金云峰 李濤 吳鈺賓 楊丹

摘要：“文章選取上海2000-2015年的城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)空間相關數(shù)據(jù)，通過耗散結構理論的熵值分析法，首先分析了上海城市建設用地多樣性在全國處于中等的研究背景，其次總結了上海城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)的3項空間演化特征，即游憩型綠地的開放性增強、綠地功能類型多樣性增加、生態(tài)因子具有非線性作用，最后提出風景游憩綠地需提升綜合品質(zhì)，生態(tài)保育綠地應實施自然再生等優(yōu)化策略。

關鍵詞：耗散結構，熵值分析，多樣性指數(shù)，綠地系統(tǒng)

DOI： 10.3969/j.issn.1672-4925.2019.01.003

“城市雙修”理念中的“生態(tài)修復”目的在于為城市健康活力運作提供必要的生態(tài)安全格局，更為城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)中的生物多樣性保護提供有序的生態(tài)空間結構。而耗散結構理論正是基于自組織復雜性視角，研究動態(tài)有序結構秩序的達成條件及對策的系統(tǒng)性方法論，并將這種過程定義為“系統(tǒng)與環(huán)境之間相互作用達到某一臨界值時出現(xiàn)的有序結構”[1]。這種以復雜性科學哲學視角來化解復雜問題的方法，是未來城鄉(xiāng)綠地進行復雜性管理[2]的必要前提，也是時代的要求，更是城市規(guī)劃、風景園林學科未來的發(fā)展方向[3]。

1理論概念和研究方法

1.1耗散結構理論

耗散結構理論是復雜自組織創(chuàng)造條件方法論[4-5]，其出現(xiàn)背景是19世紀非生命系統(tǒng)能量耗散的退化觀念體系以及生命系統(tǒng)高級組織結構的進化觀念體系的時代研究熱潮，目的在于揭示橫跨自然界與人類社會之間一致的復雜組織現(xiàn)象及過程。1969年比利時物理化學家Prigogine首次提出耗散結構[6].主要是為了闡釋系統(tǒng)與環(huán)境之間的物質(zhì)、能量變化，及這些變化對復雜組織系統(tǒng)的影響，即建立在系統(tǒng)和環(huán)境之間物質(zhì)、能量交換基礎上形成的耗散結構研究。

耗散結構是系統(tǒng)與環(huán)境之間相互作用達到某一臨界值時出現(xiàn)的有序結構?！坝行颉笔侵改芰炕蚬δ苌系摹盎畹挠行颉?，而非結構或形式上的“死的有序”。綠地系統(tǒng)要達到有序穩(wěn)定的組織狀態(tài)正是耗散結構態(tài)。綠地系統(tǒng)演化進程滿足形成耗散結構的所有4項條件：系統(tǒng)內(nèi)外部時刻進行物質(zhì)能量信息交換的開放性特征;子系統(tǒng)之間因不同的功能作用和結構布局而導致的空間格局非平衡性特征;系統(tǒng)內(nèi)部外部之間正反饋增強（相互協(xié)同）或負反饋弱化（相互制約）的非線性相互作用特征;外部干擾（如氣候變化、空間干預）和內(nèi)部作用導致系統(tǒng)演化偏離整體穩(wěn)定態(tài)的漲落性特征。綠地系統(tǒng)的耗散結構態(tài)則表現(xiàn)為綠地結構漸趨精良，系統(tǒng)活力、有序度及吸引力的持續(xù)增強等。這種情況通常發(fā)生在以城鄉(xiāng)綠地（特別是風景名勝區(qū)）為主要吸引力的城市，也會發(fā)生在節(jié)假日（特別是黃金周），這與旅游客流量增加所帶來的熵流密切相關，加之同時管護運營等人力、物力、財力的物質(zhì)能量注入共同構成耗散體系環(huán)。

目前，耗散結構結合生態(tài)的文獻普遍較多且豐富（圖1），包括生態(tài)系統(tǒng)的演化研究、生態(tài)保護與修復研究、生態(tài)文明建設研究等[7]。雖然耗散結構結合綠地、景觀的研究文獻目前尚缺，但是耗散結構方法論中的熵值分析結合綠地、景觀的研究已取得初步成效，相關研究集中在景觀異質(zhì)性研究、景觀格局變化、綠地空間格局分析等領域[8]，整體而言，耗散結構結合綠地空間的研究水平仍處于起步階段。

1.2研究方法：熵值分析

熵值分析是度量復雜不確定性的重要工具[9]，是1948年Shannon在信息論中引入的用于度量系統(tǒng)信息量和不確定性程度的重要概念。熵值分析通常應用于生態(tài)、城鎮(zhèn)關系、物理、計算機等領域相關指標的應用評價與效能評估[10]。在空間研究領域，熵值分析多用于土地利用結構演化有序性研究[11]、生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)演化分析[12]、旅游系統(tǒng)生命周期演化研究[13].熵權分析則多用于城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價[14-15]。

根據(jù)Shannon熵公式可構建用地類型多樣性指數(shù)[16]：

式（1）中H為用地類型多樣性指數(shù)，也就是信息熵值;Pi為第i個指標所占百分比，具有歸一性。根據(jù)信息熵函數(shù)，可計算出系統(tǒng)均衡度指數(shù)J= H/Ln，（n）。繼而可計算出優(yōu)勢度指數(shù)，=1-J。

根據(jù)熵權法，假設評價對象有m個，評價指標有n個，則i取值1到n，j取值1到m。那么第i個指標熵值Hi計算公式為：

式（2）中k= l//n， （m）;Pi為第j個評價對象第i個指標所占百分比（即總和標準化的歸一化）。根據(jù)指標熵值E結果，計算出第i個指標的熵權Wi：

2研究背景

比較2015年我國22個省、自治區(qū)、直轄市城市建設用地規(guī)模，整理住房和城鄉(xiāng)建設部官網(wǎng)《2015年城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》發(fā)布數(shù)據(jù)，以居住用地、公共管理與公共服務用地、商業(yè)服務業(yè)設施用地、工業(yè)用地、物流倉儲用地、道路交通設施用地、公用設施用地、綠地與廣場用地為具體指標，根據(jù)多樣性指數(shù)公式（1）計算并分析各省市城市建設用地類型的多樣性情況（圖2）。

研究發(fā)現(xiàn)，除河北外，北部地區(qū)建設用地類型多樣性指數(shù)普遍較高，東部地區(qū)建設用地類型多樣性指數(shù)普遍較低。這說明整體而言，北部地區(qū)城市建設用地結構比東部地區(qū)建設用地類型多樣性和異質(zhì)性更高。南部地區(qū)和西部地區(qū)則呈現(xiàn)較大的波動性，表明這些地區(qū)建設用地結構多樣化程度具有不一致性特征。

上海城市建設用地多樣性全國居中（多樣性指數(shù)為1. 82）。近年來，上海城市建設用地格局演化已經(jīng)逐步由“攤大餅式”的低密度蔓延發(fā)展，轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出“一個中心、若干衛(wèi)星城”的組團發(fā)展模式[17].也因此上海城市建設用地擴張占用耕地情況更加嚴峻。

3上海城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)的空間演化特征

3.1游憩型綠地的開放性增強

開放性是系統(tǒng)產(chǎn)生有序穩(wěn)定耗散結構的首要前提條件，是指系統(tǒng)內(nèi)外部存在物質(zhì)能量信息的持續(xù)交流。城鄉(xiāng)綠地是兼具開放、半開放、不開放屬性的綠色生態(tài)空間，根據(jù)《城市綠地分類標準》（ CJJ/T85 -2017），Gl公園綠地、G3廣場用地、EGI風景游憩綠地屬于開放性的游憩型綠地。上海城鄉(xiāng)游憩型綠地的開放性程度具有空間分布不均衡特點，主要由中心城區(qū)公園綠地承擔。以2016年為例，中心城區(qū)公園綠地面積明顯低于郊區(qū)（圖3），特別是黃浦區(qū)、靜安區(qū)、虹口區(qū)公園綠地均不超過300 hm2.但游園人數(shù)中心城區(qū)卻高出郊區(qū)近20倍。

3.2綠地功能類型多樣性增加

由于上海市統(tǒng)計局《2017年統(tǒng)計年鑒》官網(wǎng)發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)仍按舊版《城市綠地分類標準》（ CJJ/T85-2002），考慮到綠地分類并不影響系統(tǒng)演化特征的熵值分析結論，因此仍選取年鑒中公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護綠地、附屬綠地、其他綠地5類綠地規(guī)模為具體指標，通過各綠地規(guī)模數(shù)據(jù)總和歸一化和熵值公式（式1），計算2000-2015年上海市綠地功能類型多樣性、均衡度、優(yōu)勢度指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，上海市綠地功能類型多樣性存在動蕩發(fā)展態(tài)勢（圖4）：1）研究期內(nèi)綠地功能類型多樣性于2003年達到最高值后，持續(xù)下降至2009年到達最低值，繼而再緩慢上升。這表明2009年前綠地功能多樣性主要受城市建設活動影響.2009年后由于大規(guī)模自然保護區(qū)等直接計入其他綠地類型，因此綠地功能類型多樣性持續(xù)增加。2）均衡度同樣先降低再上升。2009年前城市綠地功能類型整體分布漸趨不均衡，公園綠地類型優(yōu)勢度明顯。2009年后綠地功能類型均衡性增強，單一城市綠地類型的優(yōu)勢度下降。如近年來郊野公園、濕地公園、森林公園等規(guī)模增加，削減了公園綠地的優(yōu)勢度，使得整體城市綠地功能結構布局趨于空間均衡。

3.3生態(tài)因子具有非線性作用

以生態(tài)系統(tǒng)演化分析為目標層，以熵流（輸入輸出熵矢量和）和熵產(chǎn)生（代謝熵矢量和）為分目標層，以支持型輸入熵、壓力型輸出熵、氧化型代謝熵、還原型代謝熵[18-19]為準則層，新增造林面積等35項具體指標，選取第九個五年計劃末年到第十二個五年計劃末年（即2000年、2005年、2010年、2015年）4個時間段，構建上海2000-2015年生態(tài)系統(tǒng)演化指標體系（表1）。

1）數(shù)據(jù)來源。各具體指標的年份數(shù)據(jù)整理來自上海市統(tǒng)計局官網(wǎng)相關數(shù)據(jù)、歷年《上海市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、上海市環(huán)境保護局發(fā)布的歷年《環(huán)境狀況公報》等。

2）指標選取。選取指標過程中，因部分指標無法獲取或數(shù)據(jù)不一致性而選用其他指標代替。如用煙塵排放總量、工業(yè)廢氣排放總量等表征階段性環(huán)境治理后的系統(tǒng)滯塵、抗大氣污染的生態(tài)效能，用人口密度等表征游憩人流量潛在吸引度，用森林覆蓋率、自然保護區(qū)覆蓋率等表征物種豐富度、景觀多樣性。除此之外，還有生態(tài)網(wǎng)絡連接度、景觀空間綜合視覺吸引力等難以統(tǒng)計而尚未列入的評價指標。

3）各熵表征。支持型輸入熵反映系統(tǒng)生產(chǎn)承載能力及對社會經(jīng)濟活動的支持力，表征系統(tǒng)的經(jīng)濟服務效能。壓力型輸出熵反映系統(tǒng)面臨的外部社會經(jīng)濟活動壓力，表征系統(tǒng)的社會服務效能。氧化型代謝熵、還原型代謝熵分別反映環(huán)境治理下各類污染物對系統(tǒng)的負面干擾能力、系統(tǒng)還原代謝的自我凈化能力，這兩項熵指標表征系統(tǒng)的生態(tài)服務效能。

結合指標數(shù)據(jù)的整理統(tǒng)計，通過熵值分析（式1一式3）計算各指標熵權權重（表1），研究發(fā)現(xiàn)：1）新增造林面積和進出口總額在支持型輸入熵中權重較大，這種內(nèi)外向的功能強化與經(jīng)濟刺激能夠影響生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力;2）城鎮(zhèn)居民消費水平在壓力型輸出熵中權重較大，說明城鄉(xiāng)居民的休閑游憩需求已成為生態(tài)系統(tǒng)演化的主要外在壓力，迫使系統(tǒng)內(nèi)部用地轉(zhuǎn)型進行協(xié)同演變，如耕地到農(nóng)業(yè)采摘園的耦合功能轉(zhuǎn)變：3）垃圾產(chǎn)生量在氧化型代謝熵中權重最大，說明龐大的垃圾產(chǎn)生量對生態(tài)系統(tǒng)干擾最強：4）污水處理量在還原型代謝指標熵中權重最大，說明其對河流水系污染程度直接決定著生態(tài)系統(tǒng)的恢復能力：其次是城市人均公園綠地面積權重較大，因經(jīng)濟支持及人流量負熵使其還原代謝能力較強。

4啟示與展望

“生態(tài)修復”目標背景下，耗散結構理論為如何保障城鄉(xiāng)綠地空間格局進行穩(wěn)定可持續(xù)的發(fā)展演化帶來2點啟示。1）風景游憩綠地需要提升綜合品質(zhì)。在上海土地資源約束趨緊和生態(tài)游憩空間匱乏形勢下，推進以郊野公園為重點的大型游憩空間和生態(tài)環(huán)境建設能促動風景游憩綠地漲落加速成為耗散結構[20-21].從而優(yōu)化城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)空間布局。2）生態(tài)保育綠地實施自然再生。建設用地總量“零增長”剛性管控下的生態(tài)修復策略需要保證生態(tài)保育綠地進行自然修復[22].從而增強系統(tǒng)優(yōu)勢度，包括師法自然生態(tài)修復法技術[23]、生態(tài)減緩技術等[24]。

基于耗散結構理論的綠地系統(tǒng)空間研究，通過熵值變化探討系統(tǒng)的多樣性、均衡性、非線性等演化特征，而不局限于可視的空間視角。未來應更強化耗散結構理論與城市系統(tǒng)、綠地系統(tǒng)研究的復雜性對接，并通過提取時空演化規(guī)律揭示潛藏其中的空間演化規(guī)律性特征，在格物致知的基礎上探析復雜背后的簡易規(guī)律，從而預測并指引未來系統(tǒng)演化發(fā)展。

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收稿日期：2018 - 01- 05

*基金項目：國家自然科學基金項目（ 51708415）

第一作者：金云峰（1961-），男，教授，博士生導師，副系主任，研究方向為風景園林規(guī)劃設計方法與工程技術，公園綠地與開放空間，中外園林與現(xiàn)代景觀，風景旅游區(qū)保護與更新。E-mail： jinyf79@ 163.com

通信作者：楊丹（1986-），女，碩士，研究方向為風景園林規(guī)劃設計。E-mail： 83963942@ qq.com