云南省城市生態子系統安全動態預警格局

潘永平， 潘玉君， 余祖亮， 成忠平

(云南師范大學 旅游與地理科學學院， 云南 昆明 650500)

●化學與環境資源研究

云南省城市生態子系統安全動態預警格局

潘永平， 潘玉君， 余祖亮， 成忠平

(云南師范大學 旅游與地理科學學院， 云南 昆明 650500)

基于《云南省統計年鑒(2011—2015)》數據，利用動態預警分析方法測度了2011—2014年云南省16市州城市水生態系統、大氣生態系統、土地生態系統、生物生態系統、社會經濟生態系統，各生態子系統安全預警的空間格局.研究發現：2011—2014年云南省16市州城市生態系統子系統發展度預警空間格局變化中有1/2的市州城市水生態系統處于惡化狀態，接近1/3的市州城市大氣生態系統處于惡化狀態，最嚴重的是2013年有3/4市州城市大氣生態系統處于惡化狀態.城市土地生態系統持續惡化嚴重，在四年的時間內惡化市州數由1/3逐漸變為1/2.1/2的市州城市生物生態系統處于不斷惡化狀態，1/2的市州城市社會經濟生態系統處于不斷惡化狀態.整體上云南省16市州各城市生態子系統惡化改善的數量相近，但其惡化發展的數量在增加，即云南省城市生態系統惡化的風險幾率將會持續增大.

云南； 城市； 生態系統； 安全； 預警

0 引言

城市生態系統理論的理論基礎是生態學理論和城市地理理論，二者是在生態系統性主導因素下城市生態理論與生態學理論交互與融合而產生的被人們揭示和認知的規律.城市生態系統理論是自然地理要素和城市地域要素相互作用而客觀存在的，對這一客觀規律的認識因研究者個人邏輯認識而異，表現出對規律認識的差異性，多樣性.故而，基于生態系統理論指導進行的城市生態安全理論實踐研究具有重要的科學指導意義.

城市化的無序性深刻的影響著城市生態系統安全的健康發展.同時，同一城市生態系統是由城市空間要素——自然要素相互疊置而形成的復合人工動態變化系統在城市化的無序催化作用下系統惡化更嚴重.因此，城市生態系統安全理論將全面揭示城市化進程中人類社會發展與生態系統的共軛和耦合動態關系研究.將積極促成城市生態系統安全變化趨向更加有序合理的發展狀態.同時生態系統規律也將揭示城市生態安全由單一要素安全復合發展成為多要素的綜合系統安全.早期城市生態系統安全理論研究者們在已有的理論基礎上應用系統理論的研究方法模型探討了城市生態系統安全的空間演變歷程及其分形特征，通過城市生態系統安全動態預警研究全面揭示城市生態系統安全動態發展規律以及預判城市生態系統安全發展的趨勢.

云南省地處祖國西南陸域，整體地勢屬高原地貌且由西北向東南梯級遞降.全境以哀牢山為界分為東部高原殘存面，西部高山區兩大地形地貌單元，深受季風氣候影響，形成獨特的自然地理環境空間格局.[1]其自然環境的獨特性深刻作用于人類賴以生存和發展的活動空間，與多維的社會經濟形態疊置在一起并產生明顯的空間分異格局，即形成級別不一的城鎮空間體系.這一體系在橋頭堡戰略和一帶一路空間戰略體系交互下加速了云南省城市化擴張速率.形成以滇中城市群為核心區，其余市州為城市發展增長極點，城市規模迅速膨脹的發展趨勢.對此進行區域城市生態系統安全研究，打破點的局限，形成面的研究區域，走出一條合適的城市發展道路，為后發達地區的云南省城市生態系統安全研究在兩大戰略和城市化的影響下，揭示云南省城市生態系統安全的空間分異格局和變化機制，為其提供科學的理論依據，科學指導云南省城市化的合理推進，促進云南省城市化與城市生態系統安全協調發展，同時也為民族邊疆省域城市生態系統安全發展提供范例.

城市生態系統是把水、大氣、土地、生物、經濟背景看作一個個獨立但又聯系緊密的生態系統，把城市看作一個復合的生態系統，進行著能量流、物質流的循環與平衡，有能量的輸入與廢棄物輸出，然而出現城市生態系統不健康與環境不安全問題時，需要進行城市生態系統安全問題診斷，并進行合理的規劃管理，以減少環境災害給居民和社會發展帶來更大的危害.因此，城市生態系統安全動態預警研究是基于自然地理與人文地理要素時空組合的現實情況，從區域地理格局演化過程的動力學模擬研究轉向區域資源保障與區域生態系統安全仿真學研究的學科發展需求.[2]

高慶彥基于支持輸入熵、壓力輸出熵、消費代謝熵、還原代謝熵的4類熵思想，根據熵產生、熵流、總熵值變化分析了云南省各市州城市生態系統中社會經濟生態系統的變化，得出全省社會經濟生態系統時空格局差異顯著的結論.[3]葛慧玲[4]以滇西中心城市生態環境為研究內容，對比分析保護現狀和生態空間結構差異，提出城市生態環境保護功能分類體系.何萍[5]等人研究了楚雄市城市熱島效應產生原因與城市建成區面積，非農業人口，城市規模有極大的相互關聯性.夏吉昆[6]，于龍基于壓力-狀態-響應研究了沾益縣城市生態環境，發現沾益縣城市生態環境在惡化，需要科學規劃與保護.常宇飛[7]等人基于壓力——狀態——響應思想評價了昆明市城市生態系統安全，發現昆明市城市生態系統安全呈現波動狀態，需要增加保護經費和保護措施.韓興粉從空間和時間尺度研究了云南省16市州區域生態系統可持續發展預警研究，結果表明云南省16市州生態系統可持續發展水平上升，各子系統協調性進一步改善，生態系統可持續發展趨向協調.[8]

1 研究區概況

云南省地處太平洋和印度洋陸路交結地域，地理位置為21°8′32″N—29°15′8″N和97°31′39″E—106°11′47″E之間.全省國土總面積39.4萬km2，居全國陸地總面積第八位[9].全省總共管轄16個地市州，8個地級市，8個自治州，129個縣市區.全省地貌類型以山地、高原、丘陵為主，盆地、河谷鑲嵌其中，形成山谷交錯的區域地貌.受東南季風和西南季風影響，加上云南整體山勢高差大，從而形成了熱帶與亞熱帶季風氣候并存的立體氣候.

云南省自然生態環境復雜，山區面積廣，少數民族聚居區分布范圍大，全省各市州城市化發展快慢不一，社會經濟發展不均衡.本節選取城市化率指標整體反映2011年—2014年云南省16市州的城市社會經濟狀況.城市化率是一個地區城市化水平高低的定量綜合反映.城市化率的高低與該地城鎮人口比重有直接聯系，同時也能客觀的反映該地區城市規模和城市化水平.從封二圖1中可以直觀看出云南省16市州2011年—2014年的4年中，滇中昆明市城市化率一直處于最高水平，部分市州城市化率處于較高區域，并且城市化率整體呈現持續發展趨勢.除去昆明市城市化率一直處于較高水平外其余市州城市化水平均很低.

2011年昆明市城市化率處于60%—80%之間，其余15個市州均處于20%—40%之間，城市化水平均很低；2012年，曲靖市，玉溪市城市化水平上升處于40%—60%之間，其余13個市州城市化率仍然處于20%—40%之間；2013年西雙版納州上升到40%—60%之間，其余市州城市化率仍然處于2012年城市化率水平區間；2014年德宏州和保山市城市化率上升到40%—60%之間.

2011年城市化率最低的怒江州21.5%，2014年增長為26.62%，增長了5.12%，最高的昆明市2011年城市化率為63.6%，2014年城市化率為69.05%變化，增長了5.9%.從整體來看云南省16市州城市化率整體呈現增長趨勢，但是總趨勢變化和緩，增幅不明顯.2011年—2014年云南省城市化率水平明顯較低，極差數值非常大，說明區域城市化發展極不均衡，部分市州城市化發展緩慢.其中2011年云南省城市化率變化最為緩慢.滇中市州城市化率最高，旅游業發達的市州，國家和省內重點發展的市州城市化率發展較快.

2 數據擇取與研究方法

2.1 數據則取

本研究擇取水生態系統、大氣生態系統、土地生態系統、生物生態系統、社會經濟生態系統，五個生態子系統60個基礎指標，基于科學性、系統性、完備性、可行性、動態性原則構建的指標體系具有較強的可比性和聯系性等特點.選取云南省16市州為預警評價單元，本文撰寫所使用的原始數據均來源于2011年—2015年政府統計公布的《云南省統計年鑒(2011—2015)》、各市州《統計年鑒(2011—2015)》、各市州《年鑒(2011—2015)》、《云南經濟年鑒(2011—2015)》、云南省環保廳官網以及《云南環境公報》.見封二圖1.

2.2 研究方法

2.2.1 預警指標體系

本文基于壓力——狀態——響應模型，以城市生態系統包括的五大子系統為研究對象并參照了王如松等學者建立的指標體系，以多個城市生態系統評價指標體系為參照，從水生態系統、大氣生態系統、土地生態系統、生物生態系統、社會經濟生態系統，五個生態子系統四個層次建立了目標表層即為評價云南省城市生態系統安全綜合得分，一級指標層即為(水生態系統、大氣生態系統、土地生態系統、生物生態系統、社會經濟生態系統)五個子系統，二級指標層為15個(水生態狀態、水壓力、水調控、大氣狀態、大氣壓力、大氣調控、土地狀態、土地壓力、土地調控、生物狀態、生物壓力、生物調控、社會經濟狀態、社會經濟壓力、社會經濟調控).三級指標層即為基礎指標，擇取60個原始數值構建指標體系.

2.2.2 預警模型

(1)數據標準化[10].利用標準化方法對參評指標原始數據進行無量綱處理.

(2)

(2)標準化指標信息熵值e和信息效用值d.第j項指標的信息熵值計算[11]為：

(3)

在算式中，常數K與系統的地區數m有關.對于一個信息完全無序的研究系統來說，其有序度為零，其熵值最大，e=1，m個樣本處于完全無序分布狀態時，此時：

(4)

某項具體指標的信息效用值d取決于該指標的信息熵ej與1之間的差值：

(5)

(3)指標權重計算.利用熵值法進行估算各指標的權重值，可以得到第j項指標的權重值為：

(6)

(4)評價值計算.最終求得第i個地區的第j項指標的評價fij值

(7)

(5)最終計算求得第i個地區的第F個系統評價值(g=1,2,3,4,5)為：

(8)

(6)最終計算求得第i個地區的生態安全綜合評價值為Y

(9)

2.2.3 發展度動態評價模型

(1)發展度評價模型[12].第i個地區的生態系統安全發展度預警評價值為：

(10)

DYij為第i個地區第j年的發展度預警值，Yij為第i個地區第j年的生態安全預警綜合評價值，j為所評價的年份數.(在本文研究中j=5)，Δt為時間間隔(在本文研究計算中指數每年變化的速度，取Δt=1)

(2)第i個地區第F個系統發展度預警評價值

(11)

在式中，DFgij為第i個地區第j年第g個系統的發展度預警值，Fgij為第i個地區第j年第g個系統的綜合預警評價值，j為所評價的年份數.(在本文研究中j=5)，Δt為時間間隔(在本文研究中計算指數每年變化的速度，取Δt=1).

3 判別標準

依據發展度動態評價模型計算得云南省16市州城市生態系統安全發展度預警值和16市州城市生態系統安全子系統發展度預警值，發展度預警值分值越大說明城市生態系統安全狀況越好，系統安全質量越高，反之則說明該地區城市生態系統安全質量較差.基于已有的城市生態安全預警研究成果基礎上，咨詢相關領域專家，聽取其建議后將云南省城市生態系統安全預警判別標準劃分為等值預警區間，分別為巨警、重警、中警、輕警、良好、理想、最優七個類別.預警值與預警等級相對應，預警值越高預警等級越低也，城市生態系統安全狀況越好，預警值越低，預警等級越高，城市生態安全狀況越糟糕.

表1 云南省城市生態系統安全發展度預警判別標準

4 云南省16市州生態子系統安全發展度預警空間格局

4.1 云南省16市州水生態系統安全發展度預警空間格局

2011年—2014年云南省16市州城市水生態系統發展度預警空間格局變化中有1/2的市州城市水生態系統處于惡化狀態.城市水生態系統兩年持續惡化的市州有大理州、德宏州、玉溪市、楚雄州、紅河州、保山市、昆明市、西雙版納州；連續三年持續惡化的市州有玉溪市、大理州；城市水生態系統連續兩年持續優化的市州是曲靖市、文山市、臨滄市、麗江市、昭通市、德宏州；城市水生態系統連續三年持續優化的市州有臨滄市、文山市；城市水生態系統連續四年持續優化的市州有文山州.

有接近1/2或1/2的市州城市水生態系統處于優化或惡化狀態.城市水生態系統沒有連續兩年持續優化或惡化的市州是處于臨界變化范圍，這些市州城市水生態系統穩定性極差，處于這一范圍的市州城市水生態系統優化發展方向極易改變.城市水生態系統連續兩年或兩年以上持續優化或惡化的市州，持續三年惡化的市州說明城市水生態系統惡化很嚴重，應該查清楚惡化原因，及時治理，如玉溪市、大理州，持續優化的應該總結經驗交流推廣，例如臨滄市、文山市.見封二圖2.

4.2 云南省16市州大氣生態系統安全發展度預警空間格局

見封二圖3，2011年—2014年云南省16市州城市大氣生態系統發展度預警空間格局變化中有1/3(2011、2012、2014)的市州城市大氣生態系統處于惡化狀態，3/4(2013)的市州城市大氣生態系統處于惡化狀態.城市大氣生態系統兩年持續惡化的市州有楚雄州、大理州、迪慶見封二圖圖3州、怒江州、臨滄市、曲靖市、德宏州、昭通市、昆明市；連續三年持續惡化的市州有楚雄州；城市大氣生態系統連續兩年優化的市州是昆明市、德宏州、保山市、玉溪市、西雙版納州、紅河州；城市大氣生態系統連續三年優化的市州有保山市、玉溪市、西雙版納州.

有接近1/3(2011、2012、2014)的市州城市大氣生態系統處于惡化狀態，最嚴重的是2013年有3/4市州城市大氣生態系統處于惡化狀態.城市大氣生態系統沒有連續兩年持續優化或惡化的市州處于臨界變化范圍，這些市州城市大氣生態系統穩定性差，處于這一范圍的市州城市大氣生態系統優化發展方向極易改變.城市大氣生態系統連續兩年或兩年以上持續惡化的市州城市大氣生態系統惡化較為嚴重和很嚴重，應該弄清楚惡化原因，及時治理，持續優化的應該總結經驗，例如保山市、玉溪市、西雙版納州.

4.3 云南省16市州土地生態系統安全度預警空間格局

見封三圖4，2011年—2014年云南省16市州城市土地生態系統發展度預警空間格局中市州城市土地生態系統處于惡化狀態的市州數由1/3逐漸變為1/2.城市土地生態系統兩年持續惡化的市州有楚雄州、保山市、大理州、昆明市、昭通市、曲靖市、紅河州、臨滄市；連續三年持續惡化的市州有保山市、昆明市、大理州；連續四年持續惡化的市州有保山市；城市土地生態系統連續兩年優化的市州是麗江市、臨滄市、西雙版納州、紅河州、文山州、怒江州、德宏州、玉溪市、迪慶州、普洱市；城市土地生態系統連續三年優化的市州有麗江市、西雙版納州、怒江州、玉溪市；連續四年持續優化的市州有麗江市、西雙版納州.

接近1/3逐漸變為1/2的市州城市土地生態系統處于不斷惡化狀態.城市土地生態系統兩年沒有持續優化或惡化的市州是處于臨界變化范圍，這些市州城市土地生態系統穩定性極差，處于這一范圍的市州城市土地生態系統發展方向極易改變.城市土地生態系統連續兩年或兩年以上持續惡化的市州，說明城市土地生態系統惡化較為嚴重和很嚴重.

4.4 云南省16市州生物生態系統安全發展度預警空間格局

見封三圖5，2011年—2014年云南省16市州城市生物生態系統發展度預警空間格變化中有1/2的市州城市生物生態系統處于惡化狀態.城市生物生態系統兩年持續惡化的市州有曲靖市、紅河州、西雙版納州、麗江市、保山市；連續三年持續惡化的市州有曲靖市、西雙版納州；城市生物生態系統連續兩年優化的市州是昭通市、文山州、昆明市、玉溪市、臨滄市、保山市、麗江市、迪慶州、怒江州、大理州；城市生物生態系統連續三年優化的市州有迪慶州、昆明市、臨滄市.

1/2的市州城市生物生態系統處于不斷惡化狀態.城市生物生態系統沒有連續兩年持續優化或惡化的市州是處于臨界變化范圍，這些市州城市生物生態系統穩定性極差，處于這一范圍的市州城市生物生態系統發展方向極易改變.城市生物生態系統連續兩年或兩年以上持續優化或惡化的市州，連續兩年、三年惡化的市州說明城市生物生態系統惡化較為嚴重和很嚴重，例如曲靖市、西雙版納州，應該及時治理，持續優化的應該總結經驗適時推廣，例如迪慶州、昆明市.

4.5 云南省16市州社會經濟生態系統安全發展度預警空間格局

見封三圖6，2011年—2014年云南省16市州城市社會經濟生態系統發展度預警空間格局變化中有1/3(2011、2013、2014)的市州城市社會經濟生態系統處于惡化狀態，城市社會經濟生態系統兩年持續惡化的市州有保山市、西雙版納州、玉溪市、麗江市、怒江州、昆明市、昭通市、德宏州；曲靖市、紅河州、西雙版納州、保山市；連續三年持續惡化的市州有怒江州；城市社會經濟生態系統連續兩年優化的市州是德宏州、曲靖市、紅河州、楚雄州、大理州、保山市、臨滄市；城市社會經濟生態系統連續三年優化的市州有紅河州、楚雄州；城市社會經濟生態系統連續四年優化的市州有紅河州.1/2的市州城市社會經濟生態系統處于不斷惡化狀態.城市社會經濟生態系統兩年沒有持續優化或惡化的市州是處于臨界變化范圍，這些市州城市社會經濟生態系統穩定性極差，處于這一范圍的市州城市社會經濟生態系統發展方向極易改變.城市生物生態系統連續兩年或兩年以上持續優化或惡化的市州，連續兩年、三年惡化的市州說明城市社會經濟生態系統惡化較為嚴重和很嚴重，例如怒江州，應該盡快查清楚惡化原因，及時治理，持續優化的應該總結經驗適時推廣.

5 結論

2011年—2014年云南省16市州城市生態系統子系統發展度預警空間格局變化中有1/2的市州城市水生態系統處于惡化狀態，接近1/3的市州城市大氣生態系統處于惡化狀態，最嚴重的是2013年有3/4市州城市大氣生態系統處于惡化狀態.城市土地生態系統惡化市州數由接近1/3逐漸變為1/2，城市土地生態系統不斷惡化.1/2的市州城市生物生態系統處于不斷惡化狀態，1/2的市州城市社會經濟生態系統處于不斷惡化狀態.

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Yunnan Province urban ecological system dynamic security early warning pattern

PAN Yong-ping, PAN Yu-jun, YU Zu-liang, CHENG Zhong-ping

(College of tourism and geography, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)

the Yunnan Statistical Yearbook (2011—2015)data analysis method to measure 2011—2014 in Yunnan province 16 city state city water ecosystem using dynamic warning, atmospheric ecosystem, land ecological system, ecological system, social economic and ecological system, the ecological subsystem of the spatial pattern of safety warning. The research shows: the ecological system state city in Yunnan province 16 city 2011—2014 development 1/2 of space early warning in the pattern of the city, city water ecological system is in decline, close to 1/3 City, city ecosystem deterioration in the atmosphere, the most serious is the 2013 3/4 City, city ecosystem deterioration in atmospheric state. The land ecological system the city continued to worsen serious deterioration of city state number changes gradually from 1/3 to 1/2.1/2 city state city biological ecosystem is deteriorating state in four years, the city of 1/2 Urban social, economic and ecological system in a deteriorating state. Whole Yunnan Province 16 city, the urban ecological system deterioration similar amount of improvement, but the deterioration of the number of development on the increase, namely the deterioration of the urban ecological system of Yunnan Province risk will continue to increase.

Yunnan; city; ecological system; security; early warning

2016-08-09

潘永平(1988— )，男，云南呈貢人，碩士，主要從事資源環境與區域發展，民族地理學研究.

潘玉君(1965- )，男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，博士生導師，主要從事區域發展、地理學思想與方法、人文地理研究.

X21

A

2095-7408(2016)05-0056-06