基于信息熵的城市生态系统演化分析

基于耗散结构理论和城市复合生态系统理论,构建了城市生态系统演化分析的指标体系,建立了评估城市生态系统演化的量化模型,采用基于信息熵的分析方法,可获得城市生态系统演化评估的年份信息熵和指标信息熵：采用年份信息熵计算城市系统的支持型输入熵、压力型输出压力熵、氧化型代谢熵和还原型代谢熵,分析系统的有序以及复杂性;采用指标信息熵可确定各个指标的权重,再结合各个指标的归一化值,得到综合评估得分值,作为评估城市可持续发展水平的指数值,确定系统的发展度和协调度。以宁波市为例,应用量化模型纵向评价了1996--2003年城市可持续发展进程．评价结果表明：宁波城市生态系统的健康、有序水平不断提高,协调能力不断增强,系统活力有待改善．1996--2003年,宁波城市生态系统的熵流、熵产生、总熵均呈现出下降趋势,城市发展目标逐渐明确、有序度不断增强;宁波城市生态系统熵流的发展度和协调度不断提高,表现为由较强的社会经济压力向较强的自然生态支持力转变;宁波城市生态系统熵产生的发展度呈先增后减的趋势,表明城市系统代谢功能不稳定,其协调度呈现出振荡趋势,经历了氧化型代谢→还原型代谢→氧化型代谢的转变。     

基于信息熵和GM(1,1)的上海市城市生态系统演化分析与灰色预测

城市生态系统是典型的"自然-社会-经济系统",城市的可持续发展依托于城市生态系统结构和功能的不断协调与完善.新一轮"城市化"进程中,城市生态系统将面临生态用地减少、环境衰退等诸多挑战,生态环境和经济发展之间的矛盾可能日益突出.因此,把握城市生态系统的演化方向,对于促进城市可持续发展和生态文明建设意义重大.本研究以"国际化大都市"上海市为研究对象,运用"耗散结构理论"和"信息熵"分析模型,构建包括支持型输入熵、压力型输出熵、氧化型代谢熵、还原型代谢熵4方面的"上海市城市生态系统演化指标体系",以统计资料和政府公报为数据来源,对上海市2003—2013年的城市生态系统演化进行了熵变分析;基于集成层次分析法(AHP)和熵权法(EVM)"综合赋权"的"综合发展度"和"协调发展度"模型对城市生态系统可持续发展状况进行了评价;采用"相关分析法"对城市生态系统熵变与可持续发展协同演化过程进行量化分析;并引入GM(1,1)灰色预测模型对上海市城市生态系统(2014—2020)年的演化趋势和方向做出了预测.研究得出以下结论:12003—2013年,上海市城市生态系统"熵流、熵产生和总熵变",均整体呈波动下降趋势.上海市城市生态系统有序度不断提高,总体朝健康态势发展.22003—2013年,上海市城市生态系统总体可持续发展态势良好,不断向健康可持续方向演进;环境与经济整体效益不断提高,但环境与经济发展之间的协调能力近年来有所下降.3上海市城市生态系统(2014—2020)期间的演化趋势预测:城市生态系统整体继续向健康、有序方向演进.城市生态系统可持续发展整体保持协调发展态势,但未来发展协调度可能从"初级协调"衰退为"勉强协调".最后,基于指标"熵权"和熵变时序提出了上海市城市生态系统的针对性优化措施:积极扶持城市生态农业发展,扩大进出口贸易规模,促进娱乐教育文化服务产业增长;进一步提高居民生态环保意识,提倡低碳生活;加强工业"三废"的达标排放,提高资源利用率,巩固城市绿化率,加大环保投资规模.本研究旨在为上海市城市生态系统健康可持续发展和优化调控提供一定的科学参考.     

人水系统的自组织演化模拟与实证

人水系统是一个开放的复杂巨系统,研究其自组织演化过程对促进区域人水和谐和可持续发展具有重要意义。论文在辨析人水系统基本内涵的基础上提出了其概念模型,基于自组织理论分析了人水系统的演化具有开放性、涨落、非线性、反馈、不稳定性和支配性等特点。在此基础上借鉴协同学、耗散结构论等将序参量判据和熵判据结合,构建了人水系统的自组织演化模型,并应用到人水矛盾突出的石羊河流域。案例分析表明：石羊河流域人水系统的社会经济、生态环境和资源开发利用三个子系统在2001-2011 年的协同度总体呈“S”型上升趋势,具体演化路径略有不同;人水系统的整体演化以2006 年为涨落点,在政策驱动下,系统不断输入负熵,由混乱无序向协调有序的良性发展方向演化,开始趋向新的稳态,结果验证了模型应用的可行性。     

煤炭城市生态经济系统物质输入与输出及影响因素——以阜新市为例

利用物质流分析与分解模型,以阜新市为案例,分析了煤炭城市生态经济系统物质代谢及影响因素,结果表明：资源型城市转型战略实施以来,阜新市物质输入总量增速远小于GDP;不包括水在内的物质输入结构以煤炭为主,可再生固体物质输入增长迅速,正成为支撑阜新市可持续发展的新的资源基础。农业用水是用水量的主体且比重仍在增长,而工业用水比重在下降;气体输出物质与废水排放总量快速增加,废气和生活废水是造成环境污染的主要物质;以单位GDP物质输入与输出量测算的物质代谢效率明显提升;经济规模效应与技术效应是导致物质输入与输出量变化且作用相反的关键因素。     

中国造纸业物质代谢演化特征

造纸业是与国民经济和社会发展关系密切并具有可持续发展特点的重要基础原材料产业.为了解中国造纸业资源消耗及环境污染变化趋势,基于经济系统造纸业物质流分析（EW-MFA）方法原理,建立了中国造纸业物质代谢分析模型,定量分析2005~2017年中国造纸业物质输入/输出、代谢强度和循环利用率等演化特征.结果表明,2005~2017年中国造纸业的物质输入与输出总体呈下降趋势,水的贡献占比高达90%以上.近年来,随着造纸业原料结构的不断优化,非木材制浆的比例从42%下降至13%,主要被废纸制浆为主,木材制浆为辅的方式所取代,单位纸产品的资源消耗量得以大幅降低.2017年吨纸及纸板直接物质输入为26 t,较2005年的79 t下降了67%,其中新鲜水消耗量下降了约69%.水资源循环利用率大幅上升,2017年水循环率高达77%.目前,纸及纸板的生产越来越依赖于国内废纸和进口木材的投入,两者占比分别由2005年的21%和9%上升至2017年的60%和31%.然而,国内废纸回收率仍处于较低水平,需通过加强回收体系建设、提高居民回收意识等措施以缓解限制废纸进口造成的原料供应紧缺.     

区域物质流规模结构分析评价方法及应用研究

生态经济体系中环境的引导和调控作用是经济系统物质代谢的重要组成部分.为了更为完善地分析评价经济发展和环境压力的关系,在输入端、输出端物质流规模和结构分析中侧重于物质隐藏流的综合计算,并以广州市南沙区为例进行实证研究.研究结果表明:南沙区域出口与出口物质隐藏流呈逐步上升趋势;南沙区的区内生产过程排放呈现"先降后增、总体递增"的趋势,今后南沙区应加强对工业生产过程中工业固废和二氧化硫排放的监控.     

重庆市乡村生产空间系统风险评价及其空间分异格局

科学评价乡村生产空间系统风险水平并揭示其空间格局特征,差异化设计风险管控措施,对引导和调控乡村生产空间系统多元主体行为选择、实施健康可持续乡村振兴战略具有重要意义。在理清乡村生产空间系统风险机理的基础上,从风险源压力、风险载体状态、风险控制机制响应三个方面构建了乡村生产空间系统风险综合评价指标体系,以重庆市37个区县为研究单元,2016年为研究时点,评价了乡村生产空间系统风险水平并揭示其空间分异特征,据此提出了乡村生产空间系统风险管控的差异化措施。研究表明：（1）乡村生产空间系统风险的产生是风险源压力、风险载体状态、风险控制机制响应三者相互联系、共同作用的结果。（2）重庆市乡村生产空间系统风险总体上属于中等水平,呈现出“东高西低”的空间格局,系统压力、状态、响应水平空间分异特征明显,并从空间管制、土地利用模式、防灾减灾救灾体系等维度提出了差异化风险管控措施。     

氮输入对小叶章不同生长阶段土壤CH4氧化的影响

用盆栽法对小叶章不同生长阶段土壤CH4氧化能力随时间变化进行了研究.结果表明,氮输入后,植物各生长阶段的CH4氧化率均随时间推移发生了明显的波动变化.从生长季(6月7日~8月24日)CH4氧化率均值来看,只有12g/m2处理对CH4氧化起促进作用,且12g/m2和24g/m2处理之间存在显著性差异(n = 4, P < 0.05).不同氮输入水平对植物不同生长阶段CH4氧化率影响明显.第一阶段(6月7日~7月2日)适量(6g/m2)氮输入对CH4氧化起促进作用,但过量(12g/m2)氮输入则起抑制作用.第二阶段(7月2日~7月20日)只有12g/m2处理起促进作用.第三(7月20日~8月7日)、四(8月7日~8月24日)阶段氮输入对CH4氧化起抑制作用.氮输入后,土壤微生物量碳(MBC)、土壤微生物量氮(MBN)、土壤基础呼吸(BR)、土壤代谢熵(qCO2)、土壤诱导呼吸(SIR)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)和植物地上生物量与土壤CH4氧化的动态关系存在差异.土壤CH4氧化仅与MBC呈极显著负相关(P < 0.01),与其他影响因子相关性较小.     

基于生态网络效用的昭通市“三生空间”碳代谢分析

解析“三生空间”碳代谢有助于实现区域“三生空间”要素整合和结构优化,是寻求城市绿色低碳发展的有效途径之一。以昭通市为例,通过计算垂直方向上碳通量,构建水平方向的碳流模型,系统分析了2010—2018年“三生空间”碳代谢的时空分布,利用生态网络分析方法评价了“三生空间”演化对城市碳代谢的综合影响。结果显示:（1）2010—2018年间昭通市垂直方向上净碳通量和水平方向上净碳流均为负值,“三生空间”演化对昭通市碳代谢平衡产生了消极作用,造成碳排放量的增加。（2）“三生空间”用地在碳代谢系统中的生态关系以限制掠夺关系为主,生态空间被生活空间和生产空间挤占,影响了昭通市的碳代谢平衡。（3）整体生态效用函数J的值为0.85,小于1,说明“三生空间”演化对区域整体碳代谢平衡的综合作用是消极的,这与净碳流显示的结果相同。研究结果可为昭通市国土空间利用优化与低碳发展提供理论依据,这种研究方法可为国土空间优化与“三生空间”优化提供前期支持。     

人类活动净氮输入时空变化特征及其影响因素——以香溪河流域为例

为了阐明人类活动对三峡库区第一大支流香溪河流域氮输入的影响程度,基于人类活动净氮输入（NANI）模型估算了2001~2015年间香溪河流域乡镇水平的人类活动净氮输入,分析了氮输入的主要来源及其动态变化.结果表明：时间尺度上,香溪河流域人类活动净氮输入（NANI）因氮素施用的变化而呈现先上升后下降最后上升的趋势,但2015年相对2001年的NANI下降了143kg N/（km²·a）;空间尺度上,香溪河流域NANI整体呈现北低南高的分布格局,其中NANI输入强度差异较大的区域主要有昭君镇、峡口镇和黄粮镇.从人类活动净氮输入的组成上来看,氮肥施用仍然是最主要的来源（40.06%）,其次为大气氮沉降（29.98%）和食品/饲料净氮输入（27.75%）,作物固氮仅占净氮输入总量的2.21%.香溪河流域的NANI与人口密度和耕地面积比例极显著相关（P<0.001）;而NANI与河流氮输出的相关性不显著,香溪河流域河流氮输出占NANI的比例仅为24.28%.因此,可以通过减少氮素施用降低流域尺度氮素净输入量,但该流域NANI与河流氮输出无直接的响应关系.     

中国农村生态环境质量动态评价及未来发展趋势预测

客观评价和预测我国农村生态环境质量状况及发展趋势,对于保障粮食安全、实现农村经济可持续发展具有重要的理论和现实意义。论文基于压力-状态-响应（PSR）模型框架,构建了我国农村生态环境质量评价指标体系,分析了2000—2015年我国农村生态环境质量的动态变化。基于GM(1,1)模型,预测了“十三五”期间我国农村生态环境质量的发展态势。研究结果表明：2000—2015年我国农村生态环境质量的综合评价得分从0.669下降到0.387,农村生态环境质量总体呈现恶化趋势,农村生态环境承受的污染排放压力越来越大,环境治理投入较少,尚未形成对农村生态环境恶化情形的逆转。如果继续延续过去农业经济发展模式,2020年我国农村生态环境质量状况将会持续恶化,与“十三五”绿色发展的良好愿景目标相差甚远。     

基于熵权可拓决策模型的重庆三峡库区水土资源承载力评价

针对目前水土资源承载力评价中存在的信息屏蔽和主观性问题,以重庆三峡库区为例,在构建区域水土资源承载力评价指标体系的基础上,结合可拓学和熵权理论,对其水土资源承载力进行定量评价.结果表明:重庆三峡库区水土资源承载力超载区及向超载转化区包括渝中区、大渡口区等6个区县,占库区总区县个数的27.27％;满载区及向满载转化区包括北碚区、渝北区和巴南区3个区县,占库区总区县个数的13.64％;承载平衡区及向承载平衡转化区包括万州区、涪陵区等7个区县,占库区总区县个数的31.82％;可盈余承载及向可盈余承载转化区包括巫山县、巫溪县等6个区县,占库区总区县个数的27.27％.单指标评价结果表明,重庆三峡库区水土资源承载力主要影响因子是人均水资源量、废水排放率、人均耕地面积等.研究结果对于促进重庆三峡库区水土资源开发利用,并为类似地区的水土资源承载力评价提供了一种新方法.     

乡村人居环境系统韧性的演变规律及其提升路径——以国家城乡融合发展试验区重庆西部片区为例

以国家城乡融合发展试验区——重庆西部片区为研究区,以2009年、2014年、2019年为研究时点,以2009—2019年为研究时段,按照思想缘起、理论基础、实证演绎、提升路径的研究思路,建立乡村人居环境系统韧性测度的指标体系,分析其演变规律。研究结果表明：2009—2019年,重庆西部片区的乡村人居环境系统韧性水平不断上升,呈现出“南高北低”的空间格局。各子系统韧性在时间上呈现出不同程度的增长趋势,在空间上差异明显：自然系统韧性与人类系统韧性分别呈现出“由南向北递减”和“东西部向中部递减”的空间格局;居住系统韧性与支撑系统韧性则分别呈现出由“低值点缀分布”逐渐过渡到较为均衡和“普遍均衡、高低值点缀”的空间格局;社会系统韧性表现为“西部增强、东部减弱”的空间格局特征。借助障碍度模型对重庆西部片区乡村人居环境系统韧性提升的障碍因子及不同区县面临的主导障碍进行诊断,根据结果将重庆西部片区划分为单一主导障碍型、双重障碍型与三层障碍型三种类型,据此设计乡村人居环境系统韧性提升的差异化路径,以期打破重庆西部片区乡村人居环境系统韧性提升的多重制约。     

可持续城市研究进展及其对国土空间规划的启示

可持续城市是很多学科和领域关注的焦点。智能化和网络社会的演进促进了技术与可持续发展的关系研究,可持续城市研究亟需创新理论和方法。国内学界对可持续城市的前沿关注不够,结合国土空间规划的反思和探讨欠缺。因此,借助CiteSpace软件对国内外可持续城市研究进行系统评述,分析其演进脉络和研究热点,并探讨其对国土空间规划的启示。可持续城市研究主要经历了萌芽、兴起、增长、扩散四个阶段。可持续城市应当以自然、社会和技术三者的协调发展为核心。可持续城市的国际研究主要集中在气候变化、城市治理和智慧城市三个方面,并由“可持续”向“可持续智能”转变,大数据辅助城市规划成为趋势,社区多元主体共治逐渐增强。新可持续智能城市研究框架与国土空间规划的结合将是未来研究的关键。中国需要加强可持续智能城市的研究和实践,提出科学的可持续智能城市评价指标体系,结合国情重视城乡共治,并将这些理念渗透在国土空间规划中。     

广东省产业绿色发展的空间格局及影响因素分析

产业绿色发展对构建高效低耗、绿色循环发展的产业体系、实现经济可持续发展具有重要意义。从产业绿色增长度、资源环境承载力和政府政策支撑力三个维度构建广东省产业绿色发展综合评价指标体系,采用熵值法,测度了2005-2015年广东省及各市产业绿色发展综合水平,并运用探索性空间数据分析方法剖析了广东省各市产业绿色发展的空间关联特征,在此基础上采用空间误差模型对广东省产业绿色发展水平的影响因素进行探讨。结果表明：（1）从总体水平看,广东省产业绿色发展综合水平基本呈现持续增长态势;（2）从空间分布看,其总体水平的空间格局呈现“核心—边缘”状,高水平主要集聚在珠三角,而中低水平主要分布在珠三角外围地区;（3）从空间演化看,2005-2015年广东省各市的产业绿色发展水平空间差异略有扩大,但总体格局保持相对稳定;（4）从空间关联特征看,广东省各市产业绿色发展水平的空间分布集聚格局基本稳定,珠三角城市处于高值集聚的热点地区,外围地区的东翼和北部山区部分城市处于低值集聚的冷点地区;（5）空间误差模型结果显示全球化、市场化、居民收入水平、政府调控和科技水平均对广东省产业绿色发展水平产生显著的正向影响,而城镇化对产业绿色发展的影响不显著。     

矿业城市生态承载力动态分析

鞍山市是我国重要的矿业城市,也是我国最大的钢铁生产基地之一,研究其生态承载力状况并预测其发展趋势,可为鞍山市可持续发展提供决策依据。基于矿业城市独特的生态系统内涵,建立了鞍山市生态承载力评价指标体系,运用熵值理论为基础的综合评判法,评价了"十五"期间鞍山市生态承载力状况,探讨了2010年鞍山市生态承载力变化趋势。结果表明:"十五"期间,鞍山市综合生态承载力处于临界安全状态,整体上呈现增长趋势,但经济压力、资源压力和生态健康等指标发展水平仍较低。生态承载力从超载逐渐转变为盈余状态,系统间协调度不断提高。按照鞍山市总体规划水平预测,2010年鞍山市综合生态承载力达到较安全状态,各指标没有低于临界安全的;生态承载力承载度和协调度进一步提高。运用综合评判法较客观地反映了鞍山市"十五"期间生态承载力状况,并进行了相对可靠的预测,可为其他地区生态承载力研究提供一定的借鉴。     

环境污染型城市土地集约利用研究——以淮北市为例

土地集约利用是实现环境污染型城市可绿色持续发展的重要途径,同时也是中国建设生态文明的重要手段.文章以安徽省典型的环境污染型城市淮北市为例.依据淮北市的经济发展状况和土地利用现状,从经济、社会、生态三个角度构建评价指标体系,采用熵值法对权重进行确定,并采用多因素评价法对该区域2006年-2015年土地集约利用程度进行研究与评价.结果表明:2006年-2015年淮北市土地集约利用程度呈波动上升的趋势,其中,2006年-2010年淮北市土地利用呈不集约状态,2011年-2015年,集约利用土地水平由不集约逐渐转变为中度集约.政策的变化、产业结构的优化升级以及环境的治理提高了研究区域集约利用土地水平,并在此基础上提出三点建议.