适应性循环视角下绿色空间与城市发展的耦合研究*——以成都市1949—2018年为例

曾昭君 叶 强 ZENG Zhaojun, YE Qiang

0 引言

国内外学者探索城市可持续发展模式的过程中，绿色空间的建设与城市发展的耦合关系始终是研究与实践的重要议题[1-3]。绿色空间是城市重要的自然空间[4-5]，其服务水平受到城市发展的约束，同时影响着城市发展的水平[6-7]。表现在空间和时间上，则是与城市物质空间发展的交互胁迫[8]，从而形成城市生态—社会耦合系统[9]。该系统具有复杂适应系统的特征[10]，系统内的个体能够与环境以及其他个体进行交流，不断进行演化学习，并根据学到的经验改变自身的结构和行为方式[11]。近年来，随着城市不确定性因素如极端天气、公共卫生事件频繁发生，对城市耦合系统的冲击日益明显[12]，如何科学评估和提高耦合系统的适应性已经成为城市发展模式研究的热点[13-14]。而辨识耦合系统适应性的形成机制，剖析系统内部各要素的相互作用方式、演进规律等对提高系统适应性至关重要。绿色空间与城市空间作为城市生态—社会系统的重要组成部分，必须对二者的耦合特征以及对耦合系统适应水平的影响机制展开深入讨论。

适应性循环理论及模型是在演进弹性理论下产生的描述复杂系统随时间演进的一种模型[15]，反映出复杂系统在自我演进以及受到外界冲击前后，系统内部各子系统之间耦合作用发生强弱变化，系统形成生长（或倒退）、维持、释放、重组四个阶段的循环演替。在演进过程中，系统的弹性、脆弱性也随之变化，其适应性则在这循环过程中实现自我调节[16]。该理论为解释系统在演进过程中适应性的变化提供了科学依据，也对剖析适应性的形成机制提供了理论基础。相对于传统的系统论，适应性循环理论并不追求绝对的终极结果，而更关注系统演进的过程，系统状态不再是静止和唯一的，而是动态的、可转换的。此外，它将系统内部子系统的耦合程度与系统的适应能力联系起来，通过判别耦合系统的作用关系，可以推导出系统适应水平的变化趋势。这种理论和分析模型将使研究结论更加客观，使决策更具包容性和弹性[17]。在此理论基础上，本文聚焦时间演进尺度，建立起绿色空间与城市发展的耦合特征与系统适应性之间的动态关联，通过定量分析系统耦合特征的变化及影响因素，进而判断系统适应水平的变化规律及趋势。

1 适应性循环视角下绿色空间与城市发展的耦合机理

1.1 绿色空间与城市发展的耦合机理模型构建

绿色空间与城市发展构成的生态—社会耦合系统具有复杂系统的属性，遵循适应性循环规律。依此搭建绿色空间与城市发展的耦合系统演进模型，如图1所示。可以看到，在城市发展过程中，绿色空间与城市发展的耦合作用不断发生着加强—减弱/零—重新加强的循环，二者形成的耦合系统则不断发生着生长—维持—释放—重组的循环过程。每个过程的时间长短不是绝对的，且有可能跳过某个阶段。具体的变化规律如下：

图1 适应性循环视角下绿色空间与城市发展的耦合机理模型Fig.1 the adaptive cycle framework of the coupling system of green space and urban space structure

1.1.1 生长 / 倒退阶段（r）

这一阶段城市多为有序发展阶段，表现为空间扩张、人口增加等，城市的空间结构初现，而城市中的绿色空间的面积减少，服务水平也逐渐降低。另一种情况是绿色空间有序发展而城市发展停滞或倒退，表现为城市收缩，人口减少等，绿色空间随之面积增加，生态系统逐渐进行自我修复。由于绿色空间与城市发展的耦合作用刚刚开始，相互影响较弱，因此耦合系统的适应水平较高，但呈现逐渐降低的趋势，同时系统的弹性减弱，脆弱性增加。

1.1.2 维持阶段（κ）

这一阶段绿色空间与城市发展的耦合状态表现为强耦合，二者相互抑制。如绿色空间的面积、结构明显受城市空间结构的限制，如城市扩张带来绿色空间破碎化，而绿色空间的锐减带来城市环境恶化，直接影响城市发展水平等。随着系统内部相互作用逐渐增强，耦合系统进入稳定发展、高效运转的状态，而这种强耦合必然导致自身灵活性降低，弹性下降，面对外来冲击时更加脆弱，耦合系统的适应水平越来越低。如果是由倒退阶段到这一阶段，绿色空间是更加有序的发展，但城市的发展表现为倒退、混乱，但耦合系统缺少有效的社会治理机制应对冲击，因此依然处于十分脆弱的状态。

1.1.3 释放阶段（Ω）

绿色空间与城市发展的耦合作用达到临界状态，在外在冲击如自然灾害、疫情、导向性政策的干扰下，相互作用关系减弱，甚至脱离，耦合关系变为弱耦合或零耦合。绿色空间不再或较少受到城市空间结构的控制，也不再对其产生影响，或影响微弱。系统的运转处于停滞或内部自我演替的状态，称之为释放阶段。这一阶段中，耦合系统杂乱无序，不确定向哪个方向发展，但系统将重新开始适应环境，因此适应水平变高，弹性开始增加。

1.1.4 重组阶段（γ）

在经历冲击之后，绿色空间与城市发展各自都在快速发展，但二者相互作用十分微弱，耦合关系仍为弱耦合或零耦合。如旧城更新，是城市物质空间的自我完善；如对大型绿色空间的严格保护，是促进植物群落的自我修复。耦合系统在这一阶段表现为重组和新生，可能是重复上一个周期的发展模式，亦可能在外界冲击影响下生成新的发展模式，系统状态要么最活跃，要么最衰败，具有明显的不确定性。但这一时期耦合系统的弹性最大，适应水平也最强，是城市发展过程中耦合系统最理想的状态。

1.2 耦合特征评价指标体系建构

为进一步定量判断耦合系统的演进状态，可以建立绿色空间服务水平、城市发展水平两大指标体系来测算两个系统的耦合度和关联度，得出二者的耦合状态变化阶段和轨迹（表1）。本文在遵循科学性、可操作性、普适性的原则基础上，首先通过文献统计法对相关研究中出现的有关指标进行统计，筛选出现频次较高的指标，并结合国家近年来出台的国土空间规划评价体系[18]，形成初步指标体系；其次，对指标进行内涵分析和归类，初步确定从环境卫生、空间扩张、土地效益、人口结构、社会公平五个方面反映城市发展水平的特征；从生态效益、社会效益两方面反映绿色空间服务水平，并对不同方面进行指标分解与细化；第三，对新中国成立以来的各城市年鉴进行查阅，筛选连续易得的指标。最终形成能有效反映连续时间尺度的绿色空间服务水平和城市发展水平的评价指标体系。

表1 绿色空间服务水平与城市发展水平评价指标体系Tab.1 the adaptive circular framework of the coupling system of green space and urban space structure

1.3 耦合特征计算方法

在明晰绿色空间服务水平与城市发展水平的耦合评价指标体系的基础上，参考其他学者在城市系统耦合研究方面的理论与实践[19-21]，运用灰色关联分析方法，建构关联度和耦合度模型，具体步骤参考黄晓军等人的研究方法[22]，首先运用极差法对历年数据进行标准化处理，然后运用关联度计算公式（1）计算绿色空间服务水平与城市发展水平各项指标间的关联程度，计算数值越大，说明两个指标关联性越大。最后引入耦合度模型，计算绿色空间与城市发展耦合系统各个年份的耦合度，见式（2）。其中数值越大，表明耦合度越大，系统相互作用越明显，由于关联系数均为正值，所以这里只能判断出耦合强度，无法分辨是正相关还是负相关。耦合强度越大，说明耦合系统的适应水平越低。最后根据耦合度连续年份的数据进一步计算变化率，见式（3），得出耦合度的演进规律，进而反映耦合系统适应水平的变化特征。

其中，γij是关联度，N是指标个数。

式（2）、（3）中，Ck为第k个年份的耦合度，m、l分别为绿色空间与城市发展构成两个系统的指标数。

2 研究对象及数据来源

2.1 研究对象

选取成都市为研究对象，以中心城区为研究范围，以1949年—2018年为研究时序，具体研究范围如图2-3所示。主要有以下两个原因：第一，成都市作为我国省会城市之一，在70年的城市发展过程中，既表现出土地多次扩张、经济飞速发展等特点，也深受外部冲击如暴雨、热岛、地震等灾害困扰。城市演进过程代表了我国多数大中城市，其绿色空间与城市发展的耦合演进特征具有普遍性；第二，成都市在人居环境建设方面一直走在全国前列，2018年又成为习近平总书记提出的“公园城市”首发地，具有极强示范性。运用适应性循环理论探索城市发展模式，有助于提高 “公园城市”理念与实践的创新性和科学性，加强成都的示范作用。

图2 研究范围Fig.2 research scope

2.2 数据来源

研究中有关绿色空间和城市发展的数据来源于《成都统计年鉴》《成都市城市建设统计年鉴（1949—1998）》《成都五十年》，以及《成都市城市总体规划（2011—2020）》《成都市城市总体规划（2016—2035）》《成都市绿地系统规划（2004）》《成都市绿地系统规划（2013—2020）》。

3 适应性循环视角下的耦合特征分析方法应用：以1949—2018年成都市为例

3.1 绿色空间与城市发展耦合系统演进特征分析

3.1.1 耦合度大小分析

利用公式（1）（2）测算出成都市绿色空间与城市发展在1949—2018年的历年关联度和耦合度。根据耦合度的大小，将70年的数据按照组距分组的方式划分为7组，如表2所示。

表2 绿色空间与城市发展耦合度分级表Tab.2 classification table of coupling degree between green space and urban space structure

从表中可以看出，新中国成立以来至2018年的70年中，成都绿色空间与城市发展的耦合度都在0.614 7～0.869 0的范围，这说明在历史演进过程中，二者始终处于较强耦合状态。耦合度等级与其对应的年份数目呈现中间多，两头少的纺锤体特点，大部分年份的耦合度数值位于中间第3、4、5级别，即中强高至超强，占总年份的69%，其中，耦合度范围在0.687 4～0.723 7的年份最多，达到30个，占70年的43%；第1和第7级别的年份数最少，各为2个，各占总年份数的3%；第2和第6级别的年份数分别为8个、14个，各占总年份数的11%和14%。这说明成都市自新中国成立以来绿色空间与城市发展的耦合系统的总体适应水平不高，这是城市在以消耗自然环境为代价的发展阶段中必然出现的状态，但极端的不适应或适应状态出现较少。从具体年份来看，耦合度中强级别的年份跨度从20世纪50年代末至20世纪90年代初，21世纪以来年份较少，说明在2000年之前耦合系统的适应性较低，且维持时间较长。耦合度超强及以上的年份中，主要集中在新中国成立后的4年以及1996—2012年，说明两个时间段的绿色空间与城市发展相互作用明显，耦合系统的适应能力极低。2012年以后的年份以中度及中强耦合度为主，说明成都在近期的发展中，外界干扰及系统内部调整增多，绿色空间与城市发展相互作用明显减弱，耦合系统适应水平较高。

3.1.2 耦合度变化特征判别

为分析绿色空间与城市发展耦合变化趋势，根据公式（3）计算历年耦合度变化率，运用组距分组的方式进行划分，将其分为7组，如表3所示。

表3 绿色空间与城市发展的耦合度变化率Tab.3 change rate of coupling degree between green space and urban space structure

从计算结果可以看出，耦合度变化率在第1级即0.05%～3.47%的年份最多，占全部年份的56.52%，说明70年的多数时期中，成都市绿色空间与城市发展耦合度的变化幅度不大，呈现出连续缓慢上升或下降的特征。第1级包含的39个年份中，以2000年以前的年份居多，说明这一时期的耦合系统较为稳定。第2级即耦合度变化率在3.47%～6.9%范围的年份数量次之，占到27.54%，既有独立年份，也有相邻年份，且覆盖了每个年代，可见每十年中，绿色空间与城市发展的耦合度都有一次较明显的升高或降低，说明耦合系统每十年有一次明显受外部冲击而调整的过程。其中1995年至2018年间的年份出现最多，可推断成都市1995年以后的耦合度波动较大，耦合系统经历了较为频繁的调整。第3—7级的变化幅度属于极端值，包含的年份数量都较少，各级别的年份数最多4个，最少1个，除第7级外都包含上升和下降的变化。从年份看，极端变化主要出现在1983—2009年，这正是改革开放以后经济快速发展的阶段。

图3 成都市中心城区土地面积变化柱状图Fig.3 histogram of land area change in the central city of chengdu

3.1.3 耦合阶段划分

根据历年耦合度和耦合度变化率的特征，将1949—2018年间耦合系统的演进过程划分为六个阶段，如图4所示。

短暂衰退期（1949—1952年），这一时期较为短暂，表现为每年绿色空间与城市发展的耦合作用强，但变化幅度较小，耦合系统的适应水平较低。分析其背景，新中国成立前城市发展的停滞甚至倒退，带来结果是绿色空间无人管理维护，反而自我恢复生长，耦合系统处于长期衰退的状态，新中国成立后，成都市暂处于过渡时期，职能部门经历新建及调整，城市大规模建设改造尚未开始，耦合系统维持衰退的状态，但由于系统较为脆弱，在面对外部冲击时，耦合系统极易转为释放状态。

缓慢生长期（1953—1982年），绿色空间与城市发展的耦合度从1952年陡降，之后总体呈现缓慢下降又缓慢上升的趋势，耦合度维持在0.69—0.76之间，以中强、强耦合为主，且变化幅度较小，说明在外部环境刺激下，耦合系统快速释放并进入新的循环，进入生长和维持阶段。耦合系统的适应水平由逐渐增加转为逐渐降低，且未发生明显的突变。从历史发展看，这是成都市实施第一个五年计划到改革开放刚起步的30年，城市经历了多次纠乱反正，经济恢复时期城市进行改造扩建，以系统内部各子系统的自我修缮和扩建为主，相互作用较弱，耦合度陡降；1958—1960年间，城市发展主要围绕工业建设开展，绿色空间建设被忽略；20世纪70年代后，城市发展几乎停滞，绿色空间遭到破坏，两个系统之间长期处于脱节的状态，耦合度继续缓慢下降，之后在改革开放初期缓慢上升。

快速释放期（1983—1985年），从图4可以看出，这三年的耦合度为70年间最低值，耦合度变化率出现了较极端的陡降和陡增，可见绿色空间与城市发展的耦合系统发生了由维持到释放、重组的突破性转变，适应水平较高。到1985年耦合度增加，耦合系统进入新的循环。从历史发展来看，主要受到以下重要因素的影响：1978年十一届三中全会后，成都市对绿色空间建设的重要性认识发生了质的转变；1982年，成都市被国务院确定为全国24座历史文化名城之一；以及1984年修编城市总体规划。这些决策和意识推动了耦合系统的演进。

图4 绿色空间与城市发展的耦合度及耦合度变化率折线图Fig.4 line chart of coupling degree and coupling degree change rate between green space and urban spatial structure

稳定适应期（1986—1992年），这一阶段绿色空间与城市发展的耦合度长期保持在0.7左右，且变化幅度不超过0.82%，形成了十分稳定的7年。耦合系统由上一阶段的释放、重组进入生长期，绿色空间与城市空间均有序发展，耦合系统的适应水平不高，但也未受到明显的外部冲击。

震荡调整期（1993—2012年），在20年的时间中，绿色空间与城市发展的耦合度忽大忽小，最多相差0.21，耦合度变化率陡增或陡降，最大绝对值为24.01%，波动十分明显。可见这一时期外界冲击较为频繁，促使耦合系统不断进行周期循环，长期处于大幅调整的状态。分析其背景，成都市在1993年编制了有史以来第一个城市体系规划，掀起了城乡建设的高潮。此后政策、市场的调整频繁，各子系统之间的作用方式也随之快速变化，这必然引起系统内部耦合水平的忽高忽低，适应能力极不稳定。

波动适应期（2013—2018年），这一阶段绿色空间与城市发展的耦合度和变化率的数值较上一时期均明显减小，耦合度以中、中强级别为主，变化率范围在1—4级，最大为13.07%。从演进过程看，耦合度大小和变化率都呈现出波动下降的特点。这说明耦合系统的适应水平在逐渐提高，且进行着较为频繁的循环。成都自2013年以来，虽然气候变化带来的极端灾害等不确定因素依然存在，但随着大量建设绿色空间、优化绿色格局的策略逐渐实施，耦合系统呈现出良性适应的状态，能够对抗一定的外部冲击。

3.2 耦合系统的耦合度大小变化特征的影响因素

为进一步揭示绿色空间与城市发展耦合特征的形成机制，需要剖析耦合系统在演进过程中各因素的相互作用程度和方式。对计算得出的关联度数据进行求平均值，并按大小进行排序，如表4所示，剖析影响耦合特征的主要因素及作用方式。

3.2.1 城市发展对绿色空间服务水平的影响因素

从表4中可以看出，城市发展水平评价指标中的地均固定资产投资（Y31）、人均居住面积(Y53)、道路面积(Y22)与绿色空间水平关联度最大，均达到0.8以上，成为影响绿色空间服务水平的主导因素。其中地均固定资产投资反映了土地建设成本的高低，这直接关系着绿色空间建设和维护成本；人均居住面积的大小反映了居民居住水平的高低，体现出居住环境的差异，而绿色空间是决定居住环境的重要因素，因此人均居住面积也与绿色空间服务水平有着高度关联；道路面积增加与城市空间的扩张、结构的优化有着密切联系，而城市扩张的过程中，必然带来绿色空间的变化，如面积减少、系统破碎化等，因此道路面积的与绿色空间水平也构成较强的关联性。

3.2.2 绿色空间对城市发展水平的影响因素

表4显示，绿色空间服务水平评价指标中的人均公园绿地面积（X13）、人均公园面积（X21）与城市发展水平关联度最大。分别为0.82、0.80。这两个人均指标反映的是每人拥有公共绿色空间、城市公园的面积，是国内外在过去较长一段时间用来评价绿色空间服务水平的主要指标，其数值大小也成为各决策部门的考核依据。要使人均拥有公共绿色空间增加，在人口不断增加的基础上，就需要更多的城市用地，这就必然引起城市发展在用地上的扩张和道路面积的增加。因此，这两个要素在较长时期内成为绿色空间对城市发展最主要的影响因素。

表4 绿色空间与城市发展耦合系统的指标关联度Tab.4 index correlation between green space and urban spatial structure coupling system

3.3 耦合系统的演进趋势及优化策略

3.3.1 耦合系统演进趋势预测

根据绿色空间与城市发展的耦合系统适应性循环演进规律进行分析，成都市绿色空间与城市发展的耦合关系可能出现以下情景：情景一，绿色空间与城市发展的耦合度继续降低，耦合度变化率较为稳定，耦合系统仍在释放和重组的阶段，适应性较强；情景二，耦合度转为增强，系统进入生长阶段，适应水平开始降低；在外部环境如政策刺激、自然及人为灾害等的不确定性事件的影响下，耦合度会产生波动，情景会不断转换。结合成都市近年来的实际情况来看，环城生态圈的完善、公园城市的建设都将促使绿色空间的生态和社会服务水平大幅提高，与城市发展的耦合度趋向减弱，耦合系统的适应性会相对较强。这使城市在面对当前全球疫情、雨洪灾害等突发事件的冲击时，能够有效的应对和消纳冲击，因此耦合系统相对波动适应期来说会较为稳定。但长期来看，长期尺度来看，容易产生绿色空间过度建设、城市运转效率低下等新的问题。

3.3.2 规划对策及建议

从耦合特征的计算公式及结果来看，指标数量一定的基础上：单个指标间的关联度越大，当年绿色空间与城市发展的耦合度就越大；其中关联度较大的指标对耦合度的影响最大，这些指标的变化明显控制着耦合系统不同状态的转化。因此，决策者在判断耦合系统适应水平的变化趋势之后，可以通过调节指标尤其是主导性指标的关联度来影响系统的演进状态。如耦合度过高时，可降低主要影响指标之间关联度，耦合度过低时，则适当提高。需要明确的是，作为复杂的生态—社会系统，不可能存在一种措施使系统达到绝对的适应，人为的干预旨在减少过度耦合或过度释放时产生的负面效应，但同时也可能带来新的隐患，如系统适应水平升高，城市运转效率则降低，系统适应水平较低时，遇到不确定因素时则损失巨大等等。因此，需要针对多情景来制定策略，并且对耦合系统的状态及发展趋势进行动态调整。

根据成都市近70年来的绿色空间与城市发展耦合现状，结合我国当前对提高城市韧性，建设公园城市的发展目标，提出以下发展策略和优化建议。

第一，要深入理解公园城市的目标，尽快改变单纯增加绿色空间的建设模式，探索更高效的绿色发展模式。可以引入绿色基础设施（green infrastructure）的理念和措施，提高绿色空间的复合功能，这一模式既包括绿色空间系统的自我优化，也强调绿色空间与其他物质空间如交通、市政管网等的紧密结合，在土地紧缺的中心城区还提倡将建筑空间与绿色空间有机结合等等。

第二，从具体指标间的关联度来看，绿色空间服务水平中的人均绿色空间面积、人均公园面积、园林绿化维护建设资金与城市发展水平中的人均城市建设用地面积、人均道路面积、地均固定资产投资、地均GDP产值、人均居住面积等指标关联度较高，这些指标主导着耦合度的变化，可以通过提升或降低主导指标的关联度来有效调整耦合系统的适应水平。具体实施建议如下：一、提倡绿色空间的低成本建设理念，尽可能采用节能材料、经济性苗木、易维护的设施等进行建设，打造人性化、自然化的节约型绿色空间，使其建设成本不随固定资产、GDP产值的提升而明显增加；二、集约化利用土地，提升土地的复合功能，城市居住、道路等空间的扩张过程中尽量不牺牲服务水平较高的绿色空间，保障绿色空间系统的完整性和稳定性；三、通过优化绿色空间的内部结构提升绿色空间服务水平，从而降低对城市发展带来的限制。如加强对大型绿地生态效益的提升，发挥生物群落的自我修复功能，而在中心城区中则尽可能保留点状微绿地及古树，强化绿色空间的休闲、文化、生态复合效益。

4 结论与展望

研究依据适应性循环原理，解析了绿色空间与城市发展在历史演进过程中的耦合关系及其对应的耦合系统的适应水平；为定量测算耦合系统的耦合度，建立了绿色空间服务水平与城市发展水平的评价指标体系；以成都市为例，归纳出耦合系统1949—2018年间耦合度的变化规律，根据耦合特征划分出不同的演进阶段，并分析了耦合特征形成的主要影响因素。与其他关注系统静态耦合的研究相比，本研究可以帮助学者和决策者动态的辨识绿色空间与城市发展的作用关系，把握其主导影响因素。决策者可以运用适应性循环理论，根据城市不同发展阶段，兼顾长期历史演进和短期发展需求对耦合系统的耦合度及变化率进行科学合理的调节，促进耦合系统形成良性循环。最后，本研究考虑历史尺度连续数据的可获得性，只能反映出绿色空间、城市发展的总体水平，对系统内部结构特征分析尚存在局限性。在今后研究中，将聚焦近10年的时间尺度，进一步调整优化评价体系，更有效的反映耦合系统的空间演进特征。

图表来源：

图1-4：作者绘制

表1-4：作者绘制