開封城市生態(tài)系統(tǒng)健康動態(tài)變化研究

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，河南開封 475004)

0 引言

城市生態(tài)系統(tǒng)是在自然生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)上由人類社會、經(jīng)濟(jì)、文化、政治與自然環(huán)境相互作用形成的產(chǎn)物，它是人類活動干擾最強(qiáng)烈的地區(qū)［1］，具有高度的開放性、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，并能維持對人類的服務(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，使其更好地為人類社會服務(wù)，迫切需要開展城市生態(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)體系和評價方法的探討上［6－7］，從2000年以后開始出現(xiàn)個案研究，如Jerry等［8］采用驅(qū)動力—壓力—狀態(tài)—暴露—影響—響應(yīng)(DPSEEA)模型對古巴首都哈瓦那城市生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評價;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)健康評價模型，并對重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了分析;魏婷等［10］利用突變級數(shù)法對廈門市生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了定量評估和趨勢分析。除上述評價方法外，在城市生態(tài)系統(tǒng)健康研究中應(yīng)用的評價方法還包括物元可拓模型法［11］、屬性綜合評價法［1］和主成分投影法［12］等，以上各方法均是基于數(shù)學(xué)模型開展評價，但各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，在分析問題時需根據(jù)實(shí)際情況確定采用的評價方法。

開封市是國家歷史文化名城，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，開封市的城市化將逐漸加快，其生態(tài)系統(tǒng)健康與否對于經(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，對開封城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行正確評價，找出影響城市生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因素，對于實(shí)現(xiàn)開封城市經(jīng)濟(jì)、社會與自然環(huán)境的和諧發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

開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(2010年)，轄5縣和5區(qū)。近年來，開封市在城市建設(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，也帶來了一系列社會與生態(tài)環(huán)境問題，人地矛盾日益突出［13］。

2 研究方法

本研究基于2003—2011年《河南省統(tǒng)計年鑒》和《開封市統(tǒng)計年鑒》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)合開封市實(shí)際，從自然、經(jīng)濟(jì)和社會3個方面建立開封城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(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)健康綜合評價模型，對2002—2010年開封城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價。

3 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

3.1 選取原則

建立指標(biāo)體系的根本目的在于通過選擇適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)來客觀、科學(xué)地反映和衡量生態(tài)系統(tǒng)所處的狀態(tài)，識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)的種類和項(xiàng)目繁多，因此，需要從眾多的原始數(shù)據(jù)和評價信息中篩選出便于度量、內(nèi)涵豐富的主要指標(biāo)作為評價指標(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)對城市生態(tài)系統(tǒng)的自然干擾和人類威脅進(jìn)行監(jiān)測，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)人類活動對其影響程度。2)實(shí)時性原則。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)時監(jiān)測和評價。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)可以通過調(diào)查、統(tǒng)計、遙感等手段獲得，易于定量計算，現(xiàn)實(shí)意義明確，能夠?qū)Σ煌瑓^(qū)域、不同時間的生態(tài)現(xiàn)狀及其可持續(xù)能力開展對比研究。

3.2 指標(biāo)選取

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)和社會生態(tài)系統(tǒng)3個子系統(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)健康評價的總指標(biāo)體系［16］。本研究根據(jù)上述4個原則，結(jié)合開封的具體情況，從經(jīng)濟(jì)、社會、自然環(huán)境3個方面初步選擇了能反映系統(tǒng)特征的要素指標(biāo)，采用主成分分析對初級指標(biāo)進(jìn)行篩選，最終形成了包含29個指標(biāo)的開封城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系(表1)。

3.3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于評價指標(biāo)類型多樣、復(fù)雜，且具有不同的量綱，直接利用這些指標(biāo)進(jìn)行綜合計算并無實(shí)際意義。因此，為了簡便、明確和易于計算，需要對各指標(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)行計算。

式中:rij為第j個評價對象第i個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值;xij為第j個評價對象第i個指標(biāo)的原始值;i=1，2，3，…，m;j=1，2，3，…，n;xi，max，xi，min分別為研究時期內(nèi)同一指標(biāo)的最大值和最小值。

表1 開封城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(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

3.4 指標(biāo)權(quán)重的確定

權(quán)重是以某種數(shù)量形式對比、權(quán)衡被評價系統(tǒng)中諸因素相對重要程度的量值。在評價指標(biāo)體系中，每個指標(biāo)對系統(tǒng)健康都有著不同程度的作用和貢獻(xiàn)，因此，需要對參評的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的確定。通常權(quán)重的確定方法有主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)兩種［17］。主觀賦權(quán)法容易受專家主觀意識的影響而產(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;客觀賦權(quán)法中的二元比較、公式計算和統(tǒng)計學(xué)分析方法容易受研究區(qū)域改變而改變，客觀性不強(qiáng)［18］。本研究采用熵值法確定各指標(biāo)權(quán)重。用熵評價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)重計算的人為干擾，使評價結(jié)果更符合實(shí)際情況。其計算步驟如下。

1)定義熵。在m個指標(biāo)、n個被評價對象的評估問題中，第i個指標(biāo)的熵定義為:

式中:ei為第i個指標(biāo)的熵;fij為第j個評價對象第i個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的比重;假定當(dāng)fij=0時，0，并假設(shè)k

2)定義熵權(quán)。定義了第i個指標(biāo)的熵后，第i個指標(biāo)的熵權(quán)定義為:

3)計算結(jié)果。按公式(4)計算得到各指標(biāo)權(quán)重(表1)。

4 評價模型的選取

4.1 評價模型的建立

在進(jìn)行城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價時，可以通過健康指數(shù)的大小來反映城市生態(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)識城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，需要進(jìn)行綜合評判。在此采用線性加權(quán)函數(shù)計算城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)，故城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型為:

式中:Hj為第j個評價對象的城市生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)。

4.2 評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

目前，國內(nèi)外對城市生態(tài)系統(tǒng)健康的評價研究并不多，對城市生態(tài)系統(tǒng)健康的評價中尚沒有統(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)健康評價標(biāo)準(zhǔn)分為 5 個等級［9，20］，即病態(tài)、不健康、亞健康、健康、很健康。具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 城市生態(tài)系統(tǒng)健康分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification of ecosystem health levels

5 結(jié)果分析

根據(jù)建立的評價指標(biāo)體系和確定的權(quán)重，利用構(gòu)建的評價模型，對2002—2010年開封城市生態(tài)系統(tǒng)和各子系統(tǒng)健康指數(shù)進(jìn)行計算，所得評價結(jié)果如圖1所示。

由圖1可看出，2002—2010年開封市綜合健康指數(shù)基本呈上升趨勢，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)出開封城市生態(tài)建設(shè)所取得的成績。然而對照城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價標(biāo)準(zhǔn)可發(fā)現(xiàn)，在2002—2008年開封城市生態(tài)系統(tǒng)都處于不健康水平上，而2009—2010年處于亞健康水平，說明開封城市生態(tài)系統(tǒng)健康總體狀況仍不容樂觀，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、自然三大子系統(tǒng)來看，自然子系統(tǒng)的健康指數(shù)趨勢性不明顯，基本處于波動狀態(tài)，這與建成區(qū)綠地覆蓋率波動較大、環(huán)境治理情況時好時壞有關(guān)。因此，政府應(yīng)加大對城市綠化和城市廢棄物處理的投資力度。社會子系統(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，這說明在城市的發(fā)展過程中，政府部門通過調(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，使社會結(jié)構(gòu)漸趨合理化，但仍要注意社會子系統(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速度過快和人口老齡化問題。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的健康指數(shù)基本呈直線上升趨勢，但在2003年略有下降，主要是由工業(yè)增長率略低、第三產(chǎn)業(yè)所占比例下降等原因造成;進(jìn)入21世紀(jì)，雖然開封市各類資源和能源的消耗有所增加，但政府部門通過調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、提高科教投入以及發(fā)展觀光旅游事業(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。

綜合來看，開封城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平的提高得益于城市社會子系統(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，對城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平提高的作用較小。

圖1 開封城市生態(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

6 結(jié)語

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因素的干擾，評價結(jié)果較為客觀地反映各指標(biāo)所包含的信息。同時，建立的城市生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價模型能夠簡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，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，有助于辨識城市生態(tài)系統(tǒng)的相對健康狀況，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，開封城市生態(tài)系統(tǒng)健康呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢;但從健康等級來看，健康水平一直處于不健康和亞健康級別，總體健康狀況不容樂觀。從3個子系統(tǒng)來看，城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平的提高更多地依賴社會和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，而自然子系統(tǒng)沒有發(fā)生明顯改觀，對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經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展的同時，應(yīng)加大對自然環(huán)境改善的投入力度，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會與自然環(huán)境三者相互協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

本研究對開封城市生態(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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