城乡耦合地域系统相互作用动力机制研究

城乡耦合地域系统相互作用动力机制研究

城市与农村地区的联系是由相互关联的城市和农村系统共同构建的具有特定功能的动态关系。该地域为城乡系统交互作用地区,异质地域间双向侵入与渗透的场所,亦是城市化最直接、最敏感的地带,经济发展最具弹性、潜力的地域。在当前城乡统筹、建设新农村背景下,如何避免城市过度蔓延、创建节约型城市增长模式已成为国家“十一五”期间城市化发展关键问题。而城乡耦合地域连城带乡是城乡统筹发展的关键地域,本文在总结前人研究的基础上,把城乡作为二个开放的地域系统,通过对它们相互作用现象研究,构建城乡双系统非线性耦合动力模型,以揭示系统各要素在城乡耦合界面上互相作用的机理、过程,并通过耦合度辨析二个系统作用程度。最后以南京为例进行实证分析,旨在丰富新型城乡耦合地域空间发展建设的参考体系。1国内城乡耦合地域系统研究现状20世纪20年代Bertalanffy建立一般系统论的早期框架,基于对开放系统与环境的相互作用的考虑,其认为复杂系统总显示其终极性以及维持稳态的倾向性,即系统的目的性;此后,Prigogine.L创立耗散结构学说,强调非平衡动力作用下的有序性;Haken.H通过系统自组织过程的研究,认为子系统间的相互协同(耦合)导致宏观的空间或时间有序结构;Eigen.M把控制论中的巨系统理论应用于机体自组织建立超循环理论。至此,现代系统理论体系得以基本形成,它们共同揭示了系统的形成、生长、运行、维持、衰老、解体以及从一种结构向另一种结构、从低层次向高层次进化。系统科学与包括地学在内的自然科学的结合促进了相关领域的发展。1980年代末,钱学森关于建立系统科学体系的思想推动了我国系统研究的浪潮。城乡之间过渡地区的演进过程在特定空间尺度上有其自身的系统架构,国内外学者对此亦有所研究。城市空间的扩展呈现加速—减速—静止—加速……,以维持稳态及高级有序的周期性,具体表现在:加速期城市多沿交通干线呈放射状快速发展,土地流转规模大、速度快,城市因子作用主导该阶段活动;减速期,城市扩展呈环状推进,城市作用力与乡村作用力进入均衡状态;静止期,乡村作用力十分明显,城市边缘区地域范围固定,进入内部整合阶段。类似地,EricksonRA将城市空间结构的扩展划分为外溢、分散、填充三阶段,并认为整个扩展周期的运动完全取决于中心城市社会、经济发展及能量的集聚。杨吾扬亦归纳出城市空间结构演变的三种类型并藉潜力模型对其进行了描述。在城市空间扩展过程中,城市因经济、人口、文化的集聚而成为创新的源地且迅速成长,并以其城市职能与周围乡村之间形成“城市势差”,从而使城市职能向周围乡村地域产生扩散的趋势,乡村则充当着被侵入、被构建的对象,其实质是城市周围的乡村地域受到城市膨胀的影响,向城乡共轭地域变化的过程。同时乡村系统演变态势还反馈于城市系统的发展状态。城乡耦合地域物质形态及其空间结构的变化不外乎经济、交通、社会、环境以及政府决策等因子的作用。此外,另有学者将城乡耦合地域系统的传统形态学研究与城市建设周期、地租理论及社会变革等三因子联系起来探讨城乡边缘带的空间结构及其演变机制。综合诸多学者的研究成果得出,经济、自然、技术、区位、土地市场、规划与政治力量、文化心理与行为模式影响着城市耦合地域空间结构演变。近年来,国内一批学者进一步探讨了市场机制、社会空间结构、政治体制以及商业功能区和交通网络的演化对城乡耦合地域系统空间拓展及其趋势的影响[20,21,22,23,24,25,26]。综上所述,相关学者的研究使得城乡耦合地域系统演变机理得以明晰,为本研究提供了可操作前提及理论基础。城市—乡村双系统在时空、经济、环境、体制等方面关联关系成为城乡耦合地域系统空间扩展的关键。如何度量城市与乡村二者的关联程度以及构建城乡耦合地域系统动力模式,使共轭场域实现有序的科学发展是当前学术界面临的重要课题之一。2城市和农村地区一体化的非线性动力学模型建设2.1变量的数学模型城市与乡村均属复杂性巨系统,其空间演变遵循非线性动力学模式,通过建立非线性动力学模型可较为逼真地描述客观事实。按照城乡二者空间演变特性,其扩展模型表达如下:dXdt=f(x1,x2,\:,xn);(1)dXdt=f(x1,x2,\:,xn);(1)其中xi为系统影响因子,n为系统影响因子数,f为xi的非线性函数。依据非线性系统可观与稳定性原则,可将上述概念模型按泰勒级数近似展开,保留若干二次项以反映系统某因子的扰动,由此得其近似表述:f(U)=∑i=1npixki;k=1or2;i=1,2,\:,n;f(R)=∑j=1nqjylj;l=1or2;j=1,2,\:,n;(2)f(U)=∑i=1npixik;k=1or2;i=1,2,\:,n;f(R)=∑j=1nqjyjl;l=1or2;j=1,2,\:,n;(2)上式中,U,R为城乡双系统在内外因子作用下的演化状态,x,y分别表示城乡双系统演变影响因子;p,q则为各因子所占权重。根据公式(1)和(2),城市与乡村之间相互依赖、相互制约,两复杂系统的扩展方程可表达为:U=df(U)dt=α1f(U)+α2f(R);R=df(R)dt=β1f(R)+β2f(U);(3)U=df(U)dt=α1f(U)+α2f(R);R=df(R)dt=β1f(R)+β2f(U);(3)利用(3)式可进一步表达二者在协同机制下的城市扩展侵蚀度与乡村影响度:VU=dUdt;VR=dRdt;(4)VU=dUdt;VR=dRdt;(4)式中,VU与VR分别是指城市扩展侵蚀度和乡村影响度,即城市建成区向外扩展速率以及对乡村系统的影响程度;乡村空间演变速率及其反馈影响程度。就城乡耦合地域系统而言,VU与VR的变化导致其空间测度的改变,所以城乡耦合地域系统演变过程ϕ可看作VU与VR的函数,即ϕ=f(VU,VR)。由于VU,VR为耦合地域系统的控制变量,因而通过探讨城乡双系统演变速率可研究城乡耦合地域系统的复杂态势。城乡耦合地域系统的主要动力来自于城市化,城市化发展阶段呈现倒S形。因此,根据几何特性可建立变量ϕ的数学模型,即ϕ=arctg(VU/VR)+c(5)ϕ=arctg(VU/VR)+c(5)c为一常数,以期保证(5)式方程线形位于坐标系的一、二象限。ϕ就是城乡作用耦合度即城市乡村双系统之间相互作用(或联系)的紧密程度,它揭示系统各要素在城乡耦合界面上互相切入的过程,并可间接地反映双系统作用范围。2.2城乡耦合期2000的演化特征根据耦合度ϕ的值域及系统演化状态变量U和R,可确定城乡耦合动力系统的演化态势。利用MATLAB数学软件包对概念模型进行仿真模拟,得出城乡双系统及耦合系统演化状态,如图1所示。其中VU表示城市空间扩展速率曲线;VR为乡村演变的速率曲线,其在城乡系统中与前者呈反相;ϕ为二者关联程度曲线;VC表示城乡势差。(1)tϕ∈(0,t1)时,由于城市与乡村空间形态演变处于低水平阶段,二者之间关联性不强,即城乡耦合度较弱,此种状态对应于城市形成的萌芽阶段。(2)tϕ∈(t1,t2)时,城市耦合地域系统进入加速增长时期。由于城市影响力的外溢及乡村活动空间的相对收缩,耦合地域空间范围进入快速延展期,即对应着Conzen城市增长循环周期的第一波段。(3)tϕ∈(t2,t3),城市的空间无序蔓延在系统客观规律作用下不可能无休止地发展下去。城市前期盲目扩张遗留的诸多问题逐渐显现,加之政府政策及农民对土地等资源的基本需求,该阶段耦合地域系统的扩展速度呈现颓势,演变进入减速期。(4)tϕ∈(t3,∞)时,系统演变趋向平衡,城市的侵蚀度与乡村的影响度表现为相对的稳定性。这一时期,城乡演变追求的不再是发展空间的掠夺,更为重要的在于自组织能力的增强及本身质的提高。之后,城乡耦合地域系统的演化将进入新一轮的循环周期。3分析南京城乡合作区空间扩张趋势3.1空间扩展主要影响因子通过上述分析,城乡耦合地域系统空间扩展作用因子纷繁而复杂,本文以南京市为例,着眼于经济、社会、环境、交通因子等4个一类指标,在此基础上进一步选择资产规模、经济当量、人均地区生产总值、城市固定资产额、环境承载以及城市基础设施投资力度等28个次级指标,运用主成分分析法提取若干主因子以模拟城乡耦合地域系统演变态势,以期把握其发展规律。通过数据的采集与处理(表1,表2),得出城市与乡村系统空间扩展主要影响因子之间存在差异。就城市而言,经济发展水平与其空间扩展呈现最大关联性;社会协调程度表现较强相关;资源设施配给率位居第三;环境负反馈机制作用的贡献较弱,说明环境变化对城市扩展的作用在于扰动。对于乡村,影响其空间演变的第一主因子为农业经济发展水平;城乡联系程度次之;资源禀赋位其后;环境响应强度处于第四位,体现出扰动性。从而可得耦合度方程:ϕ=arctgVUVR=arctg(0.207x1+0.195x2+0.460x3−0.311x4^2)(0.723y1+1.602y2+1.220y3−0.576y4^2)(6)ϕ=arctgVUVR=arctg(0.207x1+0.195x2+0.460x3-0.311x4^2)(0.723y1+1.602y2+1.220y3-0.576y4^2)(6)其中,xn,yn为双系统主因子,n=1,2,3,4。采用(6)式可计算南京市城乡耦合地域系统自1949—2004年期间的双系统空间扩展速率及二者的耦合度(表3)。3.2第二周期:20世纪20年代初期国家政策影响下的南京城乡耦合地域系统向外扩张的态势根据表3,绘出南京市城乡双系统空间演变与耦合度关联曲线(图2)。1949年以来,南京市城乡耦合地域系统空间相互作用经历两个循环周期而今正处于加速扩张的第三阶段:第一周期(1949—1970年),城市影响要素外溢,耦合地域空间以较快速度拓展。究其原因,主要在于建国后的经济复兴与社会协调,后期耦合度的降低则源于特殊阶段国家政策的影响。第二周期(1970—1992年),1970年代初期国家关于城市发展导向的侧重以及经济的逐步稳定性等原因带来了南京城乡耦合地域系统向外扩张的新阶段,其形势延续到1980年代末,而此后的滑坡趋势与国家在这一时期实行的经济体制改革有较大的相关性;目前该地域的空间扩展正处于第三次城乡互动的加速发展时期。同时发现,城市耦合度曲线在新世纪伊始亦跨越拐点,说明在之后的一段时期,由于前期耦合地域的急速扩展遗留的诸多问题逐步显现以及环境等制约因子的扰动,耦合地域