基于SFPHD框架的中国快速城市化地区城市生态系统健康综合评价方法外文翻译资料

基于SFPHD框架的中国快速城市化地区城市生态系统健康综合评价方法

摘要：随着快速城市化地区经济的持续快速发展和人口的不断增长，城市生态系统的健康状况正在发生深刻的变化，这将对城市的可持续发展产生负面影响。为系统评价中国中部快速城市化地区城市生态系统的健康状况，在深入理解城市生态系统健康的概念和一般特征的基础上，提出了结构-功能-过程-人类健康-发展的新评价框架，并根据该评价框架建立了扩展的评价指标体系。之后，在详细确定指标分类标准的基础上，采用改进的SI-MI模型对城市生态系统健康状况进行评价。以长江中游地区的城市群，一个我国城市化快速发展的区域为例，对该框架和方法进行了实证研究。结果表明，2005至2015年间，研究区大部分城市的健康水平有所提高。从空间格局看，研究区健康水平呈现明显的空间异质性，省会城市和部分生态城市健康状况更好。值得注意的是，功能和发展层次是制约长江中游城市群城市生态系统整体健康水平的关键环节。在对各城市进行分类后，我们找出了影响不同类型城市健康水平的因素，并为不同类型城市提出了管理建议。

关键词：生态系统健康评价框架，改良的SI-MI模型，指标分类标准，全局灵敏度分析，城市群

1.引言

城市群是促进城市化可持续发展的重要战略区域，也是世界经济中心转移的重要集聚区 （Xiao等，2019）。城市群作为参与全球经济竞争和劳动力配置的基本区域单元（Cao等，2019），无疑将在区域发展中发挥重要作用，并且成为一个国家的关键增长节点和发展引擎。然而，随着中国改革开放后城市化和工业化进程的加快，城市群的快速经济发展和人口增长，导致了自然景观、土地利用/土地覆盖和生态系统的深刻变化（Li和Li，2014；Peng等，2018；Xia等，2019）。针对城市化和工业化带来的环境问题，有必要对城市群生态系统的现状进行综合评价，促进城市群的可持续发展。目前，从生态学角度对城市生态系统健康进行评价是对城市生态系统健康进行系统诊断和可持续生态管理的有力工具（Su等，2010，2019；Zeng等，2016）。

人类活动影响下的城市生态系统健康研究一直是学者们关注的热点领域。目前，城市生态系统健康研究主要集中在概念、评价框架、评价方法、指标分类标准和评价标准等方面（Su等，2010；Liu和Hao，2017；Jenerette，2018）。城市生态系统健康最初是从自然生态系统健康的概念演变而来，并与城市特色相结合。因此，城市生态系统健康的概念是在现有生态系统健康发展基础上的进一步拓展（Su等，2012；Zeng等，2016）。目前对城市生态系统健康的概念还没有一个广泛统一的认识，很多研究通过总结城市生态系统健康的不同方面来界定城市生态系统健康 （Zeng等，2016; Yan等，2016）。一般而言，生态系统健康的概念经历了三个发展阶段，首先关注城市复合生态系统组成和结构的完整性（Costanza等，1992），之后着重从城市生态系统提供的人类服务功能的角度来解释，以及经济、环境与社会的关系 （Li和Li，2014; Yan等，2016）。一些研究从维护自然生态系统和人类社会生态系统的健康及其相互协调的角度描述了城市生态系统健康的概念（Su等，2010，2019；Xu和Xie，2012；Kang等，2018）。从这个角度看，城市生态系统健康已逐步发展成为集自然生态、社会经济和人类健康于一体的综合性研究（Kang等，2018）。

城市生态系统是一个具有多维交互关系的开放复杂系统。已有的大多研究是通过建立评价框架和指标框架对城市生态系统健康进行定量评价，包括压力-状态-反应（PSR）模型、活力-组织-弹性（VOR）模型、自然-社会-经济模型、子系统模型等框架。PSR框架在许多研究领域得到了广泛的应用，但它主要强调人与环境的相互作用，不能揭示城市生态系统的复杂性和城市生态系统健康的本质（Su等，2019）。VOR框架来源于自然生态系统健康评价，但在一定程度上不能充分反映城市生态系统的内在特征和复杂性（Yu等，2008）。自然社会经济框架和子系统模型建立了自然生态系统要素与人类社会生态系统要素之间的弱联系（Zeng等，2016），没有体现城市生态系统的综合特征。最新研究采用了一种新的评价框架，充分反映了城市生态系统复杂的内在特征和健康本质。如Su等（2019）基于系统论和生态学理论，从结构、功能、过程和发展四个维度提出了城市生态系统健康的SFPD（结构-功能-过程-发展）评价框架。

城市生态系统健康研究的重点和难点之一是确定城市生态系统健康评价的标准，即指标分类和健康评价的标准。确切地说，由于城市生态系统的复杂性和开放性，以及人类对服务需求随时间不断变化所带来的不确定性，目前还没有绝对或固定的健康评价标准。起初，学者们试图通过寻找原始的自然生态系统来评价生态系统的健康状况，但这一点很难实现（Su等，2010）。后续研究通过比较生态城市、园林城市或环境保护力度大的城市的条件，来确定指标分类标准（Peng等，2007）。最新研究成果在现有获取方法的基础上，从各种国际标准、各领域权威文献等渠道全面获取了指标分类标准。在评价方法上，一些学者（Zeng等，2016; Xiao等，2019）采用了更灵活的方法，即通过长时间序列研究，比较同一地区不同年份或者不同地区不同年份的生态系统健康趋势。此方法不确定承载状态。也有人采用模糊评价模型、集对分析（Su等，2009）、模糊物元模型（Li等，2014；Su等，2019）等方法，通过指标分类标准确定城市生态系统健康状况。根据研究重点的不同，Su等（2019）将城市生态系统健康评价方法详细划分为六类：不确定性问题求解法、多目标决策分析法、神经网络法、物质代谢分析法、属性理论法和基于控制论的灰色系统理论方法。

回顾城市生态系统健康的研究进展，城市生态系统健康的概念、评价框架、评价方法和评价标准都在逐步发展和完善。但仍存在以下问题：第一，以往的城市生态系统健康评价框架试图将自然生态系统健康评价框架与城市地区的特点相结合，但评价框架的几个维度与城市社会经济活动的关联仍较弱。第二，现有的研究已经开始侧重于系统内部的管理和协调运行，但还没有学者关注城市生态系统中要素流与相邻研究单元之间的空间关系。此外，与人类健康相关的指标，作为城市生态系统中的一个重要课题，很少被考虑。第三，在快速城市化的背景下，水环境和大气污染对城市生态系统健康评价的影响被忽视了。第四，现有研究主要采用不确定性问题求解方法和多目标决策分析方法对城市生态系统健康状况进行评价，如集对分析法、模糊物元模型和逼近理想解排序法等，但这些评价方法的应用比较困难。

长江中游城市群位于中国长江流域中部。该区是国家绿色城市化示范区和长江流域重要的生态敏感区。它对维护区域生态安全、促进区域可持续发展具有极其重要的作用。然而，近年来，快速的经济发展和城市扩张显著改变了区域土地利用格局、生态景观格局、大气环境和水环境（Luo等，2020）。因此，定量评价城市生态系统健康水平，挖掘深层次原因，对于促进区域生态调控和城市生态管理具有重要意义。研究思路：本研究首先在深入了解城市生态系统内在特征和广泛阅读文献的基础上，从结构、功能、过程、人类健康和发展五个标准层构建了新的城市生态系统健康评价框架，并从这五个层次构建了扩展的评价指标框架。其次，我们确定了评价指标和城市生态系统健康状况的详细分类标准，并采用改进的单指标量化-多指标综合法（SI-MI）对各研究单元的健康状况进行了定量评价。最后，在城市类型划分的基础上，从标准层面和因子层面，我们分析了城市生态系统健康状况的时空格局变化及其深层次原因。

2.研究区域和数据来源

2.1.研究区

长江中游城市群是由武汉城市群、鄱阳湖城市群和长株潭城市群组成的大型城市群。它位于中国长江流域中部，包括湖北、湖南、江西三省的共31个地级市和部分县（区）。位于北纬26°03′～32°38′，东经110°45′～118°21′，总面积约32.6万平方公里，属亚热带季风气候，年平均降雨量约800～1943mm。该地区以平原为主（图1），土壤肥沃，水资源丰富。该区有鄱阳湖、洞庭湖、汉江、清江等多条江河湖泊，适宜的水温条件和丰富的农业资源，是其成为了中国粮食主产区之一。然而，长江中游城市群作为江西、湖北、湖南三省人口密集区和重要开发区，近年来具有突出问题。例如，重化工业极度集中，资源利用效率低下，造成了水资源极高的消耗和污水的大量排放。鄱阳湖、洞庭湖、洪湖等重点湖泊富营养化加剧、水环境容量下降的问题也日益凸显。总体来看，在区域经济发展过程中，水资源承载压力和水生态安全问题突出（Li等，2017）。此外，该地区土地资源丰富，但土地生态脆弱。在土地城市化和工业发展的背景下，水土流失和污染较为严重。

图1 研究区概况和2005年（a）和2015年（c）长江中游城市群研究区域和土地覆被。

2.2.数据源

本研究从中国科学院资源与环境科学数据中心获取了江西、湖北和湖南省2005、2010和2015年的土地利用栅格数据、年降水栅格数据（Wang等，2006）和1km分辨率的年归一化植被指数（NDVI）栅格数据（表1）。之后，利用ArcGIS10.3软件的区域统计工具，计算各城市的森林覆盖率、湿地覆盖率、生态系统服务价值、年降水量和NDVI指数。参考已有的湿地研究 （Jiang等，2012; Wang和Hou，2019），我们将河道、湖泊、水库和池塘、海滩、沼泽地定义为湿地类型。本文所用的社会经济统计数据分别摘自2006年、2011年和2016年的《中国城市统计年鉴》、《江西统计年鉴》、《湖北统计年鉴》、《湖南统计年鉴》、《中国城市建设统计年鉴》。2005年和2015年的人口增长率、人口性别结构和人口抚养比数据来源于《江西省5%人口抽样调查数据》、《湖南省5%人口抽样调查数据》、《湖北省5%人口抽样调查数据》。2010年的人口数据来自《中国第六次人口普查》的数据。此外，水资源总量来自水资源公报，耕地总面积和城乡居民收入来自地级市统计公报。

表1 研究中使用的研究区域边界和栅格数据。

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