基于熵思想的民族区城市生态系统研究——以云南省16个市州为例

高庆彦，潘玉君，朱海燕，张梅芬，施 玉，韩兴粉，王胜德

(1.曲靖师范学院生物资源与环境科学学院，云南曲靖655011;2.云南师范大学 旅游与地理科学学院，昆明650500)

0 引言

区域可持续发展是一个国家人口、资源、环境、灾害协调战略的关键［1］，而城市作为未来人口的重要聚集地和区域经济发展的增长极，是资源、环境与人口重要的“汇”所，科技文化的“源”地，在区域可持续发展研究中具有举足轻重的作用。随着城市人口、资源、环境与经济共轭耦合系统研究的深入，城市社会经济生态系统的可持续发展受到了学者的广泛关注。开始认识到城市社会经济生态系统是一个综合“自然-社会-经济”［2］的复合开放生态系统，是人类在强烈改造自然环境的基础上而建构的“人地关系地域系统”结构，从而使社会经济自然复合生态系统与可持续发展［3］成为我国城市发展研究的焦点。在国外，T.A.Larsen等应用信息熵思想研究水资源的时空分布，以期达到城市水资源的可持续管理［4］;M.A.Martin等基于熵指数对土壤进行定量分类［5］。在国内，徐晓霞［6］从结构、功能、协调及其共同构建的综合指数来评价中原城市群生态系统。崔秀萍等［7］运用复合系统思想，从自然、社会、经济3个方面构建呼和浩特地区的城市生态系统指标体系，并采用主成分分析法对该区域进行生态系统环境评价与分析。陶晓燕［8］借助PSR模型，运用模糊综合评价方法对我国典型资源枯竭型城市生态系统健康进行综合评价。高彩玲等［9］运用PSR模型，借助变异系数进行权重确定，对郑州市生态城市建设状态进行评价。王玉明［10］结合城市系统是典型的耗散结构系统［11-12］的思想从理论层次建构了现代城市化演化的3种可能形式，并对不同形式下城市化演化机制进行分析;周云凯等［13］运用熵思想，从自然、社会、经济3个方面建构了开封市城市生态系统健康评价模型。林珍铭等［14］结合前人研究成果，采用熵思想从应用实践层次上构建并定量研究广州市2004—2010年城市生态系统可持续发展过程;张妍等［15］应用信息熵思想构建了系统的发展度和协调度的定量度量模型，研究了宁波市城市生态系统动态演化;吴宜进等［16］借助信息熵思想与区域综合发展度和协调发展度定量模型，研究了武汉市2000—2010年城市生态系统的演化;马海虎等［17］应用信息熵法建立量化模型对温州生态系统演化和可持续发展能力进行分析;赵帅等［18］应用最大流原理，采用 SOM算法从活力、组织结构、恢复力、生态系统服务功能及人群健康方面对天津市城市生态系统健康进行评价研究。国内研究主要是针对特定行政区的时间序列研究，其研究从时间上反映了特定区域城市生态系统的演化过程，但是缺乏对区域城市生态系统的横向空间演化过程对比研究。本研究基于信息熵思想，采用信息熵分析方法对云南省2010—2012年16个市州的城市社会经济生态系统的支持型输入熵、压力型输出熵、还原代谢型熵和消费代谢型(简称为“4种类型熵”)进行空间秩序、时间序列和动因机制［19-20］的分析，以期为自然环境复杂多样、民族众多的云南边疆民族区城市社会经济生态系统的可持续发展、云南省国土空间开发与规划及“桥头堡”建设提供参考。

1 研究区概况

云南省位于中国西南部，介于97°39'～106°12'E和21°09'～29°15'N 之间，全省土地总面积 38.3 万 km2，平均降水1 000 mm，大多数地区在800～1 200 mm之间［21］，年平均气温4.7 ～23.7 ℃［22］。云南东与贵州、广西相连，北与四川、西藏相连，南与缅甸、越南、老挝等国毗邻，是我国西南“桥头堡”建设的主要通道，也是我国丝绸之路的重要组成部分。境内地势西北高、东南低，以元江谷地和云岭山脉南段的宽谷为界，东部为滇东、滇中高原，平均海拔2 000 m，西部为横断山脉纵谷区，高山深谷相间，相对高差较大。全省国土面积按地形分，山地面积占84%，高原、丘陵面积占10%，坝子面积仅占6%［23］。此空间分异格局使得西部山区坝子的个数占云南省坝子总数的44.06%，西部山区坝子的面积占云南省坝子总面积的43.61%［24］，坝子成为云南省城镇发展及农业生产集中分布地区，为现代城市发展奠定了坚实的基础，是现代城市生态系统稳定及发展的重要前提条件，也是未来云南省城市规划的主要载体。2012年，全省总人口4 659万，全年实现地区生产总值10 309.470亿元，人口密度118.22 人/km2，人均国内生产总值 22 195 元/人［25］。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究收集了2011—2013年的云南省16个市州的相关数据。数据主要来源于云南统计局出版的研究年份的《云南省统计年鉴》［25］。

2.2 研究方法

2.2.1 研究方法。根据信息熵理论，对于一个要素集合的不确定性系统，若采用Y代表系统的状态特征，则对于离散随机变量有y的取值为:Y={y1，y2，y3，…，yn}(n≥2)。每一数据对应的概率为:p={p1，p2，p3，…，pn}(0 ≤pi≤1，i=1，2，3，…，n)，且∑pi=1，则系统信息熵为:

式中:ds为支持型输入熵、压力型输出熵、消费代谢型熵和还原型熵;xij为原始指标数据的标准化;xj为第j个指标标准化的求和

2.2.2 城市社会经济生态系统发展能力定量化模型。采用熵值法计算云南省各市州社会经济生态系统发展的差异，特定年份各市州单项指标评价得分计算公式为:

式中:Sij为各市州各项指标得分;wj为各指标相应的权重;Yi为原始数据归一化值。特定年份各市州的综合水平得分为:

式中:Si为特定年份各市州各指标的综合得分;Sij为各市州各项指标得分。

由于各项指标存在着量纲、数量级和正负取向的差异，因此，对各项指标进行标准化处理，公式见文献［26-27］。云南省各市州城市社会经济生态系统各指标熵权确定的具体步骤见文献［28］。

3 结果分析

对原始数据进行标准化处理，运用公式(2)计算出云南省各市州支持型输入熵、压力型输出熵、还原代谢型熵和消费代谢型熵，并用ArcGIS 10.0软件对“4种类型熵”进行空间对比分析(图1、图2、图3)。同时计算云南省各市州城市社会经济生态系统各指标权重(表1)及熵流、熵产生和总熵变(表2)。

3.1 各市州城市社会经济生态系统4种类型熵分析

1)支持型输入熵:云南省各市州中的支持型输入熵3年来存在着显著的空间差异性。其中，支持型输入熵在2010—2012年间呈现减小的地区有昆明市、保山市，说明这2个市城市社会经济生态系统无序度下降;支持型输入熵在此期间呈现先增加后减小的地区有玉溪市、昭通市、普洱市、楚雄州、红河州、西双版纳州、大理州、怒江州、迪庆州，说明这些地区城市社会经济生态系统无序度是先增大后减小;支持型输入熵在此期间持续增加的地区有曲靖市、丽江市、临沧市、文山州、德宏州，说明这些地区城市社会经济生态系统无序度持续增加，在空间上主要分布于滇西北及滇西南地区的大部分地区。

此例表明，需对服用华法林的患者加强关注，特别是合并患有动脉粥样硬化疾病的患者更宜警觉。该病预后不佳，在发病初期，即予以重视并及时处理。对于确诊该病的患者，应当及时停用华法林，更换抗凝药物，保证患者临床治疗的安全。

2)压力型输出熵:丽江市、临沧市、楚雄州、红河州、大理州、德宏州6个市州的压力型输出熵下降;除上述市州以外的其他市州的压力型输出熵结果均为先减小后增大。总体上，云南省各市州城市社会经济生态系统在压力型输出熵指标综合作用下系统有序度增加。

3)消费代谢型熵:昆明市、曲靖市、玉溪市、保山市、昭通市、普洱市、临沧市、西双版纳州、大理州、迪庆州10个地区为持续减小型，说明这些地区社会经济生态系统有序度增加。丽江市、楚雄州、红河州、文山州、德宏州、怒江州6个地区为先减小后增加型，说明这些地区社会经济生态系统有序度总体呈现增加趋势。

图1 2010年云南各市州4种类型熵的空间差异Fig.1 The spacial difference of the four entropies of sixteen cities of Yunan Province in 2010

图2 2011年云南各市州4种类型熵的空间差异Fig.2 The spacial difference of the four entropies of sixteen cities of Yunan Province in 2011

图3 2012年云南各市州4种类型熵的空间差异Fig.3 The spacial difference of the four entropies of sixteen cities of Yunan Province in 2012

表1 2010—2012年云南省各市州城市社会经济生态系统各指标权重Tab.1 The entropy weights of urban-society ecological system of Yunnan Province during 2010—2012

4)还原代谢型熵:城市社会经济生态系统的还原代谢型熵出现先增加后减少的地区为玉溪市、保山市、昭通市、红河州、文山州、大理州、怒江州、迪庆州8个市州，出现持续增加的地区为昆明市、曲靖市、丽江市、普洱市、临沧市、楚雄州、西双版纳州、德宏州8个市州。

5)4种类型熵:2010—2012年云南省16市州的4种类型熵存在着显著的空间差异性。昆明市、曲靖市、玉溪市、保山市的4种类型熵在2010，2011，2012年数值差距较小，为滇中城市群的主体部分。

3.2 各市州城市社会经济生态系统熵流分析

云南省各市州城市社会经济生态系统的熵流自2010年以来存在着显著的空间差异性和多样性，使得各市州社会经济生态系统演化呈现多样性。其中，楚雄州、文山州、西双版纳州、怒江州呈现出负增长;昆明市、保山市、昭通市呈现出先减小后增大;曲靖市、丽江市、临沧市、红河州、大理州和德宏州为持续减小;玉溪市、普洱市和迪庆州熵流由负熵流变为正熵流。

表2 2010—2012年云南省各市州熵流、熵产生及总熵变Tab.2 The entropy flow，entropy production and entropy change of the cities of Yunnan Province from 2010 to 2012

3.3 各市州城市社会经济生态系统熵产生分析

2010—2012年保山市熵产生值均为负值，且其绝对值在减小;昆明市、曲靖市在此期间熵产生值由正值变为负值;其余的13个市州的熵产生值均为正值。

3.4 各市州城市社会经济生态系统总熵变分析

昆明市和曲靖市总熵变值为负值，说明两地区城市社会经济生态系统中的熵流输入量抵消了其内部系统的熵产生后还有盈余，该系统处于负熵累积，系统处于优化状态。昆明市的还原代谢熵值较大，说明昆明市的工业废弃物处理率高，城区绿化面积增加，具体表现为昆明市城市化过程中城市数量在郊区的增加、城市规模的扩大与等级的提升和城市功能分区的日趋明显与逐步到位及各功能分区的不断完善与拓展;曲靖市系统处于进化状态主要是由于以农业为主的支持型输入熵较大导致的。保山市的总熵值在-0.3～0.2之间波动，接近于0，即区域内城市社会经济生态系统的熵流与系统内部的熵产生基本接近，城市系统处于勉强维持的发展停滞状态［10］。除上述3个市州外的其他地区的熵总值总体大于2.0，城市系统朝向无序方向演化，整体上出现东部系统总熵值小于西部。主要表现为城市的衰败，如规模与功能萎缩与城市化过程中城市管理制度不合理、土地利用不合理等所导致的城市短期功能失调、管理混乱等。其中尤以德宏州的总熵值最大，2010年为5.136 22，2011年为4.815 70，2012 年为3.334 24，区域社会经济生态系统有序度降低，严重影响区域的“人地关系地域系统”的可持续发展及城市系统的良性发展。

3.5 各市州城市社会经济生态系统发展分析

从云南省16个市州2010—2012年的城市社会经济生态系统发展的综合计算结果(图4)可以看出:3年来各市州的城市社会经济生态系统综合发展的空间差异格局基本没有发生变化，总体上呈现出增加趋势，东部相对优于西部;综合发展得分最高的为昆明市，其次为曲靖市、丽江市、楚雄州和德宏州，民族集聚区中以楚雄彝族自治州、红河哈尼族彝族自治州和大理白族自治州得分较高。由2010—2012年各指标的权重可以看出在支持型输入熵指标、压力型输出熵指标、消费代谢型熵指标和还原代谢型熵指标4种类型中，支持型指标的权重高达0.59以上，主要以农产品的生产为主;压力型指标权重达0.17以上，消费代谢型指标权重为0.16左右，还原型指标权重仅为0.07左右。由此可以看出，导致云南省各市州城市社会经济生态系统总体上处于有序度下降的主要原因是还原型熵权值较小，主要体现为工业废弃物的进化(或处理)水平低和城市绿地面积小。

图4 云南省各市州2010—2012年综合发展Fig.4 The spacial difference of the four entropies of sixteen cities of Yunan Province from 2010 to 2012

3.6 各市州城市生态系统发展分析

2010—2012年，支持型输入熵指标中始终处于主导地位的指标是进出口总值，其权重在2010，2011，2012年分别为0.203 63，0.201 76，0.177 41。2010 年主要为油料作物产量、水果总量、肉类总产量、教育支出及蔬菜总产量。2011，2012年主要为粮食产量、油料作物产量、水果总量、肉类总产量及蔬菜总产量，它们对系统的无序性产生巨大的影响。压力型输出熵指标中始终处于主导地位的指标是地膜使用量、农药使用量、化肥使用量、农村人均生活消费支出。还原代谢型熵指标中的绿化覆盖面积、城市污水处理率始终占主导地位。消费代谢型指标中的COD排放量和工业固体废物产生量占主导地位。

2010—2012年，在支持型输入熵指标、压力型输出熵指标、还原代谢型熵指标和消费代谢型指标中支持型熵指标的权重最大，均在0.590以上，由于该指标组易受国际经济影响及地区农业易受自然灾害的影响，严重影响着城市社会经济生态系统的稳定性。压力型输出熵指标次之，均在0.170以上。还原代谢型熵指标均在0.140～0.160;消费代谢型指标最小，在 0.065 ～0.072 之间，说明其对城市社会经济生态系统的稳定性影响较弱。因此，在进行云南省各市州城市社会经济生态系统调控时，应优先考虑调控支持型熵的各指标。

4 结论与讨论

应用熵思想进行云南省城市社会经济生态系统的支持型输入熵、压力型输出熵、还原代谢型熵和消费代谢型熵及熵流、熵产生和总熵变的空间差异研究，其空间分布格局与各市州的实际发展情况相符，对云南省区域可持续发展的调控具有一定的指导意义。

1)云南省各市州城市社会经济生态系统4种类型熵存在着时间段上的多变性，表明各市州城市社会经济生态系统处于发展阶段，主要以有序度下降为主。

2)云南省各市州的4种类型熵存在着空间差异性。2010年，4种类型熵中总体上以消费熵占主导地位，在空间上主要分布于滇东北、滇西及滇西南地区;2011年，4种熵类型中仍然以消费型熵占主导地位，但略有减小趋势，主要集中于滇西北地区;2012年，4种熵类型中仍然以消费型熵占主导地位，但略有减小趋势，主要集中于除昆明市、曲靖市、保山市外的其他市州，尤以滇西北、滇西南、滇东南、滇东北最为显著。

3)云南省各市州城市社会经济生态系统的熵流、熵产生、总熵变存在着显著的空间差异性。

4)云南省各市州城市社会经济生态系统的综合发展得分呈现出东部优于西部、南部优于北部特征。东部地区又以滇中城市群中的昆明市和曲靖市最优。云南省民族集聚区的综合发展能力相对较低且内部存在着显著的空间差异。其中，楚雄彝族自治州、红河哈尼族彝族自治州和大理白族自治州发展能力较强，而位于滇西北的怒江傈僳族自治州和迪庆藏族自治州综合发展能力较弱。

5 对策与建议

第一，在保证区域生态系统稳定的情况下增加各市州与外界的进出口贸易量，以提高区域城市的进出口总产值，降低系统的无序度。第二，加强区域生态系统的建设(如植树造林、退耕还林等)、增加区域农业投入以提高粮食产量，增强区域发展的资源保障，提高对城市生态系统的维持能力，降低系统的无序度。第三，通过技术手段提高各市州城市废弃物(如工业“三废”)及生活废弃物的处理，增强区域城市的自净能力。第四，扩大城市绿地面积。在未来城市规划建设中，结合景观生态学思想应增加和扩大城市绿地面积及其与城市周边生态保护区、风景区或其他景观源的连通性，保证城市绿地景观的稳定性及其生物多样性，提高城市区域生态系统维持能力。第五，科学合理地进行区域城市规划。加强区域城市土地集约化利用，强化城市土地使用管理机制，在进行区域城市规划设计时充分考虑该区域的自然、社会、经济情况，避免脱离实际的规划方案诞生及实施。

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