城市用地虽然占全球陆地面积较小，却对全球能量循环和人类可持续发展存在深远影响。《自然通讯》(Nature Communication)最近刊发了华东师大地理信息科学教育部重点实验室黎夏教授团队在全球气候变化领域重要研究进展：预测至2100年，五种情景下全球城市用地空间格局演变，以及对生态环境的影响。
该研究通过对英国伦敦、美国纽约和中国长三角地区这三个全球超大城市群在2100年城市用地空间扩展概率分布后得出结论：未来全球主要经济体的城市扩张都将发生在大型城市群区域，并展现出高度的边缘性扩张特征。
此项研究根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）制定的最新全球气候情景框架——共享社会经济路径（SSPs）展开研究。SSPs框架描述了未来一个世纪内全球的社会、经济、人口以及能源需求和技术在将如何发生变化，包括：SSP1可持续发展路径、SSP2中间路径、SSP3区域竞争路径、SSP4不均衡路径以及SSP5化石燃料发展路径五种未来情景。
图 1. SSP情景下全球及典型区域的城市用地需求量预测
基于未来情景，本次研究预测了2015~2100年全球城市用地的空间演化格局，并讨论了对全球生态环境影响，展示了全球主要经济体在未来五种情景下，城市发展的预测路径。如在中国，预计城市用地需求将在21世纪40年代前迅速增长，此后城市用地需求将急剧下降。对美国而言， SSP1、SSP2和SSP5情景下城市用地需求将持续上升，而在SSP3和SSP4情景下则从21世纪50年代和80年代分别开始出现下降趋势。与中美不同，拉丁美洲的低收入国家（LAM-L）的城市发展轨迹有着显著的差别。SSP3和SSP4情景产生的城市用地呈线性快速增长趋势，而SSP1和SSP5情景下需求量最小。
与国际同行研究相比，此研究首次将未来全球城市模拟的空间分辨率提升到1公里尺度，以2015年为起点，以10年为时间单位模拟2015~2100年公里分辨率尺度下未来全球城市用地扩展。为了评估模拟结果的空间不确定性，研究对每个情景进行了100次重复模拟，模拟结果的叠加分析可确定空间中每个位置出现城市用地的概率。
图 2. 2100年全球三个超大城市群的城市用地空间扩展预测
同时，考虑到了不同区域由于人口趋势下降带来的增长停滞问题，该研究修正了已有研究中对未来全球城市扩张需求的高估问题，并据此分析了城市收缩。
通过研究美国、德国等城市破败后的典型案例，发现城市收缩并不必然导致从城市到非城市的大规模土地转换，更可能表现为对建成区的废弃。
此外，研究还探讨了未来城市扩张对森林，农田、生态系统服务以及粮食安全的影响。预计未来全球城市扩张将导致粮食产量下降约1~4%，约等于每年1.22~13.89亿人的粮食需求。而且，粮食产量损失还将主要发生在气候、土壤等农业条件优越的地区，揭示了保护肥沃和优质农田的重要性，合理规划和管理城市土地将是减少未来粮食产量损失的关键措施。
图 3. Nature Communication在线刊发此项研究
“此项工作是全球气候变化研究中有关土地系统变化的重要组成部分。土地系统中的城市用地作为人类活动的结果以及主要场所，预测其在未来多种情景下的变化趋势有助于理解人类城市化过程以及全球环境变化响应，对实现联合国提出的可持续发展目标也具有重要意义。”论文第一通讯作者，华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室全球变化观测、模拟与应对方向负责人黎夏教授说。
该项研究是黎夏团队开展的全球土地利用变化研究相关工作的一部分。论文第一作者为黎夏教授指导的中山大学在读博士生。其他作者包括第二通讯作者刘小平教授、第三通讯作者陈逸敏副教授，以及耶鲁大学的黄康宁博士，他们也是黎夏教授团队成员。
该研究是华东师范大学、中山大学、广东南海海洋研究所、中国地质大学（武汉）、北京师范大学、多伦多大学（University of Toronto）、南京大学、耶鲁大学（Yale University）等多家单位共同合作完成。该研究已于2020年1月27日正式刊发于《自然通讯》(Nature Communication)，反映了中国学者参与全球变化研究所做的贡献。
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