桂林城市生態系統可持續發展能力評價及提升對策

林明明, 王金葉, 林珍銘, 2

(1.桂林理工大學 旅游與風景園林學院, 廣西 桂林 541006; 2.廣西旅游產業研究院, 廣西 桂林 541006)

中國城市化率在2019年達到60.6%, 預計2030年將達到70%, 而全球到2050年將有2/3人口生活在城市。城市已成為世界經濟發展的引擎, 其可持續發展是人類實現可持續發展的關鍵。2016年, 在厄瓜多爾基多舉行的聯合國住房和可持續城市發展會議上, 世界各國領導人通過了《新城市議程》, 重點關注實現可持續城市發展[1]。為落實2015年聯合國可持續發展峰會通過的《轉變我們的世界: 2030年可持續發展議程》, 破解經濟、社會、環境三大領域17項可持續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs)面臨的瓶頸問題, 進一步推動地方政府貫徹生態文明戰略, 2016年國務院發布了《中國落實2030年可持續發展議程創新示范區建設方案》[2-3]。2018年2月, 國務院批復桂林以“景觀資源可持續利用”為主題, 建設國家可持續發展議程創新示范區[3]。桂林作為世界著名的風景游覽城市和國家歷史文化名城, 成為國家可持續發展議程創新示范區之一, 正面臨著保育脆弱的喀斯特生態系統的巨大壓力[2-3]。生態環境保護與可持續發展能力建設與研究一直是桂林城市發展與建設的重要內容。

基于PSR模型旅游生態環境安全評價與診斷研究結果顯示, 2008—2017年間, 桂林喀斯特世界自然遺產地旅游生態環境安全在2012年實現轉折, 發展達到相對安全的等級, 但總體仍處于生態環境壓力較大的階段[4]?；赟D的旅游可持續發展仿真研究結果表明, 在桂林旅游業可持續發展過程中, 同時注重社會經濟、資源環境和旅游業績的整體協調發展, 是桂林旅游業可持續發展的理想模式[5]。可持續發展評價指標體系是客觀診斷可持續發展現狀和問題的有效工具[6]。因此, 構建科學合理可操作性強的評價指標體系, 對桂林市可持續發展進行評價與診斷, 發現城市生態系統存在的問題, 并針對性地提出對策和建議, 能更好地促進桂林城市可持續發展和旅游業的可持續發展, 具有重要的現實意義。

1 研究區概況

桂林市位于廣西東北部, 地處湘桂走廊南端, 區位條件優越, 歷來是廣西東北部地區及桂湘交界地區的政治、經濟、文化和科技中心。桂林市土地面積為27 809 km2, 屬亞熱帶季風氣候區, 森林資源豐富, 自然保護區覆蓋率高達15.36%, 全市森林覆蓋率為71.62%[7]。桂林喀斯特是中國乃至世界上最優美和最壯觀的形態組合，桂林喀斯特世界自然遺產地得天獨后的自然風光和深厚的歷史文化底蘊, 使桂林市在國內外久負盛名。2019年，桂林市全年接待國內外游客1.38億人次, 比上年增長26.7%; 實現旅游總消費1 874.25億元, 增長35.0%；全市生產總值(GDP)2 105.56億元, 按可比價計算, 比上年增長6.5%, 三次產業增加值占地區生產總值的比重分別為23.1%、22.6%和54.3%；常住人口511.23萬人, 其中城鎮人口260.20萬人, 常住人口城鎮化率為50.90%; 按常住人口計算, 人均地區生產總值41 294元, 低于全區平均水平, 該值同比上年增長5.9%[7]。

2 研究方法

當前, 可持續發展評價主要依托綜合指數和復合指標體系進行評價, 評價指標囊括了社會、經濟、環境、基礎設施和制度等城市發展的多方面[6]。桂林城市可持續發展一直受到有關研究者的關注, 如運用生態足跡[8]、能值分析[9]等綜合指數和“旅游經濟生態”復合系統評價[10]對桂林城市可持續發展能力進行研究。這些研究方法側重點各不相同, 存在一定不足之處, 并在不斷地完善。聯合國SDGs城市可持續性評價指標體系的提出, 為解決當前聯合國普遍關注的可持續發展問題, 以及現有指標體系多樣、兼容性差的問題, 提供了一個可能的解決方案[6]。但是, 目前任何一個國家或者機構的統計數據都無法覆蓋聯合國可持續發展目標(SDGs)的全部232項可持續發展指標, 存在數據可獲得完整性不足的限制。受到數據可獲得性的限制, 我國可持續發展指標體系的5個主題中僅包含了41個指標, 與聯合國提出的232項指標之間仍存在較大的差距[11]?；陟氐某鞘猩鷳B系統可持續發展能力評價方法, 具有較好的數據可獲得性, 可操作性強, 并能有效地反映城市生態系統演化方向和可持續發展能力水平, 能有效彌補城市可持續發展研究中所存在的可持續發展對策比較籠統、缺乏針對性的不足[12-18]。因此, 本研究將基于熵的城市生態系統可持續發展能力評價方法[12-18], 結合聯合國SDG 11可持續城市和社區目標[6,19], 對桂林城市生態系統可持續發展能力進行科學評價與影響因素分析, 提出桂林城市生態系統可持續發展能力提升對策, 為桂林市可持續發展決策提供科學依據。

2.1 基于熵的桂林城市生態系統可持續發展能力評價指標體系構建

城市生態系統是社會-經濟-自然復合生態系統[20], 是多層次、多功能、多因素的動態人工生態系統[21], 是典型的人地關系耦合系統。其中, 城市社會經濟生態系統是整個城市生態系統的主體與核心, 具有典型的耗散結構系統特征。在城市復合生態系統理論[20]、環境與可持續發展理論[21]和耗散結構系統理論[22]的指導下, 依據聯合國SDGs城市可持續性評價指標體系、城市生態系統演化與可持續發展研究成果[12-18]、桂林市的社會經濟和生態環境特征, 以及指標數據的可獲得性和時間連續性, 構建以城市社會經濟生態系統為主體的桂林城市生態系統可持續發展能力評價指標體系, 并根據指標信息熵計算出各項指標的熵權, 作為指標的客觀權重, 如表1所示。

表1 桂林城市生態系統可持續發展能力評價指標體系

2.2 基于信息熵的桂林城市生態系統可持續發展能力評價模型構建

根據香農(Shannon)的信息熵理論(information entropy)和城市生態系統演化與可持續發展研究成果[12-18], 可構建桂林城市生態系統評價指標的信息熵和可持續發展能力評價模型。

若對桂林城市生態系統的m個年份n個評價指標進行評價,Ei是第i項指標的信息熵, 則有

(1)

式中:qij(i=1, 2, …,n;j=1, 2, …,m)是指標原始數據進行標準化處理的值;qi為第i項指標所有年份標準化值的和, 即

基于信息熵構建桂林城市生態系統發展狀況相對優異性量化評價得分值模型

G=∑QiXi。

(2)

式中:Xi為某年桂林城市生態系統評價指標原始數據的歸一化值;Qi為指標信息熵所確定的該指標的權重(表1), 即指標熵權;G為某年桂林城市生態系統發展狀況的總得分, 表征其城市生態系統可持續發展能力。G越大說明該年桂林城市生態系統的發展狀態越好, 則其可持續發展能力越強。

3 數據來源與處理

3.1 數據來源

根據數據資料的可獲得性和連續性, 收集了2005—2017年的相關數據(表2), 其來源是2006—2018年《桂林經濟社會統計年鑒》[23]、歷年桂林市環境狀況公報[24]，以及2006—2018年《廣西統計年鑒》[25]。

表2 桂林城市生態系統可持續發展能力評價指標的原始數據

3.2 數據處理

在數據處理方面, 對不同研究內容的數據進行不同的處理方式: 1)計算信息熵時, 采用Z-score標準化方法對原始數據進行標準化處理; 2)進行城市生態系統可持續發展狀態評價時, 先區分評價指標的正、負向, 再進行歸一化處理。其中, 支持型輸入熵指標和還原代謝型熵指標為正向指標; 壓力型輸出熵指標和消費代謝型熵指標為負向指標。其原始數據歸一化方法如下:

正向指標Xij′=Xij/max(Xi);

(3)

負向指標Xij′=min(Xi)/Xij。

(4)

式中:Xij為第i項指標的第j年原始數值;Xij′為Xij歸一化處理后的值;Xi代表第i項指標在研究時間序列內的所有原始數據; max(Xi)、min(Xi)分別為運用函數對Xi求最大值和最小值。

4 結果與對策分析

4.1 桂林城市生態系統可持續發展能力分析

如圖1所示，在研究期間，支持型輸入熵指標可持續發展能力得分(ΔeS1)先上升后下降，總體呈現不斷上升的趨勢(圖1), 表明桂林城市自然生態系統對城市社會經濟系統的支持能力總體呈上升趨勢, 但在2014年以后有所下降；壓力型輸出熵指標可持續發展能力得分(ΔeS2)呈持續下降趨勢, 說明隨著社會經濟的發展, 桂林城市社會經濟系統對城市自然生態系統的壓力逐漸增大。

圖1 桂林城市生態系統熵流指標可持續發展能力得分變化趨勢

消費代謝型熵指標可持續發展能力得分(ΔiS2)先下降后上升(圖2), 整體為上升趨勢, 呈拉寬的“V”形；而還原代謝型熵指標可持續發展能力得分(ΔiS1)窄幅波動, 整體平穩, 呈現為扁平拉伸的“M”形。這說明桂林市生態環境保護與建設一直維持在一個比較穩定的水平, 并曾經取得較為明顯的效果, 但是隨著城市經濟的快速發展, 桂林市生態環境保護的壓力越來越大, 生態環境治理和保護的力度近些年逐漸跟不上生態環境壓力的增長。桂林城市生態系統可持續發展能力總得分(G)呈現較大波動, 在2007—2014年間呈“V”形坑, 整體呈下降趨勢(圖3)，此變化趨勢與2008年金融危機以后的社會經濟發展形勢有較高的吻合度?？傮w來說, 桂林城市生態系統發展面臨較大壓力, 可持續發展能力不容樂觀。

圖2 桂林城市生態系統熵產生指標可持續發展能力得分變化趨勢

圖3 桂林城市生態系統可持續發展能力總得分變化趨勢

4.2 桂林城市生態系統可持續發展能力提升對策

根據信息熵理論, 在城市生態系統可持續發展評價指標體系中, 某指標的熵權越大, 則說明該指標所提供的有用信息對該系統的影響就越大[14-15]。那么, 將指標熵權與時間序列變化相結合, 就可以對城市生態系統演變過程中存在的問題進行分析, 并針對性地提出可持續發展能力提升對策。

(1)基于支持型輸入熵指標的可持續發展能力提升對策分析。支持型輸入熵指標中(表2), 在研究期間，水果總產量、城鎮人均娛樂教育文化服務和進出口總值持續大幅度增長; 鋼鐵總產量在2016年以前快速增長, 2017年呈現斷崖式下降; 糧食、蔬菜、水產品和肉類總產量呈現窄幅波動, 基本穩定。進出口總值在支持型輸入熵指標體系中所占權重最大, 其次是糧食總產量、鋼材產量等指標(表1)。這說明進出口總值的大幅增長對桂林支持型輸入熵系統朝著支持力增強方向發展的影響最大; 肉類總產量、糧食總產量的長期產量穩定對桂林支持型輸入系統朝著支持力增強方向發展起到了重要的支撐作用。在研究期間，水果總產量的熵權最小(表1), 這說明研究期間水果總產量的大幅上升并沒有對桂林支持型輸入系統朝著支持力增強方向發展產生重要影響。因此, 桂林市繼續大幅提高進出口總值和有效保障肉類和糧食總產量, 有利于提高桂林支持型輸入系統的支持力。

(2)基于壓力型輸出熵指標的可持續發展能力提升對策分析。壓力型輸出熵指標中(表2), 各行業用電量、城市人均消費性支出、農村人均生活消費支出、水利工程年供水量、來桂林旅游人數和民用汽車擁有量等指標在研究期間均持續大幅增長, 其他指標呈窄幅波動增長態勢。市區人口密度、各行業用電量占壓力型輸出熵指標體系的權重最大, 其次是城市人均消費性支出、化肥施用量、規模以上工業企業綜合能源消費總量等指標; 所占權重最小的是水利工程年供水量和來桂林旅游人數, 其次是民用汽車擁有量(表1)。這表明各行業用電量和城市人均消費性支出在研究期間持續大幅增大, 在較大程度上促使桂林城市壓力型輸出系統朝壓力增強的方向發展; 雖然市區人口密度、化肥施用量、規模以上工業企業綜合能源消費總量等指標無大幅增大, 但也在一定程度上促使對桂林市壓力型輸出熵系統朝壓力增強的方向發展; 水利工程年供水量、來桂林旅游人數和民用汽車擁有量的持續大幅增加, 并沒有促使桂林市壓力型輸出系統朝著壓力增強的方向發展。因此, 桂林市壓力型輸出系統的壓力主要表現在工業發展對能源的持續巨大需求, 市區人口密度和農業生產中化肥施用量的持續增長。對此, 桂林市需要優化產業結構和能源結構, 發展和使用清潔能源, 提高能源利用效率; 優化城市空間結構, 引導城市人口空間上合理布局, 適當控制市區人口密度; 大力發展生態農業, 提高農業生產科技水平, 降低對化肥的依賴程度。

(3)基于消費代謝型熵指標的可持續發展能力提升對策分析。消費代謝型熵指標中(表2), 工業廢氣排放量、工業固體廢物產生量和市區可吸入顆粒平均濃度等指標在研究期間大幅增加; 工業廢水排放量、工業二氧化硫排放量、工業煙塵粉塵排放量和市區二氧化硫年平均濃度等指標在研究期間大幅減少。廢水排放總量、工業廢水排放量和工業二氧化硫排放量3個指標在消費代謝型熵指標所占權重較大(表1), 表明它們對桂林城市生態系統的消費代謝功能影響較大。這說明工業廢水排放量和工業二氧化硫排放量在研究期間大幅減小, 對桂林消費代謝系統朝著代謝能力增強發展具有積極的促進作用; 而廢水排放總量在研究期間呈現窄幅波動增長，對桂林城市消費代謝功能產生了較大影響。因此, 桂林市雖然在生態環境治理方面取得了一定成效, 但是隨著經濟發展和城市化水平的提高, 廢水排放總量的不斷增加, 污水治理顯得尤為重要。

(4)基于還原代謝型熵指標的可持續發展能力提升對策分析。還原代謝型熵指標中(表2), 市區污水處理率和市區人均公園綠地面積在研究期間增幅最大, 工業污染治理完成投資額降幅最大, 其余指標保持窄幅波動穩定態勢。市區污水處理率、生活垃圾無害化處理率、自然保護區覆蓋率等指標所占還原代謝型熵指標體系的權重最大, 工業固體廢物綜合利用率和工業污染治理完成投資額所占權重最小(表1)。這說明市區污水處理率在研究期間大幅提高, 生活垃圾無害化處理率、自然保護區覆蓋率在研究期間一直保持較高水平, 對促進桂林市還原代謝功能起到較大積極作用; 而工業固體廢物綜合利用率和工業污染治理完成投資額在研究期間波動下降, 不利于提高桂林市還原代謝功能。因此, 桂林市需要不斷提高工業固體廢物綜合利用率和工業污染治理完成投資額, 以促進城市還原代謝能力的提高。

5 結論與討論

5.1 結論

對桂林城市生態系統可持續發展能力得分分析結果顯示, 在研究期間:(1)桂林市自然生態系統對社會經濟系統的支持能力總體呈上升趨勢;(2)隨著社會經濟的發展, 桂林市社會經濟系統對自然生態系統的壓力逐漸增大;(3)桂林市生態環境保護與建設一直維持在一個比較穩定的水平, 并曾經取得較為明顯的效果, 但是隨著城市經濟的快速發展, 桂林市生態環境保護的壓力越來越大, 生態環境治理和保護的力度近些年逐漸跟不上生態環境壓力的增長;(4)桂林城市可持續發展能力總得分呈現較大波動, 在2007—2014年間呈“V”形坑, 整體呈下降趨勢?？傮w來說, 桂林城市生態系統發展面臨較大壓力, 可持續發展能力不容樂觀。

基于指標熵權與時間序列變化相結合的分析, 提出了桂林城市生態系統可持續發展能力提升的具體對策, 主要有:(1)繼續大幅提高進出口總值和有效保障肉類和糧食總產量, 有利于提高桂林城市支持型輸入熵系統的支持力;(2)優化產業結構和能源結構, 發展和使用清潔能源, 提高能源利用效率;(3)優化城市空間結構, 引導城市人口空間上合理布局, 適當控制市區人口密度;(4)大力發展生態農業, 提高農業生產科技水平, 降低對化肥的依賴程度;(5)加大污水治理力度;(6)不斷提高工業固體廢物綜合利用率和工業污染治理完成投資額。

5.2 討論

基于熵的城市生態系統演化與可持續發展能力評價等研究取得了較為豐富的研究成果[12-18], 分別對上海、廣州、南京、寧波、柳州等不同規模等級的城市進行了實證研究。筆者對我國西南喀斯特地區的傳統旅游城市桂林進行了實證研究, 雖然這些研究區域都是行政區劃范疇的城市, 所構建的城市生態系統可持續能力評價指標體系大同小異, 但均能夠反映出所研究城市生態系統可持續發展所面臨的不同問題。這表明對于一個區域空間系統而言, 熵成為了描述區域空間及其各組分的混亂狀態或混亂過程的一個重要參量[26]。

城市生態系統具有復雜性和不確定性。系統內部要素之間的相互作用, 以及系統內部要素與外部要素之間的相互作用, 均是復雜多樣的。世界上的可持續發展的評價指標體系也是多種多樣, 任何評價指標體系在理論上和現實中都不是完美的。比如本研究在實際操作中, 由于數據可獲取性限制和連續性要求, 能夠體現桂林市廣泛分布喀斯特地貌脆弱生態系統的相關指標欠缺, 僅用“荒山荒(沙)地造林面積”來從側面反映。盡管如此, 本研究所構建的評價指標體系仍然能夠從總體上反映出城市生態系統作為耗散結構系統的熵變過程, 以及各指標變化在系統熵變中所起的作用, 從而能夠有效地評價桂林城市生態系統可持續發展能力, 并提出相應的對策。

雖然本研究能夠通過將評價指標的熵權與時間序列變化相結合來分析提升可持續發展能力的對策, 但是城市生態系統可持續發展能力變化的驅動因素和驅動機制尚需進一步深入分析。比如基于耗散結構系統熵變的桂林城市生態系統可持續發展能力在2007—2010年急速下降, 這是否與2008年的全球金融危機和2009—2011年的西南喀斯特地區嚴重干旱有著直接的、密切的關系。這些深入剖析可持續發展驅動因素和驅動機制的研究有待進一步開展。