基于E-E-S模型的福建省城市生態(tài)系統(tǒng)安全評價(jià)*

黃 鵬，郭 閩，蘭思仁＊＊

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福州350002;2.福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院，福州350002)

所謂城市生態(tài)系統(tǒng)安全，指的是在城市中能夠維持人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展，受作用于人類活動(dòng)的自然和半自然生態(tài)系統(tǒng)，保障城市生態(tài)系統(tǒng)的整體健康水平和完整性不受威脅.雖然城市的面積僅占地表總面積的2%［1］，然而其中多種負(fù)向環(huán)境效應(yīng)嚴(yán)重影響城市生態(tài)安全，甚至在全球尺度上也對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了破壞［2］.伴隨高強(qiáng)度的開發(fā)和土地利用方式的重大改變，城市生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性也越發(fā)明顯［3-5］.人口壓力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境污染等因素反過來也嚴(yán)重制約了城市的發(fā)展.因此，為了能夠可持續(xù)地利用土地資源，減輕環(huán)境壓力，保護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)，需要制定相關(guān)的措施，對城市生態(tài)系統(tǒng)安全等級進(jìn)行評價(jià).然而我國對城市生態(tài)安全的研究還只是處于探索階段，對于城市生態(tài)安全的研究實(shí)踐先于理論，雖然有一些關(guān)于城市生態(tài)安全的相關(guān)研究［6-8］，但都還未成熟，仍需深入研究.E-E-S模型相對于其他評價(jià)模型，具有更強(qiáng)的可操作性和系統(tǒng)性，而模糊物元法［9，10］能夠解決單項(xiàng)指標(biāo)不相容的問題.此處將兩者結(jié)合，對福建省的城市生態(tài)系統(tǒng)安全進(jìn)行動(dòng)態(tài)評價(jià)［11］，為后續(xù)的理論研究和實(shí)踐提供參考依據(jù).

1 評價(jià)方法

聯(lián)邦德國的理論物理學(xué)家哈肯于20世紀(jì)70年代初創(chuàng)立了廣泛運(yùn)用于經(jīng)濟(jì)、心理、生態(tài)等學(xué)科的協(xié)同學(xué).此處所選用的 E-E-S協(xié)同模型［12］指的是城市生態(tài)系統(tǒng)是由經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-社會(huì)(Economy-Environment-Society)3個(gè)子系統(tǒng)所組成的.城市生態(tài)系統(tǒng)安全并非是由追求其中某一個(gè)子系統(tǒng)的安全而得來，而是依靠協(xié)調(diào)這3個(gè)子系統(tǒng)來達(dá)成最終目標(biāo).此處所選用E-E-S模型，能夠更好地對城市生態(tài)安全進(jìn)行組織分類，能夠充分考慮各因子之間的復(fù)雜性，使得評價(jià)結(jié)果更貼近實(shí)踐應(yīng)用.

1.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)E-E-S模型并參照相關(guān)的規(guī)定和文獻(xiàn)，選取評價(jià)指標(biāo)，并對評價(jià)指標(biāo)分層，建立評價(jià)指標(biāo)體系.其中第一層為目標(biāo)層，由目標(biāo)城市生態(tài)安全體系構(gòu)成;第二層為項(xiàng)目層，由經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-社會(huì)子系統(tǒng)組成;第三層為指標(biāo)層，由組成項(xiàng)目層的指標(biāo)因子所構(gòu)成.

1.2 權(quán)重計(jì)算

目前，對于指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算主要有層次分析法、特爾菲法、熵值法等［13］.每種方法都能在一定程度上反應(yīng)出評價(jià)指標(biāo)的特性，但也具有相應(yīng)的局限性.層次分析法能夠引入人為判定因素，將城市生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素相結(jié)合，但是不能很好地反應(yīng)評價(jià)指標(biāo)本身的性質(zhì)，定性大于定量.同樣的，熵值法能夠客觀地反應(yīng)出評價(jià)因子本身的性質(zhì)，但是缺少與環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素的聯(lián)系.因此此處將熵值法和層次分析法相結(jié)合，分別計(jì)算出兩者的權(quán)重并通過公式加權(quán)平均，結(jié)合兩處方法的優(yōu)點(diǎn)并避免兩者的不足，綜合得出實(shí)際權(quán)重.

1.2.1 熵值法的權(quán)重計(jì)算

為使用熵值法計(jì)算評價(jià)指標(biāo)權(quán)重需要先將所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以此來統(tǒng)一不同評價(jià)因子之間的量綱及單位.在這里選擇極差法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［14-15］.即當(dāng)評價(jià)指標(biāo)屬于效益型指標(biāo)(正向指標(biāo))時(shí)，根據(jù)式(1)計(jì)算所選地區(qū)在m年間的n個(gè)指標(biāo)因子數(shù)據(jù)所組成的矩陣X=Xij{ }m×n;當(dāng)評價(jià)指標(biāo)屬于成本型指標(biāo)(負(fù)向指標(biāo))時(shí)，則根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算.

Xmin為這項(xiàng)指標(biāo)的最小值，Xmax為這項(xiàng)指標(biāo)的最大值.則經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后，獲得矩陣Y=Yij{ }m×n.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化之后的指標(biāo)因子，使用熵值法計(jì)算評價(jià)因子的權(quán)重.根據(jù)式(3)，計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵，而后計(jì)算其權(quán)重.每一項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值大小表示該指標(biāo)在綜合評價(jià)之中所起到作用的大小.當(dāng)某項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值為零，則說明這項(xiàng)指標(biāo)在評價(jià)之中不起作用.

第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重為

1.2.2 層次分析法構(gòu)權(quán)

通過構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行層次分析法構(gòu)權(quán).為避免單純定性分析造成的誤差，對建立的評價(jià)模型按照1～9標(biāo)度法將所選擇的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較(表1)，參考專家意見以及相關(guān)資料，根據(jù)重要性程度構(gòu)建判斷矩陣，自上而下，將隸屬同一層的因素對比之后，形成一個(gè)n維的判斷矩陣.

表1 判斷矩陣元素aij的標(biāo)度方法

將獲得的n維矩陣進(jìn)行權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn).通過計(jì)算n維矩陣的最大特征值λmax來計(jì)算判斷矩陣一致性指標(biāo)和同階隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的比值CR，當(dāng)隨機(jī)一致性比值CR＜0.1時(shí)，判定判斷矩陣的一致性被接受，通過一致性檢驗(yàn)，否則需要調(diào)整數(shù)據(jù)，直至通過一致性檢驗(yàn).

1.2.3 綜合權(quán)重計(jì)算

將計(jì)算得出的層次分析法權(quán)重(Vj)和熵值法權(quán)重(Wj)進(jìn)行比較.當(dāng)兩者的權(quán)數(shù)排序相同時(shí)，使用熵值法的權(quán)系數(shù)作為各指標(biāo)最終的權(quán)系數(shù)，以此避免權(quán)系數(shù)的主觀性.當(dāng)兩者的權(quán)系數(shù)按指標(biāo)的重要等級排序不一致時(shí)，選擇層次分析法得出的權(quán)系數(shù)作為各指標(biāo)因子的最終權(quán)系數(shù)以消除熵值法確定的權(quán)重和實(shí)際重要性相悖的問題.當(dāng)處于中間狀態(tài)時(shí)，則折中，使得評價(jià)結(jié)果更為合理［16］.

2 城市生態(tài)安全評價(jià)模糊物元法

因?yàn)槌鞘猩鷳B(tài)安全具有一定的模糊性，為了解決評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的客觀性，選用物元分析原理并與歐氏貼近概念和模糊集相結(jié)合，建立模糊物元評價(jià)模型以避免評價(jià)指標(biāo)的不確定性所帶來的影響，更加客觀地評價(jià)城市生態(tài)安全［17］.

2.1 構(gòu)建模糊物元

城市生態(tài)安全物元R=(Y，C，V)由物元分析中所描述對象Y以及其特征值V和特征向量C共同組成.若其特征值V具有模糊性的，則稱之為模糊物元.當(dāng)有M個(gè)對象的n維物元組成在一起，就構(gòu)成M個(gè)對象的n維復(fù)合模糊物元，即

2.2 計(jì)算從優(yōu)隸屬度

從優(yōu)隸屬原則指的是建立各單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的模糊量值，從屬于標(biāo)準(zhǔn)樣本各對應(yīng)評價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的模糊量值隸屬程度的原則，按如下方式進(jìn)行計(jì)算:

2.3 建立標(biāo)準(zhǔn)模糊物元和差平方模糊物元

根據(jù)從優(yōu)隸屬度模糊物元Rmn中每項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的最大值或最小值確定構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0n.

差平方復(fù)合模糊物元RΔ由標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0n與復(fù)合模糊物元Rmn中對應(yīng)各項(xiàng)差的平方組成.

2.4 歐氏貼近度和綜合評價(jià)

選用歐氏貼近度表示標(biāo)準(zhǔn)樣本與被評價(jià)樣本之間接近的程度.若兩者之間相差越遠(yuǎn)，則其數(shù)值越小，反之則表示兩者越接近.各樣本按照歐氏貼近度的大小進(jìn)行對應(yīng)的優(yōu)劣排序或者根據(jù)貼近標(biāo)準(zhǔn)值的程度進(jìn)行類別的劃分.選用M(·，+)算法，即先乘后加來計(jì)算和構(gòu)建歐氏貼近度的復(fù)合模糊物元RpH:

2.5 城市生態(tài)安全綜合評價(jià)

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)的歷年文獻(xiàn)，整理出相關(guān)指標(biāo)［18-24］，將各綜合評價(jià)指標(biāo)得分按照劃分好的城市生態(tài)安全等級評價(jià)(表2，3)確定安全等級，并根據(jù)其所處的安全級別，制定相應(yīng)的應(yīng)對措施以及策略.

表2 福建省城市生態(tài)系統(tǒng)安全評價(jià)等級

表3 福建省城市生態(tài)安全評價(jià)體系及權(quán)重分配

3 結(jié)果分析

3.1 研究區(qū)概況

福建省位于北緯23°31'-28°18'，東經(jīng)115°50'-120°43'，地處中國東南沿海，靠近北回歸線.地形以山地丘陵為主，全省大部分屬中亞熱帶，閩東南部分地區(qū)屬南亞熱帶.光熱資源豐富，降雨充足，植物種類繁多，是我國南方重點(diǎn)林區(qū).福建作為全國生態(tài)省建設(shè)試點(diǎn)省份之一，在重視社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也相應(yīng)出臺了《福建生態(tài)省建設(shè)“十二五”規(guī)劃》，積極推動(dòng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展.

3.2 分析數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》(2004-2013年)和《福建省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2004-2013年).

3.3 結(jié)果與分析

依據(jù)E-E-S概念協(xié)同模型，選取了“環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)”3個(gè)要素構(gòu)建城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用AHP法和熵值法相結(jié)合求取權(quán)重，利用模糊物元模型，對2003-2012年福建省城市生態(tài)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評價(jià)［18，19］.

表4 2003-2012年福建省城市生態(tài)系統(tǒng)歐氏貼近度計(jì)算值及評價(jià)等級

圖1 2003-2012年福建省城市生態(tài)系統(tǒng)整體及各要素健康狀況評價(jià)

結(jié)果表明，上述評價(jià)年份中，福建省城市生態(tài)系統(tǒng)安全水平整體趨勢良好，由2003年的0.625 7上升至2012年的0.831 4，整體上升幅度接近33%，由臨界安全逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檩^安全.由圖1可知，城市生態(tài)系統(tǒng)安全歐氏貼近度整體上呈波浪形上升，在2007、2010、2012年達(dá)到峰值，指標(biāo)值自2009年以后穩(wěn)步上升，安全評價(jià)等級一直維持在較安全，表明福建省城市的生態(tài)系統(tǒng)安全與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三要素的協(xié)調(diào)性不斷增強(qiáng).

根據(jù)表4可知，2003-2012年福建省城市生態(tài)安全系統(tǒng)環(huán)境要素的健康優(yōu)劣排序?yàn)?012，2005，2006，2007，2010，2008，2011，2009，2003，2004 年，可以發(fā)現(xiàn)，2004，2008，2011 年的指標(biāo)值達(dá)到谷值，主要原因是上述年度全省人均水資源量較前后年度明顯減少，以2004年為例，當(dāng)年人均水資源量較2003年減少近300 m3，較2005年減少近2 000 m3，這也是當(dāng)年評價(jià)結(jié)果為不安全的重要原因之一.此外，自然災(zāi)害也是導(dǎo)致人均水資源量減少的重要因素，2011年福建省遭受50年以來最嚴(yán)重的旱災(zāi)，降雨量為近十年來最小值，直接影響到當(dāng)年度人均水資源量，而水資源量的不足直接影響到上述年度城市生態(tài)系統(tǒng)的安全評價(jià)結(jié)果.

從經(jīng)濟(jì)和社會(huì)要素來看，福建省2003-2012年的歐氏貼近度變化幅度均較大，經(jīng)濟(jì)要素由2003年的0.643 9上升到2012年的0.909 5，上升幅度達(dá)到40%以上.社會(huì)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%，這也反應(yīng)了近十年來，福建省經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，社會(huì)發(fā)展穩(wěn)步前進(jìn).對比2003年和2012年數(shù)據(jù)，在經(jīng)濟(jì)要素中，福建省2012年的城鎮(zhèn)常住人口為2003年的1.37倍，人均GDP為3.74倍，民用汽車總量為5.49倍.社會(huì)要素中的城市水平逐漸提高，建成區(qū)面積和人均公園綠地面積穩(wěn)步提高，城鎮(zhèn)居民恩格爾系數(shù)也呈現(xiàn)下降趨勢.在教育層面，2012年每萬人擁有大學(xué)在校學(xué)生人數(shù)是2003年的2.1倍.

4 結(jié)論與建議

城市生態(tài)安全影響城市的規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.上述指標(biāo)的變化，體現(xiàn)了福建省經(jīng)濟(jì)與社會(huì)要素發(fā)展的趨勢.應(yīng)注意的是，雖然上述數(shù)據(jù)分析中，2012年各要素的歐氏貼近度為近十年的最大值，說明福建省城市生態(tài)系統(tǒng)整體趨勢趨于好轉(zhuǎn)，但是在觀察周期中，各要素中存在某些指標(biāo)有所惡化或反復(fù)的現(xiàn)象，如水土流失當(dāng)年新增治理面積在近十年中波動(dòng)明顯，環(huán)境污染治理投資總額占GDP的比例增大后又減小，全社會(huì)固定資產(chǎn)投資一度過熱等.而從圖1來看，雖然經(jīng)濟(jì)與社會(huì)要素增長趨勢相近，但環(huán)境要素與兩者的差距逐漸明顯，說明在福建省經(jīng)濟(jì)與社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)，一度隱藏的城市生態(tài)環(huán)境問題逐漸浮現(xiàn).環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展尚未協(xié)調(diào)，生態(tài)壓力、環(huán)境壓力并未得到根本性改變，人與環(huán)境的矛盾依然存在.

同時(shí)，在上述評價(jià)年份中，環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)各要素歐氏貼近度在大部分時(shí)間中均在數(shù)值上高于城市生態(tài)安全貼近度，而城市生態(tài)安全貼近度數(shù)值上與各年份中三要素最低值相近，這說明城市生態(tài)安全的改善需要三要素協(xié)同發(fā)展，各要素間的發(fā)展不均衡或者任何一個(gè)要素的滯后均可能影響整體的生態(tài)安全，也說明只有正確對城市生態(tài)系統(tǒng)三要素進(jìn)行調(diào)控，才能使得城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展更加趨于穩(wěn)定和協(xié)調(diào)［20］.

對城市生態(tài)系統(tǒng)的研究必須依托一個(gè)長期的時(shí)間序列為基礎(chǔ)進(jìn)行分析［21］，此處選取十年為一個(gè)觀測周期對福建省城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)，通過上述分析評價(jià)，福建省城市生態(tài)安全需要持續(xù)地投入人力物力進(jìn)行保護(hù)和促進(jìn).在今后的發(fā)展中，提高水土流失治理、環(huán)境污染治理和城市的綠地面積依然有著積極的意義.同時(shí)，環(huán)境景觀的人性化設(shè)計(jì)［22］，對于土地的合理開發(fā)利用［23］，環(huán)境保護(hù)的投入，整體科技水平的提高以及相關(guān)的政策扶持和法律條文規(guī)范依舊是保護(hù)福建省城市生態(tài)系統(tǒng)安全的重點(diǎn).此外，在城市周邊郊區(qū)的發(fā)展中也可以參考已有觀光農(nóng)業(yè)、休閑農(nóng)業(yè)等生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式，適當(dāng)調(diào)整現(xiàn)有發(fā)展模式，不僅可以促使經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式更加清潔化、生態(tài)化，還能提高城市周邊環(huán)境的生態(tài)承載力［24］.

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［23］季菲菲，吉文麗，楊婷，等.基于土地適宜性的新農(nóng)村規(guī)劃—以高臺縣侯莊村為例［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(5):205-210;220

［24］常風(fēng)云，肖斌.十天高速公路區(qū)域生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)研究—以安康至漢中段為例［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26(6):219-223