DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-06084-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40593086
تاريخ النشر: 2025-07-01
المؤلف: Zhenfang He وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخفيف تأثير الجزر الحرارية الحضرية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة جودة البيئة البيئية لمنطقة بكين-تيانجين-هيبي-شاندونغ-هينان (BTHSH) في الصين من 1985 إلى 2020، باستخدام مؤشر الاستشعار عن بعد البيئي (RSEI) المستمد من صور لاندسات. تكشف التحليلات عن انخفاض في المناطق ذات الجودة البيئية المتوسطة إلى الممتازة، حيث انخفضت من 90.44% في 1985 إلى 83.06% في 2020، مع دفع العوامل الحضرية والاجتماعية-الاقتصادية بشكل متزايد لتدهور البيئة، خاصة في المدن الساحلية. تحدد البحث تحولًا في التوزيع المكاني للجودة البيئية بعد عام 2011، يتميز بانخفاض الارتباط الذاتي المكاني، مما يشير إلى نمط أكثر توجيهًا للتدهور.
تشمل النتائج الرئيسية تدهورًا عامًا في الجودة البيئية خلال مراحل التحضر، مع انخفاض ملحوظ من 2010 إلى 2020، خاصة في المناطق الساحلية من شاندونغ، حيث زادت المناطق ذات الجودة الضعيفة من 8.15% إلى 17.94%. تشير التوقعات المستقبلية إلى أن هينان ستشهد أكبر تحسين في الجودة البيئية (23.58%)، بينما ستشهد المدن الساحلية مثل تيانجين وشاندونغ مكاسب أصغر (12.41% و12.81%، على التوالي). تؤكد الدراسة على الحاجة إلى استراتيجيات إدارة بيئية مستهدفة، خاصة في المناطق الساحلية، وتبرز أهمية دمج العوامل الطبيعية والاجتماعية-الاقتصادية في التنمية الحضرية المستدامة للتخفيف من الآثار السلبية للتحضر على الجودة البيئية.
الطرق
استخدمت الدراسة صور لاندسات وبيانات RSEI (بدقة 100 متر) من المركز الوطني لبيانات علوم نظام الأرض في الصين لتحليل تطور الجودة البيئية في مناطق BTHSH من 1985 إلى 2020. تم اشتقاق مجموعة البيانات من صور لاندسات TM/OLI/TIRS، مع ضمان الحد الأدنى من التداخل الجوي من خلال اختيار مشاهد بأقل من 5% تغطية سحابية. سهلت هذه البيانات عالية الدقة فحصًا مفصلًا لتغيرات تغطية الأرض، خاصة في المناطق الحضرية والمناطق الجيومورفولوجية المعقدة. تم استخدام عوامل طبيعية ومرتبطة بالتحضر متنوعة، بما في ذلك DEM، NDVI، متوسط هطول الأمطار السنوي، الناتج المحلي الإجمالي، متوسط درجة الحرارة السنوية، كثافة السكان، وبيانات الضوء الليلي، لفهم تأثيرها على تغييرات RSEI.
تضمنت المنهجية استخدام مؤشر هيرست لتحليل الاعتماد طويل الأجل لبيانات سلسلة الزمن RSEI. يساعد هذا المؤشر، الذي يقيم الارتباط الذاتي للقيم المرصودة، في التنبؤ باستقرار الاتجاهات المستقبلية لـ RSEI. تضمنت الحسابات تعريف تسلسلات متوسطة، انحرافات، نطاقات، وانحرافات معيارية لبيانات RSEI على مر الزمن. تشير قيم مؤشر هيرست إلى الاستدامة (0.5 < H < 1) أو عدم الاستدامة (0 < H < 0.5) بناءً على ارتباط تسلسل RSEI، مما يوفر رؤى حول الاستقرار البيئي للمناطق المدروسة.
النتائج
تكشف نتائج تحليل الاتجاه لمؤشر الاستشعار عن بعد البيئي (RSEI) من 1985 إلى 2020 عن تحولات كبيرة في الجودة البيئية تتوافق مع مراحل التنمية الحضرية في الصين. من 1985 إلى 2010، ظلت قيم RSEI مستقرة، تتأرجح بين 0.517 و0.522، مما يشير إلى فترة من الاستقرار البيئي وسط التحضر السريع. ومع ذلك، لوحظ انخفاض ملحوظ في قيم RSEI بعد 2010، حيث انخفضت من 0.521 إلى 0.496 بحلول 2020. يشير هذا الانخفاض إلى نقطة تحول حرجة تتماشى مع الانتقال من التوسع الحضري السريع إلى التركيز على التنمية الحضرية الموجهة نحو الجودة.
تشير التحليلات إلى أنه بينما شهدت منطقة BTHSH زيادة طفيفة في الجودة البيئية خلال مرحلة التحضر السريع، لم تؤدِ الفترة اللاحقة من تحسين التحضر إلى تحسينات فورية في RSEI. يشير ذلك إلى تأثير تأخيري، حيث تستغرق فوائد السياسات والإجراءات البيئية وقتًا لتظهر في المؤشرات البيئية. وبالتالي، تؤكد النتائج على تعقيد تحسين الجودة البيئية بعد التحضر السريع وتبرز الحاجة إلى فترة انتقالية للتعافي وتعزيز الظروف البيئية.
المناقشة
تركز قسم المناقشة من ورقة البحث على التحضر والجودة البيئية في مناطق بكين، تيانجين، هيبي، شاندونغ، وهينان (BTHSH)، التي تتميز بكثافة حضرية عالية وتركيز سكاني كبير. زادت نسبة التحضر في هذه المناطق بشكل كبير من 19.39% في 1980 إلى 63.89% متوقعة بحلول 2020، مع زيادة إضافية متوقعة بحلول 2030. تحدد الدراسة ثلاث مراحل من التحضر منذ 1949، وترتبط هذه المراحل بتحولات في الجودة البيئية كما يقيسها مؤشر الاستشعار عن بعد البيئي (RSEI)، الذي يتضمن مؤشرات للخصوبة، الحرارة، الرطوبة، والجفاف. تكشف التحليلات عن انخفاض عام في الجودة البيئية من 1985 إلى 2020، خاصة في المدن الساحلية، ويعزى ذلك إلى التحضر السريع والتصنيع.
تشير تحليلات الارتباط الذاتي المكاني إلى تجمع كبير للجودة البيئية عبر منطقة BTHSH، مع ملاحظة ارتباط إيجابي على مر الزمن. ومع ذلك، ضعفت هذه العلاقة خلال المراحل اللاحقة من التحضر، مما يشير إلى أن تدابير حماية البيئة قد تكون تخفف من بعض الآثار السلبية للتحضر. تستخدم الدراسة طرقًا إحصائية متنوعة، بما في ذلك تقدير ميل سين وطريقة الإهليلجية للانحراف المعياري، لتقييم الاتجاهات والتوزيع المكاني لـ RSEI. تشير النتائج إلى اتجاه هبوطي مستمر في الجودة البيئية، خاصة في المناطق الساحلية، بينما تظهر بعض المناطق، مثل مناطق الحفظ البيئي في شمال غرب بكين-تيانجين-هيبي، تحسنًا. تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين التحضر والديناميات البيئية، مما يبرز الحاجة إلى تخطيط حضري مستدام واستراتيجيات إدارة بيئية في المناطق التي تشهد تحضرًا سريعًا.
القيود
تسلط قسم القيود الضوء على عدة قيود لمؤشر الاستشعار عن بعد البيئي (RSEI) في تقييم الجودة البيئية. بينما يقدم RSEI نهجًا أكثر تكاملًا وموضوعية من خلال دمج الأبعاد البيئية الرئيسية—الخصوبة، الرطوبة، الجفاف، والحرارة—من خلال تحليل المكونات الرئيسية (PCA)، قد لا يلتقط تمامًا الخصائص البيئية المحلية، خاصة في النظم البيئية المعقدة أو المناطق ذات التأثير البشري الكبير. تعقد التباين في تأثير العوامل المحركة عبر مناطق وفترات زمنية مختلفة التقييم، مما يشير إلى أن التغيرات البيئية محددة بالسياق.
علاوة على ذلك، على الرغم من مزايا بيانات الاستشعار عن بعد عالية الدقة، لا تزال التحديات قائمة في تمثيل التباين البيئي الدقيق بدقة، خاصة في المناظر الطبيعية الحضرية. تشير اتجاهات البحث المستقبلية إلى دمج البيانات المساعدة، مثل أنماط استخدام الأراضي والعوامل الاجتماعية-الاقتصادية، جنبًا إلى جنب مع منهجيات دمج البيانات المتقدمة لتعزيز شمولية التقييمات البيئية. بالإضافة إلى ذلك، بينما أثرت المبادرات البيئية الأخيرة بشكل إيجابي على الجودة البيئية، لا يزال من الصعب عزل التأثيرات المباشرة لهذه السياسات بسبب الطبيعة المعقدة للديناميات البيئية. يجب أن تهدف الدراسات المستقبلية إلى دمج مجموعة أوسع من العوامل الاجتماعية-السياسية واستكشاف المسارات السببية لتعميق فهم التفاعلات البيئية، مما يؤدي في النهاية إلى إبلاغ استراتيجيات أكثر فعالية للتحضر المستدام.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-06084-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40593086
Publication Date: 2025-07-01
Author(s): Zhenfang He et al.
Primary Topic: Urban Heat Island Mitigation
Overview
This study investigates the eco-environmental quality of the Beijing-Tianjin-Hebei-Shandong-Henan (BTHSH) region in China from 1985 to 2020, utilizing the Remote Sensing Ecological Index (RSEI) derived from Landsat imagery. The analysis reveals a decline in areas with moderate to excellent eco-environmental quality, decreasing from 90.44% in 1985 to 83.06% in 2020, with urbanization and socio-economic factors increasingly driving environmental degradation, particularly in coastal cities. The research identifies a shift in the spatial distribution of eco-environmental quality post-2011, marked by reduced spatial autocorrelation, indicating a more directional pattern of degradation.
Key findings include a general deterioration in eco-environmental quality during urbanization phases, with a notable decline from 2010 to 2020, particularly in coastal areas of Shandong, where poor quality regions increased from 8.15% to 17.94%. Future predictions suggest that Henan will experience the most significant improvement in eco-environmental quality (23.58%), while coastal cities like Tianjin and Shandong will see smaller gains (12.41% and 12.81%, respectively). The study emphasizes the need for targeted environmental management strategies, particularly in coastal regions, and highlights the importance of integrating both natural and socio-economic factors in sustainable urban development to mitigate the adverse effects of urbanization on eco-environmental quality.
Methods
The study employed Landsat images and RSEI data (100-m resolution) from the National Earth System Science Data Center of China to analyze eco-environmental quality evolution in the BTHSH regions from 1985 to 2020. The dataset was derived from Landsat TM/OLI/TIRS imagery, ensuring minimal atmospheric interference by selecting scenes with less than 5% cloud cover. This high-resolution data facilitated a detailed examination of land cover variations, particularly in urbanized and complex geomorphological areas. Various natural and urbanization-related factors, including DEM, NDVI, average annual rainfall, GDP, average annual temperature, population density, and night light datasets, were utilized to understand their influence on RSEI changes.
The methodology incorporated the Hurst index to analyze the long-term dependence of the RSEI time series data. This index, which assesses the autocorrelation of observed values, helps in predicting the stability of future RSEI trends. The calculations involved defining mean sequences, deviations, ranges, and standard deviations of the RSEI data over time. The Hurst index values indicate sustainability (0.5 < H < 1) or anti-sustainability (0 < H < 0.5) based on the correlation of the RSEI sequence, providing insights into the ecological stability of the studied regions.
Results
The results of the trend analysis of the Remote Sensing Ecological Index (RSEI) from 1985 to 2020 reveal significant shifts in ecological quality corresponding to urban development phases in China. From 1985 to 2010, RSEI values remained stable, fluctuating between 0.517 and 0.522, indicating a period of ecological stability amidst rapid urbanization. However, a marked decline in RSEI values was observed post-2010, dropping from 0.521 to 0.496 by 2020. This decline signifies a critical inflection point that aligns with the transition from rapid urban expansion to a focus on quality-oriented urban development.
The analysis suggests that while the BTHSH region experienced a slight increase in eco-environmental quality during the rapid urbanization phase, the subsequent period of urbanization improvement did not yield immediate enhancements in RSEI. This indicates a lag effect, where the benefits of environmental policies and measures take time to manifest in ecological indicators. Consequently, the findings underscore the complexity of improving ecological quality following rapid urbanization and highlight the need for a transitional period for recovery and enhancement of environmental conditions.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the urbanization and eco-environmental quality in the Beijing, Tianjin, Hebei, Shandong, and Henan (BTHSH) regions, which are characterized by high urban density and significant population concentration. The urbanization rate in these areas has increased dramatically from 19.39% in 1980 to a projected 63.89% by 2020, with a further increase expected by 2030. The study identifies three stages of urbanization since 1949, correlating these stages with shifts in eco-environmental quality as measured by the Remote Sensing Ecological Index (RSEI), which incorporates indicators of greenness, heat, wetness, and dryness. The analysis reveals a general decline in eco-environmental quality from 1985 to 2020, particularly in coastal cities, attributed to rapid urbanization and industrialization.
Spatial autocorrelation analysis indicates a significant clustering of eco-environmental quality across the BTHSH region, with a positive correlation observed over time. However, this correlation weakened during the later stages of urbanization, suggesting that ecological protection measures may be mitigating some adverse effects of urbanization. The study employs various statistical methods, including the Sen slope estimation and the standard deviation ellipse method, to assess trends and spatial distribution of RSEI. Results indicate a persistent downward trend in eco-environmental quality, especially in coastal areas, while some regions, such as the ecological conservation areas in northwest Beijing-Tianjin-Hebei, show improvement. The findings underscore the complex interplay between urbanization and eco-environmental dynamics, highlighting the need for sustainable urban planning and environmental management strategies in rapidly urbanizing regions.
Limitations
The section on limitations highlights several constraints of the Remote Sensing Ecological Index (RSEI) in assessing ecological quality. While RSEI offers a more integrated and objective approach by synthesizing key ecological dimensions—greenness, wetness, dryness, and heat—through Principal Component Analysis (PCA), it may not fully capture local environmental characteristics, particularly in complex ecosystems or areas with significant human impact. The variability in the influence of driving factors across different regions and time periods further complicates the assessment, indicating that ecological changes are context-specific.
Moreover, despite the advantages of high-resolution remote sensing data, challenges remain in accurately representing fine-scale ecological heterogeneity, especially in urbanized landscapes. Future research directions suggest the integration of auxiliary data, such as land use patterns and socioeconomic factors, alongside advanced data fusion methodologies to enhance the comprehensiveness of ecological assessments. Additionally, while recent ecological initiatives have positively influenced environmental quality, isolating the direct effects of these policies remains challenging due to the multifaceted nature of ecological dynamics. Future studies should aim to incorporate a broader range of socio-political factors and explore causal pathways to deepen the understanding of eco-environmental interactions, ultimately informing more effective strategies for sustainable urbanization.