基于耗散结构理论的上海城乡绿地系统空间演化特征

金云峰 李涛 吴钰宾 杨丹

摘要：“文章选取上海2000-2015年的城乡绿地系统空间相关数据，通过耗散结构理论的熵值分析法，首先分析了上海城市建设用地多样性在全国处于中等的研究背景，其次总结了上海城乡绿地系统的3项空间演化特征，即游憩型绿地的开放性增强、绿地功能类型多样性增加、生态因子具有非线性作用，最后提出风景游憩绿地需提升综合品质，生态保育绿地应实施自然再生等优化策略。

关键词：耗散结构，熵值分析，多样性指数，绿地系统

DOI： 10.3969/j.issn.1672-4925.2019.01.003

“城市双修”理念中的“生态修复”目的在于为城市健康活力运作提供必要的生态安全格局，更为城乡绿地系统中的生物多样性保护提供有序的生态空间结构。而耗散结构理论正是基于自组织复杂性视角，研究动态有序结构秩序的达成条件及对策的系统性方法论，并将这种过程定义为“系统与環境之间相互作用达到某一临界值时出现的有序结构”[1]。这种以复杂性科学哲学视角来化解复杂问题的方法，是未来城乡绿地进行复杂性管理[2]的必要前提，也是时代的要求，更是城市规划、风景园林学科未来的发展方向[3]。

1理论概念和研究方法

1.1耗散结构理论

耗散结构理论是复杂自组织创造条件方法论[4-5]，其出现背景是19世纪非生命系统能量耗散的退化观念体系以及生命系统高级组织结构的进化观念体系的时代研究热潮，目的在于揭示横跨自然界与人类社会之间一致的复杂组织现象及过程。1969年比利时物理化学家Prigogine首次提出耗散结构[6].主要是为了阐释系统与环境之间的物质、能量变化，及这些变化对复杂组织系统的影响，即建立在系统和环境之间物质、能量交换基础上形成的耗散结构研究。

耗散结构是系统与环境之间相互作用达到某一临界值时出现的有序结构。“有序”是指能量或功能上的“活的有序”，而非结构或形式上的“死的有序”。绿地系统要达到有序稳定的组织状态正是耗散结构态。绿地系统演化进程满足形成耗散结构的所有4项条件：系统内外部时刻进行物质能量信息交换的开放性特征;子系统之间因不同的功能作用和结构布局而导致的空间格局非平衡性特征;系统内部外部之间正反馈增强（相互协同）或负反馈弱化（相互制约）的非线性相互作用特征;外部干扰（如气候变化、空间干预）和内部作用导致系统演化偏离整体稳定态的涨落性特征。绿地系统的耗散结构态则表现为绿地结构渐趋精良，系统活力、有序度及吸引力的持续增强等。这种情况通常发生在以城乡绿地（特别是风景名胜区）为主要吸引力的城市，也会发生在节假日（特别是黄金周），这与旅游客流量增加所带来的熵流密切相关，加之同时管护运营等人力、物力、财力的物质能量注入共同构成耗散体系环。

目前，耗散结构结合生态的文献普遍较多且丰富（图1），包括生态系统的演化研究、生态保护与修复研究、生态文明建设研究等[7]。虽然耗散结构结合绿地、景观的研究文献目前尚缺，但是耗散结构方法论中的熵值分析结合绿地、景观的研究已取得初步成效，相关研究集中在景观异质性研究、景观格局变化、绿地空间格局分析等领域[8]，整体而言，耗散结构结合绿地空间的研究水平仍处于起步阶段。

1.2研究方法：熵值分析

熵值分析是度量复杂不确定性的重要工具[9]，是1948年Shannon在信息论中引入的用于度量系统信息量和不确定性程度的重要概念。熵值分析通常应用于生态、城镇关系、物理、计算机等领域相关指标的应用评价与效能评估[10]。在空间研究领域，熵值分析多用于土地利用结构演化有序性研究[11]、生态系统可持续演化分析[12]、旅游系统生命周期演化研究[13].熵权分析则多用于城市生态系统健康评价[14-15]。

根据Shannon熵公式可构建用地类型多样性指数[16]：

式（1）中H为用地类型多样性指数，也就是信息熵值;Pi为第i个指标所占百分比，具有归一性。根据信息熵函数，可计算出系统均衡度指数J= H/Ln，（n）。继而可计算出优势度指数，=1-J。

根据熵权法，假设评价对象有m个，评价指标有n个，则i取值1到n，j取值1到m。那么第i个指标熵值Hi计算公式为：

式（2）中k= l//n， （m）;Pi为第j个评价对象第i个指标所占百分比（即总和标准化的归一化）。根据指标熵值E结果，计算出第i个指标的熵权Wi：

2研究背景

比较2015年我国22个省、自治区、直辖市城市建设用地规模，整理住房和城乡建设部官网《2015年城乡建设统计年鉴》发布数据，以居住用地、公共管理与公共服务用地、商业服务业设施用地、工业用地、物流仓储用地、道路交通设施用地、公用设施用地、绿地与广场用地为具体指标，根据多样性指数公式（1）计算并分析各省市城市建设用地类型的多样性情况（图2）。

研究发现，除河北外，北部地区建设用地类型多样性指数普遍较高，东部地区建设用地类型多样性指数普遍较低。这说明整体而言，北部地区城市建设用地结构比东部地区建设用地类型多样性和异质性更高。南部地区和西部地区则呈现较大的波动性，表明这些地区建设用地结构多样化程度具有不一致性特征。

上海城市建设用地多样性全国居中（多样性指数为1. 82）。近年来，上海城市建设用地格局演化已经逐步由“摊大饼式”的低密度蔓延发展，转而呈现出“一个中心、若干卫星城”的组团发展模式[17].也因此上海城市建设用地扩张占用耕地情况更加严峻。

3上海城乡绿地系统的空间演化特征

3.1游憩型绿地的开放性增强

开放性是系统产生有序稳定耗散结构的首要前提条件，是指系统内外部存在物质能量信息的持续交流。城乡绿地是兼具开放、半开放、不开放属性的绿色生态空间，根据《城市绿地分类标准》（ CJJ/T85 -2017），Gl公园绿地、G3广场用地、EGI风景游憩绿地属于开放性的游憩型绿地。上海城乡游憩型绿地的开放性程度具有空间分布不均衡特点，主要由中心城区公园绿地承担。以2016年为例，中心城区公园绿地面积明显低于郊区（图3），特别是黄浦区、静安区、虹口区公园绿地均不超过300 hm2.但游园人数中心城区却高出郊区近20倍。

3.2绿地功能类型多样性增加

由于上海市统计局《2017年统计年鉴》官网发布的统计数据仍按旧版《城市绿地分类标准》（ CJJ/T85-2002），考虑到绿地分类并不影响系统演化特征的熵值分析结论，因此仍选取年鉴中公园绿地、生产绿地、防护绿地、附属绿地、其他绿地5类绿地规模为具体指标，通过各绿地规模数据总和归一化和熵值公式（式1），计算2000-2015年上海市绿地功能类型多样性、均衡度、优势度指数。研究发现，上海市绿地功能类型多样性存在动荡发展态势（图4）：1）研究期内绿地功能类型多样性于2003年达到最高值后，持续下降至2009年到达最低值，继而再缓慢上升。这表明2009年前绿地功能多样性主要受城市建设活动影响.2009年后由于大规模自然保护区等直接计入其他绿地类型，因此绿地功能类型多样性持续增加。2）均衡度同样先降低再上升。2009年前城市绿地功能类型整体分布渐趋不均衡，公园绿地类型优势度明显。2009年后绿地功能类型均衡性增强，单一城市绿地类型的优势度下降。如近年来郊野公园、湿地公园、森林公园等规模增加，削减了公园绿地的优势度，使得整体城市绿地功能结构布局趋于空间均衡。

3.3生态因子具有非线性作用

以生态系统演化分析为目标层，以熵流（输入输出熵矢量和）和熵产生（代谢熵矢量和）为分目标层，以支持型输入熵、压力型输出熵、氧化型代谢熵、还原型代谢熵[18-19]为准则层，新增造林面积等35项具体指标，选取第九个五年计划末年到第十二个五年计划末年（即2000年、2005年、2010年、2015年）4个时间段，构建上海2000-2015年生态系统演化指标体系（表1）。

1）数据来源。各具体指标的年份数据整理来自上海市统计局官网相关数据、历年《上海市国民经济和社会发展统计公报》、上海市环境保护局发布的历年《环境状况公报》等。

2）指标选取。选取指标过程中，因部分指标无法获取或数据不一致性而选用其他指标代替。如用烟尘排放总量、工业废气排放总量等表征阶段性环境治理后的系统滞尘、抗大气污染的生态效能，用人口密度等表征游憩人流量潜在吸引度，用森林覆盖率、自然保护区覆盖率等表征物种丰富度、景观多样性。除此之外，还有生态网络连接度、景观空间综合视觉吸引力等难以统计而尚未列入的评价指标。

3）各熵表征。支持型输入熵反映系统生产承载能力及对社会经济活动的支持力，表征系统的经济服务效能。压力型输出熵反映系统面临的外部社会经济活动压力，表征系统的社会服务效能。氧化型代谢熵、还原型代谢熵分别反映环境治理下各类污染物对系统的负面干扰能力、系统还原代谢的自我净化能力，这两项熵指标表征系统的生态服务效能。

结合指标数据的整理统计，通过熵值分析（式1一式3）计算各指标熵权权重（表1），研究发现：1）新增造林面积和进出口总额在支持型输入熵中权重较大，这种内外向的功能强化与经济刺激能够影响生态系统生产力;2）城镇居民消费水平在压力型输出熵中权重较大，说明城乡居民的休闲游憩需求已成为生态系统演化的主要外在压力，迫使系统内部用地转型进行协同演变，如耕地到农业采摘园的耦合功能转变：3）垃圾产生量在氧化型代谢熵中权重最大，说明庞大的垃圾产生量对生态系统干扰最强：4）污水处理量在还原型代谢指标熵中权重最大，说明其对河流水系污染程度直接决定着生态系统的恢复能力：其次是城市人均公园绿地面积权重较大，因经济支持及人流量负熵使其还原代谢能力较强。

4启示与展望

“生态修复”目标背景下，耗散结构理论为如何保障城乡绿地空间格局进行稳定可持续的发展演化带来2点启示。1）风景游憩绿地需要提升综合品质。在上海土地资源约束趋紧和生态游憩空间匮乏形势下，推进以郊野公园为重点的大型游憩空间和生态环境建设能促动风景游憩绿地涨落加速成为耗散结构[20-21].从而优化城乡绿地系统空间布局。2）生态保育绿地实施自然再生。建设用地总量“零增长”刚性管控下的生态修复策略需要保证生态保育绿地进行自然修复[22].从而增强系统优势度，包括师法自然生态修复法技术[23]、生态减缓技术等[24]。

基于耗散结构理论的绿地系统空间研究，通过熵值变化探讨系统的多样性、均衡性、非线性等演化特征，而不局限于可视的空间视角。未来应更强化耗散结构理论与城市系统、绿地系统研究的复杂性对接，并通过提取时空演化规律揭示潜藏其中的空间演化规律性特征，在格物致知的基础上探析复杂背后的简易规律，从而预测并指引未来系统演化发展。

参考文献

[1]邬建国.景观生态学：格局、过程、尺度与等级[M]北京：高等教育出版社，2007

[2] Parrott L，Meyer W S.Future landscapes：managing with in com-pkxity [J] .Frontiers in Ecology and the Environment， 2012， 10（7）：382-389

[3]王中德，趙万民.对西南山地城市公共空间系统复杂性与复杂问题的解析[J].中国园林，2011，27（8）：58-61.

[4] PORTUCALI J Self-organization and the City[M].Berlin：Springer Berlin Heidelberg，2000.

[5]金云峰，李涛.基于白组织理论的城乡空间与绿地系统研究进展[J].中国城市林业，2015，13（5）：1-4.

[6]伊·普里戈金（I.Prigogine），伊·斯唐热（I.Stengers）.从混沌到有序：人与自然的新对话[M].曾庆宏，沈小峰，译上海：上海译文出版社，2005

[7]姜广举，林国标，史晓平.当代环境协调发展的战略选择：论生态平衡与耗散结构[J].系统科学学报，2012（4）：80-83.

[8]段亚锋，王克林，冯达.洞庭湖区景观异质性的尺度效应研究[J].环境与可持续发展，2016（4）：225-228.

[9] KEUM J，COULIBALY P.Sensitivity of entropy method to time se-ries length in hydrometric network design[J].Journal ofHydrologk Engineering，2017 ，22（7）：04017009-l - 13.

[10]黄国庆，王明绪，王国良.效能评估中的改进熵值法赋权研究[J].计算机工程与应用，2012，48（28）：2，45-248

[11]何祖慰，杨忠，罗辑.西藏昌都地区土地利用结构熵值时序分析[J].长江流域资源与环境，2007（2）：192-195

[12]王珞珈，董晓峰，刘星光，等.基于信息熵的兰州城市生态系统可持续发展能力演化分析[J].兰州大学学报（自然科学版），2016（6）：764-770.

[13]朱翠兰，侯志强基于系统熵的区域旅游合作系统演化研究：以厦漳泉地区为例[J].旅游论坛，2013（5）：56-61.

[14]周文华，王如松基于熵权的北京城市生态系统健康模糊综合评价[J].生态学报，2005（12）：3244-3251.

[15]师谦友，赵檐瑾，罗晶基于熵权分析的西安城市生态系统健康评价[J].资源开发与市场，2011（4）：304-307

[16] CAMMI A， MISALE M， DEVIA F，et al Stahility analysis hymeans of information entropy： assessment of a novel method a-gainst natural circulation experimental data[J]Chemical Engi-neering Science，2017（ 166）：220-234.

[17]繆丽娟，崔雪锋，栾一博，等J匕京上海近20a城市化过程中土地利用变化异同点探析[J].气象科学，2011（4）：398-404.

[18]张妍，杨志峰，何孟常.等.基于信息熵的城市生态系统演化分析[J].环境科学学报，2005，25（8）：1127-1134

[19]荣冰凌，陈春娣，邓红兵城市绿色空间综合评价指标体系构建及应用[J].城市环境与城市生态，2009（1）：33-37.

[20]马震陆让上海郊野公园回归生态本位[J].上海国土资源，2015（2）：33-35，54

[21]方家，王德，朱玮，等.基于sP法的上海居民郊野公园游憩偏好研究[J]中国园林，2016，32（4）：50-55

[22]金云峰，王越，蒋祎.有机更新发展理念下城市线性绿地的功能修补研究[J].中国城市林业，2018，16（2）：22-26.

[23]张成梁，LI B.L美国煤矿废弃地的生态修复[J].生态学报，2011，31（1）：276-285

[24] TASHMAN P ，RIVERA J.E㈤logical uncertainty，adaptation ，arulmitigation in the us ski resort industry： managing resource de-pendence and institutional pressures[J].Strategk ManagementJournal，2016，37（7）：1507-1525.

收稿日期：2018 - 01- 05

*基金项目：国家自然科学基金项目（ 51708415）

第一作者：金云峰（1961-），男，教授，博士生导师，副系主任，研究方向为风景园林规划设计方法与工程技术，公园绿地与开放空间，中外园林与现代景观，风景旅游区保护与更新。E-mail： jinyf79@ 163.com

通信作者：杨丹（1986-），女，硕士，研究方向为风景园林规划设计。E-mail： 83963942@ qq.com