基于可变模糊优选模型的南昌市生态系统健康综合评价

徐 进，刘成东，黄志强

(1.东华理工大学 自然保护地规划研究院，江西 南昌 330013；2. 东华理工大学 地质调查研究院，江西 南昌 330013；3.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013 )

城市生态系统是生态系统中最为复杂的生态类型[1]，受人类影响强烈，已逐渐演化为以城市居民为主的自然—经济—社会复合生态系统，具有明显的开放性、复合性、脆弱性[2]。对城市生态系统健康评价的目的：一是诊断当前城市的生态健康状态，二是明确人们对城市健康的期望，并预测其未来的发展趋势[3]。因此，为了更好地保护和管理城市生态系统，为管理者和决策者提供参考依据，评价城市生态系统健康至关重要。

城市生态系统健康评价的研究始于20世纪40年代，以Leopold提出土地健康的概念为标志[4]。其后，Schaeffer提出生态系统疾病是生态系统的组织受到损害或削弱，而生态系统健康就是指生态系统没有疾病[5]，Rapport发展并完善了这一观点，认为健康的生态系统应具有稳定性和可持续性[6]。目前，国外对城市生态系统健康研究主要集中在两方面：一是城市组分健康评价，如Poggio等人运用GIS技术对意大利城市规划过程中的土壤污染以及人类健康危机进行了研究[7]；François等运用生命周期评估方法建立交通运输交互(LUTI)模型模拟了城市交通，并结合公共政策对人口变化的影响度，对城市交通流动健康进行了评价研究[8]。二是城市整体健康评价，如Mahdi等对伊朗库姆市城市健康以及其与社会、经济、文化的关系进行了有效分析[9]；Su等的研究表明，城市生态系统健康未来的研究方向将集中于对其健康状况的动态趋势的研究[10]。

我国学者从多个角度对城市生态系统健康评价展开了研究。从研究尺度来看，研究者将县域、市域、省域及城市群等作为评价单元。从实例采用的方法看，研究者主要应用集对分析法、能值分析法、模糊综合评价法、灰色关联度分析法、多属性决策方法等。从研究区域上看，现有研究成果主要集中在三大区域：一是西部自然条件较差的城市(如兰州、西宁、乌鲁木齐、包头等)；二是受人为干扰严重的东部经济发达城市(如北京、天津、上海、宁波、广州等)；三是中部地区处于快速城市化的城市(如开封、合肥、太原、西安等)。总体看来，对城市生态系统的健康评价为促进城市高质量发展起到了积极作用，但目前对南昌市这类快速城市化且区域位置关键的城市生态系统还缺乏系统而有效的评价；研究方法上也多以静态的方法进行评价，用科学的哲学与数学方法描述模糊事物、模糊现象的动态可变性的方法还不多。

南昌市作为我国唯一一个毗邻长江三角洲、珠江三角洲和闽南金三角的省会中心城市，是连接三大重要经济圈(长江三角洲、珠江三角洲、海峡西岸经济区)的省际交通廊道。其生态系统健康与否不仅对其自身经济和旅游业的发展具有显著意义，而且还可为周边城市的城市化进程中生态文明建设提供借鉴。基于上述背景，选取环境、经济、社会子系统对南昌市生态系统进行客观分析，并引入可变模糊优选模型，对南昌市生态系统健康进行综合评价，在此基础上应用偏最小二乘模型揭示其生态系统健康状况变化的主要驱动因素，以期为推进南昌市发展提供有益参考。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

南昌市(地理坐标为115°27′-116°35′E、28°10′-29°11′N)，地处江西中部偏北，赣江、抚河下游，鄱阳湖西南岸。全市总面积7 195 km2，人口约546万人，下辖三县、六区、三个国家级开发区以及一个临空经济区，是国家历史文化名城、国家卫生城市、国家水生态文明城市、国家森林城市、国家园林城市、全国双拥模范城。南昌市属亚热带季风性湿润气候，常年平均气温为17.5 ℃，年平均降水量为1 596.4 mm，年均日照时数为1 903.9 h。全市地势低缓，西及东南部地形较高，起伏较大；中部较低，平坦开阔。

本文所使用的数据主要来源于2009—2018年期间的《江西省统计年鉴》《南昌市统计年鉴》《中国城市统计年鉴》以及《南昌市国民经济和社会发展统计公报》等，个别缺失数据应用线性插值法计算求得。

1.2 研究方法

1.2.1 评价指标体系

根据城市生态系统健康的概念，结合研究区的特点及数据的可获性、指标的代表性以及可操作性等原则，参考以往相关研究[11]，本文从环境子系统、经济子系统、社会子系统3个方面初步选取了28项指标，应用SPSS18软件对原始数据进行主成分分析，依照累计贡献率排序，筛选并确定最后的评价指标体系24个(正向指标即越大越优型指标，反之越小)，见表1。

表1 南昌市生态系统健康评价指标体系

1.2.2 可变模糊优选模型的建立

城市生态系统是一个复杂的、开放的、难以精确刻画的模糊对象，可变模糊数学是用数的相对连续概念来表示模糊现象、事物、概念的相对隶属度，建立以动态变化的相对隶属度概念为基础的理论，其优点在于利用相对隶属函数、相对隶属度描述复杂系统的运动过程，更适合于多目标、多准则的复杂系统评价，目前已被广泛应用于多个学科领域。因此，城市生态系统健康的评价可以作为一个模糊问题处理[12]。本文基于可变模糊优选模型对南昌市生态系统健康进行实例评价分析。

设有n个待优选的目标，反映目标结构性质的指标有m项，构建原始数据矩阵：

X=(xij)m×n(i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n)

(1)

对越大越优和越小越优的目标分别采用公式(2)和(3)进行指标“同趋势化”处理：

(2)

(3)

(4)

式中：uj称为相对隶属度；ωi为指标权重，ρ为可变距离参数(ρ=1时为海明距离，ρ=2时为欧氏距离)；α为可变优化准则参数(α=1或α=2)，α与ρ可组合成4种可变模糊优选评价模型，据此实现模型的多种算法评价，从而提高评价结果的可信度。

1.2.3 熵权法确定指标权重

由于主观赋权法通常是依据专家的实践经验来判断，主观性较强，容易产生一定的偏差。因此，为了避免人为主观因素的干扰，本文采用客观赋权法中的熵值法确定各指标权重。首先根据公式(5)和(6)将各项指标数值进行归一化处理，得到标准化矩阵R=(rij)m×n，然后根据公式(7)计算比重矩阵F=(fij)m×n，最后由公式(8)和(9)计算信息熵hi和权重ωi。

rij=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(5)

rij=(xjmax-xij)/(xjmax-xjmin)

(6)

(7)

(8)

(9)

1.2.4 城市生态系统健康评价标准

在借鉴相关研究成果的基础上[13]，结合南昌市的实际情况，采用非等间距方法，将城市生态系统健康评价标准划分为5个等级，即病态(I级)、不健康(II级)、亚健康(III级)、健康(IV级)、很健康(V级)，具体评价等级划分见表2。在此基础上，为了进一步识别促使城市生态系统健康等级变化的驱动因素，笔者引入偏最小二乘模型[14]对表1所示的评价指标体系(数据)进行统计分析。

表2 南昌市生态系统健康等级划分

2 结果与分析

2.1 评价指标原始值及权重计算结果

依据南昌市生态系统健康评价指标体系，结合2009—2018年南昌市相关经济社会发展与环境方面的数据，利用公式(5)—(9)计算各项指标权重，结果如表3所示。

表3 南昌市2009—2018年生态系统健康评价指标原始值及指标权重

2.2 南昌市生态系统健康评价结果分析

2.2.1 四种参数组合的模型集评价结果的对比分析

利用公式(4)所示的可变模糊优选评价模型，计算2009—2018年南昌市生态系统健康评价指数，结果如图1所示。

图1 基于4种参数组合的模型集计算的南昌市生态系统健康评价指数

从图1可以看出，依据4种参数组合的模型集得出2009—2018年南昌市生态系统健康评价指数总体趋势基本一致，在时序上呈上升趋势，说明南昌市生态系统健康逐渐变好。模型1(α=1, ρ=1)相当于模糊综合评判模型——优点是能够在一定程度上避免由于因素过多、权重过小造成的严重失真或多峰值现象，适合评价主体对多层次多指标评价信息的整合，由图1可知依据模型1得出考察期内南昌市生态系统健康评价指数的变化幅度为0.496 1，2018年指数达到最高(0.781 2)，2009年最低(0.285 1)；模型2(α=1, ρ=2)相当于理想点模型——研究对象被简化成一个理想形态，但可能导致关键信息丢失，从图1中可以看出：考察期内南昌市生态系统健康评价指数仍然呈现逐年上升趋势，但其变化幅度为4种模型中最小(0.320 6)，其中2018年指数最高(0.679 9)，2009年生态系统健康评价指数最低(0.359 3)；模型3(α=2, ρ=1)为Sigmoid型函数，即S型生长曲线，能够很好地显示过程的波动性，考察期内南昌市生态系统健康评价指数的变化幅度最大(0.790 1)，2018年指数最高(0.927 3)，2009年指数最低(0.137 2)；模型4(α=2, ρ=2)相当于模糊优选模型——能够较好地平衡线性和非线性之间的关系，从图1中可以看出城市生态系统健康评价指数的变化幅度介于模型1与模型3之间(0.579 3)，2018年生态系统健康评价指数最高(0.818 6)，而2009年指数最低(0.239 3)。

2.2.2 综合评价结果分析

基于上述4种参数组合的模型集得出的生态系统健康评价指数，取其平均值代表综合评价结果，如图2所示；依据表2制订的标准进行城市生态系统健康等级划分，得出4种模型的等级划分结果及综合评价结果如表4所示。

表4 基于不同模型得出的2009—2018年南昌市生态系统健康评价等级评价结果

图2 南昌市生态系统健康综合评价结果

从表4和图2可以看出，在考察期内南昌市生态系统健康综合指数呈上升趋势，南昌市生态建设取得了一定的成就。然而，根据城市健康等级划分标准可以看出：南昌市在2009—2013年处于不健康状态，2014—2017年处于亚健康状态，仅2018年达到健康水平，尽管城市生态健康水平不容乐观，但发展趋向健康。据统计资料可知，在2009—2018年期间，南昌市经济子系统中城市居民人均可支配收入、人均GDP、实际使用外资金额等3项指标呈显著上升趋势。这可能得益于国家推进中部崛起战略，尤其是《促进中部地区崛起规划》的实施，对我国中部六省(包括山西、安徽、江西、河南、湖北、湖南)的经济社会发展做出了整体规划。此外，南昌市作为国家“一带一路”(陆丝)重要的节点城市、江西省省会城市、鄱阳湖生态经济区的核心城市，其社会保障能力、环境恢复能力具有明显优势。因此，南昌市生态系统健康水平近年来整体好转。

需要注意的是，虽然南昌市生态系统健康水平整体处于上升状态，经济发展、社会保障、生态环境等3个子系统逐步走向协调发展，但从中也可以看出，在2013年南昌市生态系统健康指数出现明显下降。据国民经济和社会发展统计公报显示，2013年南昌市空气质量优良率仅为60.82%，并且当年12月首次出现空气重污染日，经济的快速发展给环境系统带来了不同程度的损害和牺牲。生活垃圾无害化处理率在2012—2013年出现下滑，进而导致健康指数出现强烈波动。因此，定量分析影响南昌市生态系统健康的主导因素显得十分必要。

2.2.3 南昌市生态系统健康评价主导因素分析

本文以南昌市生态系统健康指数为因变量、以相应年度的各项影响指标X01—X24为自变量构建偏最小二乘回归模型，来分析影响南昌市生态系统健康变化的主导因素，应用SIMCA-P 11.5软件分析得出南昌市PLS模型的主成分个数有1个，Qh2值为0.951，R2Y值为0.973，南昌市PLS模型拟合良好(不存在奇异点)。由此得出PLS模型的回归系数及自变量投影重要性(VIP值)，结果如图3所示。

图3 南昌市生态系统健康评价指标的PLS模型回归系数及VIP值

由图3所示的PLS模型回归系数可以看出，对南昌市生态系统健康指数变大起正向(驱动)作用的自变量个数有14个，起负向(抑制)作用的自变量个数有10个。由PLS模型自变量投影重要性可进一步得出影响南昌市生态系统健康变化的重要因素有14个指标(VIP值>1)。

(1)环境子系统

由回归结果可得，人均公园绿地面积(X02)、生活垃圾无害化处理率(X05)、工业烟粉尘排放量(X08)对南昌市生态系统健康改善具有正效应(回归系数为正值)，且自变量投影重要性也显示人均公园绿地面积具有重要作用。根据统计数据，人均公园绿地面积10年间上升了4.52 m2，显著改善了南昌市的小气候和环境质量，这对南昌市生态系统健康发展十分有利；生活垃圾无害化处理率几乎达到了100%，表明南昌市生活垃圾处理能力的提高；工业烟粉尘排放量由2017年23 416吨下降至2018年的19 229吨，表明南昌市的生产单位通过技术改进减少了烟粉尘的排放量。

空气质量优良率(X03)、城镇生活污水处理率(X04)、工业固体废弃物综合利用率(X06)、区域环境噪声(X07)对南昌市生态系统健康改善具有负效应(回归系数为负值)。南昌市空气质量优良率呈波动下降趋势(表3)，特别是2013年空气质量优良率仅为60.82%，由于城市人口的增长和工业的发展，不断排放污染物可能是造成南昌市空气质量恶化的主要原因。调查数据显示，近年来南昌市汽车保有量以每天约300辆的速度快速增长，截至2018年底，南昌市机动车保有量超过106万辆。汽车尾气的排放，尤其是二氧化氮(NO2)年均浓度呈现上升趋势，给空气质量改善带来了巨大挑战。尤其值得注意的是，随着城市规模的扩大，南昌市基础设施项目增多加重了扬尘污染。2012年以来，南昌市可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)均已超过国家二级标准，且首要污染物为PM2.5。

2009—2017年，南昌市城镇生活污水处理率基本保持在93%左右，而2018年则下降至71.6%，工业固体废弃物综合利用率和区域环境噪声呈波动变化(表3)。据调查显示，近年来南昌市居民数量增长速度较快，而老城区部分污水处理配套管网设施老旧，生活污水处理效率不高，部分垃圾处理厂仍采用传统的填埋方式处理垃圾，这势必造成土壤污染，也不利于提高固体废弃物的处理率。此外，南昌市区域环境噪声影响源主要来自生活噪声和交通噪声。统计数据显示，南昌市2017年1类功能区昼夜间噪声达标率均为50%，4类功能区昼间噪声达标率为75%，夜间噪声达标率为0%，整体达标情况较差[15]。

(2)经济子系统

由回归结果及自变量投影重要性可得，人均GDP(X11)、第三产业占GDP比重(X12)、城市居民人均可支配收入(X15)、实际使用外资金额(X16)对南昌市生态系统健康改善具有正向重要作用(回归系数为正值)。据统计数据显示，南昌市人均GDP和城市人均可支配收入逐年稳步增加(表3)，结合2019年数据可知，2019年人均GDP和人均可支配收入分别达到10 045元和44 136元。由此可以看出，南昌市人民生活水平在不断提高，而此变化主要得益于经济结构的转变，第三产业所占比重由2009年的38.59%上升至2018年的45.9%，说明南昌市经济结构不断完善，经济发展的同时产业转型升级也在加速进行。实际使用外资金额在10年间增加了30亿美元，表明南昌市开放型经济不断提高，经济发展活力增强。

单位GDP能耗(X09)、万元GDP用水量(X10)、GDP增长率(X13)、恩格尔系数(X14)对南昌市生态系统健康改善具有负向重要作用(回归系数为负值)。统计数据显示，南昌市GDP增长率在逐年降低，由2010年的14%下降至2018年的8.9%，这对南昌市的发展不利；2015—2017年，南昌市恩格尔系数(31.9%、32.4%、30.6%)均高于全国水平(30.6%、29.3%、28.6%)，说明居民食品消费支出所占比重偏高，人民生活质量水平有待进一步提高。此外，根据南昌市统计年鉴资料显示，近年来，南昌市单位能耗虽呈下降的趋势，能源利用效率在不断提高，但地区生产总值仍以第二产业为主，2009—2018年始终占50%以上，而第二产业的内部结构则以重工业为主，其比重由2011年的50.4%上升至2018年的61.3%，主要产业包括原材料工业(包括石油、煤炭及其他燃料加工业、黑色金属冶炼及压延加工业等)、加工工业(包括电气机械和器材制造业等)和技术导向型产业(如计算机、通信和其他电子设备制造业等)，总体上耗能产业比例较高。因此，南昌市还需继续调整产业结构，积极发展能源消耗低的第三产业，实现经济快速增长的目标。

(3)社会子系统

由回归结果及自变量投影重要性可得，人口密度(X17)、人均住房面积(X19)、人均道路面积(X20)、每万人拥有大学生数(X23)、每千人拥有医院床位数(X24)对南昌市生态系统健康改善具有正向作用(回归系数为正值)。由表3可知，南昌市人口密度特征值由2009年的646人/km2逐渐增加到2018年的771人/km2，这不仅促进了南昌市人才的集聚，也加快了城市经济的增长速度；人均住房面积由2009年的27.93 m2增加到2018年的38.27 m2，说明南昌市居民的住房条件得到明显改善；人均道路面积10年间增加了4.72 m2，道路基础设施水平不断完善，不仅带动了区域经济的进一步发展，也是南昌城市健康状况得以改善的重要因素之一。每万人拥有大学生数、每千人拥有医院床位数10年间分别增加了171人和2.3张，说明南昌市科教水平和医疗水平进一步提高，城市服务功能越来越完善。

由回归系数结果显示，人口自然增长率(X18)对南昌市生态系统健康改善具有负向作用(回归系数为负值)。南昌市在2009—2018年始终保持较高的人口自然增长率(均在6.5‰以上)，明显高于全国平均水平(2018年为3.81‰)。研究表明，城市人口增加会加大生活污染物的排放，可能使得城市及其附属生态系统以往固有的平衡被打破，进而导致城市生态系统的多样性遭到破坏[16]。因此，南昌市政府若不关注市民的环保意识和对其加强宣传教育，加大保护和治理环境的投入，城市生态系统健康将会出现巨大的缺口。

3 结论与建议

3.1 结论

城市生态系统健康评价是环境、经济、社会三个层面的综合体现，找出制约城市发展的主要因子对实现城市的可持续发展具有重要意义。本文运用熵权法确定城市生态系统健康评价各指标的权重，基于可变模糊优选模型对南昌市生态系统健康进行了深入分析。结果表明：

第一，2009—2018年，南昌市生态系统健康变化明显，趋向健康方向发展。第二，通过对评价要素的进一步分析，驱动南昌市生态系统健康指数上升的主要因素包括经济子系统中的人均GDP和城市居民人均可支配收入，社会子系统中的人均道路面积、每千人拥有医院床位数和人口密度等14项指标。南昌市经济的发展带动了相关基础设施建设和环境建设，促进了生态系统健康的发展。第三，影响南昌市生态系统健康的不利因素有环境子系统的空气质量优良率、城镇生活污水处理率，经济子系统中的单位GDP能耗、GDP增长率和社会子系统中的人口自然增长率等10个指标。若不从整体上改善生态环境，将大大影响南昌市经济的可持续发展。

3.2 建议

针对上述问题，南昌市相关部门需进一步采取有效措施，以促进其生态系统健康水平的提高，具体方案如下：

3.2.1 合理布局生态环境结构，提高环境污染监管力度

南昌市要继续保持对生态环境的高度重视，进一步加强对大气环境和水环境的监管力度，加强对氮氧化物排放的治理，制定科学的控制策略。南昌市应大力推广新能源汽车的使用，完善南昌市黑烟车电子抓拍系统建设，控制和减少机动车废气污染；对现有污水处理厂进行升级，提高污水处理效果；建设新型固体垃圾处理厂，对固体废弃物合理分类回收，提高循环利用率。同时，南昌市应充分利用“一江、两河、八湖”自然景观，发展湖泊园林绿地和道路绿化带，完善本地的生态绿化布局，通过绿色植物过滤粉尘、吸收有害气体、降低噪声、美化环境，进而促进南昌市生态环境的改善。

3.2.2 调整工业布局，优化产业结构

南昌市的单位GDP能耗和万元GDP用水量仍存在继续降低的空间和能力，南昌市工业部门可通过科技创新，积极推广使用节能新技术、新工艺、新产品和新材料，降低原材料和能源的消耗，优化电力、热力、冶金和重化工部门产业的发展，长期来看，应聚焦以技术带动产业发展，发展技术导向型产业，重点发展污染物排放量低、能耗小的高端产业，促进产品深加工，提高产品附加值，加快电子信息产业发展，着力发展VR相关制造业，打造世界级VR之都。同时，南昌市要重点发展低碳经济，提倡使用清洁能源和可再生能源，积极发展风能、水能等可再生能源。南昌市要进一步发展第三产业，发挥消费在经济增长中的作用，充分利用红色文化和自然景观的资源优势，唱响“江西风景独好”的旅游品牌，打造特色旅游地带[17]，促进南昌市经济可持续发展。

3.2.3 加强宣传教育，增强政策执行力

南昌市要推进以人为本的新型城镇化，保持人口增长与城市生态系统协调发展，维护城市生态系统多样性。对于南昌市领导干部，要加强城市生态健康方面的知识、法律、法规、政策的学习，开展培训班、研讨会、学术讲座等形式，树立保护生态环境的责任意识，采取责任制落实《南昌市生活垃圾分类管理条例》。对于南昌市普通群众，要加强环保意识和价值观教育，社区可通过微信公众号、宣传标语、社区课堂等多种形式进行长期的环保宣传，激发群众改善环境的责任感。同时将VR技术与垃圾分类进行结合，寓教于乐，提高宣传效率。南昌市政府部门要加强社区监管，完善垃圾分类基础设施，努力践行“垃圾分类就是新时尚”，让生态环保知识走进家庭、走进学校、走进企业，使南昌市广大市民都能认识到保护环境的重要性。