平衡城市扩张与生态韧性：来自粤港澳大湾区的精细尺度见解

《Ecological Frontiers》：Balancing urban expansion and ecological resilience: Fine-scale insights from the Guangdong–Hong Kong–Macao Greater Bay Area

　　

摘要

快速城市化显著重塑了粤港澳大湾区（GBA）的生态系统，该地区是世界上发展最快的巨型城市区域之一。本研究调查了植被和地表水——两个关键生态组分——如何响应三十年的城市扩张。利用 30 米遥感数据和基于云的平台，我们整合了 1990 年至 2022 年的土地覆盖产品以及 2000 年至 2023 年的植被（NDVI）和地表水数据集。我们应用 Sen-Mann-Kendall 趋势分析和 LandTrendr 算法，量化了五种不同城市发展模式下时空生态变化。不透水面显著扩张 (+10.66%)，而农田、森林和水体减少，揭示了明显的核心 - 边缘梯度。这些空间差异对应于五种不同的城市发展模式。NDVI 稳步增长 (+0.42% 年^?1)，生态建设滞后于城市发展，但人为干预的积极影响超过了城市化的负面影响。同时，水系日益人工化并趋于稳定，季节性和临时性水体急剧减少，围垦 - 水稻田复合体显著退化。不同的发展轨迹表现出不同的生态响应：处于快速扩张阶段的城市显示出明显的开发后植被恢复；稳步增长的城市遵循逐渐改善的趋势；缓慢扩张的城市保持了高度的生态稳定性，而围垦和高度城市化地区的生态结构已基本固定且由人为主导。总体而言，研究结果揭示了城市增长与生态系统韧性之间的动态平衡，表明积极且科学的规划，加上持续的生态管理，可以部分抵消城市化的生态风险，特别是蓝绿空间的压缩。

引言

城市化是快速发展地区土地利用变化和生态重组的主要驱动力 [2], [7]。随着人口和基础设施日益集中在城市地区，建成区土地的扩张重塑了土地覆盖模式并改变了关键生态过程。虽然快速的城市增长促进了经济发展和社会活力，但它也给生态系统带来了日益增加的压力，特别是通过占用生态空间以及改变生态系统结构和功能。在这种情况下，了解生态系统如何响应日益加剧的人类干扰，以及它们如何在快速发展过程中维持或恢复结构和功能稳定性，已成为可持续城市发展研究中的一个重要问题。（见图 1，图 2，图 3，图 4，图 5，图 6，图 7，图 8，图 9）。

近年来，生态系统韧性已成为理解城市生态系统响应和适应能力的重要理论框架。在快速城市化的地区，植被和地表水是生态变化最敏感和可见的指标。植被动态不仅反映了生态空间的占用或恢复，还反映了生态质量、碳调节和景观稳定性的变化 [4], [8]。地表水动态直接指示水文模式的变化、湿地的完整性以及人类调节的强度 [3], [18]。与仅关注土地利用转变或单一生态指标的研究相比，对植被和地表水响应的联合评估可以提供对城市化下生态动力学的更综合的理解。

作为中国最具经济活力和快速城市化的地区之一，粤港澳大湾区（GBA）是国家发展战略的核心区域，也是城市扩张对自然生态系统施加集中压力的代表性区域。在过去的几十年里，持续且高强度的城市扩张深刻重塑了区域生态空间格局，压缩了自然栖息地，并对植被演替、地表水分布和生态系统稳定性产生了显著影响 [5], [21]。同时，生态恢复、河流湖泊调节、绿化计划和海岸带围垦相互复杂作用，产生了城市、发展阶段和空间梯度之间明显的生态差异。因此，GBA 提供了一个典型而复杂的案例，用于检查快速城市化下的生态响应和空间分化。

先前的研究从土地利用变化、生态系统服务和生态质量的角度揭示了城市化的生态效应，并为理解 GBA 的生态变化提供了重要基础 [28], [29]。然而，仍存在几个局限性。首先，对植被和地表水协调变化的关注相对有限，难以系统揭示城市化过程中蓝绿空间的耦合响应。其次，不同城市发展模式下生态响应差异的理解仍不充分，相关的地理过程和驱动机制需要进一步阐明。第三，基于遥感的生态证据与国土空间规划、生态恢复和城市生态管理的实际需求之间仍需建立更强的联系 [6], [23]。因此，仍需从时空连续的角度对城市扩张及其生态响应进行综合分析。

在此背景下，本研究以 GBA 为研究区域，利用 Google Earth Engine 平台整合 30 米土地利用、植被和地表水数据集。我们分析了 1990 以来城市扩张的演变，并进一步考察了 2000–2023 年植被和地表水的时空动态。通过结合 Sen 斜率、Mann-Kendall 检验和 LandTrendr 算法，本研究旨在识别不同城市发展模式下植被和地表水响应的差异，并分析快速城市化地区生态变化的主要地理过程，从而为 GBA 的生态保护、国土空间优化和可持续规划提供科学支持。

章节摘要

研究区域

粤港澳大湾区（GBA）是中国最开放和经济最具活力的地区之一，在国家发展议程中占据关键的战略地位 [11], [27]。截至 2022 年，GBA 占中国陆地总面积不到 1%，人口占 5%，但贡献了全国约 11% 的 GDP，反映了其显著的经济和社会活力 [19], [31]。GBA 包括香港和澳门特别行政区

土地利用模式的空间特征

在过去三十年中，GBA 的土地覆盖主要由森林、耕地、不透水面和水体主导，分别占总面积的 55.46%、29.96%、8.34% 和 6.02%。从 1990 年到 2022 年，耕地、森林和水体分别减少了总面积的 8.01%、2.06% 和 0.45%，而不透水面增加了 10.66%，表明城市扩张是该地区土地利用变化最显著的特征。在城市规模上，

讨论

在过去三十年中，快速城市化深刻重塑了粤港澳大湾区（GBA）的土地利用结构、植被覆盖和水文系统。观察到的时空变化显示出强烈的城市间差异，并揭示了发展强度与生态系统韧性之间的动态耦合。

结论

本研究使用 30 米多源遥感数据分析了 1990–2022 年粤港澳大湾区（GBA）的土地利用变化以及 2000–2023 年植被和地表水对城市扩张的响应。结果表明，过去三十年中最显著的土地利用变化是不透水面的持续扩张，这形成了五种城市发展模式：快速扩张、稳步扩张、逐渐扩张、基于围垦

CRediT 作者贡献声明

侯静： 撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，形式分析，数据整理，构思。 夏浩然： 可视化，方法论，数据整理。 翟军： 形式分析，构思。 侯鹏： 资源，项目管理，资金获取。 高海峰： 撰写 – 审阅与编辑，调查。 金点点： 可视化，验证。 赵春丽： 数据整理。 金川平： 可视化。 陈岩： 验证。 朱汉守： 验证。

资助

本工作由 国家重点研发计划 支持，项目编号为建设生态安全风险预警技术体系及其示范应用 (2024YFF1306105) 和 中国全国生态状况常规遥感调查与评估 (资助号 22110499001001)。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

侯静 | 夏浩然 | 翟军 | 侯鹏 | 高海峰 | 金点点 | 赵春丽 | 金川平 | 陈岩 | 朱汉守

中国生态环境部卫星环境应用中心