城市化与生态环境交互耦合系统的基本定律_方创琳

图 2）。
随机涨落
超熵产生
耦合效应
图 1 城市化与生态环境交互耦合的超熵过程 Fig.1 Hyper-entropy process of the interactive coupling
between urbanization and ecological environment
δxp
渐进耦合态
临界耦合态 0
不持续的非 耦合态
7
<0
8
<0
>0
>0
<1
经济可持续 耦合态
>0
>0
>1
经济可持续 耦合态
收稿日期：2005-08-23； 修订日期：2005-11-17． 基金项目：国家自然科学基金重点项目（40335049）、国家自然科学基金项目（40471059）资助． 作者简介：方创琳（1966-），男，甘肃庆阳市人，博士，研究员，博士生导师．近年来主要从事城市与区域规划等方面的研究．010-64889301，
（2）涨落形成过程的随机性决定了城市化与 生态环境之间耦合方向的偶然性。由于城市化与生 态环境耦合系统内每一个子系统或每一个要素的 运动本质上都是随机的，不可能从原 则上完全预 言。在某一特定的时刻，系统在所有形成的数目惊 人的涨落类型中，实际上恰好形成这种或那种特定 类型的涨落只具有概率的确定性，这就决定了城市 化与生态环境耦合系统演化的方向不可能纯属必 然，而是带有偶然性。正如普利高津指出的“系统 进化的最终状态决定于微小涨落产生的几率，在这 种意义上，演变变成为一个随机的过程了”[5]。
2 动态层级律
城市化对生态环境的需求度是生态系统平衡
与否的“感应器”。从理论上分析，生态环境对城市 化需求度的满足程度可以分为“满足”、“较满足”、 “基本满足”、“弱满足”和“不满足”五个层面，对应 的城市化因子与生态环境因子的耦合态可分为强 耦合态—较强耦合态—中等耦合态—较弱耦合态 —弱耦合态五个层次, 对应的城市化与生态环境因 子之间耦合态的评估分级依次可分为优态—良态 —中等态—可态—劣态，其发展态势依次为强可持 续—较强可持续—准可持续—弱可持续—不可持 续五种发展趋势，如表 2 所示。在世界各国都把经 济增长摆在第一位的条件下，如果把一些国家的环 境损害值与环保费一并从该国同期国民生产总值 (GNP)中减去，所得到的国民净产值(NNP)就大打折 扣，即其以巨大的生态成本为代价换来的只是经济 的低增长和城市化水平的提高，其中还不包括生态 环境污染对人类机体健康造成的潜在危害。
系统，其演变的重要机制是偶然性的随机涨落（见
图 1）。涨落的产生与放大取决于耦合系统熵的二阶
超量的贡献，即系统的超熵产生：
δ xp = d (1 δ 2S) ,
(1)
dt 2
1期
方创琳等：城市化与生态环境交互耦合系统的基本定律
3
式中，δ 2 S 可看作是描述耦合系统微分方程的
李 雅 普 诺 夫 函 数 [4] 。 由 局 域 平 衡 假 设 ， 恒 有
（3）几个涨落的合作与竞争，导致了城市化 与生态环境耦合系统进化过程的复杂性。 对于城 市化与生态环境耦合系统的进化来说，能被放大的 涨落往往不是一个，而是一个以上。在这种情况下， 系统进化最终出现哪一种特定的有序结构和耦合 态，由这几个涨落间的合作和竞争结果来决定。在 合作与竞争过程中，随着某一参量达到新的临界 值，合作基础不复存在，竞争机制不断加强，具有 旺盛生命力和远大发展前途的涨落在竞争中获胜， 单独主宰整个系统的有序结构和耦合方向。这无疑 加大了城市化与生态环境耦合系统进化的复杂性。
的、具有非线性相互作用和自组织能力的动态涨落系统，称其为城市化与生态环境交互耦合系统。根据耗散结构
理论和生态需要定律理论，从理论上分析了城市化与生态环境交互耦合系统满足的六大基本定律，即耦合裂变律，
动态层级律，随机涨落律，非线性协同律，阈值律和预警律，这六大定律是研究分析城市化与生态环境交互耦合
过程必须遵循的基本定律。对系统揭示城市化过程与生态环境演变过程之间的交互胁迫和动态耦合关系具有重要
环境耦合的 化需求度的满足 方向
的耦合程度
方向 因子之间耦合态的 方向
发展态势评估
方向
层级
程度
评估
第一层级
满足
强耦合态
优态
强可持续
第二层级
较满足
较强耦合态
良态
较强可持续
第三层级
基本满足
中等耦合态
中等态
准可持续
第四层级
弱满足
较弱耦合态
可态
弱可持续
第五层级
不满足
弱耦合态
劣态
不可持续
3 随机涨落律
按照耗散结构理论，城市化与生态环境交互耦 合过程是一个动态涨落过程。这种过程的时间组织 性决定了二者交互耦合过程是一个演变着的动态
E-mail：fangcl@．
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干旱区地理
29 卷
既然城市化对生态环境的需求度是人类及城 市化过程对生态环境状况所产生的一种主客观统 一的动态程度，那么，生态环境因子与城市化因子 的耦合态就极为关键。在产业革命以前，自然生态 系统处于平衡状态，人类仅作为生态环境因子的部 分存在于“生态链”的某个环节，不但生态环境承载 力远远大于人口总需求和城市化总需求，而且人类 的农牧活动对生态环境的扰动力也远远低于生态 环境的自净力，生态环境因子处于天然和谐有序的 “低级耦合态”，城市化对生态环境的需求度为“原始 的高限”。产业革命以后，人类在社会化大生产中 明显地从自然生态系统中“再次异化”，使社会生产 技术体系由工业生产技术体系代替了农业生产技 术体系，把人类改造、征服、掠夺自然推向人与自 然严重对立的状态，城市急剧膨胀，城市化进程急 速加快，导致城市化与生态环境因子的耦合稳态结 构产生史无前例的裂变。这不仅使生态环境因子的 个量水平极度锐降，更使生态环境因子系统的总 量、流量发生加速变化，进而出现生态链的因子间 “断链现象”。总之，生态环境因子的局部耦合态导 致生态环境的总供给客观上逐渐小于城市化对生 态环境的总需求，且城市化的这种需求正因人口爆 炸而膨胀，与生态环境总供给随生态因子断链而萎 缩呈反向运动。可见，耦合裂变律是驱动城市化与 生态环境之间交互耦合的第一定律。
为清晰起见，假设社会因素保持不变，只探讨 城市化过程与生态环境因素和经济因素相互作用 产生的各种耦合关系。令 ve 表示由于资源开发利用 而促进的经济变化率，vb 表示资源开发利用和经济 发展引发的生态环境质量改善变化率，vu 表示城市 化水平变化率。则三者交互耦合的 8 种类型见表 1。
表 1 城市化过程与生态环境及经济变化交
非耦合态
t t0
图 2 城市化与生态环境交互耦合的涨落过程 Fig. 2 Fluctuation process of the interactive coupling between
urbanization and ecological environment
与此同时，由于城市化与生态环境耦合系统具 有等级性和包容性的特点，一个有限大小的耦合系 统的生态环境要素总处在不停地随机变动之中，从 而形成对耦合系统宏观状态的各种随机扰动，即城 市化与生态环境耦合系统的“外部涨落”。城市化与
生态环境耦合系统的内涨落与外涨落互相叠加、同 步和共振，造成系统涨落特性的复杂性，构成了其 本身形成耗散结构的触发机和破旧立新达到有序 结构的先行官。进而加剧了城市化与生态环境耦合 系统演化规律的复杂性。具体表现为：
（1）众多涨落的并存决定了城市化与生态环 境耦合系统的协同进化是个由生态环境选择的过 程。对于在具体时空条件下的城市化过程和生态环 境进化过程来说，城市化与生态环境之间耦合态的 形成，并非耦合过程中的任何一个涨落放大而来。 实际上能成为一次具体耦合内部根据的，只是众多 涨落中某一个或很少的几个，其余的只能被淘汰。 具体哪个涨落被放大或淘汰，归根到底由生态环境 选择决定。环境在众多同时并存的涨落中选择某一 个或少数几个与自身产生的“外涨落”步调一致的涨 落，将其放大并稳定下来形成新的有序结构，即新 的高级耦合态，从而决定了城市化与生态环境交互 耦合的方向。
经济增长变 化率（ve）
城市化水平 （ve / vb）/ 变化率（vu） vu
耦合结 果与状态
1
>0
>0
>0
>1
经济型强可 持续耦合态
2
>0
>0
>0
<1
生态型强可 持续耦合态
3
>0
4
>0
5
<0
<0
<0
<1
生态可持续 耦合态
<0
<0
>1
生态可持续 耦合态
<0
<0
>1
不持续的非 耦合态
6
<0
<0
<0
<1
的理论指导意义。
关 键 词：城市化 生态环境 交互耦合系统 基本定律
中国分类号：X171
文献标识码：A
文章编号：1000-6060(2006)01-0001-08
城市化与生态环境之间存在着客观的动态耦 合关系，一方面城市化进程的加快必然会引起干旱 区周围生态环境的变化，这种变化在城市化发展初 期体现为生态环境的恶化，在城市化发展的中后期 则表现为生态环境的良化；另一方面，生态环境的 变化必然引起城市化水平的变化，这种变化表现为 当生态环境改善时可促进城市化水平的提高和城 市化进程的加快，当生态环境恶化时则限制或遏制 城市化进程。可见，城市化与生态环境之间客观上 存在着极其复杂的交互耦合关系。根据耗散结构理 论和生态需要定律理论[1~2]，城市化与生态环境之 间的交互耦合关系可以看作是一个开放的、非平衡 的、具有非线性相互作用和自组织能力的动态涨落 系统[3]，我们称其为城市化与生态环境交互耦合系 统。从理论上分析，这种耦合系统满足耦合裂变律， 动态层级律，随机涨落律，非线性协同律，阈值律 和预警律，这六大定律是城市化与生态环境交互耦 合过程必须遵循的基本定律。