城市群地区城镇化与生态环境耦合机理及规律

**章 城市群地区城镇化与生态环境近远程耦合关系 从系统论的角度分析，城市群地区城镇化与生态环境之间的耦合关系，不仅表现为系统内部城镇化与生态环境各要素之间的非线性耦合关系（称其为近程耦合关系），而且表现为系统外部城镇化与生态环境各要素之间的非线性耦合关系（称其为远程耦合关系），因此城市群系统城镇化与生态环境内外部各要素之间的非线性耦合关系理论上可称为近远程耦合关系。城市群作为一个开放系统，它的发展不仅受到城市群系统内部（近程）各要素、各城市之间相互作用的影响，还受到来自城市群系统外部（远程）输入要素的影响。因此，探讨城市群地区城镇化与生态环境的近远程耦合关系，揭示近远程变化过程及其影响，对推动城市群可持续发展具有重要的理论价值和现实意义。 **节 近远程耦合关系的基本内涵与尺度效应 城市群地区城镇化与生态环境之间的非线性耦合关系，表现为近程耦合关系、远程耦合关系和近远程耦合关系三种关系，这三种关系在空间尺度和时间尺度上呈现出极为复杂的耦合过程和耦合效应。从能值代谢的角度揭示这种极为复杂的近远程耦合关系，可为进一步探讨城市群地区城镇化与生态环境的非线性耦合关系提供全新的突破点。 一、城镇化与生态环境近远程耦合关系的基本内涵 （一）近程耦合关系 近程耦合关系是指从区内尺度分析城市群地区城镇化与生态环境各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，其中的近程要素为城市群所在地域范围内产生的一切促使城市发展的要素，包括水资源、土地资源、食物、矿产资源、能源等。 （二）远程耦合关系 远程耦合关系则是从区际尺度分析城市群地区城镇化与生态环境各远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，其中的远程要素为由城市群外部输入城市群内部的一切要素和从城市群内部输出到外部区域的一切要素，包括进口水资源量、矿产资源量以及对外贸易量、出口量等。 （三）近远程耦合关系 近远程耦合关系是从尺度耦合的角度分析城市群地区城镇化与生态环境各近程要素和远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，其中尺度耦合是指区内尺度与区际尺度的空间耦合。真正意义上的城市群地区是存在着内外部物流能量输入输出的开放系统，因而存在着极为复杂的内外部要素交互胁迫与交互促进的近远程动态耦合关系（图1.1）。从城市群地区城镇化与生态环境近远程耦合过程来看，城市群地区本身自给的近程要素为城市群提供了发展基础，外部要素向城市群进一步供给所需远程的物质和能量输入，为城市群经济发展提供了源源不断的动力。近远程要素在城市群城镇化与生态环境系统中进行了物质与能量的交换，交换过程包括生态环境系统为城镇化提供资源保障作用，城镇化系统则产出人口集聚、经济集聚与环境污染等问题，对生态环境系统产生胁迫作用，该过程可以看作城市群的近远程要素代谢过程，这种代谢过程改变着城镇化与生态环境的近远程耦合关系（方创琳和任宇飞，2017）。 图1.1 城镇化与生态环境各要素近远程耦合关系理论框架图 城镇化与生态环境近远程耦合研究丰富了传统耦合研究的内涵。一是系统性，将孤立地考察特定地域单元上城镇化与生态环境耦合的研究视角转换为考虑多个耦合系统在嵌套网络结构中所形成的全方位、多层次的复杂联结式耦合系统，突出了研究的系统性和空间整体性。二是层级性，研究尺度突破传统的一元尺度定义方式，不仅将本地的近程耦合系统从“系统间”角度出发，揭示一个地区的耦合系统作为“发送者”，通过要素流对另一个地区作为“接受者”的耦合系统的扰动效应以及接收方对发送方的反馈效应，明确要素流输入对传统耦合系统造成影响的基本态势，还提出探索多个耦合系统间的互动关系。三是科学性，在考察城镇化与生态环境交互胁迫机制上更加综合化，在耦合系统组成要素现有区分基础上识别出近程系统和远程系统，继而对内部主导的近程要素进行精细化的定性和定量分析，弥补了现有单一要素视角对生态环境的作用机制的局限性，进一步提升了城镇化与生态环境耦合研究的科学性。 二、城镇化与生态环境近远程耦合系统的尺度效应 对于城镇化与生态环境近远程耦合关系的研究，自然现象、生态过程、人类事件在特定尺度上有形式迥然的表现形式，研究者和决策者反映的表象和内涵千差万别，事物间联系机理存在复杂性和不确定性等特点（方创琳等，2016），因此尺度特征研究的重要意义在于在怎样的时间和空间尺度上对地理现象和过程实施观测，以把握地理现象和过程本征尺度或者揭示地理现象和过程随观测尺度变化而表现出变异性的规律（李双成等，2012）。尤其对于不同的交互耦合现象和特征，有其对应的时间、空间尺度，关注和研究与此相关问题的前提在于确定*优的时空尺度特征，使研究者所能感知到的观测尺度同城镇化与生态环境近远程交互耦合现象和过程本征尺度相匹配，以深刻认识城镇化与生态环境近远程交互耦合现象和过程的时空特性。 （一）尺度效应的基本含义 尺度特征是地理学以及生态学的核心概念之一（Gibson et al.， 2000；Wu，2004；李小文和王祎婷，2013），近年来逐渐得到城镇化与生态环境耦合研究者的关注。尺度的选择，进行不同尺度特征结果的比较和对尺度重组与地域重构的探讨对研究本身具有极其重要的意义（Taylor，2008；王丰龙和刘云刚，2015；张践祚等2016）。其深刻反映出人文地理学研究对象在格局、过程和机理的发生、响应、时空分布与交互耦合特性方面对尺度的依存性和敏感性（李双成和蔡运龙，2005；张永姣和方创琳，2015）。从基本含义出发，人文地理学中的尺度特征是自然现象、生态过程、人类事件构成的综合体在时间和空间上的表征，其本质是自然系统与经济社会现象在发生和过程背后所固有的特征或规律，一般被表述为对现实世界维度的划分（大小、范围和等级等）。根据尺度特征能否被研究者所直接感知与察觉，可将尺度的类型与特征划分为不同层次，Roland采用的三分法包括观测尺度（observational scale）、过程尺度（process scale）以及操作尺度（optional scale）（Schulze，2000），Lam和Quattrochi（2010）采用的四分法包括制图尺度或地图尺度（cartographic or map scale）、地理尺度（geographic scale）、分辨率（resolution）和运行尺度，李双成和蔡运龙（2005）则将上述类型进行整合，采用二分法初步归纳为本征尺度（intrinsic scale）和非本征尺度（non-intrinsic scale），隐含在事务内部的不宜察觉部分属于自然本质存在的本体论范畴，必须通过一定的观测手段才能够发现和揭示出来，即本征尺度范畴。 （二）城镇化与生态环境近远程耦合的空间尺度效应 空间尺度效应主要探讨某一空间尺度特征下的城镇化要素与生态环境要素在时空压缩和“流”空间作用下，通过跨越不同距离空间的运输与传导，从而对本土和异域人地系统造成的干扰与影响，主要包含以下几种空间类型（表1.1）。 表1.1 城镇化与生态环境近远程耦合中的尺度特征 在空间范围上，由于不同空间范围上的城镇化具有不同驱动因素与资源环境效应，对生态环境影响的内容与扰动程度也有所差别，因此必须基于传统划分中的全球尺度、国家尺度、省际尺度等，明确研究对象的空间范围，辨识该尺度表征下研究对象的城镇化与生态环境系统的属性特征，随后引入区域间尺度，揭示传统空间尺度难以反映的区域间要素流动带来的本土影响与异域响应。 在空间周期上，本土城镇化与生态环境交互耦合关系是研究的前提与基础，将此类过程主导的城镇化与生态环境交互耦合划分为系统内生型影响过程，定义为近程型空间周期尺度，因时空阻力对本土与异域间要素流动的要素类型、传递方式及交互机理具有显著的约束性、控制性和解释性，在空间周期上将此类过程主导的城镇化与生态环境交互耦合划分为系统外生型影响过程，定义为远程型和邻域型空间周期尺度。 在空间相关上，考虑到城镇化与生态环境系统中部分要素具有空间上的渗透、影响、扩散和传播等特征，如经济要素、社会要素、创新要素等对于空间距离有较强关联性，在交互耦合过程中具有显著的集聚与溢出效应，基于这种认识，增加空间关联型、弱关联型和随机型空间相关尺度，以表达交互耦合对于特定空间存在的附着性和依赖性特征。 （三）城镇化与生态环境近远程耦合的时间尺度效应 时间尺度效应反映了城镇化与生态环境近远程耦合现象发生的顺序性与延续性，是过程发生、发展、衰退等一系列变化的表现。 在时间长短上，由于城镇化与生态环境系统具有随时间更迭不断演化的动态特征，其内部要素在不同的历史时期或时间节点上具有不同的相互作用、循环和动力学过程，因此研究中需要根据科学问题与研究内容，选择适当的时间长度以准确刻画城镇化与生态环境系统曲折、渐进的近远程耦合过程，包含历史尺度、年际尺度和年际以下尺度。 在时间特性上，城镇化与生态环境系统部分要素具有随时间分布特性，不仅包括要素随时间的长期变化、年内季节性变化及日变化，如城镇化系统中的远程旅游要素及生态系统中的远程大气污染要素（蔺雪芹和王岱，2016；唐佳和李君轶，2016），还包括发生时间不固定，表现出偶然发生的阵发型和随机型时间特性，如“一带一路”倡议等政策的引导加速了社会要素与经济要素的流动（邹嘉龄等，2015；陈明星等，2016），包含周期型、阵发型和随机型共三类时间特性尺度。 在时间相关上，城镇化与生态环境系统部分要素同时间具有依存关系，如全社会固定资产投资对于城镇化与生态环境系统具有显著影响，因投资到发挥效应具有周期性，并且效果与时间存在正相关性。其包含依存型、弱依存型、随机型时间相关尺度。 第二节 近远程耦合关系的研究进展与总体评述 目前，国际上对城镇化与生态环境之间的近程耦合关系研究较多，对远程耦合关系的研究刚刚起步，而对近远程耦合关系的研究尚属空白。2013年Liu等首次提出了远程耦合（telecoupling）概念与研究框架（Liu et al.， 2013），集成了社会经济和环境系统跨越距离相互影响对当地人地耦合关系的影响，并提出了未来远程耦合需研究的问题，这些问题主要关于远程耦合系统的主控因素、机理及动态演变过程。接着，Liu等（2015）在Science发文将远程耦合归为全球可持续发展中的系统集成研究方法，体现了远程耦合研究在未来城市可持续发展研究中的重要性，构建了多尺度耦合模式，强调了远程耦合研究需关注多尺度空间中系统间的对比研究。远程要素的研究主要集中在土地资源（Eakin et al.， 2014）、水资源（Deines et al.， 2016）、能源、食物等方面，如Liu等（2015）认为发展中国家利用本地廉价生态资源将原材料和制成品出口到发达国家的过程增加了本地人类活动对环境的刺激性，将会导致社会不稳定和供当地人生活的生态环境系统服务发生退化。Fang等（2016）通过远程耦合框架构建了能源系统远程耦合分析系统，分析了中国和欧洲国家间的太阳能源交易对双方人地耦合系统带来的影响，认为这种远程耦合过程将导致中国就业率和税收的上升，但也会造成潜在的污染物和温室气体排放量上升，对于欧洲国家，将会减少城市“热岛”效应和二氧化碳排放。由以上分析可发现，以某一个远程要素（水、土、能源、食物等）为切入点，分析城镇化与生态环境之间的远程耦合关系，提出远程耦合模式，进一步上升为从尺度耦合角度分析城镇化与生态环境之间的近远程耦合关系，提出近远程耦合模式，是未来研究的主要方向。 一、城镇化与生态环境近远程耦合关系的理论进展评述 如今，在经济全球化蓬勃发展的潮流下，食品流、资源流、人口流和信息流具有多尺度形式的跨空间距离式流动