我国城市生态系统健康评价综述

秦 趣，代 稳，陈志霞

（1.六盘水师范学院环境与资源科学系，贵州 六盘水553004；2.乌蒙山区发展研究院，贵州 六盘水553004）

目前，我国城市化水平已经超过50%，城市人口有史以来首次超过农业人口。然而，城市化的快速发展带来了一系列的城市生态环境问题，如环境污染严重、生态恢复力弱、生态自净能力差等。如何解决这些问题已经成为当今生态学研究的重要领域［1—2］。由此，城市生态系统健康评价应运而生，研究城市生态系统健康问题具有现实的应用价值和理论意义。本文通过对我国城市生态系统健康评价研究进行梳理，探讨了城市生态系统健康评价的原理和方法，并对今后的研究方向与重点进行了展望，以期为城市生态系统健康良性发展及实现城市生态环境与经济社会的可持续发展提供科学依据。

1 从生态系统健康到城市生态系统健康

1.1 生态系统健康

“生态系统健康”这一概念可以追溯到苏格兰生态学家James Hutton在1778年提及的“自然健康”一词［3］，对其进行研究始于20世纪80年代，首先在北美兴起［4］，随后众多学者从不同的视角对其进行了研究，但迄今尚无统一观点。在国外，D.J.Rapport［5］认为生态系统健康是生态系统所具有的稳定性与可持续性，即具有维持自身组织结构、自我调节的恢复能力；D.J.Schaeffe等［6］认为生态系统健康是生态系统功能未超过阈限，这里的阈限是指“当超过后可使生态系统持续发展不利因素增加的条件”；J.R.Kar等［7］认为如果一个生态系统受到外界干扰时具备自我恢复能力，那么这个生态系统就是健康的；R.Costanza等［8］认为生态系统健康是生态内稳定现象，没有疾病，具有多样性、复杂性、稳定性和可恢复性，具有活力能增长的空间。在国内，杨志锋等［9］认为生态系统健康是指系统内的物质能量流动未遭到破坏，整体功能表现出多样性、复杂性、活力和相应的生产率等。

由此可见，对生态系统健康的评价是在地理学、生态学、人类健康和社会公共政策等方面的基础上进行定性和定量研究，其评价指标体系不仅应包括系统的群落水平、种群及个体水平等生态指标，还应包括人类健康、社会经济以及物理、化学等方面的指标。具体来说，生态指标由生态系统综合指标、群落水平指标和种群及个体指标构成，反映生态系统的复杂性；人类健康和社会经济指标由人口增长率、人类健康水平、收入指数、工作稳定性、技术增长率、资源消费指数和通货膨胀率构成，反映生态系统为人类社会提供服务的质量；物理、化学指标由紫外线辐射强度、大气污染指数、土壤重金属含量、水体矿化度和pH值构成，反映生态系统的非生物环境的状况。以上指标的定量分析，基本能够反映城市生态系统健康的优劣。

1.2 城市生态系统健康及其评价指标体系

对于城市生态系统健康的概念，目前没有形成统一的表述。城市生态系统与自然生态系统有所不同，它受人类活动干扰强烈，已演变成高度人工化的自然、社会、经济复合生态系统。“城市生态系统健康”是应用“生态系统健康”来研究城市这个区域的生态健康问题，它把生态系统健康作为城市发展目标之一，其实质是融合健康概念对城市生态系统的进一步解释。城市系统各个部分是紧密联系的，其与外部环境紧密联系，系统内部联结和与外部联系又十分复杂，应用生态学的理论方法来分析这种复杂的系统最为合适，在此基础上，引入健康概念来定义城市的“优劣”。由此可见，城市生态系统健康是指由自然、经济、社会复合而成的生态系统，其内部生产生活与周围环境之间的能量流动和物质循环未受到破坏，关键生态组分和有机组织保存完整且没有疾病，对各种突发的自然或人为干扰能保持稳定性和恢复性，其发展的理想状态是生态整合性［10—11］。

城市生态系统健康评价属于生态系统健康评价的一个重要组成部分，其评价指标体系的构建灵活多样，有的根据系统活力、恢复力、生态系统服务功能、人群健康状况构建指标体系，有的应用压力、状态、响应模型建立指标体系并进行评价，也有依据自然子系统、经济子系统和社会子系统建立指标体系。其具体指标与生态系统健康评价既有区别又有联系。生态系统健康评价强调生物群落和种群，具体指标选择很多，而生物群落和种群在城市生态系统中的体现较少，在这方面选择的指标较少，只有生物丰度指数等。由于城市生态环境的特殊性，城市生态系统健康评价对城市生产生活与环境的关系研究较多，在人类健康、社会经济方面，两者对指标的选择大体相近，有很多相同的地方，如人口增长率、人类健康水平、收入指数等，这些既能体现生态系统健康的水平，也能体现城市生态系统健康的水平。

2 城市生态系统健康评价方法

近年来，随着数学模型方法及其思想在生态学和地理学中的应用，众多学者尝试用数学模型方法定量地对城市生态系统健康状况进行评价，并在这方面取得了较多的研究成果。纵观近年来学者们对城市生态系统健康评价的定量研究，其评价方法主要有：模糊数学评价方法、能值分析评价方法、属性综合模型评价方法、灰色系统理论模型评价方法、城市复合生态系统健康模型评价方法等。

2.1 模糊数学评价方法

模糊数学评价方法是根据很多个模糊的、较难量化的因素，对评价对象隶属上的亦此亦彼性进行评判，对所属成分进行定量刻画和描述，这有利于对各种不确定性问题的解决。其基本思路是依据获取数据建立各因子对划分标准的隶属度集，形成隶属度矩阵，再把各因子的权重与隶属度矩阵相乘，求得模糊集，获取一个综合评判集，表明各评价因子对各级标准的隶属程度，反映了健康级别的模糊性。如陈克龙等［12］采用均方差法计算出各评价指标的权重，运用模糊数学评价方法对西宁市2000—2008年城市生态系统健康状况进行了评价，得出西宁市城市生态系统健康为病态水平，但朝着健康方向发展，其中城市人口密度、人均GDP、生活污水处理率、人均绿地面积是西宁市城市生态健康的胁迫因子；曾勇等［13］采用因子分析法求出各指标权重，并运用模糊优选评价模型，从时间纵向上判断上海城市生态系统的健康走势，结果显示1996—2002年上海的城市生态系统健康由0.37上升至0.46，说明上海自然生态环境与经济、社会发展的协调度在逐渐加强，但健康改善程度并不明显；张俊华等［14］采用模糊聚类方法求出最优模糊聚类模式矩阵和最优模糊划分矩阵，再运用级别特征值向量的方法，求得郑州市各年的城市生态系统健康归属级别，结果显示郑州的城市生态系统健康2004年属于不健康等级，2005—2007年属于较健康等级，2008年属于健康等级。

2.2 能值分析评价方法

能值理论（Emergy Theory）是由美国著名系统生态学家 H.T.Odum［15］和 S.F.Lan等［16］在综合系统生态、能量生态和生态经济原理的基础上提出的一种理论，其核心思想是“一种流动或贮存的能量所包含的另一种类别能量的数量”的能量换算，研究方法是以太阳能为参照标准，定量研究自然生态系统和社会经济系统中的各种能量流、信息流和物流。在城市生态系统中，能量是联系城市生态和经济系统的介质，其健康状况可以通过系统的结构与功能的能量纽带作用来进行研究。如李恒等［17］利用这种思路，采用活力、组织结构、服务功能维持和恢复力4个要素建立了能值指标，并对合肥市生态系统的健康进行了评价，结果表明2004—2008年合肥市的健康水平呈下降趋势；苏美蓉等［18］通过综合分析城市生命体特征和能量代谢现状，建立了城市能值－生命力指数综合评价模型，融合集对分析的理论与方法，比较了北京、武汉、上海等16个城市的生态系统健康状况，认为青岛、厦门、上海、杭州、北京健康水平较高，而哈尔滨、乌鲁木齐、成都健康水平较低，其余城市为中等水平。

2.3 属性综合模型评价方法

属性综合模型是指在属性集和属性测度分析的基础上对事物或自然现象属性的定性描述进行定量研究的一种评价模型［19］，它由单指标属性测度分析、多指标综合属性测度分析和属性识别分析及评分准则三部分组成。该评价方法的关键是建立的指标体系能否完整反映研究事物（或现象）的属性，即属性函数以及评价指标权重的确定。如颜文涛等［20—21］提出基于属性理论的城市生态系统健康综合评价模型，并对重庆北部新区城市生态系统健康进行了研究，得出重庆北部新区城市生态系统健康属性处于一般等级，同时通过评价结果识别出健康限制因素；刘丽丽等［22］运用属性层次－识别模型构建了城市生态系统健康评价指标体系，对重庆南岸区生态系统健康进行了评价，得出南岸区的生态系统属于亚健康等级，表明南岸区的城市生态系统正处于过渡阶段。

2.4 灰色系统理论模型评价方法

用灰色系统的方法对城市生态系统健康进行评价，是目前研究的重点方向。学者们认为，由于在城市生态系统健康评价中所获得的数据总是在有限的时空范围内得到，所获取的信息不全面或不精确，所以说城市生态系统是一个灰色系统，即部分信息明确，部分信息不明确或不确知，因此可以用灰色系统理论模型的方法来进行评价。如郭锐利等［23］通过构建灰色预测模型对重庆市城市生态系统健康进行了动态预测，结果显示2005—2009年间重庆的城市生态系统健康总体水平较好，2010—2015年间重庆的城市生态系统健康综合评价值将以e0.1268的速度保持增长；李建国等［24］在灰色系统理论的基础上，把信息论中Jaynes最大信息熵原理融入到城市生态系统健康评价中，对三峡库区（重庆段）22个区县城市生态系统健康进行了评价，结果表明其城市生态系统处于剧烈变化的过渡阶段，生态系统的生产、服务和调节功能分异显著，但总体上，三峡库区（重庆段）城市生态系统健康东段好于西段，东段内部空间分异明显、结构复杂；官冬杰等［25］采用灰色关联法对重庆主城城市生态系统健康进行了评价，得出重庆都市圈城市生态系统健康按从优至劣的排序为渝北区、南岸区、江北区、沙坪坝区、九龙坡区、大渡口区、北碚区、巴南区、渝中区。

2.5 城市复合生态系统健康模型评价方法

城市复合生态系统健康评价模型把系统的协调指数和距离指数作为判别依据，运用加权连乘法求出城市生态系统的健康指数。该模型从城市复合系统的角度来研究城市生态系统健康，能清晰地分析各子系统之间的健康状况，并可对各子系统的发展水平和协调程度进行比较。如胡廷兰等［26］从复合生态系统角度，辨析和评价了城市生态问题，应用协调指数和距离指数来反映城市生态系统的发展水平和协调情况，并通过建立协调指数和距离指数的城市生态系统健康模型对宁波市生态系统健康进行了分析评价，结果表明宁波城市生态系统处于亚健康状态，综合健康指数为0.768，其中经济系统处于健康状态，健康指数为0.809，自然系统处于亚健康状态，健康指数为0.789，社会系统健康状况最低，健康指数为0.692，是宁波当前生态建设的重点；桑燕鸿等［27］从状态空间的角度，依据复合生态系统建立了城市生态系统健康综合评价模型，对佛山市生态系统健康进行评价，结果显示在1997—2003年间，佛山市城市生态系统健康不断上升，各年协调指数均在0.85以上，表明各子系统之间协调性较好。

城市生态系统健康评价除以上研究方法之外，还有未确知测度模型［28—29］、分形理论模型［30］、突变级数模型［31］、物元模型［32］和集对分析法［33—36］等，这些方法目前在城市生态系统健康评价中的研究较少，这里不单独介绍。

3 城市生态系统健康评价方法存在的问题分析

3.1 评价方法共性问题分析

人们对城市生态系统健康的认识不断提高，研究也越来越多，对城市生态系统健康定量评价的方法也日趋丰富和成熟。然而通过分析以往有关定量研究的方法和模型，发现有如下一些问题值得商榷。

（1）评价指标的选取。城市生态系统健康评价的核心是评价指标体系的构建，而这一点目前没有达成共识。由于人们对城市生态系统健康概念理解上的差异以及评价出发点的不同，提出了不同的评价指标体系，如系统活力－恢复力－生态系统服务功能－人群健康状况［12］、结构功能－可持续利用能力－动态变化［25］、PSR（压力－响应－状态）［13］、自然子系统－经济子系统－社会子系统［24］、景观格局指数－水环境参数－社会经济指标［30］等。而在各个具体指标的选取上，一些指标的科学性有待讨论。如评价指标选择过多，自然、环境、资源、生态、经济、社会等要素全部包含，很难体现城市生态系统健康的本质和内涵；有些指标表面合理，但存在数据不易获取、操作困难等问题，而有些指标还存在交叉重复的现象。

（2）指标权重的确定。指标权重的确定可直接影响评价结果。权重是表示各指标变量对于上一层次等级的相对重要程度的信息，其确定有主观赋权法和客观赋权法两类：前者是根据专家人为经验确定权重，包括AHP法、Delphi法等，由于方法简单易行，已广泛应用于城市生态系统健康评价中，但存在主观性强，有时会偏离客观实际的缺陷；后者是依据原始数据运用数学方法求得权重，主要有因子分析法、熵权法和均方差法等，由于这些方法避免了人为的主观判断，其客观性强，在城市生态系统健康评价中也应用较多，但这些方法需要大量样本数据支持，且在计算过程中可能会出现信息丢失的问题，致使评价结果与实际情况不符。

3.2 各种评价方法存在的问题分析

模糊数学评价方法存在以下问题：①模糊综合评判集常采用线性加权平均模型求得，评判结果会出现失效、失真、跳跃、均化等现象，使得城市生态系统健康评价存在结果不可比或判断不准确的问题，同时评价过程较复杂，可操作性差；②模糊化的评价指标参数和隶属函数的确定往往带有一定的人为性，只考虑主要因素而忽略了次要因素，这会导致有用信息丢失，使评价结果不全面；③城市生态系统健康评价指标较多，各指标之间评价信息重复问题不能较好解决，且易发生权向量与模糊矩阵不匹配的问题，使得评判失败；④模糊集运算中存在取大取小算子问题，在城市生态系统健康评价中如果使用取大取小算子，则可能出现少数几个因子控制评价结果的情况，使得综合评价成为少数因子评价［37—38］。

能值分析评价方法与城市生态系统健康的联系不明确，这种方法过于简化、误导性大、争议性大、精确性不高［39］。李恒等虽然采用能值方法建立了城市生态系统能值指标，对合肥城市生态系统的进口能值、出口能值、总能值用量、废弃能值用量等能值流进行了研究［17］，但其对时间问题的考虑存在漏洞，如其评价指标电力能值比中的化石燃料能值是否包含生命系统能值，经过地质年代的时间后，这个能值的计算是很难衡量的；此外，对计算转换率数据的不确定性没有考虑，如对天然气能值转换率的计算是依据锅炉相关煤炭产能效率，但其还与天然气和煤炭种类以及锅炉的特性有关。

属性综合模型评价方法常常不能准确评定在各自属性下的属性值。如颜文涛等运用属性理论对重庆北部新区的自然与环境子系统、社会生态子系统和经济生态子系统进行了评价［20—21］，但评价指标中有不可量化的信息存在，如城市生命线系统完好率、公众对环境的满意率等，而对一些不可获取的信息常常以属性的模糊值或近似值代替，这在一定程度上影响了评价结果［40］。

灰色系统理论模型评价法能体现城市生态系统的不确定性，对系统动态变化提供了量化的基础，但其分辨率低，且确定分辨系数带有一定的主观性，对评价结果的精确度有影响。如郭锐利等在重庆市城市生态系统健康评价中虽然对该模型精度进行了检验，发现其相对误差在1%以内［23］，但灰色系统理论模型评价结果还是存在与实际不符的情况。

城市复合生态系统健康模型依据城市生态系统健康的自然子系统、经济子系统、社会子系统构建评价指标体系，并应用协调指数和距离指数来判断城市生态系统健康状况，评价角度具有片面性，易出现计算得到的权重与现实的重要程度不相符的情形，并且这一方法对指标数据的要求很高，如桑燕鸿等对佛山市城市生态系统健康的评价中，一些指标的数据来源于全省的平均值［27］，只能反映全省的平均健康水平，对佛山市城市生态系统健康的评价具有片面性。

4 城市生态系统健康评价展望

城市生态系统健康及其评价研究在我国只有短短十余年历史，尽管近年来已成为学术界研究的热点，且发展迅速，但其理论和方法还不成熟，还存在以下一些问题有待深入研究：

（1）城市生态系统健康概念和理论体系构建。城市生态系统健康是一个十分复杂的非线性系统，已被学界逐渐重视，但目前学者们对其研究还不够全面、深入，尤其在理论方面的研究还非常薄弱，其内涵和外延都有待进一步深化和拓展。

（2）城市生态系统健康评价指标体系的完善和统一。目前，学界还没有建立统一的评价指标体系和公认的健康标准，学者们应深入研究环境变化、人类活动等对城市生态系统健康的影响以及相互之间的联系，建立并形成一套相对成熟和完善的评价指标体系，使城市生态系统健康评价趋于科学和合理。

（3）城市生态系统健康评价模型的完善。随着系统科学、数学等在地理学和生态学的发展及其应用，各种数学模型的不断构建和完善，为城市生态系统健康评价的方法体系提供了强大的空间，因此在建立方法体系时，应发挥已有的方法优点，积极探索新思路、新方法，实现合理、科学的评价，使评价方法体系不断完善。

（4）城市生态系统健康与城市空间的耦合关系研究。城市生态系统健康是城市空间的有机组成部分，与城市空间具有交叉重叠性，所以必须加强城市生态系统健康与城市空间的耦合关系研究，包括耦合机制和耦合方法等方面的研究。

（5）加强城市生态系统健康管理研究。城市生态系统健康的管理是对自然与文化的创造和管理，涉及到影响人类的城市自然环境与城市文化环境，包括给人们提供各种生态服务的空间，因此有必要加大研究力度，并将城市生态系统健康评价结果应用于城市生态系统健康管理中。城市生态系统健康包括自然子系统、经济子系统和社会子系统等多个方面，应根据各子系统不同的现状和评价结果，采取不同的优化途径，提高系统的健康水平，从而促进城市生态系统健康的发展。同时，应对评价结果进行分析，探寻影响城市生态系统健康的限制性因子，并制定相应的对策和管理模式，以提高城市生态系统健康水平。

（6）3S技术的综合应用。随着城市生态系统健康评价的进一步发展，研究所需要的数据不但包括监测数据，更需要生态环境方面的空间数据，而遥感（RS）与全球定位系统（GPS）技术相结合能够快速提供不同分辨率的各类空间动态数据，地理信息系统（GIS）的数据管理与分析能力可以保证空间数据的运算与管理，因此综合应用RS、GIS和GPS等技术，动态监测城市生态系统健康状况，将成为城市生态系统健康评价研究的新方向。

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