黃河下游沿黃城市生態系統健康評價

徐輝 丁祖棟 武玲玲

摘 要：黃河下游地區是中國重要的工農業生產核心區之一，城市擴張給生態系統健康帶來了較大的壓力。為了給黃河流域生態保護和高質量發展提供參考，按結構、功能、過程、發展等4個要素建立城市生態系統健康評價指標體系，以模糊物元模型為基礎，結合海明貼近度理論，從空間維度和時間維度對2010—2018年黃河下游沿黃15個城市的生態系統健康指數進行測算，分析了黃河下游沿黃城市的生態系統健康狀況。結果表明：從時間維度看，2010—2018年黃河下游沿黃城市的生態系統健康水平呈現波動狀，除菏澤、濟寧、聊城、濱州四市生態系統健康水平有所下降外，其他城市的生態系統健康水平有所上升，鄭州市、聊城市分別為生態系統健康水平提升、下降的典型市;從空間維度來看，2010年、2018年城市生態系統健康水平最高與最低分別均為東營市與焦作市，山東省沿黃城市的生態系統健康水平普遍比河南省沿黃城市的高，但15個城市生態系統健康水平的差距在縮小。

關鍵詞：生態系統健康;模糊物元模型;海明貼近度;城市;黃河下游

中圖分類號：X24;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.003

引用格式：徐輝，丁祖棟，武玲玲.黃河下游沿黃城市生態系統健康評價[J].人民黃河，2022，44（2）：12-15，20.

Abstract： The lower Yellow River region is one of the most important grain producing areas and core production areas in China. The expansion of urban land has brought great pressure to the health of urban ecosystem. In order to provide reference for the ecological protection and high-quality development of the Yellow River Basin， an urban ecosystem health evaluation index system was established according to the four elements of structure， function， process and development. Based on the fuzzy matter-element model and hamming proximity theory， The ecosystem health index of 15 cities along the lower Yellow River from 2010 to 2018 was calculated from spatial and temporal dimensions， and the ecosystem health status of the cities along the lower Yellow River was analyzed. The results show that from the perspective of time， the ecosystem health level of cities along the lower Yellow River fluctuated from 2010 to 2018， and the ecosystem health index of other cities is increased except Heze， Jining， Liaocheng and Binzhou. Zhengzhou and Liaocheng are typical cities with the improvement and decline of ecosystem health level respectively. From the perspective of spatial dimension， the highest and lowest urban ecosystem health levels in 2010 and 2018 are Dongying and Jiaozuo respectively. The ecosystem health level of all cities in Shandong Province is generally higher than that of Henan， but the gap of ecosystem health level of 15 cities is narrowing continuously.

Key words： health of urban ecosystems;fuzzy matter-element model;Hamming approach degree;city;Lower Yellow River

城市作為區域可持續發展的重要單元，對黃河流域高質量發展具有重要作用[1-2]。在城市發展過程中，城市生態系統安全與健康承受著資源耗竭、生態破壞、環境污染等方面的壓力[3-4]。關于黃河流域城市生態系統健康的研究，有對單個城市進行研究的，如王智宇等[5]從生態環境系統和社會經濟系統兩個方面對西安市3個發展核心區進行了生態系統健康評價、劉培德等[6]運用混合指標TODIM方法研究了2007—2013年東營市生態系統健康狀況，也有對多個城市進行研究的，如劉玒玒等[7]利用模糊綜合評價法研究了關中五市的城市生態系統健康狀況，但是已有研究要么只對一個城市的多年狀況進行研究，要么對多個城市的某一年狀況進行分析，而對多個城市連續多年的研究較少。鑒于黃河下游地區是我國重要的工農業生產核心區之一[8]，黃河下游沿黃城市的經濟發展與城鎮化比黃河中上游城市更加迅速，城市的擴張給生態系統健康帶來了很大的壓力，因此筆者以黃河下游沿黃15個地級市為研究對象，基于城市生態系統健康理論，建立城市生態系統健康評價指標體系，探討了黃河下游沿黃城市生態系統健康水平及其時空演化狀況，以期為黃河流域生態保護和高質量發展提供參考。

1 研究方法

1.1 研究對象的確定

考慮到壩址位于洛陽市的小浪底水庫雖然屬于黃河中游，但其在黃河下游防洪、水沙調度等方面有著十分重要的作用[9-10]，且河南省人民政府發布的《2020年河南省黃河流域生態保護和高質量發展工作要點》將洛陽市作為“雙引擎”之一，因此本研究將洛陽市也列為研究對象。結合黃河水利委員會在黃河網發布的黃河水系（水資源）圖，確定研究對象為黃河下游河南省與山東省的15個地級市，分別為洛陽、焦作、鄭州、新鄉、開封、濮陽、菏澤、濟寧、聊城、泰安、德州、濟南、淄博、濱州、東營。

1.2 城市生態系統健康評價指標體系的構建

城市生態系統健康主要包含三方面內容：一是滿足社會發展合理需求的能力，以維持城市的結構（組織結構）和功能（活力）;二是生態系統具有維持與恢復的能力（恢復力）;三是保障城市居民健康（人群健康）及生活質量（服務功能）[11]。關于城市生態系統健康評價的實證研究成果非常豐富，但城市生態系統健康的標準尚無統一認識，因此開展城市生態系統健康評價的難點之一在于“健康”標準及指標體系的確定[12]。

構建城市生態系統健康評價指標體系的方法有三分法、四分法、五分法：三分法將評價指標分為社會、自然、經濟等3類[13-14]，五分法將評價指標分為活力、組織結構、恢復力、服務功能、人群健康等5類[6，15]，基于三分法與五分法提出的四分法把評價指標分為結構、功能、過程、發展等4類[16]。四分法較好地考慮了城市生態系統健康的外部性能與內部性能（結構和功能反映外部性能，過程代表內部特征，發展表示潛力）。本研究用生態系統健康指數表示黃河下游沿黃城市生態系統健康水平（其數值越大表示健康水平越高），采用四分法將結構、功能、過程、發展作為黃河下游沿黃城市生態系統健康評價指標體系的第一層指標（要素），根據已有文獻[6，12，15，17-18]和指標數據的可獲得性，構建了由20個具體指標（第三層指標）構成的指標體系（見表1）。在指標體系中，把第三層指標的屬性分為正、負兩類，正表示指標值越大越好、負表示指標值越小越好，其中全社會用電量通常為正向經濟指標，根據2019年《中國統計年鑒》，我國目前的主流發電方式為火力發電，河南與山東兩省對火力發電依賴性較強，用電量大意味著高能耗和污染，因此本研究將全社會用電量的屬性設置為負;此外，為消除人口因素的影響，三級指標中人均值較多。

本研究采用的樣本年份為2010—2018年，指標數據來源于山東、河南兩省《統計年鑒》和各省、市《國民經濟和社會發展公報》。對部分缺失指標數據采用移動平均法進行插補。

1.3 指標權重計算

指標賦權方法有主觀賦權法如Delphi法、AHP法和客觀賦權法如主成分分析法、熵權法、變異系數法等，主觀賦權法因依賴人的主觀性而易導致權重有所偏差，客觀賦權法中的主成分分析法對主成分有較高要求、變異系數法適用于評價對象較為模糊的情況、熵權法可以在一定程度上消除人為因素對權重的影響。本研究采取熵權法計算指標權重（具體步驟參見楊德平等所著《經濟預測與決策技術及MATLAB實現》[19]）。

1.4 評價方法

鑒于城市生態系統的復雜性和其影響因素的不確定性，將城市生態系統健康評價作為一個模糊問題來處理，以模糊物元模型為基礎，結合海明貼近度理論，對黃河下游沿黃城市生態系統健康水平進行評價。

1.4.1 指標數據處理

為了消除各指標單位不同的影響和便于比較，將所有指標值進行歸一化處理，計算公式為

1.4.2 構建復合物元和理想物元

運用模糊物元法構建由n個樣本組成的m維復合物元Rmn：

1.4.3 計算生態系統健康指數

把各樣本（被評價物元）與理想樣本（理想物元）的貼近度ρHj作為生態系統健康指數，進行城市生態系統健康水平評價，其值越大、越接近1則城市生態系統健康水平越高。生態系統健康指數計算公式為

2 結果與討論

2.1 按時間維度的計算結果

按時間維度計算的黃河下游15個沿黃城市生態系統健康指數見表2。整體來說，2010—2018年各市的生態系統健康水平均呈現波動狀，2018年與2010年相比，除菏澤、濟寧、聊城、濱州四市生態系統健康水平有所下降外，其他城市的生態系統健康指數有所上升，其中鄭州的生態系統健康水平提升幅度最大、聊城的生態系統健康水平下降明顯。

2.2 按空間維度的計算結果

按空間維度計算的黃河下游15個沿黃城市生態系統健康指數見表3。

從空間維度看，2010年各市生態系統健康水平由高到低的排序為東營（0.743）、泰安（0.699）、濟南（0.654）、濟寧（0.636）、菏澤（0.626）、德州（0.624）、淄博（0.611）、聊城（0.597）、濱州（0.572）、濮陽（0.563）、鄭州（0.542）、新鄉（0.531）、開封（0.530）、洛陽（0.495）、焦作（0.482），其中東營市的城市生態系統健康水平遠高于其他14個城市;各市生態系統健康指數平均值為0.594，洛陽、焦作、新鄉、鄭州、開封、濮陽、濱州未達到平均值。2018年，東營市仍是城市生態系統健康水平最高的城市，生態系統健康指數為0.840，其他城市生態系統健康水平由高到低依次為濟南（0.738）、鄭州（0.697）、泰安（0.670）、淄博（0.651）、濟寧（0.646）、菏澤（0.646）、德州（0.643）、新鄉（0.611）、濮陽（0.605）、濱州（0.604）、洛陽（0.577）、聊城（0.571）、開封（0.571）、焦作（0.557）;各市生態系統健康指數平均值為0.642，洛陽、焦作、新鄉、開封、濱州、濮陽、聊城未達到平均值，山東省沿黃城市的生態系統健康水平總體上高于河南省的，但各市生態系統健康水平的差距在縮小，鄭州的提升幅度最大（2010年在平均水平以下，2018年在平均水平以上、排名第3），而聊城明顯下降（2010年屬平均水平，2018年在平均水平以下、排名第13）。

2.3 生態系統健康要素分析

由圖1（圖中等值線標值為各要素健康指數）可知：在結構要素方面，除濱州結構要素健康指數減小外，其他各市結構要素健康指數均明顯增大;在功能要素方面，除菏澤功能要素健康指數減小外，其他各市功能要素健康指數均有所增大;在過程要素方面，各市差異較大，鄭州等10個城市過程要素健康指數增大，濱州等5個城市過程要素健康指數減小;在發展要素方面，各市發展要素健康指數均有所減小。

由上述按時間維度的生態系統健康指數計算結果可知，鄭州市、聊城市分別為生態系統健康水平提升、下降的典型市，在此對這兩市生態系統健康各要素做一剖析（見圖2）：①鄭州市。鄭州市生態系統健康水平9 a間提升了45.41%，在15個城市中上升幅度最大，結構、功能、過程要素健康指數均明顯增大，發展要素雖然有一定減小但對生態系統健康的影響不大，這可能與鄭州市2010年以來加快新型城鎮化建設、加大污染防治力度有關。②聊城市。聊城市生態系統健康水平波動下降，2018年較2010年降低了12.09%，在15個城市中下降幅度最大，結構與功能要素健康指數增大，而過程與發展要素健康指數減小，主要原因可能是工業化過程中對污染物排放管理力度不夠、外來人口隨經濟的發展而增加等，導致城市生態壓力增大。

3 結 論

按照結構、功能、過程、發展等4個要素構建城市生態系統健康評價指標體系，運用模糊物元法對2010—2018年黃河下游沿黃15個城市的生態系統健康指數進行測算，從空間維度和時間維度分析了黃河下游15個沿黃城市的生態系統健康狀況，結論如下：從時間維度看，2010—2018年黃河下游沿黃城市的生態系統健康水平呈現波動狀，除菏澤、濟寧、聊城、濱州四市生態系統健康水平有所下降外，其他城市的生態系統健康指數有所上升，鄭州市、聊城市分別為生態系統健康水平提升、下降的典型市;從空間維度來看，2010年、2018年城市生態系統健康水平最高與最低分別均為東營市與焦作市，山東省沿黃城市的生態系統健康水平普遍比河南省沿黃城市的高，但15個城市的差距在縮小。

參考文獻：

[1] 寧朝山，李紹東.黃河流域生態保護與經濟發展協同度動態評價[J].人民黃河，2020，42（12）：1-6.

[2] 任保平，杜宇翔.黃河中游地區生態保護和高質量發展戰略研究[J].人民黃河，2021，43（2）：1-5.

[3] SU Meirong，YANG Zhifeng，CHEN Bin，et al.Urban Ecosystem Health Assessment and its Application in Management：A Multi-Scale Perspective[J].Entropy，2012，15（1）：1-9.

[4] 秦趣，代穩，陳志霞.我國城市生態系統健康評價綜述[J].安全與環境工程，2014，21（4）：96-100，106.

[5] 王智宇，馬俊杰，陳新新，等.基于能值分析的西安市3個發展核心區生態健康評價[J].水土保持研究，2018，25（4）：317-323.

[6] 劉培德，滕飛.基于混合指標值TODIM方法的東營市生態系統健康評價[J].中國人口·資源與環境，2017，27（8）：167-176.

[7] 劉玒玒，汪妮，解建倉，等.基于熵權法的城市生態系統健康模糊評價[J].武漢大學學報（工學版），2014，47（6）：755-759.

[8] 張鵬巖，耿文亮，楊丹，等.黃河下游地區土地利用和生態系統服務價值的時空演變[J].農業工程學報，2020，36（11）：277-288.

[9] 張金良，魯俊，韋詩濤，等.小浪底水庫調水調沙后續動力不足原因和對策[J].人民黃河，2021，43（1）：5-9.

[10] 魏向陽，楊會穎，孔純勝，等.小浪底水庫汛期低水位排沙調度實踐分析[J].人民黃河，2020，42（7）：19-22，111.

[11] COSTANZA R.Ecosystem Health and Ecological Engineering[J].Ecological Engineering，2012，45：24-29.

[12] 周文華，王如松，基于熵權的北京城市生態系統健康模糊綜合評價[J].生態學報，2005，25（12）：3244-3251.

[13] 桑燕鴻，陳新庚，吳仁海，等.城市生態系統健康綜合評價[J].應用生態學報，2006，17（7）：1280-1285.

[14] 周云凱，白秀玲，呂曉龍.開封城市生態系統健康動態變化研究[J].地域研究與開發，2012，31（5）：162-165.

[15] 郭秀銳，楊居榮，毛顯強.城市生態系統健康評價初探[J].中國環境科學，2002，22（6）：46-50.

[16] SU M，XIE H，YUE W，et al.Urban Ecosystem Health Evaluation for Typical Chinese Cities Along the Belt and Road[J].Ecological Indicators，2019，101：572-582.

[17] 官冬杰，蘇維詞.城市生態系統健康評價方法及其應用研究[J].環境科學學報，2006，26（10）：1716-1722.

[18] SU M.Emergy-Based Urban Ecosystem Health Evaluation of the Yangtze River Delta Urban Cluster in China[J].Procedia Environmental Sciences，2010，2：689-695.

[19] 楊德平，劉喜華.經濟預測與決策技術及MATLAB實現[M].北京：機械工程出版社，2016：26-267.

【責任編輯 張智民】