基于耗散結(jié)構(gòu)理論的上海城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)空間演化特征

金云峰 李濤 吳鈺賓 楊丹

摘要：“文章選取上海2000-2015年的城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)空間相關(guān)數(shù)據(jù)，通過耗散結(jié)構(gòu)理論的熵值分析法，首先分析了上海城市建設(shè)用地多樣性在全國處于中等的研究背景，其次總結(jié)了上海城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)的3項(xiàng)空間演化特征，即游憩型綠地的開放性增強(qiáng)、綠地功能類型多樣性增加、生態(tài)因子具有非線性作用，最后提出風(fēng)景游憩綠地需提升綜合品質(zhì)，生態(tài)保育綠地應(yīng)實(shí)施自然再生等優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：耗散結(jié)構(gòu)，熵值分析，多樣性指數(shù)，綠地系統(tǒng)

DOI： 10.3969/j.issn.1672-4925.2019.01.003

“城市雙修”理念中的“生態(tài)修復(fù)”目的在于為城市健康活力運(yùn)作提供必要的生態(tài)安全格局，更為城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)中的生物多樣性保護(hù)提供有序的生態(tài)空間結(jié)構(gòu)。而耗散結(jié)構(gòu)理論正是基于自組織復(fù)雜性視角，研究動(dòng)態(tài)有序結(jié)構(gòu)秩序的達(dá)成條件及對(duì)策的系統(tǒng)性方法論，并將這種過程定義為“系統(tǒng)與環(huán)境之間相互作用達(dá)到某一臨界值時(shí)出現(xiàn)的有序結(jié)構(gòu)”[1]。這種以復(fù)雜性科學(xué)哲學(xué)視角來化解復(fù)雜問題的方法，是未來城鄉(xiāng)綠地進(jìn)行復(fù)雜性管理[2]的必要前提，也是時(shí)代的要求，更是城市規(guī)劃、風(fēng)景園林學(xué)科未來的發(fā)展方向[3]。

1理論概念和研究方法

1.1耗散結(jié)構(gòu)理論

耗散結(jié)構(gòu)理論是復(fù)雜自組織創(chuàng)造條件方法論[4-5]，其出現(xiàn)背景是19世紀(jì)非生命系統(tǒng)能量耗散的退化觀念體系以及生命系統(tǒng)高級(jí)組織結(jié)構(gòu)的進(jìn)化觀念體系的時(shí)代研究熱潮，目的在于揭示橫跨自然界與人類社會(huì)之間一致的復(fù)雜組織現(xiàn)象及過程。1969年比利時(shí)物理化學(xué)家Prigogine首次提出耗散結(jié)構(gòu)[6].主要是為了闡釋系統(tǒng)與環(huán)境之間的物質(zhì)、能量變化，及這些變化對(duì)復(fù)雜組織系統(tǒng)的影響，即建立在系統(tǒng)和環(huán)境之間物質(zhì)、能量交換基礎(chǔ)上形成的耗散結(jié)構(gòu)研究。

耗散結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)與環(huán)境之間相互作用達(dá)到某一臨界值時(shí)出現(xiàn)的有序結(jié)構(gòu)。“有序”是指能量或功能上的“活的有序”，而非結(jié)構(gòu)或形式上的“死的有序”。綠地系統(tǒng)要達(dá)到有序穩(wěn)定的組織狀態(tài)正是耗散結(jié)構(gòu)態(tài)。綠地系統(tǒng)演化進(jìn)程滿足形成耗散結(jié)構(gòu)的所有4項(xiàng)條件：系統(tǒng)內(nèi)外部時(shí)刻進(jìn)行物質(zhì)能量信息交換的開放性特征;子系統(tǒng)之間因不同的功能作用和結(jié)構(gòu)布局而導(dǎo)致的空間格局非平衡性特征;系統(tǒng)內(nèi)部外部之間正反饋增強(qiáng)（相互協(xié)同）或負(fù)反饋弱化（相互制約）的非線性相互作用特征;外部干擾（如氣候變化、空間干預(yù)）和內(nèi)部作用導(dǎo)致系統(tǒng)演化偏離整體穩(wěn)定態(tài)的漲落性特征。綠地系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)態(tài)則表現(xiàn)為綠地結(jié)構(gòu)漸趨精良，系統(tǒng)活力、有序度及吸引力的持續(xù)增強(qiáng)等。這種情況通常發(fā)生在以城鄉(xiāng)綠地（特別是風(fēng)景名勝區(qū)）為主要吸引力的城市，也會(huì)發(fā)生在節(jié)假日（特別是黃金周），這與旅游客流量增加所帶來的熵流密切相關(guān)，加之同時(shí)管護(hù)運(yùn)營等人力、物力、財(cái)力的物質(zhì)能量注入共同構(gòu)成耗散體系環(huán)。

目前，耗散結(jié)構(gòu)結(jié)合生態(tài)的文獻(xiàn)普遍較多且豐富（圖1），包括生態(tài)系統(tǒng)的演化研究、生態(tài)保護(hù)與修復(fù)研究、生態(tài)文明建設(shè)研究等[7]。雖然耗散結(jié)構(gòu)結(jié)合綠地、景觀的研究文獻(xiàn)目前尚缺，但是耗散結(jié)構(gòu)方法論中的熵值分析結(jié)合綠地、景觀的研究已取得初步成效，相關(guān)研究集中在景觀異質(zhì)性研究、景觀格局變化、綠地空間格局分析等領(lǐng)域[8]，整體而言，耗散結(jié)構(gòu)結(jié)合綠地空間的研究水平仍處于起步階段。

1.2研究方法：熵值分析

熵值分析是度量復(fù)雜不確定性的重要工具[9]，是1948年Shannon在信息論中引入的用于度量系統(tǒng)信息量和不確定性程度的重要概念。熵值分析通常應(yīng)用于生態(tài)、城鎮(zhèn)關(guān)系、物理、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域相關(guān)指標(biāo)的應(yīng)用評(píng)價(jià)與效能評(píng)估[10]。在空間研究領(lǐng)域，熵值分析多用于土地利用結(jié)構(gòu)演化有序性研究[11]、生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)演化分析[12]、旅游系統(tǒng)生命周期演化研究[13].熵權(quán)分析則多用于城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[14-15]。

根據(jù)Shannon熵公式可構(gòu)建用地類型多樣性指數(shù)[16]：

式（1）中H為用地類型多樣性指數(shù)，也就是信息熵值;Pi為第i個(gè)指標(biāo)所占百分比，具有歸一性。根據(jù)信息熵函數(shù)，可計(jì)算出系統(tǒng)均衡度指數(shù)J= H/Ln，（n）。繼而可計(jì)算出優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，=1-J。

根據(jù)熵權(quán)法，假設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象有m個(gè)，評(píng)價(jià)指標(biāo)有n個(gè)，則i取值1到n，j取值1到m。那么第i個(gè)指標(biāo)熵值Hi計(jì)算公式為：

式（2）中k= l//n， （m）;Pi為第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第i個(gè)指標(biāo)所占百分比（即總和標(biāo)準(zhǔn)化的歸一化）。根據(jù)指標(biāo)熵值E結(jié)果，計(jì)算出第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)Wi：

2研究背景

比較2015年我國22個(gè)省、自治區(qū)、直轄市城市建設(shè)用地規(guī)模，整理住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部官網(wǎng)《2015年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》發(fā)布數(shù)據(jù)，以居住用地、公共管理與公共服務(wù)用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地、工業(yè)用地、物流倉儲(chǔ)用地、道路交通設(shè)施用地、公用設(shè)施用地、綠地與廣場用地為具體指標(biāo)，根據(jù)多樣性指數(shù)公式（1）計(jì)算并分析各省市城市建設(shè)用地類型的多樣性情況（圖2）。

研究發(fā)現(xiàn)，除河北外，北部地區(qū)建設(shè)用地類型多樣性指數(shù)普遍較高，東部地區(qū)建設(shè)用地類型多樣性指數(shù)普遍較低。這說明整體而言，北部地區(qū)城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)比東部地區(qū)建設(shè)用地類型多樣性和異質(zhì)性更高。南部地區(qū)和西部地區(qū)則呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性，表明這些地區(qū)建設(shè)用地結(jié)構(gòu)多樣化程度具有不一致性特征。

上海城市建設(shè)用地多樣性全國居中（多樣性指數(shù)為1. 82）。近年來，上海城市建設(shè)用地格局演化已經(jīng)逐步由“攤大餅式”的低密度蔓延發(fā)展，轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出“一個(gè)中心、若干衛(wèi)星城”的組團(tuán)發(fā)展模式[17].也因此上海城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用耕地情況更加嚴(yán)峻。

3上海城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)的空間演化特征

3.1游憩型綠地的開放性增強(qiáng)

開放性是系統(tǒng)產(chǎn)生有序穩(wěn)定耗散結(jié)構(gòu)的首要前提條件，是指系統(tǒng)內(nèi)外部存在物質(zhì)能量信息的持續(xù)交流。城鄉(xiāng)綠地是兼具開放、半開放、不開放屬性的綠色生態(tài)空間，根據(jù)《城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》（ CJJ/T85 -2017），Gl公園綠地、G3廣場用地、EGI風(fēng)景游憩綠地屬于開放性的游憩型綠地。上海城鄉(xiāng)游憩型綠地的開放性程度具有空間分布不均衡特點(diǎn)，主要由中心城區(qū)公園綠地承擔(dān)。以2016年為例，中心城區(qū)公園綠地面積明顯低于郊區(qū)（圖3），特別是黃浦區(qū)、靜安區(qū)、虹口區(qū)公園綠地均不超過300 hm2.但游園人數(shù)中心城區(qū)卻高出郊區(qū)近20倍。

3.2綠地功能類型多樣性增加

由于上海市統(tǒng)計(jì)局《2017年統(tǒng)計(jì)年鑒》官網(wǎng)發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)仍按舊版《城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》（ CJJ/T85-2002），考慮到綠地分類并不影響系統(tǒng)演化特征的熵值分析結(jié)論，因此仍選取年鑒中公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護(hù)綠地、附屬綠地、其他綠地5類綠地規(guī)模為具體指標(biāo)，通過各綠地規(guī)模數(shù)據(jù)總和歸一化和熵值公式（式1），計(jì)算2000-2015年上海市綠地功能類型多樣性、均衡度、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，上海市綠地功能類型多樣性存在動(dòng)蕩發(fā)展態(tài)勢(shì)（圖4）：1）研究期內(nèi)綠地功能類型多樣性于2003年達(dá)到最高值后，持續(xù)下降至2009年到達(dá)最低值，繼而再緩慢上升。這表明2009年前綠地功能多樣性主要受城市建設(shè)活動(dòng)影響.2009年后由于大規(guī)模自然保護(hù)區(qū)等直接計(jì)入其他綠地類型，因此綠地功能類型多樣性持續(xù)增加。2）均衡度同樣先降低再上升。2009年前城市綠地功能類型整體分布漸趨不均衡，公園綠地類型優(yōu)勢(shì)度明顯。2009年后綠地功能類型均衡性增強(qiáng)，單一城市綠地類型的優(yōu)勢(shì)度下降。如近年來郊野公園、濕地公園、森林公園等規(guī)模增加，削減了公園綠地的優(yōu)勢(shì)度，使得整體城市綠地功能結(jié)構(gòu)布局趨于空間均衡。

3.3生態(tài)因子具有非線性作用

以生態(tài)系統(tǒng)演化分析為目標(biāo)層，以熵流（輸入輸出熵矢量和）和熵產(chǎn)生（代謝熵矢量和）為分目標(biāo)層，以支持型輸入熵、壓力型輸出熵、氧化型代謝熵、還原型代謝熵[18-19]為準(zhǔn)則層，新增造林面積等35項(xiàng)具體指標(biāo)，選取第九個(gè)五年計(jì)劃末年到第十二個(gè)五年計(jì)劃末年（即2000年、2005年、2010年、2015年）4個(gè)時(shí)間段，構(gòu)建上海2000-2015年生態(tài)系統(tǒng)演化指標(biāo)體系（表1）。

1）數(shù)據(jù)來源。各具體指標(biāo)的年份數(shù)據(jù)整理來自上海市統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)、歷年《上海市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、上海市環(huán)境保護(hù)局發(fā)布的歷年《環(huán)境狀況公報(bào)》等。

2）指標(biāo)選取。選取指標(biāo)過程中，因部分指標(biāo)無法獲取或數(shù)據(jù)不一致性而選用其他指標(biāo)代替。如用煙塵排放總量、工業(yè)廢氣排放總量等表征階段性環(huán)境治理后的系統(tǒng)滯塵、抗大氣污染的生態(tài)效能，用人口密度等表征游憩人流量潛在吸引度，用森林覆蓋率、自然保護(hù)區(qū)覆蓋率等表征物種豐富度、景觀多樣性。除此之外，還有生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度、景觀空間綜合視覺吸引力等難以統(tǒng)計(jì)而尚未列入的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3）各熵表征。支持型輸入熵反映系統(tǒng)生產(chǎn)承載能力及對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的支持力，表征系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)服務(wù)效能。壓力型輸出熵反映系統(tǒng)面臨的外部社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)壓力，表征系統(tǒng)的社會(huì)服務(wù)效能。氧化型代謝熵、還原型代謝熵分別反映環(huán)境治理下各類污染物對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面干擾能力、系統(tǒng)還原代謝的自我凈化能力，這兩項(xiàng)熵指標(biāo)表征系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)效能。

結(jié)合指標(biāo)數(shù)據(jù)的整理統(tǒng)計(jì)，通過熵值分析（式1一式3）計(jì)算各指標(biāo)熵權(quán)權(quán)重（表1），研究發(fā)現(xiàn)：1）新增造林面積和進(jìn)出口總額在支持型輸入熵中權(quán)重較大，這種內(nèi)外向的功能強(qiáng)化與經(jīng)濟(jì)刺激能夠影響生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力;2）城鎮(zhèn)居民消費(fèi)水平在壓力型輸出熵中權(quán)重較大，說明城鄉(xiāng)居民的休閑游憩需求已成為生態(tài)系統(tǒng)演化的主要外在壓力，迫使系統(tǒng)內(nèi)部用地轉(zhuǎn)型進(jìn)行協(xié)同演變，如耕地到農(nóng)業(yè)采摘園的耦合功能轉(zhuǎn)變：3）垃圾產(chǎn)生量在氧化型代謝熵中權(quán)重最大，說明龐大的垃圾產(chǎn)生量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)干擾最強(qiáng)：4）污水處理量在還原型代謝指標(biāo)熵中權(quán)重最大，說明其對(duì)河流水系污染程度直接決定著生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力：其次是城市人均公園綠地面積權(quán)重較大，因經(jīng)濟(jì)支持及人流量負(fù)熵使其還原代謝能力較強(qiáng)。

4啟示與展望

“生態(tài)修復(fù)”目標(biāo)背景下，耗散結(jié)構(gòu)理論為如何保障城鄉(xiāng)綠地空間格局進(jìn)行穩(wěn)定可持續(xù)的發(fā)展演化帶來2點(diǎn)啟示。1）風(fēng)景游憩綠地需要提升綜合品質(zhì)。在上海土地資源約束趨緊和生態(tài)游憩空間匱乏形勢(shì)下，推進(jìn)以郊野公園為重點(diǎn)的大型游憩空間和生態(tài)環(huán)境建設(shè)能促動(dòng)風(fēng)景游憩綠地漲落加速成為耗散結(jié)構(gòu)[20-21].從而優(yōu)化城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)空間布局。2）生態(tài)保育綠地實(shí)施自然再生。建設(shè)用地總量“零增長”剛性管控下的生態(tài)修復(fù)策略需要保證生態(tài)保育綠地進(jìn)行自然修復(fù)[22].從而增強(qiáng)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)度，包括師法自然生態(tài)修復(fù)法技術(shù)[23]、生態(tài)減緩技術(shù)等[24]。

基于耗散結(jié)構(gòu)理論的綠地系統(tǒng)空間研究，通過熵值變化探討系統(tǒng)的多樣性、均衡性、非線性等演化特征，而不局限于可視的空間視角。未來應(yīng)更強(qiáng)化耗散結(jié)構(gòu)理論與城市系統(tǒng)、綠地系統(tǒng)研究的復(fù)雜性對(duì)接，并通過提取時(shí)空演化規(guī)律揭示潛藏其中的空間演化規(guī)律性特征，在格物致知的基礎(chǔ)上探析復(fù)雜背后的簡易規(guī)律，從而預(yù)測(cè)并指引未來系統(tǒng)演化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]鄔建國.景觀生態(tài)學(xué)：格局、過程、尺度與等級(jí)[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，趙萬民.對(duì)西南山地城市公共空間系統(tǒng)復(fù)雜性與復(fù)雜問題的解析[J].中國園林，2011，27（8）：58-61.

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

[5]金云峰，李濤.基于白組織理論的城鄉(xiāng)空間與綠地系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].中國城市林業(yè)，2015，13（5）：1-4.

[6]伊·普里戈金（I.Prigogine），伊·斯唐熱（I.Stengers）.從混沌到有序：人與自然的新對(duì)話[M].曾慶宏，沈小峰，譯上海：上海譯文出版社，2005

[7]姜廣舉，林國標(biāo)，史曉平.當(dāng)代環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇：論生態(tài)平衡與耗散結(jié)構(gòu)[J].系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報(bào)，2012（4）：80-83.

[8]段亞鋒，王克林，馮達(dá).洞庭湖區(qū)景觀異質(zhì)性的尺度效應(yīng)研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)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]黃國慶，王明緒，王國良.效能評(píng)估中的改進(jìn)熵值法賦權(quán)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（28）：2，45-248

[11]何祖慰，楊忠，羅輯.西藏昌都地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)熵值時(shí)序分析[J].長江流域資源與環(huán)境，2007（2）：192-195

[12]王珞珈，董曉峰，劉星光，等.基于信息熵的蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力演化分析[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（6）：764-770.

[13]朱翠蘭，侯志強(qiáng)基于系統(tǒng)熵的區(qū)域旅游合作系統(tǒng)演化研究：以廈漳泉地區(qū)為例[J].旅游論壇，2013（5）：56-61.

[14]周文華，王如松基于熵權(quán)的北京城市生態(tài)系統(tǒng)健康模糊綜合評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005（12）：3244-3251.

[15]師謙友，趙檐瑾，羅晶基于熵權(quán)分析的西安城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].資源開發(fā)與市場，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]繆麗娟，崔雪鋒，欒一博，等J匕京上海近20a城市化過程中土地利用變化異同點(diǎn)探析[J].氣象科學(xué)，2011（4）：398-404.

[18]張妍，楊志峰，何孟常.等.基于信息熵的城市生態(tài)系統(tǒng)演化分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（8）：1127-1134

[19]榮冰凌，陳春娣，鄧紅兵城市綠色空間綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及應(yīng)用[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，2009（1）：33-37.

[20]馬震陸讓上海郊野公園回歸生態(tài)本位[J].上海國土資源，2015（2）：33-35，54

[21]方家，王德，朱瑋，等.基于sP法的上海居民郊野公園游憩偏好研究[J]中國園林，2016，32（4）：50-55

[22]金云峰，王越，蔣祎.有機(jī)更新發(fā)展理念下城市線性綠地的功能修補(bǔ)研究[J].中國城市林業(yè)，2018，16（2）：22-26.

[23]張成梁，LI B.L美國煤礦廢棄地的生態(tài)修復(fù)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，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

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ 51708415）

第一作者：金云峰（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，副系主任，研究方向?yàn)轱L(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)方法與工程技術(shù)，公園綠地與開放空間，中外園林與現(xiàn)代景觀，風(fēng)景旅游區(qū)保護(hù)與更新。E-mail： jinyf79@ 163.com

通信作者：楊丹（1986-），女，碩士，研究方向?yàn)轱L(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)。E-mail： 83963942@ qq.com