区域复合生态系统演化的耦合均衡解析——以泰安市为例

宋晓娜，张 峰

(1.泰山学院 经济管理学院，山东 泰安 271000；2.山东理工大学 管理学院，山东 淄博 255012；3.中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048)

长期以来，人与自然的共生性问题一直是社会各界探讨的焦点，尤其是自20世纪中后期随着城市化进程加快，其中暴露出的资源短缺、环境污染、生态破坏等问题更是迫使生态保护成为了全球共同面临的紧迫性工作.实际上，人们在探索中已逐渐发现人类对自然资源与生态环境的高度依赖性使其相互之间成为了高度紧密结合的整体，但其中包含的错综复杂的要素关联关系致使对其研究难以从单一视角对其实现全面的认知[1].而该类问题反映在区域生态问题上更为突出，即区域之间在资源禀赋、经济发展模式、产业结构、社会人文等方面的差异性致使其生态治理的方向、途径、重点等不尽相同.因此充分结合区域的实际特点，客观辨识经济发展、自然资源开发与使用，以及生态环境之间的动态关系并制定科学合理的调控措施对实现其可持续发展至关重要.

鉴于缓解生态问题的重要性及其复杂性，著名生态学家马世骏等基于生态控制论理论提出了“社会-经济-自然复合生态系统”的概念，并认为复合生态系统中各子系统存在时空尺度上的偶合特性，而系统要素之间存在物流、信息流和能量流等[2].其后，王如松等进一步研究了复合生态系统的动力学机制与控制机理，同时基于可持续发展理论提出了不同尺度下的复合生态系统管理范式[3].正是基于这些基础性的理论框架，复合生态系统的探索也逐步拓展至系统运行规律[4-5]、系统状态评价[6-7]、系统调控策略[8-9]等诸多维度.其中，自组织理论[10]、共生理论[11]、熵值评估[12-13]等为揭示复合生态系统的非线性结构及要素的不确定性影响提供了良好的理论支撑；能值分析[14]、模糊评价[15-16]、生态位测度[17]等逐步成为复合生态系统定量分析的主要手段；而动力学仿真[18-19]、预警分析[20]实现了复合生态系统调控政策模拟的技术方法.同时，复合生态系统研究的视角也从其宏观层面的理论体系探讨扩充到更加具体化的多领域分析，如城市复合生态系统[21-22]、农林复合生态系统[23]、工业复合生态系统[24]等；而围绕区域复合生态系统的探讨相对薄弱，主要集中于环境风险[25]、资源承载力评价[26-27]等.

综上，现阶段针对复合生态系统的研究范畴与层次不断提高，其中呈现出的共识之处即为以系统论为指导，从构成复合系统的复杂多要素及子系统之间相互作用关系的角度进行机理探索.而同时也可以发现，随着人们对生态问题的关注与治理力度的不断加强，复合生态系统运行过程中的主要矛盾已由最初“过度发展经济而对生态环境认识不足”逐步转变为“认识不断加深但治理措施还不到位”.尤其是在当前国内着力提升生态文明建设水平的背景下，聚焦于现阶段复合生态系统的主要矛盾，重新审视影响区域复合生态系统安全的历史演进脉络与后期保障机制尤为关键.据此，本文以泰安市为例，通过对其复合生态系统的内涵进行讨论，构建适用于其复合生态系统演化的耦合均衡评价体系与定量测度模型，并挖掘其均衡度时序变化的内在规律及主要驱动要素.

1 区域复合生态系统及其演化均衡度评价模型

1.1 区域复合生态系统描述

按照经典的复合生态系统的内涵框架，认为将由人参与的任何社会行为都可视为其置于某种时空内，该时空内的各类生态关联要素相互交织作用并形成了复合生态系统，而其系统内通常是由经济、资源、环境、社会等子系统关联在一起且涌现出诸多单一要素无法具备的特征，系统的结构与层次也随着其运行演化呈现为多样化[28].据此，本文中的区域复合生态系统主要是指一定区域内的“经济-资源-环境-社会”(Economy - Resources - Environment - Society, ERES)复合生态系统，该复合系统所包含的子系统都具有种类多样、层次复杂的基本特征，且在特定运转规律下，其子系统之间维持着动态平衡.对此可将其内涵概括性的表示：

CS⊆{S1，S,2，S3，S4，Rk，T，O}，

Si⊆{Ei,Ci,Fi}i=1,2，3,4.

上述内涵描述中，S1、S2、S3、S4是指ERES复合系统的构成子系统，包括经济、资源、环境和社会子系统；对于ERES系统内的构成要素及其基本结构与实现的多样化功能，可采用Ei，Ci，Fi表示；此外，系统内部还存着诸多复杂关系，即Rk关系集，从层次上来讲其涉及到子系统层次的关联，也涵盖了构成要素的相互作用；T表示时间，是系统演化的规律主线；O为区域对象，是指特定区域的复合系统的域.在上述基础上，可将ERES复合生态系统表示为(图1)：

图1 ERES复合生态系统

1.2 区域复合生态系统演化均衡度评价体系

1.2.1 均衡度变化规律

根据复杂系统理论，可知影响区域复合生态系统的因素及其关系复杂多样，但从作用效果来看，可将其分为利导因子与限制因子2大类[29].其中，在整个过程中若利导因子发挥了关键性的作用时，区域复合生态系统呈稳定运行状态，且复合生态系统的均衡水平均处于一定的阈值范围之内，这类阈值可被称为系统的均衡红线.按照经典的Logistic曲线理论，在均衡红线内的区域复合生态系统演化均衡度整体呈现“S”型(见图2a)，这主要是考虑在复合生态系统初期，系统的各项基本功能相对不够完善，而其均衡水平提升相对缓慢，而随着复合生态系统内各要素之间的交互作用，资源配置不断流动，促使系统内均衡度提高较快，但是同时产生了一定不利于复合生态系统运行的要素，也就是限制因子的作用逐渐增强，最终其均衡度趋于稳定.这种“S”型均衡水平变化多属于复合生态系统长期演化的规律，且是建立在复合生态系统要素可控的前提下.另外一种处于均衡红线范围之内的均衡度变化形式为震荡型均衡(见图2b)，这种演化趋势是指复合生态系统均衡度在整体上围绕在相对固定水平的上下波动，即利导因子与限制因子相互交替占据主导地位，该现象在局部区域复合生态系统演化中易出现的情况.

在ERES复合生态系统演化的均衡度变化中，当利导因子逐渐消耗，被限制因子占据主导时，复合生态系统则将会呈非可持续状态，即复合生态系统产生裂变现象，而按照裂变的程度不同，可进一步将裂变划分为可恢复性裂变于不可恢复性裂变(见图2c和2d)，两者区分的关键在于其均衡度是否还能恢复到生态系统均衡红线范围之内.因此，可认为区域复合生态系统演化控制是不断克服限制因子，持续满足系统发展需求的过程.为辨识其内在规律，并考虑其复合生态系统中复杂要素关系的不确定性，本文选取熵值法对区域ERES复合生态系统演化的均衡度进行定量测度.

图2 复合生态系统演化均衡水平变化趋势

1.2.2 区域复合生态系统演化均衡度评价体系

根据区域ERES复合生态系统的基本构成，可将其演化均衡度评价体系初步划分为经济推动、资源开发与利用、生态环境保护、社会发展支撑4个基本准则层，在此基础上首先利用“压力-状态-响应”(PSR)模型筛选评价指标进而再依据指标内涵分配到各相应准则层.PSR模型是经济合作与开发组织(OECD)和联合国环境规划署提出的用于分析环境问题的逻辑框架，目前已被相对成熟地用于评价指标体系的构建[30].其中压力主要指在复合生态系统中由人参与的社会活动对生态环境的作用，包括城市化水平与人口增长、大气及水污染、资源与能源消耗等；状态指复合生态系统在指定时间段内的生态关联指标状态变化情况，如绿地与耕地面积、森林覆盖率、资源储备等；响应则是指为减缓或控制复合生态系统中限制因子的作用而采取的相关对策，如环境污染投资治理、废弃资源回收利用等.按照PSR模型内涵，在借鉴现阶段对区域生态评价与生态安全研究等方面评价指标体系研究的基础上，进一步考虑本文研究对象泰安市作为国家重点旅游城市的具体情况，确定其复合生态系统演化均衡度评价指标体系(表1).

表1 区域复合生态系统演化均衡度评价指标体系及指标统计数据

注：表中“+”、“-”分别表示正向与逆向指标.

1.3 均衡度评价模型

复合生态系统演化的均衡度评价模型构建主要包括各准则隶属函数及均衡度评价函数的确立两部分，且各部分均是通过多指标测度完成.其中，考虑因子分析法在整合集成多要素信息方面的优势，本文选取该方法构建各准则隶属函数[31]，均衡度评价则采取相关分析法[32].

定义1 设定δ-i(x)为各准则隶属函数；i=1,2,…,4，依次表示经济推动、资源开发与利用、生态环境保护、社会发展支撑；通过计算各主成分方差贡献率与所选主成分累计贡献率比重，并将其定为其权重，据此取得各准则隶属函数，如下：

(1)

其中，F1，F2，…，Fm指因子分析所得主成分评价值；k1,k2,…,km指各主成分方差贡献率.各准则隶属函数均可采用上述模型取得.

定义2 在复合生态系统中，各子系统之间的关联关系是以实现相互均衡与稳定发展为目标，具体表现在其均衡度评价模型中则为不同准则隶属函数值之间的相关程度越显著，其均衡度越高.据此，引用物理学中容量耦合系数模型测算复合生态系统中各准则隶属函数的均衡度，如下：

υm={(δ-1,δ-2,…,δ-m)/Π(δ-1+δ-j)}1/m

(2)

其中，υ表示子系统准则耦合均衡度系数，且υ∈[0,1].当υ=1时，子系统准则之间均衡度最高，即子系统要素变化达到良性共振；当υ=0时，说明其均衡度最低，说明子系统要素为无关状态.通过上式不难发现，在多时间与空间尺度下若δ-1与δ-2取值相近时，则系数υ也会取得较高值，这与实际耦合测度需求不相符.为避免该问题，可利用公式(3)辅助评测子系统准则耦合均衡度.

ϖ=[υ×(β1·δ-1+β2·δ-2+…+βm·δ-m)]1/m

(3)

其中，ϖ指最终协调度；βm(m=1,2,…,4)指待定系数，鉴于各子系统的相对重要性，此处其系数值设为0.25；Σ(βt·δ-t)表征了复合生态系统中各子系统的协同效应.

根据实际应用的要求，设置ϖ∈[-1,1]，而对ϖ的阈值划分也有不同的标准，对此相关研究中提出采用连续均匀分布函数的方法进行确定，该方法虽然实现了对最终协调度的细致性描述，但也导致协调度隶属区间变动过于频繁，易造成可参照性不强的弊端.对此，学者们通常在其基础上根据研究需求进行阈值区间的调整，本文在借鉴现有相关研究成果的基础上设置ϖ的等级划分标准，见表2所示.

表2 均衡等级划分

2 均衡演化实证分析

2.1 研究区概况与数据来源

选取山东省泰安市作为本文区域复合生态系统演化均衡测度的对象，该地区是国家级重点风景名胜区泰山所在地，其总面积为7761平方千米，人口达到563.74万人，境内地貌含山地、平原、湖泊等多种.目前，全市划有21处生态红线，包括11处水涵养红线和10处生物多样性红线区，其面积占到全市面积10.5%，面对不断上涨的资源约束压力，建设生态旅游特色的生态城市成为全市关注的焦点.

本文所采用的数据均来自于《泰安市统计年鉴》(2011-2016年)、《山东省统计年鉴》(2010-2016年)和《泰安市国民经济和社会发展统计公报》.

2.2 泰安市复合生态系统演化均衡度评价

根据表1中均衡度评价指标体系，首先利用相关系数矩阵检验各子系统的相关程度，发现4个子系统评价指标中多数呈高度相关性，其相关系数大于0.3，而KMO值为0.841，满足因子分析要求[33].通过因子分析法测算各子系统的因子载荷矩阵及其成分贡献率，并按照特征值大于0.6及累计方差贡献率提取主成分，结果见表3所示.

表3 子系统特征值提取与方差贡献率测度

注：由于版面需求，部分提取的成分未展示，以能够说明主成分为主要依据.

据表3可知经济推动子系统中共前3个成分的方差贡献率分别为67.310%、16.107%和10.961%，说明其可以共同解释该子系统所包括的7个评价指标94.378%的变异信息，因此选取前3个成分作为其主成分.按照此规则，资源开发利用、生态环境保护和社会发展支撑分别提取主成分的个数为2、4、2.在上述基础上，利用因子载荷矩阵及特征根计算主成分函数系数，取得各子系统中主成分表达式，见表4.

表4 主成分表达式

注：xij分别表示表1中均衡度评价指标.

按照公式(1)和表3中主成分贡献率，可进一步构建泰安市复合生态系统中经济推动、资源开发利用、生态环境保护和社会发展支撑子系统均衡发展评价函数，表达式分别为：

δ-1(x)=0.67310F11+0.16107F12+0.10961F13

δ-2(x)=0.78344F21+0.14318F22

δ-4(x)=0.82761F41+0.12257F42

图3 泰安市2009-2016年各子系统评价值变动趋势

从图3中各子系统均衡评价值变动趋势来看，经济推动在样本区间内整体上呈现出了“S”型变动态势，与图1中展示的“S”型均衡曲线不同的是其评价值不仅在局部存在了起伏波动，尤其是在2012-2013年期间出现“先相对平缓的下降后则稳步提升”的变动，而且从经济增长的实际态势来看，其并非达到生态红线的上限.与经济推动子系统类似，资源开发利用评价函数在整体上也呈“S”型增长规律，但其上下波动区间出现在2014-2015年期间，这揭示了泰安市经济增速与资源的开发利用的关联依赖性相对较强，即在经济增速趋于放缓的情况下资源开发利用也受到了一定程度的波及，例如人均耕地面积偏低约束农村经济发展，以及对生态绿化投资力度需进一步提高等.生态环境保护评价函数表现出的整体特征为“U”型曲线，其波谷出现在2011-2012年，说明样本初期随着人口与经济的增长，对生态环境造成的压力显著，尤其是泰安市作为典型的旅游地区，人口流动与资源配置对生态环境造成的冲击较为明显，而其后生态环境保护评价值呈现稳定上升的态势，这说明近年来相关管治措施与政策发挥了良好的调控作用.而社会发展支撑的评价函数值虽然也出现“S”型规律，而且与经济推动的波动最为相近，但在其局部波动特征中存有显著差异，特别是其曲线极小值点出现于2012年(比经济推动提前1年)，说明不仅仅是经济推动可对社会保障产生波动影响，而社会保障要素的变动也可反馈作用于经济发展，如人口流动对地区经济的刺激作用，而这也在一定程度上印证了复合生态系统中各子系统之间存在紧密的关联与反馈机制.

根据各子系统评价函数值的测度情况，利用公式(2)和(3)分别计算出复合生态系统耦合均衡度修正前后的评价值，见表5和图4所示.其中，按照修正前后评价值曲线可以看出，两条拟合曲线均在宏观上呈现出“U”的波动规律，尤其是修正前评价值曲线的“U”型波形更加明显，符合图2中震荡型均衡的局部阶段特征，但是对比两条曲线的局部波动点，可进一步发现修正前评价值曲线存在“虚假波动”的现象，即复合生态系统中耦合均衡度评价值较高而实际系统耦合均衡状态未达到该水平，如2009年修正前评价耦合均衡度为0.8215，即复合生态系统处于高度耦合均衡状态，但对比泰安市实际发展情况可知其属于评估过高的现象，而2011年时其评价耦合均衡度降低至-0.5361，说明复合生态系统处于崩溃的边缘，且触及图2中不可恢复裂变危机，与实际不符.对此，修正后耦合均衡度评价值曲线相对更加合理，这也印证了本文构建的复合生态系统演化均衡度评价模型相对有效.

按照表5所示修正后耦合均衡度评价结果，可知在样本期内泰安市复合生态系统耦合均衡度宏观演化态势从低度耦合均衡到衰退耦合均衡再到中度耦合均衡和较高耦合均衡，整体上为逐步良性转变的趋势，说明面对经济增速放缓与资源环境压力不断上涨的背景下，全市能够围绕复合系统的总体发展格局进行科学性的调控，尤其是近年来的政策导向取得了相对显著的效果.但同时也可发现，测度样本期内复合生态系统耦合均衡度均处于高度耦合均衡度以下，说明其系统后期仍具有较大的改善潜力.

表5 泰安市复合生态系统耦合均衡度测度结果

从图4所示的阶段性的耦合均衡变动情况来看，样本期间内其大致可分为“低端调整期”与“中端波动期”两个阶段：

低端调整期(2009-2011年)：低度耦合与衰退耦合集中阶段.该阶段初期耦合均衡度为0.2502，但随后两年内均低至零值以下，该期间这种退减虽然具有持续性，但2010-2011年期间的退减程度要显著弱于2009-2010年，说明面对衰减的复合生态系统均衡现状，全市进行了针对性的调控，但由于调控政策的延迟性致使调控初始阶段成效相对缓慢.而进一步结合图3中各子系统均衡度的测度结果，经济推动、资源开发利用和社会支撑均处于零值以下，生态环境保护虽然高于零值，但在该期间处于持续降低的状态，尤其是到2011年时下降至-0.0556，这阐释了其复合生态系统耦合均衡度偏低的实际状态.具体解析该期间导致生态环境下降而其它子系统偏低现象的主要因素为：

(1)主导支柱型产业对经济增长与生态环境保护双向要求的匹配度不足，到2011年时三次产业结构达到9.3:52.2:38.5，该结构与当年山东省的产业结构(8.8:52.9:38.3)相近，但4.185万元/人的人均GDP要低于全省均值4.726，这也客观反映了全市第二产业GDP贡献比重大，但缺乏全国行业龙头行业及产业集聚效应的短板，致使经济发展质量效益偏低.

(2)旅游业规模上涨明显，而较高的人口流动对生态环境造成的调控压力增大，期间全市旅游年均游客增长率保持在20%以上，由此产生的资源消耗与生态垃圾增加，而2011年环保投资占财政支出总额比重仅为1.646%，两者之间出现了较为严重的脱节.

尽管如此，这位天使不但活过了这可恶的冬天，而且随着天气变暖，身体又恢复了过来。他在院子最僻静的角落里一动不动地呆了一些天。到十二月时，他的眼睛重新又明亮起来，翅膀上也长出粗大丰满的羽毛。这羽毛好像不是为了飞，倒像是临死前的回光返照。有时当没有人理会他时，他在满天繁星的夜晚还会唱起航海人的歌子。

(3)利用技术进步提高节资降耗的转化力度偏低，主要体现在科技投入力度和工业污染控制强度方面相对薄弱，期间科技投入强度从1.656%降至1.325%，而单位工业产值废水排放量则从5.317吨/万元涨至7.731吨/万元，固体废物综合利用率也下降了近10个百分点，表明在有限的科技投入规模下其科技成果对该方面的转化效率依然不足.

(4)居民生态环境保护与资源节约的教育投入强度较低，期间居民人均教育消费指数仅为0.2624，而生活污水处理率到2011年时降低到73.957%，同比下降10个百分点，说明居民的生态环保素质及资源节约意识亟待加强.

图4 泰安市复合生态系统耦合均衡度演化趋势

中端适应期(2012-2016年)：中度耦合与较高耦合均衡波动阶段.该阶段最明显的特征是中度耦合均衡与较高耦合均衡交替波动，说明期间虽然各子系统均衡度都呈现出稳定提升的态势，但其局部阶段各子系统均衡度增长速率则存在显著差异，影响复合生态系统演化的均衡水平呈现为非稳定状态.而产生这一问题的主要原因在于：

(1)经济增速持续放缓引发技术投入疲软，相比前一阶段，该期间GDP增长率持续降低，尤其是自2014年以来一直处于7.5%水平以下，而科技投入规模虽然有所上涨，但其投入强度却下降了0.4个百分点，技术创新难度增加在一定程度上削弱了资源开发利用水平的提升速率.

(2)城镇率与第三产业的快速发展为调控生态空间格局提供新动能，该期间全市年平均城镇化率达到55.5%，不仅加快了城市生态工程项目的建设，也促使人口流动实现优化配置，释放农村土地资源与绿色农耕的潜力，尤其是单位耕地面积农药和化肥使用量明显下降；而到2016年时全市三次产业结构调整为8.5:44.8:46.7，实现了由传统“二三一”向“三二一”模式的重大转变.

(3)政府对生态环境治理的关注力度不断加大，近年来泰安市政府不断强化对生态环境考核的监管，尤其是围绕节能城市和生态城市两大模块做出了系列政策扶持，据本文测度的均衡度评价来看在全市范围内实施建筑节能全过程闭合管理，以及生态乡镇与生态村的建设方案取得了良好成效，氮氧化物和二氧化硫年均去除率分别达到21.2%、78.5%，均远高于低端调整期.

泰安市复合生态系统演化均衡出现差异波动的原因具有高度复杂性，特别是在全面深化供给侧改革的背景下，围绕不同时期其复合生态系统表现出的不同均衡特征及其内在动因和短板要素，采取科学合理的调控政策，促使各子系统协调发展和复合生态系统提升到高度耦合均衡阶段.

3 结论与启示

在阐释区域复合生态系统ERES概念内涵的基础上，利用PSR理念构建了泰安市复合生态系统演化均衡的测度指标体系，并通过因子分析与耦合均衡模型对泰安市2009-2016年复合生态系统的历史演化水平进行定量解析.研究结果表明，样本期间内经济推动、资源开发利用和社会发展支撑的均衡评价函数在整体上呈“S”型，而生态环境保护则是“U”型，在这种差异化的子系统均衡度变化趋势下，泰安市复合生态系统的耦合均衡度从低度耦合到衰退耦合再到中度耦合和较高耦合均衡，呈现为不断上升的总体态势，根据其耦合均衡度的具体测度结果又可进一步划分为低端调整期和中端适应期2个阶段，其中缺乏主导产业经济贡献率不强、旅游业发展而带动人口流动提速、节资降耗技术投入有限等成为低端调整期复合生态系统耦合均衡度不高的主要因素，而在中端适应期内城镇化率与第三产业发展，以及政府对生态环境的有效调控等推进了其复合生态系统耦合均衡的提升，但后续优化空间依然很大，尤其是对于一些短板性因素需要重点改进：

(1)培育绿色主导产业链条，建设生态型产业集群经济圈.产业发展是带动地区经济增长的关键驱动力，泰安市已围绕能源、机电、建材等行业开展了重点产业培育与外资引进，而在生态文明导向下需要逐步完成这类传统优势产业的上下游企业配套，将其打造成具有地区特色及市场竞争力的龙头企业，同时积极辅助第三产业及高新技术产业的增长，拓宽高增值服务的产业链条.

(2)逐步提高科技成果转化效率，发挥技术进步在节资降耗与生态环境保护中的关键作用.按照本文测度结果可以发现，从科技投入规模上泰安市处于不断增长的态势，但测算其投入强度则出现与其相悖的结果，这说明各年度科技投入指标划定还需提高其系统规划，尤其是依据各年度的经济增长情况与生态领域实际需求调整节资降耗技术投入强度，同时通过目标导向强化科技投入成果转化效率，将技术进步深层次地应用于生态保护效率等.

(3)注重生态保护教育，提高居民生活环保意识.作为提高生活环境质量的重要支撑力量，居民生态环保意识还具有较大的提升潜力，对此既要建立健全现有的生态环境保护法律法规体系，实现从制度上进行硬约束，以及扩大宣传力度，而且还须从更长远的角度考虑生态环境保护的持久性问题，尤其是加大对其教育投入，促使生态环境保护逐步成为人们潜意识行为.

(4)增强要素流动与优化配置水平，实现经济、资源、环境、社会子系统之间的协同发展.据本文测度，复合生态系统演化的系统均衡是基于各子系统的协调发展，因此在制定相关政策措施时必然需要从整个复合生态系统的角度进行系统考量与论证，避免出现局部发展而整体失调的现象.

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