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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。
、总人口超过5000万人、经济总量占全国比重超过10％时，可综合判定为特大城市群。目前，全国正在形成“5+9+6”的城市群建设新格局，其中5个特大城市群包括长江三角洲城市群、珠江三角洲城市群、京津冀城市群、长江中游城市群和成渝城市群，面积占全国的9.06％，城镇人口占全国的45％，2013年GDP占全国的50％，固定资产投资占全国的60％，吸引外资占全国的65％。 
图1 特大城市群的基本内涵 1 特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应研究的重要意义 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[4]，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。如何协调城镇化与生态环境的关系问题目前是学术界和政府决策部门普遍关注亟待解决的一大难点问题，并上升为世界性的战略问题。中国已进入城镇化快速发展的中期阶段，快速城镇化不仅决定着中国的未来，而且决定着世界城镇化的发展进程[5]。但快速城镇化进程导致了日益严峻的资源环境保障问题。已有的研究表明，过去25年(1980～2005年)，中国城镇化水平每提高1％，所消耗的水量为17亿
，所占用的建设用地为1004，所消耗的能源为6978万t标准煤，生态超载指数为2.34；未来25年(2006～2030年)，中国城镇化水平再每提高1％，所消耗的水量将达到32亿，所占用的建设用地将达到3459，所消耗的能源将达到20135万t标准煤，生态超载指数将高达5.68。也就是说，未来25年中国城镇化水平每提高1％所消耗的水量、所占用的建设用地、所消耗的能源、所导致的生态超载分别是过去25年的1.88倍、3.45倍、2.89倍和2.42倍，表明中国城镇化水平每增加1％所消耗的水量、所消耗的能量和所占用的建设用地越来越大，而未来取水难度、批地难度、能源获取难度和生态重建难度也越来越大[6～8]。这种情况在特大城市群地区极为突出。如何减压?如何提质?对此，党的“十七大”、“十八大”报告、国家“十一五”、“十二五”规划纲要、中央城镇化工作会议和《国家新型城镇化规划(2014～2020)》等党和国家重要文件均连续提出要走绿色低碳、高效集约和与生态环境容量及资源环境承载力相适应的健康可持续城镇化发展道路，不断提升城镇化发展质量。从满足国家战略需求和学科建设角度出发，急需通过多学科交叉、多要素耦合、多模块集成和多情景模拟的综合集成研究，揭示遵循自然规律的生态环境演变过程和遵循人文规律的城镇化发展过程的耦合机理，提出与资源及生态环境容量相协调的特大城市群可持续发展的整体优化方案。因此，开展特大城市群地区城镇化与生态环境耦合机理及交互胁迫效应的研究，既是未来10年地球系统科学研究的前沿领域和高优先级的研究主题，也是面向国家战略需求为特大城市群地区可持续发展提供系统性重要科学依据的急迫需要。 1.1 特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应是未来10年地球系统科学研究的前沿领域 从国际研究前沿分析，开展城镇化与生态环境交互耦合效应的研究，已经成为国际上未来10年地球系统科学与可持续性科学研究的热点与前沿领域[9～11]。这是因为，伴随全球城镇化进程的加快，作为一种重要形式的城镇化，正在对周围生态环境造成现实或潜在的威胁。早在1991年世界卫生组织就指出：“世界正面临着自然环境的严重恶化和生活在城市环境中人们生活质量的加速下降这两大问题。城镇化对威胁未来生存的全球环境变化有着重要影响”。1995年联合国助理秘书长沃利·恩道在《城市化的世界》曾告诫：“城市化既可能成为无可比拟的未来之光明前景所在，也可能成为前所未有的灾难之凶兆，所以未来会怎样就取决于我们当今的所作所为”[12～13]。2005年“全球变化人类影响计划”(International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change，IHDP)制定了“城市化与全球环境变化”科学研究计划，并将其作为全球变化研究核心项目，提出通过时空尺度交叉、时空尺度比较以及公众与政策制定者之间的交流等方式加强城市化与全球环境变化之间耦合关系的研究。2005年联合国出版的千年生态系统评估(Millennium Ecosystem Assessment，MA)报告《生态系统与人类福祉：当前与未来趋势》中对城市系统进行专门的评价，并特别强调了城市生态系统系统的脆弱性随着气候变化的影响更加脆弱的趋势。2012年发布的未来地球计划(Future Earth，FE)是旨在为人类社会提供应对全球变化的挑战和探求全球可持续性转变机会关键知识的为期10年的国际研究计划，其中城镇化作为地球表层最剧烈的人类活动过程的阈值、风险、临界点是研究的前沿领域。2013年9月中国科协在北京组织了“未来地球在中国”的国际会议，确认了在中国需要优先解决的、与可持续性能力建设相关的问题，其中将“亚洲城市化对区域环境、社会影响研究，以及健康的相互作用关系”列入研究议题。2014年4月美国国家科学院国家研究理事会(NRC)地球科学新的研究机遇(NROEC)委员会在出版的《地球科学新的研究机遇》中确定了未来10年地球科学领域具有高优先级的7大研究主题，其中第6项研究主题就是“耦合水文地貌—生态系统对自然界与人类活动变化的响应”，并进一步认为人类通过农业活动和城镇化等改变着陆地生态系统[14]。2014年11月国际科学联盟发布了“未来地球2025愿景”(Future Earth 2025 Vision)，提出在“未来地球”研究计划中须重点加强8个领域的相关研究，其中将“城市化建设”列为重要研究领域。
