城市復合生態(tài)系統(tǒng)共生模型及應用研究

王 儉 韓婧男 胡 成 王 蕾 劉鈞霆

(1.遼寧大學環(huán)境學院，遼寧 沈陽110036;2.遼寧省環(huán)境科學研究院，遼寧沈陽110031;3.遼寧大學國際關系學院，遼寧沈陽110036)

從工業(yè)革命開始，伴隨生產的進步和消費模式的變革，人類對自然改造的能力和索取的程度也在不斷擴大，這種近乎掠奪式的發(fā)展模式造成了城市生態(tài)環(huán)境的污染與破壞［1］。要從根本上解決城市生態(tài)環(huán)境污染問題，必須把城市置于復合生態(tài)系統(tǒng)的框架下進行研究，綜合考慮城市的自然，經濟和社會三個子系統(tǒng)，將三子系統(tǒng)作為一個共同整體。近年來，各類系統(tǒng)科學理論逐步運用于復合系統(tǒng)研究領域，并成為該領域的研究熱點［2－4］。其中，協(xié)同學將不同學科中具有共同特征的現象作為研究對象，研究一個系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間協(xié)調一致作用的產生、發(fā)展規(guī)律及變化趨勢等，其學科性質決定了協(xié)同學能夠作為城市復合生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展研究的理論基礎。為此，本研究以協(xié)同理論為基礎，將生態(tài)共生的理論予以擴展，探討了城市三個子系統(tǒng)的和諧共生問題，構建了城市復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)共生模型，并以沈陽市為例進行了實證研究。

1 研究方法

1.1 協(xié)同學基本理論

協(xié)同學(Synergeics)是由原聯(lián)邦德國科學家赫爾曼·哈肯(Harmann－Haken)在20世紀70年代創(chuàng)建的一門跨越自然科學和社會科學新興的交叉學科，它是研究系統(tǒng)通過內部的子系統(tǒng)間的協(xié)同作用從無序到有序結構轉變的機理和規(guī)律的學科［5］。赫爾曼·哈肯本人對協(xié)同學概念和研究對象的表述是:協(xié)同學是一門橫斷學科(交叉學科)，它研究系統(tǒng)中子系統(tǒng)之間怎樣合作以產生宏觀的空間結構、時間結構或功能結構(即怎樣產生“自組織”的)，它既處理確定論過程也處理隨機過程，研究由完全不同性質的大量子系統(tǒng)所構成的各種系統(tǒng)［6］。從創(chuàng)立之日起，協(xié)同學就被廣泛用于物理學、社會學、管理學、經濟學等學科中［7－10］。協(xié)同學理論認為，一個系統(tǒng)從無序向有序轉化的關鍵在于組成該系統(tǒng)的各子系統(tǒng)在一定的條件下，通過非線性的相互關系能否產生相干效應和協(xié)同作用，并通過這種作用產生出結構和功能上的有序［11］。協(xié)同學進一步指明了系統(tǒng)從無序狀態(tài)轉化為有序狀態(tài)的過程機理及所需具備的條件:①序參量對系統(tǒng)演變的最終狀態(tài)或結構起主導作用，在系統(tǒng)演化過程中從始至終都起作用，并且得到多數子系統(tǒng)的響應，起著支配子系統(tǒng)行為的主導作用。②系統(tǒng)內子系統(tǒng)間的有機聯(lián)系和積極配合是系統(tǒng)有序發(fā)展的重要條件之一。只有子系統(tǒng)之間形成協(xié)同、系統(tǒng)關聯(lián)作用占主導地位時，系統(tǒng)才可能呈現出一定的有序結構。③除了系統(tǒng)內部協(xié)同作用的機制外，還需要外部環(huán)境提供適當的控制參量，為系統(tǒng)自組織結構的形成與有序演化提供保障。④反饋機制是系統(tǒng)實現有序的重要保證，任何一個開放系統(tǒng)要維持一定的穩(wěn)定性，實現其自身的目標都離不開反饋調節(jié)。

1.2 城市自然－經濟－社會復合生態(tài)系統(tǒng)共生模型

1.2.1 城市自然－經濟－社會復合生態(tài)系統(tǒng)

20世紀80年代中期，中國生態(tài)學奠基人馬世駿院士等提出了基于多層次、多功能、多目標的社會－經濟－自然耦合發(fā)展的城市復合生態(tài)系統(tǒng)［11，12］。王如松針對城市對復合生態(tài)系統(tǒng)進行了改進，他明確提出城市是一個以人類行為為主導、自然生態(tài)系統(tǒng)為依托、生態(tài)過程所驅動的社會—經濟—自然復合生態(tài)系統(tǒng)［13，14］。該理論明確指出城市是典型的復合生態(tài)系統(tǒng)，城市可持續(xù)發(fā)展追求的是經濟發(fā)達、社會繁榮、生態(tài)保護三者的高度和諧，技術與自然的充分融合。這種基于人類活動的對象和總體特征而對復合生態(tài)系統(tǒng)所進行的社會、經濟和自然的廣義劃分，對喚起生態(tài)文明的意識具有很強的理論指導意義。此后，一些學者在此基礎上發(fā)展和改進了復合生態(tài)系統(tǒng)的構成模型，并進行了城市復合生態(tài)系統(tǒng)互動關系及生態(tài)調控的研究［15－17］。在借鑒相關研究基礎上，從廣義生態(tài)共生的角度，本研究將城市復合生態(tài)系統(tǒng)分為自然生態(tài)子系統(tǒng)、經濟生態(tài)子系統(tǒng)和社會生態(tài)子系統(tǒng)。其中，自然生態(tài)子系統(tǒng)是一切生命賴以生存的自然空間和物質載體，人類所有的經濟活動、社會生活都發(fā)生在自然生態(tài)系統(tǒng)中，同時該子系統(tǒng)為經濟生態(tài)子系統(tǒng)的經濟活動提供必需的物質資源，并影響著社會生態(tài)子系統(tǒng)中人類的生存環(huán)境，因此，該子系統(tǒng)在城市復合生態(tài)系統(tǒng)中承擔著生產者和分解者的角色;經濟生態(tài)子系統(tǒng)是為人類提供所需物品和勞務的投入產出系統(tǒng)，其經濟活動產生的污染物排放到自然生態(tài)子系統(tǒng)之中，并為社會生態(tài)子系統(tǒng)提供產品，因此，該子系統(tǒng)在復合生態(tài)系統(tǒng)中承擔著消費者和生產者的角色;社會生態(tài)子系統(tǒng)是人類及其自身活動所形成的非物質性生產的組合，是城市自然－經濟－社會復合生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調與控制的主體，是復合生態(tài)系統(tǒng)中的分解者與消費者。而復合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)共生應該是自然生態(tài)子系統(tǒng)、經濟生態(tài)子系統(tǒng)和社會生態(tài)子系統(tǒng)在特定區(qū)域內，以人為核心和紐帶，通過協(xié)同作用自覺地調節(jié)各子系統(tǒng)的關系而形成的相互依存、互相促進的和諧共生的復合體系。

1.2.2 共生模型

(1)各子系統(tǒng)間共生水平評估模型。根據協(xié)同理論及城市復合生態(tài)系統(tǒng)特征，復合生態(tài)系統(tǒng)共生水平評估通過各子系統(tǒng)間共生水平評估來實現，即自然、經濟生態(tài)子系統(tǒng)共生水平，經濟、社會生態(tài)子系統(tǒng)共生水平和社會、自然生態(tài)子系統(tǒng)共生水平。設描述各子系統(tǒng)間共生水平的序參量為X={xij，(i=1，2，…，k;j=1，2，…，n)}，其中xij表示第i個共生子系統(tǒng)共生水平第j個序參量，其有序度計算采用功效函數法［18，19］。在功效函數多指標綜合評價體系中，常見的功效函數有線性功效函數法(或稱傳統(tǒng)功效函數)、指數型功效函數法、對數型功效函數法、冪函數型功效函數法等。由于本研究所選序參量指標實際值的等量變化在不同的發(fā)展階段上表示的意義是不同的，當某個指標值增加(或減少)到一定程度以后，再要增加(或減少)就越來越困難，這類似于經濟學中的邊際收益遞減規(guī)律。因此，根據各功效函數的特點并結合本研究的實際，選擇了改進的指數型功效函數［20］，其數學形式為:

其中，dj為共生子系統(tǒng)序參量xij的有序度(即功效分值)為不容許值為滿意值。不容許值和滿意值一般統(tǒng)稱為閾值，在這里它們表示的是一個固定時間橫截面上的上限和下限值;A、B為正的待定參數。相對于原有的指數功效模型來說，指數功效函數改進模型在計算時無須使用樣本均值，這使得指標的評價值更加穩(wěn)定，也更便于歷史數據之間的比較。對于指數功效函數改進模型公式中的待估參數A和B，一般地，可以通過臨界點定分來確定:

序參量對共生子系統(tǒng)總的貢獻度，即該共生子系統(tǒng)的有序度，通過加權幾何平均模型計算，其數學形式如式3所示:

(2)復合生態(tài)系統(tǒng)共生度評估模型。區(qū)域復合生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)取決于三個子系統(tǒng)的共生水平，各子系統(tǒng)間共生度越高，復合生態(tài)系統(tǒng)越和諧，反之越不和諧。本研究認為各共生子系統(tǒng)對復合生態(tài)系統(tǒng)同等重要，其共生度評估采用幾何平均法計算，如式4所示。

其中ES為復合生態(tài)系統(tǒng)共生度，ES越大，該復合生態(tài)系統(tǒng)共生狀態(tài)協(xié)調程度越高，反之越低。k為復合生態(tài)系統(tǒng)共生子系統(tǒng)個數。

(3)共生度變化趨勢分析。設在某一初始時刻t0區(qū)域復合生態(tài)系統(tǒng)共生度為ESt0，t0+△t時刻區(qū)域復合生態(tài)系統(tǒng)共生度為ESt0+△t，則在△t時間段，區(qū)域復合生態(tài)系統(tǒng)共生度變化趨勢用共生度變化率量化表示為:

如果取步長△t為1年，則

ESR△t描述了從t0到t0+△t時段中，系統(tǒng)在多大程度變得更加協(xié)調，如果ESR△t＞0，說明系統(tǒng)在向相對更加有序的狀態(tài)轉化，處于協(xié)調發(fā)展狀態(tài);反之，如果ESR△t＜0，說明系統(tǒng)在向相對無序的狀態(tài)轉化，處于非協(xié)調發(fā)展狀態(tài);如果ESR△t=0，說明系統(tǒng)發(fā)展相對穩(wěn)定。

1.3 研究區(qū)域與數據來源

本研究以沈陽市為研究對象，沈陽是東北地區(qū)的經濟、文化、交通和商貿中心，位于環(huán)渤海經濟圈(我國第三大經濟圈)之內，是環(huán)渤海地區(qū)與東北地區(qū)的重要結合部。同時也是我國最重要的重工業(yè)基地之一，被譽為共和國長子，素有“東方魯爾”的美譽。以沈陽為中心，半徑150公里的范圍內，集中了以基礎工業(yè)和加工工業(yè)為主的8大城市，構成了資源豐富、結構互補性強、技術關聯(lián)度高的遼寧中部城市群，沈陽是鞍山、本溪、撫順等以第二產業(yè)為主導的北方城市的代表。因此以沈陽為研究目標對其他北方城市具有重要的借鑒意義。

近年來，沈陽的生態(tài)環(huán)境建設取得了顯著成績，榮獲了國家環(huán)保模范城市、國家森林城市的稱號。但在生態(tài)城市建設過程中，一個必須面對的問題就是如何協(xié)調好自然生態(tài)子系統(tǒng)、經濟生態(tài)子系統(tǒng)和社會生態(tài)子系統(tǒng)的關系，使其協(xié)調發(fā)展。因此以沈陽為研究區(qū)域，進行城市復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)共生研究對沈陽今后的城市發(fā)展有著重要的指導作用，對其它同類地區(qū)城市復合生態(tài)系統(tǒng)的研究也具有一定的參考價值。本研究數據主要來源于沈陽統(tǒng)計年鑒、遼寧統(tǒng)計年鑒、中國統(tǒng)計年鑒等［21－23］。

2 研究結果與分析

2.1 序參量選擇及閾值確定

2.1.1 序參量選擇原則

本研究在按照客觀性原則、科學性原則、實用性原則、可操作性原則［24－25］，并考慮資料的連續(xù)性和可得性，選擇了描述各子系統(tǒng)間共生水平的序參量如下:

(1)自然、經濟生態(tài)子系統(tǒng)共生水平序參量。序參量主要包括:工業(yè)固廢綜合利用率(%)、主要污染物排放強度SO2(kg/萬元GDP)、城市生活污水處理率(%)、單位GDP能耗(t標煤/萬元)、萬元GDP的用水量(m3)。

(2)經濟、社會生態(tài)子系統(tǒng)共生水平序參量。序參量主要包括:城鎮(zhèn)居民人均可支配收入(元)、恩格爾系數、第三產業(yè)占GDP比例、城市化水平(%)、城鄉(xiāng)收入比值。

(3)社會、自然生態(tài)子系統(tǒng)共生水平序參量。序參量主要包括:人均水資源占有量(m3)、人均耕地面積(公頃/人)、森林覆蓋率(%)、建成區(qū)綠化覆蓋率(%)、人均綠地面積(m3)。

2.1.2 閾值確定

對于城市復合生態(tài)系統(tǒng)序參量閾值的確定，主要根據目前已存在普遍公認的指標標準值來確定(如國際上認可的標準制、國家認可的標準值、國家或區(qū)域頒布的一些發(fā)展規(guī)劃指標值等)，對于沒有公認標準值的序參量指標可以按不允許值與滿意值比值等于60%計算得到另一項。各項指標見表1。

2.2 共生度計算

2.2.1 權重的計算和確定

層次分析法(AHP)是美國運籌學家T.L.Saaty于20世紀70年代提出的一種對復雜現象的決策思維進行系統(tǒng)化、模型化、數量化的方法，又稱為多層次權重分析決策法。該方法的特點是在對復雜決策問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，從而為多目標、多準則或無結構特性的復雜問題提供簡便的決策方法，目前已廣泛用于各個學科評價的權重確定［26－28］。本研究應用層次分析法，并咨詢相關專家意見，確定了沈陽復合生態(tài)系統(tǒng)各子系統(tǒng)共生水平序參量的權重。

下面以自然、經濟子系統(tǒng)共生水平序參量權重為例，說明指標權重的確定過程。首先構造該子系統(tǒng)各指標的正反矩陣:

應用Matlab軟件計算得到矩陣的最大特征值為λmax(A)=5.1269，于是CI=(λmax－5)/(5 －1)=0.031725，查得RI=1.12，于是:

其中:CI為衡量對比矩陣A不一致程度的指標;CR為對比矩陣A的隨機一致性比率，可從有關資料查出;RI為平均隨機一致性指標，它只與矩陣階數n有關。

CR＜0.1，說明A不是一致陣，但A具有滿意的一致性，A的不一致性是可接受的。此時A的最大特征根對應的特征向量:

將該向量標準化得到自然、經濟生態(tài)子系統(tǒng)各指標的權向量:

表1 城市生態(tài)共生水平各項指標

應用同樣方法分別計算經濟、社會生態(tài)子系統(tǒng)共生水平和社會、自然生態(tài)子系統(tǒng)共生水平各指標的權向量分別為:

2.2.2 共生度計算結果

根據城市復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)共生模型的及相關權重，計算出1995－2009年沈陽市復合生態(tài)系統(tǒng)各子系統(tǒng)間共生水平及復合生態(tài)系統(tǒng)共生度，結果見圖1。從圖1中可以看出，沈陽市復合生態(tài)系統(tǒng)共生度呈總體呈增長態(tài)勢，評價值從34.73(1995年)穩(wěn)步增長到86.69(2009年)，系統(tǒng)共生程度越來越協(xié)調。其中自然、經濟生態(tài)子系統(tǒng)上升趨勢比較顯著，由于近年來政府對城市生態(tài)環(huán)境建設投資的力度不斷加大，基礎設施和城市環(huán)境的發(fā)展水平相對較快，主要污染物排放強度(SO2)明顯下降及工業(yè)固廢綜合利用率、森林覆蓋率和人均綠地面積明顯上升，導致自然生態(tài)子系統(tǒng)在向相對更加有序的狀態(tài)轉化;經濟、社會生態(tài)子系統(tǒng)有序度呈現穩(wěn)步提升趨勢，近年來，城市經濟系統(tǒng)的結構更加合理，三產結構相對穩(wěn)定，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入和城市化水平有所提高，高新技術產業(yè)在經濟中的地位日益突出，這是沈陽市經濟發(fā)展的重要支撐;社會、自然生態(tài)子系統(tǒng)的變化相對比較穩(wěn)定，有序度呈穩(wěn)步增長態(tài)勢。

另外，根據上述子系統(tǒng)有序度計算公式，有序度=60為系統(tǒng)從無序狀態(tài)向有序狀態(tài)轉變的臨界點。那么，必須引起注意的是:沈陽市自然生態(tài)子系統(tǒng)和經濟生態(tài)子系統(tǒng)在2001年以前一直處于無序發(fā)展狀態(tài)，從2001年開始步入有序發(fā)展軌道;沈陽市復合生態(tài)系統(tǒng)從2001年開始，才進入有序協(xié)調發(fā)展狀態(tài)。所以，在未來城市生態(tài)環(huán)境建設過程中，要充分吸取無序發(fā)展時期的經驗教訓，避免走不協(xié)調發(fā)展的老路。

2.3 共生度變化趨勢

根據前文所述公式6計算沈陽市復合生態(tài)系統(tǒng)及各子系統(tǒng)共生度變化率，結果如圖2所示。從圖中可以看出，各子系統(tǒng)共生度變化率均呈波動狀態(tài)，波動幅度逐漸減小，2007－2009年逐漸趨于平穩(wěn)。其中，自然、經濟生態(tài)子系統(tǒng)波動最為明顯，2002－2003年間達到最大值，之后有所減緩;經濟、社會生態(tài)子系統(tǒng)和社會、自然生態(tài)子系統(tǒng)共生度變化率波動較小，經濟、社會生態(tài)子系統(tǒng)共生度變化率基本大于零，僅1998－1999和2000－2001年間出現了負增長，但數值都較小，說明經濟、社會生態(tài)子系統(tǒng)有序度一直處于平穩(wěn)增長態(tài)勢;社會、自然生態(tài)子系統(tǒng)也有幾年出現了負增長，但總體呈緩步增長趨勢。受各子系統(tǒng)影響，沈陽城市復合生態(tài)系統(tǒng)共生度變化率也呈現波動狀態(tài)，2007－2009年逐漸趨于平穩(wěn)，說明隨著遼寧老工業(yè)基地的全面振興，沈陽市自然－經濟－社會結構逐漸趨于合理，沈陽市復合生態(tài)系統(tǒng)逐漸趨于和諧共生狀態(tài)。

3 結論

城市復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)共生核心是自然、經濟生態(tài)子系統(tǒng)，經濟、社會生態(tài)子系統(tǒng)和社會、自然生態(tài)子系統(tǒng)的相互制約、良性互動、永續(xù)發(fā)展，是一種全新的發(fā)展模式。本研究基于生態(tài)系統(tǒng)共生這一理念，構建了城市生態(tài)共生模型，并進行了實證研究，得出以下結論:

(1)以協(xié)同理論為基礎，在分析城市復合生態(tài)系統(tǒng)共生結構及特點基礎上，構建的城市復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)共生序參量指標體系，用于城市復合生態(tài)系統(tǒng)共生狀態(tài)評估是合理和可行的。

(2)采用改進的指數型功效函數法，構建了城市復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)共生評估模型。實證研究表明:該模型能夠有效地評估城市復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)共生水平及各子系統(tǒng)的有序度，并進行變化趨勢分析。

(3)通過沈陽市復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)共生水平實例分析表明:1995－2009年沈陽市復合生態(tài)系統(tǒng)共生度呈平穩(wěn)增長態(tài)勢，從2001年開始，步入協(xié)調發(fā)展狀態(tài)，且協(xié)調程度越來越高。

復合生態(tài)系統(tǒng)的提出作為未來發(fā)展的一個趨勢，已引起國內外廣泛的關注，但從理論和實踐來看，對該問題的研究尚處于探索階段。特別是相關研究成果如何更好地用于指導人類經濟活動及生態(tài)城市建設尚需進一步探討。

(編輯:張 英)

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