城镇化与生态环境“耦合魔方”的基本概念及框架

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刘海猛¹^,², 方创琳¹^,², 李咏红³1. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101
2. 中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049
3. 北京东方园林环境公司水生态研究所,北京 100015

The Coupled Human and Natural Cube: A conceptual framework for analyzing urbanization and eco-environment interactions

LIU Haimeng¹^,², FANG Chuanglin¹^,², LI Yonghong³1. Key Laboratory of Regional Sustainable Development Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. Institute of Water Ecology, Beijing Orient Landscape & Environment Co., Ltd., Beijing 100015, China;

收稿日期:2018-06-7修回日期:2019-02-20网络出版日期:2019-08-25

基金资助:

国家自然科学基金项目.41590842
国家自然科学基金项目.41801164
中国博士后科学基金项目.2018M630196
中国博士后科学基金项目.2019T120129

Received:2018-06-7Revised:2019-02-20Online:2019-08-25

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China.41590842
National Natural Science Foundation of China.41801164
China Postdoctoral Science Foundation.2018M630196
China Postdoctoral Science Foundation.2019T120129

作者简介 About authors
刘海猛(1989-),男,山东淄博人,博士后,主要从事城市化与生态环境耦合研究E-mail:haimengliu@163.com。

摘要
城镇化与生态环境耦合系统是人地关系地域系统的重要一环,面对新时代全球尺度的远程联系、时空压缩与社会经济重构,传统的研究框架急需转型和升级。借鉴人地关系地域系统、远程耦合和星球城市化等理论,从复杂性科学视角出发,首先解析了城镇化与生态环境耦合系统的内涵,进而从空间、时间、表象和组织四个维度,提出了一个解释城镇化与生态环境耦合机理的分析框架——“耦合魔方（CHNC）”,并论述了其概念、内涵、演化规律和分析框架：魔方中的系统与系统、系统与要素、要素与要素间通过各种“耦合线”相互联系与作用,形成一个彼此嵌套、相互联系、对立统一的有机整体;魔方的旋转代表了不同地域间城镇化与生态环境的时空非线性耦合作用,系统通过不断能量交换,产生临界相变与整体涌现性,长期处于有序与无序之间的中间状态;“耦合魔方”包括近远程耦合、近远期耦合、组内间耦合和显隐性耦合,共四个维度,八种类型。重点剖析了远程、远期、组间和隐性耦合的科学内涵、研究方法与典型案例,并形成更具普遍意义的人地关系耦合矩阵。“耦合魔方”为揭示城镇化与生态环境耦合系统的演化和机理提供一个更加全面系统的跨学科研究范式,拓展了人地系统耦合研究的分析维度,为面向人类福祉的区域可持续发展政策制定提供科学支撑。
关键词： 耦合魔方;城镇化;生态环境;近远程耦合;复杂性科学;可持续发展;人地系统

Abstract

The coupled urbanization and eco-environment system is an important aspect of coupled human and natural systems. However, the time-space compression, long range interactions, and reconstruction of socio-economic structure at the global scale pose great challenges to the traditional analysis frameworks for human-nature systems. We are in urgent need of developing a brand new analysis framework. In this paper, based on the connotation of the coupled urbanization and eco-environment system and its four dimensions — space, time, appearance and organization, we propose a conceptual framework "Coupled Human and Natural Cube (CHNC)" to explain the coupling mechanism between urbanization and eco-environment, which is inspired by the theories including human-earth areal system, telecoupling, planetary urbanization, and perspectives from complexity science. We systematically introduce the concept, connotation, evolution rules and analysis dimensions of the CHNC. It is worth noting that there exist various "coupling lines" in the CHNC, which connects different systems and elements at multiple scales, and forms a nested, interconnected organic bigger system. The rotation of the CHNC represents the spatiotemporal nonlinear fluctuation of the urbanization and eco-environment system in different regions. As the system exchanges energy with the environment continually, the critical phase transition occurs when fluctuation reaches a certain threshold, and leads to emergence behaviors of the system. The CHNC has four dimensions — pericoupling and telecoupling, syncoupling and lagcoupling, apparent coupling and hidden coupling, intra-organization coupling and inter-organization coupling. We mainly focus on the theoretical connotation, research methods and typical cases of telecoupling, lagcoupling, hidden coupling, and inter-organization coupling, and finally put forward a human-nature coupling matrix to integrate multiple dimensions. In summary, the CHNC provides a more comprehensive and systematic research paradigm for understanding the evolution and coupling mechanism of the human-nature system, which expands the analysis dimension of coupled human and natural systems, and provides some scientific supports to formulate regional sustainable development policies for human wellbeing.

Keywords：Coupled Human and Natural Cube;urbanization;eco-environment;pericoupling and telecoupling;complexity science;sustainable development;human-nature systems

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本文引用格式
刘海猛, 方创琳, 李咏红. 城镇化与生态环境“耦合魔方”的基本概念及框架. 地理学报[J], 2019, 74(8): 1489-1507 doi:10.11821/dlxb201908001
LIU Haimeng. The Coupled Human and Natural Cube: A conceptual framework for analyzing urbanization and eco-environment interactions. Acta Geographica Sinice[J], 2019, 74(8): 1489-1507 doi:10.11821/dlxb201908001

1 引言

新时期的地理学研究主题更加强调陆地表层系统的综合研究,研究范式逐步向复杂人地系统的模拟和预测转变^[1]。城镇化与生态环境耦合系统是人地关系地域系统中极其重要的一环,是现代人文与自然地理学研究的核心内容之一^[2,3],也是实现联合国2030年可持续发展目标的重要议题。随着人类世的到来,理解城镇化进程中人与自然之间的相互作用是追求人类福祉和全球可持续发展的关键。近年来国际上“未来地球计划”、IPCC项目、生物多样性和生态系统服务政府间科学—政策平台（IPBES）、恢复力联盟^[4]、人与自然耦合系统动力学项目（CHANS）,以及国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划等重大研究计划^[5,6,7],都致力于探究在城市化与经济发展进程中人类与自然的耦合机理。与之适应,国际地理学联合会专门成立“面向未来地球的地理学：人地系统耦合与可持续发展”委员会,多国联合设立可持续发展全球框架计划基金（TaSE）。中国当前正经历快速城镇化过程,政府将坚持人与自然和谐共生作为国家基本方略,在生态文明与新型城镇化建设中强调要走绿色低碳、高效集约和与生态环境容量及资源环境承载力相适应的健康可持续城镇化发展道路。可见,探究城镇化进程中的人地系统的交互影响和协调机制是国内外学术界和政府部门普遍关注和亟待解决的热点与难点问题^[8,9]。

城镇化和生态环境的交互耦合是一个涉及社会、经济、自然的开放复杂巨系统,蕴含着复杂的交互耦合机制与对立统一规律。针对该问题,地理科学、环境科学、生态学、经济学、管理学等不同学科背景的****提出了诸多研究理论和框架^[10]。由于西方发达国家的城市化阶段已进入成熟稳定时期,近年来,西方****主要围绕以城市为核心的人类活动与自然环境耦合关系展开不同视角的机理探讨和案例剖析,研究框架主要包括人类与自然耦合系统^[11]、社会—生态系统（SESs）^[12]、生态系统服务、环境足迹^[13]、行星边界（Planetary boundaries）^[14]、远程耦合（Telecoupling）^[15]、水—能源—粮食网络^[16]、DPSIR框架^[17]、STIRPAT框架、能值分析框架、可持续生计框架^[18]、人口发展环境研究框架（PDE）等^[19,20]。21世纪以来,Gunderson等提出了著名的跨尺度的系统自适应嵌套模型^[21];Dietz等阐述了人与自然跨边界耦合的特征^[22];Folke论述了研究社会生态系统的弹性方法^[23];Liu在远程耦合基础上进一步提出全程耦合框架（Metacoupling）,将系统内外和距离远近的交互耦合关系放在一个框架中^[24]。

在中国,针对城镇化和生态环境交互耦合的重要理论与研究框架主要基于系统论研究范式,并得到了很好的应用。1979年吴传钧提出人地关系地域系统,是以地球表层一定地域为基础的人地关系系统,由地理环境和人类活动两个子系统在特定地域中相互联系、相互作用形成的一种复杂开放的动态系统^[25];1984年马世骏等提出社会—经济—自然复合生态系统^[26],理论核心是生态整合,通过结构和功能整合,协调三个子系统及其内部组分的关系,使系统的综合效益最高、风险最小、存活机会最大,使三个子系统的耦合关系和谐有序^[27];1999年方创琳提出人地耦合圈理论,将城镇化需求圈与生态环境约束圈相嵌套,进而判断人地系统耦合类型与未来演化态势^[28];2015年樊杰等基于人地关系创新了资源环境承载能力预警体系,提出从资源环境约束上限或人口经济合理规模等关键阈值开展超载预警,从自然基础条件变化或资源利用和环境影响变化态势开展过程预警的研究框架和技术流程^[29]。

可见,传统的针对城镇化与生态环境交互耦合的研究框架,在空间上更多注重在某一地域系统内部,时间序列上注重系统演化的同步性,因果分析上多借助耦合协调度、计量回归模型、EKC曲线等测度系统之间线性或直接的因果关系。然而,随着社会经济转型、快速交通体系的完善、经济全球化加速、信息与智能革命兴起,带来的全球尺度的时空压缩、远程联系、社会重构等对人地系统产生越来越重要的影响^[30,31],城镇化与生态环境系统之间在空间上的远程影响、时间上的错位或滞后反馈、作用力的间接与隐蔽性、作用主体的多样性等耦合问题开始更多的出现,传统研究框架面对新时代城镇化与生态环境复杂耦合关系显得力所不及,相应的理论与范式亟需进行适应性创新与变革。

本文在前人理论研究基础上,首先解析了城镇化与生态环境耦合系统的科学内涵,进而借鉴人地关系地域系统、远程耦合、星球城市化等理论,基于复杂性科学研究范式^[32,33,34],从空间、时间、表象和组织四个维度,通过提出远期耦合、隐性耦合、组间耦合等概念,创新性地构建了一个解释城镇化与生态环境耦合机理的研究框架——“人地耦合魔方”（Coupled Human and Natural Cube, CHNC）（下文简称“耦合魔方”）,以期推动人地系统理论在新时代的发展与完善,为多维度剖析城镇化与生态环境演化与耦合机理提供理论支撑,增强区域政策制定的可持续性。

2 城镇化与生态环境耦合系统的科学认知

城镇化是人类世的重要驱动和人类社会发展演化的最重要体现之一,包含了人口大规模迁移、城镇用地扩张、产业结构调整、资本集聚、文化和消费习惯转变等一系列复杂的演化和转型过程^[35,36];生态环境是人类赖以生存繁衍的自然本底条件与支撑系统,涵盖了水、土、气、生物、能源、矿产等诸多自然要素,是生命有机体赖以生存、发展、繁衍、进化的各种生态因子和生态关系的总和^[37]。“耦合（Coupling）”最初是一个物理学概念,是指两个或两个以上的体系或两种运动形式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象^[38],地理****借鉴并发展了该名词,用来阐释人类与自然之间、不同自然系统或社会系统之间的复杂的相互依赖、相互作用、相互影响、相互适应并趋于协调统一的现象或过程,具有较深刻的内涵^[39,40]。因此,城镇化与生态环境耦合也包含两方面：城市化通过人口增长、经济发展、能源消耗、技术进步、城市管理和建设用地扩张等对生态环境产生胁迫或促进效应,生态环境又通过资源承载、环境容量、生态系统服务、环境公平和政策干预等对城市发展产生约束或承载效应,两个系统是一种相互包含、对立统一的竞合关系。

为形象地理解城镇化与生态环境耦合系统,用图1中的概念图进行阐释。城镇化与生态环境作为两个复杂的开放巨系统,城镇化系统包含人口、经济、社会、信息、基础设施等子系统,生态环境系统包括水资源、土地、大气、生物、能源、矿产等子系统,每个子系统内部又包含很多要素,这些要素有的是主控要素（协同学中称为序参量）,有的是一般要素,主控要素在图1中为大圆点,一般要素为小圆点。在图1中,每个子系统内部的要素通过水平连线彼此发生作用,子系统之间通过竖直的连线发生交互作用与联系,城镇化与生态环境两个系统之间存在交互耦合作用的连线更多。本文将这些纷繁复杂的连线统称为“耦合线”,代表着系统与系统、系统与要素、要素与要素之间存在的正负反馈作用,这其中有促进有掣肘,有对立有统一,且每条耦合线背后蕴含的耦合机制不同,耦合强度不一。这些复杂的交互耦合作用力在时空动态维度中无时无刻不对城镇化与生态环境耦合系统整体产生影响,底层要素的自组织与系统整体的涌现同时发生(“涌现”是指系统中的个体遵循简单的规则,通过局部的相互作用构成一个整体的时候,一些新的属性或者规律就会突然一下子在系统的层面诞生,可简单理解为“系统整体大于部分之和”,系统科学就是关于整体涌现性的科学理论。),进而产生系统整体的涨落,共同决定了整个耦合系统的演化方向。

图1

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图1城镇化与生态环境耦合系统概念图

Fig. 1Conceptual illustration of coupled urbanzation and eco-environment systems

整体来看,城镇化与生态环境耦合系统作为人地关系地域系统中非常重要的一环,内部的两个子系统既有其自身的演化规律和制约因素,同时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^[41,42]。其演化过程就是在一定的时间和空间维度中,通过与外界环境以及子系统间的相互作用,经历着从无序的混沌状态逐渐转变为有序性结构的一种自组织涨落过程(根据耗散结构理论,一个远离平衡态的非线性的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,系统通过涨落可能发生突变即非平衡相变,由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。一般认为,系统开放、远离平衡态、非线性相互作用、涨落是自组织形成的基本条件。),这种演化的格局与过程呈现多层次性,层次间相互联系,过程间存在多重耦合与反馈机制,不同过程的作用尺度不一^[43]。根据复杂系统理论,城镇化与生态环境耦合系统具有开放性、自组织性、非线性、脆弱性、稳健性、支配性、涨落与相变、多重反馈、尺度嵌套等特性^{[44,45,46,47]}。

3 城镇化与生态环境“耦合魔方”的理论基础与概念内涵

3.1 城镇化与生态环境“耦合魔方”的理论基础

本文将要阐述的“耦合魔方”分析框架是对已有相关理论的发展和创新,主要借鉴了人地关系地域系统、远程耦合和星球城市化等理论。

（1）人地关系地域系统

吴传钧认为人地关系地域系统是一个不稳定的、非线性的、远离平衡状态的耗散结构^[48]。指出研究人地关系必须重视时间和空间变化关系,要考虑空间地域的大小、位置等属性,时间的过去、现状和远景。研究目标是探求系统内各要素的相互作用及系统的整体行为,从空间结构、时间过程、组织序变、整体效应、协同互补等方面去认识和寻求不同尺度的人地关系系统的整体优化、综合平衡及有效调控的机理。此外,人与资源环境依靠中间产物发生相互作用,最基本的中介便是粮食;投入产出是人地系统中最基本的双向作用过程^[48]。陆大道强调了研究人地系统要有综合和系统的观念、地域和层次的观念,研究主题是系统要素相互作用机制与演化趋势^[49]。在此基础上,其他****在人地系统结构、人地关系耦合理论、人地系统演进、人海关系地域系统等方面进行了一定的发展^{[50,51,52,53]}。

（2）远程耦合

2007年Liu等阐释了人与自然耦合系统蕴含着非线性动力学机制,指出系统的演化伴随阈值、相互反馈循环、时间滞后、韧性、异质性和突变^[54],初步提出系统间的远距离耦合这一科学问题;之后详细论述了远程耦合（Telecoupling）的概念,创建并领导了国际人类—自然耦合系统研究网络（CHANS）,认为人口迁移、旅游、贸易、物种扩散、技术转移、投资等都是重要的远程耦合过程^[15],并以大豆贸易、大熊猫栖息地保护等为案例,构建了多尺度耦合模式,整合发送、接收和溢出系统,提出基于系统、流、代理、原因、影响的远程耦合一般分析路径^{[15, 55]}。近几年运用该理论框架,****们在土地利用变化^[56]、水资源管理与虚拟水^[57]、生态系统服务^[58]、能源^[59]、渔业管理^[60]、“一带一路”联系^[61]等领域已经展开了广泛的探讨。

（3）星球城市化

星球城市化（Planetary Urbanisation）由Brenner等在2011年提出^[62],引发全球****的广泛关注。该理论对城市时代论述进行了批判,指出城市不是一个单元,而是一个变化的过程,传统的城乡边界趋于模糊,城市化是全球性的多尺度的历史过程,并伸展至地球的每个角落,因此研究范式要转向“星球城市化”^[63,64]。应超越“城市中心主义”,改变城市/非城市的二元分类,发展“没有外部的城市理论”（Urban Theory without an Outside）^[65]。Brenner认为全球城市化建成环境直接促使全球大气、生物栖息地、土地利用、海洋状况发生重大变化,对于未来人类和其他生命形式均带来长远影响。城市化包含集中与扩张两个辩证关系,很多地方已经发展成为“扩张型区域城市化（Extended Regional Urbanization）”,影响到传统上认为不是城市的地域,例如农业地区、工业园区、跨国交通、能源管道和通讯设施、地下资源开采,乃至整个生物圈^[63]。

3.2 城镇化与生态环境“耦合魔方”的基本内涵

本文吸收借鉴上述3个理论的核心思想,在对城镇化与生态环境耦合系统科学认知的基础上,从空间、时间、表象和组织四个维度进一步拓展,基于城镇化与生态环境两个系统耦合的空间远近、时间跨度的长短、因果关系的显隐、组织内外联系进行系统解构。四个维度构成了解释城镇化与生态环境耦合机理的一个全景式、动态化的分析框架,并且是彼此嵌套、相互联系、辩证统一的一个整体。为便于理解和记忆,将该分析框架用魔方的形式进行表达,并称之为“耦合魔方”（CHNC）。

如图2所示,任意一个地域的城镇化与生态环境耦合系统可以看作魔方中的一个小立方体（CHNC-c）,将每个小立方体放大（CHNC-c'）,其内部包含了众多自然与人文要素,在图2中用大小不一的小球（1, 2, 3, …, i）表示,体积大的代表对系统的影响力强（即序参量）,体积小的代表对系统的影响力弱,各个球之间通过“耦合线”发生正负反馈作用。同时,该系统是开放的,输入和输出小立方体的箭头表示人员、物质、能量和信息的流入和流出。每个小立方体代表着一个特定地域的城镇化与生态环境耦合系统。

图2

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图2城镇化与生态环境“耦合魔方(CHNC)”示意图

Fig. 2The conceptual illustration of Coupled Human and Natural Cube for analyzing urbanization and eco-environment interactions

每个小立方体存在彼此联系、相互嵌套的四个维度：时间、空间、组织和表象。X轴代表时间维度,轴线在小立方体内部的属于城镇化与生态环境的近期耦合效应,在外部的属于城镇化与生态环境的远期耦合效应;Y轴代表空间维度,轴线在小立方体内部的属于城镇化与生态环境的近程耦合效应,在外部的属于远程耦合效应;Z轴代表组织维度,轴线在小立方体内部的属于城镇化与生态环境的组内耦合效应,在外部的属于组间耦合效应。此外,从表象维度出发,城镇化与生态环境间不仅存在显性的交互耦合,还存在表面看不到或者需要通过中介发生间接的隐含的交互作用,这一类耦合效应称之为隐性耦合。因此,在立方体内部城市化与生态环境存在近程、近期、组内、显性的耦合效应,当延伸到立方体外部时,很可能还存在远程耦合、远期耦合、组间耦合和隐性耦合四种机制,本文第四部分将逐一展开论述。

3.3 城镇化与生态环境“耦合魔方”的演化规律

在图2的大魔方CHNC中存在非常多的五颜六色小立方体,每个小立方体代表一个相对完整的人地关系地域系统,它们之间通过魔方内部复杂的轴链相互联系与相互作用,这些轴链即上文提到的“耦合线”。根据远程耦合和星球城市化理论,地球上无数个此类的大大小小属性各异小立方体都存在或紧或疏的关系,全球尺度的城镇化与生态环境耦合系统即是一个超级大魔方,国家及区域尺度的耦合系统是相对较小的魔方,这之间存在一定的尺度嵌套关系（图3c）。图3也展示了城镇化与生态环境“耦合魔方”演化的规律性,若用小立方体每个面上的颜色代表水、土、气、经济、人口、能源等城镇化或生态环境子系统(魔方也有八面体、十二面体等形态,这对应着更多的城镇化或生态环境子系统,本文仅用六面体魔方作为基本演示模型。该魔方以及相应的小立方体只对应六个面,这仅是城镇化与生态环境耦合系统研究框架中的一种情况,即假设关键子系统只有六个。),魔方通过链轴带动自身的任意旋转,这个过程包含了不同小立方体和不同色面的碰撞。其中,链轴代表了不同地域间的人员、物质与信息等的传递,魔方的旋转代表了不同地域间城镇化与生态环境系统经历的时空间非线性的耦合作用,整个过程会不断发生系统的“涨落”。

图3

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图3“耦合魔方”的演化及尺度嵌套示意图

Fig. 3Illustration of the evolution and nested-scaling of the CHNC

我们形象地认为当大魔方每个面的颜色均一致时,代表所有子系统在各个地域间协同发展（但并不是发展程度一样）。这个过程需要借助外力的做功,即系统不断汲取负熵,在达到一定阈值时,发生临界相变(系统相变的边缘状态即为临界状态,临界性行为是自然界一种普遍的行为,而且这种行为是复杂系统自组织演化形成的。自组织是系统相变的前提,自组织临界性系统要出现临界突变行为必须是一个开放系统,并必须从外界注入能量,例如在著名的“沙堆模型”中外界要不断注入沙粒。),产生系统整体的涌现,一定地域尺度的城镇化与生态环境系统实现协调有序,此时“魔方游戏”成功。当人地系统发生内部或外部的扰动,一种是突发自然灾害、金融危机等,一种是温水煮青蛙式的慢性沉淀效应,根据系统的脆弱性和弹性的大小,不断输入能量,一旦超过阈值,系统将会发生崩塌（相变）,有序再次被打破,进入新一轮演化。

然而,现实中城镇化与生态环境各个子系统不可能实现完全的相互协调、各区域发展也不会绝对协同,即魔方的演化很难达到所有面颜色一致,实际情况是系统不断发生动态涨落,一直处于有序与无序、稳态与非稳态之间的中间状态,这也是自然界大部分复杂系统演化的一般规律（图3）。此外,为了让系统尽可能趋于有序,应首先选择对系统整体演化影响最大的序参量进行调控,比如西北干旱区应选择水资源作为序参量,反映在图3的魔方中,应优先调控绿色面使之颜色一致。

4 城镇化与生态环境“耦合魔方”的四维分析框架

4.1 空间维度：城镇化与生态环境的近程耦合与远程耦合

从地域空间维度来分析,城镇化与生态环境的耦合作用可分为近程与远程两类。当前****们的大部分研究侧重于城镇化与生态环境的近程耦合（Pericoupling）,近程耦合主要关注地域系统内部的城镇化与生态环境各个子系统以及子系统内部各要素之间的耦合机制,包括一对一、一对多和多对多的线性与非线性耦合机制。这一类的研究非常之多^[66,67],在此不再赘述。

远程耦合是指城镇化与生态环境地域系统内部,与远距离之外的其他地域系统或要素以及不同空间尺度的系统之间的交互作用。与近程耦合研究相比,城镇化与生态环境的远程耦合机理的研究相对不足,研究难度也相对更大,国际上的研究近10年越来越得到重视,国内近几年刚刚开始关注。根据Liu等的定义^[15],远程耦合不同于单纯的自然系统的远距离联系（遥相关）,比如印度夏季风的爆发与中国长江流域梅雨的遥相关关系^[68];也不同于单纯的社会经济系统的全球化联系,比如中国人工成本的上升对美国跨国企业投资的影响。本文研究的城镇化与生态环境的远程耦合强调自然系统与社会经济系统的远程双向反馈,可以包含本地生态环境对他地的城市化的影响,也包含他地的城市化进程对本地生态环境的影响。有别于Liu等的定义,本文将远程耦合又细分为两类,跨区域边界的远距离交互耦合（Multi-regional Telecoupling, MRTC）与跨尺度的交互耦合（Multi-scale Telecoupling, MSTC）。

（1）跨区域远距离耦合：是指异地不同地域系统间的城市化与生态环境系统通过各种人流、物质流、能流、信息流等发生远程的交互胁迫或促进作用。例如大城市市民生活必须的水果、蔬菜、肉类、奶蛋等食物来自其他中小城市甚至其他国家,这对食物供应地的土地利用、水安全、碳排放、生态系统等造成远程的影响^[69,70],甚至对输入地的环境也会产生远程影响^[71];河北省的城市化与重工业能源消费对北京甚至韩国、日本空气质量产生显著影响^[72,73];中国南水北调工程,使水源地的经济社会和生态系统与受水区的农业发展、城市化、地下水产生远距离交互影响;20世纪下半叶中国西北内陆河石羊河中上游城市化进程的加速导致下游民勤的沙漠化加剧,生态环境严重恶化^[44];“一带一路”倡议提出后,中国与沿线国家间的贸易往来更加频繁,相互依赖性增加,中国快速城镇化进程需要进口更多的能源矿产,这对输出国的生态安全势必造成影响^[74]。

（2）跨尺度交互耦合：跨尺度交互耦合是指不同尺度间城市化与生态环境系统的交互耦合嵌套效应,可以通过自上而下与自下而上两种途径发生作用（图4）。一般来说尺度相近的系统之间的耦合作用更为频繁和强烈,如城市群尺度和城市尺度,尺度相差大的系统间的耦合线相对要细小,如国家尺度与街区尺度之间。在分析跨尺度交互耦合机制时应注意耦合的尺度效应,不同尺度的城市化与生态环境的表现形式以及测度指标有较大差异。另外,如图4所示,城市群与城市是国家宏观战略与微观实施主体的介尺度^[75],产业的区域协同、环境治理的区域联动均要在这一中观尺度完成,是尺度转换与跨尺度耦合的节点,拥有自身的特殊的政治经济尺度属性^[76]。相对来说,自上而下的跨尺度耦合效应更为普遍,例如全球气候变化对地方城市发展的影响是典型的全球尺度对地方尺度的作用^[77];再如京津冀大气污染联防联控政策导致河北省邢台市某化工厂的关闭,进而促使该化工厂邻近村镇的生态环境大幅改善。自下而上的跨尺度耦合效应也广泛存在,例如中国内蒙古中部城市无序扩张造成土地沙化加剧,将影响整个东北亚尺度的生态安全^[78]。

图4

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图4跨尺度的远程耦合示意图

Fig. 4Illustration of cross-scale telecouplings

4.2 时间维度：城镇化与生态环境的近期耦合与远期耦合

从时间维度来分析,城镇化与生态环境的耦合作用可分为近期耦合与远期耦合。当前国内外的研究主要聚焦于同一时间截面上城镇化与生态环境的交互影响。在定量分析中,习惯于将相对处于同一时段的自然与人文变量进行比较,分析其中的因果关系,本文将这种因果关系发生时间相近的交互影响称为近期耦合（Syncoupling）。这种分析思路也是一直以来经典的研究范式。

然而,一方面由于城市化是一个长时间的动态过程、生态环境也有其自身韧性,两个系统的发展演化均具有路径依赖性;另一方面很多作用力具有时滞性,新的物质、能量、信息的输入,或许会立刻打破原有的平衡结构,或许由于系统具有良好弹性要经过很长的沉淀累积时间后才产生效果。因此,当前观察到的城镇化与生态环境耦合状态或许是多年前某个子系统或变量的涨落导致的结果。同样,当前城市化的发展可能会对若干年后本地或更大区域的生态环境造成或好或坏的滞后影响^[79],当前生态环境的变迁也会影响未来若干年后人类在城市的生存^[80]。因此,可以把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机制称为系统的远期耦合（Lagcoupling）,这种因果链发生的时间间隔相对较长。

图5是城镇化与生态环境的近期耦合与远期耦合概念图,耦合系统用嵌套的太极图表示,反映了系统的尺度层级和两个子系统对立统一的交互作用状态。坐标系中T为时间轴,

E (t)

为熵值,t₁、t₂、t₃时刻的小球反映了3个时间点的系统稳态（Stable States）,分别代表人地耦合系统演化的过去、现在和未来,3个时间点间存在远期的交互耦合作用。此外,系统在t₂比t₁、t₃更加稳定,当涨落（人类活动、自然变化等的驱动）足够强时,人地系统可以越过势垒（a、b）,在时间轴上趋向新的稳态,产生整体涌现性。

图5

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图5城镇化与生态环境的近期耦合与远期耦合概念图

Fig. 5Illustration of syncoupling and lagcoupling of urbanization and eco-environment systems

远期耦合是人类与自然界普遍存在的现象,对于深入挖掘系统与系统、要素与要素、要素与系统之间的真正的因果关系具有重要意义。由于时间的不可逆性,大部分远期耦合是过去对现在、或现在对将来的影响,体现了影响的滞后性,例如过去若干年的流域综合整治投资对现在流域水质和生态系统的正向影响;20世纪90年代农田大量使用农药、化肥,造成现在土壤板结、农业生态系统功能下降、生物多样性受到威胁;当前中国产业结构和能源结构的调整对若干年后空气质量的影响等。但是也存在未来确定将要发生的事件对现在系统的影响,例如在巴黎气候大会上中国承诺2030年左右碳排放达峰值,这对中国当前产业转型,走节能环保低碳路径有很好的促进效应^[81]。

4.3 表象维度：城镇化与生态环境的显性耦合与隐性耦合

从表象维度来分析,将城镇化与生态环境的耦合机理分为显性耦合与隐性耦合。本文定义的显性耦合（Apparent Coupling）是指系统内部的子系统之间、要素之间、子系统与要素之间的直接相互作用与影响,因果链表示为“A→B”,外在表现形式为要素的直观可见,例如随着城镇化推进,城市的扩张直接导致郊区林地、农田的占用,生态空间缩小;大城市空气污染的加剧导致部分居民放弃大城市的生活和工作,搬迁到中小城镇。

隐性耦合（Hidden Coupling）是指要素间或系统间的交互影响不是直接作用,而是通过中介或者通过隐含的其他系统或要素间接的发生作用,主要有两种形式。一种形式表示为“A→C→B”的因果链,其中“C”是中介变量,例如城市化（A）对于大气污染（B）的影响,要通过煤炭燃烧（C₁）、小汽车排放（C₂）、建筑粉尘（C₃）等中介变量发生作用;CO₂（A）对城市化（B）的影响,CO₂主要通过影响气候变暖（C₁）以及植物光合作用（C₂）等中介系统,进而对人类居住和迁徙产生影响。还有一种隐性耦合形式可表示为“A（C）→B”,表面上是A与B直接存在因果关系,实际是隐含在A中的C与B存在真正的耦合作用,如隐含在区域贸易中的能源、污染物、碳排放、虚拟水等就是典型的这种耦合模式^[82,83,84],例如,人类生活消耗的衣服、食物、能源等在生产过程中都包含虚拟水,这些物资保障了城市居民的美好生活,但同时影响了产地的水资源安全,虚拟水贸易是“无形”的隐性耦合过程,如果产地是在其他地域系统,这同时也是一种远程耦合^[85]。再比如,PM_2.5的排放和分布会通过全球生产供应链受到其他区域消费的影响,图6显示2007年全球工业生产引起的排放大概是24 Tg,其中约30%的排放都是由于生产出口产品引起的,这些排放主要体现在中国、印度、巴西等发展中国家到美国、西欧等发达国家的出口产品中^[82]。

图6

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图6远程隐性耦合案例：全球30%的工业PM_2.5源于生产出口产品^[82]

Fig. 6A case of hidden telecouplings: Production of export goods is responsible for 30% of global industrial PM_2.5 emissions

事实上,城镇化与生态环境系统间大部分的耦合机制同时存在显性关系和隐性关系,如同海洋上的冰山由水面上和水面下两部分共同构成,且当下认知水平和知识体系下的直接因果关系,很可能也由于存在各种中介变量而暗含间接因果关系,甚至存在“A→C→D→…→B”这种类似“蝴蝶效应”的连锁反应。因此,本文基于因果链形式定义的显性耦合和隐性耦合也是对立统一的。

4.4 组织维度：城镇化与生态环境的组内耦合与组间耦合

本文所讨论的组织是指在城镇化过程中,为实现一定的目标,人们通过互相协作与竞争进行自组织结合,形成的价值观和目标相近的团体或群体,包括了公众、政府、媒体、企业、非政府组织（Non-Governmental Organizations, NGO）等不同利益团体,这里的价值观主要是指对于社会经济发展与生态环境保护之间的权衡。组织内部还可继续细分,例如政府部门又划分为经济发展部门、生态环境部门、自然资源部门、城市建设部门、水利部门、能源部门等不同职能机构;普通民众又可划分成工人、农民、学生、农民工、无业人员等不同类型群体。由于每个组织所处的文化环境、制度环境、居住环境的不同,导致不同组织内部个体的注意力和决策思维方法不同,进而导致不同组织对于人地关系的价值观和行为不同^[86,87]。因此,不同的组织存在着不同的人地关系协调机制。组织行为会影响与之关联的生态环境,同样生态环境也会影响组织行为,进而影响城镇化进程。

从组织维度来分析,本文将城镇化与生态环境的耦合分为组内与组间两类,本质上这种划分是基于“人地系统”中“人”并不是同质的,相反是带有不同的感情色彩、阶级属性和利益诉求的人。组内耦合（Intra-organization Coupling）是指在某一个组织内部发生的城镇化与生态环境的交互影响,例如政府的经济发展部门在处理城镇化与生态环境的关系时,很可能更多的将GDP放在首要因素进行考量,而环境保护部门则会更多的从生态环境的保护治理角度出发处理人地关系,媒体主要关注突出的人地矛盾（例如雾霾爆表、癌症村）以尽可能增强新闻吸引力,企业重点关注自身经济效益的最大化等。对于组内耦合,由于成员处在同一个利益集团之中,矛盾较小,研究对象与目标较明确,容易抓住核心变量进行分析。

组间耦合（Inter-organization Coupling）是指不同组织之间以及处在不同组织内的利益主体之间,在城镇化过程中对于社会经济发展与生态环境保护的利益权衡与博弈策略。图7是组间耦合的示意图,城镇化与生态环境耦合系统仍然用一个开放的不断旋转演进的圆球表示,圆球内部包含了公众、政府、媒体、企业、****、NGO等不同组织。由于大部分生态环境问题均涉及多个相关利益团体,这其中包含了复杂的动态演化博弈过程^[88,89]。相比组内耦合,城镇化与生态环境要素在不同组织或主体驱动下的耦合关系更加复杂,圆球（耦合系统）的运动方向和速度由公众、政府、媒体、企业等不同组织的合力决定,自组织和他组织驱动力同时存在;在其演进过程中,参与的组织个数以及不同组织的作用力大小都会相应变化,例如城镇化发展初期,环境治理未得到足够重视,NGO的力量并未显现。城镇化与生态环境的组间耦合影响着环境治理决策的制定与实施,进而影响人类社会整体的发展方向与福祉^[90]。

图7

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图7城镇化与生态环境系统的组间耦合示意图

Fig. 7Inter-organization couplings of urbanization and eco-environment systems

组间耦合的实例很多,例如不同利益主体或不同区域的公民对生态环境的关注度、参与度对当地生态环境治理成效有显著影响^[91];政府、农户、媒体、NGO、科研机构等利益相关者在生态补偿机制中具有不同作用及行为响应^[92]。随着环境管理范式逐渐从管理、参与式管理到治理,多个社会主体合作的多元协作或协同治理模式开始加强^[93]。

4.5 “耦合魔方”四维分析框架对比

基于以上对城镇化与生态环境“耦合魔方”四个维度的梳理,本文进一步对近程耦合、远程耦合、近期耦合、远期耦合、显性耦合、隐性耦合、组内耦合、组外耦合八种耦合类型的基本含义、概念图示、分析方法和典型案例进行总结和对比。如表1所示,概念示意图中的正方形代表城镇化,三角形代表生态环境,椭圆代表地域系统,圆形代表组织集团,双向箭头代表交互耦合作用。表1中所列定量分析方法从不同角度探索城镇化与生态环境的因果关系^[94],可以一定程度上解决某一特定维度问题,供实证研究借鉴,例如：远程耦合可使用空间计量、多区域投入产出、多层次空间回归^[95]等模型;远期耦合可借鉴时滞模型、动态一般均衡模型等;隐性耦合可借助中介效应模型^[96],以及各种环境足迹测算方法;组间耦合研究可以借助多主体建模、复杂网络、大数据分析等^[97,98]。传统研究框架下的相关案例从略,仅列举了远程、远期、隐性、组间耦合的典型案例。

Tab. 1
表1
表1城镇化与生态环境耦合魔方四维分析框架对比
Tab. 1Diagram of CHNC framework of the couplings between urbanization and eco-environment

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另外,需要说明的是“耦合魔方”四个维度的划分也是相对的和辩证统一的。空间维度的远近主要是针对某一特定尺度而言;时间维度的远近在城镇化与生态环境具体研究中大多以年为尺度;表象维度的显隐很大程度上是基于当前的认知水平;组织维度的内外随着人的利益取向也在随时变动。因此,城镇化与生态环境耦合魔方四维分析框架在具体应用中要具体分析,建立对立统一的系统思维和辩证思维。

5 讨论

5.1 基于“耦合魔方”的人地关系耦合矩阵

上文以复杂性科学为指导,通过隐喻类比的方法,以时间、空间、组织、表象四个维度为解析框架,构建了一个多尺度层级嵌套的城镇化与生态环境复杂系统“耦合魔方”。该模型是解析城镇化与生态环境复杂系统动态演化机理的有效手段。由于城镇化与生态环境耦合系统是人地关系地域系统中的重要一环,可以将这一框架在更加一般的人地关系研究中进行推广。

现实世界中,任何系统必然存在于时间和空间之中,大部分也从属于某个组织,具有隐性的另一面,因此人类与生态环境系统大多同时存在多个维度的交互耦合效应,耦合魔方的四个维度也是同时存在、辩证统一的。如表2所示,面向具体的人类福祉问题,可以用二维矩阵的形式列举两个维度同时存在的耦合效应,将该矩阵称为耦合矩阵（Coupling Matrix）,例如,上文提到的跨区域贸易中虚拟水的问题,主要是远程耦合与隐性耦合的综合问题;退耕还林过程中包含政府与农民的利益博弈,对于生态环境的修复具有时间滞后性,主要是组间耦合与远期耦合的综合问题;类似的还可以按照排列组合列出三维和四维的更加复杂的多重耦合效应。例如,中国政府从美国市场进口大豆,影响了竞争国巴西农民的利益;中国将大豆改种为小麦、玉米等作物,施加更多氮肥,面源污染随时间不断加剧,在发展中国家肥料施用趋于过量的背景下,引发了国际环保组织和****的关注^[71],这其中包含了远程、远期、隐性和组间多个维度的问题交织在一起。在处理实际问题时,应基于复杂系统视角,首先从时间、空间、表象、组织等维度对问题进行宏观定性的梳理,然后按照重要程度,先期选取一到两个维度针对系统中矛盾最突出的问题加以解决,即采取“系统思考、先重后轻、逐个突破”的思路。因此,“耦合魔方”为分析人地关系这一复杂系统提供了一个相对清晰的解析框架。

Tab. 2
表2
表2人地关系耦合矩阵
Tab. 2Human-nature coupling matrix

分析维度	空间维度	时间维度	表象维度	组织维度
空间维度	近远程耦合	近远程耦合 +近远期耦合	近远程耦合 +显隐性耦合	近远程耦合 +组内外耦合
时间维度	近远期耦合 +近远程耦合	近远期耦合	近远期耦合 +显隐性耦合	近远期耦合 +组内外耦合
表象维度	显隐性耦合 +近远程耦合	显隐性耦合 +近远期耦合	显隐性耦合	显隐性耦合 +组内外耦合
组织维度	组内外耦合 +近远程耦合	组内外耦合 +近远期耦合	组内外耦合 +显隐性耦合	组内外耦合

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5.2 “耦合魔方”研究框架提出的意义

“耦合魔方”拓展了传统城镇化与生态环境耦合研究的时间、空间、表象和组织维度,是新时代人地关系地域系统理论的发展和深化,弥补了传统研究框架的不足,在人与自然耦合框架下具有普遍意义。相比“人地关系地域系统”“远程耦合”“星球城市化”等理论,主要贡献在于为人地系统演化和耦合机理的认知提供一个跨学科的更加全面系统的理论框架。该理论模型的提出,可丰富可持续性科学研究框架^[99],深化地理学综合研究范式。有助于多维度、多尺度更好的评估城镇化过程中人地复杂系统的演化机理,这为生态文明和可持续发展理念下的人地系统的调控与优化提供了一个新的分析框架,有助于增强区域政策制定有效性与可持续性。

“耦合魔方”促成我们形成一种整体性、立体式、多维度的认知世界的系统观。该框架强调人与自然是对立统一的,是一枚硬币的两个方面,两者是一个相互作用、相互依赖、相互包含的有机整体,共同构成了我们的世界;该框架重视系统间的双向正负反馈效应、空间溢出效应、因果中介效应、时滞效应、利益相关效应等。它启示我们在探究人地系统耦合机理时,要有系统整体观,调控人与自然关系,不能只顾眼前、只看表面,应更加注重远程、远期、隐性和组间等“冰山下”隐藏的交互影响,在政府决策时应注重评估和权衡社会经济与生态环境间的近远程、近远期、显隐性、组内外的耦合效应。

“耦合魔方”启发我们在网络信息时代对Tobler地理学第一定律的进一步反思。很多时候,两个系统距离很远不一定联系不紧密;有的系统距离很近,由于处在不同组织内部,联系反而微弱。面对新时期广泛存在的远程耦合、隐性耦合、组间耦合等现象,如何进一步总结规律,发展完善地理学第一定律值得思考。

5.3 “耦合魔方”研究框架的定量化整合研究

本文仅提出了一个初步的分析框架,将该框架应用在城镇化与生态环境耦合系统的定量模拟中,需要借助具体的量化模型。针对每个维度的定量分析方法可参考表1,对于城市化与生态环境“耦合魔方”整体演化状态的评判,通过借鉴热力学第二定律、第三定律^[100],以及信息熵或系统态的概念可能会是一个定量化途径。此外,面对多维度、多要素、多尺度的耦合魔方,如何借助复杂性方法、系统动力学、大数据和人工智能的发展,在人地关系耦合矩阵的框架内,将不同维度的量化模型进行整合,逐步形成一个集成描述、模拟、预测、评价等的统一方法体系^[101,102],以期更好地在现实中得以应用,这是未来重点要解决的问题。

此外,由于篇幅所限,本文仅拓展了城镇化与生态环境耦合的分析维度,未对具体的耦合机制展开深入研究,今后拟结合典型案例运用“耦合魔方”的分析框架与适当的定量方法,进一步推进理论的完善和具体机理的解析。

6 结论

（1）城镇化与生态环境耦合系统作为人地关系地域系统中非常重要的一环,两个子系统既有其自身的演化规律和制约因素,同时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。其演化过程就是在一定的时间和空间维度中,通过与外界环境以及子系统间的相互作用,经历着从无序的混沌状态转变为有序性结构的一种自组织涨落过程,且大多数时候处于有序与无序之间的中间状态。

（2）借鉴人地关系地域系统、远程耦合和星球城市化等理论,本文从空间、时间、表象和组织四个维度,提出了一个解释城镇化与生态环境耦合机理的分析框架——“耦合魔方”（CHNC）。魔方中的系统与系统、系统与要素、要素与要素间通过各种“耦合线”相互联系与作用,形成一个彼此嵌套、相互联系、对立统一的有机整体。魔方的任意旋转变换代表了不同地域城镇化与生态环境系统经历的时空间非线性的耦合作用,当每个面颜色均一致时,表明所有子系统在各个地域间协同发展。魔方中输入的能量,在达到一定阈值时,发生临界相变,产生系统整体的涌现,可能会更加有序,也可能会发生崩塌,进入下一循环。

（3）“耦合魔方”在时间、空间、组织和表象四个维度上相互联系、辩证统一,包括近程、远程、近期、远期、组内、组间、显性、隐性八种耦合类型。其中,远程耦合是指城镇化与生态环境地域系统内部,与远距离之外的其他地域系统或要素以及不同空间尺度的系统之间的交互作用;远期耦合是指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;隐性耦合是指要素间或系统间的交互影响不是直接作用,而是通过中介或者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,在城镇化过程中对于社会经济发展与生态环境保护的利益权衡与博弈策略。本文总结了不同耦合类型的相应研究方法与典型案例,并基于“耦合魔方”形成了人地关系耦合矩阵的一般性解析框架,提出在解决人地复杂系统问题时,要遵循“系统思考、先重后轻、逐个突破”的分析思路。

致谢：本文在研究和写作过程中,得到叶大年先生、陆大道先生、毛汉英先生、刘建国教授、刘毅研究员、宋长青教授、申玉铭教授、赵鹏军研究员、刘盛和研究员、王绍强研究员、方恺研究员、杨宇研究员、李睿琪博士、周兵兵博士、刘焱序博士、杜悦悦博士等的指导,并给予极大的鼓励,匿名审稿专家提供了很好的建设性意见,在此一并表示最诚挚的感谢！

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建立资源环境承载能力监测预警机制,是全面深化改革的一项创新性工作。从资源环境承载能力的科学内涵出发,以区域可持续发展为指向,探究资源、环境等构成的承载体——自然基础同承载对象——人类生产生活活动之间形成的“压力-状态-响应”过程,提出资源环境承载能力预警是从资源环境约束上限或人口经济合理规模等关键阈值开展的超载预警,以及从自然基础条件变化或资源利用和环境影响变化态势开展的过程预警的学术思路。在探讨承载能力预警指标体系选取原则的基础上,构建陆域和海域差异化的预警指标体系和总体技术流程。采用土地资源压力、水资源利用强度、环境胁迫程度、植被盖度变化作为基础指标进行地域全覆盖评价;针对城市化地区、农业地区、牧业地区、生态地区,分别选择灰霾污染程度、耕地面积增减状况、草蓄平衡指数、生态环境质量变化状态作为专项指标,确定各类专项指标的关键阈值并进行分类评价;最后进行复合,形成在鲜明主体功能定位指向下的差别化评价方法、取得具有一致性表达的评价结果,并开展资源利用效率和环境污染压力两方面的过程评价,以辅助反映中国资源环境承载能力和可持续发展能力预警状态,为提出限制性措施建议和完善监测预警机制提供科学依据。

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