城市化梯度下水-热-碳耦合机制与响应阈值的系统解析

为解决城市化进程中水-热-碳（WHC）要素交互机制不明确、阈值效应缺乏量化的问题，研究人员构建了WHC耦合模型，揭示了城市化梯度下WHC的非线性响应规律（倒S型曲线），阐明了直接效应与多路径影响的梯度差异，并划分了生态修复优先区。该研究为城市可持续发展提供了理论框架，成果发表于《Geography and Sustainability》。

　　

随着全球城市化进程加速，城市系统内水循环、热环境与碳通量（Water-Heat-Carbon, WHC）的交互关系日益复杂。传统研究多聚焦单一要素，缺乏对WHC耦合效应的系统认知，导致城市规划难以平衡生态保护与发展需求。尤其当城市化跨越不同发展阶段时，WHC的响应机制是否存在阈值突变？驱动路径如何演变？这些问题成为地理学与可持续科学领域的核心挑战。

针对这一空白，研究人员在《Geography and Sustainability》发表论文，首次构建了WHC耦合模型，通过多尺度梯度分析揭示了城市化与WHC的深层关联。研究创新性地采用非线性拟合与路径分析技术，结合中国典型城市群的遥感与地面观测数据（样本覆盖不同城市化梯度），系统量化了WHC的响应阈值及作用路径的梯度分异规律。

WHC对城市化的非线性响应
通过分段回归分析发现，WHC与城市化率呈倒S型曲线关系：低城市化阶段（<30%）响应平缓，中期（30-70%）敏感性骤增，高阶段（>70%）趋于饱和。这一阈值特征为划定城市开发边界提供了量化依据。

梯度差异化的作用机制
路径分析表明：低梯度区以水文调节（径流系数增加35%）为主导；中梯度区热岛效应（地表温度ΔT达4.2^oC）与碳汇衰减（植被NDVI下降0.18）协同作用；高梯度区则出现能源结构调整（碳排放强度降低12%）等正向反馈路径。

风险分区与空间治理
基于马尔可夫链模型识别出7.3%的"高风险转化单元"，主要分布在城乡过渡带，需优先实施海绵城市与绿廊建设。相比之下，核心建成区通过屋顶绿化等措施可使热缓解效率提升22%。

该研究开创性地提出WHC耦合分析框架，其核心价值在于：① 揭示非线性阈值警示盲目扩张风险；② 阐明梯度机制支持差异化政策制定；③ 风险分区模型可直接指导国土空间规划。成果对全球快速城市化地区的生态安全格局优化具有普适意义，特别是在"双碳"（碳达峰与碳中和）目标下，为协调城市发展与气候韧性提供了科学范式。未来研究可拓展至城市群尺度，整合社会经济驱动因子以增强模型预测能力。