空間相互作用與環(huán)境效應:研究進展與新探索

王榮成

一、國內(nèi)外空間相互作用的理論與實踐研究

城市與區(qū)域作為人類經(jīng)濟、社會、文化、政治等活動的空間和物質載體，城市之間、城市與區(qū)域之間總是在時間和空間上不斷地進行著物質、能量、人員、信息等的交換，這種時空上的交換即為空間相互作用[1]?？臻g相互作用原理最早由美國地理學家E.L.Ullman提出[2]，他綜合B.Ohlin[3]、S.Stouffer[4]等人的觀點，大量吸收物理學、統(tǒng)計力學、經(jīng)濟學的理論與模型，形成了空間相互作用理論。

大量數(shù)學模型的運用促進了空間相互作用的定量分析方法和模式，豐富了地理學的研究方式。19世紀80年代，英國人口學家Ravenstein首次在人文社會科學領域使用了萬有引力模型。引力模型經(jīng)1929年W.J.Reily的零售市場引力法則[5]、1949年P.D.Converse的斷裂點公式[6]和G.K.Zipf[7]等的演繹和推廣之后，在地理學研究中，尤其是在城市等級體系、城市吸引區(qū)邊界的確定等領域得到普遍應用，但在研究系統(tǒng)邊界、障礙、排斥等概念時，有較大局限性。瑞典學者T.Hagerstrand于1953年在其論文“作為空間過程的創(chuàng)新擴散”中首次提出空間擴散的問題，認為各種空間擴散過程具有獨特的一套屏障作用和不均質的社會經(jīng)濟，其后得到廣泛盛行[8]。1969年Wilson把相互作用分為宏觀和微觀兩個層次，借鑒了統(tǒng)計力學的思想，提出最大熵模型，使空間相互作用理論獲得突破性進展，被應用于交通貨運流的預測研究[9]。1980年代，由Haken創(chuàng)立的協(xié)同學與傳統(tǒng)的社會學聯(lián)姻，形成一門新興的交叉科學——定量社會學[10]，其中一些理論思想和研究手段對研究空間相互作用問題很有借鑒意義。1980年代中后期以來，隨著高速公路、航空等新型交通運輸方式的普及，互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展及其帶來的交通通訊方式的改變，在研究區(qū)域人口、物質、技術、信息等流動中產(chǎn)生了新的變化，在航空客流研究中提出了“軸—輻（Hub-and-spoke）”等新的理念[11]。

我國眾多的人文地理學者，尤其是經(jīng)濟地理、城市地理、交通運輸?shù)乩淼葘W者們在1980年代后借鑒和引進了國外空間相互作用的相關理論與模型，演繹和推廣了相關模型，如分形理論模型等，并廣泛應用于城市體系、城市經(jīng)濟區(qū)、空間運輸聯(lián)系、城市關聯(lián)網(wǎng)絡等領域的研究[12-16]。

總體來說，國內(nèi)外空間相互作用研究主要基于“空間流”的分析[17-19]，在城市空間相互作用研究中已成為一種趨向，客流（側重航空客流）分析為主，相對缺乏物流實證，技術信息流分析則更為困難，空間流分析的拓展空間廣闊。近期國際研究則主要側重于全球或洲際城市體系研究，忽視了區(qū)域尺度。我國學者則在國家層面或以相對發(fā)達地區(qū)如京津、長三角、珠三角等地區(qū)為主，集中于城市空間相互作用研究，極少涉及正處于成長中的區(qū)域如東北地區(qū)、中西部地區(qū)的城市與區(qū)域空間相互作用的探討。另外，已有研究側重于空間相互作用的影響因素、相互作用特征以及模型的運用與發(fā)展，大多局限于經(jīng)濟領域，較少涉及社會領域，對環(huán)境影響、生態(tài)服務則研究更少。

二、新視角——“功能區(qū)”與“區(qū)域外部性”

在區(qū)域研究上，探求和表現(xiàn)區(qū)域之間的“差異性”一直是地理學的焦點和熱點，而對其間的“關聯(lián)性”研究則基本局限在地球表層物質運動和“整體性”的領域里。區(qū)域性是地理學認識問題的獨特視角之一。認識區(qū)域性又可以從兩個視角出發(fā)：差異區(qū)與功能區(qū)?！肮δ軈^(qū)”是區(qū)別于“差異區(qū)”的又一種區(qū)域觀：①功能區(qū)是從外部功能角度來識別區(qū)域，注重區(qū)域的一致性，強調一個區(qū)域對其它區(qū)域的作用，即區(qū)域的空間作用。②功能區(qū)是類型區(qū)，不但強調區(qū)域內(nèi)部結構分析，更注重演化、發(fā)展、遷移等地理過程及由此而形成的新的區(qū)域結構等動態(tài)格局。

區(qū)域作為人類社會經(jīng)濟活動中的一個行為主體，在某個地理位置上占有一定范圍的地理環(huán)境，或起到環(huán)境支撐功能（提供自然與經(jīng)濟資源、生態(tài)服務等），即更多地作為“環(huán)境空間”存在，或作為社會經(jīng)濟活動中心（人口—經(jīng)濟集聚體），即更多地作為“經(jīng)濟—社會空間”存在。區(qū)域發(fā)展所形成的各種具有鮮明功能的空間地域，如增長極、點—軸、條帶、網(wǎng)絡、圈層、核心—邊緣地和相對落后地區(qū)等，它們的整體構成“空間結構”——是具有環(huán)境－經(jīng)濟－社會空間的“中心地”在不同時空尺度上不斷相互作用的結果，是空間相互作用的靜態(tài)表現(xiàn)形式。

區(qū)域空間作用問題受到越來越多的關注，一個重要問題是，這種空間作用往往具有“外部性”特征，環(huán)境經(jīng)濟學的分析認為這正是導致資源、環(huán)境和生態(tài)問題的根源［28］。但，這只是“外部性”的一個領域。

這里，我們把“區(qū)域外部性”界定為：一個區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境變化——在工業(yè)化、城市化過程中——對其它區(qū)域產(chǎn)生的、不受市場力量作用的外部影響，即產(chǎn)生“環(huán)境效應”。環(huán)境效應具有綜合性的特征，區(qū)分為三個方面：環(huán)境影響、生態(tài)服務和發(fā)展關聯(lián)，表現(xiàn)為存在地理方向、路徑、范圍、距離、等級、梯度和強度各不相同的、動態(tài)的“地理運動”。理清環(huán)境效應的動態(tài)機制，需要考察“空間結構”與“地理運動”的關系。

因此，“功能區(qū)”與“區(qū)域外部性”是認識空間相互作用及其環(huán)境效應的一個新視角，從這個視角出發(fā)可以解決：環(huán)境效應的內(nèi)涵；環(huán)境效應的性質，包括正面的效應和負面的效應；環(huán)境效應的“空間作用機理”，即明晰環(huán)境效應的“區(qū)域責任”；在明晰“區(qū)域責任”的基礎上協(xié)調區(qū)域關系，即不僅通過改進人地關系，也通過改進區(qū)域關系實現(xiàn)環(huán)境效應的優(yōu)化——根據(jù)地理運動的客觀規(guī)律制定相應的政策、制度，實現(xiàn)區(qū)域關系的協(xié)調發(fā)展。

在環(huán)境效應研究中，地理學一般注重的是人類經(jīng)濟活動與環(huán)境演變之間自然規(guī)律的一方面，對經(jīng)濟關系注意不夠，功能區(qū)和區(qū)域外部性的研究有助于地理學從制度、體制和政策等內(nèi)在關系方面增強解決問題的能力，推動地理學在內(nèi)在關系研究方面的進展。

三、新思維——跨學科的“微觀－宏觀機制”相結合

西方經(jīng)濟學從市場失靈角度對于“外部性”（環(huán)境影響）的研究，提出“公共物品”問題，揭示了在產(chǎn)權不明晰的條件下資源環(huán)境問題產(chǎn)生的必然性，提出產(chǎn)權可以明確責任者、受益者，以通過交易“回歸”市場調節(jié)，這為研究空間相互作用與環(huán)境效應提供了“微觀機制”思路。但經(jīng)濟學又無法在具體的地理空間去追查具體的經(jīng)濟活動者（企業(yè)或區(qū)域）。而“地理運動”是具體的，通過其外部作用的方向、路徑、范圍、等級、梯度和強度等的考察，有助于找到責任者或受害者（區(qū)域），不但能夠彌補經(jīng)濟學的不足，更重要的是為區(qū)域政策的制定和實施提供科學的依據(jù)，即基于“微觀機制”基礎形成“宏觀機制”思路。

區(qū)域是具有經(jīng)濟—社會—環(huán)境意義的地理空間，相互作用機制是復雜的、非線性的，不但要進行基于企業(yè)或區(qū)域的產(chǎn)權交易、“成本—效益”等微觀經(jīng)濟機制分析，還要基于不同時空尺度區(qū)域“結構—功能”的宏觀空間機制分析。單純地理學或經(jīng)濟學意義上的分析則缺乏深刻的機制探討，需要從經(jīng)濟學、社會學等人文科學，系統(tǒng)科學、物理學、幾何學、環(huán)境科學、地質學等自然科學，甚至是從建筑學、流行病學等各相關學科的發(fā)展中尋求“思想靈感”。

四、科學理論的新探索

1.區(qū)域外部性、環(huán)境效應與地理運動的內(nèi)在關系

“區(qū)域外部性”在西方經(jīng)濟地理文獻中已經(jīng)是一個比較普遍應用的概念?！巴獠啃浴钡难芯渴加谖鞣浇?jīng)濟學在1920年代對市場失靈的考察，定義為個人經(jīng)濟活動對他人造成的影響而又未將這些影響計入市場交易的成本與價格之中。解決市場失靈的思路之一是政府的介入，形成了對污染者征稅和對受害者補貼的政策結果。1960年代形成了另一思路——在“公共空間”、“公共池塘”等概念下明晰“產(chǎn)權”，明晰責任者和受益（害）者，通過談判——交易機制解決問題。

地理學關于地球表層系統(tǒng)和物質遷移運動的“過程—格局—機理”研究是外部性研究的又一個起點。通過揭示發(fā)生在垂直圈層系統(tǒng)之間的物質循環(huán)，水平方向上的水和碳循環(huán)的過程與格局，解釋了引起全球變化的物質運動機理。而我國1960年代開始的對青藏高原隆起與東亞季風、黃土高原形成和發(fā)展的綜合自然地理研究，對黃河流域上中下游各個部分相互作用的研究則證實了在自然地理環(huán)境整體性規(guī)定下區(qū)域外部性與區(qū)域差異性同樣是客觀存在的。

資源環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展問題受到關注以后，地理學對沙漠化、風沙源、土地荒漠化、農(nóng)牧交錯帶、生態(tài)系統(tǒng)作用、水土流失等的研究實際上已經(jīng)涉及到區(qū)域外部性問題和其它地理運動機理。土地利用和覆被變化（LUCC）及其生態(tài)環(huán)境效應研究則是從地理格局角度出發(fā)，研究地理運動及其過程的重大進展。“地學信息圖譜”是從水文過程、景觀格局視角出發(fā)探討地理運動的一個工具，其成果中可以明確看到區(qū)域外部性及地理運動的過程。

與環(huán)境科學的結合明確了地理學對區(qū)域外部性研究的“地理方向”——對大氣污染物的空間擴散、跨流域調水工程的生態(tài)環(huán)境效應和流域尺度上的河流污染、水土流失問題研究。對自然災害的研究具有更明確的外部性方向，如洪水、滑坡、泥石流、火山噴出物等，都可以運用遙感和地面觀察資料做地理運動規(guī)律的探討。

西方經(jīng)濟地理學研究區(qū)域外部性的起點是“外部節(jié)約”，用來揭示“增長極”（企業(yè)或區(qū)域）對其它地區(qū)或產(chǎn)業(yè)的帶動機制，從1940年代西方社會地理學發(fā)源的“擴散”和西方經(jīng)濟學從經(jīng)濟周期規(guī)律研究中提出的“創(chuàng)新”，揭示了發(fā)展關聯(lián)的過程和機理，為地理運動研究提供了最基本的分析工具——“創(chuàng)新”作為運動驅動力、擴散作為運動的方式。但是，西方經(jīng)濟學和經(jīng)濟地理學所回答的還不是具有地理方向和路線意義上的地理運動問題。

戰(zhàn)后發(fā)展經(jīng)濟學對全球發(fā)展的“核心—外緣地”的研究和1960年以后西方社會地理學對擴散的等級、梯度、跳躍等運動形式的研究，開啟了從經(jīng)濟空間結構角度出發(fā)研究空間運動的方向。

我國的經(jīng)濟地理學從經(jīng)濟發(fā)展空間結構角度出發(fā)，提出了點—軸、條帶、梯度等重大理論成果，廣泛地應用于我國的經(jīng)濟地域開發(fā)戰(zhàn)略，有力地推動了我國經(jīng)濟地理學理論和空間結構研究的進展，為進一步探討地理運動在空間結構過程中的作用提供了明確的方向。

近年來，我國學者結合區(qū)域發(fā)展的地域分異現(xiàn)象進行了大量研究，注意到了沿海等地域經(jīng)濟發(fā)展的“峰谷現(xiàn)象”、發(fā)達地區(qū)周邊“貧困帶現(xiàn)象”、核心極化與周邊地區(qū)邊緣化的“空間剝奪現(xiàn)象”等，已經(jīng)涉及了區(qū)域外部性、界面效應、發(fā)展關聯(lián)效應，但對其內(nèi)涵、結構與功能、作用機制（發(fā)展關聯(lián)的方向選擇與地理障礙等）等尚待從理論與實證上進一步深入研究。

2.外部性理論——通過區(qū)域外部性認識區(qū)域空間相互作用“過程”

區(qū)域外部性大致可分為兩種表現(xiàn)形式：①經(jīng)濟地域表現(xiàn)為核心、軸帶、網(wǎng)絡區(qū)域等地域形式，具有發(fā)展關聯(lián)（集聚、擴散、轉移等）外部作用。②自然生態(tài)地域則空間尺度特征明顯，如微觀尺度上的林地很難產(chǎn)生可以觀察到的外部性，而一個自然地理綜合體，如長白山地、松嫩平原、黃土高原、青藏高原等，擁有多種生態(tài)系統(tǒng)，并為物質遷移提供足夠的空間而產(chǎn)生明顯的外部作用。但國家和行政區(qū)的存在“分割”了自然生態(tài)地域和經(jīng)濟地域，形成了“產(chǎn)權”，導致“私人物品（內(nèi)部利益）”與“公共物品（系統(tǒng)利益）”的矛盾。

區(qū)域外部作用依賴地理運動而實現(xiàn)——大氣循環(huán)、水循環(huán)等作為承載地表物質運動的載體，交通及其網(wǎng)絡等作為承載經(jīng)濟要素運動的載體，以及自行的運動如生物遷移、人口遷移等。地理運動表現(xiàn)為人文要素的集聚與擴散（圈層、等級、跳躍等）和自然要素的運動與遷移，具有方向、路線、距離、梯度、強度等，表現(xiàn)為地理空間格局（靜態(tài)、動態(tài)）的變化過程和區(qū)域關聯(lián)。

3.界面理論——通過界面效應認識區(qū)域空間相互作用的發(fā)展“格局”

這里所指的界面，是多個具有經(jīng)濟—社會—環(huán)境空間的“中心地”在發(fā)展過程中的共同作用空間——“共軛空間”，往往是自然界面（如平原與山地過渡帶、海陸過渡帶、農(nóng)牧交錯帶等）和社會經(jīng)濟界面（如行政界面、文化界面、城鄉(xiāng)界面等）的復合界面。在區(qū)域之間發(fā)生相互作用時——物質、能量或信息等的交流，必然會產(chǎn)生相應的“界面結構”——具有獨特性質的新系統(tǒng)來“支撐”或“阻礙”這種交流，從而產(chǎn)生“界面效應”。界面是動態(tài)變化的開放系統(tǒng)，具有“尺度”屬性。

環(huán)境管理學的分析認為，環(huán)境問題主要源自于人類在界面上的活動：①來自不同事物或系統(tǒng)的物質、能量或信息等往往具有不同的運動方向或變化趨勢，因此，界面上極易出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象或復雜的矛盾，穩(wěn)定性最差。②界面是不同組成部分共同追求利益的所在，“產(chǎn)權”不明晰，容易成為“公共池塘”，尤其是跨國家、跨區(qū)域的自然界面，如河流、湖泊等。這為研究提供了一個思路。地質運動、光電傳導、流行病傳播、建筑界面設計等研究也提供了可以借鑒的思路。

因此，界面結構的形成與發(fā)展變化，反映了區(qū)域空間相互作用的發(fā)展格局，影響著區(qū)域的穩(wěn)定性和發(fā)展方向。界面效應有可能成為區(qū)域人地關系研究中一個新的增長點。

4.發(fā)展關聯(lián)理論——通過發(fā)展關聯(lián)效應認識區(qū)域空間相互作用的“機理”

區(qū)域的發(fā)展關聯(lián)效應主要表現(xiàn)出兩種形式：①“發(fā)展競爭”——發(fā)展機會剝奪，即對經(jīng)濟要素和發(fā)展機會的競爭與壟斷。② “發(fā)展互利”——發(fā)展成果擴散。一者表現(xiàn)為資本、技術、信息等“要素擴散”，二者表現(xiàn)為技術、產(chǎn)品、體制機制等的“創(chuàng)新擴散”。

發(fā)展關聯(lián)效應將產(chǎn)生一系列地域性問題——核心、軸帶、網(wǎng)絡與邊緣化地域并存，發(fā)展機會不平等，發(fā)展成果擴散的“地理障礙”等，具有階段性特征。

發(fā)展關聯(lián)類型在國家層面上表現(xiàn)為三個全局性的發(fā)展中心（長三角、珠三角、京津冀）對周邊及其它地區(qū)的關聯(lián)，在區(qū)域層面上則表現(xiàn)為核心城市、城市群、發(fā)展軸帶等與周邊地區(qū)，以及跨區(qū)域的關聯(lián)。

因此，研究發(fā)展關聯(lián)效應不但涉及微觀層面的機制分析，也涉及宏觀層面的機制探討。

區(qū)域外部性理論、界面理論與發(fā)展關聯(lián)理論的綜合研究是對空間相互作用理論的新發(fā)展，而空間相互作用理論是區(qū)域人地關系研究的重要理論指導。

資助項目：國家自然科學基金（40471034），國家社科基金重大項目（06&ZD038）

參考文獻

[1]許學強、周一星、寧越敏，城市地理學[M]，北京：高等教育出版社，1997.

[2]Ullman E L. American Commodity Flow [M]， Seattle: University of Washington Press， 1957.

[3]Ohlin B， Interregional and International Trade[M]， Cambridge: Harvard University Press， Mass.， 1933.

[4]Stouffer S. Intervening opportunities: A theory relating mobility to distance[J]，American Sociological Reviews， 1940（5）.

[5]Reily W J. Methods for the study of retail relationship[M]， Austin， TX: University of Texas， 1929.

[6]Converse P D. Elements of Marketing[M]，New Jersey: Engle-wood Cliffs， 1930.

[7]Zipf G..K. Human Behavior and the principle of least effort[M]，Reading. MA: Addison- Wesley， 1949.

[8]Zimobzark/Stawsfield，Innovation and diffusion of technology，Part4，The Human Landscape Geography

and Culture，2nd edition，Glassbox State Charles EEerrell

Publishing Company，1983：105-122.

[9]L.A.Bron，E.G.Moore，Diffusion research in geo-

graphy perspective，Progress in Geography[J]，International review of Current Research，Vol.1，Ed.ByCristopher Board， Reachad J Charley，Newyork，St，Martna Press，1989:123-147.

[10]Weidlich， W.&Haag， G. Concepts and models of a quantity[M]，Tive. Sociology， 1983.

[11]Morton E OKelly， A geographers analysis of hub-and-spoke[J]， Journal of Transport Geography， 1998，6(3):171-186.

[12]顧朝林，中國城市經(jīng)濟區(qū)劃分的初步研究[J]，《地理學報》，1991，46（2）：129-141.

[13]張文嘗、金鳳君等，空間運輸聯(lián)系——理論研究?實證分析?預測方法[M]，北京：中國鐵道出版社，1992.

[14]金鳳君，我國航空客流網(wǎng)絡發(fā)展及其地域系統(tǒng)研究[J]，《地理研究》，2001，20（1）：31-39.

[15]張敏、顧朝林，近期中國省際經(jīng)濟社會要素流動的空間特征[J]，《地理研究》，2002，21（3）：313-323.

[16]戴特奇、金鳳君、王姣娥，空間相互作用與城市關聯(lián)網(wǎng)絡演進——以我國20世紀90年代城際鐵路客流為例[J]，《地理科學進展》，2005，24（2）：80-89.

[17]Taylor P J，Distance transformation and distance decay function[J]，Geographical Analysis，1971，3（3）:221-238.

[18]William J Ceffey， Geography Towards a General Spatial Systems Approach[M]， Methnen， London & Newyork， 1981:153-178.

[19]Fotheringham A Stewart， Spatial structure， spatial interaction and distance-decay parameters， Ph D.Thesis， Department of Geography， McMaster University， Hamilton， Ontario， 1980等中外文獻49篇.