我國城市生態系統健康評價綜述

秦 趣，代 穩，陳志霞

（1.六盤水師范學院環境與資源科學系，貴州 六盤水553004；2.烏蒙山區發展研究院，貴州 六盤水553004）

目前，我國城市化水平已經超過50%，城市人口有史以來首次超過農業人口。然而，城市化的快速發展帶來了一系列的城市生態環境問題，如環境污染嚴重、生態恢復力弱、生態自凈能力差等。如何解決這些問題已經成為當今生態學研究的重要領域［1—2］。由此，城市生態系統健康評價應運而生，研究城市生態系統健康問題具有現實的應用價值和理論意義。本文通過對我國城市生態系統健康評價研究進行梳理，探討了城市生態系統健康評價的原理和方法，并對今后的研究方向與重點進行了展望，以期為城市生態系統健康良性發展及實現城市生態環境與經濟社會的可持續發展提供科學依據。

1 從生態系統健康到城市生態系統健康

1.1 生態系統健康

“生態系統健康”這一概念可以追溯到蘇格蘭生態學家James Hutton在1778年提及的“自然健康”一詞［3］，對其進行研究始于20世紀80年代，首先在北美興起［4］，隨后眾多學者從不同的視角對其進行了研究，但迄今尚無統一觀點。在國外，D.J.Rapport［5］認為生態系統健康是生態系統所具有的穩定性與可持續性，即具有維持自身組織結構、自我調節的恢復能力；D.J.Schaeffe等［6］認為生態系統健康是生態系統功能未超過閾限，這里的閾限是指“當超過后可使生態系統持續發展不利因素增加的條件”；J.R.Kar等［7］認為如果一個生態系統受到外界干擾時具備自我恢復能力，那么這個生態系統就是健康的；R.Costanza等［8］認為生態系統健康是生態內穩定現象，沒有疾病，具有多樣性、復雜性、穩定性和可恢復性，具有活力能增長的空間。在國內，楊志鋒等［9］認為生態系統健康是指系統內的物質能量流動未遭到破壞，整體功能表現出多樣性、復雜性、活力和相應的生產率等。

由此可見，對生態系統健康的評價是在地理學、生態學、人類健康和社會公共政策等方面的基礎上進行定性和定量研究，其評價指標體系不僅應包括系統的群落水平、種群及個體水平等生態指標，還應包括人類健康、社會經濟以及物理、化學等方面的指標。具體來說，生態指標由生態系統綜合指標、群落水平指標和種群及個體指標構成，反映生態系統的復雜性；人類健康和社會經濟指標由人口增長率、人類健康水平、收入指數、工作穩定性、技術增長率、資源消費指數和通貨膨脹率構成，反映生態系統為人類社會提供服務的質量；物理、化學指標由紫外線輻射強度、大氣污染指數、土壤重金屬含量、水體礦化度和pH值構成，反映生態系統的非生物環境的狀況。以上指標的定量分析，基本能夠反映城市生態系統健康的優劣。

1.2 城市生態系統健康及其評價指標體系

對于城市生態系統健康的概念，目前沒有形成統一的表述。城市生態系統與自然生態系統有所不同，它受人類活動干擾強烈，已演變成高度人工化的自然、社會、經濟復合生態系統。“城市生態系統健康”是應用“生態系統健康”來研究城市這個區域的生態健康問題，它把生態系統健康作為城市發展目標之一，其實質是融合健康概念對城市生態系統的進一步解釋。城市系統各個部分是緊密聯系的，其與外部環境緊密聯系，系統內部聯結和與外部聯系又十分復雜，應用生態學的理論方法來分析這種復雜的系統最為合適，在此基礎上，引入健康概念來定義城市的“優劣”。由此可見，城市生態系統健康是指由自然、經濟、社會復合而成的生態系統，其內部生產生活與周圍環境之間的能量流動和物質循環未受到破壞，關鍵生態組分和有機組織保存完整且沒有疾病，對各種突發的自然或人為干擾能保持穩定性和恢復性，其發展的理想狀態是生態整合性［10—11］。

城市生態系統健康評價屬于生態系統健康評價的一個重要組成部分，其評價指標體系的構建靈活多樣，有的根據系統活力、恢復力、生態系統服務功能、人群健康狀況構建指標體系，有的應用壓力、狀態、響應模型建立指標體系并進行評價，也有依據自然子系統、經濟子系統和社會子系統建立指標體系。其具體指標與生態系統健康評價既有區別又有聯系。生態系統健康評價強調生物群落和種群，具體指標選擇很多，而生物群落和種群在城市生態系統中的體現較少，在這方面選擇的指標較少，只有生物豐度指數等。由于城市生態環境的特殊性，城市生態系統健康評價對城市生產生活與環境的關系研究較多，在人類健康、社會經濟方面，兩者對指標的選擇大體相近，有很多相同的地方，如人口增長率、人類健康水平、收入指數等，這些既能體現生態系統健康的水平，也能體現城市生態系統健康的水平。

2 城市生態系統健康評價方法

近年來，隨著數學模型方法及其思想在生態學和地理學中的應用，眾多學者嘗試用數學模型方法定量地對城市生態系統健康狀況進行評價，并在這方面取得了較多的研究成果。縱觀近年來學者們對城市生態系統健康評價的定量研究，其評價方法主要有：模糊數學評價方法、能值分析評價方法、屬性綜合模型評價方法、灰色系統理論模型評價方法、城市復合生態系統健康模型評價方法等。

2.1 模糊數學評價方法

模糊數學評價方法是根據很多個模糊的、較難量化的因素，對評價對象隸屬上的亦此亦彼性進行評判，對所屬成分進行定量刻畫和描述，這有利于對各種不確定性問題的解決。其基本思路是依據獲取數據建立各因子對劃分標準的隸屬度集，形成隸屬度矩陣，再把各因子的權重與隸屬度矩陣相乘，求得模糊集，獲取一個綜合評判集，表明各評價因子對各級標準的隸屬程度，反映了健康級別的模糊性。如陳克龍等［12］采用均方差法計算出各評價指標的權重，運用模糊數學評價方法對西寧市2000—2008年城市生態系統健康狀況進行了評價，得出西寧市城市生態系統健康為病態水平，但朝著健康方向發展，其中城市人口密度、人均GDP、生活污水處理率、人均綠地面積是西寧市城市生態健康的脅迫因子；曾勇等［13］采用因子分析法求出各指標權重，并運用模糊優選評價模型，從時間縱向上判斷上海城市生態系統的健康走勢，結果顯示1996—2002年上海的城市生態系統健康由0.37上升至0.46，說明上海自然生態環境與經濟、社會發展的協調度在逐漸加強，但健康改善程度并不明顯；張俊華等［14］采用模糊聚類方法求出最優模糊聚類模式矩陣和最優模糊劃分矩陣，再運用級別特征值向量的方法，求得鄭州市各年的城市生態系統健康歸屬級別，結果顯示鄭州的城市生態系統健康2004年屬于不健康等級，2005—2007年屬于較健康等級，2008年屬于健康等級。

2.2 能值分析評價方法

能值理論（Emergy Theory）是由美國著名系統生態學家 H.T.Odum［15］和 S.F.Lan等［16］在綜合系統生態、能量生態和生態經濟原理的基礎上提出的一種理論，其核心思想是“一種流動或貯存的能量所包含的另一種類別能量的數量”的能量換算，研究方法是以太陽能為參照標準，定量研究自然生態系統和社會經濟系統中的各種能量流、信息流和物流。在城市生態系統中，能量是聯系城市生態和經濟系統的介質，其健康狀況可以通過系統的結構與功能的能量紐帶作用來進行研究。如李恒等［17］利用這種思路，采用活力、組織結構、服務功能維持和恢復力4個要素建立了能值指標，并對合肥市生態系統的健康進行了評價，結果表明2004—2008年合肥市的健康水平呈下降趨勢；蘇美蓉等［18］通過綜合分析城市生命體特征和能量代謝現狀，建立了城市能值－生命力指數綜合評價模型，融合集對分析的理論與方法，比較了北京、武漢、上海等16個城市的生態系統健康狀況，認為青島、廈門、上海、杭州、北京健康水平較高，而哈爾濱、烏魯木齊、成都健康水平較低，其余城市為中等水平。

2.3 屬性綜合模型評價方法

屬性綜合模型是指在屬性集和屬性測度分析的基礎上對事物或自然現象屬性的定性描述進行定量研究的一種評價模型［19］，它由單指標屬性測度分析、多指標綜合屬性測度分析和屬性識別分析及評分準則三部分組成。該評價方法的關鍵是建立的指標體系能否完整反映研究事物（或現象）的屬性，即屬性函數以及評價指標權重的確定。如顏文濤等［20—21］提出基于屬性理論的城市生態系統健康綜合評價模型，并對重慶北部新區城市生態系統健康進行了研究，得出重慶北部新區城市生態系統健康屬性處于一般等級，同時通過評價結果識別出健康限制因素；劉麗麗等［22］運用屬性層次－識別模型構建了城市生態系統健康評價指標體系，對重慶南岸區生態系統健康進行了評價，得出南岸區的生態系統屬于亞健康等級，表明南岸區的城市生態系統正處于過渡階段。

2.4 灰色系統理論模型評價方法

用灰色系統的方法對城市生態系統健康進行評價，是目前研究的重點方向。學者們認為，由于在城市生態系統健康評價中所獲得的數據總是在有限的時空范圍內得到，所獲取的信息不全面或不精確，所以說城市生態系統是一個灰色系統，即部分信息明確，部分信息不明確或不確知，因此可以用灰色系統理論模型的方法來進行評價。如郭銳利等［23］通過構建灰色預測模型對重慶市城市生態系統健康進行了動態預測，結果顯示2005—2009年間重慶的城市生態系統健康總體水平較好，2010—2015年間重慶的城市生態系統健康綜合評價值將以e0.1268的速度保持增長；李建國等［24］在灰色系統理論的基礎上，把信息論中Jaynes最大信息熵原理融入到城市生態系統健康評價中，對三峽庫區（重慶段）22個區縣城市生態系統健康進行了評價，結果表明其城市生態系統處于劇烈變化的過渡階段，生態系統的生產、服務和調節功能分異顯著，但總體上，三峽庫區（重慶段）城市生態系統健康東段好于西段，東段內部空間分異明顯、結構復雜；官冬杰等［25］采用灰色關聯法對重慶主城城市生態系統健康進行了評價，得出重慶都市圈城市生態系統健康按從優至劣的排序為渝北區、南岸區、江北區、沙坪壩區、九龍坡區、大渡口區、北碚區、巴南區、渝中區。

2.5 城市復合生態系統健康模型評價方法

城市復合生態系統健康評價模型把系統的協調指數和距離指數作為判別依據，運用加權連乘法求出城市生態系統的健康指數。該模型從城市復合系統的角度來研究城市生態系統健康，能清晰地分析各子系統之間的健康狀況，并可對各子系統的發展水平和協調程度進行比較。如胡廷蘭等［26］從復合生態系統角度，辨析和評價了城市生態問題，應用協調指數和距離指數來反映城市生態系統的發展水平和協調情況，并通過建立協調指數和距離指數的城市生態系統健康模型對寧波市生態系統健康進行了分析評價，結果表明寧波城市生態系統處于亞健康狀態，綜合健康指數為0.768，其中經濟系統處于健康狀態，健康指數為0.809，自然系統處于亞健康狀態，健康指數為0.789，社會系統健康狀況最低，健康指數為0.692，是寧波當前生態建設的重點；桑燕鴻等［27］從狀態空間的角度，依據復合生態系統建立了城市生態系統健康綜合評價模型，對佛山市生態系統健康進行評價，結果顯示在1997—2003年間，佛山市城市生態系統健康不斷上升，各年協調指數均在0.85以上，表明各子系統之間協調性較好。

城市生態系統健康評價除以上研究方法之外，還有未確知測度模型［28—29］、分形理論模型［30］、突變級數模型［31］、物元模型［32］和集對分析法［33—36］等，這些方法目前在城市生態系統健康評價中的研究較少，這里不單獨介紹。

3 城市生態系統健康評價方法存在的問題分析

3.1 評價方法共性問題分析

人們對城市生態系統健康的認識不斷提高，研究也越來越多，對城市生態系統健康定量評價的方法也日趨豐富和成熟。然而通過分析以往有關定量研究的方法和模型，發現有如下一些問題值得商榷。

（1）評價指標的選取。城市生態系統健康評價的核心是評價指標體系的構建，而這一點目前沒有達成共識。由于人們對城市生態系統健康概念理解上的差異以及評價出發點的不同，提出了不同的評價指標體系，如系統活力－恢復力－生態系統服務功能－人群健康狀況［12］、結構功能－可持續利用能力－動態變化［25］、PSR（壓力－響應－狀態）［13］、自然子系統－經濟子系統－社會子系統［24］、景觀格局指數－水環境參數－社會經濟指標［30］等。而在各個具體指標的選取上，一些指標的科學性有待討論。如評價指標選擇過多，自然、環境、資源、生態、經濟、社會等要素全部包含，很難體現城市生態系統健康的本質和內涵；有些指標表面合理，但存在數據不易獲取、操作困難等問題，而有些指標還存在交叉重復的現象。

（2）指標權重的確定。指標權重的確定可直接影響評價結果。權重是表示各指標變量對于上一層次等級的相對重要程度的信息，其確定有主觀賦權法和客觀賦權法兩類：前者是根據專家人為經驗確定權重，包括AHP法、Delphi法等，由于方法簡單易行，已廣泛應用于城市生態系統健康評價中，但存在主觀性強，有時會偏離客觀實際的缺陷；后者是依據原始數據運用數學方法求得權重，主要有因子分析法、熵權法和均方差法等，由于這些方法避免了人為的主觀判斷，其客觀性強，在城市生態系統健康評價中也應用較多，但這些方法需要大量樣本數據支持，且在計算過程中可能會出現信息丟失的問題，致使評價結果與實際情況不符。

3.2 各種評價方法存在的問題分析

模糊數學評價方法存在以下問題：①模糊綜合評判集常采用線性加權平均模型求得，評判結果會出現失效、失真、跳躍、均化等現象，使得城市生態系統健康評價存在結果不可比或判斷不準確的問題，同時評價過程較復雜，可操作性差；②模糊化的評價指標參數和隸屬函數的確定往往帶有一定的人為性，只考慮主要因素而忽略了次要因素，這會導致有用信息丟失，使評價結果不全面；③城市生態系統健康評價指標較多，各指標之間評價信息重復問題不能較好解決，且易發生權向量與模糊矩陣不匹配的問題，使得評判失敗；④模糊集運算中存在取大取小算子問題，在城市生態系統健康評價中如果使用取大取小算子，則可能出現少數幾個因子控制評價結果的情況，使得綜合評價成為少數因子評價［37—38］。

能值分析評價方法與城市生態系統健康的聯系不明確，這種方法過于簡化、誤導性大、爭議性大、精確性不高［39］。李恒等雖然采用能值方法建立了城市生態系統能值指標，對合肥城市生態系統的進口能值、出口能值、總能值用量、廢棄能值用量等能值流進行了研究［17］，但其對時間問題的考慮存在漏洞，如其評價指標電力能值比中的化石燃料能值是否包含生命系統能值，經過地質年代的時間后，這個能值的計算是很難衡量的；此外，對計算轉換率數據的不確定性沒有考慮，如對天然氣能值轉換率的計算是依據鍋爐相關煤炭產能效率，但其還與天然氣和煤炭種類以及鍋爐的特性有關。

屬性綜合模型評價方法常常不能準確評定在各自屬性下的屬性值。如顏文濤等運用屬性理論對重慶北部新區的自然與環境子系統、社會生態子系統和經濟生態子系統進行了評價［20—21］，但評價指標中有不可量化的信息存在，如城市生命線系統完好率、公眾對環境的滿意率等，而對一些不可獲取的信息常常以屬性的模糊值或近似值代替，這在一定程度上影響了評價結果［40］。

灰色系統理論模型評價法能體現城市生態系統的不確定性，對系統動態變化提供了量化的基礎，但其分辨率低，且確定分辨系數帶有一定的主觀性，對評價結果的精確度有影響。如郭銳利等在重慶市城市生態系統健康評價中雖然對該模型精度進行了檢驗，發現其相對誤差在1%以內［23］，但灰色系統理論模型評價結果還是存在與實際不符的情況。

城市復合生態系統健康模型依據城市生態系統健康的自然子系統、經濟子系統、社會子系統構建評價指標體系，并應用協調指數和距離指數來判斷城市生態系統健康狀況，評價角度具有片面性，易出現計算得到的權重與現實的重要程度不相符的情形，并且這一方法對指標數據的要求很高，如桑燕鴻等對佛山市城市生態系統健康的評價中，一些指標的數據來源于全省的平均值［27］，只能反映全省的平均健康水平，對佛山市城市生態系統健康的評價具有片面性。

4 城市生態系統健康評價展望

城市生態系統健康及其評價研究在我國只有短短十余年歷史，盡管近年來已成為學術界研究的熱點，且發展迅速，但其理論和方法還不成熟，還存在以下一些問題有待深入研究：

（1）城市生態系統健康概念和理論體系構建。城市生態系統健康是一個十分復雜的非線性系統，已被學界逐漸重視，但目前學者們對其研究還不夠全面、深入，尤其在理論方面的研究還非常薄弱，其內涵和外延都有待進一步深化和拓展。

（2）城市生態系統健康評價指標體系的完善和統一。目前，學界還沒有建立統一的評價指標體系和公認的健康標準，學者們應深入研究環境變化、人類活動等對城市生態系統健康的影響以及相互之間的聯系，建立并形成一套相對成熟和完善的評價指標體系，使城市生態系統健康評價趨于科學和合理。

（3）城市生態系統健康評價模型的完善。隨著系統科學、數學等在地理學和生態學的發展及其應用，各種數學模型的不斷構建和完善，為城市生態系統健康評價的方法體系提供了強大的空間，因此在建立方法體系時，應發揮已有的方法優點，積極探索新思路、新方法，實現合理、科學的評價，使評價方法體系不斷完善。

（4）城市生態系統健康與城市空間的耦合關系研究。城市生態系統健康是城市空間的有機組成部分，與城市空間具有交叉重疊性，所以必須加強城市生態系統健康與城市空間的耦合關系研究，包括耦合機制和耦合方法等方面的研究。

（5）加強城市生態系統健康管理研究。城市生態系統健康的管理是對自然與文化的創造和管理，涉及到影響人類的城市自然環境與城市文化環境，包括給人們提供各種生態服務的空間，因此有必要加大研究力度，并將城市生態系統健康評價結果應用于城市生態系統健康管理中。城市生態系統健康包括自然子系統、經濟子系統和社會子系統等多個方面，應根據各子系統不同的現狀和評價結果，采取不同的優化途徑，提高系統的健康水平，從而促進城市生態系統健康的發展。同時，應對評價結果進行分析，探尋影響城市生態系統健康的限制性因子，并制定相應的對策和管理模式，以提高城市生態系統健康水平。

（6）3S技術的綜合應用。隨著城市生態系統健康評價的進一步發展，研究所需要的數據不但包括監測數據，更需要生態環境方面的空間數據，而遙感（RS）與全球定位系統（GPS）技術相結合能夠快速提供不同分辨率的各類空間動態數據，地理信息系統（GIS）的數據管理與分析能力可以保證空間數據的運算與管理，因此綜合應用RS、GIS和GPS等技術，動態監測城市生態系統健康狀況，將成為城市生態系統健康評價研究的新方向。

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