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基于粤港澳大湾区的关键生态问题分析，粤港澳大湾区在长时间的快速发展中积累了许多深层次的矛盾和问题。工业化和城市化成为自然改造、资源消耗、污染排放、环境变化、生态破坏的主要推动力。高强度人类活动造成大湾区生态严重透支，大湾区的水、土、气、生等自然系统经历了大规模改造、破坏、修复的反复过程，生态资源量质并降，诸如三角洲水网微循环系统破坏，基塘生态农业系统大量消失，土地系统迅速退化等尤为严峻，这也是中国整体面临的严峻生态挑战的一个缩影。
粤港澳大湾区城市群生态系统的显著特点：①高强度人类活动影响下的人工复合生态系统，兼有复杂的人文属性和自然属性两方面的内容。②海陆交互关系密切的河口三角洲，粤港澳大湾区是一个陆海相连、山水相依的湾区城市群生态系统。③多尺度交互影响的城市群生态系统，粤港澳大湾区城市群生态系统的能量流动、物质循环和信息传递在城市内部、城市与郊区、城市与城市、城市群外部等多个区域尺度交互耦合。
破解生态环境压力、推进生态文明建设和提供良好生态系统服务功能，无不凸显出粤港澳大湾区生态环境的重要性，以及开展粤港澳大湾区生态系统研究的紧迫性。针对粤港澳大湾区城市群生态系统的显著特点，首先，应着力打破社会科学和自然科学等各个领域的学科界限，实现自然科学、社会科学和技术科学的多学科交叉与融合，实现城市群生态系统研究的跨学科发展。其次，粤港澳大湾区城市群生态系统是人文-自然多系统耦合的复杂系统，人文-自然是两个不同性质的系统，其主要的水、土、气、生、人等子系统之间存在着本质的内在联系，并且以人类系统为主导。但其各自的生存和发展都受其他系统结构、过程和功能的制约，必须当成一个复合系统来考虑。因此，亟待开展基于人地关系地域系统研究、面向人地系统耦合的大湾区城市群生态系统研究。
人地关系是可持续科学的核心研究命题，其经典解释就是人类社会及其活动与自然环境之间的关系（吴传钧，1991）。在中国开展人地关系研究尤为重要，40多年高速的经济社会发展和高强度的资源开发与承载能力严重不足的国土空间耦合带来了人地关系的频繁冲突（刘毅 等，2014），如何协调人地关系、提升资源环境适应能力，已经成为实现可持续发展的关键科学问题和重大战略问题（蔡运龙，1995；傅伯杰，2018）。以往的人地关系研究，过多关注如何突破资源环境的约束，提升资源环境的承载能力。人地关系研究的切入点呈现精细化趋势，使人们对人地关系中单一要素的把握愈发深化。研究范式更多体现在水、土、气、生各圈层的单一要素和单一系统研究，各要素与各系统之间相互分离，忽视了人地关系地域系统是由水、土、气、生、人多要素相互作用形成的复杂系统（Fu et al.，2018）。因为，仅仅掌握要素虽然有助于了解人地系统但并不能够把握整个人地系统的行为特征，人地关系地域系统（樊杰，2018；方创琳，2004；陆大道 等，1998；吴传钧，1991）是由生态系统和人类活动两个子系统交错而成的复杂开放巨系统，要素之间以及要素与系统之间还存在复杂的相互作用和反馈关系，这一特性决定了对其精准把控必将经历长期大量的理论和实践积累。时至今日，如何精细认知和科学评价人地关系依然面临着理论和方法上的诸多挑战（杨宇 等，2019）。尤其是地球进入“人类世”以来（Chin et al.，2013；Messerli et al.，2000；Messerli et al.，2001），以工业化和城镇化为代表的高强度人类活动加快，人类对自然环境的影响加剧，人地关系研究面临重大变革。人类社会发展不断赋予人地关系研究新的时代内涵（郑度，2002），新技术、新因素的出现也在不断改变着人地相互作用的方式、广度和深度（樊杰，2014；傅伯杰，2014；陆大道，2002）。国内外大量的实证研究表明，人地关系的研究依然重点关注地球表层系统，人地关系的耦合研究仍然不足以完美揭示人地系统的复杂性（Liu et al.，2007a；Liu et al.，2007b），由人地关系耦合转向人地系统耦合（Coupled human and natural systems），系统性和集成性成为人地关系研究的新特点（Liu et al.，2015b；史培军 等，2019）。人与自然耦合系统的集成研究可以揭示新的、复杂的格局和过程，而单独的自然科学或者社会科学的研究不能揭示这种规律（陆大道，2014）。
水、土、气、生、人多要素、多过程、多尺度的集成研究，依然是人地耦合研究的关键所在。当前研究已经开始转向多要素的耦合及其过程，例如水土过程耦合，水土过程与其他自然地理要素耦合等（Fu et al.，2013；Tian et al.，2018；Wang et al.，2018）。未来应加强水、土、气、生、人多要素集成，全面观测和解释人地系统的变化趋势。开展行星边界（Planetary Boundaries）（Hoekstra et al.，2014；Steffen et al.，2015）框架下的各种地球系统过程研究，由单一过程单一尺度向多过程多尺度发展，注重各圈层相互作用，关注人类活动对自然地理过程的干扰，实现从要素研究到系统研究的提升。
人地系统的近程耦合（peri-coupling）研究深入，远程耦合（Tele-coupling）关注不足。当前主要关注自然-社会系统近程要素之间存在的一对一、一对多和多对多的非线性交互胁迫与交互促进关系，忽视了社会经济和生态环境系统跨越距离的远程相互作用，以及远程耦合系统的主控因素、作用机理及动态演变过程对于当地人地耦合关系的影响（Hubacek et al.，2014；Liu et al.，2013；Liu et al.，2015a；Yu et al.，2013）。急需从尺度耦合角度分析人文与自然之间的近远程耦合关系，提出近远程耦合模式（方创琳 等，2017；马恩朴 等，2019）。
人地系统之间的互馈机制和溢出效应有待提升。开放系统和流动空间将会导致以往静止空间下的基本规律发生变形，甚至出现全面重构（樊杰，2018）。通过人类活动及其环境影响的定量表征，揭示自然和人文系统耦合影响及其双向反馈机制（Fu et al.，2016）。系统分析人文与自然系统相互作用的空间溢出效应，科学定量和揭示其社会经济效应和生态环境效应，全面揭示自然-社会系统互馈过程机理，是当前人地关系研究亟待加强的主要方向之一。
面向人地系统可持续性的动态模拟较为薄弱。由人文-自然大数据（程昌秀 等，2018；裴韬 等，2019）和人地系统动力学等模型推动（Motesharrei et al.，2016；史培军，1997）的人地系统模拟，是提升资源环境适应能力和实现可持续目标的重要手段。但是基于可持续发展调控的复杂人地耦合系统模拟，依然存在技术和方法上的瓶颈（毛汉英，2018）。不同类型精度的海量地理空间数据，使得单一要素模型、单一过程模拟的经验模型向着多模型集成、对复杂过程模拟的系统模型发展，助推人地系统可持续研究由模型模拟走向模式模拟（傅伯杰，2018）。大数据和人工智能，使得面向预测的多圈层要素耦合的地球系统模式成为可能。人地系统集成模型与决策支持系统，是未来人地关系研究从理论研究到应用研究的重要转变。
鉴于此，本书系统开展“粤港澳大湾区城市群土地利用/景观格局变化与生态系统服务”“粤港澳大湾区城市群水体的变迁与人类活动”“粤港澳大湾区城市群土壤环境变化与人类活动”“粤港澳大湾区城市群植被变化与人类活动”“粤港澳大湾区城市群地质环境变化与人类活动”等研究，系统开展城市群生态系统结构、过程和功能的演变研究，以期实现研究大湾区城市群生态系统科学的理论创新。再次，粤港澳大湾区城市群生态系统的空间尺度多元，从城市内部街区、城市与郊区，一直延伸到城市与城市、城市群外部等。在时空多尺度的背景下，城市群生态系统中存在大量的不确定因素，亟待寻求破解不确定因素的数据支撑。当然，在大数据时代下产生的海量数据未得到有效挖掘和利用，本书系统阐释如何构建大湾区“空、天、地”立体化的观测体系，构建从街区微循环到城市群大循环的生态系统观测技术体系，突破城市复合生态系统的海量异构数据集成和融合计算难题。通过大数据和云计算等技术，利用全空间观测手段和大数据平台，采用宏观、中观、微观相嵌套，系统性、复杂性、确定性与模糊性相结合的方法，解决在全球环境变化和人类干扰背景下城市群生态系统在不同时空尺度上的循环和调控机理问题，为城市群可持续发展提供决策依据。