基于能值分析的延边城市生态系统健康评价

韩旭龙， 刘 晖， 申 红， 李明玉*

(1.延边大学理学院，吉林 延吉 133002；2.延边州农业技术推广总站，吉林 延吉 133001))

城市生态系统是生态系统的一个重要分支，是一个自然—经济—社会的复杂系统[1]。随着世界城市化进程越来越快，尤其是发展中国家，生态系统健康对城市可持续发展具有重大战略意义，并且城市生态系统健康评价已成为一个重要的科研领域[2]。

由于城市生态系统包括复杂的能流、物流、人口流和货币流代谢，为了综合考虑系统内部各种生态流的运行趋势及其交互作用，城市生态系统健康评价需寻求新的思路和方法，从系统生态学角度出发，进行综合的定量分析，量化城市生态系统健康状况[3]。Odum等人于20世纪80年代创立能值研究方法[2]，以地球系统最基础的驱动源—太阳能为共同的基础参照标准，量化自然生态系统和社会经济系统中的各种能流、物流和信息流，突破了不同质量的能量之间统一评价的难题；并运用能量语言符号表征生态系统中各种能物流的路径、转化和过程[4-6]。此举对于能量等级结构和生态经济界面的统一评价方面具有明显的优越性，广泛应用于生态系统价值分析和评估、生态环境管理方案的可行性分析和预测、国家和地区可持续发展政策响应等方面[7-10]。

目前，各学者对进行城市生态系统健康评价采用了大量的研究方法。李秀花等(2012)通过能值分析对乌鲁木齐市进行绿色GDP核算[11]；苏美蓉等(2006)利用生命力指数与集对分析法对城市生态系统健康进行了分析[12]；张丽敏等(2010)运用指标综合法进行城市生态系统健康评价[13]；孙晶晶等(2011)利用能指分析理论对福建省生态足迹进行了分析研究[14]；李娇娇(2011)等通过能值指标体系研究各能源在农业生态系统中的作用[15]；而本研究则采用能值和集对分析方法，综合构建城市生态系统健康评价指标，基于前人研究基础构建“健康、亚健康、不健康、病态”4项指标评价延边朝鲜族自治州8个县、市[16]，利用信息熵权重与集对分析对延边城市生态系统健康评价进行相关研究。

1 研究区概况

延边朝鲜族自治州位于吉林省的东部(图1)，北接俄罗斯，东临日本海，西通我国内陆，南与朝鲜隔河相望，是中、朝、俄的金三角核心地带。延边朝鲜族自治州包括延吉、图们、敦化、珲春、龙井、和龙、汪清、安图8个县市，辖地面积4.3×104km2，处在长白山山区，整个地势西高东低，自南、西北、东北向东南倾斜，受东部日本海影响，属于中温带湿润季风气候，春季干燥多风，夏季湿热多雨，秋季凉爽少雨，冬季寒冷期长。

图1 研究区范围

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 集对分析方法

基于能值分折的城市生态系统健康多属性评价问题Q={S，M，H}，其中，评价年份集合用S表示。

S={sk}(K=1,2,....,P)，sk表示第K个年份；指标集则为M,M={mr}(r=1,2,...,n),通常M有正负2种类型指标，记正向型指标为m1，负向型指标为m2，mr为第r个指标；则基于集对分析的决策矩阵H,H=(hkr)p×n,hkr为不同时期sk关于指标mr的属性值。

最佳评价集U,U={U1,....,U2},由各评价指标体系中最优评价指标组成，最劣评价集为V,

V={V1,V2,.....,Vn},由各评价指标中最劣评价指标组成，其中，Ur为指标mr的最优值，Vr为最劣值。在此区间范围内[Ur,Vr]，对于m∈M1,则在论域Xr={hkr,Ur,Vr}(k=1,2,.....,p)上定义集对{hkr,Ur}的同一隶属度akr与对立隶属度ckr：

(1)

(2)

在sk的比较空间[U,V]中，结合各项指标的权重，计算平均同一隶属度ak、平均对立隶属度ck：

(3)

(4)

由于ak、ck是分别表示相对确定条件下对sk接近最优评价系统U的肯定程度和否定程度的表示，可以定义为sk与U的相对贴近度：

(5)

rk的大小决定了被评价年份sk在评价问题Q下的排序，rk值越大表示状况越佳，也就是城市健康综合指数与最优评价集的贴近度越大，城市生态系统健康状况越好。从前面的论述可以看到，利用集对分析方法，以将评价城市生态系统健康状况的多个健康指数指标系统合成一个与最优评价集的相对贴近度，用来反映城市生态系统健康状况。而这个最优评价集产生于城市生态系统本身，并且会随着时间推移动态更新，这样就避免了人为确定评价标准时主观性和静态性的干扰。

2.1.2 信息熵权重

Shannon(1948)首先在信息论中引入了熵的概念，将其定义为信息熵。即对于一个不确定性系统，若用随机变量X表示其状态特征，对于离散型随机变量，设X的取值为X={x1，x2,......，xn}(n≥2),每一取值对应的概率为P={p1,p2,.......，pn}，且有∑Pi=1，则该系统的信息熵为S=-∑Piln(Pi)。信息熵可用来描述任何一种体系或物质运动的混乱度和无序度。对于基于集对分析的能值指数而言，基于信息熵的指标mr的权重Wr表达式如下:

(6)

2.2 数据来源

该研究中，基础数据及资源来源均为《吉林省统计年鉴》(2005—2018)、《延边州朝鲜族自治州统计年鉴》(2005—2018)。太阳能辐射量，年均风速、降水等来源于中国气象数据网。坡度、高程来源于延边州DEM高程数字模型。能值折算率和能值转换率参考来源为H.T.Odum和蓝盛芳(2001)《生态系统能值分析》中的能值分析方法和能值转换率参数(表1)[17]。

表1 主要能量类型的太阳能值转换率及能量折算系数

注：“-”代表无能量折算系数。

3 结果与分析

拟建立的城市生态系统健康能值指数，是从能值的角度来评价城市生态系统健康状况，因此考虑以城市生态系统健康要素为框架，以能值指标为内核来构建指标体系。城市生态系统健康能值指数的构建框架，即从经济生产力(活力)、系统组成(组织结构)、弹性力与可持续性(恢复力)3方面反映城市生态系统自我更新和维持能力，从提供服务(服务功能维持)、外部环境关系(环境作用)2方面反映城市生态系统满足人类需求的能力(表2)。

表2 城市生态系统健康能值指数评价指标体系

注：R-可更新资源；N-不可更新资源；N0-粗放使用的不可更新资源；N1-集约使用的不可更新资源；N2-直接出口的不可更新资源；F-输入燃料；G-输入货物；I3-进口劳务支出；B-输出货物；E3-出口劳务收入；P2-世界货币比；P1-当地能值货币比；U-总能值使用(U=R+N0+N1+F+G+P2I3)；W-废弃物；Fuel-燃料使用量；el-电力使用量；area-面积；Pop-人口。

3.1 城市生态系统健康能值指数相对情况

以延边朝鲜族自治州8个县、市作为被评价和研究对象，指标选用2004—2010年的平均数和2011—2017年的平均数。采用熵权法对2个时间阶段的平均数计算各指标权重。城市生态系统健康能值指数指标及权重如表3，4所示。

表3 2004—2010年城市生态系统健康能值指数评价指标及权重

由表3得出,2004—2010年各个指标权重所占的比例不尽相同。权重最高值为0.146，且位于“恢复力”中的“废弃物与可更新能值比”；权重第2高值为0.133，分别位于“恢复力”和“环境作用”中的“本土不可更新能值比率”和“环境负载率”。而位于“组织结构”中的“可更新能值自给率”的权重值最低，仅为0.038；位于“活力”的“能值密度”的权重值相对较低，为0.039。同时，权重值较低的还有位于“服务功能维持”的“人均能值”，权重值为0.051；分别位于“活力”和“环境作用”的“能值货币比”和“输出输入能值比”，其权重值为0.055。

表4 2011—2017年城市生态系统健康能值指数评价指标及权重

由表4得出，2011—2017年,权重最高值为0.105，分别位于“恢复力”和“环境作用”中的“本土不可更新能值比率”和“环境负载率”。权重第2高值为0.1，位于“恢复力”中的“废弃物与可更新能值比”。而分别位于“活力”和“组织结构”中的“能值密度”和“可更新能值自给率”最低，其权重值为0.046。同时，权重值较低的有位于“服务功能维持”中的“人均电力”和“人均能值”，其权重值分别为0.053和0.06。

由表3,4对比得出，不同时间段的各项指标权重所占的比重都有所增加或减少。就“活力”方面而言，与2004—2010年相比，2011—2017年“能值货币比”比重依旧大于“能值密度”，但是“能值密度”和“能值货币比”的比重都有所增加。同样在“组织结构”方面，2011—2017年“可更新能值自给率”和“可更新与不可更新比”的比重值都较于2004—2010年有所上升，且“可更新与不可更新比”的比重仍然处于较高位置。由此得出指标层“能值货币比”因素和“可更新与不可更新比”因素对要素层“活力”和“组织结构”的影响依旧重要，且影响力不断增加。

然而就“恢复力”方面，2011—2017年与2004—2010年相比，指标层“本土不可更新能值比率”和“废弃物与可更新能值比”比重减少，尤其以指标层“废弃物与可更新能值比”比重值减幅最大；指标层“可更新资源之人口承载密度”比重却增加。总体而言，指标层“本土不可更新能值比率”和“废弃物与可更新能值比”比重依旧占据主导位置，但“恢复力”整体权重比重下降。

要素层“服务功能维持”方面，与2004—2010年相比，2011—2017年“人均能值”、“人均电力”和“电力能值比”比重值均有所增加。就要素层“环境作用”方面，2011—2017年与2004—2010年相比，除了指标层“环境负载率”比重值减少之外，其余2项指标“输出输入能值比”和“输入能值与可更新能值比”的比重值均有所增加。

由图2可知，2004—2010年和2011—2017年，城市生态系统健康能值指数除“延吉市”下降之外，其余城市都处于上升状态，其中以“珲春市”上升最为显著，其他依次为“汪清县”、“安图县”和“和龙市”，而“龙井市”上升幅度最小。能值指数最高为“延吉市”和“珲春市”，其数值分别为0.717和0.741；最低为“汪清县”，其数值分别为0.272和0.407。与2004—2010年相比，2011—2017年，城市生态系统健康能值指数最高值与最低值之间的差距从0.445减少到0.335。

图2 2004—2010年和2011—2017年各城市生态系统健康能值指数相对情况

为了更清楚地表示基于分析方法得出的各个城市生命力指数的相对排序情况，首先将各个被评价城市的生命力指数与最优评价集的相对贴近度rk值进行有序排列(此处采用降序排列)，然后针对这组有序数据块，在不打乱数据序列顺序的前提下对样本(城市)进行分类，把全部样本分为4个级别，分别为健康(rk≥0.6)，亚健康(0.5≤rk<0.6)，不健康(0.4≤rk<0.5)，病态(0.3≤rk<0.4)。针对图2中各个城市生命力指数的rk值，得到各个城市分级情况(图3)。

图3 2004—2010年和2011—2017年各城市生态系统健康能值指数分级图

由图3可知，“健康”和“亚健康”主要分布在延边东部和西部，“不健康”与“病态”主要分布在延边北部和南部。2004—2010年与2011—2017年，延边各个城市生态系统健康能值指数分级变化较大。与2004—2010年相比，2011—2017年“珲春市”从“亚健康”转变为“健康”；“敦化市”由“不健康”转变为“亚健康”；“和龙市”、“汪清县”和“安图县”从“病态”转变为“不健康”。而“延吉市”、“图们市”和“龙井市”保持原有级别并无变化，且2011—2017年，并无“病态”级别的城市。

3.2 城市生态系统健康能值指数分析

由图4可以看出，2001—2010年和2011—2017年，每个城市内部各个生态系统健康能值分指数的相对情况。以“健康”型城市为例，2004—2010年与2011—2017年，延吉市都处于健康值范围之内。通过对各个生态系统健康能值指数分析得到，就“恢复力指数”、“环境作用指数”和“服务功能维持指数”而言，延吉市无论在2004—2010年，还是在2011—2017年始终处于上游位置。与2004—2010年相比，2011—2017年，延吉市在此3种指数数值有所下降，但是作为“健康”型的另一个城市“珲春市”却在此3种指数数值上有所增加。说明“恢复力指数”、“环境作用指数”和“服务功能维持指数”此3者对城市生态系统健康评价具有较强的影响力，也从侧面反映出在提供服务和外部环境关系中满足人类需求方面能够很大程度的提高所在城市生态系统健康水平。

尽管延吉市和珲春市2011—2017年的生态系统健康能值整体指数在被评价城市中属于“健康”水平，但就其自身内部各个分指数比较而言，活力和组织结构是较弱的环节。特别是延吉市，无论是在“活力指数”，还是“组织结构指数”，其数值都处于延边最低水平，而且珲春市在“组织结构指数”方面数值也有所降低。

就“亚健康”城市图们市与敦化市而言，虽然在“恢复力指数”和“服务功能维持指数”方面，2011—2017年此项指标比2004—2010年有一定的提高，但在“与环境作用”数值上并没有较大的提高，尤其是图们市，2011—2017年数值比2004—2010年有所降低。此外，虽然在“恢复力指数”方面，图们市和敦化市始终处于中上游阶段，但其“组织结构指数”与“活力指数”均处于中下游水平，以“图们市”最为典型。

2004—2010年与2011—2017年，龙井市、和龙市、汪清县与安图县始终处于“不健康”和“病态”范围。由图4可知，龙井市、和龙市、汪清县与安图县在2004—2010年和2011—2017年，“恢复力指数”数值始终处于下游水平，并且在“服务功能维持指数”与“环境作用指数”数值方面都有所增加或减少；而在“活力指数”和“组织结构指数”方面却处于上游水平。同时，较于2004—2010年，2011—2017年和龙市、汪清县和安图县在“恢复力指数”和“环境作用指数”数值上的增加，使得和龙市、汪清县和安图县从“病态”转变为“不健康”级别。这也是2011—2017年延边州城市生态系统健康程度提升的重要原因。

图4 2004—2010年与2011—2017年各城市生态系统健康能值各指数相对情况

综上所述，不难得出城市生态系统健康的综合发展离不开“恢复力指数”和“环境作用指数”数值的提升，同时，“服务功能维持”的作用也不容小视，也应该关注“活力指数”和“组织结构指数”在城市生态系统健康发展的影响。

4 讨论和结论

延边朝鲜族自治州位于中国东北东部边境区域，与朝鲜和俄罗斯接壤。同时也具有浓厚的民族地域特色，研究其境内城市生态系统健康状态，可以为其他城市研究生态健康提供一定的参考价值。由于研究区域和理论的差异，研究方法也都不尽相同。李嘉琪等[18](2019)以模糊综合评价模型对环长株潭城市生态系统健康进行研究；陈伟等[19](2019)采用能值分析方法对海西州生态经济系统进行分析评估；李苏[20](2011)利用集对分析方法对宁夏生态系统健康状况进行研究。而采用集对分析方法，对各个城市生态系统健康进行评价是促进城市生态系统健康水平提升的有效方法。

该研究选取集对分析方法，以5个要素层和13个指标层来搭建城市生态健康评价框架。并且从不同角度出发，指标代表城市生态系统中的不同层面，如经济、环保、能源、自然和人口等，可以更加全面地评估延边城市生态系统健康。研究结果表明，延边城市生态系统处于一个逐渐转好的状态，与李冰等[16]的研究成果较为一致。城市生态系统健康发展离不开当地政府政策支持，通过促进经济发展、提高资源利用率、减少废弃物的排放和加强对外开放政策有利于城市生态系统健康水平的提升。而该文只以延边区域为例，无法进一步对多个城市或者城市群进行宏观的把握，因此，可以适当的扩大研究区，如对“长吉图”城市群生态系统健康进行分析评估。同时，在今后的研究中也应该构建更为完善的城市指标体系，为评估结果的科学性打下坚实的理论基础。

该文基于信息熵权与集对分析相结合的能值分析方法，对2004—2010年和2011—2017年延边城市生态系统健康进行评估。得出以下结论：延边城市生态系统健康指数整体呈稳定上升趋势，与2004—2010年相比，2011—2017年能值指数的整体平均值上升，能值最高值与能值最差的差距缩小，并且“病态”级别的城市消失。城市生态系统健康的提升依旧需要注意各个城市之间的发展差距，取长补短、统筹兼顾促进延边州各个城市协调可持续发展。同时，城市生态系统健康的发展，需要各项指标的综合进步。以能值为重要指标的活力指标是城市生态系统健康能值发展的物质基础；以可更新能值与不可更新能值为主的组织结构和恢复力，是城市生态系统健康能值发展的重点。同样，以能耗资源电力和对外开放水平为主的服务功能维持和与环境作用与城市生态系统健康能值具有较强的相关性，是城市快速发展的重中之重。