區域復合生態系統演化的耦合均衡解析
——以泰安市為例

宋曉娜，張 峰

(1.泰山學院 經濟管理學院，山東 泰安 271000；2.山東理工大學 管理學院，山東 淄博 255012；3.中國航天系統科學與工程研究院，北京 100048)

長期以來，人與自然的共生性問題一直是社會各界探討的焦點，尤其是自20世紀中后期隨著城市化進程加快，其中暴露出的資源短缺、環境污染、生態破壞等問題更是迫使生態保護成為了全球共同面臨的緊迫性工作.實際上，人們在探索中已逐漸發現人類對自然資源與生態環境的高度依賴性使其相互之間成為了高度緊密結合的整體，但其中包含的錯綜復雜的要素關聯關系致使對其研究難以從單一視角對其實現全面的認知[1].而該類問題反映在區域生態問題上更為突出，即區域之間在資源稟賦、經濟發展模式、產業結構、社會人文等方面的差異性致使其生態治理的方向、途徑、重點等不盡相同.因此充分結合區域的實際特點，客觀辨識經濟發展、自然資源開發與使用，以及生態環境之間的動態關系并制定科學合理的調控措施對實現其可持續發展至關重要.

鑒于緩解生態問題的重要性及其復雜性，著名生態學家馬世駿等基于生態控制論理論提出了“社會-經濟-自然復合生態系統”的概念，并認為復合生態系統中各子系統存在時空尺度上的偶合特性，而系統要素之間存在物流、信息流和能量流等[2].其后，王如松等進一步研究了復合生態系統的動力學機制與控制機理，同時基于可持續發展理論提出了不同尺度下的復合生態系統管理范式[3].正是基于這些基礎性的理論框架，復合生態系統的探索也逐步拓展至系統運行規律[4-5]、系統狀態評價[6-7]、系統調控策略[8-9]等諸多維度.其中，自組織理論[10]、共生理論[11]、熵值評估[12-13]等為揭示復合生態系統的非線性結構及要素的不確定性影響提供了良好的理論支撐；能值分析[14]、模糊評價[15-16]、生態位測度[17]等逐步成為復合生態系統定量分析的主要手段；而動力學仿真[18-19]、預警分析[20]實現了復合生態系統調控政策模擬的技術方法.同時，復合生態系統研究的視角也從其宏觀層面的理論體系探討擴充到更加具體化的多領域分析，如城市復合生態系統[21-22]、農林復合生態系統[23]、工業復合生態系統[24]等；而圍繞區域復合生態系統的探討相對薄弱，主要集中于環境風險[25]、資源承載力評價[26-27]等.

綜上，現階段針對復合生態系統的研究范疇與層次不斷提高，其中呈現出的共識之處即為以系統論為指導，從構成復合系統的復雜多要素及子系統之間相互作用關系的角度進行機理探索.而同時也可以發現，隨著人們對生態問題的關注與治理力度的不斷加強，復合生態系統運行過程中的主要矛盾已由最初“過度發展經濟而對生態環境認識不足”逐步轉變為“認識不斷加深但治理措施還不到位”.尤其是在當前國內著力提升生態文明建設水平的背景下，聚焦于現階段復合生態系統的主要矛盾，重新審視影響區域復合生態系統安全的歷史演進脈絡與后期保障機制尤為關鍵.據此，本文以泰安市為例，通過對其復合生態系統的內涵進行討論，構建適用于其復合生態系統演化的耦合均衡評價體系與定量測度模型，并挖掘其均衡度時序變化的內在規律及主要驅動要素.

1 區域復合生態系統及其演化均衡度評價模型

1.1 區域復合生態系統描述

按照經典的復合生態系統的內涵框架，認為將由人參與的任何社會行為都可視為其置于某種時空內，該時空內的各類生態關聯要素相互交織作用并形成了復合生態系統，而其系統內通常是由經濟、資源、環境、社會等子系統關聯在一起且涌現出諸多單一要素無法具備的特征，系統的結構與層次也隨著其運行演化呈現為多樣化[28].據此，本文中的區域復合生態系統主要是指一定區域內的“經濟-資源-環境-社會”(Economy - Resources - Environment - Society, ERES)復合生態系統，該復合系統所包含的子系統都具有種類多樣、層次復雜的基本特征，且在特定運轉規律下，其子系統之間維持著動態平衡.對此可將其內涵概括性的表示：

CS?{S1，S,2，S3，S4，Rk，T，O}，

Si?{Ei,Ci,Fi}i=1,2，3,4.

上述內涵描述中，S1、S2、S3、S4是指ERES復合系統的構成子系統，包括經濟、資源、環境和社會子系統；對于ERES系統內的構成要素及其基本結構與實現的多樣化功能，可采用Ei，Ci，Fi表示；此外，系統內部還存著諸多復雜關系，即Rk關系集，從層次上來講其涉及到子系統層次的關聯，也涵蓋了構成要素的相互作用；T表示時間，是系統演化的規律主線；O為區域對象，是指特定區域的復合系統的域.在上述基礎上，可將ERES復合生態系統表示為(圖1)：

圖1 ERES復合生態系統

1.2 區域復合生態系統演化均衡度評價體系

1.2.1 均衡度變化規律

根據復雜系統理論，可知影響區域復合生態系統的因素及其關系復雜多樣，但從作用效果來看，可將其分為利導因子與限制因子2大類[29].其中，在整個過程中若利導因子發揮了關鍵性的作用時，區域復合生態系統呈穩定運行狀態，且復合生態系統的均衡水平均處于一定的閾值范圍之內，這類閾值可被稱為系統的均衡紅線.按照經典的Logistic曲線理論，在均衡紅線內的區域復合生態系統演化均衡度整體呈現“S”型(見圖2a)，這主要是考慮在復合生態系統初期，系統的各項基本功能相對不夠完善，而其均衡水平提升相對緩慢，而隨著復合生態系統內各要素之間的交互作用，資源配置不斷流動，促使系統內均衡度提高較快，但是同時產生了一定不利于復合生態系統運行的要素，也就是限制因子的作用逐漸增強，最終其均衡度趨于穩定.這種“S”型均衡水平變化多屬于復合生態系統長期演化的規律，且是建立在復合生態系統要素可控的前提下.另外一種處于均衡紅線范圍之內的均衡度變化形式為震蕩型均衡(見圖2b)，這種演化趨勢是指復合生態系統均衡度在整體上圍繞在相對固定水平的上下波動，即利導因子與限制因子相互交替占據主導地位，該現象在局部區域復合生態系統演化中易出現的情況.

在ERES復合生態系統演化的均衡度變化中，當利導因子逐漸消耗，被限制因子占據主導時，復合生態系統則將會呈非可持續狀態，即復合生態系統產生裂變現象，而按照裂變的程度不同，可進一步將裂變劃分為可恢復性裂變于不可恢復性裂變(見圖2c和2d)，兩者區分的關鍵在于其均衡度是否還能恢復到生態系統均衡紅線范圍之內.因此，可認為區域復合生態系統演化控制是不斷克服限制因子，持續滿足系統發展需求的過程.為辨識其內在規律，并考慮其復合生態系統中復雜要素關系的不確定性，本文選取熵值法對區域ERES復合生態系統演化的均衡度進行定量測度.

圖2 復合生態系統演化均衡水平變化趨勢

1.2.2 區域復合生態系統演化均衡度評價體系

根據區域ERES復合生態系統的基本構成，可將其演化均衡度評價體系初步劃分為經濟推動、資源開發與利用、生態環境保護、社會發展支撐4個基本準則層，在此基礎上首先利用“壓力-狀態-響應”(PSR)模型篩選評價指標進而再依據指標內涵分配到各相應準則層.PSR模型是經濟合作與開發組織(OECD)和聯合國環境規劃署提出的用于分析環境問題的邏輯框架，目前已被相對成熟地用于評價指標體系的構建[30].其中壓力主要指在復合生態系統中由人參與的社會活動對生態環境的作用，包括城市化水平與人口增長、大氣及水污染、資源與能源消耗等；狀態指復合生態系統在指定時間段內的生態關聯指標狀態變化情況，如綠地與耕地面積、森林覆蓋率、資源儲備等；響應則是指為減緩或控制復合生態系統中限制因子的作用而采取的相關對策，如環境污染投資治理、廢棄資源回收利用等.按照PSR模型內涵，在借鑒現階段對區域生態評價與生態安全研究等方面評價指標體系研究的基礎上，進一步考慮本文研究對象泰安市作為國家重點旅游城市的具體情況，確定其復合生態系統演化均衡度評價指標體系(表1).

表1 區域復合生態系統演化均衡度評價指標體系及指標統計數據

注：表中“+”、“-”分別表示正向與逆向指標.

1.3 均衡度評價模型

復合生態系統演化的均衡度評價模型構建主要包括各準則隸屬函數及均衡度評價函數的確立兩部分，且各部分均是通過多指標測度完成.其中，考慮因子分析法在整合集成多要素信息方面的優勢，本文選取該方法構建各準則隸屬函數[31]，均衡度評價則采取相關分析法[32].

定義1 設定δ-i(x)為各準則隸屬函數；i=1,2,…,4，依次表示經濟推動、資源開發與利用、生態環境保護、社會發展支撐；通過計算各主成分方差貢獻率與所選主成分累計貢獻率比重，并將其定為其權重，據此取得各準則隸屬函數，如下：

(1)

其中，F1，F2，…，Fm指因子分析所得主成分評價值；k1,k2,…,km指各主成分方差貢獻率.各準則隸屬函數均可采用上述模型取得.

定義2 在復合生態系統中，各子系統之間的關聯關系是以實現相互均衡與穩定發展為目標，具體表現在其均衡度評價模型中則為不同準則隸屬函數值之間的相關程度越顯著，其均衡度越高.據此，引用物理學中容量耦合系數模型測算復合生態系統中各準則隸屬函數的均衡度，如下：

υm={(δ-1,δ-2,…,δ-m)/Π(δ-1+δ-j)}1/m

(2)

其中，υ表示子系統準則耦合均衡度系數，且υ∈[0,1].當υ=1時，子系統準則之間均衡度最高，即子系統要素變化達到良性共振；當υ=0時，說明其均衡度最低，說明子系統要素為無關狀態.通過上式不難發現，在多時間與空間尺度下若δ-1與δ-2取值相近時，則系數υ也會取得較高值，這與實際耦合測度需求不相符.為避免該問題，可利用公式(3)輔助評測子系統準則耦合均衡度.

?=[υ×(β1·δ-1+β2·δ-2+…+βm·δ-m)]1/m

(3)

其中，?指最終協調度；βm(m=1,2,…,4)指待定系數，鑒于各子系統的相對重要性，此處其系數值設為0.25；Σ(βt·δ-t)表征了復合生態系統中各子系統的協同效應.

根據實際應用的要求，設置?∈[-1,1]，而對?的閾值劃分也有不同的標準，對此相關研究中提出采用連續均勻分布函數的方法進行確定，該方法雖然實現了對最終協調度的細致性描述，但也導致協調度隸屬區間變動過于頻繁，易造成可參照性不強的弊端.對此，學者們通常在其基礎上根據研究需求進行閾值區間的調整，本文在借鑒現有相關研究成果的基礎上設置?的等級劃分標準，見表2所示.

表2 均衡等級劃分

2 均衡演化實證分析

2.1 研究區概況與數據來源

選取山東省泰安市作為本文區域復合生態系統演化均衡測度的對象，該地區是國家級重點風景名勝區泰山所在地，其總面積為7761平方千米，人口達到563.74萬人，境內地貌含山地、平原、湖泊等多種.目前，全市劃有21處生態紅線，包括11處水涵養紅線和10處生物多樣性紅線區，其面積占到全市面積10.5%，面對不斷上漲的資源約束壓力，建設生態旅游特色的生態城市成為全市關注的焦點.

本文所采用的數據均來自于《泰安市統計年鑒》(2011-2016年)、《山東省統計年鑒》(2010-2016年)和《泰安市國民經濟和社會發展統計公報》.

2.2 泰安市復合生態系統演化均衡度評價

根據表1中均衡度評價指標體系，首先利用相關系數矩陣檢驗各子系統的相關程度，發現4個子系統評價指標中多數呈高度相關性，其相關系數大于0.3，而KMO值為0.841，滿足因子分析要求[33].通過因子分析法測算各子系統的因子載荷矩陣及其成分貢獻率，并按照特征值大于0.6及累計方差貢獻率提取主成分，結果見表3所示.

表3 子系統特征值提取與方差貢獻率測度

注：由于版面需求，部分提取的成分未展示，以能夠說明主成分為主要依據.

據表3可知經濟推動子系統中共前3個成分的方差貢獻率分別為67.310%、16.107%和10.961%，說明其可以共同解釋該子系統所包括的7個評價指標94.378%的變異信息，因此選取前3個成分作為其主成分.按照此規則，資源開發利用、生態環境保護和社會發展支撐分別提取主成分的個數為2、4、2.在上述基礎上，利用因子載荷矩陣及特征根計算主成分函數系數，取得各子系統中主成分表達式，見表4.

表4 主成分表達式

注：xij分別表示表1中均衡度評價指標.

按照公式(1)和表3中主成分貢獻率，可進一步構建泰安市復合生態系統中經濟推動、資源開發利用、生態環境保護和社會發展支撐子系統均衡發展評價函數，表達式分別為：

δ-1(x)=0.67310F11+0.16107F12+0.10961F13

δ-2(x)=0.78344F21+0.14318F22

δ-4(x)=0.82761F41+0.12257F42

圖3 泰安市2009-2016年各子系統評價值變動趨勢

從圖3中各子系統均衡評價值變動趨勢來看，經濟推動在樣本區間內整體上呈現出了“S”型變動態勢，與圖1中展示的“S”型均衡曲線不同的是其評價值不僅在局部存在了起伏波動，尤其是在2012-2013年期間出現“先相對平緩的下降后則穩步提升”的變動，而且從經濟增長的實際態勢來看，其并非達到生態紅線的上限.與經濟推動子系統類似，資源開發利用評價函數在整體上也呈“S”型增長規律，但其上下波動區間出現在2014-2015年期間，這揭示了泰安市經濟增速與資源的開發利用的關聯依賴性相對較強，即在經濟增速趨于放緩的情況下資源開發利用也受到了一定程度的波及，例如人均耕地面積偏低約束農村經濟發展，以及對生態綠化投資力度需進一步提高等.生態環境保護評價函數表現出的整體特征為“U”型曲線，其波谷出現在2011-2012年，說明樣本初期隨著人口與經濟的增長，對生態環境造成的壓力顯著，尤其是泰安市作為典型的旅游地區，人口流動與資源配置對生態環境造成的沖擊較為明顯，而其后生態環境保護評價值呈現穩定上升的態勢，這說明近年來相關管治措施與政策發揮了良好的調控作用.而社會發展支撐的評價函數值雖然也出現“S”型規律，而且與經濟推動的波動最為相近，但在其局部波動特征中存有顯著差異，特別是其曲線極小值點出現于2012年(比經濟推動提前1年)，說明不僅僅是經濟推動可對社會保障產生波動影響，而社會保障要素的變動也可反饋作用于經濟發展，如人口流動對地區經濟的刺激作用，而這也在一定程度上印證了復合生態系統中各子系統之間存在緊密的關聯與反饋機制.

根據各子系統評價函數值的測度情況，利用公式(2)和(3)分別計算出復合生態系統耦合均衡度修正前后的評價值，見表5和圖4所示.其中，按照修正前后評價值曲線可以看出，兩條擬合曲線均在宏觀上呈現出“U”的波動規律，尤其是修正前評價值曲線的“U”型波形更加明顯，符合圖2中震蕩型均衡的局部階段特征，但是對比兩條曲線的局部波動點，可進一步發現修正前評價值曲線存在“虛假波動”的現象，即復合生態系統中耦合均衡度評價值較高而實際系統耦合均衡狀態未達到該水平，如2009年修正前評價耦合均衡度為0.8215，即復合生態系統處于高度耦合均衡狀態，但對比泰安市實際發展情況可知其屬于評估過高的現象，而2011年時其評價耦合均衡度降低至-0.5361，說明復合生態系統處于崩潰的邊緣，且觸及圖2中不可恢復裂變危機，與實際不符.對此，修正后耦合均衡度評價值曲線相對更加合理，這也印證了本文構建的復合生態系統演化均衡度評價模型相對有效.

按照表5所示修正后耦合均衡度評價結果，可知在樣本期內泰安市復合生態系統耦合均衡度宏觀演化態勢從低度耦合均衡到衰退耦合均衡再到中度耦合均衡和較高耦合均衡，整體上為逐步良性轉變的趨勢，說明面對經濟增速放緩與資源環境壓力不斷上漲的背景下，全市能夠圍繞復合系統的總體發展格局進行科學性的調控，尤其是近年來的政策導向取得了相對顯著的效果.但同時也可發現，測度樣本期內復合生態系統耦合均衡度均處于高度耦合均衡度以下，說明其系統后期仍具有較大的改善潛力.

表5 泰安市復合生態系統耦合均衡度測度結果

從圖4所示的階段性的耦合均衡變動情況來看，樣本期間內其大致可分為“低端調整期”與“中端波動期”兩個階段：

低端調整期(2009-2011年)：低度耦合與衰退耦合集中階段.該階段初期耦合均衡度為0.2502，但隨后兩年內均低至零值以下，該期間這種退減雖然具有持續性，但2010-2011年期間的退減程度要顯著弱于2009-2010年，說明面對衰減的復合生態系統均衡現狀，全市進行了針對性的調控，但由于調控政策的延遲性致使調控初始階段成效相對緩慢.而進一步結合圖3中各子系統均衡度的測度結果，經濟推動、資源開發利用和社會支撐均處于零值以下，生態環境保護雖然高于零值，但在該期間處于持續降低的狀態，尤其是到2011年時下降至-0.0556，這闡釋了其復合生態系統耦合均衡度偏低的實際狀態.具體解析該期間導致生態環境下降而其它子系統偏低現象的主要因素為：

(1)主導支柱型產業對經濟增長與生態環境保護雙向要求的匹配度不足，到2011年時三次產業結構達到9.3:52.2:38.5，該結構與當年山東省的產業結構(8.8:52.9:38.3)相近，但4.185萬元/人的人均GDP要低于全省均值4.726，這也客觀反映了全市第二產業GDP貢獻比重大，但缺乏全國行業龍頭行業及產業集聚效應的短板，致使經濟發展質量效益偏低.

(2)旅游業規模上漲明顯，而較高的人口流動對生態環境造成的調控壓力增大，期間全市旅游年均游客增長率保持在20%以上，由此產生的資源消耗與生態垃圾增加，而2011年環保投資占財政支出總額比重僅為1.646%，兩者之間出現了較為嚴重的脫節.

盡管如此，這位天使不但活過了這可惡的冬天，而且隨著天氣變暖，身體又恢復了過來。他在院子最僻靜的角落里一動不動地呆了一些天。到十二月時，他的眼睛重新又明亮起來，翅膀上也長出粗大豐滿的羽毛。這羽毛好像不是為了飛，倒像是臨死前的回光返照。有時當沒有人理會他時，他在滿天繁星的夜晚還會唱起航海人的歌子。

(3)利用技術進步提高節資降耗的轉化力度偏低，主要體現在科技投入力度和工業污染控制強度方面相對薄弱，期間科技投入強度從1.656%降至1.325%，而單位工業產值廢水排放量則從5.317噸/萬元漲至7.731噸/萬元，固體廢物綜合利用率也下降了近10個百分點，表明在有限的科技投入規模下其科技成果對該方面的轉化效率依然不足.

(4)居民生態環境保護與資源節約的教育投入強度較低，期間居民人均教育消費指數僅為0.2624，而生活污水處理率到2011年時降低到73.957%，同比下降10個百分點，說明居民的生態環保素質及資源節約意識亟待加強.

圖4 泰安市復合生態系統耦合均衡度演化趨勢

中端適應期(2012-2016年)：中度耦合與較高耦合均衡波動階段.該階段最明顯的特征是中度耦合均衡與較高耦合均衡交替波動，說明期間雖然各子系統均衡度都呈現出穩定提升的態勢，但其局部階段各子系統均衡度增長速率則存在顯著差異，影響復合生態系統演化的均衡水平呈現為非穩定狀態.而產生這一問題的主要原因在于：

(1)經濟增速持續放緩引發技術投入疲軟，相比前一階段，該期間GDP增長率持續降低，尤其是自2014年以來一直處于7.5%水平以下，而科技投入規模雖然有所上漲，但其投入強度卻下降了0.4個百分點，技術創新難度增加在一定程度上削弱了資源開發利用水平的提升速率.

(2)城鎮率與第三產業的快速發展為調控生態空間格局提供新動能，該期間全市年平均城鎮化率達到55.5%，不僅加快了城市生態工程項目的建設，也促使人口流動實現優化配置，釋放農村土地資源與綠色農耕的潛力，尤其是單位耕地面積農藥和化肥使用量明顯下降；而到2016年時全市三次產業結構調整為8.5:44.8:46.7，實現了由傳統“二三一”向“三二一”模式的重大轉變.

(3)政府對生態環境治理的關注力度不斷加大，近年來泰安市政府不斷強化對生態環境考核的監管，尤其是圍繞節能城市和生態城市兩大模塊做出了系列政策扶持，據本文測度的均衡度評價來看在全市范圍內實施建筑節能全過程閉合管理，以及生態鄉鎮與生態村的建設方案取得了良好成效，氮氧化物和二氧化硫年均去除率分別達到21.2%、78.5%，均遠高于低端調整期.

泰安市復合生態系統演化均衡出現差異波動的原因具有高度復雜性，特別是在全面深化供給側改革的背景下，圍繞不同時期其復合生態系統表現出的不同均衡特征及其內在動因和短板要素，采取科學合理的調控政策，促使各子系統協調發展和復合生態系統提升到高度耦合均衡階段.

3 結論與啟示

在闡釋區域復合生態系統ERES概念內涵的基礎上，利用PSR理念構建了泰安市復合生態系統演化均衡的測度指標體系，并通過因子分析與耦合均衡模型對泰安市2009-2016年復合生態系統的歷史演化水平進行定量解析.研究結果表明，樣本期間內經濟推動、資源開發利用和社會發展支撐的均衡評價函數在整體上呈“S”型，而生態環境保護則是“U”型，在這種差異化的子系統均衡度變化趨勢下，泰安市復合生態系統的耦合均衡度從低度耦合到衰退耦合再到中度耦合和較高耦合均衡，呈現為不斷上升的總體態勢，根據其耦合均衡度的具體測度結果又可進一步劃分為低端調整期和中端適應期2個階段，其中缺乏主導產業經濟貢獻率不強、旅游業發展而帶動人口流動提速、節資降耗技術投入有限等成為低端調整期復合生態系統耦合均衡度不高的主要因素，而在中端適應期內城鎮化率與第三產業發展，以及政府對生態環境的有效調控等推進了其復合生態系統耦合均衡的提升，但后續優化空間依然很大，尤其是對于一些短板性因素需要重點改進：

(1)培育綠色主導產業鏈條，建設生態型產業集群經濟圈.產業發展是帶動地區經濟增長的關鍵驅動力，泰安市已圍繞能源、機電、建材等行業開展了重點產業培育與外資引進，而在生態文明導向下需要逐步完成這類傳統優勢產業的上下游企業配套，將其打造成具有地區特色及市場競爭力的龍頭企業，同時積極輔助第三產業及高新技術產業的增長，拓寬高增值服務的產業鏈條.

(2)逐步提高科技成果轉化效率，發揮技術進步在節資降耗與生態環境保護中的關鍵作用.按照本文測度結果可以發現，從科技投入規模上泰安市處于不斷增長的態勢，但測算其投入強度則出現與其相悖的結果，這說明各年度科技投入指標劃定還需提高其系統規劃，尤其是依據各年度的經濟增長情況與生態領域實際需求調整節資降耗技術投入強度，同時通過目標導向強化科技投入成果轉化效率，將技術進步深層次地應用于生態保護效率等.

(3)注重生態保護教育，提高居民生活環保意識.作為提高生活環境質量的重要支撐力量，居民生態環保意識還具有較大的提升潛力，對此既要建立健全現有的生態環境保護法律法規體系，實現從制度上進行硬約束，以及擴大宣傳力度，而且還須從更長遠的角度考慮生態環境保護的持久性問題，尤其是加大對其教育投入，促使生態環境保護逐步成為人們潛意識行為.

(4)增強要素流動與優化配置水平，實現經濟、資源、環境、社會子系統之間的協同發展.據本文測度，復合生態系統演化的系統均衡是基于各子系統的協調發展，因此在制定相關政策措施時必然需要從整個復合生態系統的角度進行系統考量與論證，避免出現局部發展而整體失調的現象.

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