第一章 绪论
第一节 研究背景及意义
一、研究背景
（一）城市化是导致土地系统生态功能退化的重要驱动力
城市化是由农业为主的传统乡村社会向以工业和服务业为主的现代城市社会逐渐转变的过程，包括人口土地及地域空间的转移、产业结构变化（中国经济增长前沿课题组，2011）。根据联合国公布的《世界城市化前景报告》，2018年全球城市化水平达到55%（United Nations，2018），亚洲和非洲的增长尤为明显。与此同时，中国城市化水平从1978年的17.92%上升到2017年的58.52%（中华人民共和国国家统计局，2018）；按照目前的线性增长速度，到2030年，中国预计将有超过70%的人口居住在城市，城市化将达到发达国家水平（李进涛等，2018）。城市化的推进产生了集聚效应，推动了经济发展，但“高耗能、高污染、高排放”的粗放型城市经济发展模式引发了一系列“城市病”，如交通拥挤、雾霾、水质污染及生态体系破坏等（梁龙武等，2019）。
Nature发表文章呼吁人类实施保育政策阻止地球*后完整的生态系统消失，因为人类活动已经直接改变了地球77%以上的土地（不包括南极洲）（Watson et al.，2018）。在人类活动中，城市化对全球生态系统功能退化起到重要决定作用（Bennett et al.，2009）。20世纪90年代以来，中国土地利用变化格局逐步形成以开垦与退耕、过牧与退牧、毁林与造林以及快速城市化为代表的4种类型（刘纪远等，2002）。如今，城市化*为典型的挑战是城市建成区面积一直处于快速扩张状态，出现了“土地城市化明显快于人口城市化”的现象。土地城市化体现为农业用地转化为非农业用地和农村用地转化为城市用地的过程（杜帼男和蔡继明，2013），造成人地增长不匹配、土地利用效率较低等问题。更为重要的是，由于大量农田、生态用地（如林地和草地）被城市建设用地侵占，这种粗放的土地利用模式在改变土地利用结构的同时，导致生态系统格局与过程发生剧烈改变，许多具有特殊生态价值的土地（如湿地、荒漠）丧失其生态功能（喻锋等，2015），如生物多样性损失、生态系统服务功能受损，这些都威胁着城市乃至全球的生态安全（史培军等，2000；MEA，2005；Wang et al.，2018a），进而制约城市可持续健康发展。
（二）脆弱性是土地系统可持续发展转型的核心内容
2005年，国际地圈-生物圈计划（International Geosphere-Biosphere Programme，IGBP）和国际全球环境变化人文因素计划（International Human Dimensions Programme，IHDP）提出全球土地计划（Global Land Project，GLP），以推动土地变化科学（land change science，LCS）研究，主要包括土地系统变化的原因和本质、土地系统变化的后果以及土地可持续性的综合分析和模拟（GLP，2005；Turner et al.，2007），以合理利用土地资源，有效应对全球环境变化（何春阳和史培军，2009）。2019年4月，主办方GLP在瑞士举行了第四届全球土地计划开放科学大会（Global Land Progamme Open Science Meeting，GLPOSM），主要议题是“面向人与自然的土地系统转变”（Transforming Land System for People and Nature），其中支持可持续发展转型已成为土地系统科学研究和管理的新前沿（董金玮，2019）。
土地系统是由自然因素、人类土地利用活动及其影响因素构成的地域综合体（Turner et al.，1993；Liu et al.，2003；GLP，2005）。土地系统作为一个由人类社会与自然环境相互影响、相互作用而形成的复杂耦合系统，常暴露于灾害和扰动环境下，其运行状态不仅关系到人类的生存和发展，也是影响整个生态系统稳定性的关键。脆弱性概念*早作为科学术语出现在20世纪60年代，后在多个领域得到应用，如自然灾害（Uitto，1998）、气候变化（Füssel，2007）、金融体系（朱敏和谭德凯，2011）等。地学领域的脆弱性研究通常与“风险”、“灾害”和“恢复力”等概念紧密联系。当前，脆弱性已成为当代地理学以及相关学科诠释人地相互作用机制、过程、区域可持续发展的重要科学途径和学科前沿的重大科学问题（王岩等，2013）。土地系统转型是应对全球挑战、实现全球向可持续性转型的重要途径。脆弱性研究强调如何通过降低系统的脆弱性来实现可持续发展，是可持续发展研究的一个新的范式，其成果可为科学与政治决策间的对话提供良好的平台，具有重要的理论和实践价值。土地系统脆弱性研究已成为社会经济系统与自然生态系统相互作用方面具有代表性的前沿研究议题之一，是可持续性研究领域的热点研究内容（Cutter et al.，2003；Turner et al.，2003）。
（三）土地系统脆弱性评估是城市生态规划与决策的重要依据
脆弱性是指系统在受到外部扰动后，由于系统对扰动的敏感性和缺乏抵抗力而造成系统结构和功能发生改变的一种属性（李鹤等，2008）。显而易见，脆弱性是源于系统内部的、固有的一种属性，由系统外部扰动和内在属性共同决定，暴露是系统脆弱性的触发器（扰动源），系统对扰动的敏感和适应能力是系统脆弱性的重要决定因素。国际可持续发展项目研究与评估组（the Research and Assessment Systems for Sustainability Program）为建立可持续评估系统提出了土地系统脆弱性评估概念框架，将脆弱性定义为暴露、敏感、适应能力的函数（Turner et al.，2003）。目前借鉴这一框架探讨土地脆弱性已成为一个趋势，Metzger等（2006）在Turner等（2003）研究的基础上，指出潜在影响是关于暴露和敏感的函数，把脆弱性表示为潜在影响和适应能力的函数，提出了人类社会与自然环境耦合系统对土地利用变化的脆弱性量化方法。方创琳和王岩（2015）从可持续发展视角出发，构建城市脆弱性研究框架和综合测度指标体系，在全国尺度上对城市脆弱性进行综合评价，明确城市脆弱性的总体状况与空间分布格局，为我国制定和完善城市生态规划与政策提供科学依据，为降低和应对城市脆弱性、实现可持续发展提供保障。
二、研究意义
（一）理论意义
为应对全球环境变化，2005年全球土地计划将土地系统脆弱性确立为中心主题。2013年，国际科学联盟（International Council for Science，ICSU）提出“未来地球”（Future Earth）计划，旨在丰富全球环境变化所带来的风险与机遇的知识，以减少风险和脆弱性。面对国内资源环境约束趋紧、生态系统退化的严峻形势，我国政府提出大力推进生态文明建设的战略决策，退耕还林、三生空间规划、城市发展规模、生态红线划定等为生态文明建设的实现提供了重要支撑。在此背景下，评估快速城市化区域土地系统整体脆弱性，并深入土地系统结构内部，剖析快速城市化区域建设用地与生态用地之间以及生态用地之间相互转化的关系与过程，揭示土地系统结构脆弱性和生态功能脆弱性的影响机制对于脆弱性理论以及城市生态规划理论的拓展具有重要的理论意义。
（二）实践意义
武汉市是中国中部地区的中心城市、长江经济带核心城市，辖7个主城区和6个远城区，总面积8569.15平方公里。党的十九大报告将“以共抓大保护、不搞大开发为导向推动长江经济带发展”纳入新时代实施区域协调发展战略的重要内容。在此背景下，依托长江经济带发挥武汉市的引领作用，推进新型城镇化建设，实现城镇化质量提高，优化城镇化生态空间格局成为长江经济带建设的重要内容。2018年，武汉市城市化水平达到80.29%（武汉市统计局，2019），高于全国城市化水平。城市化快速发展的同时，武汉市也存在耕地占用、毁林开荒、围湖造地等行为，导致土地利用格局显著变化，资源环境系统脆弱性呈现出极为稳定且居高不下的态势（胡志强，2014）。面对国内外城市化发展过程中造成的生态环境破坏，迫切需要我们探讨以下问题：快速城市化区域土地系统脆弱性是如何发生的？快速城市化对土地系统生态服务功能退化的影响机制是什么？如何采取措施降低土地系统的脆弱性？这些问题的研究和探讨，将有利于决策部门通过积极的干预和控制策略，降低土地系统的脆弱性，提高土地生态服务功能，实现土地的生态效益和经济效益。
第二节 国内外研究进展
一、土地利用/覆盖及驱动因素研究进展
（一）土地利用/覆盖的概念
土地利用与土地覆盖是既有联系又有区别的概念。土地利用（land use）是人类对土地自然属性的利用方式以及利用状况，属于人类社会属性，是基于一定目的对土地进行的开发与利用，如农业用地、交通用地、居住用地等（Schilling et al.，2010）。土地覆盖（land cover）是自然和人类活动共同作用下的地球陆地表层和近地面层所呈现的状态（Turner et al.，1995），是自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的综合体（史培军等，2000），即自然条件及人类活动共同作用的结果。从概念层面看，人类所有的土地利用活动，包括城镇建设、土地开垦及其长期累积所致的土地覆盖状况变化，都可归为土地利用与土地覆盖变化研究的范畴（何凡能等，2019）。
（二）土地利用/覆盖变化研究现状
近几十年来，土地利用/覆盖研究一直是学者关注的热点问题。早在20世纪30年代，美国学者Webb通过对美国大平原农业用地类型的研究，证明该地区土地利用类型是由当地干旱程度决定的。之后到70年代后期，伴随着卫星遥感技术的产生与发展，主要集中在土地利用/覆盖的分类、描述、制图及变化机理的初步研究；80年代后期以来，随着遥感与地理信息系统（geographic information system，GIS）技术在土地研究中的广泛应用，一些典型地区的土地利用动态变化监测逐步受到人们的重视。此后，具有全球影响的两大计划—国际地圈-生物圈计划和全球环境变化中的人文领域计划将土地利用/覆盖推向高潮。1995年，IGBP和IHDP联合提出土地利用/覆盖变化（land use and land-cover change，LUCC）科学研究计划（Turner et al.，1995）；2005年，两计划继LUCC后又联合推出全球土地计划，将土地利用/覆盖变化作为全球变化研究的核心内容，具体内容包括从土地利用及覆盖变化的环境效应到土地系统的脆弱性识别与各类扰动因素（包括气候变化）的相互作用。2013年，国际科学联盟发起了“未来地球”研究计划，旨在分析和模拟人类-环境相互影响机制，提供专业风险分析知识和风险预警。
土地利用/覆盖变化项目在世界各国广泛开展，为区域可持续发展提供了决策依据。国际应用系统分析研究所（International Institute for Applied Systems Analysis，IIASA）于1995年启动了“欧洲和北亚土地利用/覆盖变化模型”项目。美国全球变化研究计划（U. S. Global Change Research Plan，USGCRP）对土地利用/覆盖的现状类型和过去的变化进行分类与整理，探讨其自然和人为影响因素，对其变化的生态过程进行预测。欧盟委员会（European Commission）联合研究中心（Joint Research Centre，JRC）使用此分类系统对全球土地利用/覆盖进行分类（张景华等，2011）。日本国立科学院全球环境研究中心提出了“为全球环境保护的土地利用研究”项目，着眼于亚太地区的土地可持续利用研究等。此外，关于土地利用/覆盖变化的环境效应方面的研究得到
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