熵視角下的延邊城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力分析

金 暉， 姚美岑， 候焱臻， 李明玉

(延邊大學(xué)理學(xué)院，吉林 延吉 133002)

在城市飛速發(fā)展的今天，為了實(shí)現(xiàn)自然與人類社會(huì)的和平共生，可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)前各國(guó)共同關(guān)注和倡導(dǎo)的話題。2016年中國(guó)城市化率達(dá)到57.35%，在未來(lái)社會(huì)發(fā)展中，城市將占據(jù)更重要的位置，因此可持續(xù)發(fā)展成為城市發(fā)展的首選目標(biāo)。城市是一個(gè)由“社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—自然”組成的多元化復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，可持續(xù)發(fā)展能力涉及到經(jīng)濟(jì)、人文、自然等諸多方面的因素，表明了城市的有序、協(xié)調(diào)、健康程度。該方向研究方法可以概括為以下3種：1) 采用生態(tài)足跡理論、綜合評(píng)價(jià)方法[1-3]；2) 基于城市生態(tài)學(xué)理論運(yùn)用熵值法[4-5]；3) 應(yīng)用GIS 技術(shù)結(jié)合生態(tài)學(xué)識(shí)別環(huán)境對(duì)人類破壞的承受力[6-7]。通過(guò)文獻(xiàn)可知，從城市生態(tài)學(xué)方向入手是近年來(lái)的研究趨勢(shì)，但延邊該方面的研究有所欠缺，鑒于此，借鑒學(xué)者們總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)與方法，將熵變分析和信息熵相結(jié)合，根據(jù)時(shí)間序列對(duì)延邊城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲取性和實(shí)效性，本研究收集了延邊2009—2015年的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)自于2010—2016年《延邊統(tǒng)計(jì)年鑒》以及2010—2016年《吉林統(tǒng)計(jì)年鑒》(表1)。

表1 延邊州城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)

續(xù)表1 延邊州城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)

1.2 數(shù)據(jù)處理

本研究主要涉及2個(gè)部分：生態(tài)系統(tǒng)在發(fā)展中熵值的變化以及根據(jù)熵值的變化分析研究期間延邊可持續(xù)發(fā)展能力。本研究的數(shù)據(jù)單位以及數(shù)值沒(méi)有一定的規(guī)律，如果指標(biāo)歸一化處理不當(dāng)，研究結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生偏差，使得結(jié)論與實(shí)際嚴(yán)重不符，因此數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是關(guān)鍵問(wèn)題。本研究采用Z-score方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，只需要區(qū)分正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)：

1) 正向指標(biāo)歸一化方法：

(1)

2) 負(fù)向指標(biāo)歸一化方法：

(2)

2 研究方法

熵(Entropy)最早起源于統(tǒng)計(jì)物理和熱力學(xué)。信息熵在1948年基于信息論由美國(guó)數(shù)學(xué)家Shannon提出[8]，體現(xiàn)某一系統(tǒng)的無(wú)序水平，用以判斷該系統(tǒng)的發(fā)展方向[5]。信息熵理論是基于概率和統(tǒng)計(jì)學(xué)建立的，多角度的信息被量化融合，用來(lái)分析復(fù)雜問(wèn)題表達(dá)研究系統(tǒng)無(wú)序程度的一種方法[9-10]。

I.Prigogine所提出的耗散結(jié)構(gòu)有3個(gè)條件：系統(tǒng)必須是開(kāi)放的；是一種遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)；需要有熵值不斷輸入，形成新的有序狀態(tài)[11]。一般情況下生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展協(xié)調(diào)且有序，新物質(zhì)與舊物質(zhì)交替產(chǎn)生，信息與能量進(jìn)行交換，并在外界的不斷干擾下發(fā)生有序循環(huán)，與耗散結(jié)構(gòu)的所有特征相符。城市生態(tài)系統(tǒng)是舊結(jié)構(gòu)不斷消亡，新結(jié)構(gòu)不斷生成代替了舊結(jié)構(gòu)，一個(gè)獨(dú)立體中的熵總是不會(huì)減少的，這種演化的過(guò)程可以用信息熵表示。

由于地理系統(tǒng)和熱力學(xué)系統(tǒng)及其相似[12]，因此本研究將采用熱力學(xué)第二定律對(duì)信息熵進(jìn)行計(jì)算。

2.1 熵變過(guò)程

城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)屬于典型的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[13]，由于人類活動(dòng)不斷從生態(tài)環(huán)境中獲取能量和物質(zhì)，但獲取不是無(wú)限制的，應(yīng)該通過(guò)技術(shù)應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)展的速度和規(guī)模，應(yīng)遵循熵變方程。

遵循耗散結(jié)構(gòu)理論，城市總熵變表示為：

dS=diS+deS

(3)

式中，diS指系統(tǒng)內(nèi)部熵增加的過(guò)程，由于這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)是孤立的，該過(guò)程不可逆，因此,diS的值恒大于零。deS指系統(tǒng)與外部的信息、能量的交換，因此deS的值正、負(fù)、零皆可，dS表明發(fā)展方向。在獨(dú)立系統(tǒng)中，隨著熵的增加一定會(huì)有dS≥0，但是在外界物質(zhì)的干擾下，當(dāng)|deS|≥diS時(shí)，一定會(huì)發(fā)生dS≥0，在這種情況下熵值在降低，而有序度在變高，最終停留在低熵值的穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)生態(tài)系統(tǒng)是有序且健康的。

2.2 熵流和熵產(chǎn)生

生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者和非生物環(huán)境是組成城市生態(tài)系統(tǒng)的4大要素。城市是人類與生態(tài)共生的復(fù)雜的系統(tǒng)，其主體是人類，而城市則具有生產(chǎn)、消費(fèi)及還原等功能。生產(chǎn)功能指城市為人類供應(yīng)必須的物質(zhì)資源；消費(fèi)功能指人類從生態(tài)環(huán)境中不斷獲取，并對(duì)環(huán)境造成不利的影響；還原功能指城市在人類對(duì)城市的生態(tài)環(huán)境造成一定程度的破壞時(shí)，能及時(shí)的對(duì)破壞進(jìn)行修復(fù)，維持社會(huì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)、持續(xù)的發(fā)展。而這3種功能通過(guò)信息之間的相互流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

熵流表示協(xié)調(diào)度，指在信息熵變化的過(guò)程中自然生態(tài)系統(tǒng)能夠承受人類對(duì)其造成壓力的大??；熵產(chǎn)生指城市在被人類生產(chǎn)生活污染時(shí)生態(tài)系統(tǒng)及時(shí)作出的響應(yīng)狀態(tài)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行還原再生。總熵表示城市生態(tài)系統(tǒng)的有序度健康水平。

2.3 指標(biāo)體系的構(gòu)建

指標(biāo)的篩選與本文結(jié)論的科學(xué)性和可信度密切相關(guān)，因此指標(biāo)的選取尤為關(guān)鍵。本研究根據(jù)實(shí)用性、科學(xué)性、層次性、可操作性以及前瞻性這5個(gè)方面結(jié)合延邊的實(shí)際情況進(jìn)行指標(biāo)選取(表2)[1、14]。

表2 延邊州城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1) 支持型輸入熵指標(biāo)：指生產(chǎn)者與生產(chǎn)力對(duì)城市提供物質(zhì)基礎(chǔ)，該熵值輸入的大小直接影響生態(tài)系統(tǒng)承載力能力的高低。該指標(biāo)的選取應(yīng)該注意2個(gè)方面：①選取生活所需要的基礎(chǔ)物質(zhì)；②表明自然資源開(kāi)發(fā)利用方面的指標(biāo)，如原煤、鋼材等。

2) 壓力型輸出熵指標(biāo)：指城市生態(tài)系統(tǒng)的主要消費(fèi)者及其消費(fèi)能力的高低，這些主要消費(fèi)者對(duì)環(huán)境的不利影響以及對(duì)能源的消耗，將會(huì)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)一定的壓力。在指標(biāo)的選取方面要注意人口的增長(zhǎng)，居民消費(fèi)水平的提高對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)的壓力。

3) 消費(fèi)代謝型熵指標(biāo)：指人類將生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的污染物排放到城市，給環(huán)境帶來(lái)壓力，對(duì)環(huán)境造成一系列的污染和破壞。主要選取對(duì)城市環(huán)境造成污染的一系列工業(yè)，生活污染物的排放指標(biāo)，這些指標(biāo)一般分為氣、液、固3類。

4) 還原代謝型熵指標(biāo)：指以人為主體的城市對(duì)污染的治理以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)破壞的修復(fù)。還原代謝型熵指標(biāo)的選取主要分為2方面：①集中在生產(chǎn)、生活污染物的處理情況；②城市建設(shè)的綠化等，能夠增加承載能力的指標(biāo)。

2.4 基于信息熵的評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

熵值法主要是對(duì)所選指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定[15]。表3為各類型熵的符號(hào)與計(jì)算公式，根據(jù)信息熵的理論確定指標(biāo)的重要程度。

表3 熵流、熵產(chǎn)生和總熵變的符號(hào)和計(jì)算公式

熵流和熵產(chǎn)生的計(jì)算如下。

根據(jù)Shannon熵理論，用隨機(jī)變量X表示城市生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)特征；對(duì)于離散型隨機(jī)變量，設(shè)X的取值為X={x1,x2,…,xn}(n≥2) ，每一取值對(duì)應(yīng)的概率為P={p1,p2…,pn}，(0≤pi≤1,i=1,2,…,n)且有∑Pi=1，則該系統(tǒng)的信息熵為：

S=-∑Piln(Pi)

(4)

式中,S為不確定性系統(tǒng)的信息熵，Pi為表示隨機(jī)變量 的概率。

針對(duì)不同年份的信息熵進(jìn)行計(jì)算。如果對(duì)m個(gè)年份n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，△S為上文所構(gòu)建的4種類型熵，則[16]：

(5)

2.4.2 優(yōu)異性量化評(píng)價(jià)模型

接下來(lái)需要對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)指標(biāo)的信息進(jìn)行量化，根據(jù)信息熵理論計(jì)算出城市發(fā)展?fàn)顩r得分值：

G=∑QiXi

(6)

式中,Xi為第i年評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化值，Qi為該指標(biāo)的權(quán)重，G為某年的城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的總得分。

如前所述，如果對(duì)m個(gè)年份n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，Ei為第i項(xiàng)指標(biāo)的信息熵，則：

(7)

式中,Qi為指示熵權(quán)，Ei是指信息熵，n表示指標(biāo)個(gè)數(shù)。

從信息的角度考慮，熵權(quán)大時(shí)有用的信息也就多，指標(biāo)越重要對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響越大，反之亦然。本研究將熵權(quán)大小與時(shí)間相互聯(lián)系，提出延邊生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)措施。

3 結(jié)果與分析

3.1 延邊生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)分析

延邊生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平綜合評(píng)價(jià)分析從2個(gè)方面展開(kāi)：1) 基于信息熵的熵變分析，代表延邊發(fā)展的有序度及健康水平；2) 基于信息熵得分的可持續(xù)發(fā)展能力分析。

3.1.1 延邊生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展與演化的熵變分析

根據(jù)評(píng)價(jià)模型由表4可知，支持輸入型熵在2012年先減少后增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)幅度并不大，波動(dòng)上升。壓力輸出型熵緩慢下降，說(shuō)明緩慢增長(zhǎng)的人口以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響正在逐年減弱，城市的無(wú)序度減小。消費(fèi)代謝型熵呈震動(dòng)下降的趨勢(shì)，但幅度并不大，而還原代謝型熵與之相反，表明2009—2015年延邊污染得到了高效的治理。

熵流、熵產(chǎn)生與總熵變?cè)谘芯科陂g均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其中，熵流下降幅度逐漸減小，逐漸趨于穩(wěn)定，熵產(chǎn)生與總熵變波動(dòng)下降幅度較大，在2012年之前呈增加趨勢(shì)，2012年之后快速減少。熵流、熵產(chǎn)生與總熵變?cè)?009—2015年，逐漸下降并且趨于穩(wěn)定，說(shuō)明延邊的生態(tài)系統(tǒng)健康。

表4 基于信息熵的延邊州城市生態(tài)系統(tǒng)熵值、熵變與得分

3.1.2 延邊生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力分析

為了能夠更加直觀的反映延邊生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力，根據(jù)表4中4種熵值的得分與總得分得到圖1～3，對(duì)延邊生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力得分分析如下。

1) 支持型輸入熵在2009—2010年快速增加，2010—2014年呈逐年減少的趨勢(shì)，2014—2015年又有所回升。由圖1可知，延邊支持型輸入熵在2010年最大，達(dá)到0.816 9，在2014年最小，為0.404 5，2010與2012年為2個(gè)轉(zhuǎn)折年份，2010年先增加后減少，2012年與之相反，表明城市生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力在2010年達(dá)到最大，隨后下降，最終在2012年回升，但總體呈上升趨勢(shì)，表明延邊自然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)城市主體消費(fèi)者活動(dòng)的支持能力逐漸增高。壓力型輸出熵在2014年有小幅波動(dòng)，總體呈穩(wěn)固下降趨勢(shì)，但斜率降低逐漸減小，表明城市主體消費(fèi)者對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的壓力逐年增大。由圖2可知，消費(fèi)型代謝熵在2011和2014年發(fā)生輕微波動(dòng)，總體熵值穩(wěn)定，表明延邊城市污染物的排放逐年變化不大。還原代謝型熵在2009—2013年穩(wěn)固增加，隨后減少，2014—2015年又開(kāi)始增加，整體呈上升趨勢(shì)，表明隨著延邊對(duì)生態(tài)環(huán)境的治理和保護(hù)能力的增強(qiáng)，城市的代謝功趨于完善。

2) 由圖3可知，延邊城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展總得分2010、2013與2015年上升，2011、2012與2014年下降，其中，2009年得分最低，2015年得分最高，表明延邊城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力從2009—2015年總體呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

圖3 延邊州城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力得分變化趨勢(shì)

3.2 基于各類型熵的城市發(fā)展措施

3.2.1 支持型輸入熵指標(biāo)

由表5可知，在支持型輸入熵指標(biāo)中造林面積熵權(quán)指標(biāo)最大，是延邊生產(chǎn)力、活力的重要體現(xiàn)，其次，鋼材總產(chǎn)量和水果產(chǎn)量也占有較大權(quán)重，3個(gè)指標(biāo)的數(shù)值在2009—2015年增長(zhǎng)幅度很大，說(shuō)明在研究期間其對(duì)延邊支持輸入系統(tǒng)中支持力的增加起到了至關(guān)重要的作用。而水產(chǎn)品、糧食以及原煤總產(chǎn)量這3個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)相對(duì)較小，其中，原煤總產(chǎn)量2015年還要少于2009年，水產(chǎn)品與糧食產(chǎn)量略有增加，但變化不大，這對(duì)延邊州支持型輸入系統(tǒng)中的支持力有負(fù)面影響。延邊需要增加水產(chǎn)品的產(chǎn)量，對(duì)農(nóng)田加以保護(hù)，增加原煤產(chǎn)量以提高延邊自然生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜度。

3.2.2 壓力型輸出熵指標(biāo)

由表5可知，在壓力型輸出熵指標(biāo)中城鎮(zhèn)和農(nóng)村人均消費(fèi)水平、人口密度、全行業(yè)用電量等4個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)最大，說(shuō)明這4項(xiàng)指標(biāo)大幅度增加為延邊壓力輸出系統(tǒng)施加了一定的壓力。因此，延邊應(yīng)該重視城鎮(zhèn)、農(nóng)村消費(fèi)水平、人口密度以及全行業(yè)用電量增加所帶來(lái)的問(wèn)題，以減小對(duì)延邊城市生態(tài)系統(tǒng)的壓力。關(guān)于全行業(yè)用電量的問(wèn)題，延邊需要優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，在合理的范圍內(nèi)控制用電量，做到不浪費(fèi)。民用車輛個(gè)人擁有量這個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)最小，這是由于原始數(shù)據(jù)中民用車輛個(gè)人擁有量增幅并不大，在2009年之前民用汽車基數(shù)就已經(jīng)很大了，表明這組指標(biāo)的增多與減少對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)壓力熵影響不大，延邊目前還不需要擔(dān)心汽車需求量的大幅增加。

3.2.3 消費(fèi)代謝型熵指標(biāo)

由表5可知，在消費(fèi)代謝型熵指標(biāo)中工業(yè)煙(粉)塵排放量、工業(yè)廢水中氨氮排放量這2個(gè)指標(biāo)熵權(quán)較大，說(shuō)明與城市代謝系統(tǒng)的相關(guān)性最大。這2項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)在研究期間呈大幅增加的趨勢(shì)，說(shuō)明這2種工業(yè)廢物的大量排放對(duì)環(huán)境造成很大的壓力。生活氨氮排放量與工業(yè)廢水排放總量這2個(gè)指標(biāo)熵權(quán)較小，表明對(duì)環(huán)境造成的壓力小，影響不大。

3.2.4 還原代謝型熵指標(biāo)

由表5可知，在還原代謝型熵指標(biāo)中工業(yè)固體廢物處值量、污水處理總量這2個(gè)指標(biāo)增幅最大，其熵權(quán)也最大。說(shuō)明工業(yè)固體廢物處值量和污水處理量的大幅度增加，在一定程度上增強(qiáng)了延邊城市生態(tài)系統(tǒng)的還原代謝功能。建城區(qū)綠化覆蓋率與綠地率的熵權(quán)較小，因此為了提高延邊還原代謝功能，應(yīng)進(jìn)一步提高建成區(qū)綠地的覆蓋面積。

表5 延邊城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵和熵權(quán)

4 討論與結(jié)論

通過(guò)對(duì)延邊社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)的熵變分析可知，當(dāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的多樣性和復(fù)雜性不斷提高時(shí)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)自然系統(tǒng)的依賴性也就越大。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)污染被控制時(shí)，延邊生態(tài)活力有所提升，2015年提升最為明顯，說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)部正在向健康的方向發(fā)展。

通過(guò)對(duì)延邊可持續(xù)發(fā)展能力分析發(fā)現(xiàn)，延邊2009—2015年生態(tài)系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的支持力有所增強(qiáng)，延邊對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，使得生態(tài)環(huán)境得到明顯的改善，城市的自我還原和代謝功能增強(qiáng)，延邊城市協(xié)調(diào)性和活力有所增強(qiáng)，2009—2015年可持續(xù)發(fā)展呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)指標(biāo)熵權(quán)與時(shí)間進(jìn)行綜合分析提出了基于各類型熵的延邊發(fā)展措施：延邊應(yīng)加大造林面積，增加水果產(chǎn)量；高度重視城鎮(zhèn)和農(nóng)村消費(fèi)水平、人口密度的增加以及全行業(yè)用電總量，做到優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，節(jié)約用電量；著重治理煙(粉)塵排放，逐漸減少工業(yè)二氧化硫排放；進(jìn)一步提高城市綠化面積。

本研究是在總結(jié)大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合延邊生態(tài)系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)，構(gòu)建了可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用熵值法客觀分析延邊可持續(xù)發(fā)展能力，彌補(bǔ)了現(xiàn)有評(píng)價(jià)體系和方法的不足，但是由于城市生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、數(shù)據(jù)的可獲取性，所選取的指標(biāo)不能完全涵蓋城市生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)方面，而且由于每個(gè)城市的獨(dú)特性，該評(píng)價(jià)方法不適合于城市與城市之間的橫向比較。

參考文獻(xiàn)：

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