基于模糊綜合評判的長春市生態系統健康評價

李茂娟，李天奇，王 歡，王錫魁，劉嘉麒

（1．吉林大學 地球科學學院，長春130061；2．河南大學 環境與規劃學院，河南 開封475000）

城市生態系統是生態系統中最為復雜的生態類型［1］。作為受人類活動干擾最強烈的地區，它已經演化為一種高度人工化的自然—經濟—社會復合的生態系統，具有高度開放性、脆弱性和復合性，城市生態系統的健康不僅強調生態系統的結構合理、功能高效，更強調其對于人類的服務功能［2］。國外學者對于城市生態系統的研究始于20世紀40年代，美國學者Leopold［3］率先提出了土地健康（land health）的概念，后來他將此概念進一步升華為景觀健康（landscape health）；80年代后期，加拿大學者 Rapport［4］提出生態系統健康是指一個生態系統所具有的穩定性和可持續性，即在時間上具有維持其組織結構、自我調節和對脅迫的恢復能力［5］。Hancock［6］把生態系統健康的概念構架于經濟、環境和社會之間的相互關系的基礎之上，歸納出健康的城市生態系統所涉及的6個要素。

我國的城市生態系統健康研究始于21世紀初。由于我國處于快速城市化時期，許多學者都非常關注生態系統健康這一領域，并對多個大型城市和旅游城市進行了城市生態系統健康狀況的評估［7－11］。由于東北地區地廣人稀，長期以來城市的生態壓力較小，其城市生態系統的健康程度還未引起普遍重視。

作為我國傳統的重工業城市，長春市的城市生態系統健康程度不容樂觀，且一直以來缺乏全面而客觀的評價。隨著我國城市化進程的逐步加快，長春市生態壓力與日俱增。一方面，由于長期對自然生態系統的掠奪式開發和經營，市區擴張、農村建設、能源開發和交通網絡等占用土地逐年增多，人均耕地逐年減少，造成經濟開發和資源供給能力的矛盾。城市生產生活排放的各種廢物以及農業生產中的農藥化肥的大量使用，也引發了資源消耗和環境污染的矛盾，都對環境造成了負效應。另一方面，人口日益增長的社會需求和城市社會及自然環境有限的容納能力間的矛盾、生產與生活的矛盾、城市與鄉村間的矛盾等，都對城市的生態健康構成了威脅。

本研究嘗試利用模糊綜合評價法對長春市2000—2008年生態系統健康狀況進行評價，探討長春市城市生態系統的健康程度及其變化過程，分析影響長春市城市生態系統健康的主要因素，為城市的健康發展提供理論支持。

1 研究方法

1．1 城市生態系統健康內涵

城市生態系統是自然生態系統發展到一定階段的結果，也是人類生態系統發展到一定階段的結果，因此，本文將城市生態系統定義為：城市生態系統是以城市居民生活、生產為中心，由自然、經濟、社會三個子系統組成的復合人工生態系統。而城市生態系統健康不僅強調從生態學角度出發的生態系統結構合理、功能高效與完整，更強調生態系統能維持對人類的服務功能，以及人類自身健康及社會經濟健康不受損害。

1．2 構建評價指標體系

根據城市生態系統健康的內涵，本文將城市生態系統健康作為一個自然—經濟—社會復合生態系統，依據科學性、代表性、可操作性、可比性等原則，在三個子系統下分別選擇若干評價指標，構成長春市生態系統健康評價指標體系，詳見表1。

表1 長春市生態系統健康評價分級標準

作為城市生態系統的物質基礎和必要條件，資源與環境對生命系統的支撐功能是任何人造資本都無法替代，因此選取建成區綠化覆蓋率、工業固廢綜合利用率、二氧化硫年均濃度、噪聲達標區覆蓋率4項指標反映自然子系統的健康水平；經濟發展是城市生態系統健康的基礎，是改善區域生態環境的保障，為了描述經濟子系統的結構、效益與規模的內在特征與發展狀況，選取土地產出率、人均地區生產總值、第三產業比重、人均財政收入4項指標來反映經濟子系統的健康狀況；社會子系統結構是否合理、是否具有持續的發展力直接影響到城市生態系統的核心——城市居民，故選取人口自然增長率、人均居住面積、萬人公共車輛擁有量、城市恩格爾系數4項指標進行評價。

1．3 評價指標權重值與分級標準

本文從定量與定性相結合的角度出發，運用層次分法來確定評價指標的權重。由于層次分析法是一種建立在專家主觀判斷基礎上的分析方法，即與特爾菲法結合，并加以量化計算的一種有效方法，所以在多約束選擇、多目標決策中用于判定不同要素對總體目標的重要程度，是一種既簡便又具有相當可靠性的方法。

依據國家對健康城市的要求和國家環境保護部關于生態城市建設指標的標準，將城市生態系統健康評價的標準劃分為5個等級：病態、不健康、亞健康、健康、很健康。將生態市的建議值作為健康的標準值，將《中國城市年鑒》中城市同類指標的全國最低值作為病態的限定值，在健康值的基礎上向上浮動20%作為很健康級別的標準，再于健康與病態標準值之間平均劃分兩個等級，分別作為亞健康和不健康級別的標準。具體的分級標準見表1。

1．4 數據來源及處理

本文所選取指標的數據均來源于長春市統計年鑒、長春市國民經濟和社會發展統計公報和長春市環境狀況公報。具體數據值見表2。

選用模糊綜合評價法對長春市2000—2008年的生態系統健康狀況進行評價。先設計各級評價指標并確定各指標對所屬評價要素的權重值；建立城市生態系統健康狀況的評價標準；然后建立隸屬函數和各指標對各級標準的隸屬度集；在此基礎上進行模糊矩陣的復合運算，得出評價結果。

對于數值越大級別越高的指標，計算隸屬度rij的公式為：

對于數值越大級別越低的指標，計算隸屬度rij的公式為：

式中：rij——第i種評價指標對第j級健康標準的隸屬程度；yil，yic——第i種評價指標相鄰健康級別的上下限。

當隸屬程度rij確定后，生態系統健康評價指標因子與評價標準之間的隸屬關系用隸屬矩陣R表示為：

建立好隸屬矩陣之后，利用“先點乘后求大”的模糊預運算法，根據模糊數學最大隸屬度原則，按照公式作矩陣的復合運算：

式中：W——權重向量［w1，w2，…，wm］；“○”——模糊矩陣合成運算符號，其運算方法非常類似于普通的矩陣乘法。本文采取H中最大值所對應的等級，作為模糊評價中的最終評價等級，作生態系統健康的狀態。

表2 長春市生態系統健康評價指標數據

2 評價結果及分析

本研究按照評價指標體系搜集了長春市2000—2008年共9a的數據，通過對這9a的數據的大致分析發現，城市生態系統的發展是漸變的過程，各指標的數據也沒有突變的情況，因此，每4a選取其中1a作為評價對象，即選取2000年、2004年、2008年作為評價對象，各年評價指標數據見表2。可節省大量的計算過程，也能有效地說明問題。

根據建立的隸屬函數，需將所有指標進行數據的標準化處理。根據表1中各指標的標準分級建立隸屬函數，將以上數據代入相應函數處理即可得到2000年、2004年、2008年各子系統的隸屬矩陣。

2．1 自然子系統

各年隸屬矩陣分別為：

由W1＝（0．286 0．286 0．286 0．142）可得長春市生態自然子系統健康狀態，見表3。

表3 長春市生態自然子系統健康狀態

按照最大隸屬度原則，可知長春市生態自然子系統2000—2008年均屬很健康狀態，見圖1。

圖1 長春市生態自然子系統健康狀態

據圖1，2000—2008年長春市生態自然子系統均屬很健康狀態，病態與不健康的比例為0。這主要由是因為于80年代以來，國內外開始提出建設生態城市的概念，進入90年代，國內建設生態城市的呼聲越來越高，具備了一定的理論和實踐基礎。長春市抓住這一機遇，通過重點建設一批不同層次和類型的示范工程，如在市內建設無污染企業示范區等，有力地支持了長春市經濟高質量、高效益地發展。

大量的投入換來了長春市生態環境條件的顯著改善。截至2008年，全市開展生態示范區建設試點面積1．9萬km2，達到了幅員面積的92．4%，國家級生態示范區建成率達到100%。2008年，全市工業廢水排放達標率和工業固體廢物綜合治理率分別達到95．32%和99．40%，重點工業污染源實現全面達標排放。全市煙塵控制區面積327．71km2，環境噪聲達標區面積142．95km2，區域環境噪聲平均值控制在56dB，道路交通噪聲平均值控制在68．6dB，達到全國文明城市A類標準。城市綠化、景點建設以及城市污水和垃圾處理場等環境基礎設施建設也取得了明顯的進展。

2．2 經濟子系統

各年隸屬矩陣分別為：

由W2＝（0．4 0．2 0．2 0．2）可得長春市生態經濟子系統健康狀態，如表4所示。

表4 長春市生態經濟子系統健康狀態

按照最大隸屬度原則，可知長春市生態經濟子系統2000年、2004年、2008年分別為病態、不健康、亞健康狀態，見圖2。

圖2 長春市經濟子系統健康狀態

圖2表明，2000—2008年長春市生態經濟子系統從病態逐漸轉變為亞健康的狀態，經濟子系統健康狀況呈現快速增長的趨勢。這是由于從20世紀80年代后期開始，長春市從實際出發，進一步拓展改革的范圍，相繼出現了私營經濟、股份制經濟成分，陸續提出了“以商推工，工商并舉”、“商貿興區”、“退二（產）進三（產）”的發展戰略。90年代后期開始，長春市經濟在經歷了總量的積累和結構方面的初步變化之后，進入了經濟形態、產業結構和功能完善的更高層次的發展階段，城區致力于經濟增長質量和效益的提高，凸顯了發展集約型經濟的要求。人均地區生產總值從2000年的1．18萬元增加到2008年的3．42萬元，超過了長春市生態系統健康評價分級標準中的很健康標準。另一方面，由于長春市土地集約利用的程度還不夠，土地產出率雖然大幅增長但始終低于生態健康的目標值，導致經濟子系統健康狀態雖有好轉但仍處于亞健康的狀態。

2．3 社會子系統

各年隸屬矩陣分別為：

由W3＝（0．1 0．243 0．438 0．219）可得長春市生態社會子系統健康狀態，見表5。

表5 長春市生態社會子系統健康狀態

按照最大隸屬度原則，可知長春市生態社會子系統2000年、2004年、2008年分別為不健康、亞健康、很健康狀態，見圖3。

圖3 長春市生態社會子系統健康狀態

由圖3可見，從2000—2008年，長春市生態社會子系統從不健康轉變為很健康狀態，總體上呈現增長的趨勢。這是由于經濟的快速發展使城市人口的生活水平得到改善，城市人均住宅面積和萬人公共車輛擁有輛兩項指標不斷增大并超過了很健康的標準，且恩格爾系數逐漸減小。同時，在2000—2004年的區間內病態的比例減小為0，但在2004—2008年間又出現了一個衰退，這說明社會子系統健康狀況存在健康隱患。這是由于不斷增加的人口總量導致城市用地日益緊張，21世紀開始的10a是我國城鎮化率大幅增加的10a，2000年長春市城區人口總量為292．8萬人，到2008年增長到360．8萬人，且人口的自然增長率逐年增大。一直以來東北地區的城市均以地廣人稀而著稱。這為長春市建立生態城市提供了較好的基礎。但是建設生態城市存在滿足人們健康發展及生態良性循環的前提下城市人口的最大限量。人口規模及其增長速度應與經濟發展水平、環境承載能力相適應。人口過快增長會引起一系列威脅生態健康的問題。首先，人口膨脹影響了可持續發展。土地不能被大面積地用于公共設施、綠化、交通等的建設，造成城市公共空間短缺、城市中心區建筑密度過高、交通擁擠、生態環境惡化等問題。其次，人口膨脹使城市出現環境、市政管理、社會治安和貧富分化等諸多問題。第三，人口規模過度膨脹引發就業困難，影響社會、經濟和政治穩定。

2．4 生態系統健康總體評價

由各子系統評價的結果可得長春市生態系統健康總模糊矩陣為：

由要素層權重W＝（0．333 0．333 0．333）可得長春市生態系統健康狀態，見表6。

表6 長春市生態系統健康狀態

按照最大隸屬度原則，可知長春市生態系統2000年、2004年、2008年分別為病態、不健康、亞健康狀態（圖4）。

圖4 長春市生態系統健康狀態

根據圖4顯示的長春市生態系統健康評價結果，2000—2008年，長春市生態系統從病態逐漸轉變為亞健康狀態，且健康與很健康的比例逐年增加，但近年來增加的幅度不大，病態與不健康的比例總體上逐年降低。自然子系統處于穩定的狀態，建成區綠化覆蓋率、工業固廢綜合利用率和噪聲達標區覆蓋率等指標均達到生態城市指標建設的標準，二氧化硫濃度年均值雖然出現增長趨勢但目前仍然能夠達到國家二級標準的要求。經濟子系統和社會子系統健康狀況均呈現出明顯改善的趨勢，但經濟子系統受土地集約利用程度的制約，土地產出率較低，導致該系統不能達到健康狀態。社會子系統雖然已達到很健康狀態，但人口的快速增長使系統內部壓力增大，并逐漸成為該系統的健康隱患。

由上述分析可知，人口數量的快速增加是長春市城市生態系統的最大制約條件。人口數量的變化直接影響了經濟子系統和社會子系統的健康狀況。這就需要城市管理者正確看待長春市城市化快速發展的現實，在城市政策的規劃和制定方面體現出一定的前瞻性。同時，各子系統的發展在同步性和協調性方面也存在一些問題。自然子系統的健康狀況較為穩定，而經濟和社會子系統則呈現出逐漸好轉趨勢。這是由于一直以來東北地區的地廣人稀，較低的人口密度給自然環境帶來的壓力相對較小。但是應當注意的是，隨著城市化的發展，自然子系統所受到的壓力必然會逐步增大，切不可降低對自然子系統的投入力度。

3 結論及建議

長春市生態系統2000—2008年從病態逐漸轉變為亞健康狀態，其趨勢雖有好轉，但各子系統協調發展還有待配合。自然子系統穩定于很健康的狀態，經濟子系統和社會子系統狀況增長迅速但仍然有待發展和提高。因此，長春市生態系統健康狀況的恢復須走經濟集約化、資源節約型發展模式，切實轉變經濟增長方式，把發展動力轉到依靠工業結構調整、科技進步和政府管理水平上來，加強資源、環境、經濟、社會四大要素的平衡協調發展，進一步推進長春市的城市生態環境建設和保護。

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