云南省城市生态子系统安全动态预警格局

潘永平， 潘玉君， 余祖亮， 成忠平

(云南师范大学 旅游与地理科学学院， 云南 昆明 650500)

●化学与环境资源研究

云南省城市生态子系统安全动态预警格局

潘永平， 潘玉君， 余祖亮， 成忠平

(云南师范大学 旅游与地理科学学院， 云南 昆明 650500)

基于《云南省统计年鉴(2011—2015)》数据，利用动态预警分析方法测度了2011—2014年云南省16市州城市水生态系统、大气生态系统、土地生态系统、生物生态系统、社会经济生态系统，各生态子系统安全预警的空间格局.研究发现：2011—2014年云南省16市州城市生态系统子系统发展度预警空间格局变化中有1/2的市州城市水生态系统处于恶化状态，接近1/3的市州城市大气生态系统处于恶化状态，最严重的是2013年有3/4市州城市大气生态系统处于恶化状态.城市土地生态系统持续恶化严重，在四年的时间内恶化市州数由1/3逐渐变为1/2.1/2的市州城市生物生态系统处于不断恶化状态，1/2的市州城市社会经济生态系统处于不断恶化状态.整体上云南省16市州各城市生态子系统恶化改善的数量相近，但其恶化发展的数量在增加，即云南省城市生态系统恶化的风险几率将会持续增大.

云南； 城市； 生态系统； 安全； 预警

0 引言

城市生态系统理论的理论基础是生态学理论和城市地理理论，二者是在生态系统性主导因素下城市生态理论与生态学理论交互与融合而产生的被人们揭示和认知的规律.城市生态系统理论是自然地理要素和城市地域要素相互作用而客观存在的，对这一客观规律的认识因研究者个人逻辑认识而异，表现出对规律认识的差异性，多样性.故而，基于生态系统理论指导进行的城市生态安全理论实践研究具有重要的科学指导意义.

城市化的无序性深刻的影响着城市生态系统安全的健康发展.同时，同一城市生态系统是由城市空间要素——自然要素相互叠置而形成的复合人工动态变化系统在城市化的无序催化作用下系统恶化更严重.因此，城市生态系统安全理论将全面揭示城市化进程中人类社会发展与生态系统的共轭和耦合动态关系研究.将积极促成城市生态系统安全变化趋向更加有序合理的发展状态.同时生态系统规律也将揭示城市生态安全由单一要素安全复合发展成为多要素的综合系统安全.早期城市生态系统安全理论研究者们在已有的理论基础上应用系统理论的研究方法模型探讨了城市生态系统安全的空间演变历程及其分形特征，通过城市生态系统安全动态预警研究全面揭示城市生态系统安全动态发展规律以及预判城市生态系统安全发展的趋势.

云南省地处祖国西南陆域，整体地势属高原地貌且由西北向东南梯级递降.全境以哀牢山为界分为东部高原残存面，西部高山区两大地形地貌单元，深受季风气候影响，形成独特的自然地理环境空间格局.[1]其自然环境的独特性深刻作用于人类赖以生存和发展的活动空间，与多维的社会经济形态叠置在一起并产生明显的空间分异格局，即形成级别不一的城镇空间体系.这一体系在桥头堡战略和一带一路空间战略体系交互下加速了云南省城市化扩张速率.形成以滇中城市群为核心区，其余市州为城市发展增长极点，城市规模迅速膨胀的发展趋势.对此进行区域城市生态系统安全研究，打破点的局限，形成面的研究区域，走出一条合适的城市发展道路，为后发达地区的云南省城市生态系统安全研究在两大战略和城市化的影响下，揭示云南省城市生态系统安全的空间分异格局和变化机制，为其提供科学的理论依据，科学指导云南省城市化的合理推进，促进云南省城市化与城市生态系统安全协调发展，同时也为民族边疆省域城市生态系统安全发展提供范例.

城市生态系统是把水、大气、土地、生物、经济背景看作一个个独立但又联系紧密的生态系统，把城市看作一个复合的生态系统，进行着能量流、物质流的循环与平衡，有能量的输入与废弃物输出，然而出现城市生态系统不健康与环境不安全问题时，需要进行城市生态系统安全问题诊断，并进行合理的规划管理，以减少环境灾害给居民和社会发展带来更大的危害.因此，城市生态系统安全动态预警研究是基于自然地理与人文地理要素时空组合的现实情况，从区域地理格局演化过程的动力学模拟研究转向区域资源保障与区域生态系统安全仿真学研究的学科发展需求.[2]

高庆彦基于支持输入熵、压力输出熵、消费代谢熵、还原代谢熵的4类熵思想，根据熵产生、熵流、总熵值变化分析了云南省各市州城市生态系统中社会经济生态系统的变化，得出全省社会经济生态系统时空格局差异显著的结论.[3]葛慧玲[4]以滇西中心城市生态环境为研究内容，对比分析保护现状和生态空间结构差异，提出城市生态环境保护功能分类体系.何萍[5]等人研究了楚雄市城市热岛效应产生原因与城市建成区面积，非农业人口，城市规模有极大的相互关联性.夏吉昆[6]，于龙基于压力-状态-响应研究了沾益县城市生态环境，发现沾益县城市生态环境在恶化，需要科学规划与保护.常宇飞[7]等人基于压力——状态——响应思想评价了昆明市城市生态系统安全，发现昆明市城市生态系统安全呈现波动状态，需要增加保护经费和保护措施.韩兴粉从空间和时间尺度研究了云南省16市州区域生态系统可持续发展预警研究，结果表明云南省16市州生态系统可持续发展水平上升，各子系统协调性进一步改善，生态系统可持续发展趋向协调.[8]

1 研究区概况

云南省地处太平洋和印度洋陆路交结地域，地理位置为21°8′32″N—29°15′8″N和97°31′39″E—106°11′47″E之间.全省国土总面积39.4万km2，居全国陆地总面积第八位[9].全省总共管辖16个地市州，8个地级市，8个自治州，129个县市区.全省地貌类型以山地、高原、丘陵为主，盆地、河谷镶嵌其中，形成山谷交错的区域地貌.受东南季风和西南季风影响，加上云南整体山势高差大，从而形成了热带与亚热带季风气候并存的立体气候.

云南省自然生态环境复杂，山区面积广，少数民族聚居区分布范围大，全省各市州城市化发展快慢不一，社会经济发展不均衡.本节选取城市化率指标整体反映2011年—2014年云南省16市州的城市社会经济状况.城市化率是一个地区城市化水平高低的定量综合反映.城市化率的高低与该地城镇人口比重有直接联系，同时也能客观的反映该地区城市规模和城市化水平.从封二图1中可以直观看出云南省16市州2011年—2014年的4年中，滇中昆明市城市化率一直处于最高水平，部分市州城市化率处于较高区域，并且城市化率整体呈现持续发展趋势.除去昆明市城市化率一直处于较高水平外其余市州城市化水平均很低.

2011年昆明市城市化率处于60%—80%之间，其余15个市州均处于20%—40%之间，城市化水平均很低；2012年，曲靖市，玉溪市城市化水平上升处于40%—60%之间，其余13个市州城市化率仍然处于20%—40%之间；2013年西双版纳州上升到40%—60%之间，其余市州城市化率仍然处于2012年城市化率水平区间；2014年德宏州和保山市城市化率上升到40%—60%之间.

2011年城市化率最低的怒江州21.5%，2014年增长为26.62%，增长了5.12%，最高的昆明市2011年城市化率为63.6%，2014年城市化率为69.05%变化，增长了5.9%.从整体来看云南省16市州城市化率整体呈现增长趋势，但是总趋势变化和缓，增幅不明显.2011年—2014年云南省城市化率水平明显较低，极差数值非常大，说明区域城市化发展极不均衡，部分市州城市化发展缓慢.其中2011年云南省城市化率变化最为缓慢.滇中市州城市化率最高，旅游业发达的市州，国家和省内重点发展的市州城市化率发展较快.

2 数据择取与研究方法

2.1 数据则取

本研究择取水生态系统、大气生态系统、土地生态系统、生物生态系统、社会经济生态系统，五个生态子系统60个基础指标，基于科学性、系统性、完备性、可行性、动态性原则构建的指标体系具有较强的可比性和联系性等特点.选取云南省16市州为预警评价单元，本文撰写所使用的原始数据均来源于2011年—2015年政府统计公布的《云南省统计年鉴(2011—2015)》、各市州《统计年鉴(2011—2015)》、各市州《年鉴(2011—2015)》、《云南经济年鉴(2011—2015)》、云南省环保厅官网以及《云南环境公报》.见封二图1.

2.2 研究方法

2.2.1 预警指标体系

本文基于压力——状态——响应模型，以城市生态系统包括的五大子系统为研究对象并参照了王如松等学者建立的指标体系，以多个城市生态系统评价指标体系为参照，从水生态系统、大气生态系统、土地生态系统、生物生态系统、社会经济生态系统，五个生态子系统四个层次建立了目标表层即为评价云南省城市生态系统安全综合得分，一级指标层即为(水生态系统、大气生态系统、土地生态系统、生物生态系统、社会经济生态系统)五个子系统，二级指标层为15个(水生态状态、水压力、水调控、大气状态、大气压力、大气调控、土地状态、土地压力、土地调控、生物状态、生物压力、生物调控、社会经济状态、社会经济压力、社会经济调控).三级指标层即为基础指标，择取60个原始数值构建指标体系.

2.2.2 预警模型

(1)数据标准化[10].利用标准化方法对参评指标原始数据进行无量纲处理.

(2)

(2)标准化指标信息熵值e和信息效用值d.第j项指标的信息熵值计算[11]为：

(3)

在算式中，常数K与系统的地区数m有关.对于一个信息完全无序的研究系统来说，其有序度为零，其熵值最大，e=1，m个样本处于完全无序分布状态时，此时：

(4)

某项具体指标的信息效用值d取决于该指标的信息熵ej与1之间的差值：

(5)

(3)指标权重计算.利用熵值法进行估算各指标的权重值，可以得到第j项指标的权重值为：

(6)

(4)评价值计算.最终求得第i个地区的第j项指标的评价fij值

(7)

(5)最终计算求得第i个地区的第F个系统评价值(g=1,2,3,4,5)为：

(8)

(6)最终计算求得第i个地区的生态安全综合评价值为Y

(9)

2.2.3 发展度动态评价模型

(1)发展度评价模型[12].第i个地区的生态系统安全发展度预警评价值为：

(10)

DYij为第i个地区第j年的发展度预警值，Yij为第i个地区第j年的生态安全预警综合评价值，j为所评价的年份数.(在本文研究中j=5)，Δt为时间间隔(在本文研究计算中指数每年变化的速度，取Δt=1)

(2)第i个地区第F个系统发展度预警评价值

(11)

在式中，DFgij为第i个地区第j年第g个系统的发展度预警值，Fgij为第i个地区第j年第g个系统的综合预警评价值，j为所评价的年份数.(在本文研究中j=5)，Δt为时间间隔(在本文研究中计算指数每年变化的速度，取Δt=1).

3 判别标准

依据发展度动态评价模型计算得云南省16市州城市生态系统安全发展度预警值和16市州城市生态系统安全子系统发展度预警值，发展度预警值分值越大说明城市生态系统安全状况越好，系统安全质量越高，反之则说明该地区城市生态系统安全质量较差.基于已有的城市生态安全预警研究成果基础上，咨询相关领域专家，听取其建议后将云南省城市生态系统安全预警判别标准划分为等值预警区间，分别为巨警、重警、中警、轻警、良好、理想、最优七个类别.预警值与预警等级相对应，预警值越高预警等级越低也，城市生态系统安全状况越好，预警值越低，预警等级越高，城市生态安全状况越糟糕.

表1 云南省城市生态系统安全发展度预警判别标准

4 云南省16市州生态子系统安全发展度预警空间格局

4.1 云南省16市州水生态系统安全发展度预警空间格局

2011年—2014年云南省16市州城市水生态系统发展度预警空间格局变化中有1/2的市州城市水生态系统处于恶化状态.城市水生态系统两年持续恶化的市州有大理州、德宏州、玉溪市、楚雄州、红河州、保山市、昆明市、西双版纳州；连续三年持续恶化的市州有玉溪市、大理州；城市水生态系统连续两年持续优化的市州是曲靖市、文山市、临沧市、丽江市、昭通市、德宏州；城市水生态系统连续三年持续优化的市州有临沧市、文山市；城市水生态系统连续四年持续优化的市州有文山州.

有接近1/2或1/2的市州城市水生态系统处于优化或恶化状态.城市水生态系统没有连续两年持续优化或恶化的市州是处于临界变化范围，这些市州城市水生态系统稳定性极差，处于这一范围的市州城市水生态系统优化发展方向极易改变.城市水生态系统连续两年或两年以上持续优化或恶化的市州，持续三年恶化的市州说明城市水生态系统恶化很严重，应该查清楚恶化原因，及时治理，如玉溪市、大理州，持续优化的应该总结经验交流推广，例如临沧市、文山市.见封二图2.

4.2 云南省16市州大气生态系统安全发展度预警空间格局

见封二图3，2011年—2014年云南省16市州城市大气生态系统发展度预警空间格局变化中有1/3(2011、2012、2014)的市州城市大气生态系统处于恶化状态，3/4(2013)的市州城市大气生态系统处于恶化状态.城市大气生态系统两年持续恶化的市州有楚雄州、大理州、迪庆见封二图图3州、怒江州、临沧市、曲靖市、德宏州、昭通市、昆明市；连续三年持续恶化的市州有楚雄州；城市大气生态系统连续两年优化的市州是昆明市、德宏州、保山市、玉溪市、西双版纳州、红河州；城市大气生态系统连续三年优化的市州有保山市、玉溪市、西双版纳州.

有接近1/3(2011、2012、2014)的市州城市大气生态系统处于恶化状态，最严重的是2013年有3/4市州城市大气生态系统处于恶化状态.城市大气生态系统没有连续两年持续优化或恶化的市州处于临界变化范围，这些市州城市大气生态系统稳定性差，处于这一范围的市州城市大气生态系统优化发展方向极易改变.城市大气生态系统连续两年或两年以上持续恶化的市州城市大气生态系统恶化较为严重和很严重，应该弄清楚恶化原因，及时治理，持续优化的应该总结经验，例如保山市、玉溪市、西双版纳州.

4.3 云南省16市州土地生态系统安全度预警空间格局

见封三图4，2011年—2014年云南省16市州城市土地生态系统发展度预警空间格局中市州城市土地生态系统处于恶化状态的市州数由1/3逐渐变为1/2.城市土地生态系统两年持续恶化的市州有楚雄州、保山市、大理州、昆明市、昭通市、曲靖市、红河州、临沧市；连续三年持续恶化的市州有保山市、昆明市、大理州；连续四年持续恶化的市州有保山市；城市土地生态系统连续两年优化的市州是丽江市、临沧市、西双版纳州、红河州、文山州、怒江州、德宏州、玉溪市、迪庆州、普洱市；城市土地生态系统连续三年优化的市州有丽江市、西双版纳州、怒江州、玉溪市；连续四年持续优化的市州有丽江市、西双版纳州.

接近1/3逐渐变为1/2的市州城市土地生态系统处于不断恶化状态.城市土地生态系统两年没有持续优化或恶化的市州是处于临界变化范围，这些市州城市土地生态系统稳定性极差，处于这一范围的市州城市土地生态系统发展方向极易改变.城市土地生态系统连续两年或两年以上持续恶化的市州，说明城市土地生态系统恶化较为严重和很严重.

4.4 云南省16市州生物生态系统安全发展度预警空间格局

见封三图5，2011年—2014年云南省16市州城市生物生态系统发展度预警空间格变化中有1/2的市州城市生物生态系统处于恶化状态.城市生物生态系统两年持续恶化的市州有曲靖市、红河州、西双版纳州、丽江市、保山市；连续三年持续恶化的市州有曲靖市、西双版纳州；城市生物生态系统连续两年优化的市州是昭通市、文山州、昆明市、玉溪市、临沧市、保山市、丽江市、迪庆州、怒江州、大理州；城市生物生态系统连续三年优化的市州有迪庆州、昆明市、临沧市.

1/2的市州城市生物生态系统处于不断恶化状态.城市生物生态系统没有连续两年持续优化或恶化的市州是处于临界变化范围，这些市州城市生物生态系统稳定性极差，处于这一范围的市州城市生物生态系统发展方向极易改变.城市生物生态系统连续两年或两年以上持续优化或恶化的市州，连续两年、三年恶化的市州说明城市生物生态系统恶化较为严重和很严重，例如曲靖市、西双版纳州，应该及时治理，持续优化的应该总结经验适时推广，例如迪庆州、昆明市.

4.5 云南省16市州社会经济生态系统安全发展度预警空间格局

见封三图6，2011年—2014年云南省16市州城市社会经济生态系统发展度预警空间格局变化中有1/3(2011、2013、2014)的市州城市社会经济生态系统处于恶化状态，城市社会经济生态系统两年持续恶化的市州有保山市、西双版纳州、玉溪市、丽江市、怒江州、昆明市、昭通市、德宏州；曲靖市、红河州、西双版纳州、保山市；连续三年持续恶化的市州有怒江州；城市社会经济生态系统连续两年优化的市州是德宏州、曲靖市、红河州、楚雄州、大理州、保山市、临沧市；城市社会经济生态系统连续三年优化的市州有红河州、楚雄州；城市社会经济生态系统连续四年优化的市州有红河州.1/2的市州城市社会经济生态系统处于不断恶化状态.城市社会经济生态系统两年没有持续优化或恶化的市州是处于临界变化范围，这些市州城市社会经济生态系统稳定性极差，处于这一范围的市州城市社会经济生态系统发展方向极易改变.城市生物生态系统连续两年或两年以上持续优化或恶化的市州，连续两年、三年恶化的市州说明城市社会经济生态系统恶化较为严重和很严重，例如怒江州，应该尽快查清楚恶化原因，及时治理，持续优化的应该总结经验适时推广.

5 结论

2011年—2014年云南省16市州城市生态系统子系统发展度预警空间格局变化中有1/2的市州城市水生态系统处于恶化状态，接近1/3的市州城市大气生态系统处于恶化状态，最严重的是2013年有3/4市州城市大气生态系统处于恶化状态.城市土地生态系统恶化市州数由接近1/3逐渐变为1/2，城市土地生态系统不断恶化.1/2的市州城市生物生态系统处于不断恶化状态，1/2的市州城市社会经济生态系统处于不断恶化状态.

[1]高庆彦. 云南省可持续发展功能区划研究[D]. 昆明:云南师范大学,2014.

[2]史培军, 王静爱, 陈婧, 等. 当代地理学之人地相互作用研究的趋向——全球变化人类行为计划(IHDP)第六届开放会议透视[J]. 地理学报,2006,61(2):115—126.

[3]高庆彦, 潘玉君, 朱海燕, 等. 基于熵思想的民族区城市生态系统研究——以云南省16市州为例[J]. 地域研究与开发,2015,34(2):148—153.

[4]葛慧玲. 滇西中心城市生态环境保护的研究[J]. 江西农业学报,2012,24(7):110—114.

[5]何萍, 李宏波, 张琴. 云南高原楚雄市城市发展规模与城市热岛效应关系分析[J]. 生态经济,2012,(6):146—150.

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[12]赵清, 杨志峰, 陈彬. 城市自然生态安全动态评价方法及其应用[J]. 生态学报,2009,29(8):4136—4148.

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，云南呈贡人，硕士，主要从事资源环境与区域发展，民族地理学研究.

潘玉君(1965- )，男，黑龙江齐齐哈尔人，教授，博士生导师，主要从事区域发展、地理学思想与方法、人文地理研究.

X21

A

2095-7408(2016)05-0056-06