城市复合生态系统共生模型及应用研究

2012-08-26韩婧男刘钧霆

中国人口·资源与环境 2012年2期

王俭韩婧男胡成王蕾刘钧霆

(1.辽宁大学环境学院，辽宁沈阳110036;2.辽宁省环境科学研究院，辽宁沈阳110031;3.辽宁大学国际关系学院，辽宁沈阳110036)

从工业革命开始，伴随生产的进步和消费模式的变革，人类对自然改造的能力和索取的程度也在不断扩大，这种近乎掠夺式的发展模式造成了城市生态环境的污染与破坏［1］。要从根本上解决城市生态环境污染问题，必须把城市置于复合生态系统的框架下进行研究，综合考虑城市的自然，经济和社会三个子系统，将三子系统作为一个共同整体。近年来，各类系统科学理论逐步运用于复合系统研究领域，并成为该领域的研究热点［2－4］。其中，协同学将不同学科中具有共同特征的现象作为研究对象，研究一个系统中各子系统之间协调一致作用的产生、发展规律及变化趋势等，其学科性质决定了协同学能够作为城市复合生态系统协调发展研究的理论基础。为此，本研究以协同理论为基础，将生态共生的理论予以扩展，探讨了城市三个子系统的和谐共生问题，构建了城市复合生态系统生态共生模型，并以沈阳市为例进行了实证研究。

1 研究方法

1.1 协同学基本理论

协同学(Synergeics)是由原联邦德国科学家赫尔曼·哈肯(Harmann－Haken)在20世纪70年代创建的一门跨越自然科学和社会科学新兴的交叉学科，它是研究系统通过内部的子系统间的协同作用从无序到有序结构转变的机理和规律的学科［5］。赫尔曼·哈肯本人对协同学概念和研究对象的表述是:协同学是一门横断学科(交叉学科)，它研究系统中子系统之间怎样合作以产生宏观的空间结构、时间结构或功能结构(即怎样产生“自组织”的)，它既处理确定论过程也处理随机过程，研究由完全不同性质的大量子系统所构成的各种系统［6］。从创立之日起，协同学就被广泛用于物理学、社会学、管理学、经济学等学科中［7－10］。协同学理论认为，一个系统从无序向有序转化的关键在于组成该系统的各子系统在一定的条件下，通过非线性的相互关系能否产生相干效应和协同作用，并通过这种作用产生出结构和功能上的有序［11］。协同学进一步指明了系统从无序状态转化为有序状态的过程机理及所需具备的条件:①序参量对系统演变的最终状态或结构起主导作用，在系统演化过程中从始至终都起作用，并且得到多数子系统的响应，起着支配子系统行为的主导作用。②系统内子系统间的有机联系和积极配合是系统有序发展的重要条件之一。只有子系统之间形成协同、系统关联作用占主导地位时，系统才可能呈现出一定的有序结构。③除了系统内部协同作用的机制外，还需要外部环境提供适当的控制参量，为系统自组织结构的形成与有序演化提供保障。④反馈机制是系统实现有序的重要保证，任何一个开放系统要维持一定的稳定性，实现其自身的目标都离不开反馈调节。

1.2 城市自然－经济－社会复合生态系统共生模型

1.2.1 城市自然－经济－社会复合生态系统

20世纪80年代中期，中国生态学奠基人马世骏院士等提出了基于多层次、多功能、多目标的社会－经济－自然耦合发展的城市复合生态系统［11，12］。王如松针对城市对复合生态系统进行了改进，他明确提出城市是一个以人类行为为主导、自然生态系统为依托、生态过程所驱动的社会—经济—自然复合生态系统［13，14］。该理论明确指出城市是典型的复合生态系统，城市可持续发展追求的是经济发达、社会繁荣、生态保护三者的高度和谐，技术与自然的充分融合。这种基于人类活动的对象和总体特征而对复合生态系统所进行的社会、经济和自然的广义划分，对唤起生态文明的意识具有很强的理论指导意义。此后，一些学者在此基础上发展和改进了复合生态系统的构成模型，并进行了城市复合生态系统互动关系及生态调控的研究［15－17］。在借鉴相关研究基础上，从广义生态共生的角度，本研究将城市复合生态系统分为自然生态子系统、经济生态子系统和社会生态子系统。其中，自然生态子系统是一切生命赖以生存的自然空间和物质载体，人类所有的经济活动、社会生活都发生在自然生态系统中，同时该子系统为经济生态子系统的经济活动提供必需的物质资源，并影响着社会生态子系统中人类的生存环境，因此，该子系统在城市复合生态系统中承担着生产者和分解者的角色;经济生态子系统是为人类提供所需物品和劳务的投入产出系统，其经济活动产生的污染物排放到自然生态子系统之中，并为社会生态子系统提供产品，因此，该子系统在复合生态系统中承担着消费者和生产者的角色;社会生态子系统是人类及其自身活动所形成的非物质性生产的组合，是城市自然－经济－社会复合生态系统协调与控制的主体，是复合生态系统中的分解者与消费者。而复合生态系统的生态共生应该是自然生态子系统、经济生态子系统和社会生态子系统在特定区域内，以人为核心和纽带，通过协同作用自觉地调节各子系统的关系而形成的相互依存、互相促进的和谐共生的复合体系。

1.2.2 共生模型

(1)各子系统间共生水平评估模型。根据协同理论及城市复合生态系统特征，复合生态系统共生水平评估通过各子系统间共生水平评估来实现，即自然、经济生态子系统共生水平，经济、社会生态子系统共生水平和社会、自然生态子系统共生水平。设描述各子系统间共生水平的序参量为X={xij，(i=1，2，…，k;j=1，2，…，n)}，其中xij表示第i个共生子系统共生水平第j个序参量，其有序度计算采用功效函数法［18，19］。在功效函数多指标综合评价体系中，常见的功效函数有线性功效函数法(或称传统功效函数)、指数型功效函数法、对数型功效函数法、幂函数型功效函数法等。由于本研究所选序参量指标实际值的等量变化在不同的发展阶段上表示的意义是不同的，当某个指标值增加(或减少)到一定程度以后，再要增加(或减少)就越来越困难，这类似于经济学中的边际收益递减规律。因此，根据各功效函数的特点并结合本研究的实际，选择了改进的指数型功效函数［20］，其数学形式为:

其中，dj为共生子系统序参量xij的有序度(即功效分值)为不容许值为满意值。不容许值和满意值一般统称为阈值，在这里它们表示的是一个固定时间横截面上的上限和下限值;A、B为正的待定参数。相对于原有的指数功效模型来说，指数功效函数改进模型在计算时无须使用样本均值，这使得指标的评价值更加稳定，也更便于历史数据之间的比较。对于指数功效函数改进模型公式中的待估参数A和B，一般地，可以通过临界点定分来确定:

序参量对共生子系统总的贡献度，即该共生子系统的有序度，通过加权几何平均模型计算，其数学形式如式3所示:

(2)复合生态系统共生度评估模型。区域复合生态系统状态取决于三个子系统的共生水平，各子系统间共生度越高，复合生态系统越和谐，反之越不和谐。本研究认为各共生子系统对复合生态系统同等重要，其共生度评估采用几何平均法计算，如式4所示。

其中ES为复合生态系统共生度，ES越大，该复合生态系统共生状态协调程度越高，反之越低。k为复合生态系统共生子系统个数。

(3)共生度变化趋势分析。设在某一初始时刻t0区域复合生态系统共生度为ESt0，t0+△t时刻区域复合生态系统共生度为ESt0+△t，则在△t时间段，区域复合生态系统共生度变化趋势用共生度变化率量化表示为:

如果取步长△t为1年，则

ESR△t描述了从t0到t0+△t时段中，系统在多大程度变得更加协调，如果ESR△t＞0，说明系统在向相对更加有序的状态转化，处于协调发展状态;反之，如果ESR△t＜0，说明系统在向相对无序的状态转化，处于非协调发展状态;如果ESR△t=0，说明系统发展相对稳定。

1.3 研究区域与数据来源

本研究以沈阳市为研究对象，沈阳是东北地区的经济、文化、交通和商贸中心，位于环渤海经济圈(我国第三大经济圈)之内，是环渤海地区与东北地区的重要结合部。同时也是我国最重要的重工业基地之一，被誉为共和国长子，素有“东方鲁尔”的美誉。以沈阳为中心，半径150公里的范围内，集中了以基础工业和加工工业为主的8大城市，构成了资源丰富、结构互补性强、技术关联度高的辽宁中部城市群，沈阳是鞍山、本溪、抚顺等以第二产业为主导的北方城市的代表。因此以沈阳为研究目标对其他北方城市具有重要的借鉴意义。

近年来，沈阳的生态环境建设取得了显著成绩，荣获了国家环保模范城市、国家森林城市的称号。但在生态城市建设过程中，一个必须面对的问题就是如何协调好自然生态子系统、经济生态子系统和社会生态子系统的关系，使其协调发展。因此以沈阳为研究区域，进行城市复合生态系统生态共生研究对沈阳今后的城市发展有着重要的指导作用，对其它同类地区城市复合生态系统的研究也具有一定的参考价值。本研究数据主要来源于沈阳统计年鉴、辽宁统计年鉴、中国统计年鉴等［21－23］。

2 研究结果与分析

2.1 序参量选择及阈值确定

2.1.1 序参量选择原则

本研究在按照客观性原则、科学性原则、实用性原则、可操作性原则［24－25］，并考虑资料的连续性和可得性，选择了描述各子系统间共生水平的序参量如下:

(1)自然、经济生态子系统共生水平序参量。序参量主要包括:工业固废综合利用率(%)、主要污染物排放强度SO2(kg/万元GDP)、城市生活污水处理率(%)、单位GDP能耗(t标煤/万元)、万元GDP的用水量(m3)。

(2)经济、社会生态子系统共生水平序参量。序参量主要包括:城镇居民人均可支配收入(元)、恩格尔系数、第三产业占GDP比例、城市化水平(%)、城乡收入比值。

(3)社会、自然生态子系统共生水平序参量。序参量主要包括:人均水资源占有量(m3)、人均耕地面积(公顷/人)、森林覆盖率(%)、建成区绿化覆盖率(%)、人均绿地面积(m3)。

2.1.2 阈值确定

对于城市复合生态系统序参量阈值的确定，主要根据目前已存在普遍公认的指标标准值来确定(如国际上认可的标准制、国家认可的标准值、国家或区域颁布的一些发展规划指标值等)，对于没有公认标准值的序参量指标可以按不允许值与满意值比值等于60%计算得到另一项。各项指标见表1。

2.2 共生度计算

2.2.1 权重的计算和确定

层次分析法(AHP)是美国运筹学家T.L.Saaty于20世纪70年代提出的一种对复杂现象的决策思维进行系统化、模型化、数量化的方法，又称为多层次权重分析决策法。该方法的特点是在对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂问题提供简便的决策方法，目前已广泛用于各个学科评价的权重确定［26－28］。本研究应用层次分析法，并咨询相关专家意见，确定了沈阳复合生态系统各子系统共生水平序参量的权重。

下面以自然、经济子系统共生水平序参量权重为例，说明指标权重的确定过程。首先构造该子系统各指标的正反矩阵:

应用Matlab软件计算得到矩阵的最大特征值为λmax(A)=5.1269，于是CI=(λmax－5)/(5 －1)=0.031725，查得RI=1.12，于是:

其中:CI为衡量对比矩阵A不一致程度的指标;CR为对比矩阵A的随机一致性比率，可从有关资料查出;RI为平均随机一致性指标，它只与矩阵阶数n有关。

CR＜0.1，说明A不是一致阵，但A具有满意的一致性，A的不一致性是可接受的。此时A的最大特征根对应的特征向量:

将该向量标准化得到自然、经济生态子系统各指标的权向量:

表1 城市生态共生水平各项指标

应用同样方法分别计算经济、社会生态子系统共生水平和社会、自然生态子系统共生水平各指标的权向量分别为:

2.2.2 共生度计算结果

根据城市复合生态系统生态共生模型的及相关权重，计算出1995－2009年沈阳市复合生态系统各子系统间共生水平及复合生态系统共生度，结果见图1。从图1中可以看出，沈阳市复合生态系统共生度呈总体呈增长态势，评价值从34.73(1995年)稳步增长到86.69(2009年)，系统共生程度越来越协调。其中自然、经济生态子系统上升趋势比较显著，由于近年来政府对城市生态环境建设投资的力度不断加大，基础设施和城市环境的发展水平相对较快，主要污染物排放强度(SO2)明显下降及工业固废综合利用率、森林覆盖率和人均绿地面积明显上升，导致自然生态子系统在向相对更加有序的状态转化;经济、社会生态子系统有序度呈现稳步提升趋势，近年来，城市经济系统的结构更加合理，三产结构相对稳定，城镇居民人均可支配收入和城市化水平有所提高，高新技术产业在经济中的地位日益突出，这是沈阳市经济发展的重要支撑;社会、自然生态子系统的变化相对比较稳定，有序度呈稳步增长态势。

另外，根据上述子系统有序度计算公式，有序度=60为系统从无序状态向有序状态转变的临界点。那么，必须引起注意的是:沈阳市自然生态子系统和经济生态子系统在2001年以前一直处于无序发展状态，从2001年开始步入有序发展轨道;沈阳市复合生态系统从2001年开始，才进入有序协调发展状态。所以，在未来城市生态环境建设过程中，要充分吸取无序发展时期的经验教训，避免走不协调发展的老路。

2.3 共生度变化趋势

根据前文所述公式6计算沈阳市复合生态系统及各子系统共生度变化率，结果如图2所示。从图中可以看出，各子系统共生度变化率均呈波动状态，波动幅度逐渐减小，2007－2009年逐渐趋于平稳。其中，自然、经济生态子系统波动最为明显，2002－2003年间达到最大值，之后有所减缓;经济、社会生态子系统和社会、自然生态子系统共生度变化率波动较小，经济、社会生态子系统共生度变化率基本大于零，仅1998－1999和2000－2001年间出现了负增长，但数值都较小，说明经济、社会生态子系统有序度一直处于平稳增长态势;社会、自然生态子系统也有几年出现了负增长，但总体呈缓步增长趋势。受各子系统影响，沈阳城市复合生态系统共生度变化率也呈现波动状态，2007－2009年逐渐趋于平稳，说明随着辽宁老工业基地的全面振兴，沈阳市自然－经济－社会结构逐渐趋于合理，沈阳市复合生态系统逐渐趋于和谐共生状态。

3 结论

城市复合生态系统生态共生核心是自然、经济生态子系统，经济、社会生态子系统和社会、自然生态子系统的相互制约、良性互动、永续发展，是一种全新的发展模式。本研究基于生态系统共生这一理念，构建了城市生态共生模型，并进行了实证研究，得出以下结论:

(1)以协同理论为基础，在分析城市复合生态系统共生结构及特点基础上，构建的城市复合生态系统生态共生序参量指标体系，用于城市复合生态系统共生状态评估是合理和可行的。

(2)采用改进的指数型功效函数法，构建了城市复合生态系统生态共生评估模型。实证研究表明:该模型能够有效地评估城市复合生态系统生态共生水平及各子系统的有序度，并进行变化趋势分析。

(3)通过沈阳市复合生态系统生态共生水平实例分析表明:1995－2009年沈阳市复合生态系统共生度呈平稳增长态势，从2001年开始，步入协调发展状态，且协调程度越来越高。

复合生态系统的提出作为未来发展的一个趋势，已引起国内外广泛的关注，但从理论和实践来看，对该问题的研究尚处于探索阶段。特别是相关研究成果如何更好地用于指导人类经济活动及生态城市建设尚需进一步探讨。

(编辑:张英)

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