21世纪以来,全球城镇化发展引起的区域生态环境问题日益严重,各国政府普遍将城镇化与区域生态安全列为国家安全战略的重要组成部分,并纳入国家总体发展战略之中。从全球可持续发展出发,研究城镇化与全球变化及区域资源环境之间的耦合关系,揭示不同空间尺度城镇化过程对区域生态环境变化的影响以及提升城镇应对全球变化的适应能力等成为地球系统科学研究的前沿领域。在我国以城市群为主体形态推进城镇化由“数量增长”向“质量提升”的转型发展阶段,城市群地区尤其是东部特大城市群地区城镇化与生态环境耦合胁迫关系已经引起学界和政界的关注和重视,而西部典型生态脆弱区城镇化过程及其生态环境影响研究依然薄弱。县域作为我国城镇化发展的关键层级和城镇体系的重要节点,是支撑新时代中国新型城镇化与生态文明建设的关键载体。因此,通过研究县域城镇化过程及其生态环境响应,识别城镇化对生态环境作用的时空规律,推动城镇化与生态环境协调发展成为面向国家战略需求破解新时代中国城镇化发展与生态环境保护矛盾的现实需要。黄土高原地区是我国“两屏三带”为主体的生态安全战略格局的重要组成部分,在保障黄河中下游地区和农牧交错带生态安全方面具有极其重要的地位。西部大开发战略实施以来,区域城镇化建设取得巨大成就,形成了国家稳步建设的城市群关中平原城市群和引导培育的城市群晋中城市群、兰西城市群、呼包鄂榆城市群和宁夏沿黄城市群。但与高速的城镇化进程相伴的高强度的城乡建设对黄土高原地区本已脆弱的生态环境产生了巨大压力。如何在落实新型城镇化战略和乡村振兴战略过程中,统筹推进城乡建设与生态环境保护,不断满足居民日益增长的美好生活需要和良好生态环境需求,实现城镇化发展与生态环境保护“双赢”是黄土高原地区实现高质量发展的现实需要。为此,本研究从地理学综合性视角出发,以人地关系地域系统理论、资源环境承载力理论和生态系统服务理论等为指导,构建城镇化的生态环境供需平衡理论,集成地理学、生态学和环境科学等学科的分析方法,研究1990-2015年黄土高原地区341个县(区)的城镇化时空过程及其生态环境响应,提出黄土高原县域城镇化与生态环境协调发展模式与策略。结果表明:(1)城镇化过程的生态环境影响具有多维特征,城镇化的生态环境供需平衡理论是揭示城镇化的生态环境响应的重要基础理论。城镇化过程是对特定时期、特定地域范围内城镇化的刻画,是城镇社会经济现象在地理空间上投影的变化过程。城镇化过程中的人口集聚、空间扩张、社会经济发展等引起的环境污染、生态破坏和资源耗竭等问题,是城镇化过程的生态环境效应的具体表现形式。城镇化的生态环境供需平衡理论是可持续发展理论、生态系统服务理论和资源环境承载力理论等多个理论的集成、深化和总结。在城镇化过程中,生态环境系统为城镇化发展提供必要的生态产品,支撑城镇化持续快速发展;城镇化通过人口增加、产业集聚和空间扩展等对区域生态产品提出需求,二者之间通过相互影响、相互作用,实现城镇化过程中生态环境供给与需求的动态平衡。(2)黄土高原县域城镇化水平时空变化显著,地域差异明显,自然地理环境和人文经济基础是影响城镇化发展的重要因素。1990-2015年县域城镇化由缓慢增长阶段进入到加速发展阶段,城镇化空间格局由低水平不均衡发展转变为较高水平的相对均衡发展,城镇化率增长速度地域分布呈现出低增长(高增长)县区转变为高增长(低增长)县区的特征。在地理空间上呈现出东中部高而西部低的宏观格局。影响城镇化地域分异的因素依次是:非农产业产值比重>人均社会消费品零售总额>人均粮食产量>人口密度>到中心城市的最短行车时间>城镇居民人均可支配收入>人均地区生产总值>城镇固定资产投资>农民人均纯收入>人均财政支出>到国省干线的平均距离>地形起伏度>平均海拔高度>年均温度>年平均降水量。15个因素中任意两个因素交互后对城镇化水平的解释力均会显著提升,具体表现为非线性增强或双线性增强,其中非农产业产值比重与其他因子的交互作用处于较高水平。(3)黄土高原县域城镇化强度变化显著,对区域地表温度、植被覆盖度和植被固碳释氧等生态环境要素影响深刻。1992-2015年,黄土高原城镇化强度逐渐增强,城镇化空间拓展明显,在地理空间上呈现出“核心-外围”空间扩展模式显著、内部填充与外部扩张并存的空间特征。城镇化核心区地表温度总体高于核心区以外区域,核心区与边缘区地表温差、核心区与核心区外地表温差均呈先波动上升后波动下降的倒“U”型变化趋势。全区城镇热岛与非热岛整体呈现相对稳定的分布格局,热岛区主要分布在建设用地和裸地区域,非热岛区主要分布在林地、草地和水域等地区。城镇灯光强度与植被覆盖度和生态价值总体均呈同步上升趋势,是黄土高原县域城镇化与生态环境演变的主导趋势。但灯光强度显著上升的关中平原城市群、晋中城市群、呼包鄂榆城市群、兰西城市群和宁夏沿黄城市群地区,以及能源矿产资源开发区的县域NDVI和生态服务价值下降明显。(4)黄土高原地区县域城镇生态系统服务供需规律显著,城镇化强度是影响县域生态环境供需状态的关键因子,县域城镇化的生态环境供需类型具有多样性。黄土高原生态系统服务供给量总体呈先降后升再降的“S”型变化趋势,生态系统服务需求呈先下降后上升的“U”型变化趋势。25年间,全区城镇化过程中县域生态系统服务总体处于高位供应状态,在现阶段可供挖掘的潜力较小。生态系统服务供需比呈现西北高东南低的空间格局,全区生态系统服务供给率呈现下降趋势,县域生态系统服务总体处于盈余状态,但供需状况呈现恶化趋势。城镇化强度越大的县区,生态系统服务供需矛盾越突出。全区341个县(区)分属于19种不同的供需类型。其中,城镇化中期-生态服务中供给中需求类型县区数量最多,占县域总数的22.29%;其次是城镇化中期-生态服务低供给中需求和城镇化中期-生态服务中供给低需求类型,均占县域总数13.20%;城镇化初期-生态服务高供给中需求和城镇化后期-生态服务高供给低需求类型县区数量最少,均仅占0.29%。(5)黄土高原地区县域城镇化与生态环境优化调控是县域生态环境供给侧、城镇化需求侧和外部环境变化调控相互作用的过程。实现城镇化过程中资源环境集约利用和生态系统良性循环,是黄土高原县域城镇化与生态环境协调发展的总体目标。生态环境供给侧调控侧重于优化生态系统结构,提高城镇生态系统服务的数量和质量。城镇化需求侧调控侧重于优化城镇空间格局,提高资源集约利用水平。外部环境变化调控主要是应对全球变化对县域城镇化进程和生态系统服务供需格局带来的不确定性问题。为了保证县域城镇化水平稳步提升、生态系统服务有效供给和生态系统服务需求合理适度,可通过实施适度型城镇化模式、集约型城镇化模式、绿色型城镇化模式、共享型城镇化模式和开放型城镇化模式,积极优化城镇空间布局、构建新型城镇体系,创新自然资源配置、建设集约低碳城镇,加快产业结构调整、推动经济转型升级,深化政策制度改革、推进城乡融合发展,加强生态环境保护、保障城镇生态安全等方式,建设健康城镇、集约城镇、绿色城镇、共享城镇和开放城镇,实现新时代黄土高原地区县域城镇化的高质量发展和生态环境有效保护。本研究的创新之处主要表现为:(1)构建了城镇化的生态环境供需平衡理论,用于指导县域城镇化的生态环境状态响应研究,发展了城镇化与生态环境关系研究基础理论;(2)构建由城镇化发展阶段、生态环境供给和生态环境需求组成的三维立体判别模型(Urbanization-Supply-Demand,USD),创新了城镇化的生态环境供需状态与类型判定识别方法;(3)发现了黄土高原城镇化呈现“核心-外围”的空间格局,高原风沙区和干旱荒漠区的城镇建成区周围区域的植被绿度和生态价值较高,认为从辩证的和系统的角度理解城镇化与生态环境关系,是认识城镇化的生态环境响应阶段性和地域差异性的科学途径;(4)设计了城镇化与生态环境优化调控框架,明确了城镇化的生态环境供需调控目标、重点和方向,提出了黄土高原县域城镇化与生态环境协调发展模式与策略。