人文地理學上的重大發現——評葉大年等著《城市對稱分布與中國城市化趨勢》

文/歐陽自遠

中國科學院地球化學研究所 貴陽 550002

2011年，葉大年院士等人所著《城市對稱分布與中國城市化趨勢》（以下簡稱《城市對稱分布》）在安徽教育出版社出版了。這家出版社曾經出版過有關院士的系列著作，在國內頗有影響。早在1995年，我就知道葉大年在從事城市分布規律的研究，此后我還讀過他在報紙上發表的有關文章，并且為此書寫了序言，盡管如此，我在第一時間讀到它的時候，心情依然十分激動，仍然感到內容新穎。我認為城市對稱分布的提出是人文地理學的重大進展，《城市對稱分布》是對地理科學的原創性貢獻。

1800年德國的地理學家洪堡發現南美洲巴西的海岸線和西非幾內亞灣的海岸線驚人吻合，1912年德國氣象學家魏格納提出了“大陸漂移學說”，過了60年，“大陸漂移學說”和“海底擴張學說”結合起來形成了“板塊學說”，于是掀起了一場轟轟烈烈的地球科學革命，其間氣象學家、地質學家和地理學家的發現和創新性思維都源于地圖。作為地理學一個重要分支的人文地理學有一種發展趨勢，即更加社會科學化，而遠離母體科學——地球科學，無怪乎有些人文地理的巨著里竟然鮮有地圖或干脆沒有地圖。值得慶幸的是我國老一輩人文地理學家是非常重視地圖的作用的。1935年，著名的地理學家胡煥鏞指出，從黑龍江的黑河連直線到云南騰沖，可將中國分成面積相等的兩部分，但是直線以東人口占全國的96%，直線以西人口只占全國的4%。這條線是赫赫有名的“胡煥鏞線”。同樣也是過了60年，葉大年發現城市的分布在地圖上是對稱的，又經過了16年的努力，用近200幅地圖清清楚楚地表達了世界各地的主要城市和中國所有城市的對稱性，用簡明的文字敘述了城市分布與地質構造的關系，就這點而言，是前所未有的。所以我認為《城市對稱分布》的出版是對人文地理學的重大貢獻。自從有精確的地圖以來，看過地圖的人數以億計，為什么別的人沒能發現這個規律，而偏偏讓一個礦物學家葉大年發現呢？我以為恰恰是礦物學家對于對稱有特殊的敏感，加之他對前蘇聯科學家關于發展對稱概念的沿革又十分熟悉，使他建立了廣義對稱的新概念，只有用廣義對稱的概念，才能揭示出城市對稱分布的規律來。

從耗散結構的觀點出發，認為城市是分等級的，同一等級的城市空間上是對稱結構。對稱結構的形式有行列（一維平移對稱）、格子（二維平移對稱）、旋轉對稱、左右對稱。如同結晶學一樣，城市對稱的基礎是平行四邊形格子，也就是說，同等級的城市的分布是平行四邊形格子，作者給出了中國、美國、歐洲、南美洲和南亞次大陸特大城市的城市分布格子。不同等級的城市之間是分形結構的關系，即特大城市分布是大格子，大中城市是中等格子，小城市是小格子，也可以說，分形結構是縮放對稱。我相信，任何人看到這些地圖都會感到十分驚訝！任何有初中文化程度的人都能明了《城市對稱分布》的內容，都可以用公開出版的地圖來核對它們的真實性。

作者在書中只用了一頁的篇幅概括出經濟地理學的對稱原理：（1）一個地區地質的對稱性決定它自然地理的對稱性；（2）自然地理的對稱性決定經濟地理的對稱性；（3）氣候條件，特別是年平均氣溫和年平均降雨量會影響自然地理的對稱；（4）重大政治經濟活動會影響經濟地理的對稱程度；（5）對稱或色對稱的經濟地理格局是合理的格局。整部書，特別是第一篇總論是按脈絡展開的，讀者很容易閱讀和理解。

作者把城市看成是經濟的縮影，把經濟在空間上的關系通過城市這個等效點的關系來表示，城市的對稱分布也是經濟對稱的體現。如同結晶學中，復雜的具體的結構對稱關系可以用等效點系表示一樣，使復雜的問題高度簡化。因此我認為作者的這一發現是重大的原創性發現。

眾所周知在地理學中有著名的克里斯塔勒中心地原理，是說明城市等級、數量和分布規律的理論。該理論認為，城市人口集中地的范圍是正六邊形的中心，城市的大小、數量和分布都取決于城市功能的多少和強弱。這個理論是以假設地面是一個完全均質的平原為出發點的，根本沒有考慮地面的不均一性，更談不上討論城市分布和地質構造的關系。也許正是這個原因，人們常常應用“中心地原理”去研究微觀的、小區域的經濟地理問題。如果囿于克利斯塔勒的中心地原理是不可能發現十幾萬、幾十萬乃至幾百萬上千萬平方公里面積上城市的分布規律的。葉大年沒有否認六邊形中心地的存在，而是將它淡化為配位數定律，并證明平均配位數必定等于6。葉大年發現的對稱性，除了格子狀的平移對稱外，還有旋轉對稱，即以大中城市為中心，周邊的城市呈現出靶形的分布。城市的靶形分布既可以從克里斯塔勒的中心地的六邊形原理推出，也可以從杜能的環形功能帶演繹出來，當然也可以用配位數定律直接推導出來。但是作者的著作中極少論述城市的功能。作者還用相當大的篇幅闡述了不同的地質地理單元內城市分布的對稱性，即軸對稱或中心對稱。這些對稱性的存在與克里斯塔勒的中心地原理完全沒有關系。所以說對稱分布論和克里斯塔勒的中心地理論與杜能的環形功能地帶的理論并沒有直接的聯系。

作者提出的第四條原理是指重大政治、軍事、經濟、文化乃至歷史事件會對城市的分布產生影響。在書里作者用生動而鮮活的事例詮釋了這一原理。例如，對哈薩克斯坦、巴基斯坦、尼日利亞和緬甸首都的搬遷原因做了精彩的分析，結論正在被越來越多的政治動蕩的事實所證實；三峽水庫的修建和前蘇聯古比雪夫水庫修建對城市分布的影響做了令人信服的對比；以湖南和江西兩省經濟和城市發展對稱關系為例，分析了兩千年來朝代的更迭、戰爭和對抗對城市分布的影響。既有科學性又有趣味性，這是本書的亮點之一。

作者提出的第五條地理對稱原理，是一條哲學層面上的原理，但卻是最重要的，它是形成經濟地理對稱的原動力。用自然科學的術語來詮釋它，即一個孤立的系統會自然地走向平衡穩定，也可以這樣說，對稱破缺是活性所在。具體地說，經濟地理上明顯的不對稱就會引發人們要求對稱的訴求，京九鐵路的修建就是如此。作者把城市的靶形分布分為“莫斯科型”和“鄭州型”兩種，鄭州型是適應對稱的破缺“要求”而產生的，這種要求就是河南省省會由開封搬遷到鄭州。葉大年根據這條原理大膽地預測贛州、懷化、宜昌、梧州、六盤水、阜陽都會作為新的大城市而崛起。從對稱分布論提出16年以來的發展歷程看，預測正在變為現實。他對鐵路交通建設的建議，有些已經列入國家計劃得到實施。所有這些都說明，地理對稱原理的實用性。

書的結束語雖然篇幅不到兩頁，但它回答了讀者可能會提出的問題，指出城市對稱分布理論中尚待繼續深入研究的問題，如城市對稱分布形成機制的數學證明，也許正如作者在前言中所說“最終的數學證明留給既精通數學又懂得經濟的專家去完成吧”。