均斑块面积下降的同时，耕地的平均斑块密度呈现出增加的趋势。
图4 中国和六个城市群的城市扩张引起的土地覆盖变化
增强植被指数EVI可以表征城市生态系统的质量。2000年至2015年间，中国城市的EVI指数呈下降趋势（图5，图6）。城市扩张对EVI有显著的不利影响。2000-2015年，新城区66.3%的区域EVI呈现出下降趋势，其中42.9%的区域呈现出显著下降趋势。相比之下，在非城市地区，只有18.1%的土地呈现出EVI的下降趋势，其中只有2.7%显著下降的。在整个城市地区，有44.0%的区域EVI呈增加趋势，56.0%的区域EVI呈减少趋势，而全国有81.6%的区域EVI呈现出增加趋势。EVI下降趋势明显的区域多位于城市扩张最严重的东部地区（图5）。
图5 2000-2015年中国和两个主要城市的EVI趋势的空间格局
2000年至2015年间，城市地区普遍变暖。2000-2004年平均地表温度略有下降，但随后不断上升，呈U型曲线。新老城区地表温度均呈U型变化，且近年均有所回暖（图6）。2000-2015年，60.1%的城市区域地表温度呈上升趋势，其中17.9%的城市区域有显著上升趋势。相比之下，全国只有33.1%的区域地表温度呈增加趋势。尽管城市地区只占全国土地的一小部分，但地表温度显著增加的区域都发生在城市地区。城市地区地表温度的增加以及非城市地区地表温度的减少导致城市热岛效应加剧（图7）。
图6 城市、老城区、新城区和非城区的EVI、LST和PM2.5的变化趋势
图7 2000-2015年中国的LST趋势和城市热岛强度
2000年至2015年间，城市地区的PM2.5浓度先是急剧上升，然后又下降。新老城区的变化与整个城区的变化趋势非常相似（图6）。2015年，城市区域的PM2.5平均浓度为48.4微克/立方米，远高于非城区的34.1微克/立方米和全国平均水平的34.3微克/立方米。81.1%的城市地区PM2.5浓度都大于35微克/立方米（世界卫生组织年度空气质量指南中的中期目标1）。PM2.5浓度较高的地区主要分布在人口稠密、高度发达的华东和华中地区，以及新疆自治区的沙漠地区（图8）。2000-2015年全国共有43.6%的区域PM2.5浓度呈显著上升趋势，主要位于城市快速大规模扩张的华东和东北地区。城市人口和 PM2.5 浓度的变化导致人口暴露于PM2.5的变化。结果显示，暴露于PM2.5浓度大于35微克/立方米的总人口具有“倒 U”趋势。暴露于PM2.5浓度大于35微克/立方米的总人口在2000年为8.43亿，2010年增加到10.04亿，但随后在2015年减少到 8.95 亿。与之相比，暴露于PM2.5浓度大于70微克/立方米的总人口从2000年的1100万大幅增加到2015年的2.33亿。
图8 2000-2015年PM2.5浓度的空间分布格局
城市的新城区与老城区具有不同的生态环境影响趋势。新城区环境质量受到的不利影响较为突出，而老城区环境质量总体上有所改善（图6）。新城区环境质量在EVI、LST和PM2.5浓度方面总体上仍大于老城区，但新老差异总体上有所缩小（图9）。例如，2000年和2015年老城区平均EVI分别为0.161和0.162，低于新城区的0.203和0.190，但新老城区之间的差异从2000年的0.042下降到2015年的0.028。这些现象背后的主要原因在于，我国近年来在城市建设中更加重视生态环境保护和人居环境改善，采取了增加城市绿地等各项政策和措施。
图9 2000年和2015年新老城区EVI、LST和PM2.5浓度的比较
随着城市群的出现，城市尺度的环境问题扩展到区域层面，并逐渐成为区域问题。例如，随着区域内单个城市的扩张形成城市群，分散的城市热岛也逐渐发展成为“城市热岛链”（图7）。以长三角城市群例，该区域的城市热岛总面积从2000年的10128平方公里增加到2015年的15270平方公里，孤立的热岛相互扩展并相互连接。城市群的PM2.5浓度远高于全国平均水平，且具有明显的空间集聚格局（图8）。例如，2000年京津冀和长三角城市群的PM2.5浓度分别为34.1微克/立方米和32.5微克/立方米，但没有明显的区域集聚格局。2015年，这两个城市群的PM2.5浓度分别上升到52.6微克/立方米和50.6微克/立方米，区域集聚格局明显。
一直以来，城市化都被认为是生态系统退化和环境污染的“罪魁祸首”。然而从更加广阔的视角来看，城市化的影响并不一定都是负面的。例如在城市周边区域，尤其是远离城市中心的区域，生态系统的质量呈现出显著的上升趋势。这与城市化过程中大量农村人口进入城市、当地人口生产生活方式改变使当地生态系统资源压力减小等有关。城市化如何改变人口流动、信息和资本流动等远程关联，进而影响城市与区域生态环境（负面的和正面的），值得更进一步的探讨。
个人评价
本文采用长时间序列遥感数据，结合地面监测数据，以生态系统质量、城市热岛和细颗粒物PM2.5污染为典型案例，系统研究了2000年至2015年中国城市化空间形态的时空特征及其对生态环境的影响。研究发现：中国城市扩张速度快、规模大，且城市内部格局变化剧烈。2000年至2015年间，中国城市快速扩张。城市建设用地增长了将近8万平方公里，部分城市主要建成区成倍增长，并逐步形成了京津冀、长三角、珠三角、武汉、长株潭、成渝等多个规模不一的城市群。在城市不断向外扩张的同时，城市内已经建成的区域也发生了剧烈变化。快速、大规模的城市化带来了一系列生态环境问题。2000年至2015年间，中国城市的EVI指数呈下降趋势。与此同时，城市温度和PM2.5浓度都呈上升趋势。在新城区和老城区，环境影响也是不同的。新城区的不利影响较为突出，而在老城区，环境质量普遍改善。更值得关注的是，城市连接成片、城市空间过度集聚，使城市中的生态环境问题呈现出更加明显的区域化特征。虽然城市化长期以来一直被视为生态退化的主要驱动因素之一，从而被视为可持续发展的主要障碍。然而从更加广阔的视角来看，城市化的影响并不一定都是负面的。如何将城市化转变为可持续发展的机遇，值得更进一步的探讨。
原文
Title:
Beyond city expansion: multi-scale environmental impacts of urban megaregion formation in China
Abstract：
Environmental degradation caused by rapid urbanization is a pressing global issue. However, little is known about how urban changes operate and affect environments across multiple scales. Focusing on China, we found urbanization was indeed massive from 2000 to 2015, but it was also very uneven, exhibiting high internal city dynamics. Urban areas in China as a whole became less green, warmer, and had exacerbated PM2.5 pollution. However, environmental impacts differed in newly developed versus older areas of cities. Adverse impacts were prominent in newly urbanized areas, while old urban areas generally showed improved environmental quality. In addition, regional environmental issues are emerging as cities expand, connect and interact to form urban megaregions. To turn urbanization into an opportunity for, rather than an obstacle to, sustainable development, we must move beyond documenting urban expansion to understand the environmental consequences of both internal city dynamics and the formation of urban megaregions.
Citation：
Zhou, W., Yu, W., Qian, Y., Han, L., Pickett, S.T.A., Wang, J., Li, W., Ouyang, Z., 2022. Beyond city expansion: multi-scale environmental impacts of urban megaregion formation in China. National Science Review, 9, nwab107.
来源：景观可持续科学与地理设计
转自：“经管学术联盟”微信公众号
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