基于信息熵方法的城市生态系统健康评价研究*

易琪媛，张延飞，丁木华

(东华理工大学 a.地球科学学院；b.理学院；c.江西生态文明建设制度研究院，江西 南昌 330013)

0 引言

城市化发展促使人口、产业向城市集聚，推动了社会进步，创造了巨大经济效益，但同时也影响了人类社会与生态环境之间的平衡关系，出现了环境污染、资源短缺、人口膨胀等负面现象。城市区域显现的各种生态危机，不但阻碍了城市居民生活水平的提升，更影响了城市生态系统的健康发展。所以，针对城市生态系统健康问题开展相关研究，探索城市可持续发展的方法和途径，对有效防止各类城市生态危机的发生和促进城市生态系统健康发展具有重要的现实意义。

城市生态系统是一个由自然、社会、经济组成的复合系统。城市生态系统健康研究始于Hutton和Leopold提出的“自然健康”“土地健康”概念。世界卫生组织(World Health Organization，WHO)认为健康的城市是一个持续发掘自然与社会环境并拓宽社会资源，使人类能够在相互帮助中享受生命、充分发挥自身潜能的城市。Colin[1]认为城市生态系统健康不仅表示由自然环境与人工环境构成的生态系统的完整、健康，还应包括社会环境健康及城市人群的健康。Hancock[2]认为健康的城市生态系统应包括城市的自然环境质量、适宜的人居环境、城市居民的健康状况、城市其他生物的健康情况、广义自然生态系统受城市生态系统影响情况、城市社会福利状况等6方面要素。从21世纪开始，国内开始重视对城市生态系统健康的研究，主要体现在评价指标体系构建、评价方法选择等。指标体系构建上，郭秀锐、陈克龙等[3,4]选择系统活力-组织结构-恢复力-服务功能-人群健康，曾勇、李嘉琪等[5,6]选择压力-状态-响应，邹君等[7]选择驱动力-压力-状态-影响-响应等模型用来构建城市生态系统健康评价指标体系。评价方法上，有能值分析法[8]、灰色关联分析法[9]、属性综合评价法[10,11]、神经网络分析法[12]、分形理论方法[13]、物元可拓模型法[14]、微生物完整性指数法[15]等。以上研究框架主要研究以一个或多个因素对城市生态系统产生的影响，研究对象主要集中于单个城市或独立多个城市，研究尺度主要单一时间或空间的角度，缺乏从多要素、具有相同生态功能城市群、时间和空间多角度进行综合评价的相关研究。

环鄱阳湖城市群是以我国第一大淡水湖(鄱阳湖)为核心，由环绕鄱阳湖的10个城市组成，是国家生态文明建设实验区、长江中游城市群之一。中国经济最有活力、城市化率最高的地区之一。城市群生态系统健康发展将加速区域整体生态文明建设水平的提升，尤其对于城市群的自然景观和环境状况变化尤为显著。基于此，以环鄱阳湖城市群为例，结合城市发展的社会经济、自然环境、资源禀赋等条件，构建城市生态系统健康评价体系，分析 2010—2017年环鄱阳湖城市群城市生态系统健康状况和空间格局演变趋势，为实现城市群可持续发展、城市规划与管理、城市生态绿色一体化发展提供新的研究框架和理论与决策参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

环鄱阳湖生态城市群是国家长江中游城市群中三个主体城市群之一，是江西积极参考国家“一带一路”倡议、推进长江经济带建设的重要载体。城市群范围主要包括南昌、九江、景德镇、上饶、鹰潭、宜春、新余、萍乡等地级市全部行政辖区和抚州市辖区、东乡县、金溪县、崇仁县，吉安市的新干县、峡江县，区域面积为10.13万km2，占江西总面积的55.3%。2019年常驻人口3828.69万人，地区生产总值达到1935.75亿元，分别占全省的63%和70%。是江西省最发达的区域、长江中游城市群之一、中国经济最有活力、城市化率最高的地区之一，是全国城市群建设的先行者，致力于打造成为中部崛起的核心增长极。

1.2 数据来源及预处理

本研究引用的数据来源于《江西省统计年鉴(2011—2018)》《中国城市统计年鉴(2011—2018)》等统计年鉴。万人拥有医院床位数、万人拥有大学生人数、万人拥有医生数、万人拥有公交车数等数据来源于相关政府报告或整理分析得出。原始数据采用极差变换法进行无量纲化预处理。

2 研究方法

2.1 构建城市生态系统健康评价体系

表1 环鄱阳湖城市群城市生态系统健康评价指标体系及分级标准

2.2 评价标准及等级划分

依据国家生态文明建设和国家对城市健康的相关要求，借鉴前人研究成果将城市生态系统健康标准划分为 5 个等级: 健康、较健康、亚健康、不健康、病态。参考《生态县、生态市、生态省建设指标》等对评价标准进行限定值的确定。以相关文献中对生态城市的建议值作为健康的标准值，以全国最低值为病态的限定值，在前者基础上向下浮动20%作为较健康和临界状态的标准值，在后者基础上向上浮动20%作为不健康和临界状态的标准值，把前后两次确定的标准值进行调整得到最终分级标准[16]，见表1。

通过对国内外相关文献分析，城市生态系统健康综合指数分级标准可按均等分进行分级评价[16]，见表2。

表2 环鄱阳湖城市群生态系统健康综合评价分级标准

2.3 信息熵综合评价

“熵”概念源于热力学，度量系统的无序程度和数据所提供的有效信息，信息熵越小，信息的有效性越强，系统中指标所占的权重越大；反之，信息熵越大，权重就越小[17]。本研究采用信息熵法确认权重，计算如下：

(1)标准化样本平移修正计算。

设Yij是原始数据xij标准化后的值，则

(1)

Pij为标准化样本数据,Yij平移后的特征比重。

(2)指标的信息熵计算。

1. the feeling of 2. autumn harvest 3. celebrated 4. Black Friday 5. celebrated with 6. the celebration 7. Turkey 8. loving, caring, sharing

(2)

其中，K=1/ln(m)，0≤ej≤1。

(3)指标的权重计算。

(3)

其中，dj=1-ej。

(4)综合指数计算。

设E为城市生态系统健康状况矩阵，W为其评价要素的权重矩阵，R为各生态系统健康评价要素对各级健康标准的隶属度矩阵。其中，隶属度值介于[0,1]之间，越接近 1，说明隶属度越好。对于隶属度矩阵R。

(4)

其中，Ri1+Ri2+…+Rim=1,i=1,2,…,n.

根据相对健康隶属度矩阵和各指标权重，城市生态系统健康状况矩阵E有：

E=W*R=(E1,E2,…,Em)

(5)

其中，(E1,E2,…,Em)为城市生态系统健康评价分级标准中健康级别的隶属度。

城市生态系统健康综合指数为：

(6)

其中，HLj表示健康综合指数，Eij表示第i个健康等级的隶属度j值，Pi表示第i个健康等级的分值。

3 结果与分析

3.1 指标权重计算及变化分析

以环鄱阳湖城市群2010-2017年的数据为基础，采用极差变换法进行无量纲化处理，再根据式(1)(2)(3)计算各年度城市生态系统健康评价体系准则层、指标层的权重。2010—2017年城市生态系统健康评价影响因素准则层指标权重变化如图1所示。

图1 城市生态系统健康评价影响因素准则层指标权重变化

从图1可知，2010-2017年，系统活力较为稳定，无显著变化；组织结构呈逐年上升趋势，于2017年达到峰值并与服务功能所占权重相当；恢复力所占权重最小，且无显著变化；服务功能在2012年达到峰值后逐渐下降，并与除恢复力外的其他准则层呈稳定趋势；人群健康除2010年稍微偏高外，其他年份呈现稳定上升状态。总体上，准则层权重呈现“一高一低，总体趋衡”的变化趋势，说明环鄱阳湖城市群近年来，除恢复力受其他准则层因素影响较小外，其他准则层呈总体趋衡状态，体现了环鄱阳湖城市群的经济、社会、资源、环境逐渐趋于协调发展。

3.2生态系统健康分析

以环鄱阳湖城市群2010-2017年的基础数据为依据，根据式(4)(5)(6)计算环鄱阳湖城市群10个城市的生态系统健康综合指数，计算结果见表3。

表3 环鄱阳湖城市群城市生态系统健康综合指数

从表3可知，环鄱阳湖城市群城市生态系统的总体健康水平处于上升状态。主要因为环鄱阳湖城市群是亲湖性、生态性的现代城市群，具有优质淡水湖、生物多样性淡水湖的特色，环湖周边具有丰富的生态旅游资源，环湖中心城市具有南昌滨湖生态英雄城、九江港口生态旅游城、景德镇园林生态陶瓷城、鹰潭山水生态铜业城等生态特色突出，主导产业各异的生态型城市支撑，形成了以湖为纽带、以生态为特色的城市群。作为江西省经济发展最快的区域，也是全国内陆开放型经济实验区，对外开放程度较高，发展逐年加快。中共党的十八大以后，生态理念的逐渐深入，环保政策加快施行，政府部门对产业结构的优化调整，提升了整体区域城市生态健康水平，使城市生态系统健康得到了进一步的改善和加强。

从图2可知，南昌市作为江西省会城市在8年的发展中较为突出，从亚健康转变为较健康状态，其余9个城市也处于稳定上升状态。从各要素来看，活力要素从2016年的亚健康状态过渡到了较健康状态。主要原因是城市人均GDP、人均可支配收入、实际利用外资额等指标呈现持续增长，城市生态系统的活力得到彰显；组织结构要素一直处于较健康状态，且2014年以来增长较为明显。主要体现在政府发挥积极作用，通过政策调整产业结构，使第三产业占GDP比重、第三产业从业人员占从业人员比例指标逐年递增，对生态系统组织结构产生积极影响；恢复力要素从2016年的较健康转为很健康状态，主要由于城市工业固体废物综合利用率、污水集中处理率的持续稳定增长和工业二氧化硫排放量的逐年递减，且三项指标均达到了很健康状态；服务功能要素均处于亚健康状态，主要是城市人均道路面积、每万人拥有医生人数、万人拥有公交车数虽在逐年递增，但与新型城镇化的快速发展，尤其是城镇人口的快速增长极不协调，导致社会服务难以及时满足功能需求；人群健康要素最后处于较健康状态，主要是因为随着城市化发展，居民开始注重身体健康及文化素养的提高，城市人口素质整体提升，医疗卫生条件得到大幅度改善等原因，人民生活福祉不断提高，人群健康要素趋于良好发展状态。

图2 环鄱阳湖城市群城市生态系统健康变化趋势

3.3 空间格局变化分析

选取2010和2017年的数据，分析并研究环鄱阳湖城市群空间格局的健康状况，并用Arcgis软件将计算结果进行可视化处理，图3所示。

图3 环鄱阳湖城市群生态系统健康空间格局演变情况

由图3可知，环鄱阳湖城市群城市生态系统健康状况总体呈“以南昌市为中心向外聚集辐射”的空间格局分布。2010年：南昌市、景德镇市、九江市、新余市、抚州市、萍乡市6市为亚健康状态，鹰潭市、宜春市、上饶市、吉安市4市为不健康状态，其健康水平处于[0.3728，0.5930]之间。2017年：南昌市为较健康状态，景德镇市、九江市、新余市、抚州市、萍乡市、鹰潭市、宜春市、上饶市、吉安市9市为亚健康状态，其健康水平处于[0.4906，0.7491]之间。从空间格局分布来看，研究区域城市生态系统健康水平总体呈提升状态，向着健康发展方向演变。

4 结论

(1)根据准则层的权重变化分析，总体呈现“一高一低，总体趋衡”的变换趋势，恢复力对城市群生态系统健康的影响较小，而组织结构、服务功能以及人群健康要素影响逐渐上升，最后与系统活力四个要素逐渐相当，顺应了城市生态系统与城市经济、社会、资源、环境协调发展的要求。

(2)环鄱阳湖城市群城市生态系统健康总体呈上升状态，主要是环鄱阳湖城市群发展上升为国家战略后，环鄱阳湖城市群一体化发展得到相应政策的保障实施。在新型城镇化发展进程中，城市生态系统得到科学管理与保护，从而使得城市生态系统健康状态得到了稳定的提升。

(3)从各生态要素来看，活力、恢复力和人群健康要素对促进城市生态系统健康发展有着积极的作用。而组织结构和服务功能要素受政府因素影响较大，在加强城市生态系统健康发展的同时，需要及时调整方针政策，加大基础设施建设和调整产业结构等方式去促进城市生态系统健康发展。

(4)从城市群的空间格局来看，环鄱阳湖城市群城市生态系统健康状况总体呈现“以南昌市为中心向外聚集辐射”的空间格局分布。从2010年呈现赣中部区域健康状态良好，而两端区域健康状态较差现象，转化为2017年呈现以南昌市为中心的四周辐射带动整体健康状态向较好的趋势发展。