复合气候极端事件如何重新塑造中国各地的城市发展与生态宜居性之间的权衡：从生产可能性边界的角度来看

《Land Use Policy》：How compound climate extremes reconfigure the urban development-ecological livability trade-off across China: A production possibility frontier perspective

COP29背景下中国城市发展与生态可持续性贸易-off的复杂关系及区域异质性分析，采用生产可能性边界（PPF）方法揭示复合气候极端事件下非线性动态，发现生态机会成本拐点存在空间分异，高暴露地区系统韧性降低，PPF二阶导数呈现区域差异化趋势，为制定差异化气候适应策略提供量化依据。

　　

潘思培|沃尔特·T·德弗里斯|梁家乐|易丹|陈万旭|易家林|郭杰

南京农业大学土地管理学院，中国南京210095

摘要

不可预测的复合气候极端事件的频率不断增加，使得为COP 29找到权衡方案变得更加复杂。处理这种复杂性的一个关键方面是理解不同政策选项中嵌入的相互竞争的优先事项。在城市中，这涉及到扩大城市发展与确保生态可持续性之间的权衡。然而，目前仍缺乏对复合气候极端事件在多大程度上重新配置这些权衡以及引入空间异质性的理解。为了应对这些未知因素，本研究利用生产可能性边界（PPF）来展示在中国不同地区，复合气候极端事件下城市发展与生态宜居性之间的权衡关系。研究结果表明，这种权衡关系是非线性的。此外，还存在多个临界点，在这些点上，权衡关系在不同地区会发生剧烈变化。受极端气候事件影响较大的地区更容易受到系统性破坏，表明其在平衡城市发展与生态宜居性方面的能力较弱。同时，在复合气候极端事件的影响下，全国范围内的PPF略微变得更加陡峭，而大多数地区的PPF其二阶导数呈现出下降和平缓的趋势。这表明复合气候极端事件在一定程度上减缓了边际生态机会成本的上升速度。在全国范围内，生态机会成本开始上升的拐点出现得稍晚，但在大多数地区则较早出现，反映了各地区对气候压力的不同适应能力。这种地区间的权衡模式差异表明了发展强度、生态韧性和气候脆弱性之间的复杂相互作用。这些发现为中国及其他面临类似气候和发展挑战的国家提供了可持续城市发展和地区性气候适应策略的见解。

引言

气候变化不仅导致全球平均气温持续上升，还引发了热浪、干旱、强降雨和寒潮等极端气候事件的频率增加（He等人，2024年；Meehl等人，2000年；Meehl和Tebaldi，2004年；Smith，2011年）。这些极端气候现象对城市社会生态系统造成了复合冲击（Ridder等人，2020年；Fang等人，2025年），因为它们创造了在不威胁生态系统和居民生活质量的情况下进一步扩展城市发展的不确定性（Thompson等人，2023年）。城市仍然是容纳人口增长和促进经济发展的主要载体，但同时也承担着最高的资源消耗和环境压力（Chen等人，2024年）。第29届联合国气候变化大会（COP 29）重申了城市在全球行动框架中的关键作用，强调如果城市能够具备气候韧性，它们可以成为可持续空间发展的主要驱动力。因此，COP 29倡导采用本地化的气候适应策略，整合特定背景下的土地资源管理、空间优化和创新的市场机制，以建立多样化、协调和基于情景的气候响应路径。然而，这种政策的一个主要瓶颈是，城市发展战略中固有的空间优化往往会导致自然生态系统的负面变化，如生态系统退化和宜居性下降（Li等人，2024年；Yao等人，2024年）。因此，如何有效平衡城市扩张与生态保护已成为可持续城市发展的核心问题（Elmqvist等人，2019年）。随着极端气候事件的频率和强度的持续增加（Zhou等人，2024年），这种发展-生态权衡关系变得越来越复杂，挑战了传统范式，并需要从气候适应的角度重新评估。这一需求在中国尤为突出，中国是受复合气候极端事件影响最严重的国家之一（Fang等人，2025年），快速的城市化推动了显著的经济增长，但同时也加速了生态资源的消耗和环境退化（Yao等人，2024年）。

城市发展与生态宜居性之间的紧张关系反映了城市社会生态系统内部资源分配的固有冲突（Dessì，2015年）。随着土地开发强度、基础设施密度和人口集中的加剧（Bai等人，2014年；Ouyang等人，2021年；Pan等人，2024a），城市实现了经济增长和社会活力的提升（Pan等人，2023年）。然而，这些收益往往是以生态资源消耗、环境污染和生态系统服务退化为代价的（Zhao等人，2004年；Ouyang等人，2021年；Kong等人，2025年），从而导致城市发展与生态宜居性之间的零和动态。从外部性理论的角度来看，城市发展过程中未能内部化负面外部性（例如环境退化）导致了发展收益与生态损失之间的错配（Correia和Roseland，2022年）。此外，高质量的生态环境作为典型的公共产品，由于其非排他性和非竞争性，在城市规划中经常被低估或忽视，加剧了生态资源的过度开发（Yang，2020年）。现有研究主要集中在三个关键方面：首先是建模和测量城市扩张对哪些类型的生态成分（如栖息地质量、绿地、热岛效应）的影响程度和范围。这类研究得出了城市增长及其对自然系统相关变化的空间模式和预测（Tang等人，2022年；Yang等人，2023年；Zhong和Li，2024年）。第二类研究比较和分析不同发展模式（如紧凑型城市、绿色基础设施建设）如何改变、退化或提高生态宜居性（Li和Liu，2025年；Wang等人，2025a；Yi等人，2025年）。这类研究的主要发现是，合理的绿色干预规划对于缓解城市环境问题至关重要。第三类研究关注社会经济发展和城市生态表现能在多大程度上归因于政策调控（Huang等人，2024年；Satrovic等人，2025年）。这些研究强调了通过制度安排和治理能力在确保平衡发展和生态保护方面的中介作用。然而，这些研究主要假设这些变量之间存在线性相关关系，因此使用传统的回归分析或相关性测试得出结论（Pan等人，2024a）。因此，它们忽略了复杂城市系统内多因素协同作用下的非线性权衡动态。因此，为了全面捕捉非线性过程的复杂性，本研究采用了经济学中用于处理资源分配的优化工具——生产可能性边界（PPF），该工具能够在考虑不确定性的同时以非线性方式处理问题（Arthaud和Rose，1996年）。PPF基于帕累托最优性概念，已广泛应用于不同生态系统服务之间的权衡研究（Zhao等人，2023年；Peng等人，2024年），以及利益相关者偏好和决策分析（King等人，2015年；Kanter等人，2018年）。除了映射产出权衡外，PPF的曲率还揭示了动态系统特征，如边际收益递减和拐点（Yang等人，2022年；Peng等人，2024年），使其特别适用于捕捉非线性动态和结构转型（Yang等人，2022年；Peng等人，2024年），为理解城市系统如何应对外部冲击（如气候极端事件）提供了更具解释性的分析框架。

作为重大的环境干扰因素，气候极端事件对城市系统的运行和长期发展构成了严重挑战。目前的相关研究主要集中在两个方面：其作为驱动因素的作用和作为响应结果的作用。前者强调其生态和环境影响（Deng等人，2021年）、社会经济后果（Fang等人，2025年；Zhou等人，2024年）以及极端气候事件引发的暴露风险（Schillerberg和Tian，2024年；Kephart等人，2025年）；后者探讨人类活动如何影响极端气候事件的发生（He等人，2024年；Huang等人，2024年；Yu等人，2022年），以及气候变化与极端气候事件频率增加之间的因果关系（Wang等人，2024b）。研究表明，不同类型的极端气候事件往往表现出时空相关性，导致复合事件的发生（He等人，2024年；Thompson等人，2023年；You和Wang，2021年）。传统的单一极端气候风险评估可能低估了危害（He等人，2024年），因此迫切需要从复合气候极端事件的角度进行研究。社会经济因素通常被认为是复合气候极端事件的主要驱动因素（Fang等人，2025年），而生态和环境效应通常被视为其结果（Reichstein等人，2013年）。然而，任何系统内部都存在相互作用（Pan等人，2024a；Pan等人，2025年）。在气候变化加速的背景下，复合气候极端事件的干扰机制如何影响城市发展-生态宜居性权衡边界以及触发地区间异质性响应仍需进一步探索。

基于此，本研究首先评估了三个关键指标：城市发展强度（UDI）、生态宜居性指数（ELI）和复合气候极端事件指数（CEI）。然后，在“气候扰动-权衡机制”概念的指导下，我们推导出连接UDI和ELI的PPF，以展示国家和地区层面城市发展与生态宜居性之间的非线性权衡动态。为了揭示极端气候事件如何影响这些权衡，我们通过纳入CEI重新估计了PPF。最后，每个边界的第一和第二偏差量化了发展的生态机会成本，并确定了边际权衡加剧或平缓的速率变化阈值。这些发现可以为差异化的气候适应政策提供定量基础，同时为促进COP 29后的地区气候战略转型和增强地区可持续性能力提供重要见解。

研究区域

研究区域

中国辽阔的领土、复杂的地形和显著的经济梯度导致了学术研究和政策实践中各种空间分类方案的出现。其中，将中国划分为六个主要区域——华北、东北、华东、中南、西南和西北——这种划分结合了地理和行政边界，同时充分考虑了气候变异性和生态异质性。这种气候差异性对...

UDI的空间分布特征

图4展示了UDI及其组成指标的空间分布。总体而言，UDI在东部呈现较高值，在西部呈现较低值，沿海地区集中度较高，城市核心区较为明显，过渡带的发展程度处于中间水平，反映了区域发展的不平衡性，并与中国东部地区经济增长更强劲的既定趋势一致。具体而言，东部沿海...

城市发展-生态宜居性权衡的区域差异

在国家和地区层面的实证分析表明，UDI和ELI之间的PPF通常表现出“凸向凹”的权衡模式，表明存在非线性响应的临界性。这突显了城市增长过程中过度发展强度可能引发的生态阈值突破风险。这一发现与环境库兹涅茨曲线（EKC）所描述的倒U型逻辑形成对比（Wang等人，2025b），表明在极端气候条件下...

局限性与未来方向

本研究存在几个局限性。首先，研究采用了基于现有文献的立方多项式拟合方法来构建PPF，这可能导致曲线结构更加复杂，从而影响解释性。其次，研究结果仅反映了整体区域趋势，而没有明确建模相邻县之间的空间依赖性，这可能对结果的稳健性产生一定影响。第三，结果的准确性可能受到...

结论

本研究首次引入PPF作为框架，研究复合气候极端事件如何重新配置城市发展-生态宜居性权衡。PPF中的结构变化和转折点使我们能够量化发展的生态机会成本，并检测边际权衡变化的阈值，最终揭示出各地区对复合气候极端事件的特定响应。2018年UDI、ELI和CEI的空间分布显示了一致性...

资助

本项工作得到了国家社会科学基金重点项目（资助编号23AZD032）、国家自然科学基金（资助编号42371258、72404133）、中国博士后科学基金（2024M751457）、中国博士后科学基金博士后奖学金计划（C级（GZC20240709）以及中国留学基金委员会（资助编号202306850036）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。