基于E-E-S模型的福建省城市生态系统安全评价*

黄 鹏，郭 闽，兰思仁＊＊

(1.福建农林大学 林学院，福州350002;2.福建农林大学 园林学院，福州350002)

所谓城市生态系统安全，指的是在城市中能够维持人类社会持续发展，受作用于人类活动的自然和半自然生态系统，保障城市生态系统的整体健康水平和完整性不受威胁.虽然城市的面积仅占地表总面积的2%［1］，然而其中多种负向环境效应严重影响城市生态安全，甚至在全球尺度上也对生态系统的结构和功能产生了破坏［2］.伴随高强度的开发和土地利用方式的重大改变，城市生态系统的脆弱性也越发明显［3-5］.人口压力、社会经济发展、环境污染等因素反过来也严重制约了城市的发展.因此，为了能够可持续地利用土地资源，减轻环境压力，保护城市生态系统，需要制定相关的措施，对城市生态系统安全等级进行评价.然而我国对城市生态安全的研究还只是处于探索阶段，对于城市生态安全的研究实践先于理论，虽然有一些关于城市生态安全的相关研究［6-8］，但都还未成熟，仍需深入研究.E-E-S模型相对于其他评价模型，具有更强的可操作性和系统性，而模糊物元法［9，10］能够解决单项指标不相容的问题.此处将两者结合，对福建省的城市生态系统安全进行动态评价［11］，为后续的理论研究和实践提供参考依据.

1 评价方法

联邦德国的理论物理学家哈肯于20世纪70年代初创立了广泛运用于经济、心理、生态等学科的协同学.此处所选用的 E-E-S协同模型［12］指的是城市生态系统是由经济-环境-社会(Economy-Environment-Society)3个子系统所组成的.城市生态系统安全并非是由追求其中某一个子系统的安全而得来，而是依靠协调这3个子系统来达成最终目标.此处所选用E-E-S模型，能够更好地对城市生态安全进行组织分类，能够充分考虑各因子之间的复杂性，使得评价结果更贴近实践应用.

1.1 指标体系的构建

根据E-E-S模型并参照相关的规定和文献，选取评价指标，并对评价指标分层，建立评价指标体系.其中第一层为目标层，由目标城市生态安全体系构成;第二层为项目层，由经济-环境-社会子系统组成;第三层为指标层，由组成项目层的指标因子所构成.

1.2 权重计算

目前，对于指标权重的计算主要有层次分析法、特尔菲法、熵值法等［13］.每种方法都能在一定程度上反应出评价指标的特性，但也具有相应的局限性.层次分析法能够引入人为判定因素，将城市生态安全和经济社会因素相结合，但是不能很好地反应评价指标本身的性质，定性大于定量.同样的，熵值法能够客观地反应出评价因子本身的性质，但是缺少与环境以及社会经济等因素的联系.因此此处将熵值法和层次分析法相结合，分别计算出两者的权重并通过公式加权平均，结合两处方法的优点并避免两者的不足，综合得出实际权重.

1.2.1 熵值法的权重计算

为使用熵值法计算评价指标权重需要先将所收集的数据进行标准化处理，以此来统一不同评价因子之间的量纲及单位.在这里选择极差法对数据进行处理［14-15］.即当评价指标属于效益型指标(正向指标)时，根据式(1)计算所选地区在m年间的n个指标因子数据所组成的矩阵X=Xij{ }m×n;当评价指标属于成本型指标(负向指标)时，则根据式(2)进行计算.

Xmin为这项指标的最小值，Xmax为这项指标的最大值.则经过标准化后，获得矩阵Y=Yij{ }m×n.

根据标准化之后的指标因子，使用熵值法计算评价因子的权重.根据式(3)，计算第j项指标的信息熵，而后计算其权重.每一项指标的数值大小表示该指标在综合评价之中所起到作用的大小.当某项指标的数值为零，则说明这项指标在评价之中不起作用.

第j项指标的权重为

1.2.2 层次分析法构权

通过构建层次结构模型进行层次分析法构权.为避免单纯定性分析造成的误差，对建立的评价模型按照1～9标度法将所选择的评价指标进行两两比较(表1)，参考专家意见以及相关资料，根据重要性程度构建判断矩阵，自上而下，将隶属同一层的因素对比之后，形成一个n维的判断矩阵.

表1 判断矩阵元素aij的标度方法

将获得的n维矩阵进行权重计算和一致性检验.通过计算n维矩阵的最大特征值λmax来计算判断矩阵一致性指标和同阶随机一致性指标RI的比值CR，当随机一致性比值CR＜0.1时，判定判断矩阵的一致性被接受，通过一致性检验，否则需要调整数据，直至通过一致性检验.

1.2.3 综合权重计算

将计算得出的层次分析法权重(Vj)和熵值法权重(Wj)进行比较.当两者的权数排序相同时，使用熵值法的权系数作为各指标最终的权系数，以此避免权系数的主观性.当两者的权系数按指标的重要等级排序不一致时，选择层次分析法得出的权系数作为各指标因子的最终权系数以消除熵值法确定的权重和实际重要性相悖的问题.当处于中间状态时，则折中，使得评价结果更为合理［16］.

2 城市生态安全评价模糊物元法

因为城市生态安全具有一定的模糊性，为了解决评价标准的客观性，选用物元分析原理并与欧氏贴近概念和模糊集相结合，建立模糊物元评价模型以避免评价指标的不确定性所带来的影响，更加客观地评价城市生态安全［17］.

2.1 构建模糊物元

城市生态安全物元R=(Y，C，V)由物元分析中所描述对象Y以及其特征值V和特征向量C共同组成.若其特征值V具有模糊性的，则称之为模糊物元.当有M个对象的n维物元组成在一起，就构成M个对象的n维复合模糊物元，即

2.2 计算从优隶属度

从优隶属原则指的是建立各单项评价指标相应的模糊量值，从属于标准样本各对应评价指标相应的模糊量值隶属程度的原则，按如下方式进行计算:

2.3 建立标准模糊物元和差平方模糊物元

根据从优隶属度模糊物元Rmn中每项评价指标的最大值或最小值确定构成标准模糊物元R0n.

差平方复合模糊物元RΔ由标准模糊物元R0n与复合模糊物元Rmn中对应各项差的平方组成.

2.4 欧氏贴近度和综合评价

选用欧氏贴近度表示标准样本与被评价样本之间接近的程度.若两者之间相差越远，则其数值越小，反之则表示两者越接近.各样本按照欧氏贴近度的大小进行对应的优劣排序或者根据贴近标准值的程度进行类别的划分.选用M(·，+)算法，即先乘后加来计算和构建欧氏贴近度的复合模糊物元RpH:

2.5 城市生态安全综合评价

参考相关标准以及相应的历年文献，整理出相关指标［18-24］，将各综合评价指标得分按照划分好的城市生态安全等级评价(表2，3)确定安全等级，并根据其所处的安全级别，制定相应的应对措施以及策略.

表2 福建省城市生态系统安全评价等级

表3 福建省城市生态安全评价体系及权重分配

3 结果分析

3.1 研究区概况

福建省位于北纬23°31'-28°18'，东经115°50'-120°43'，地处中国东南沿海，靠近北回归线.地形以山地丘陵为主，全省大部分属中亚热带，闽东南部分地区属南亚热带.光热资源丰富，降雨充足，植物种类繁多，是我国南方重点林区.福建作为全国生态省建设试点省份之一，在重视社会经济发展的同时，也相应出台了《福建生态省建设“十二五”规划》，积极推动经济可持续发展.

3.2 分析数据来源

研究数据主要来源于《中国统计年鉴》(2004-2013年)和《福建省统计年鉴》(2004-2013年).

3.3 结果与分析

依据E-E-S概念协同模型，选取了“环境、经济、社会”3个要素构建城市生态安全评价指标，运用AHP法和熵值法相结合求取权重，利用模糊物元模型，对2003-2012年福建省城市生态系统的安全性进行评价［18，19］.

表4 2003-2012年福建省城市生态系统欧氏贴近度计算值及评价等级

图1 2003-2012年福建省城市生态系统整体及各要素健康状况评价

结果表明，上述评价年份中，福建省城市生态系统安全水平整体趋势良好，由2003年的0.625 7上升至2012年的0.831 4，整体上升幅度接近33%，由临界安全逐步转变为较安全.由图1可知，城市生态系统安全欧氏贴近度整体上呈波浪形上升，在2007、2010、2012年达到峰值，指标值自2009年以后稳步上升，安全评价等级一直维持在较安全，表明福建省城市的生态系统安全与环境、经济、社会三要素的协调性不断增强.

根据表4可知，2003-2012年福建省城市生态安全系统环境要素的健康优劣排序为2012，2005，2006，2007，2010，2008，2011，2009，2003，2004 年，可以发现，2004，2008，2011 年的指标值达到谷值，主要原因是上述年度全省人均水资源量较前后年度明显减少，以2004年为例，当年人均水资源量较2003年减少近300 m3，较2005年减少近2 000 m3，这也是当年评价结果为不安全的重要原因之一.此外，自然灾害也是导致人均水资源量减少的重要因素，2011年福建省遭受50年以来最严重的旱灾，降雨量为近十年来最小值，直接影响到当年度人均水资源量，而水资源量的不足直接影响到上述年度城市生态系统的安全评价结果.

从经济和社会要素来看，福建省2003-2012年的欧氏贴近度变化幅度均较大，经济要素由2003年的0.643 9上升到2012年的0.909 5，上升幅度达到40%以上.社会要素由2003年的0.756 5上升到2012年的0.982 9，上升幅度接近30%，这也反应了近十年来，福建省经济发展较快，社会发展稳步前进.对比2003年和2012年数据，在经济要素中，福建省2012年的城镇常住人口为2003年的1.37倍，人均GDP为3.74倍，民用汽车总量为5.49倍.社会要素中的城市水平逐渐提高，建成区面积和人均公园绿地面积稳步提高，城镇居民恩格尔系数也呈现下降趋势.在教育层面，2012年每万人拥有大学在校学生人数是2003年的2.1倍.

4 结论与建议

城市生态安全影响城市的规划和经济的发展.上述指标的变化，体现了福建省经济与社会要素发展的趋势.应注意的是，虽然上述数据分析中，2012年各要素的欧氏贴近度为近十年的最大值，说明福建省城市生态系统整体趋势趋于好转，但是在观察周期中，各要素中存在某些指标有所恶化或反复的现象，如水土流失当年新增治理面积在近十年中波动明显，环境污染治理投资总额占GDP的比例增大后又减小，全社会固定资产投资一度过热等.而从图1来看，虽然经济与社会要素增长趋势相近，但环境要素与两者的差距逐渐明显，说明在福建省经济与社会快速发展的同时，一度隐藏的城市生态环境问题逐渐浮现.环境保护与经济社会发展尚未协调，生态压力、环境压力并未得到根本性改变，人与环境的矛盾依然存在.

同时，在上述评价年份中，环境、经济和社会各要素欧氏贴近度在大部分时间中均在数值上高于城市生态安全贴近度，而城市生态安全贴近度数值上与各年份中三要素最低值相近，这说明城市生态安全的改善需要三要素协同发展，各要素间的发展不均衡或者任何一个要素的滞后均可能影响整体的生态安全，也说明只有正确对城市生态系统三要素进行调控，才能使得城市生态系统的发展更加趋于稳定和协调［20］.

对城市生态系统的研究必须依托一个长期的时间序列为基础进行分析［21］，此处选取十年为一个观测周期对福建省城市生态系统进行评价，通过上述分析评价，福建省城市生态安全需要持续地投入人力物力进行保护和促进.在今后的发展中，提高水土流失治理、环境污染治理和城市的绿地面积依然有着积极的意义.同时，环境景观的人性化设计［22］，对于土地的合理开发利用［23］，环境保护的投入，整体科技水平的提高以及相关的政策扶持和法律条文规范依旧是保护福建省城市生态系统安全的重点.此外，在城市周边郊区的发展中也可以参考已有观光农业、休闲农业等生态农业经营模式，适当调整现有发展模式，不仅可以促使经济发展模式更加清洁化、生态化，还能提高城市周边环境的生态承载力［24］.

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