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特大城市群地区是国家经济发展的战略核心区和国家新型城镇化的主体区，但在发展过程中面临着日益严重的人口、资源与生态环境的胁迫压力。京津冀地区作为一个典型的特大城市群，其协同发展已成为国家战略。以京津冀为典型案例区，揭示特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合机理具有重要意义。本文系统梳理了当前国内外研究进展，借鉴前人研究成果与复杂性科学理论，科学剖析了城镇化与生态环境耦合系统的复杂特征，提出该耦合系统的概念模型，进而基于空间、时间、表象、组织四个维度创新性地构建了本文的理论框架“耦合魔方模型”。基于该模型对京津冀城市群进行实证研究，首先提出并检验城镇化与生态环境的城镇化库兹涅兹曲线(UKC)并计算主控变量拐点，引入距离协同模型(DCM)定量解构城市群和省级尺度耦合协调度的演化趋势并划分耦合阶段和类型。接着，分别从远程、远期、隐性和组间耦合机理展开研究:基于空间杜宾模型(SDM)分析了京津冀城市群城镇化系统对大气污染的远程耦合溢出效应;基于多项式分布滞后模型(PDL)与脉冲响应分析(IRF)剖析了环境污染投资对京津冀生态环境的时间滞后耦合效应;借鉴心理学中的中介效应模型分析了能源消费与汽车排放在城镇化对大气环境影响路径中的中介效应;基于互联网大数据探讨了公众、媒体、政府、学者不同主体对生态环境关注度的相关耦合性。本文主要结论如下: (1)城镇化与生态环境耦合系统是人地关系地域系统中非常重要的一环，两大系统既有其自身的演化规律和制约因素，又通过不断的物质循环、能量流动和信息传递，形成一个相互联系、支撑和制约的复杂耦合巨系统。其演化过程就是通过与外界环境以及子系统之间的相互作用，经历着从无序的混沌状态转变为有序性结构，再循环往返的一种自组织涌现过程。城镇化与生态环境耦合系统具有开放性、非线性、自组织、支配性、涨落与相变、脆弱性与鲁棒性、多重反馈、尺度嵌套等复杂特征，基于这些特征本文构建了城镇化与生态环境耦合系统的概念模型及函数表达式。 (2)从空间、时间、表象、组织四个维度出发，借鉴“远程耦合”“生态系统复杂性”“星球城市化”等理论，采用隐喻类比的方法，立足特大城市群这一特殊的区域尺度，创新性地构建了城镇化与生态环境交互耦合的理论模型“耦合魔方模型(Coupling Rubiks Cube Model，CRM)”。该理论模型重视系统间的双向正负反馈效应、溢出效应、中介效应、时滞效应、利益相关效应等以往研究易忽视的维度，更加强调远程耦合、远期耦合、隐性耦合与组间耦合。远程耦合是指本地的城镇化与生态环境系统内部与远距离之外的其他系统或要素以及不同空间尺度的系统之间的交互作用，包括跨区域远距离耦合和跨尺度交互耦合两类;远期耦合是指当前的城镇化与生态环境耦合系统与过去或未来的系统或要素发生相互影响与反馈的过程;隐形耦合是指要素间或系统间的交互影响不是直接作用，而是通过中介或通过隐含的其他系统或要素间接的发生作用;组间耦合是指不同组织之间以及处在不同组织内的利益主体之间，在城镇化与生态环境相互作用过程中的复杂关系与博弈策略。 (3)将环境库兹涅兹曲线(EKC)扩展到城镇化库兹涅兹曲线(UKC)，刻画了京津冀城市群地区城镇化与生态环境主控变量耦合曲线簇及拐点集。城镇化率每提高一个百分点，用水总量、耕地面积、生态用地面积将分别减少0.151％、0.075％、0.161％，PM2.5浓度将增加0.308％;人均用水量、工业SO2排放和人均碳排放与城镇化符合“倒U”型的库兹涅兹曲线，其改善拐点分别对应城镇化率是25％、38％、76％;人均能源消费与城镇化的曲线呈“U”型，恶化拐点对应城市化率为32％。 (4)引入距离协同模型，构建协调发展度和协同发展指数，对京津冀城市群城镇化与生态环境系统的耦合协调性和协同发展性研究表明:1990-2015年间，京津冀城市群城镇化发展度和生态环境发展度均呈不断上升趋势，经历了由城镇化发展水平滞后演变到城镇化发展水平超过生态环境发展水平。从城市群尺度看，1990-2010年城镇化与生态环境的协调发展度呈不断上升态势，2010年之后呈水平波动，耦合阶段经历了严重不协调-轻度不协调-基本协调，到近几年的基本协调和高级协调交替振荡期。从省级尺度看，1990-2015年，北京、天津和河北的城镇化与生态环境协调发展度演变总体均呈上升趋势，但北京和天津总体处在基本协调以上，而河北直到2011年开始变为基本协调。京津冀三地生态环境系统之间的协同发展性比城市化系统的协同发展性要高很多，城市化系统协同发展指数曲线呈“倒N”型，生态环境系统的协同发展指数曲线呈“Z”型。 (5)城镇化与自然因子对大气污染的远程溢出效应分析表明:京津冀城市群地区城市建成区PM2.5浓度相比于周围郊区和农村平均高10-20μg/m3，两个城市间大气污染的正向交互影响范围可达200公里，邻近地区的PM2.5每升高1％，将导致本地PM2.5至少升高0.5％。城镇化内因对PM2.5浓度主要是正向影响，自然外因中除了年均气温外，对PM2.5浓度主要是负向影响。影响因素中对本地大气污染的直接效应贡献强度依次是:年均风速＞年均气温＞人口密度＞地形起伏度＞第二产业占比＞能源消费＞植被覆盖度;对邻近地区大气污染具有空间溢出效应的影响因素排序是:植被覆盖度＞地形起伏度＞能源消费＞人口密度。 (6)京津冀城市群环境污染治理投资对生态环境影响的时间滞后效应分析表明:环保投资对于京津冀生态环境具有显著的时滞效应。森林覆盖率、建成区绿化覆盖率、人均工业SO2排放、人均工业废水排放、人均工业固废排放与环境治理投资均存在协整关系。环境污染治理投资对于森林覆盖率、建成区绿化覆盖率、人均工业SO2排放、人均工业废水排放开始有显著影响的时间滞后长度分别是1年、1年、3年、1年，环境污染治理投资对于工业固废排放没有明显的时滞影响，与PM2.5浓度不存在显著的相关性。不同的生态环境因子对投资的冲击响应敏感性各异，响应滞后时间在1-4年不等，作用时长有的只有2-3年，有的能够持续10年以上。 (7)基于中介效应模型的城镇化、能源消费、汽车排放对大气污染的隐性影响分析表明:在京津冀城市群地区城镇化对大气污染的影响路径中，能源消费和汽车排放两者的间接影响系数为1.555，贡献比重占到总效应的79.34％，远高于城镇化对大气污染的直接影响比重20.7％。其中，能源消费的中介效应占比为45.5％，汽车排放的中介效应占比为33.8％。这表明能源消费和汽车排放是城镇化对大气污染的主要影响路径，且能源消费对大气污染的贡献更大。 (8)基于网络大数据平台，分析了公众、媒体、政府、学者4个主体对于京津冀城市群水、土、气以及生态环境系统的关注度以及不同主体之间的相关耦合性，结果表明:公众对于大气污染关注度最高，其次是水污染、土壤污染;媒体对于北京和天津的生态环境关注度最高，对于承德和沧州关注度最低;政府对于大气污染的关注度高于水污染和土壤污染，北京、天津、石家庄、张家口四地政府对生态环境关注度排名靠前;学者对北京生态环境的关注度远高过其他城市，近些年大气污染成为学术研究热点。四大主体之间对于生态环境的关注度有很强的相关耦合性，不同主体之间存在交互影响的可能性很大。 (9)基于理论和实证分析，提出京津冀城镇化与生态环境协同发展政策建议:加快河北省产业转型升级与能源结构调整，积极推进碳排放的峰值拐点逐步提前;加大非首都功能向河北的疏解力度，加快河北新两翼建设，加强财政与投资政策顶层设计，促进京津冀城市群的协调与平衡发展;将能源消费和汽车排放作为大气污染治理的重要抓手，加强区域间大气与水污染的联防联控与合作治理，加大生态补偿力度;合理规划环境政策的年度目标、项目安排、投资预算，科学处理环境政策和投资的滞后性;加强不同利益组织的有效沟通与合作。