長江經濟帶生態系統健康正態云模型構建及其診斷

曹 鑫， 官冬杰， 賀光秀， 姚 堯， 王瑞兵， 李 媫

(1.重慶交通大學 建筑與城市規劃學院， 重慶 400074； 2.重慶交通大學 省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室， 重慶 400074； 3.首都師范大學 城市環境過程和數字模擬國家重點實驗室培育基地， 北京 100048)

近些年來，隨著城鎮化進程的加快，長江經濟帶出現了空氣質量惡化、水資源污染、土地資源浪費以及能源消耗過度等一系列生態系統健康問題，直接威脅長江經濟帶的生態安全及區域經濟的可持續發展。而生態系統健康，是指生態系統在保障正常的生態服務功能、滿足合理的人類需求的同時，維持自身復雜性和持續發展的能力或狀態[1]。

目前國內外關于生態系統健康領域的總體研究，主要集中在生態系統健康診斷指標體系構建，診斷模型開發及應用。國內方面，在對四川省和珠三角地區生態環境脆弱性的診斷當中，諸如“空間主成分分析法”、“生態敏感性—生態恢復力—生態壓力度(SRP)模型”等數學方法和理論模型都被很好地應用其中[2-3]。國外方面，Kienberger等[4]關于“脆弱性立方體”這一理念的提出，也促進了相關領域的理論研究和發展。隨著研究的進一步深入，能夠處理多來源、多類型、多尺度數據的方法和技術逐漸被應用到生態環境精準監測和綜合決策當中[5]。此外，依據不同研究區的地域特征，國內外在生態系統健康診斷研究的各個具體領域也均有建樹。國內方面，在對東北地區泥炭地的水文生態系統健康狀況診斷時，研究人員充分采納了分布式水文系統模擬軟件MIKE SHE所構建的生態水文模型所反映的擬合結果，建立對應的“水位盈虧指數”[6]；在新疆艾比湖流域，研究在充分結合新疆艾比湖流域草地生態環境健康現狀的基礎上，基于“壓力—狀態—響應(PSR)模型”，對該區域的草地生態系統健康狀況進行診斷[7]。國外方面，如對印度南古吉拉特邦海岸地區生態環境狀況的研究當中，部分學者借助層次分析法，從物理脆弱性和社會經濟變量兩個維度出發構建了生態系統健康診斷指標體系，并賦予權重分數，對印度南古吉拉特邦海岸地區的生態環境脆弱性進行了診斷及診斷[8]。

長江經濟帶作為中國生態文明建設的先行示范帶，其生態系統健康問題一直備受關注。部分研究人員基于程序化扎根理論，借助質性分析軟件NVIVO12對長江經濟帶生態保護與高質量發展之間所蘊含的內部關系進行分析，并提出相應舉措[9]。然而到目前為止，長江流域沿線的生態一體化建設還停留在以跨區域、多政府主體為架構的制度摸索階段，這需要跨省市、跨部門單位的多方主體協商共治才能有所成效[10]。近年來，國家的多項重大會議均強調了構建生態文明體系和促進經濟社會發展全面綠色化轉型的重要性，為此各地也逐步開始制定并實施最為嚴格的生態環境保護政策，為促進長江經濟帶生態環境和經濟社會協同發展乃至實現美麗中國的重要保障[11]。

本文以長江經濟帶為研究對象，選取2000，2009，2018年3個時間節點，從生態系統健康診斷的不同維度出發，建立一套相對完整的生態系統健康診斷指標體系。在此基礎上，通過熵權法、正態云模型及模糊矩陣等方法的綜合應用，得出綜合診斷結果，以期為保障長江經濟帶新型城鎮化建設的平穩運行及推動區域內生態環境保護的科學化、規范化實施提供科學依據。

1 研究區域及數據來源

長江經濟帶橫跨中國東部、中部和西部3大區域，總面積約2.05×106km2，占全國面積的21.4%，覆蓋了上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州11個省市。截止2018年末，長江經濟帶總人口和地區生產總值均占全國40%以上，依托長江黃金水道優越的地理位置、豐富的自然資源和人才資源以及雄厚的經濟基礎，其已發展成為中國綜合實際最強、戰略支撐作用最大的區域之一。由于長江經濟帶本身具有的生態脆弱性和經濟發展不平衡性，對長江經濟帶的生態系統健康狀況進行診斷尤為重要。

研究數據主要來源于2001,2010,2019年長江經濟帶各省市統計年鑒、中國統計年鑒、中國生態環境狀況公報、住建部文書及公告、中國國民經濟和社會發展公報等相關資料。

2 長江經濟帶生態系統的健康診斷模型構建

2.1 長江經濟帶生態系統健康診斷指標體系的構建

對于城市生態系統健康診斷所使用的指標在國內外文獻中并沒有較為統一的說法，目前較為普遍的方法是通過生態系統的活力、組織結構、恢復力、生態系統服務功能的維持、管理選擇、外部輸入減少、對鄰近系統的影響以及人類健康影響等8個方面來衡量生態系統的健康狀況，本文將自然生態系統健康狀況評價引申到城市生態系統中，從影響城市生態系統的自然、人文和經濟等角度出發[12]。

根據綜合性、代表性、可比性和可操作性的原則，結合城市生態系統健康診斷指標體系，參考相關學者的研究成果，基于長江經濟帶地域特色，選擇活力、組織力、恢復力、生態系統服務功能和人群健康狀況作為診斷的5個主要要素[13]。并且結合長江經濟帶的實際情況，針對每一個要素所涵蓋的內容，參照城市可持續發展指標、生態城市指標等，考慮生態系統的服務功能，通過文獻資料法等方法構建長江經濟帶生態系統健康診斷指標體系[14]。

另外，為了減少主觀性，增強研究結果的科學性和合理性，本文運用SPSS軟件對數據進行處理，通過主成分分析法，依照貢獻率排序，從初始指標中篩選出24個最有價值的指標，確定城市生態系統健康狀況診斷指標體系[11]。長江經濟帶生態健康診斷指標體系劃分為5個主要素，13個因素，共涵蓋24個指標(表1)。

表1 長江經濟帶生態系統健康診斷指標體系及診斷標準

2.2 熵權法確定指標權重

診斷指標所占的權重直接影響著最終診斷結果，目前確定指標權重的方法主要有Delphi法、層次分析法、均方差法和熵權法等。其中，Delphi法、層次分析法主觀性較強，權重結果中人為因素起的作用較大，而熵權法是根據各指標的熵值所提供的信息量的大小來決定指標權重的方法，具有較強的客觀性，在一定程度上避免了人為的主觀臆斷，使診斷結果合理并具有說服力，因此本研究中選取熵權法作為確定指標體系權重的方法[15-16]。診斷指標權重結果如表2所示。

表2 長江經濟帶生態系統健康診斷指標權重

由表2中各診斷指標的權重可以看出，人口密度(0.141 2)、人均可支配收入(0.095 2)、人均耕地面積(0.087 5)、人均地區GDP(0.080 8)所占的比重較大，表明人口密度、人均可支配收入、人均耕地面積、人均地區GDP是影響長江經濟帶生態系統健康的主要因素；且這4個指標都是正向指標，表明它們的值越大，長江經濟帶生態系統越健康。生活垃圾無害化處理率(0.019 1)、單位GDP能耗(0.019 0)、年GDP增長率(0.017 3)、建設用地比重(0.015 0)所占的比重較小，表明這四者對長江經濟帶生態系統健康的影響程度相對較小；其中單位GDP能耗、建設用地比重是負向指標，表明單位GDP能耗和建設用地比重越大，長江經濟帶生態系統健康狀況越差。

2.3 長江經濟帶生態系統健康診斷等級判定

長江經濟帶生態系統健康診斷指標確定后，需要明確各項指標的健康標準，才能對生態系統的健康狀況進行診斷[17]。針對5個要素所涵蓋的內容提出相應的診斷指標，把生態醫學理論用于生態系統健康診斷，將生態系統健康狀況劃分為病態、不健康、亞健康、健康、很健康5級。參考國內外公認的生態城市、健康城市、園林城市、環保城市的建議值作為很健康的標準值，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，在前者的基礎上向下浮動20%作為健康和亞健康的標準值，在后者基礎上向上浮動20%作為不健康和亞健康的標準值，前后兩次確定的亞健康標準值相互調整得到最終值[12,18-19](表1)。

2.4 正態云模型構建

正態云模型是李德毅等[18]于1995年提出的一種模糊數學模型，有利于解決概念的隨機性和模糊性問題，實現定性和定量概念之間的不確定性轉換。首先，計算每個指標不同級別的隸屬度，其次，根據正態云模型的最大隸屬度原理確定每個指標對應的診斷等級。鑒于區域生態健康診斷定量過程的模糊性和隨機性，利用云的Ex，En，He這3個數值特征可以計算出云滴，重復計算多次產生的云滴就構成了云圖[20]。本文在正態云模型的基礎上建立了長江經濟帶生態系統健康診斷模型，具體步驟如下：

(1) 構建生態系統健康狀況診斷的因素集為A={a1,a2,a3,…,an} ，診斷集為B={b1,b2,b3,…,bm}。

(2) 建立模糊關系矩陣R。R中元素rij表示診斷對象因素集A中第i個元素對于診斷集中第j個等級的隸屬度。由云模型的概念，可求云滴的特征值(Ex,En,He)。

設定診斷等級數值上下限，由于單一診斷客體在兩個診斷等級之間存在模糊性，因此：

(1)

(2)

(3)

He=k

(4)

式中：Enij為對應診斷指標在當前診斷等級下的熵。

超熵He表示云滴的匯集程度或離散程度，在云模型的云滴中表現為云的厚度。超熵取值由多次試驗所得，本研究超熵取值為0.1[21]。

(4) 利用權重向量W與隸屬度矩陣U進行模糊轉換得出診斷集B上的模糊子集C。

C=WU=(c1,c2,c3,…,cm)

(5)

根據表3中各指標對應各等級的隸屬云，通過MATLAB 2019a軟件編程，可以得到各診斷指標的正態云圖。限于篇幅，本文根據表1，從每個子系統中選擇一些權重較高的指標，以人均地區GDP值、人口密度、人均耕地面積、自然保護區面積比例、人均可支配收入和萬人擁有執業(助理)醫師人數的正態云圖為例(圖1)。

注：a為人均地區GDP正態云模型； b為人口密度正態云模型； c為人均耕地面積正態云模型； d為自然保護區面積比例正態云模型； e為人均可支配收入正態云模型； f為萬人擁有執業(助理)醫師人數正態云模型。

表3 長江經濟帶生態系統健康不同等級正態云隸屬度(Ex，En，He)

選擇2000,2009,2018年長江經濟帶11個省市的各項指標數據，并根據步驟(3)代入正向云生成器，確定與各個等級相對應的各項指標的云確定度，建立隸屬度矩陣U。再根據公式(5)，利用各指標的隸屬度矩陣U和權重向量W進行模糊轉換，得到診斷集B上的模糊子集C，得到綜合隸屬度，然后根據最大隸屬度的原理，選擇與最大隸屬度相對應的第j個診斷等級作為綜合診斷結果(表4)。

表4 2000，2009，2018年長江經濟帶11省市生態系統健康等級診斷結果

3 結果與分析

3.1 長江經濟帶生態系統健康診斷結果

根據構建的正態云模型，對長江經濟帶生態系統健康進行診斷，并進行等級劃分，劃分結果見圖2。長江經濟帶整體生態系統健康狀況：2000年以病態和不健康狀態為主，比例為36.36%和54.55%；2009年以不健康和亞健康狀態為主，比例為63.64%和27.27%；2018年以亞健康和健康狀態為主，比例為63.64%和18.18%。

由圖2a,2b,2c可知，2000年長江經濟帶生態系統健康等級呈現出東高西低的空間分布格局，研究區東側的生態系統健康等級多為不健康，而西側多為病態。到了2009年，這一格局呈現出了研究區東北側和西南側高，其余部分低的新特點，其中東北側和西南側多為亞健康，其余部分多為不健康。2018年，這種內部分異的格局進一步減小，大部分區域達到了亞健康及以上水準。由圖2d可知，從2000年到2009年，長江經濟帶有江蘇、江西、四川、云南和貴州共計5省市的生態系統健康狀況發生了變化，且均為提升，其中變化幅度較大的省市為云南、貴州，其生態系統健康狀況由病態變為亞健康，提升了2個等級。從2009年到2018年，長江經濟帶有浙江、安徽、江西、湖北、重慶、四川共計6省市的生態系統健康狀況發生了變化，同樣均為提升，其中變化幅度較大的省市為安徽、重慶，其生態系統健康狀況由不健康變為健康，也提升了2個等級。

圖2 2000-2018年長江經濟帶生態系統健康診斷結果時空差異特征

綜上所述，從2009年到2018年，長江經濟帶生態系統健康狀況整體上呈現出兩大特點。①上海市的健康等級長期處于“很健康”水準，而湖南省的健康等級卻長期處于“不健康”水準。上海市生態系統健康狀況長期處于高水準，可能與其發達的社會經濟發展水平及嚴格的環境保護政策密切相關，湖南省可能在這些方面稍有欠缺，從而導致生態系統健康等級偏低； ②研究區健康等級的內部分異逐步減小且整體趨于上升趨勢，這與近些年來長江經濟帶的生態環境治理工作有著密不可分的關系。長江流域沿線區域，在經歷了階段性的治理工作之后，生態環境狀況得到了逐年改善，特別是自從2016年長江環境大保護戰略實施以來，長江流域沿線各省市的治污能力得到了有效提升，治污工程建設速度也逐步加快，這一些原因，促使了長江經濟帶沿線各省市的生態系統健康狀況在整體上不斷向好發展[10]。

3.2 長江經濟帶生態系統健康子系統診斷結果

在一定范圍內生態系統的能量輸入越多，物質循環越快，活力就越高。由圖3可知，2000—2018年長江經濟帶活力子系統診斷等級整體上由病態上升為亞健康。研究區內人均地區GDP和人均公共綠化面積等正向指標逐年提高，單位GDP能耗、COD排放量以及單位播種面積農藥使用量等負向指標均逐年降低，但是由于近年來對經濟高質量發展的要求，2009—2018年的年GDP增長率大幅度降低，長江經濟帶平均年GDP增長率下降至7.57%，減少了4.75%。截止2018年底，上海的活力子系統提升至健康等級，這主要由于地區人均GDP大幅度上漲，達到了14.87萬元/人，而單位GDP能耗下降至0.32 t/萬元(以標準煤計)。浙江的活力子系統健康等級僅次于上海，人均公共綠地面積和人均GDP等正向指標有明顯的上升，雖年GDP增長率略高于上海，但其COD排放量是上海的3倍之多。江蘇、安徽等9個省(市)均提升到亞健康等級，人均GDP相較于2000年大幅度提升，最低診斷等級為亞健康；年GDP增長率除云南、貴州外，其余省市均下降，其中重慶的年GDP增長率最低，只有4.4%；9個省(市)單位GDP能耗均呈下降趨勢，COD排放量診斷等級為病態，人均公共綠化面積逐年增加，2018年底人均可占有的公共綠地面積在10 m2/人以上。對于活力子系統而言，應增加正向投入，減少負向產出，平衡經濟發展和生態保護，堅持生態保護優先。

圖3 2000-2018年長江經濟帶生態系統健康活力子系統診斷結果

如圖4所示，2000—2018年長江經濟帶生態系統組織結構反映了生態系統結構的復雜性，該特征會隨生態系統的演替而發生變化。由圖4可知，上海和江蘇的組織結構健康等級較高，截止2018年底，分別提升至很健康和亞健康。兩省(市)森林覆蓋率雖逐年提高，但上海和浙江的整體水平較低，均在30%以下，有待進一步提升。此外，人均耕地面積基數低，且呈下降趨勢。隨著人口的增加，建設用地面積比例大幅度上漲。2000年—2018年浙江、安徽、湖北、湖南和重慶的健康等級幾乎無變化，均為不健康等級，人均擁有的耕地面積不足0.1 hm2/人，建設用地面積比例不斷上升。江西、云南、四川和貴州的等級偏低，且無提升的趨勢，這主要由于人口過于分散， 用地不集中，建設用地面積比例的提升速度大于人均耕地。四川省的人口密度低，城鎮登記失業率高。江西省人口自然增長率高，2018年達到了0.95%。整體而言，人均耕地雖增加，但區域分布差異大，大部分地區人均耕地依舊處于不健康等級。隨著人口的增長，建設用地的需求逐年增加。城鎮登記失業率偏高，重慶、湖北和江西尤為突出。對于活力子系統而言，應集約利用土地，合理規劃建設用地，調整第三產業占GDP比重，嚴格控制人口出生率。

圖4 2000-2018年長江經濟帶生態系統健康組織結構子系統診斷結果

恢復力子系統在外界壓力消失的情況下逐步恢復的能力，一定程度上可用城市生態系統的自我調節能力來體現。從圖5可以看出，2000—2018年，長江經濟帶恢復力子系統健康診斷等級的分省市變化幅度較大，但2009年和2018年的健康診斷等級相較于2000年是整體向好的。在2000年，四川省、上海市和重慶市的健康診斷等級較高，分別為健康、亞健康、亞健康，到了2009年，格局發生了顯著變化，重慶、四川和貴州3個省市的診斷等級為健康，而診斷等級為病態的浙江省，其自然保護區面積比例僅為1.5%。2018年，恢復力子系統的空間分布格局又一次發生了較大變化，研究區中安徽、湖南、貴州和重慶4個省市的診斷等級降低，江西、湖北、四川和云南的診斷結果在向好發展。隨著生態環境治理工作的穩步推進，城市污水處理率和生活垃圾無害化處理率成為各城市環境治理效果的重要評價標準，此外環境污染治理投資總額占GDP比重和自然保護區面積比例的提高也有利于區域生態系統的自我調節能力的提高，所以對于恢復力子系統而言，應加大環保投資力度，并注重城市治理能力的提升。

生態系統提供的服務功能通過環境質量、民生改善兩個方面來體現。從圖6可以看出，2000,2009,2018年3個時間節點上，長江經濟帶各省市的生態系統健康生態系統服務子系統診斷結果依次為：不健康、健康、亞健康水平，2000—2018年間長江經濟帶各省市的生態系統健康生態系統服務子系統診斷等級有所提升，生態系統的健康狀況改善較為明顯。究其原因有：①在2000—2018年間，國家堅持以經濟建設為中心，促進了國家經濟的增長，人均可支配收入顯著提高； ②科學技術逐漸應用到了農業生產，農業生產逐漸規模化，人均糧食占有量也明顯增加； ③隨著生態文明建設的進程，各地方注重環境質量的改善，推動形成綠色發展方式和生活方式，主要表現在空氣質量改善方面。對于生態系統服務子系統而言，應進一步提高生產力，注重農業發展，在人民生活方面做出積極調整。

圖5 2000-2018年長江經濟帶生態系統健康恢復力子系統診斷結果

圖6 2000-2018年長江經濟帶生態系統健康生態系統服務子系統診斷結果

如圖7所示，人群健康狀況可以從生活狀況和文化教育水平兩個方面來反映。由圖7可以看出，在2000，2009，2018年3個時間節點上，長江經濟帶各省市的生態系統健康人群健康子系統診斷結果整體位于病態、很健康、亞健康這3個水平，表明2000—2018年間長江經濟帶生態系統的健康狀況整體一般，2000—2009年，長江經濟帶生態系統的健康狀況明顯變好，2009—2018年間因為經濟的快速發展，長江經濟帶生態系統的健康狀況反而呈現下降趨勢。主要原因在于2000—2018年間，得益于國家綜合國力的提升，醫療技術水平發展，死亡率有所下降；人才是第一資源，是國家增強核心競爭力的第一動力，各行各業及各個地區的發展都離不開人才。但是在2009年后，人才流動較大，在經濟發達地區與欠發達地區，人才布局十分不均衡，導致2009—2018年間長江經濟帶各城市在人群健康層面，健康狀況有所下降。對于人群健康子系統而言，應加注重人才吸引與引進，強化醫療基礎設施建設。

圖7 2000-2018年長江經濟帶生態系統健康人群健康子系統診斷結果

4 結 論

本文通過構建長江經濟帶生態系統健康診斷指標體系，利用熵權法和正態云模型，得出2000，2009，2018年長江經濟帶的城市生態系統健康狀況，從整體和子系統兩個層面進行分析，得到2000—2018年間長江經濟帶生態系統健康狀況變化的一些結論。

(1) 綜合當前城市生態系統健康研究的理論和方法，基于長江經濟帶的地域特色，構建了長江經濟帶生態系統健康診斷指標體系，該體系分為活力、組織結構、恢復力、生態系統服務和人群健康5個子系統，共包含24個診斷指標。同時，明確了各指標健康診斷標準，并將長江經濟帶生態系統健康狀況劃分為病態、不健康、亞健康、健康和很健康5個等級。

(2) 根據長江經濟帶生態系統健康診斷指標體系數據庫，利用熵權法確定指標體系權重，分析結果顯示人口密度、人均可支配收入、人均耕地面積、人均地區GDP是影響長江經濟帶生態系統健康的主要因素。

(3) 運用正態云模型，計算得出2000，2009，2018年長江經濟帶生態系統健康的健康等級隸屬度，并對長江經濟帶生態系統健康進行分析。從整體上看，2000年至2018年，長江經濟帶生態系統健康診斷等級的總體變化趨勢向著更高等級的方向演變；長江經濟帶生態系統的健康狀況存在時空分布差異性，在2000—2018年間年表現出內部分異逐漸減小的趨，從區域空間分布來看，部分省市的生態系統健康狀況變化幅度較大，而上海和湖南的生態系統健康診斷結果一直保持不變。從活力、組織結構、恢復力、生態系統服務和人群健康5個子系統來看，長江經濟帶活力子系統健康狀況呈現出上升趨勢；組織結構子系統健康狀況穩定，但除上海市和江蘇省以外，整體健康等級低；恢復力子系統健康狀況呈波動式變化，但整體健康狀況有一定程度上的改善；生態系統服務子系統健康狀況除上海市先降后升之外，其余各省市均呈現出逐年上升的趨勢；從時序發展來看，人群健康子系統健康狀況變化大，但各省市之間的差異在不斷減小，且整體健康狀況有一定的上升趨勢。

(4) 結合本文的研究結果，從長遠來看，為了保持長江經濟帶生態系統健康水平長期平穩向好發展，優先從活力、恢復力和人群健康3個子系統方面入手，減少負向產出，提高生產力，注重農業發展，在人民生活方面做出積極調整，加大力度吸引高層次人才，堅持生態優先的發展戰略。

本文的研究結論充分依賴于研究區各類指標要素的數據質量及健康診斷標準，故在研究中還存在很多不足支出。首先，因為部分早期統計數據的確缺失，診斷生態健康的指標數據不夠全面；其次，囿于數據獲取及部分健康診斷標準的時效性，不同研究中對長江經濟帶生態系統的健康診斷結果存在著一定的偏差。