城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)相互作用動(dòng)力機(jī)制研究

城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)相互作用動(dòng)力機(jī)制研究

城市與農(nóng)村地區(qū)的聯(lián)系是由相互關(guān)聯(lián)的城市和農(nóng)村系統(tǒng)共同構(gòu)建的具有特定功能的動(dòng)態(tài)關(guān)系。該地域?yàn)槌青l(xiāng)系統(tǒng)交互作用地區(qū),異質(zhì)地域間雙向侵入與滲透的場所,亦是城市化最直接、最敏感的地帶,經(jīng)濟(jì)發(fā)展最具彈性、潛力的地域。在當(dāng)前城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、建設(shè)新農(nóng)村背景下,如何避免城市過度蔓延、創(chuàng)建節(jié)約型城市增長模式已成為國家“十一五”期間城市化發(fā)展關(guān)鍵問題。而城鄉(xiāng)耦合地域連城帶鄉(xiāng)是城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的關(guān)鍵地域,本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,把城鄉(xiāng)作為二個(gè)開放的地域系統(tǒng),通過對它們相互作用現(xiàn)象研究,構(gòu)建城鄉(xiāng)雙系統(tǒng)非線性耦合動(dòng)力模型,以揭示系統(tǒng)各要素在城鄉(xiāng)耦合界面上互相作用的機(jī)理、過程,并通過耦合度辨析二個(gè)系統(tǒng)作用程度。最后以南京為例進(jìn)行實(shí)證分析,旨在豐富新型城鄉(xiāng)耦合地域空間發(fā)展建設(shè)的參考體系。1國內(nèi)城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)研究現(xiàn)狀20世紀(jì)20年代Bertalanffy建立一般系統(tǒng)論的早期框架,基于對開放系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用的考慮,其認(rèn)為復(fù)雜系統(tǒng)總顯示其終極性以及維持穩(wěn)態(tài)的傾向性,即系統(tǒng)的目的性;此后,Prigogine.L創(chuàng)立耗散結(jié)構(gòu)學(xué)說,強(qiáng)調(diào)非平衡動(dòng)力作用下的有序性;Haken.H通過系統(tǒng)自組織過程的研究,認(rèn)為子系統(tǒng)間的相互協(xié)同(耦合)導(dǎo)致宏觀的空間或時(shí)間有序結(jié)構(gòu);Eigen.M把控制論中的巨系統(tǒng)理論應(yīng)用于機(jī)體自組織建立超循環(huán)理論。至此,現(xiàn)代系統(tǒng)理論體系得以基本形成,它們共同揭示了系統(tǒng)的形成、生長、運(yùn)行、維持、衰老、解體以及從一種結(jié)構(gòu)向另一種結(jié)構(gòu)、從低層次向高層次進(jìn)化。系統(tǒng)科學(xué)與包括地學(xué)在內(nèi)的自然科學(xué)的結(jié)合促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。1980年代末,錢學(xué)森關(guān)于建立系統(tǒng)科學(xué)體系的思想推動(dòng)了我國系統(tǒng)研究的浪潮。城鄉(xiāng)之間過渡地區(qū)的演進(jìn)過程在特定空間尺度上有其自身的系統(tǒng)架構(gòu),國內(nèi)外學(xué)者對此亦有所研究。城市空間的擴(kuò)展呈現(xiàn)加速—減速—靜止—加速……,以維持穩(wěn)態(tài)及高級有序的周期性,具體表現(xiàn)在:加速期城市多沿交通干線呈放射狀快速發(fā)展,土地流轉(zhuǎn)規(guī)模大、速度快,城市因子作用主導(dǎo)該階段活動(dòng);減速期,城市擴(kuò)展呈環(huán)狀推進(jìn),城市作用力與鄉(xiāng)村作用力進(jìn)入均衡狀態(tài);靜止期,鄉(xiāng)村作用力十分明顯,城市邊緣區(qū)地域范圍固定,進(jìn)入內(nèi)部整合階段。類似地,EricksonRA將城市空間結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展劃分為外溢、分散、填充三階段,并認(rèn)為整個(gè)擴(kuò)展周期的運(yùn)動(dòng)完全取決于中心城市社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及能量的集聚。楊吾揚(yáng)亦歸納出城市空間結(jié)構(gòu)演變的三種類型并藉潛力模型對其進(jìn)行了描述。在城市空間擴(kuò)展過程中,城市因經(jīng)濟(jì)、人口、文化的集聚而成為創(chuàng)新的源地且迅速成長,并以其城市職能與周圍鄉(xiāng)村之間形成“城市勢差”,從而使城市職能向周圍鄉(xiāng)村地域產(chǎn)生擴(kuò)散的趨勢,鄉(xiāng)村則充當(dāng)著被侵入、被構(gòu)建的對象,其實(shí)質(zhì)是城市周圍的鄉(xiāng)村地域受到城市膨脹的影響,向城鄉(xiāng)共軛地域變化的過程。同時(shí)鄉(xiāng)村系統(tǒng)演變態(tài)勢還反饋于城市系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。城鄉(xiāng)耦合地域物質(zhì)形態(tài)及其空間結(jié)構(gòu)的變化不外乎經(jīng)濟(jì)、交通、社會、環(huán)境以及政府決策等因子的作用。此外,另有學(xué)者將城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)的傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)研究與城市建設(shè)周期、地租理論及社會變革等三因子聯(lián)系起來探討城鄉(xiāng)邊緣帶的空間結(jié)構(gòu)及其演變機(jī)制。綜合諸多學(xué)者的研究成果得出,經(jīng)濟(jì)、自然、技術(shù)、區(qū)位、土地市場、規(guī)劃與政治力量、文化心理與行為模式影響著城市耦合地域空間結(jié)構(gòu)演變。近年來,國內(nèi)一批學(xué)者進(jìn)一步探討了市場機(jī)制、社會空間結(jié)構(gòu)、政治體制以及商業(yè)功能區(qū)和交通網(wǎng)絡(luò)的演化對城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)空間拓展及其趨勢的影響[20,21,22,23,24,25,26]。綜上所述,相關(guān)學(xué)者的研究使得城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)演變機(jī)理得以明晰,為本研究提供了可操作前提及理論基礎(chǔ)。城市—鄉(xiāng)村雙系統(tǒng)在時(shí)空、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、體制等方面關(guān)聯(lián)關(guān)系成為城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)空間擴(kuò)展的關(guān)鍵。如何度量城市與鄉(xiāng)村二者的關(guān)聯(lián)程度以及構(gòu)建城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)動(dòng)力模式,使共軛場域?qū)崿F(xiàn)有序的科學(xué)發(fā)展是當(dāng)前學(xué)術(shù)界面臨的重要課題之一。2城市和農(nóng)村地區(qū)一體化的非線性動(dòng)力學(xué)模型建設(shè)2.1變量的數(shù)學(xué)模型城市與鄉(xiāng)村均屬復(fù)雜性巨系統(tǒng),其空間演變遵循非線性動(dòng)力學(xué)模式,通過建立非線性動(dòng)力學(xué)模型可較為逼真地描述客觀事實(shí)。按照城鄉(xiāng)二者空間演變特性,其擴(kuò)展模型表達(dá)如下:dXdt=f(x1,x2,\:,xn);(1)dXdt=f(x1,x2,\:,xn);(1)其中xi為系統(tǒng)影響因子,n為系統(tǒng)影響因子數(shù),f為xi的非線性函數(shù)。依據(jù)非線性系統(tǒng)可觀與穩(wěn)定性原則,可將上述概念模型按泰勒級數(shù)近似展開,保留若干二次項(xiàng)以反映系統(tǒng)某因子的擾動(dòng),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為城鄉(xiāng)雙系統(tǒng)在內(nèi)外因子作用下的演化狀態(tài),x,y分別表示城鄉(xiāng)雙系統(tǒng)演變影響因子;p,q則為各因子所占權(quán)重。根據(jù)公式(1)和(2),城市與鄉(xiāng)村之間相互依賴、相互制約,兩復(fù)雜系統(tǒng)的擴(kuò)展方程可表達(dá)為: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)式可進(jìn)一步表達(dá)二者在協(xié)同機(jī)制下的城市擴(kuò)展侵蝕度與鄉(xiāng)村影響度:VU=dUdt;VR=dRdt;(4)VU=dUdt;VR=dRdt;(4)式中,VU與VR分別是指城市擴(kuò)展侵蝕度和鄉(xiāng)村影響度,即城市建成區(qū)向外擴(kuò)展速率以及對鄉(xiāng)村系統(tǒng)的影響程度;鄉(xiāng)村空間演變速率及其反饋影響程度。就城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)而言,VU與VR的變化導(dǎo)致其空間測度的改變,所以城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)演變過程?可看作VU與VR的函數(shù),即?=f(VU,VR)。由于VU,VR為耦合地域系統(tǒng)的控制變量,因而通過探討城鄉(xiāng)雙系統(tǒng)演變速率可研究城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)的復(fù)雜態(tài)勢。城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿碜杂诔鞘谢?城市化發(fā)展階段呈現(xiàn)倒S形。因此,根據(jù)幾何特性可建立變量?的數(shù)學(xué)模型,即?=arctg(VU/VR)+c(5)?=arctg(VU/VR)+c(5)c為一常數(shù),以期保證(5)式方程線形位于坐標(biāo)系的一、二象限。?就是城鄉(xiāng)作用耦合度即城市鄉(xiāng)村雙系統(tǒng)之間相互作用(或聯(lián)系)的緊密程度,它揭示系統(tǒng)各要素在城鄉(xiāng)耦合界面上互相切入的過程,并可間接地反映雙系統(tǒng)作用范圍。2.2城鄉(xiāng)耦合期2000的演化特征根據(jù)耦合度?的值域及系統(tǒng)演化狀態(tài)變量U和R,可確定城鄉(xiāng)耦合動(dòng)力系統(tǒng)的演化態(tài)勢。利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件包對概念模型進(jìn)行仿真模擬,得出城鄉(xiāng)雙系統(tǒng)及耦合系統(tǒng)演化狀態(tài),如圖1所示。其中VU表示城市空間擴(kuò)展速率曲線;VR為鄉(xiāng)村演變的速率曲線,其在城鄉(xiāng)系統(tǒng)中與前者呈反相;?為二者關(guān)聯(lián)程度曲線;VC表示城鄉(xiāng)勢差。(1)t?∈(0,t1)時(shí),由于城市與鄉(xiāng)村空間形態(tài)演變處于低水平階段,二者之間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng),即城鄉(xiāng)耦合度較弱,此種狀態(tài)對應(yīng)于城市形成的萌芽階段。(2)t?∈(t1,t2)時(shí),城市耦合地域系統(tǒng)進(jìn)入加速增長時(shí)期。由于城市影響力的外溢及鄉(xiāng)村活動(dòng)空間的相對收縮,耦合地域空間范圍進(jìn)入快速延展期,即對應(yīng)著Conzen城市增長循環(huán)周期的第一波段。(3)t?∈(t2,t3),城市的空間無序蔓延在系統(tǒng)客觀規(guī)律作用下不可能無休止地發(fā)展下去。城市前期盲目擴(kuò)張遺留的諸多問題逐漸顯現(xiàn),加之政府政策及農(nóng)民對土地等資源的基本需求,該階段耦合地域系統(tǒng)的擴(kuò)展速度呈現(xiàn)頹勢,演變進(jìn)入減速期。(4)t?∈(t3,∞)時(shí),系統(tǒng)演變趨向平衡,城市的侵蝕度與鄉(xiāng)村的影響度表現(xiàn)為相對的穩(wěn)定性。這一時(shí)期,城鄉(xiāng)演變追求的不再是發(fā)展空間的掠奪,更為重要的在于自組織能力的增強(qiáng)及本身質(zhì)的提高。之后,城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)的演化將進(jìn)入新一輪的循環(huán)周期。3分析南京城鄉(xiāng)合作區(qū)空間擴(kuò)張趨勢3.1空間擴(kuò)展主要影響因子通過上述分析,城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)空間擴(kuò)展作用因子紛繁而復(fù)雜,本文以南京市為例,著眼于經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境、交通因子等4個(gè)一類指標(biāo),在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步選擇資產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)當(dāng)量、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、城市固定資產(chǎn)額、環(huán)境承載以及城市基礎(chǔ)設(shè)施投資力度等28個(gè)次級指標(biāo),運(yùn)用主成分分析法提取若干主因子以模擬城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)演變態(tài)勢,以期把握其發(fā)展規(guī)律。通過數(shù)據(jù)的采集與處理(表1,表2),得出城市與鄉(xiāng)村系統(tǒng)空間擴(kuò)展主要影響因子之間存在差異。就城市而言,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與其空間擴(kuò)展呈現(xiàn)最大關(guān)聯(lián)性;社會協(xié)調(diào)程度表現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān);資源設(shè)施配給率位居第三;環(huán)境負(fù)反饋機(jī)制作用的貢獻(xiàn)較弱,說明環(huán)境變化對城市擴(kuò)展的作用在于擾動(dòng)。對于鄉(xiāng)村,影響其空間演變的第一主因子為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平;城鄉(xiāng)聯(lián)系程度次之;資源稟賦位其后;環(huán)境響應(yīng)強(qiáng)度處于第四位,體現(xiàn)出擾動(dòng)性。從而可得耦合度方程:?=arctgVUVR=arctg(0.207x1+0.195x2+0.460x3?0.311x4^2)(0.723y1+1.602y2+1.220y3?0.576y4^2)(6)?=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為雙系統(tǒng)主因子,n=1,2,3,4。采用(6)式可計(jì)算南京市城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)自1949—2004年期間的雙系統(tǒng)空間擴(kuò)展速率及二者的耦合度(表3)。3.2第二周期:20世紀(jì)20年代初期國家政策影響下的南京城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)向外擴(kuò)張的態(tài)勢根據(jù)表3,繪出南京市城鄉(xiāng)雙系統(tǒng)空間演變與耦合度關(guān)聯(lián)曲線(圖2)。1949年以來,南京市城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)空間相互作用經(jīng)歷兩個(gè)循環(huán)周期而今正處于加速擴(kuò)張的第三階段:第一周期(1949—1970年),城市影響要素外溢,耦合地域空間以較快速度拓展。究其原因,主要在于建國后的經(jīng)濟(jì)復(fù)興與社會協(xié)調(diào),后期耦合度的降低則源于特殊階段國家政策的影響。第二周期(1970—1992年),1970年代初期國家關(guān)于城市發(fā)展導(dǎo)向的側(cè)重以及經(jīng)濟(jì)的逐步穩(wěn)定性等原因帶來了南京城鄉(xiāng)耦合地域系統(tǒng)向外擴(kuò)張的新階段,其形勢延續(xù)到1980年代末,而此后的滑坡趨勢與國家在這一時(shí)期實(shí)行的經(jīng)濟(jì)體制改革有較大的相關(guān)性;目前該地域的空間擴(kuò)展正處于第三次城鄉(xiāng)互動(dòng)的加速發(fā)展時(shí)期。同時(shí)發(fā)現(xiàn),城市耦合度曲線在新世紀(jì)伊始亦跨越拐點(diǎn),說明在之后的一段時(shí)期,由于前期耦合地域的急速擴(kuò)展遺留的諸多問題逐步顯現(xiàn)以及環(huán)境等制約因子的擾動(dòng),耦合地域