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1、城市生态系统健康评价城市生态系统健康评价引言 近年来城市化进程日益加快，在城市经济持续、快速发展的同时，不可避免地会产生一系列的生态环境问题。如何有效地协调人口、资源、环境、经济（PRED），在资源约束条件下寻求最优的生态、经济、社会三者的综合效益，成为人们普遍关注的问题。本文通过建立生态系统健康评价的压力-状态-响应概念框架的指标体系及评价模型，旨在确定各项指标值及其权重，从而定量评估各项指标对城市生态系统健康的影响程度，并进一步绘制压力、状态、响应指标分布图，形象的表明烟台市生态系统健康程度等级。为很好的协调城市化进程与生态环境的关系问题提供了依据，同时对于指导城市规划、监控城市生态环境的
2、可持续发展都具有一定的现实意义和实际价值。1 城市生态系统健康的内涵当前对于生态系统健康的内涵，比较认可的是由 Rapport 等总结为：“以符合适宜的目标为标准来定义一个生态系统的状态、条件或表现1”。就目前对于生态系统健康的理解而言，其应该包含两方面的含义：在满足人类社会的合理要求的同时又能满足生态系统本身的自我恢复与维持。对于城市生态系统健康的理解，其不仅意味着为人类提供生态服务的由自然环境和人工环境组成的生态系统的健康和完整，也意味着城市居住着（包括人群和其他生物）的健康和社会健康2，3。前者是后者的基础，后者是前者的目标。在此基础上对于生态系统健康概念的理解应包括以下几个方面：其一，
3、城市生态系统结构合理，城市生态系统内生产生活和周围环境之间的物质和能量交换形成良性循环。其二，系统内功能高效，物质、能量、信息高效利用。其三，人与自然和谐，人类社会和自然环境高度和谐，自然、技术、人文充分融合。其四，废水、废气、废弃物被严格控制在相应的环境承载力范围内，城市生物的健康和成长不受不良影响4。2 研究区域概况烟台市地处山东半岛中部，位于东经 1193412157，北纬 36163823。烟台依山傍海，气候宜人，冬无严寒，夏无酷暑，东连威海，西接潍坊，西南与青岛毗邻，北濒渤海、黄海，与辽东半岛对峙，并与大连隔海相望，共同形成拱卫首都北京的海上门户。全市土地面积 13745.95 平方
4、公里，其中市区面积 2643.60 平方公里。烟台市辖芝罘、福山、牟平、莱山区、经济技术开发区及长岛县，代管龙口、莱阳、莱州、蓬莱、招远、栖霞、海阳 7 个县级市。3 研究方法3.1 数据来源及处理3.1.1 影像数据遥感影像数据主要是选择美国 landsatTM 影像，分辨率 28.5m28.5m，时相为 1986 年、1995 年和 2000 年三个时段的影像，成像时间主要是选取植被信息比较好的 7、8、9 三个月。3.1.2 其他数据主要包括烟台地区高程、水系、居民点、水土流失、道路等 1：5 万矢量数据。烟台统计年鉴以及经济、社会方面的其它文字资料和图件资料。3.2 评价单元的确定在确
5、定评价单元方面本文采用面状矢量单元作为评价单元，即以行政单元作为计算单元。针对烟台具体情况，文章主要是对芝罘区、福山区、莱山区、牟平区、开发区五区作为评价单元，并分别计算各个单元的评价指标值及其权重。3.3 评价指标体系的建立以及评价指标处理本文以“压力-状态-响应”（PSR）为评价模型，在综合考虑自然、经济、社会的情况下，从压力、状态、响应这三个层次共选取了人口密度、耕地与建设用地面积比、NDVI、综合弹性值、多样性指数、均匀度指数、土壤侵蚀、人均 GDP 8 个单项指标5作为生态系统健康评价指标，各指标如下图 1 所示。以下简单介绍其中几个指标的计算公式。图 1 生态系统健康评价指标图 r
6、3yjtutu 图图图图图 图3.3.1 NDVI 的计算公式借用美国 Landsat5 TM 影像 3 波段和 4 波段数据，在 ERDAS 中可计算出NDVI 值。NDVI 计算公式如下：NDVI=，对计算出的所有 NDVI 值，取其均值作为评价指标。3.3.2 综合弹性值的计算公式综合弹性值是通过生态系统的恢复力来体现的，依据不同土地利用类型对生态恢复的贡献度，分别赋以不同的恢复力值6 (表 1 所示) 。表 1 不同土地利用类型的恢复值土地利恢复特征用类型力有林地、水面滩地、O.81O0.6指对维持生态系统恢复力有决定意义的地物类型。林地和水域是在维持区域的稳定性和保持区域的调节能方面
7、有极其重要作用的生态类型。沼泽水田O.80.4O6O.2O4OO2计算综合弹性值根据公式：ECO这种生态类型对维持生态系统恢复力有重要作用，对人类社会系统提供重要的物质和活动场所，如果利用不好，则容易导致生态恢复力下降。旱地建设用地=，其中 ECO表示综合弹性值，S表示土地利用类型 i 所占总面积的比值，P则表示不同土地利用类型恢复力的分值，m 表示土地利用类型的数目。3.3.3 多样性指数的计算公式多样性指数即指土地利用类型的多样化程度，其计算公式如下所示：H=-，其中 H 表示多样性指数，P表示土地类型 i 所占总面积的比值，m 表示土地利用类型的数目。3.3.4 均匀度指数的计算公式均匀
8、度反映区域内各土地利用类型在面积上分布的不均匀程度。表达式:E=H/H,其中 E 表示均匀度指数，H 表示多样性指数，Hmax 则表示最大多样性指数(Hmax=lnm)。3.3.5 土壤侵蚀度指数的计算公式表 2 土壤侵蚀程度分级表水蚀状态轻度水蚀区中度水蚀区强烈度水蚀区依据公式 M=，其中 A表示不同强度水蚀区所占区域面积的比例，B表示对应侵蚀区的分值。3.4 评价指标值的标准化处理依据上述公式在计算所有评价指标值时借鉴以下（表 3）数据（备注：面积单位为平方公里，GDP 单位为万元）。表 3 数据表指标芝罘区福山区莱山区牟平区开发区分值0.40.81人口总数土地总面积GDP耕地与建设用地面
9、积比例林地、水面所占面积比例水田所占面积比例滩地、沼泽所占面积比例旱地所占面积比例6872342573392059474721261748631720248283254.741588.45224.26183962313171461236788170526458064010.75720.08670.00140.00620.31612.30950.09000.00030.01420.44082.92830.02800.00580.04450.83852.28740.11310.00470.00990.54801.65660.02800.00310.00280.5182在借鉴以上数据的基础上，采用上
10、述相应指标计算公式，可得出以下指标值数据表 4（备注：人口密度单位为人/平方公里，人均 GDP 单位为元）。表 4 指标值数据表指标值人口密度耕地与建设用地面积比NDVI综合弹性值多样性指数均匀度指数土壤侵蚀人均 GDP芝罘区福山区莱山区牟平区开发区3995.082532.9806808.4596297.2243779.73330.75720.4030.21980.98121.64030.3080610592.30950.38700.17420.95691.68200.2472520762.92830.39980.31610.57192.81420.3210589662.28740.40120
11、.36860.63302.54260.2826361121.65660.46760.21190.80432.00100.267436941由于各个参评指标数据性质、量纲不同，需要对资料进行无量纲化处理，本文通过极值归一化处理形成无量纲数据。对于所获取的各项指标值进行归一化处理，采用如下计算公式：P?=7其中 P?表示归一化处理后的各指标值。对各指标归一化处理后其具体值如表 5所示。表 5 归一化处理后的指标值综合指标单因子指标人口密度压力指标耕地与建设用地面积比NDVI综合弹性值状态指标多样性指数均匀度指数土壤侵蚀响应指标计算各项评价指标的权重，即各因素因子的权重时采用德尔菲法（Delphi法
12、）。由专家根据经验对各项因素的重要性进行打分；根据专家打分结果，计算各因素的平均重要性和各专家对其重要性的偏离度，如果偏离度超出可以接受的范围，则将结果反馈给专家重新打分，直至偏离度降到某一限值以下；根据最终打分结果确定各因素权重。本文在参考专家打分结果的基础上恰当的选取各项评价指标的权重。其具体指标权重值如表 6 所示。人均 GDP3.5 评价指标权重的确定0.08290.05310.076001100.940600.035510.14930.56780.76860.3071010.1023100.56230.05930.83330.66670.76870.729910.1939芝罘区福山区
13、莱山区牟平区开发区10.06380.138300.13050.234600.36110.91670.68060表 6 指标值权重综合指标压力指标权重0.2980耕地与建设用地面积比NDVI综合弹性值状态指标0.5445多样性指数均匀度指数土壤侵蚀响应指标4.1 生态系统健康压力评价本文所采用压力指标包括人口密度、耕地与建设用地面积比，在计算压力指标值时采用如下公式：S=，其中 P表示归一化处理后的指标值，C表示对应各指标的权重。4.2 生态系统健康状态评价0.1575人均 GDP0.35720.22550.29870.64280.55450.28850.1873单因子指标人口密度权重0.445
14、54 生态系统健康综合评价所采用状态指标包括 NDVI、综合弹性值、多样性指数、均匀度指数，在计算压力指标值时，也采用如下公式：S=，其中 P表示归一化处理后的指标值，C表示对应各指标的权重。4.3 生态系统健康响应评价响应指标包括土壤侵蚀、人均 GDP，同理采用如上公示。在分别计算压力、状态、响应指标值的基础上可获得表 7。表 7 各区指标值指标值压力指标状态指标响应指标根据压力指标、状态指标、响应指标及其各自的权重进行求和，可分别求得芝罘区、福山区、莱山区、牟平区、开发区的生态系统健康分值，如下表 8。芝罘区0.44550.55790.2617福山区0.08510.22270.6082莱山
15、区0.04410.05100.3855牟平区0.31180.64290.3687开发区0.09100.66060.45424.4 生态系统健康评价等级确定表 8 总体健康分值芝罘区0.4778福山区0.2424莱山区0.1016牟平区0.5039开发区0.4584在确定各区生态系统健康等级时有以下依据：按照分值高低 0.8、0.6、0.4、0.2、0.1 依次分为五级，即一级很健康、二级健康、三级亚健康、四级不健康、五级病态。生态系统健康分级及健康状态的含义如表 9 所示。表 9 生态系统健康状态分级健康 健康生态系统特征分级 状态很健 生态结构非常合理、系统活力十分强，受外界压力较小，无生态
16、异常出一级康现，生态系统的生态功能很完善，系统极稳定，处于可持续状态生态系统结构合理、格局比较完整，受外界压力较小，基本无生态异常二级 健康出现，生态系统生态功能较完善，系统尚稳定，生态系统可持续亚健三级生态阈值，且敏感地带较多，已有少量的生态异常出现，可发挥基本的康生态功能，生态系统基本可维持不健四级常较多，生态功能已不能满足维持湿地生态系统的需要，生态系统己开康始退化生态结构极不合理，自然植被斑块破碎化严重，系统活力极低，出现大五级 病态面积的生态异常区，此时生态系统已经受到严重恶化5 烟台市生态系统健康状况生态结构开始出现缺陷，系统活力比较低，此时受外界压力大，生态异生态结构比较合理，系
17、统尚稳定，受外界压力比较大，基本上已经接近通过以上的计算分析，可分别绘制得压力、状态、响应指标分布图，并最后求得各区生态系统健康状况的总体健康等级，并进一步绘制烟台市生态系统健康综合分布图。通过分析也可知，属于二级健康的有 3 个，即芝罘区、牟平区和开发区；属于三级健康的有 1 个，即福山区；属于四级健康有 1 个，即莱山区。以下图2、3、4、5 详细表明各指标分布图及总体健康状态分布图。图 2 烟台市压力指标分布图图 3 烟台市状态指标分布图图 4 烟台市响应指标分布图图 5 烟台市生态系统健康综合分布图6 结论通过对烟台市生态系统健康进行评价，可以得出以下结论：本文在明确生态系统健康评价指标的前提下，分别建立了压力、状态、响应加权模型以及三者共同作用下的的生态系统健康总体健康加权模型，应用层次分析法分别确定压力、状态、响应综合指标权重。以烟台市为案例，将生态系统健康综合评价结果与实际情况进行对比，其评价结果与实际情况吻合度比较较高，验证了模型的正确性及模型实现技术方法的可操作性。评价结果为很好的协调城市化进程与生态环境的关系问题提供了依据，同时对于指导城市规划、监控城市生态环境的可持续发展都具有一定的现实意义和实际价值。