樊國敬，田秀華

（1.贛南師范大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，江西贛州341000；2.安徽財經(jīng)大學(xué)商學(xué)院，安徽蚌埠233041）

基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康評估

樊國敬1，田秀華2

（1.贛南師范大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，江西贛州341000；2.安徽財經(jīng)大學(xué)商學(xué)院，安徽蚌埠233041）

文章基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分析與評估了我國四大經(jīng)濟區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康等級?？諝赓|(zhì)量、住房消費和節(jié)能降耗對復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康評估影響力最大；中國區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)主要處在健康和亞健康狀態(tài)，江蘇復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康值排名第一，處于健康狀態(tài)；天津經(jīng)濟子系統(tǒng)和海南自然子系統(tǒng)排名第一，健康值都超過0.8，處在很健康的狀態(tài)；北京社會子系統(tǒng)健康指數(shù)排名第一；東部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康總指數(shù)最高，社會、經(jīng)濟和自然健康指數(shù)排名都是第一，也都超過0.6，處在健康等級。

SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)；健康評估

0 引言

區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康，指一定時空范圍內(nèi)，不同類型生態(tài)系統(tǒng)空間鑲嵌而成的地域綜合體在維持各生態(tài)系統(tǒng)自身健康的前提下，提供豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[1]。李強等[2]（2009）認為區(qū)域生態(tài)健康狀況和環(huán)境好壞從根本上決定了我國可持續(xù)發(fā)展前景，進行生態(tài)系統(tǒng)健康及其評價研究，區(qū)域是最適宜空間尺度，并逐步成為生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究的重要方向之一。經(jīng)過梳理，國內(nèi)外相關(guān)研究文獻大致可以分為兩類：第一，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論，以馬世駿為代表，在1981年提出了社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)（complex ecosystem）的概念,希望做到自然開放系統(tǒng)與人工封閉循環(huán)系統(tǒng)兩者結(jié)合，不同亞系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)與功能相互協(xié)調(diào)，從而促使整個系統(tǒng)物質(zhì)流與能流在代謝過程中趨向穩(wěn)定[3]。復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)思想表明社會、經(jīng)濟與自然雖然是三個不同性質(zhì)的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)、功能和發(fā)展規(guī)律存在差異，但是每個子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都受到另外兩個子系統(tǒng)的制約。因此，經(jīng)濟、社會、自然任何一個子系統(tǒng)出現(xiàn)重大突出的問題，決不能只從單一系統(tǒng)去解決，而應(yīng)看作若干系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)雜問題[4]。第二，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能論，以Rapport（1998）[5]等為代表，認為生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵包括兩個方面能力：①滿足人類社會合理需求的能力；②系統(tǒng)自我維持和更新的能力。Costanza R健康的生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，即系統(tǒng)具有維持活力、組織結(jié)構(gòu)和彈性的能力，同時不存在生態(tài)系統(tǒng)危難的跡象[6,7]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程深入推進，城市人口密度繼續(xù)升高，環(huán)境承載力面臨極大挑戰(zhàn)，城市生態(tài)系統(tǒng)存在機能失調(diào)的壓力[8-10]。城市生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)是個有機整體、相互作用相互制約。本文基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對我國四大經(jīng)濟區(qū)域的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)進行分析和評估。

1 評估體系和健康等級標準

本文評估分析的對象是國家統(tǒng)計局2014年劃分的東部、中部、西部和東北四大經(jīng)濟區(qū)域（當前中國31個省級行政區(qū)，未評估香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)和臺灣?。唧w劃分為：東部地區(qū)包括10個行政區(qū)域：北京、天津、河北、上海、江蘇、浙江、福建、山東、廣東和海南；中部包括6個行政區(qū)域：山西、安徽、江西、河南、湖北和湖南；西部包括12個行政區(qū)域：內(nèi)蒙古、廣西、重慶、四川、貴州、云南、西藏、陜西、甘肅、青海、寧夏和新疆；東北地區(qū)包括3個行政區(qū)域：遼寧、吉林和黑龍江。

1.1 評估體系

選擇適宜的指標體系，是區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康評估的一個關(guān)鍵。評估區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康的具體指標主要有兩種類型：一是系統(tǒng)表征指標，如人均地區(qū)生產(chǎn)總值、人均可支配收入，空氣質(zhì)量、森林覆蓋率等；二是能值指標，如物質(zhì)流、貨幣流、能量流和人口流等。本文擬從表征指標入手，考慮到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)是一個高度人工化的經(jīng)濟-社會-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，指標的選擇應(yīng)遵循一些基本的規(guī)律：（1）指標應(yīng)是比值型，如人均類指標，分母是人口總數(shù)；增長率類指標，分母是過去一年的值；結(jié)構(gòu)類指標，即部分值與整體值之比等。（2）指標的原始數(shù)據(jù)來源信度要高，同一指標不同樣本的原始數(shù)據(jù)來源于不同地方，會造成模型計算結(jié)果失真。（3）指標能反映樣本共性，如有些區(qū)域“森林覆蓋率”比較低，但是“濕地覆蓋率”或“草原覆蓋率”比較高，這類指標只選擇一個不合適。（4）區(qū)間類指標不用。因為區(qū)間類指標，表示不是指標值越大越好，也不是越小越好，只有在某個區(qū)間內(nèi)比較好。“人口自然增長率”應(yīng)該是這樣的區(qū)間型指標，但是哪個區(qū)間最優(yōu)不好解釋；“固定資產(chǎn)投資占GDP比值”同樣也是區(qū)間類指標。（5）指標選取側(cè)重城市，兼顧農(nóng)村，特別是農(nóng)民的民生問題。

生態(tài)系統(tǒng)指標的選取，應(yīng)抓住生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時，保持足夠簡單，易于常規(guī)監(jiān)測。生態(tài)指標應(yīng)滿足8個標準：指標易于測量、指標對生態(tài)系統(tǒng)的壓力敏感、指標響應(yīng)壓力的方式可預(yù)測、指標的變化可預(yù)期、指標的預(yù)測變化可受管理行動改變、整套指標只有整合起來才可提供覆蓋系統(tǒng)跨梯度的測量、指標可響應(yīng)失調(diào)和人類壓力和長期變化[11]。依據(jù)這些原則，并參考文獻[9]，建立區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康評估體系，見表1。

表1 區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康評估指標體系

1.2 健康等級標準

假設(shè)HIj表示j系統(tǒng)的健康指數(shù)，并且HIj值與區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況是同向關(guān)系，值越大健康狀況就越好，值越小健康狀況越差；HIj=0表示健康最劣狀態(tài)（系統(tǒng)崩潰臨界狀態(tài)），HIj=1表示健康最優(yōu)狀態(tài)。但是對每種健康狀態(tài)的臨界值當前仍沒有統(tǒng)一和規(guī)范，因為健康指數(shù)值反映的系統(tǒng)現(xiàn)實的健康表現(xiàn)和具體個體特性有很大關(guān)系，統(tǒng)一規(guī)范的劃分或許不能也不可行。由于本文中利用0～1標準化后的數(shù)據(jù)yij和0～1標準化的各個指標權(quán)重，因而區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)HIj值屬于[0,1]。由于設(shè)定5個健康狀態(tài)等級，因此，可以簡單了將取值區(qū)域劃分成五等分：HIj∈[0,0.2)區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為病態(tài)；HIj∈[0.2,0.4)為不健康；HIj∈[0.4,0.6)為亞健康；HIj∈[0.6,0.8)為健康；HIj∈[0.8,1]為很健康。

2 原始數(shù)據(jù)來源和標準化處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

原始數(shù)據(jù)全部來自于2016年《中國統(tǒng)計年鑒》（“萬元地區(qū)生產(chǎn)總值能耗”指標，西藏缺失2012年值，采用了2012年《中國統(tǒng)計年鑒》中的2013年值代替），兩個指標需要計算：人均外商投資額(美元)=外商投資總額(億美元)/各地區(qū)年末人口數(shù)(萬人)/10000；人均廢氣中主要污染物(噸/人)=（二氧化硫(萬噸)+氮氧化物(萬噸)+煙(粉)塵(萬噸)）/各地區(qū)年末人口數(shù)(萬人)。

2.2 標準化處理

構(gòu)建具體指標原始數(shù)據(jù)決策矩陣

其中，待評對象m=31,評價具體指標數(shù)n=26，xij為第i個指標第j個對象的原始數(shù)值。具體指標可區(qū)分正向指標和負向指標：①正向指標，也稱效益型指標，表示指標原始數(shù)值越大，對區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康越有益；指標原始數(shù)值越小，對區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康越有害。②負向指標，也稱成本型指標，表示指標原始數(shù)值越小，對城市生態(tài)系統(tǒng)健康越有益，指標原始數(shù)值越大，對城市生態(tài)系統(tǒng)健康越有害。這26個具體指標中，7個指標是負向指標，萬元地區(qū)生產(chǎn)總值能耗（X5）、城鄉(xiāng)消費水平對比（X8）、城鎮(zhèn)居民家庭恩格爾系數(shù)（X12）、農(nóng)村居民家庭恩格爾系數(shù)（X14）、城鎮(zhèn)居民家庭平均每人全年住房消費支出（X15）、城市人口密度（X19）、人均廢氣中主要污染物（X24）。

3 評估方法和計算過程

3.1 自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

區(qū)域復(fù)合生態(tài)健康系統(tǒng)是一個包含n個組元（選定的具體指標）的開放的耗散結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜多變的環(huán)境中，組元之間相互競爭和合作，具有特別復(fù)雜的非線性非均衡性。趙帥、柴立和等（2013）采用了基于最大流原理和自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOM（Self-organizing map）數(shù)值分析的動態(tài)演化模型，作為評價城市生態(tài)系統(tǒng)健康的新方法，體現(xiàn)了城市生態(tài)系統(tǒng)健康的演化動力學(xué)機理和演化特性[12]。廣義最大流理論模型說明一個遠離平衡的區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，總是尋找一種優(yōu)化過程，使得生態(tài)系統(tǒng)在給定的約束條件下廣義流，即組元間的相互作用達到最大。換句話說，在一個給定的約束條件下，優(yōu)化過后的廣義流值代表了系統(tǒng)一種演化模式或健康等級。因此，廣義最大流本質(zhì)上為復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康評估提供了一種健康等級的識別方法，一旦代表了復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)外影響的控制參數(shù)確定后，就可以獲得對應(yīng)的健康等級指數(shù)HIj。

然而，數(shù)值實現(xiàn)需依賴于理論相通的SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共有兩層：①輸出層，又稱競爭層；②輸入層，輸入節(jié)點（具體指標）的權(quán)值及其輸入值共同稱為輸入層。輸出層的每個神經(jīng)元（區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)等級）同它周圍的其他神經(jīng)元（其他健康狀態(tài)等級）側(cè)向連接，排列成棋盤狀平面，在無監(jiān)管模式下相互競爭響應(yīng)來自輸入層的刺激，最后僅一個神經(jīng)元成為競爭的勝者，獲勝神經(jīng)元并促使那些與獲勝神經(jīng)元有關(guān)的各連接向量權(quán)aji朝著更有利于它競爭的方向調(diào)整，這樣獲勝神經(jīng)元（健康狀態(tài)等級）表征了輸入模式的分類。這樣，SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入神經(jīng)元經(jīng)過訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值HIj也就表示區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)第j種健康狀態(tài)模式，HIj值越大表示區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)越健康，越小表示區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)越不健康；aji表示第j種健康狀態(tài)模式中第i個具體指標經(jīng)過訓(xùn)練后的連接向量權(quán)重，yi為標準化后的具體指標值。

3.2 動態(tài)演化模型的模擬結(jié)果

利用Matlab軟件編程，設(shè)定系統(tǒng)控制參數(shù)（映射規(guī)模[1：5]，即健康等級；拓撲函數(shù)HEXTOP；距離函數(shù)LINKDIST，訓(xùn)練步數(shù)為40；輸出神經(jīng)元寬度參數(shù)為0.2；學(xué)習(xí)率為0.01；距離誤差為0.001)。參數(shù)設(shè)定后，區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部組元在內(nèi)外環(huán)境條件約束不斷的進行競爭、協(xié)助和自組織，連接權(quán)aji在不斷進行調(diào)整。由于31個樣本在圖中顯示不清晰，變化聚類圖略。開始階段，各HIj值波動明顯，隨后趨于穩(wěn)定，不同系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時的訓(xùn)練步數(shù)也不一樣。穩(wěn)定時26個指標權(quán)重和樣本HIj值分別見表2、表3所示。

4 評估結(jié)果分析

4.1 空氣質(zhì)量、住房消費和節(jié)能降耗對復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康評估影響力最大

自然子系統(tǒng)指標值對復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康評估影響力最大。見下頁表3，權(quán)重在前10的具體指標，自然子系統(tǒng)指標占4席，社會子系統(tǒng)指標占4席，經(jīng)濟子系統(tǒng)指標占2席，分別是各自系統(tǒng)指標總數(shù)的4/7、4/12和2/7。權(quán)重最高的指標是“人均廢氣中主要污染物”，權(quán)重第三高的指標是“省會城市空氣質(zhì)量達到二級以上天數(shù)占全年比重”都是關(guān)于空氣質(zhì)量的，空氣質(zhì)量的處理和水以及工業(yè)固廢影響對人群健康和生物健康的影響途徑不一樣，在當前的形勢下，更應(yīng)該研究有效手段來治理。權(quán)重第二高的指標是“城鎮(zhèn)居民家庭平均每人全年住房消費支出”，說明房價水平、住房消費不僅影響到民生，也成為影響復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康的一個關(guān)鍵變量。權(quán)重第四高，也是經(jīng)濟子系統(tǒng)權(quán)重最高的指標不是“人均GDP”,而是“萬元地區(qū)生產(chǎn)總值能耗”表明在經(jīng)濟快速發(fā)展30多年后，GDP是個重要的決策變量，但已經(jīng)不是首要的決策變量，重大要轉(zhuǎn)到節(jié)能降耗上來，通過內(nèi)涵式發(fā)展，有些利用能源、節(jié)約能源來獲得經(jīng)濟社會發(fā)展的可持續(xù)。

表226 個具體指標權(quán)重

4.2 區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)主要處在健康和亞健康狀態(tài)

2016 年，江蘇、北京、浙江、天津、山東和廣東共6個區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)達到健康狀態(tài)，甘肅和西藏2個區(qū)域處在不健康的狀態(tài)，其他的23個區(qū)域處在亞健康的狀態(tài)。江蘇是復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康的典范，復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康值排名第一，而且從圖2中可以看出，復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)及其3個子系統(tǒng)的健康值非常接近，幾乎聚焦于一點，非常均衡。從3個子系統(tǒng)來看，天津經(jīng)濟子系統(tǒng)和海南自然子系統(tǒng)健康值都超過0.8，處在很健康的狀態(tài)，說明天津的經(jīng)濟子系統(tǒng)和海南的自然子系統(tǒng)可持續(xù)性、穩(wěn)定性和抗干擾性強。北京社會子系統(tǒng)健康指數(shù)排名第一，表明作為中國首都，北京已經(jīng)將民生問題放在優(yōu)先發(fā)展的位置。西藏復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)和社會子系統(tǒng)兩個健康指數(shù)、寧夏在經(jīng)濟子系統(tǒng)健康指數(shù)、甘肅在自然子系統(tǒng)健康指數(shù)排名最后。

表3 區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果

圖2 區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)分布

4.3 東部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)最高

從四大經(jīng)濟區(qū)來看，東部地區(qū)復(fù)合、社會、經(jīng)濟和自然4個健康指數(shù)排名都是最高的，也都超過0.6，處在健康等級。東北地區(qū)自然子系統(tǒng)健康指數(shù)落后，排名第四，而其他三個指數(shù)都處在第二的位置。中部地區(qū)自然子系統(tǒng)健康指數(shù)排名第二，其他三個指數(shù)都是排名第三。西部地區(qū)地區(qū)自然子系統(tǒng)健康指數(shù)排名第三，其他3個指數(shù)都是排名第四，特別是經(jīng)濟子系統(tǒng)健康指數(shù)為0.3679，處在不健康的狀態(tài)，所有西部地區(qū)的發(fā)展重點還是在經(jīng)濟，當然，是采用新型經(jīng)濟方式來發(fā)展經(jīng)濟，而不是簡單隨意的承載東中部的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。

5 結(jié)論

本文經(jīng)上述分析評價后得出如下結(jié)論：我國四大經(jīng)濟區(qū)域和各個省份之間區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康指標差異較大；無論是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)（省份）還是經(jīng)濟欠發(fā)達區(qū)域（省份）在發(fā)展經(jīng)濟的同時環(huán)境的重要性依然是排在第一位的；在當今社會，房價已經(jīng)成為影響區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康的第二要素。

[1]馬世駿.生態(tài)規(guī)律在環(huán)境管理中的作用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1981,1, (1).

[2]馬世駿,王如松.社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[J].生態(tài)學(xué)報,1984, 4,(1).

[3]Rapport D J,Costanza R,McMichael A J.Assessing Ecosystem Health [J].Trends in Ecology&Evolution,1998,13,(10).

[4]Costanza R.Toward an Operational Definition of Ecosystem Health[J]. Ecosystem Health:New Goals for Environmental Management,1992.

[5]Costanza R.Ecosystem Health and Ecological Engineering[J].Ecological Engineering,2012.

[6]Su M,Yang Z,Chen B,et al.Urban Ecosystem Health Assessment and Its Application in Management:A Multi-Scale Perspective[J].Entropy,2012,15,(1).

[7]Su M R,Yang Z F,Chen B,et al.Urban Ecosystem Health Assessment Based on Emergy and Set Pair Analysis—A Comparative Study of Typical Chinese Cities[J].Ecological Modelling,2009,220,(18).

[8]Su M,Fath B D,Yang Z.Urban Ecosystem Health Assessment:A Review[J].Science of the Total Environment,2010,408,(12).

[9]李強,李武艷,趙燁等.農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)健康的基本內(nèi)涵及評價體系探索[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2009,18,(4).

[10]彭建,王仰麟,吳健生等.區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].生態(tài)學(xué)報, 2007,27,(11).

[11]Dale V H,Beyeler S C.Challenges in the development and use of Ecological Indicators[J].Ecological Indicators,2001,1,(1).

[12]趙帥,柴立和,李鵬飛,程宏鑫.城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價新模型及應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,33,(4).

（責(zé)任編輯/亦民）

Health Assessment of Regional Complex Ecosystem Based on Self-Organizing Map Neural Network

Fan Guojing1,Tian Xiuhua2
(1.School of Historic Culture and Tourism，Gannan Normal University，Ganzhou Jiangxi 341000,China；2.Business Institute,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu Anhui 233041,China)

Based on Self-organizing Map(SOM)neural network,this paper makes assessment of the health grade of regional complex ecosystem of the four economic regions.Conclusions are as follows：firstly,the most influential factors for the health assessment of complex ecosystem are air quality,housing consumption,energy-saving and cost-reducing.Secondly,China’s regional complex ecosystem is mainly in health and sub-health status.The health value of Jiangsu’s complex ecosystem ranks first,in health status;Tianjin’s economic subsystem and Hainan’s natural subsystem ranks first,and their health value is all above 0.8,in the state of good health;the health index of Beijing’s social subsystem ranks first.Lastly,the combined health index of the eastern region’s ecosystem is the highest,and the social,economic and natural health indices all rank first,above 0.6,in health state.

SOM neural network;regional complex ecosystem;health assessment

F205

A

1002-6487（2017）11-0085-04

江西省高校高水平學(xué)科社會學(xué)建設(shè)資助項目（GNSDSHX2017086）

樊國敬（1972—），男，安徽臨泉人，博士，教授，研究方向：生態(tài)經(jīng)濟。田秀華（1973—），女，安徽蒙城人，碩士，講師，研究方向：國際貿(mào)易。