周云凱,白秀玲,呂曉龍
(河南大學(xué)a.資源與環(huán)境研究所;b.水資源與水環(huán)境數(shù)字模擬研究所,河南開(kāi)封 475004)
城市生態(tài)系統(tǒng)是在自然生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)上由人類(lèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、政治與自然環(huán)境相互作用形成的產(chǎn)物,它是人類(lèi)活動(dòng)干擾最強(qiáng)烈的地區(qū)[1],具有高度的開(kāi)放性、脆弱性和復(fù)合性[2]。健康的城市生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該是自然環(huán)境和諧、經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展、社會(huì)不斷進(jìn)步的系統(tǒng),在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理,功能高效與完整,并能維持對(duì)人類(lèi)的服務(wù)功能[3-5]。因此,為了能夠?qū)崿F(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、健康地發(fā)展,使其更好地為人類(lèi)社會(huì)服務(wù),迫切需要開(kāi)展城市生態(tài)系統(tǒng)健康綜合研究,為更加合理有效地進(jìn)行城市規(guī)劃與管理提供參考依據(jù)。
城市生態(tài)系統(tǒng)健康研究始于20世紀(jì)90年代,目前尚處起步階段。早期研究主要集中于相關(guān)概念、指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法的探討上[6-7],從2000年以后開(kāi)始出現(xiàn)個(gè)案研究,如Jerry等[8]采用驅(qū)動(dòng)力—壓力—狀態(tài)—暴露—影響—響應(yīng)(DPSEEA)模型對(duì)古巴首都哈瓦那城市生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià);官冬杰等[9]采用模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建了城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型,并對(duì)重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了分析;魏婷等[10]利用突變級(jí)數(shù)法對(duì)廈門(mén)市生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了定量評(píng)估和趨勢(shì)分析。除上述評(píng)價(jià)方法外,在城市生態(tài)系統(tǒng)健康研究中應(yīng)用的評(píng)價(jià)方法還包括物元可拓模型法[11]、屬性綜合評(píng)價(jià)法[1]和主成分投影法[12]等,以上各方法均是基于數(shù)學(xué)模型開(kāi)展評(píng)價(jià),但各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍,在分析問(wèn)題時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況確定采用的評(píng)價(jià)方法。
開(kāi)封市是國(guó)家歷史文化名城,隨著“中部崛起”戰(zhàn)略和“中原城市群”以及“鄭汴一體化”政策的提出,開(kāi)封市的城市化將逐漸加快,其生態(tài)系統(tǒng)健康與否對(duì)于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和旅游業(yè)都具有十分重要的影響。在此背景下,對(duì)開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行正確評(píng)價(jià),找出影響城市生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因素,對(duì)于實(shí)現(xiàn)開(kāi)封城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與自然環(huán)境的和諧發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
開(kāi)封市地處河南省東部,黃河中下游沖積平原南端,介于東經(jīng)113°51'51″~115°15'42″,北緯 34°11'43″~35°11'43″。地勢(shì)由西北向東南傾斜,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫14℃,年均降水量670 mm。全市總面積6 444 km2,人口468萬(wàn)(2010年),轄5縣和5區(qū)。近年來(lái),開(kāi)封市在城市建設(shè)、工農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)等方面都取得了顯著發(fā)展,與此同時(shí),也帶來(lái)了一系列社會(huì)與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,人地矛盾日益突出[13]。
本研究基于2003—2011年《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《開(kāi)封市統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)資料,從城市生態(tài)系統(tǒng)健康概念出發(fā),結(jié)合開(kāi)封市實(shí)際,從自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)3個(gè)方面建立開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用基于熵值的賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重,借助建立的城市生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)模型,對(duì)2002—2010年開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。
建立指標(biāo)體系的根本目的在于通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)來(lái)客觀(guān)、科學(xué)地反映和衡量生態(tài)系統(tǒng)所處的狀態(tài),識(shí)別和診斷制約城市生態(tài)系統(tǒng)健康的因素,從而為尋求城市可持續(xù)管理提供方向。然而,生態(tài)系統(tǒng)健康涉及到多領(lǐng)域、多方面,指標(biāo)的種類(lèi)和項(xiàng)目繁多,因此,需要從眾多的原始數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)信息中篩選出便于度量、內(nèi)涵豐富的主要指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。城市生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)體系的建立應(yīng)全面考慮相關(guān)的各類(lèi)要素,并能反映出城市的實(shí)際情況和特點(diǎn)。指標(biāo)篩選必須達(dá)到3個(gè)目標(biāo)[14]:1)能完整、準(zhǔn)確地反映城市生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,能夠?qū)Τ鞘袪顟B(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確描述;2)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的自然干擾和人類(lèi)威脅進(jìn)行監(jiān)測(cè),尋求自然、人為壓力與生態(tài)系統(tǒng)健康變化之間的聯(lián)系,以利于探求城市生態(tài)系統(tǒng)健康變化的原因;3)定期地為政府決策、科研及公眾認(rèn)知提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。為此,城市生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)體系的建立應(yīng)遵循以下4個(gè)原則[15]:1)綜合性原則。應(yīng)反映城市生態(tài)系統(tǒng)的整體格局,充分體現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其影響程度。2)實(shí)時(shí)性原則。可以有效地重復(fù)獲取,從而能夠進(jìn)行城市生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。3)重要性原則。必須反映城市生態(tài)系統(tǒng)特有的、重要的、不可替代的或不可恢復(fù)的服務(wù)功能。4)可操作性和可比性相結(jié)合的原則。所選指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)可以通過(guò)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、遙感等手段獲得,易于定量計(jì)算,現(xiàn)實(shí)意義明確,能夠?qū)Σ煌瑓^(qū)域、不同時(shí)間的生態(tài)現(xiàn)狀及其可持續(xù)能力開(kāi)展對(duì)比研究。
城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為自然生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng),各子系統(tǒng)既相互獨(dú)立,有各自的內(nèi)容與特點(diǎn),又不可分割,并形成各自的指標(biāo)體系,但又緊密相關(guān)、相互制約,共同組成城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的總指標(biāo)體系[16]。本研究根據(jù)上述4個(gè)原則,結(jié)合開(kāi)封的具體情況,從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、自然環(huán)境3個(gè)方面初步選擇了能反映系統(tǒng)特征的要素指標(biāo),采用主成分分析對(duì)初級(jí)指標(biāo)進(jìn)行篩選,最終形成了包含29個(gè)指標(biāo)的開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。
由于評(píng)價(jià)指標(biāo)類(lèi)型多樣、復(fù)雜,且具有不同的量綱,直接利用這些指標(biāo)進(jìn)行綜合計(jì)算并無(wú)實(shí)際意義。因此,為了簡(jiǎn)便、明確和易于計(jì)算,需要對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,去除各指標(biāo)的量綱。在此采用極差法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,將取值范圍設(shè)定在0~1之間,把與生態(tài)系統(tǒng)健康呈正相關(guān)的指標(biāo),即具有積極意義的指標(biāo),按公式(1)進(jìn)行計(jì)算;而與生態(tài)系統(tǒng)健康呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo),即具有消極意義的指標(biāo),按公式(2)進(jìn)行計(jì)算。
式中:rij為第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值;xij為第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第i個(gè)指標(biāo)的原始值;i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n;xi,max,xi,min分別為研究時(shí)期內(nèi)同一指標(biāo)的最大值和最小值。
表1 開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重Tab.1 Indexes system and the weight of each index for ecosystem health assessment of Kaifeng City
權(quán)重是以某種數(shù)量形式對(duì)比、權(quán)衡被評(píng)價(jià)系統(tǒng)中諸因素相對(duì)重要程度的量值。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中,每個(gè)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)健康都有著不同程度的作用和貢獻(xiàn),因此,需要對(duì)參評(píng)的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的確定。通常權(quán)重的確定方法有主觀(guān)賦權(quán)和客觀(guān)賦權(quán)兩種[17]。主觀(guān)賦權(quán)法容易受專(zhuān)家主觀(guān)意識(shí)的影響而產(chǎn)生一定偏差,而且難以正確反映指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系;客觀(guān)賦權(quán)法中的二元比較、公式計(jì)算和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法容易受研究區(qū)域改變而改變,客觀(guān)性不強(qiáng)[18]。本研究采用熵值法確定各指標(biāo)權(quán)重。用熵評(píng)價(jià)所得信息的有序度以及效率,可以較大程度上消除各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的人為干擾,使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際情況。其計(jì)算步驟如下。
1)定義熵。在m個(gè)指標(biāo)、n個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)估問(wèn)題中,第i個(gè)指標(biāo)的熵定義為:
式中:ei為第i個(gè)指標(biāo)的熵;fij為第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第i個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的比重;假定當(dāng)fij=0時(shí),0,并假設(shè)k
2)定義熵權(quán)。定義了第i個(gè)指標(biāo)的熵后,第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)定義為:
3)計(jì)算結(jié)果。按公式(4)計(jì)算得到各指標(biāo)權(quán)重(表1)。
在進(jìn)行城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)時(shí),可以通過(guò)健康指數(shù)的大小來(lái)反映城市生態(tài)系統(tǒng)健康的優(yōu)劣程度。各子系統(tǒng)中每個(gè)指標(biāo)是從不同側(cè)面反映城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平,要想從總體上認(rèn)識(shí)城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,需要進(jìn)行綜合評(píng)判。在此采用線(xiàn)性加權(quán)函數(shù)計(jì)算城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù),故城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型為:
式中:Hj為第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的城市生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)。
目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)研究并不多,對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)中尚沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)可的城市生態(tài)系統(tǒng)健康標(biāo)準(zhǔn)[19]。本研究將城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為 5 個(gè)等級(jí)[9,20],即病態(tài)、不健康、亞健康、健康、很健康。具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。
表2 城市生態(tài)系統(tǒng)健康分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification of ecosystem health levels
根據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和確定的權(quán)重,利用構(gòu)建的評(píng)價(jià)模型,對(duì)2002—2010年開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)和各子系統(tǒng)健康指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,所得評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1所示。
由圖1可看出,2002—2010年開(kāi)封市綜合健康指數(shù)基本呈上升趨勢(shì),表明城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況正在逐年好轉(zhuǎn),這也從側(cè)面體現(xiàn)出開(kāi)封城市生態(tài)建設(shè)所取得的成績(jī)。然而對(duì)照城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可發(fā)現(xiàn),在2002—2008年開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)都處于不健康水平上,而2009—2010年處于亞健康水平,說(shuō)明開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)健康總體狀況仍不容樂(lè)觀(guān),距離健康城市生態(tài)系統(tǒng)還有一定距離,城市的健康水平今后有待進(jìn)一步提高。
從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、自然三大子系統(tǒng)來(lái)看,自然子系統(tǒng)的健康指數(shù)趨勢(shì)性不明顯,基本處于波動(dòng)狀態(tài),這與建成區(qū)綠地覆蓋率波動(dòng)較大、環(huán)境治理情況時(shí)好時(shí)壞有關(guān)。因此,政府應(yīng)加大對(duì)城市綠化和城市廢棄物處理的投資力度。社會(huì)子系統(tǒng)的健康指數(shù)雖然2006年有所下降,但總體呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢(shì),這說(shuō)明在城市的發(fā)展過(guò)程中,政府部門(mén)通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善人居環(huán)境、提高教育和醫(yī)療條件等措施,使社會(huì)結(jié)構(gòu)漸趨合理化,但仍要注意社會(huì)子系統(tǒng)與自然和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展,特別要注意人口增長(zhǎng)速度過(guò)快和人口老齡化問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的健康指數(shù)基本呈直線(xiàn)上升趨勢(shì),但在2003年略有下降,主要是由工業(yè)增長(zhǎng)率略低、第三產(chǎn)業(yè)所占比例下降等原因造成;進(jìn)入21世紀(jì),雖然開(kāi)封市各類(lèi)資源和能源的消耗有所增加,但政府部門(mén)通過(guò)調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、提高科教投入以及發(fā)展觀(guān)光旅游事業(yè)等政策,使城市經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)得到不斷完善,健康水平逐步提高。
綜合來(lái)看,開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平的提高得益于城市社會(huì)子系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的不斷完善和優(yōu)化,而自然子系統(tǒng)未有明顯的改善,對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平提高的作用較小。
圖1 開(kāi)封城市生態(tài)系及各子系統(tǒng)健康指數(shù)變化Fig.1 The health index change of ecosystem and subsystem in Kaifeng City
本研究采用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重,能在一定程度上克服人為主觀(guān)因素的干擾,評(píng)價(jià)結(jié)果較為客觀(guān)地反映各指標(biāo)所包含的信息。同時(shí),建立的城市生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)模型能夠簡(jiǎn)單有效地將城市生態(tài)系統(tǒng)整體及各子系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),可全面反映城市生態(tài)系統(tǒng)的整體及各子系統(tǒng)的健康水平,有助于辨識(shí)城市生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)健康狀況,進(jìn)而判斷引起城市生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)生變化的關(guān)鍵因素,為城市規(guī)劃和管理提供依據(jù)。
2002—2010年,開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)健康呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢(shì);但從健康等級(jí)來(lái)看,健康水平一直處于不健康和亞健康級(jí)別,總體健康狀況不容樂(lè)觀(guān)。從3個(gè)子系統(tǒng)來(lái)看,城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平的提高更多地依賴(lài)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的優(yōu)化和完善,而自然子系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生明顯改觀(guān),對(duì)健康水平的提高并未起到積極作用。今后地方政府在保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展的同時(shí),應(yīng)加大對(duì)自然環(huán)境改善的投入力度,以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與自然環(huán)境三者相互協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。
本研究對(duì)開(kāi)封城市生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了初步探討,但研究還存在著一些不足,如所建指標(biāo)體系的完整度還不夠、指標(biāo)權(quán)重的客觀(guān)性也有待進(jìn)一步提高等,這些都是今后需要繼續(xù)深入研究和完善的內(nèi)容。
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