導(dǎo)語

城市是人類文明的關(guān)鍵象征，承載著人們對美好生活的向往和追求。城市的繁榮與活力、衰退與轉(zhuǎn)型，與我們每個(gè)人息息相關(guān)。古希臘亞里士多德認(rèn)為“人們?yōu)榱税踩珌淼匠鞘?，為了生活美好留在城市”，很簡潔地闡釋了城市的起源與發(fā)展，也揭示了城因人而興，人因城而幸的樸素道理。

復(fù)雜性科學(xué)的興起，使人們從線性因果與均衡分析，轉(zhuǎn)向關(guān)注非線性反饋、非均衡演化與整體涌現(xiàn)，這為城市化研究提供了新的思路與方法。越來越多研究認(rèn)為，城市是一個(gè)典型的開放復(fù)雜巨系統(tǒng)：多要素耦合、跨尺度互動(dòng)，在城市的興起、變遷與演化過程中可能出現(xiàn)閾值跨越與相變等非線性現(xiàn)象。

本文首先梳理總結(jié)了城市系統(tǒng)的復(fù)雜性，通過引入涌現(xiàn)、協(xié)同、“吸引盆”等概念和模型，從涌現(xiàn)生成、協(xié)同維生、臨界相變?nèi)齻€(gè)維度總結(jié)了城市系統(tǒng)演化的一般規(guī)律，提出復(fù)雜系統(tǒng)視角下城市化三階段論，對諾瑟姆曲線作了新的解讀。最后，提出中西醫(yī)結(jié)合的城市體檢框架，倡導(dǎo)在城市臨界相變之前早預(yù)警、早干預(yù)，以期對我國城市現(xiàn)代化治理提供參考。

關(guān)鍵詞：城市復(fù)雜系統(tǒng)、涌現(xiàn)生成、臨界相變、城市體檢、城市生命體、諾瑟姆曲線、城市現(xiàn)代化治理

劉海猛丨作者

趙思怡丨審校

目錄

1. 城市系統(tǒng)的復(fù)雜性

2. 城市的涌現(xiàn)生成

3. 城市系統(tǒng)的協(xié)同維生

4. 城市系統(tǒng)的臨界相變

5. 復(fù)雜系統(tǒng)視角下城市化三階段論：諾瑟姆曲線的再認(rèn)識(shí)

6. 融合中西醫(yī)智慧，對城市系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)早預(yù)警、早干預(yù)

7. 研究啟示

1. 城市系統(tǒng)的復(fù)雜性

城市系統(tǒng)的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在：子系統(tǒng)數(shù)量眾多、層次嵌套、關(guān)聯(lián)復(fù)雜；系統(tǒng)生成、發(fā)展、相變的演化過程復(fù)雜，且隨著時(shí)間的演化發(fā)展（村落-鄉(xiāng)鎮(zhèn)-小城市-復(fù)雜多功能城市-都市圈/城市群），漲落在更高的層次上不斷涌現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu)和功能；系統(tǒng)內(nèi)部存在自組織的演化機(jī)制以及系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)等。因此，城市系統(tǒng)與其他復(fù)雜系統(tǒng)一樣，具有非線性、自組織性、自適應(yīng)性、漲落性、反饋性、層級(jí)性等特征。

從城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)看。一般認(rèn)為城市是由以人為核心的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境兩大子系統(tǒng)構(gòu)成，是一個(gè)典型的人地關(guān)系地域系統(tǒng)。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)是城市的本底支撐，涵蓋水、土地、能源、大氣、動(dòng)植物等要素；社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)是城市的主體人工系統(tǒng)，包含房屋建筑、市政設(shè)施、科技文化、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、防災(zāi)應(yīng)急等要素（圖1）。兩大子系統(tǒng)及其要素通過物質(zhì)流、能量流、信息流等不斷進(jìn)行相互作用、相互影響與相互適應(yīng)，這些復(fù)雜的耦合關(guān)系根據(jù)空間、時(shí)間、表象和組織等維度可以分為近遠(yuǎn)程耦合、近遠(yuǎn)期耦合、顯隱性耦合、組內(nèi)外耦合等不同類型。

圖1 城市復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程與聯(lián)系示意圖（劉海猛，2024）

從城市有機(jī)生命體視角分析。人口、食物、水、原材料與能源等要素持續(xù)流入城市，在生物、物理與化學(xué)過程的共同作用下，于不同時(shí)間與空間尺度上完成循環(huán)、轉(zhuǎn)化與交換，并最終以廢棄物、產(chǎn)品、信息等形式流出城市，構(gòu)成城市的宏觀“新陳代謝”過程。城市發(fā)展活力外在表現(xiàn)為城市有機(jī)體的各部分通過自組織、自復(fù)制、自適應(yīng)不斷生長，內(nèi)在機(jī)制則主要表現(xiàn)為多樣性與流動(dòng)性。多樣性包括城市人口多樣性、產(chǎn)業(yè)多樣性、土地混合利用、社會(huì)文化多元性、建筑多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性等；流動(dòng)性既包括城市內(nèi)部人口、物資和信息的流動(dòng)，也包括與城市外部環(huán)境的各種交互。生長代謝、多樣性和流動(dòng)性構(gòu)成了城市的“活力三角”（圖2）。

圖2 生命體與城市的“活力三角”概念模型（Liu et al., 2022）

從空間維度分析。首先，城市有若干個(gè)尺度層級(jí)和分形特征，從最基礎(chǔ)的家庭單元，到街區(qū)、功能區(qū)、單個(gè)城市、都市圈/城市群，在星球城市化背景下現(xiàn)代城市的影響延伸到地球的任意角落。物理實(shí)體的城市空間是三維的，橫向的城市空間由點(diǎn)、線、面有機(jī)構(gòu)成：交通站點(diǎn)、大型商場、標(biāo)志性建筑等是點(diǎn)要素，一般具有集聚或輻射效應(yīng)；道路網(wǎng)絡(luò)、河流水系、城市綠廊、基礎(chǔ)管網(wǎng)等是典型的線要素，將城市連接為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，承載其他各類要素的流動(dòng)，類似生命體的血管和神經(jīng)；商業(yè)用地、居住用地、工業(yè)用地、綠地公園、倉儲(chǔ)物流等是面狀要素，一般歸類為某種城市功能區(qū)，是城市有機(jī)體的功能器官。工業(yè)革命以來大城市病日益嚴(yán)重，縱向的城市空間越來越重要，含蓋地上高層建筑和地下各類建筑和設(shè)施，伴隨城市空間的立體開發(fā)，城市研究由平面思維轉(zhuǎn)向立體化思維。此外，城市虛擬空間/數(shù)字孿生空間隨著近幾年人工智能、實(shí)景三維等技術(shù)的成熟，正在快速發(fā)展，成為城市系統(tǒng)不可或缺的重要組成。

從時(shí)間維度分析。每個(gè)城市都遵循一定的發(fā)展規(guī)律，包括城市化的“S”型曲線演化規(guī)律、城市的異速生長和標(biāo)度律、城市化-環(huán)境庫茨涅茲曲線規(guī)律等。在前人研究基礎(chǔ)上，本文結(jié)合復(fù)雜性理論，進(jìn)一步總結(jié)了城市演化的一般性規(guī)律，將城市化的“S”型曲線總結(jié)為涌現(xiàn)生成、協(xié)同維生、臨界相變?nèi)齻€(gè)階段。城市的涌現(xiàn)生成是以人為核心的人地關(guān)系地域系統(tǒng)在多時(shí)空維度上的結(jié)構(gòu)和功能的整體涌現(xiàn)現(xiàn)象；城市系統(tǒng)的協(xié)同維生是指在與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交流以及系統(tǒng)內(nèi)部主體間的競爭與協(xié)同共同驅(qū)動(dòng)下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有序度、自適應(yīng)、自發(fā)展能力在不斷漲落中提高的過程；當(dāng)城市系統(tǒng)達(dá)到自組織臨界閾值，系統(tǒng)發(fā)生相變，城市的規(guī)模、性質(zhì)和職能等會(huì)發(fā)生改變。下文將針對時(shí)間演化詳細(xì)論述。

總之，城市是物質(zhì)空間、社會(huì)空間與信息空間三個(gè)維度的集成，是耦合社會(huì)與自然的復(fù)雜地域系統(tǒng)，是有序與混沌、自組織與他組織、集聚與擴(kuò)張、競爭與協(xié)同的辯證統(tǒng)一體，在以人為核心的多種流要素驅(qū)動(dòng)下不斷發(fā)生時(shí)空間反饋，像自然界其他有機(jī)體一樣不斷感知并適應(yīng)周圍環(huán)境，不斷自我生長、演化與重構(gòu)。

2. 城市的涌現(xiàn)生成

涌現(xiàn)是指復(fù)雜系統(tǒng)在自組織過程中新的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能、層次、屬性等的出現(xiàn)，它是復(fù)雜系統(tǒng)的根本特征。這種整體才具有，孤立部分或其加合不具有的性質(zhì)稱為整體涌現(xiàn)性（whole emergence），即“1+1>2”。老子“有生于無”，“道生一，一生二，二生三，三生萬物，萬物負(fù)陰以抱陽”的思想即體現(xiàn)了系統(tǒng)的涌現(xiàn)性。城市的形成即是以人為核心的地域系統(tǒng)在多時(shí)空維度上的結(jié)構(gòu)和功能的整體涌現(xiàn)現(xiàn)象 。城市系統(tǒng)涌現(xiàn)形成的條件主要包括生成主體、非線性作用機(jī)制（自組織與受限生成）、環(huán)境策略等。

城市系統(tǒng)的生成主體

城市的生成需要具有涌現(xiàn)生成能力的主體，生成主體是系統(tǒng)整體涌現(xiàn)的前提條件和發(fā)生涌現(xiàn)現(xiàn)象的源泉。城市的生成主體主要包括了人口、產(chǎn)業(yè)、治理主體、水、能源、生態(tài)系統(tǒng)等。

城市的內(nèi)在生成機(jī)制：自組織與受限生成

根據(jù) Holland 的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)（complex adaptive system, CAS），系統(tǒng)由大量異質(zhì)主體在局部規(guī)則約束下進(jìn)行分布式互動(dòng)與適應(yīng)性學(xué)習(xí)，并在宏觀層面涌現(xiàn)出相對穩(wěn)定的模式與結(jié)構(gòu)。在非線性作用驅(qū)動(dòng)下不同層次的聚落開始涌現(xiàn)，逐步形成了一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜、初具網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的更高層級(jí)涌現(xiàn)——城市，這一時(shí)空演化過程中同時(shí)存在著自組織和受限生成機(jī)制：

（1）自組織是城市涌現(xiàn)生成的關(guān)鍵機(jī)制。它使城市系統(tǒng)在外部環(huán)境約束與內(nèi)部相互作用下，能夠自發(fā)形成空間結(jié)構(gòu)與功能分工，并通過適應(yīng)性調(diào)整提升對資源、風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)會(huì)的響應(yīng)能力，可視為城市演化背后的“看不見的手”。在與周圍環(huán)境持續(xù)耦合的過程中，人口與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)由分散走向集聚，城市的區(qū)位選擇、規(guī)模擴(kuò)張與形態(tài)分異在多重反饋?zhàn)饔孟轮鸩斤@現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)重塑原有的生態(tài)格局，產(chǎn)生了涌現(xiàn)效應(yīng)（地域結(jié)構(gòu)和功能的嬗變）。由聚落、鄉(xiāng)村到城市，再到都市圈/城市群的演化，體現(xiàn)了城市體系在非線性反饋、路徑依賴與尺度遞進(jìn)作用下的動(dòng)態(tài)演進(jìn)過程。

（2）受限生成是城市涌現(xiàn)生成的內(nèi)在邏輯。自組織并非無序生長，而是在特定規(guī)則約束條件下，通過主體間持續(xù)的功能耦合生成新結(jié)構(gòu)與新狀態(tài)的動(dòng)態(tài)過程。對某一城鎮(zhèn)而言，生成主體的組合不是任意堆砌，其耦合方式與演化方向受硬約束與軟約束共同塑形：水土資源、能源礦產(chǎn)、地形地質(zhì)、植被生態(tài)與氣候水文等決定了基本承載與空間邊界，進(jìn)而影響區(qū)位布局、規(guī)模形態(tài)、功能定位與產(chǎn)業(yè)路徑；交通條件、制度治理、安全需求、文化習(xí)俗等人文因素，則通過成本—收益結(jié)構(gòu)與行為規(guī)范進(jìn)一步限定集聚方式。自然與人文因素相互作用，構(gòu)成了人口向城鎮(zhèn)集聚與遷移的內(nèi)在邏輯。

城市的外在生成機(jī)制：環(huán)境策略

生成主體為城市涌現(xiàn)提供“積木（building blocks）”，自組織與受限生成構(gòu)成其內(nèi)在演化邏輯。但涌現(xiàn)能否發(fā)生、以何種路徑發(fā)生，還取決于外部環(huán)境的輸入與情境變化。城市系統(tǒng)作為開放系統(tǒng)，持續(xù)與外界交換物質(zhì)、能量與信息；外部環(huán)境既提供發(fā)展所需的資源與機(jī)會(huì)，也通過災(zāi)害沖擊、市場波動(dòng)、政策調(diào)整與生態(tài)壓力等外生擾動(dòng)改變約束條件與收益結(jié)構(gòu)，從而重塑系統(tǒng)演化方向。為應(yīng)對外部壓力與不確定性，城市會(huì)通過學(xué)習(xí)與適應(yīng)進(jìn)行規(guī)則調(diào)整、功能重組與結(jié)構(gòu)重塑，形成面向環(huán)境的適應(yīng)性自組織轉(zhuǎn)變（圖3）。

圖3 綠洲城鎮(zhèn)系統(tǒng)與外界環(huán)境的相互作用（劉海猛等，2016）

3. 城市系統(tǒng)的協(xié)同維生

競爭與協(xié)同：維持城市系統(tǒng)活力與進(jìn)化穩(wěn)定

系統(tǒng)的協(xié)同維生包含了競爭與協(xié)同的概念，如果說漲落是推動(dòng)城市系統(tǒng)發(fā)展并促成更高層級(jí)有序結(jié)構(gòu)形成的誘因，那么競爭與協(xié)同則是引發(fā)系統(tǒng)漲落的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)。由于生存資源的稀缺性，競爭是自然界中普遍存在的一種基本關(guān)系，是一種分離行為，作用雙方相互制約、相互抑制。競爭提供差異化與選擇壓力，促進(jìn)系統(tǒng)的活力與多樣性；協(xié)同能夠使不同主體以最小的代價(jià)或成本實(shí)現(xiàn)自身的成長與發(fā)展。城市系統(tǒng)在不同尺度下廣泛存在著這種協(xié)同與競爭機(jī)制，它維持了整個(gè)系統(tǒng)的生命活力與進(jìn)化穩(wěn)定，推動(dòng)其在約束與擾動(dòng)中實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)重塑與演化，是城市系統(tǒng)演進(jìn)的根本動(dòng)力，而這種協(xié)同維生秩序也是自組織原理的具體表現(xiàn)。

圖4是城市系統(tǒng)演化示意圖，其中 為系統(tǒng)內(nèi)部不可逆過程引起的熵產(chǎn)生，表征內(nèi)部無序性增長； 為系統(tǒng)與外部環(huán)境交換產(chǎn)生的熵流。城市化過程中的競爭與協(xié)同是驅(qū)動(dòng)該熵變的關(guān)鍵微觀機(jī)制：一方面，資源稀缺條件下主體間的競爭會(huì)強(qiáng)化非線性博弈與要素爭奪，導(dǎo)致配置摩擦、沖突與波動(dòng)加劇，從而提高內(nèi)部不可逆損耗并推升 ；另一方面，主體間的協(xié)同（分工互補(bǔ)、信息共享、聯(lián)合治理與制度協(xié)調(diào)）能夠降低交易成本與系統(tǒng)摩擦、提高資源利用效率，并通過與外部環(huán)境的有效交換引入“負(fù)熵流”，使 可能為負(fù)并在一定條件下抵消內(nèi)部熵產(chǎn)生。下部以演化勢函數(shù) 表示城市演化狀態(tài) 的穩(wěn)定性景觀，多個(gè)勢阱對應(yīng)不同穩(wěn)定態(tài)；在外部擾動(dòng)與內(nèi)部漲落作用下，城市系統(tǒng)可能跨越勢壘在穩(wěn)定態(tài)間躍遷。

圖4 城市化系統(tǒng)演化示意圖（劉海猛等，2016）

城市演化的協(xié)同維生機(jī)制分析

協(xié)同維生是指城市系統(tǒng)中不同主體/子系統(tǒng)在資源約束與外部壓力下，通過“競爭—協(xié)作—再配置”的動(dòng)態(tài)過程實(shí)現(xiàn)共同存續(xù)與功能提升；其結(jié)果表現(xiàn)為效率提升、風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。下面將城市系統(tǒng)分為要素、子系統(tǒng)、城市系統(tǒng)整體三個(gè)層級(jí)來分析：

①要素（主體）層面，如經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)內(nèi)不同企業(yè)在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排背景下還要保證收益最大化，對城市區(qū)位、人力、原材料等資源的競爭同時(shí)，也要產(chǎn)業(yè)鏈分工、聯(lián)合研發(fā)、信息共享，進(jìn)而降低交易成本、提升技術(shù)擴(kuò)散效率，產(chǎn)生集聚效應(yīng)與創(chuàng)新溢出，推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。

②城市子系統(tǒng)層面，資源稀缺性使得矛盾關(guān)系普遍存在。例如工業(yè)與農(nóng)業(yè)對水資源的競爭、城鎮(zhèn)建設(shè)與糧食生產(chǎn)對土地的競爭、經(jīng)濟(jì)增長與居民生活對生態(tài)環(huán)境容量的競爭等。而這種矛盾又是辯證統(tǒng)一的，各個(gè)子系統(tǒng)之間也要進(jìn)行相互協(xié)作，在自組織與他組織共同作用下合理利用水土氣生等資源。

③城市系統(tǒng)整體層面，如在流域上中下游的城鎮(zhèn)為了發(fā)展會(huì)對水資源進(jìn)行爭奪，但他們又是唇亡齒寒的關(guān)系，需要水資源的跨界綜合協(xié)同管理。同時(shí)城市的生產(chǎn)生活與生態(tài)系統(tǒng)間用水也存在競爭與協(xié)同的關(guān)系，保證不了最低生態(tài)用水量，城市也不可能可持續(xù)發(fā)展。

4. 城市系統(tǒng)的臨界相變

物理學(xué)中，相變有時(shí)是突變（如固液相變），有時(shí)也可以是比較平穩(wěn)的變化（如氣液相變），在二者之間的臨界點(diǎn)會(huì)發(fā)生很多反常的現(xiàn)象（如比熱無限增大）稱為臨界現(xiàn)象，例如圖5中水的臨界相變，其中M、N為相變臨界點(diǎn)。系統(tǒng)的整體涌現(xiàn)效應(yīng)在一定程度上也可以看作系統(tǒng)的相變。

自組織臨界理論（self-organized criticality）對臨界現(xiàn)象及其突變規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和描述。系統(tǒng)相變的邊緣狀態(tài)即為臨界狀態(tài)，臨界性行為是自然界一種普遍的行為，處于臨界狀態(tài)的系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)各種大小的服從冪律的雪崩事件。自組織是系統(tǒng)相變的前提，臨界相變的發(fā)生要求系統(tǒng)是開放的，能跟外界建立物質(zhì)、能量和信息的交換，以達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)部熵的增減平衡。Per Bak認(rèn)為，這是構(gòu)成世界多樣性的大自然之秘密。

圖5 水的臨界相變

吸引盆模型：城市臨界相變的概念模型

城市的生成、演化和轉(zhuǎn)型過程中均存在自組織臨界相變，參考Walker等人關(guān)于社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)的“吸引盆”（basin of attraction）概念來解釋。如圖6，不同盆地（A、B、C…）表示不同的城市穩(wěn)定域，其內(nèi)部由相對一致的關(guān)鍵反饋結(jié)構(gòu)所維系；盆地之間的分界（虛線）對應(yīng)臨界閾值。小球代表由一組狀態(tài)變量構(gòu)成的城市系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，從自組織視角，在同一盆地內(nèi)，小球在擾動(dòng)作用下發(fā)生波動(dòng)，但通常會(huì)在負(fù)反饋的作用下趨向盆地底部較穩(wěn)定的區(qū)域。

隨著外部驅(qū)動(dòng)與內(nèi)部慢變量（如政策制度、資源約束、技術(shù)路徑等）的變化，正負(fù)熵的此消彼長，穩(wěn)定性景觀可能發(fā)生形變（盆地變淺、變窄或分界移動(dòng)），城市系統(tǒng)韌性隨之改變。城市系統(tǒng)永遠(yuǎn)處于動(dòng)態(tài)平衡之中，不可能達(dá)到絕對平衡。小球的位置不斷變化，其變化快慢以及位置相對盆體底部的距離，由自身的動(dòng)能和外界對系統(tǒng)輸入的能量共同決定。

當(dāng)擾動(dòng)強(qiáng)度增大或韌性下降使得系統(tǒng)狀態(tài)跨越閾值時(shí)，小球可能進(jìn)入另一盆地，表現(xiàn)為臨界相變，城市演化路徑由此發(fā)生顯著偏移。不同盆地的深度與寬度可理解為城市系統(tǒng)的穩(wěn)定性與韌性差異，因此，轉(zhuǎn)入新的盆地可能帶來城市更高水平的協(xié)同與繁榮，也可能導(dǎo)致城市功能退化與衰退。

圖6 系統(tǒng)的吸引盆模型（根據(jù)Walker，2004改繪）

城市化的臨界相變機(jī)制

利用“吸引盆”（basin of attraction）模型分析城市化的臨界相變，有助于更清晰地刻畫其演化路徑、閾值跨越與狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制。

首先，城市化是人口、產(chǎn)業(yè)與空間要素在多重約束與反饋?zhàn)饔孟掳l(fā)生的復(fù)雜演化過程，本質(zhì)上體現(xiàn)為農(nóng)村人口在自組織與制度調(diào)控共同作用下向城市人口與城市生活方式的持續(xù)轉(zhuǎn)化。類比水的相變“固體—‘相變’—液體”，城市化可以表示為“農(nóng)村—‘城市化’—城市”。該相變機(jī)制主要是由城市化的“推拉因模式”決定的，市場力量在城市的形成和發(fā)展中發(fā)揮了主導(dǎo)作用，并在不同階段與政策制度共同塑造城市化的速度與方向。對應(yīng)吸引盆模型，這一過程可理解為系統(tǒng)穩(wěn)定性景觀隨驅(qū)動(dòng)因素變化而發(fā)生重塑：原有吸引域可能擴(kuò)展或收縮，盆地的深度與寬度（穩(wěn)定性與韌性）隨之調(diào)整，使城市系統(tǒng)在持續(xù)調(diào)整中形成新的動(dòng)態(tài)平衡。

隨著城市化推進(jìn)，城市規(guī)模、性質(zhì)與功能可能呈現(xiàn)非線性變化，甚至發(fā)生突變。一方面，當(dāng)生態(tài)環(huán)境逼近或突破承載閾值，或氣候—水文條件顯著改變、資源枯竭時(shí)，城市可能由高穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入低穩(wěn)態(tài)，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)解體/重構(gòu)、功能衰退與復(fù)雜性下降，如樓蘭古城、玉門老城。在吸引盆框架下，這意味著擾動(dòng)增強(qiáng)或韌性下降導(dǎo)致城市系統(tǒng)跨越閾值進(jìn)入另一穩(wěn)定域。另一方面，政治地位提升、新資源開發(fā)、交通樞紐形成或關(guān)鍵技術(shù)突破等也可能觸發(fā)積極躍遷，使城市快速重塑功能與發(fā)展方式，進(jìn)入更穩(wěn)定、更具適應(yīng)性的“新盆地”，并在新的反饋結(jié)構(gòu)支撐下形成更高水平的有序狀態(tài)。

因此，城市化的臨界相變并非單一的突變事件，而是漸變與突變交織、穩(wěn)定與失穩(wěn)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過程。長期的漸進(jìn)積累改變系統(tǒng)韌性與閾值位置，而在關(guān)鍵擾動(dòng)或關(guān)鍵變量觸發(fā)下，系統(tǒng)跨越臨界點(diǎn)產(chǎn)生階段性躍遷，從而在繼承既有結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)路徑重塑與機(jī)制創(chuàng)新。

5. 復(fù)雜系統(tǒng)視角下城市化三階段論：

諾瑟姆曲線的再認(rèn)識(shí)

美國地理學(xué)家諾瑟姆于20世紀(jì)70年代提出城市化軌跡為S型曲線，包括三個(gè)階段：初級(jí)階段、快速發(fā)展階段和成熟階段（圖7）。在復(fù)雜系統(tǒng)自組織-自適應(yīng)框架下，諾瑟姆曲線不僅表示城市化率的宏觀增長趨勢，也可理解為城市系統(tǒng)在開放條件下經(jīng)歷“涌現(xiàn)生成—協(xié)同維生—臨界相變”三類主導(dǎo)機(jī)制交替占優(yōu)的演化過程。如圖8所示，可將 與諾瑟姆曲線的三個(gè)階段對應(yīng)起來，用以刻畫城市復(fù)雜系統(tǒng)的階段性動(dòng)力學(xué)特征。

圖7 城市化諾瑟姆曲線

①dt1涌現(xiàn)生成階段（對應(yīng)初級(jí)階段）：人口、土地、水資源、植被與基礎(chǔ)設(shè)施等要素（圖中小球所指的生成主體）在資源約束與環(huán)境條件限制下，通過自組織過程形成初步結(jié)構(gòu)，并與外部環(huán)境發(fā)生物質(zhì)、能量與信息交換。系統(tǒng)整體開始出現(xiàn)涌現(xiàn)效應(yīng)：城市空間與功能從分散走向集聚，但增長速度相對較慢、波動(dòng)幅度較小，城市化進(jìn)入緩慢爬升期。

②dt2協(xié)同維生階段（對應(yīng)快速發(fā)展階段）：系統(tǒng)內(nèi)部要素、子系統(tǒng)與城市整體三個(gè)層級(jí)及其耦合關(guān)系顯著增強(qiáng)。各主體之間既存在非線性競爭（資源、區(qū)位、機(jī)會(huì)的爭奪），也存在協(xié)同（分工互補(bǔ)、網(wǎng)絡(luò)連接、制度協(xié)調(diào)與信息共享）。在這一階段，正反饋更容易被放大：集聚—?jiǎng)?chuàng)新—擴(kuò)張的鏈?zhǔn)竭^程使系統(tǒng)有序性與復(fù)雜性進(jìn)一步增強(qiáng)。同時(shí)，城市與外界的物質(zhì)、能量與信息交換更為頻繁，外部輸入（負(fù)熵補(bǔ)給）持續(xù)支撐城市結(jié)構(gòu)與功能的優(yōu)化，使城市化在波動(dòng)中演進(jìn)。圖8中曲線在上升過程中伴隨明顯“上下振動(dòng)”，對應(yīng)系統(tǒng)在漲落中不斷調(diào)整與重組；而少數(shù)關(guān)鍵慢變量（序參量）對宏觀演化方向起主導(dǎo)作用。

③dt3臨界相變階段（對應(yīng)成熟階段及轉(zhuǎn)型窗口）：城市系統(tǒng)在自組織臨界態(tài)發(fā)生漲落，當(dāng)達(dá)到臨界閾值，系統(tǒng)可能出現(xiàn)跨閾值躍遷，城市的規(guī)模、性質(zhì)和職能發(fā)生重構(gòu)，表現(xiàn)為向更高層次有序結(jié)構(gòu)的升級(jí)，也可能因韌性下降而轉(zhuǎn)入低穩(wěn)態(tài)，出現(xiàn)功能衰退、結(jié)構(gòu)退化甚至局部解體。

圖8 城市復(fù)雜系統(tǒng)演化的基本規(guī)律（劉海猛，2024）

諾瑟姆曲線宏觀呈平滑的 S 型，但在內(nèi)部漲落與外部擾動(dòng)下，城市化率及相關(guān)結(jié)構(gòu)變量會(huì)圍繞趨勢線上下波動(dòng)；整體表現(xiàn)為“相對穩(wěn)定—階段性失穩(wěn)—再穩(wěn)定”的動(dòng)態(tài)平衡。涌現(xiàn)生成、協(xié)同維生與臨界相變貫穿城市化全過程，但 以生成與集聚為主， 以競爭—協(xié)同驅(qū)動(dòng)的耦合擴(kuò)張為主， 更易跨越閾值并發(fā)生結(jié)構(gòu)重構(gòu)。作為開放系統(tǒng)，城市化依賴與外界的物質(zhì)、能量和信息交換推動(dòng)有序化與功能分化，復(fù)雜性總體上升；但耦合增強(qiáng)與約束加劇可能導(dǎo)致韌性階段性下降，使 更易出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)折。要素與層級(jí)間的正負(fù)反饋及路徑依賴共同決定城市演化方向。遭遇重大沖擊后，系統(tǒng)通常進(jìn)入再組織：可能在更低穩(wěn)態(tài)重建，也可能在外部輸入與治理作用下轉(zhuǎn)入新的穩(wěn)定域與發(fā)展路徑。

6. 融合中西醫(yī)智慧，

對城市系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)早預(yù)警、早干預(yù)

論文題目：China’s new program gives cities check-ups 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44284-025-00317-8 發(fā)表時(shí)間：2025年9月4日 論文來源：nature cities

隨著城市災(zāi)害日益頻發(fā)，資源環(huán)境壓力疊加，重大傳染病風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)加劇，以及住房老舊、基礎(chǔ)設(shè)施不足、交通擁堵、人居環(huán)境退化等現(xiàn)實(shí)問題，越來越多學(xué)者將城市視為“城市生命體”進(jìn)行研究。

2018年中國啟動(dòng)城市體檢試點(diǎn)，將“體檢—診斷—開方—治理”嵌入城市更新全過程；到2024年已擴(kuò)展至297個(gè)城市并全面推行。我們提出中西醫(yī)結(jié)合的城市體檢框架——“整體調(diào)和 + 精準(zhǔn)診斷”，主張?jiān)谥笜?biāo)設(shè)計(jì)、評估方法與治理干預(yù)全過程中融匯東西方智慧（圖9）。以傳統(tǒng)中醫(yī)的整體觀、平衡觀與“治未病”思想為指導(dǎo)，以西醫(yī)式的精準(zhǔn)量化指標(biāo)和快速處置能力為支撐，構(gòu)建開放迭代、可診斷、可干預(yù)、可反饋的城市治理新范式。

中醫(yī)強(qiáng)調(diào)整體聯(lián)系、陰陽平衡與調(diào)理預(yù)防，適合把握城市各子系統(tǒng)之間的耦合反饋與潛在風(fēng)險(xiǎn)；西醫(yī)強(qiáng)調(diào)解剖測量、標(biāo)準(zhǔn)化對比與針對性治療，適合對生態(tài)環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施安全、公共健康等問題進(jìn)行精確診斷和快速處置。兩者融合，城市體檢應(yīng)實(shí)現(xiàn)“三個(gè)轉(zhuǎn)向”：①從末端治理轉(zhuǎn)向“治未病”：通過常態(tài)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，及早識(shí)別擁堵、污染、管網(wǎng)泄漏等風(fēng)險(xiǎn)信號(hào)，降低問題惡化后的治理成本；②從單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處方：在量化指標(biāo)之外，強(qiáng)化跨部門協(xié)同與綜合方案設(shè)計(jì)，關(guān)注環(huán)境—經(jīng)濟(jì)—社會(huì)之間的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)；③從統(tǒng)一模板轉(zhuǎn)向因城施策：以中醫(yī)“辨證施治”的個(gè)性化思路，為不同城市提供差異化評估與更新路徑，同時(shí)以西醫(yī)式標(biāo)準(zhǔn)保證可比性與科學(xué)性。

圖9 融合中西醫(yī)智慧的開放式城市體檢指標(biāo)體系與流程（Liu et al., 2025）

7. 研究啟示

（1）自組織機(jī)制是驅(qū)動(dòng)城市演化的一只“看不見的手”。城市建設(shè)應(yīng)更多順應(yīng)并激發(fā)這種自組織力量，堅(jiān)持市場化改革方向，推動(dòng)有效市場與有為政府結(jié)合，尊重城市自身成長與運(yùn)行規(guī)律，逐步形成以自組織為核心的新型城市發(fā)展觀，讓市場在城市化資源配置中發(fā)揮決定性作用，同時(shí)更好釋放政府、企業(yè)與市民等多元主體的活力與潛能。

（2）建立“城市生命體”的系統(tǒng)整體觀。城市像生命體一樣依賴能量、物質(zhì)與信息的持續(xù)輸入與循環(huán)：交通、水電氣網(wǎng)、物流與數(shù)據(jù)流構(gòu)成“血管與神經(jīng)”，生態(tài)系統(tǒng)提供“代謝底盤”，任何環(huán)節(jié)阻塞都可能引發(fā)連鎖失調(diào)。城市運(yùn)行由多層級(jí)反饋塑造，局部問題常通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散為系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)，城市體檢與治理不能僅靠單點(diǎn)修補(bǔ)，而應(yīng)關(guān)注關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、耦合關(guān)系與閾值。城市具有自組織與適應(yīng)性，政策應(yīng)從“工程式控制”轉(zhuǎn)向“條件營造”，通過規(guī)則、激勵(lì)與公共服務(wù)引導(dǎo)主體協(xié)同。

（3）遵循大自然之規(guī)律，鼓勵(lì)城市發(fā)展的多樣性。城市并非同質(zhì)化的“標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品”，而是由生態(tài)基底、歷史文脈、產(chǎn)業(yè)路徑與區(qū)位網(wǎng)絡(luò)共同塑造的獨(dú)特生命體，這種多樣性既體現(xiàn)在城市之間，也體現(xiàn)在城市內(nèi)部——包括人口結(jié)構(gòu)、土地利用、文化與生活方式等的多元共生等。不同城市在資源稟賦、環(huán)境承載、風(fēng)險(xiǎn)暴露與治理能力上存在結(jié)構(gòu)性差異。在尊重生態(tài)閾值與空間約束的前提下，圍繞區(qū)域功能定位與比較優(yōu)勢，構(gòu)建差異化的增長機(jī)制與治理工具箱，推進(jìn)金融資本、人力資本、社會(huì)資本、生態(tài)資本、文化資本的多元耦合與協(xié)同增值。

（4）增強(qiáng)城市系統(tǒng)韌性。理解城市演化規(guī)律，建立多源監(jiān)測與早預(yù)警體系，及時(shí)處置小風(fēng)險(xiǎn)，避免微小擾動(dòng)可能累積引發(fā)“蝴蝶效應(yīng)”。優(yōu)化城市網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與冗余配置，如供水供電、交通通信的備份，提高關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)抗斷鏈能力。倡導(dǎo)韌性規(guī)劃，分散風(fēng)險(xiǎn)暴露，縮短應(yīng)急響應(yīng)鏈條，使城市在不確定環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更快恢復(fù)與持續(xù)迭代。

參考文獻(xiàn)：1. 劉海猛.城市評價(jià)方法論初探.地理研究,2024,43(03):596-620.2. 劉海猛,方創(chuàng)琳,李詠紅.城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境“耦合魔方”的基本概念及框架.地理學(xué)報(bào),2019,74(08):1489-1507.3. 劉海猛,方創(chuàng)琳,毛漢英,等.基于復(fù)雜性科學(xué)的綠洲城鎮(zhèn)化演進(jìn)理論探討.地理研究,2016,35(02):242-255.4. Liu H, Fang C. China’s new program gives cities check-ups. Nature Cities, 2025, 2: 910–912.5. Liu, H., Gou, P., & Xiong, J. Vital triangle: A new concept to evaluate urban vitality. Computers, Environment and Urban Systems, 2022, 98, 101886.

作者簡介：

劉海猛，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所副研究員、碩士生導(dǎo)師，北京科協(xié)青年托舉人才，“全球前2%頂尖科學(xué)家”。主要從事城市可持續(xù)發(fā)展研究。發(fā)表論文100余篇，其中一作/通訊在Nature Cities、Earth’s Future等期刊發(fā)文58篇，Google-H指數(shù)41。主持國家自然科學(xué)基金3項(xiàng)，曾獲住建部華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、錢學(xué)森城市學(xué)金獎(jiǎng)（提名獎(jiǎng)）、北京優(yōu)秀青年科技論文等?，F(xiàn)為中國城市經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)城市群與都市圈專委會(huì)副秘書長，中國城市科學(xué)研究會(huì)數(shù)字孿生與未來城市專委會(huì)委員、中國系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)工程專委會(huì)委員等。

城市科學(xué)讀書會(huì)

隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的發(fā)展，世界范圍內(nèi)的城市化率不斷提高，越來越多的人口聚集在城市，使得交通擁堵、環(huán)境污染、資源短缺等城市問題日益嚴(yán)峻。 我們迫切需要對城市的基本運(yùn)行規(guī)律有科學(xué)的認(rèn)知。 近十幾年來，智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感可以幫助獲取高精度的城市數(shù)據(jù)； 機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的發(fā)展，為處理大規(guī)模多源異構(gòu)數(shù)據(jù)提供了技術(shù)手段。 此外，復(fù)雜科學(xué)從演生視角，在不同時(shí)空尺度上研究城市現(xiàn)象的基礎(chǔ)規(guī)律，豐富了城市科學(xué)的理論框架； 基于復(fù)雜系統(tǒng)的模擬方法也在實(shí)踐中有廣闊的應(yīng)用前景。

在這個(gè)大背景下，集智俱樂部由北京大學(xué)助理教授董磊聯(lián)合明尼蘇達(dá)大學(xué)助理教授朱遞、中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院教授李海峰、北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院博士寄家豪共同發(fā)起，分享、討論和梳理“城市作為復(fù)雜系統(tǒng)”的理論、研究方法及應(yīng)用，希望促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的交流，推動(dòng)交叉學(xué)科間的合作，促進(jìn)城市科學(xué)的發(fā)展和研究。讀書會(huì)已完結(jié)，現(xiàn)在報(bào)名可加入社群并解鎖回放視頻權(quán)限。

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