空间相互作用与环境效应:研究进展与新探索

王荣成

一、国内外空间相互作用的理论与实践研究

城市与区域作为人类经济、社会、文化、政治等活动的空间和物质载体，城市之间、城市与区域之间总是在时间和空间上不断地进行着物质、能量、人员、信息等的交换，这种时空上的交换即为空间相互作用[1]。空间相互作用原理最早由美国地理学家E.L.Ullman提出[2]，他综合B.Ohlin[3]、S.Stouffer[4]等人的观点，大量吸收物理学、统计力学、经济学的理论与模型，形成了空间相互作用理论。

大量数学模型的运用促进了空间相互作用的定量分析方法和模式，丰富了地理学的研究方式。19世纪80年代，英国人口学家Ravenstein首次在人文社会科学领域使用了万有引力模型。引力模型经1929年W.J.Reily的零售市场引力法则[5]、1949年P.D.Converse的断裂点公式[6]和G.K.Zipf[7]等的演绎和推广之后，在地理学研究中，尤其是在城市等级体系、城市吸引区边界的确定等领域得到普遍应用，但在研究系统边界、障碍、排斥等概念时，有较大局限性。瑞典学者T.Hagerstrand于1953年在其论文“作为空间过程的创新扩散”中首次提出空间扩散的问题，认为各种空间扩散过程具有独特的一套屏障作用和不均质的社会经济，其后得到广泛盛行[8]。1969年Wilson把相互作用分为宏观和微观两个层次，借鉴了统计力学的思想，提出最大熵模型，使空间相互作用理论获得突破性进展，被应用于交通货运流的预测研究[9]。1980年代，由Haken创立的协同学与传统的社会学联姻，形成一门新兴的交叉科学——定量社会学[10]，其中一些理论思想和研究手段对研究空间相互作用问题很有借鉴意义。1980年代中后期以来，随着高速公路、航空等新型交通运输方式的普及，互联网的快速发展及其带来的交通通讯方式的改变，在研究区域人口、物质、技术、信息等流动中产生了新的变化，在航空客流研究中提出了“轴—辐（Hub-and-spoke）”等新的理念[11]。

我国众多的人文地理学者，尤其是经济地理、城市地理、交通运输地理等学者们在1980年代后借鉴和引进了国外空间相互作用的相关理论与模型，演绎和推广了相关模型，如分形理论模型等，并广泛应用于城市体系、城市经济区、空间运输联系、城市关联网络等领域的研究[12-16]。

总体来说，国内外空间相互作用研究主要基于“空间流”的分析[17-19]，在城市空间相互作用研究中已成为一种趋向，客流（侧重航空客流）分析为主，相对缺乏物流实证，技术信息流分析则更为困难，空间流分析的拓展空间广阔。近期国际研究则主要侧重于全球或洲际城市体系研究，忽视了区域尺度。我国学者则在国家层面或以相对发达地区如京津、长三角、珠三角等地区为主，集中于城市空间相互作用研究，极少涉及正处于成长中的区域如东北地区、中西部地区的城市与区域空间相互作用的探讨。另外，已有研究侧重于空间相互作用的影响因素、相互作用特征以及模型的运用与发展，大多局限于经济领域，较少涉及社会领域，对环境影响、生态服务则研究更少。

二、新视角——“功能区”与“区域外部性”

在区域研究上，探求和表现区域之间的“差异性”一直是地理学的焦点和热点，而对其间的“关联性”研究则基本局限在地球表层物质运动和“整体性”的领域里。区域性是地理学认识问题的独特视角之一。认识区域性又可以从两个视角出发：差异区与功能区。“功能区”是区别于“差异区”的又一种区域观：①功能区是从外部功能角度来识别区域，注重区域的一致性，强调一个区域对其它区域的作用，即区域的空间作用。②功能区是类型区，不但强调区域内部结构分析，更注重演化、发展、迁移等地理过程及由此而形成的新的区域结构等动态格局。

区域作为人类社会经济活动中的一个行为主体，在某个地理位置上占有一定范围的地理环境，或起到环境支撑功能（提供自然与经济资源、生态服务等），即更多地作为“环境空间”存在，或作为社会经济活动中心（人口—经济集聚体），即更多地作为“经济—社会空间”存在。区域发展所形成的各种具有鲜明功能的空间地域，如增长极、点—轴、条带、网络、圈层、核心—边缘地和相对落后地区等，它们的整体构成“空间结构”——是具有环境－经济－社会空间的“中心地”在不同时空尺度上不断相互作用的结果，是空间相互作用的静态表现形式。

区域空间作用问题受到越来越多的关注，一个重要问题是，这种空间作用往往具有“外部性”特征，环境经济学的分析认为这正是导致资源、环境和生态问题的根源［28］。但，这只是“外部性”的一个领域。

这里，我们把“区域外部性”界定为：一个区域的经济发展和生态环境变化——在工业化、城市化过程中——对其它区域产生的、不受市场力量作用的外部影响，即产生“环境效应”。环境效应具有综合性的特征，区分为三个方面：环境影响、生态服务和发展关联，表现为存在地理方向、路径、范围、距离、等级、梯度和强度各不相同的、动态的“地理运动”。理清环境效应的动态机制，需要考察“空间结构”与“地理运动”的关系。

因此，“功能区”与“区域外部性”是认识空间相互作用及其环境效应的一个新视角，从这个视角出发可以解决：环境效应的内涵；环境效应的性质，包括正面的效应和负面的效应；环境效应的“空间作用机理”，即明晰环境效应的“区域责任”；在明晰“区域责任”的基础上协调区域关系，即不仅通过改进人地关系，也通过改进区域关系实现环境效应的优化——根据地理运动的客观规律制定相应的政策、制度，实现区域关系的协调发展。

在环境效应研究中，地理学一般注重的是人类经济活动与环境演变之间自然规律的一方面，对经济关系注意不够，功能区和区域外部性的研究有助于地理学从制度、体制和政策等内在关系方面增强解决问题的能力，推动地理学在内在关系研究方面的进展。

三、新思维——跨学科的“微观－宏观机制”相结合

西方经济学从市场失灵角度对于“外部性”（环境影响）的研究，提出“公共物品”问题，揭示了在产权不明晰的条件下资源环境问题产生的必然性，提出产权可以明确责任者、受益者，以通过交易“回归”市场调节，这为研究空间相互作用与环境效应提供了“微观机制”思路。但经济学又无法在具体的地理空间去追查具体的经济活动者（企业或区域）。而“地理运动”是具体的，通过其外部作用的方向、路径、范围、等级、梯度和强度等的考察，有助于找到责任者或受害者（区域），不但能够弥补经济学的不足，更重要的是为区域政策的制定和实施提供科学的依据，即基于“微观机制”基础形成“宏观机制”思路。

区域是具有经济—社会—环境意义的地理空间，相互作用机制是复杂的、非线性的，不但要进行基于企业或区域的产权交易、“成本—效益”等微观经济机制分析，还要基于不同时空尺度区域“结构—功能”的宏观空间机制分析。单纯地理学或经济学意义上的分析则缺乏深刻的机制探讨，需要从经济学、社会学等人文科学，系统科学、物理学、几何学、环境科学、地质学等自然科学，甚至是从建筑学、流行病学等各相关学科的发展中寻求“思想灵感”。

四、科学理论的新探索

1.区域外部性、环境效应与地理运动的内在关系

“区域外部性”在西方经济地理文献中已经是一个比较普遍应用的概念。“外部性”的研究始于西方经济学在1920年代对市场失灵的考察，定义为个人经济活动对他人造成的影响而又未将这些影响计入市场交易的成本与价格之中。解决市场失灵的思路之一是政府的介入，形成了对污染者征税和对受害者补贴的政策结果。1960年代形成了另一思路——在“公共空间”、“公共池塘”等概念下明晰“产权”，明晰责任者和受益（害）者，通过谈判——交易机制解决问题。

地理学关于地球表层系统和物质迁移运动的“过程—格局—机理”研究是外部性研究的又一个起点。通过揭示发生在垂直圈层系统之间的物质循环，水平方向上的水和碳循环的过程与格局，解释了引起全球变化的物质运动机理。而我国1960年代开始的对青藏高原隆起与东亚季风、黄土高原形成和发展的综合自然地理研究，对黄河流域上中下游各个部分相互作用的研究则证实了在自然地理环境整体性规定下区域外部性与区域差异性同样是客观存在的。

资源环境和可持续发展问题受到关注以后，地理学对沙漠化、风沙源、土地荒漠化、农牧交错带、生态系统作用、水土流失等的研究实际上已经涉及到区域外部性问题和其它地理运动机理。土地利用和覆被变化（LUCC）及其生态环境效应研究则是从地理格局角度出发，研究地理运动及其过程的重大进展。“地学信息图谱”是从水文过程、景观格局视角出发探讨地理运动的一个工具，其成果中可以明确看到区域外部性及地理运动的过程。

与环境科学的结合明确了地理学对区域外部性研究的“地理方向”——对大气污染物的空间扩散、跨流域调水工程的生态环境效应和流域尺度上的河流污染、水土流失问题研究。对自然灾害的研究具有更明确的外部性方向，如洪水、滑坡、泥石流、火山喷出物等，都可以运用遥感和地面观察资料做地理运动规律的探讨。

西方经济地理学研究区域外部性的起点是“外部节约”，用来揭示“增长极”（企业或区域）对其它地区或产业的带动机制，从1940年代西方社会地理学发源的“扩散”和西方经济学从经济周期规律研究中提出的“创新”，揭示了发展关联的过程和机理，为地理运动研究提供了最基本的分析工具——“创新”作为运动驱动力、扩散作为运动的方式。但是，西方经济学和经济地理学所回答的还不是具有地理方向和路线意义上的地理运动问题。

战后发展经济学对全球发展的“核心—外缘地”的研究和1960年以后西方社会地理学对扩散的等级、梯度、跳跃等运动形式的研究，开启了从经济空间结构角度出发研究空间运动的方向。

我国的经济地理学从经济发展空间结构角度出发，提出了点—轴、条带、梯度等重大理论成果，广泛地应用于我国的经济地域开发战略，有力地推动了我国经济地理学理论和空间结构研究的进展，为进一步探讨地理运动在空间结构过程中的作用提供了明确的方向。

近年来，我国学者结合区域发展的地域分异现象进行了大量研究，注意到了沿海等地域经济发展的“峰谷现象”、发达地区周边“贫困带现象”、核心极化与周边地区边缘化的“空间剥夺现象”等，已经涉及了区域外部性、界面效应、发展关联效应，但对其内涵、结构与功能、作用机制（发展关联的方向选择与地理障碍等）等尚待从理论与实证上进一步深入研究。

2.外部性理论——通过区域外部性认识区域空间相互作用“过程”

区域外部性大致可分为两种表现形式：①经济地域表现为核心、轴带、网络区域等地域形式，具有发展关联（集聚、扩散、转移等）外部作用。②自然生态地域则空间尺度特征明显，如微观尺度上的林地很难产生可以观察到的外部性，而一个自然地理综合体，如长白山地、松嫩平原、黄土高原、青藏高原等，拥有多种生态系统，并为物质迁移提供足够的空间而产生明显的外部作用。但国家和行政区的存在“分割”了自然生态地域和经济地域，形成了“产权”，导致“私人物品（内部利益）”与“公共物品（系统利益）”的矛盾。

区域外部作用依赖地理运动而实现——大气循环、水循环等作为承载地表物质运动的载体，交通及其网络等作为承载经济要素运动的载体，以及自行的运动如生物迁移、人口迁移等。地理运动表现为人文要素的集聚与扩散（圈层、等级、跳跃等）和自然要素的运动与迁移，具有方向、路线、距离、梯度、强度等，表现为地理空间格局（静态、动态）的变化过程和区域关联。

3.界面理论——通过界面效应认识区域空间相互作用的发展“格局”

这里所指的界面，是多个具有经济—社会—环境空间的“中心地”在发展过程中的共同作用空间——“共轭空间”，往往是自然界面（如平原与山地过渡带、海陆过渡带、农牧交错带等）和社会经济界面（如行政界面、文化界面、城乡界面等）的复合界面。在区域之间发生相互作用时——物质、能量或信息等的交流，必然会产生相应的“界面结构”——具有独特性质的新系统来“支撑”或“阻碍”这种交流，从而产生“界面效应”。界面是动态变化的开放系统，具有“尺度”属性。

环境管理学的分析认为，环境问题主要源自于人类在界面上的活动：①来自不同事物或系统的物质、能量或信息等往往具有不同的运动方向或变化趋势，因此，界面上极易出现不均衡的现象或复杂的矛盾，稳定性最差。②界面是不同组成部分共同追求利益的所在，“产权”不明晰，容易成为“公共池塘”，尤其是跨国家、跨区域的自然界面，如河流、湖泊等。这为研究提供了一个思路。地质运动、光电传导、流行病传播、建筑界面设计等研究也提供了可以借鉴的思路。

因此，界面结构的形成与发展变化，反映了区域空间相互作用的发展格局，影响着区域的稳定性和发展方向。界面效应有可能成为区域人地关系研究中一个新的增长点。

4.发展关联理论——通过发展关联效应认识区域空间相互作用的“机理”

区域的发展关联效应主要表现出两种形式：①“发展竞争”——发展机会剥夺，即对经济要素和发展机会的竞争与垄断。② “发展互利”——发展成果扩散。一者表现为资本、技术、信息等“要素扩散”，二者表现为技术、产品、体制机制等的“创新扩散”。

发展关联效应将产生一系列地域性问题——核心、轴带、网络与边缘化地域并存，发展机会不平等，发展成果扩散的“地理障碍”等，具有阶段性特征。

发展关联类型在国家层面上表现为三个全局性的发展中心（长三角、珠三角、京津冀）对周边及其它地区的关联，在区域层面上则表现为核心城市、城市群、发展轴带等与周边地区，以及跨区域的关联。

因此，研究发展关联效应不但涉及微观层面的机制分析，也涉及宏观层面的机制探讨。

区域外部性理论、界面理论与发展关联理论的综合研究是对空间相互作用理论的新发展，而空间相互作用理论是区域人地关系研究的重要理论指导。

资助项目：国家自然科学基金（40471034），国家社科基金重大项目（06&ZD038）

参考文献

[1]许学强、周一星、宁越敏，城市地理学[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]顾朝林，中国城市经济区划分的初步研究[J]，《地理学报》，1991，46（2）：129-141.

[13]张文尝、金凤君等，空间运输联系——理论研究•实证分析•预测方法[M]，北京：中国铁道出版社，1992.

[14]金凤君，我国航空客流网络发展及其地域系统研究[J]，《地理研究》，2001，20（1）：31-39.

[15]张敏、顾朝林，近期中国省际经济社会要素流动的空间特征[J]，《地理研究》，2002，21（3）：313-323.

[16]戴特奇、金凤君、王姣娥，空间相互作用与城市关联网络演进——以我国20世纪90年代城际铁路客流为例[J]，《地理科学进展》，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等中外文献49篇.