桂林城市生态系统可持续发展能力评价及提升对策

林明明, 王金叶, 林珍铭, 2

(1.桂林理工大学 旅游与风景园林学院, 广西 桂林 541006; 2.广西旅游产业研究院, 广西 桂林 541006)

中国城市化率在2019年达到60.6%, 预计2030年将达到70%, 而全球到2050年将有2/3人口生活在城市。城市已成为世界经济发展的引擎, 其可持续发展是人类实现可持续发展的关键。2016年, 在厄瓜多尔基多举行的联合国住房和可持续城市发展会议上, 世界各国领导人通过了《新城市议程》, 重点关注实现可持续城市发展[1]。为落实2015年联合国可持续发展峰会通过的《转变我们的世界: 2030年可持续发展议程》, 破解经济、社会、环境三大领域17项可持续发展目标(Sustainable Development Goals, SDGs)面临的瓶颈问题, 进一步推动地方政府贯彻生态文明战略, 2016年国务院发布了《中国落实2030年可持续发展议程创新示范区建设方案》[2-3]。2018年2月, 国务院批复桂林以“景观资源可持续利用”为主题, 建设国家可持续发展议程创新示范区[3]。桂林作为世界著名的风景游览城市和国家历史文化名城, 成为国家可持续发展议程创新示范区之一, 正面临着保育脆弱的喀斯特生态系统的巨大压力[2-3]。生态环境保护与可持续发展能力建设与研究一直是桂林城市发展与建设的重要内容。

基于PSR模型旅游生态环境安全评价与诊断研究结果显示, 2008—2017年间, 桂林喀斯特世界自然遗产地旅游生态环境安全在2012年实现转折, 发展达到相对安全的等级, 但总体仍处于生态环境压力较大的阶段[4]。基于SD的旅游可持续发展仿真研究结果表明, 在桂林旅游业可持续发展过程中, 同时注重社会经济、资源环境和旅游业绩的整体协调发展, 是桂林旅游业可持续发展的理想模式[5]。可持续发展评价指标体系是客观诊断可持续发展现状和问题的有效工具[6]。因此, 构建科学合理可操作性强的评价指标体系, 对桂林市可持续发展进行评价与诊断, 发现城市生态系统存在的问题, 并针对性地提出对策和建议, 能更好地促进桂林城市可持续发展和旅游业的可持续发展, 具有重要的现实意义。

1 研究区概况

桂林市位于广西东北部, 地处湘桂走廊南端, 区位条件优越, 历来是广西东北部地区及桂湘交界地区的政治、经济、文化和科技中心。桂林市土地面积为27 809 km2, 属亚热带季风气候区, 森林资源丰富, 自然保护区覆盖率高达15.36%, 全市森林覆盖率为71.62%[7]。桂林喀斯特是中国乃至世界上最优美和最壮观的形态组合，桂林喀斯特世界自然遗产地得天独后的自然风光和深厚的历史文化底蕴, 使桂林市在国内外久负盛名。2019年，桂林市全年接待国内外游客1.38亿人次, 比上年增长26.7%; 实现旅游总消费1 874.25亿元, 增长35.0%；全市生产总值(GDP)2 105.56亿元, 按可比价计算, 比上年增长6.5%, 三次产业增加值占地区生产总值的比重分别为23.1%、22.6%和54.3%；常住人口511.23万人, 其中城镇人口260.20万人, 常住人口城镇化率为50.90%; 按常住人口计算, 人均地区生产总值41 294元, 低于全区平均水平, 该值同比上年增长5.9%[7]。

2 研究方法

当前, 可持续发展评价主要依托综合指数和复合指标体系进行评价, 评价指标囊括了社会、经济、环境、基础设施和制度等城市发展的多方面[6]。桂林城市可持续发展一直受到有关研究者的关注, 如运用生态足迹[8]、能值分析[9]等综合指数和“旅游经济生态”复合系统评价[10]对桂林城市可持续发展能力进行研究。这些研究方法侧重点各不相同, 存在一定不足之处, 并在不断地完善。联合国SDGs城市可持续性评价指标体系的提出, 为解决当前联合国普遍关注的可持续发展问题, 以及现有指标体系多样、兼容性差的问题, 提供了一个可能的解决方案[6]。但是, 目前任何一个国家或者机构的统计数据都无法覆盖联合国可持续发展目标(SDGs)的全部232项可持续发展指标, 存在数据可获得完整性不足的限制。受到数据可获得性的限制, 我国可持续发展指标体系的5个主题中仅包含了41个指标, 与联合国提出的232项指标之间仍存在较大的差距[11]。基于熵的城市生态系统可持续发展能力评价方法, 具有较好的数据可获得性, 可操作性强, 并能有效地反映城市生态系统演化方向和可持续发展能力水平, 能有效弥补城市可持续发展研究中所存在的可持续发展对策比较笼统、缺乏针对性的不足[12-18]。因此, 本研究将基于熵的城市生态系统可持续发展能力评价方法[12-18], 结合联合国SDG 11可持续城市和社区目标[6,19], 对桂林城市生态系统可持续发展能力进行科学评价与影响因素分析, 提出桂林城市生态系统可持续发展能力提升对策, 为桂林市可持续发展决策提供科学依据。

2.1 基于熵的桂林城市生态系统可持续发展能力评价指标体系构建

城市生态系统是社会-经济-自然复合生态系统[20], 是多层次、多功能、多因素的动态人工生态系统[21], 是典型的人地关系耦合系统。其中, 城市社会经济生态系统是整个城市生态系统的主体与核心, 具有典型的耗散结构系统特征。在城市复合生态系统理论[20]、环境与可持续发展理论[21]和耗散结构系统理论[22]的指导下, 依据联合国SDGs城市可持续性评价指标体系、城市生态系统演化与可持续发展研究成果[12-18]、桂林市的社会经济和生态环境特征, 以及指标数据的可获得性和时间连续性, 构建以城市社会经济生态系统为主体的桂林城市生态系统可持续发展能力评价指标体系, 并根据指标信息熵计算出各项指标的熵权, 作为指标的客观权重, 如表1所示。

表1 桂林城市生态系统可持续发展能力评价指标体系

2.2 基于信息熵的桂林城市生态系统可持续发展能力评价模型构建

根据香农(Shannon)的信息熵理论(information entropy)和城市生态系统演化与可持续发展研究成果[12-18], 可构建桂林城市生态系统评价指标的信息熵和可持续发展能力评价模型。

若对桂林城市生态系统的m个年份n个评价指标进行评价,Ei是第i项指标的信息熵, 则有

(1)

式中:qij(i=1, 2, …,n;j=1, 2, …,m)是指标原始数据进行标准化处理的值;qi为第i项指标所有年份标准化值的和, 即

基于信息熵构建桂林城市生态系统发展状况相对优异性量化评价得分值模型

G=∑QiXi。

(2)

式中:Xi为某年桂林城市生态系统评价指标原始数据的归一化值;Qi为指标信息熵所确定的该指标的权重(表1), 即指标熵权;G为某年桂林城市生态系统发展状况的总得分, 表征其城市生态系统可持续发展能力。G越大说明该年桂林城市生态系统的发展状态越好, 则其可持续发展能力越强。

3 数据来源与处理

3.1 数据来源

根据数据资料的可获得性和连续性, 收集了2005—2017年的相关数据(表2), 其来源是2006—2018年《桂林经济社会统计年鉴》[23]、历年桂林市环境状况公报[24]，以及2006—2018年《广西统计年鉴》[25]。

表2 桂林城市生态系统可持续发展能力评价指标的原始数据

3.2 数据处理

在数据处理方面, 对不同研究内容的数据进行不同的处理方式: 1)计算信息熵时, 采用Z-score标准化方法对原始数据进行标准化处理; 2)进行城市生态系统可持续发展状态评价时, 先区分评价指标的正、负向, 再进行归一化处理。其中, 支持型输入熵指标和还原代谢型熵指标为正向指标; 压力型输出熵指标和消费代谢型熵指标为负向指标。其原始数据归一化方法如下:

正向指标Xij′=Xij/max(Xi);

(3)

负向指标Xij′=min(Xi)/Xij。

(4)

式中:Xij为第i项指标的第j年原始数值;Xij′为Xij归一化处理后的值;Xi代表第i项指标在研究时间序列内的所有原始数据; max(Xi)、min(Xi)分别为运用函数对Xi求最大值和最小值。

4 结果与对策分析

4.1 桂林城市生态系统可持续发展能力分析

如图1所示，在研究期间，支持型输入熵指标可持续发展能力得分(ΔeS1)先上升后下降，总体呈现不断上升的趋势(图1), 表明桂林城市自然生态系统对城市社会经济系统的支持能力总体呈上升趋势, 但在2014年以后有所下降；压力型输出熵指标可持续发展能力得分(ΔeS2)呈持续下降趋势, 说明随着社会经济的发展, 桂林城市社会经济系统对城市自然生态系统的压力逐渐增大。

图1 桂林城市生态系统熵流指标可持续发展能力得分变化趋势

消费代谢型熵指标可持续发展能力得分(ΔiS2)先下降后上升(图2), 整体为上升趋势, 呈拉宽的“V”形；而还原代谢型熵指标可持续发展能力得分(ΔiS1)窄幅波动, 整体平稳, 呈现为扁平拉伸的“M”形。这说明桂林市生态环境保护与建设一直维持在一个比较稳定的水平, 并曾经取得较为明显的效果, 但是随着城市经济的快速发展, 桂林市生态环境保护的压力越来越大, 生态环境治理和保护的力度近些年逐渐跟不上生态环境压力的增长。桂林城市生态系统可持续发展能力总得分(G)呈现较大波动, 在2007—2014年间呈“V”形坑, 整体呈下降趋势(图3)，此变化趋势与2008年金融危机以后的社会经济发展形势有较高的吻合度。总体来说, 桂林城市生态系统发展面临较大压力, 可持续发展能力不容乐观。

图2 桂林城市生态系统熵产生指标可持续发展能力得分变化趋势

图3 桂林城市生态系统可持续发展能力总得分变化趋势

4.2 桂林城市生态系统可持续发展能力提升对策

根据信息熵理论, 在城市生态系统可持续发展评价指标体系中, 某指标的熵权越大, 则说明该指标所提供的有用信息对该系统的影响就越大[14-15]。那么, 将指标熵权与时间序列变化相结合, 就可以对城市生态系统演变过程中存在的问题进行分析, 并针对性地提出可持续发展能力提升对策。

(1)基于支持型输入熵指标的可持续发展能力提升对策分析。支持型输入熵指标中(表2), 在研究期间，水果总产量、城镇人均娱乐教育文化服务和进出口总值持续大幅度增长; 钢铁总产量在2016年以前快速增长, 2017年呈现断崖式下降; 粮食、蔬菜、水产品和肉类总产量呈现窄幅波动, 基本稳定。进出口总值在支持型输入熵指标体系中所占权重最大, 其次是粮食总产量、钢材产量等指标(表1)。这说明进出口总值的大幅增长对桂林支持型输入熵系统朝着支持力增强方向发展的影响最大; 肉类总产量、粮食总产量的长期产量稳定对桂林支持型输入系统朝着支持力增强方向发展起到了重要的支撑作用。在研究期间，水果总产量的熵权最小(表1), 这说明研究期间水果总产量的大幅上升并没有对桂林支持型输入系统朝着支持力增强方向发展产生重要影响。因此, 桂林市继续大幅提高进出口总值和有效保障肉类和粮食总产量, 有利于提高桂林支持型输入系统的支持力。

(2)基于压力型输出熵指标的可持续发展能力提升对策分析。压力型输出熵指标中(表2), 各行业用电量、城市人均消费性支出、农村人均生活消费支出、水利工程年供水量、来桂林旅游人数和民用汽车拥有量等指标在研究期间均持续大幅增长, 其他指标呈窄幅波动增长态势。市区人口密度、各行业用电量占压力型输出熵指标体系的权重最大, 其次是城市人均消费性支出、化肥施用量、规模以上工业企业综合能源消费总量等指标; 所占权重最小的是水利工程年供水量和来桂林旅游人数, 其次是民用汽车拥有量(表1)。这表明各行业用电量和城市人均消费性支出在研究期间持续大幅增大, 在较大程度上促使桂林城市压力型输出系统朝压力增强的方向发展; 虽然市区人口密度、化肥施用量、规模以上工业企业综合能源消费总量等指标无大幅增大, 但也在一定程度上促使对桂林市压力型输出熵系统朝压力增强的方向发展; 水利工程年供水量、来桂林旅游人数和民用汽车拥有量的持续大幅增加, 并没有促使桂林市压力型输出系统朝着压力增强的方向发展。因此, 桂林市压力型输出系统的压力主要表现在工业发展对能源的持续巨大需求, 市区人口密度和农业生产中化肥施用量的持续增长。对此, 桂林市需要优化产业结构和能源结构, 发展和使用清洁能源, 提高能源利用效率; 优化城市空间结构, 引导城市人口空间上合理布局, 适当控制市区人口密度; 大力发展生态农业, 提高农业生产科技水平, 降低对化肥的依赖程度。

(3)基于消费代谢型熵指标的可持续发展能力提升对策分析。消费代谢型熵指标中(表2), 工业废气排放量、工业固体废物产生量和市区可吸入颗粒平均浓度等指标在研究期间大幅增加; 工业废水排放量、工业二氧化硫排放量、工业烟尘粉尘排放量和市区二氧化硫年平均浓度等指标在研究期间大幅减少。废水排放总量、工业废水排放量和工业二氧化硫排放量3个指标在消费代谢型熵指标所占权重较大(表1), 表明它们对桂林城市生态系统的消费代谢功能影响较大。这说明工业废水排放量和工业二氧化硫排放量在研究期间大幅减小, 对桂林消费代谢系统朝着代谢能力增强发展具有积极的促进作用; 而废水排放总量在研究期间呈现窄幅波动增长，对桂林城市消费代谢功能产生了较大影响。因此, 桂林市虽然在生态环境治理方面取得了一定成效, 但是随着经济发展和城市化水平的提高, 废水排放总量的不断增加, 污水治理显得尤为重要。

(4)基于还原代谢型熵指标的可持续发展能力提升对策分析。还原代谢型熵指标中(表2), 市区污水处理率和市区人均公园绿地面积在研究期间增幅最大, 工业污染治理完成投资额降幅最大, 其余指标保持窄幅波动稳定态势。市区污水处理率、生活垃圾无害化处理率、自然保护区覆盖率等指标所占还原代谢型熵指标体系的权重最大, 工业固体废物综合利用率和工业污染治理完成投资额所占权重最小(表1)。这说明市区污水处理率在研究期间大幅提高, 生活垃圾无害化处理率、自然保护区覆盖率在研究期间一直保持较高水平, 对促进桂林市还原代谢功能起到较大积极作用; 而工业固体废物综合利用率和工业污染治理完成投资额在研究期间波动下降, 不利于提高桂林市还原代谢功能。因此, 桂林市需要不断提高工业固体废物综合利用率和工业污染治理完成投资额, 以促进城市还原代谢能力的提高。

5 结论与讨论

5.1 结论

对桂林城市生态系统可持续发展能力得分分析结果显示, 在研究期间:(1)桂林市自然生态系统对社会经济系统的支持能力总体呈上升趋势;(2)随着社会经济的发展, 桂林市社会经济系统对自然生态系统的压力逐渐增大;(3)桂林市生态环境保护与建设一直维持在一个比较稳定的水平, 并曾经取得较为明显的效果, 但是随着城市经济的快速发展, 桂林市生态环境保护的压力越来越大, 生态环境治理和保护的力度近些年逐渐跟不上生态环境压力的增长;(4)桂林城市可持续发展能力总得分呈现较大波动, 在2007—2014年间呈“V”形坑, 整体呈下降趋势。总体来说, 桂林城市生态系统发展面临较大压力, 可持续发展能力不容乐观。

基于指标熵权与时间序列变化相结合的分析, 提出了桂林城市生态系统可持续发展能力提升的具体对策, 主要有:(1)继续大幅提高进出口总值和有效保障肉类和粮食总产量, 有利于提高桂林城市支持型输入熵系统的支持力;(2)优化产业结构和能源结构, 发展和使用清洁能源, 提高能源利用效率;(3)优化城市空间结构, 引导城市人口空间上合理布局, 适当控制市区人口密度;(4)大力发展生态农业, 提高农业生产科技水平, 降低对化肥的依赖程度;(5)加大污水治理力度;(6)不断提高工业固体废物综合利用率和工业污染治理完成投资额。

5.2 讨论

基于熵的城市生态系统演化与可持续发展能力评价等研究取得了较为丰富的研究成果[12-18], 分别对上海、广州、南京、宁波、柳州等不同规模等级的城市进行了实证研究。笔者对我国西南喀斯特地区的传统旅游城市桂林进行了实证研究, 虽然这些研究区域都是行政区划范畴的城市, 所构建的城市生态系统可持续能力评价指标体系大同小异, 但均能够反映出所研究城市生态系统可持续发展所面临的不同问题。这表明对于一个区域空间系统而言, 熵成为了描述区域空间及其各组分的混乱状态或混乱过程的一个重要参量[26]。

城市生态系统具有复杂性和不确定性。系统内部要素之间的相互作用, 以及系统内部要素与外部要素之间的相互作用, 均是复杂多样的。世界上的可持续发展的评价指标体系也是多种多样, 任何评价指标体系在理论上和现实中都不是完美的。比如本研究在实际操作中, 由于数据可获取性限制和连续性要求, 能够体现桂林市广泛分布喀斯特地貌脆弱生态系统的相关指标欠缺, 仅用“荒山荒(沙)地造林面积”来从侧面反映。尽管如此, 本研究所构建的评价指标体系仍然能够从总体上反映出城市生态系统作为耗散结构系统的熵变过程, 以及各指标变化在系统熵变中所起的作用, 从而能够有效地评价桂林城市生态系统可持续发展能力, 并提出相应的对策。

虽然本研究能够通过将评价指标的熵权与时间序列变化相结合来分析提升可持续发展能力的对策, 但是城市生态系统可持续发展能力变化的驱动因素和驱动机制尚需进一步深入分析。比如基于耗散结构系统熵变的桂林城市生态系统可持续发展能力在2007—2010年急速下降, 这是否与2008年的全球金融危机和2009—2011年的西南喀斯特地区严重干旱有着直接的、密切的关系。这些深入剖析可持续发展驱动因素和驱动机制的研究有待进一步开展。