全 文 ：第30卷第2期 生 态 科 学 30(2)：135．14l
2Q!!生垒目 基￡Q!Qgi坌垦iS坌i曼n曼星!叁卫￡2Q!!
陈兴鹏，张伟伟，薛冰，鹿晨昱，付佳，耿涌．基于集对分析的城市生态系统健康评价——以兰州为例[J】．生态科学，20ll，
30(2)：135·141．
cⅢ烈xing-peng，zHANGwji-wei，)(IJEBillg，Luchen-yu，FuJ氓GENGYbng．EValuation0nurb粕ecosyst锄healthby
employingSetPairAnalysis：ac嬲estudyiIlLaIlzhou，China【J】．砌，0咖口，＆泐∞2010，30(2)：135-141．
基于集对分析的城市生态系统健康评价一以兰州为例
陈兴鹏1，张伟伟卜，薛 冰2一，鹿晨昱3，付佳2⋯，耿 涌2，4
1．兰州大学资源环境学院人文地理研究所，兰州730000
2．中国科学院沈阳应用生态研究所循环经济与产业生态研究组，沈阳110016
3．西北师范大学地理与环境学院，兰州730070
4．沈阳大学区域污染环境生态修复教育部重点实验室，沈阳110044
【摘要】 城市生态系统是城市社会经济发展的基础和载体，但城市生态系统健康状况问题中包含多种不确定性因素，而集对
分析可以有效处理这种不确定性。论文以特大型综合性城市兰州为研究案例，基于集对分析方法，构建包括生产力、生活态、
生态势和生机度的城市生命力指数，诊断兰州城市生态系统2002至2008年间的健康状态。研究结果表明：2002~2008年，
兰州市城市生态系统健康状况呈上升趋势，其健康联系度由2002年的0．4751增至2008年的O．5179，但总体水平仍不高。
该研究为兰州市城市规划和生态建设推荐了重点行动领域，同时也可为兰州市实施可持续发展战略提供决策依据。
关键词：城市生态系统；健康评价；集对分析；兰州市
doi：10．3969／j．issn．1008-8873．2011．02．08中图分类号：Q948．1文献标识码：A 文章编号：l008·8873(2011)02一135—07
EValuationonurbanecosystemhealthbyeInployingSetPairAnalysis：acasestudy
inLanzhou，China
Chenxing．pen91，zhangwei-weil．x仳Bing2”，Luch％．”3，FuJia2’4，GengYo “，
J．InstituteofHum粕Geo鲫hy，CollegeofEanhandEnv曲啪即talsciences，LaIlzhouUnivers咄Lall加ou730000，China
2．IllStitutcofAppliedEcolo鼢ChmseAcademyofS i∞c s，Sheny锄g110016，Chilla
3．CollegeofGeo乒印hy柚dEnv而砌entScience，NonhwestNo丌Ilalunivers咄Lallzhou730070，Chilla
4．KeyLabomto叮ofRegionalEnV的衄ent锄dEco·Remediation(Sh∞y柚gU ivers时)，MOE，Shenyang，110044，China
Abstract：Evaluationofurb柚ecosystemhcalthisu唱％tlyneededbec肌seitistlledevel叩mentalb嬲isoflrb舳social-economic
system．Asasystematic锄lysismethodt ealwim吼ccnaintyissues，SetPairAnalysis(SIA)ise唧loyedtoeVaIua肥tlleIlrb孤
∞osyst哪healthinthispaperbytakingLanzhouasac弱e．WesmdytheurbanecoSystembyernployingSf，A丘Dmtheindex豁pects
coIIsistiIlgofproductiV时pow％liviIlgstatus，ecolo百cal硒c∞dancy锄dVitalf-orce，r印∽sentingthesitIlationofurb锄econ0血c
吼lbsysterIls，socialubsysteIn，mmmlsubsystem，蛐decologicalregIllato哆subsystem．111eresultsshow慨healtllydegrceofL砌ou
cityecosyst咖risescontiIluo璐ly．Comlectiondegr eofhealthi creasedf如mO．475l in2002to0．5l79in2008，butgen∞llythelcvel
isnothigh．Thercsultscanprovidesci印tificreferencef．or egionalsllstamabledevelopment．
Keywords：urballecosystem，healtheval枷0n，SetPairAmalysis，LaIlzhou
收稿日期：2010．09．06收稿，2010．11．16接受
基金项目：国家自然科学基金面上项目(40871061)；国家自然科学基金重点项目(71033004)
作者简介：陈兴鹏(1963一)，男，汉族，甘肃庆阳人，理学博士(后)，兰州大学教授、博士生导师，主要从事人地关系、区域可持续发
展与循环经济研究。E—mail：chen，【p@lzll．耐u．cn：
通讯联系人：张伟伟，Bm枷：2004034005@163．c锄
万方数据
136 生态科学Ecologicalscience 30卷
l 弓l言(IntrDductIon)
城市，作为全球经济中最活跃的部分【lJ，自工
业革命以来，在取得了巨大经济发展成就的同时，
也出现了人口过度膨胀、水资源短缺、大气污染、
能源匮乏等各种环境及生态问题12圳。到2008年
末，城市已经聚集了世界人口的一半以上，温室气
体排放总量占全球排放总量的75％左右【56J。中国
作为世界上人口最多的发展中国家，46％的人口居
住在城市，迄2008年末止，中国城市总数达到655
个，比1991年增加176个，城市化率达到了
45．68％，相对于1991年提高十九个百分点，预计
到2050年将达到75％左右，中国城镇化正处于
加速进行过程中¨。在人口超过lO万的城市中，
60％的城市缺乏充足的水资源，城市周边90％的河
流受到严重污染17J；中国城市的代谢量统计显示：
城市消耗了全国钢铁的86％，铝材的88％，铜材
的92％，水泥的75％，能源的80％，排放的C02
占全国的90％【6】。随着不断加快的城市化进程，城
市也因此变得越来越脆弱，频繁发生的气候灾害威
胁到了城市居民正常的生产生活，中国城市也难以
幸免嘲。
从结构、功能、活动、发展演化规律等方面来
看，城市具有生命体特征，土地、交通、建筑、能
源、资源、人口等城市生命体的基本结构要素相互
作用，共同完成生命体的各种功能【9，l川；同时，城
市生态系统各组成要素间的能量流通是否顺畅，能
量分配是否合理，能量存量是否足以支撑城市发展
等，都对城市生态系统的正常运行与可持续发展有
重要影响u11。因此，作为许多重大环境问题的显著
表现场所，开展城市生态系统健康评价研究，对于
实现城市可持续发展具有现实意义【lo12，l31。
1788年，H删0n首次将健康概念引入生态系
统研究【l31，随后，关于城市生态系统健康的研究取
得了长足进展，并认为，城市生态系统健康主要包
括：1)生态系统服务维持生产能力；2)系统的完
整性是生态系统健康的关键要素：3)城市生态系统
健康评估必须基于系统视角⋯31。在城市生态系统
健康标准上，主要包含生态的永续、社会公平、公
众健康、有效的社区管理【13，悼17】，即包含自然生态
系统的健康、城市社会经济系统健康和人类健康
1)王永志．中国城镇化率逾四成五三大都市圈GDP超十万亿
【EB／OL】．http：／^^，、删chin锄ews瑚m．cn／q／cj-gncj／new叱009／0
9-17／1872017．sh臼m．2009·09一17
【13】。在评价方法上，模糊综合评价模型【18】、RVC模
型【19】、系统动力学建模法‘201、能值分析’法【21、信息
熵洲221、投影寻踪法[23】、PsR模型24，251等方法得以
从不同角度予以广泛应用。但是，由于城市生态系
统的复杂性及健康概念的模糊性等原因，其发展中
存在着模糊、随机、中介和信息不完全等导致的各
种不确定性【26’271，如果能够在健康评价的方法中尽
量降低不确定性，将使得评价结果更加客观。
本文以兰州市为例，引入能够对不确定性系统
刻划、并已在多属性评价中得到广泛应用的集对分
析方法，对2002～2008年兰州的生态系统相对健康
状态进行评价，揭示其主要影响因素，为城市规划
和生态建设提供决策依据，同时也为丰富城市生态
系统健康评价方法体系提供新的案例。
2研究区域(studyA陀a)
兰州是甘肃省省会，是甘肃省政治、文化、经
济，金融，交通，教育中心，是西陇海兰新经济带
的重要支点，是西北交通枢纽和物流中心。随着西
部大开发十年的发展，兰州成为黄河上游最大的工
业城市和西部重要的原材料工业基地，社会经济持
续快速增长，市民生活水平不断提高。2009年实现
生产总值925．98亿元，其中，第一产业增加值
30．55亿元，第二产业增加值433．62亿元，第三产
业增加值461．8l亿元，三次产业比例为3．3：
46．83：49．87。全市常住人口332．18万人，其中，
市区人口210．47万人。
随着对自然资源的利用和消耗不断增加，兰州
的污染物排放量日趋增大。由于河谷盆地型城市的
特殊地形限制，使污染物难于扩散稀释，造成兰州
市大气污染比较严重。2009年，兰州市区空气质量
优良天数为236d，仅占全年总天数的“．66％；可
吸入颗粒物年平均浓度为1．50×104mg·L～，废水
排放量为1．69×10¨kg，其中工业废水排放量
2．94×1010kg，占总排放量的17．5％；生活及其它
污水排放量为1．39×1011埏。
3评价方法(Methodology)
3．1集对分析
集对分析是关于确定及不确定系统的同、异、
反定量分析的系统分析方法‘2引。其核心思想是在某
一具体问题背景下，把客观事物的确定性联系与不
万方数据
2期 陈兴鹏，等：基于集对分析的城市生态系统健康评价——以兰州为例 137
确定性联系作为一个确定、不确定系统来分析和处
理，确定性联系分为同一性联系和对立性联系，分
别简称为“同联系”和“反联系”；不确定联系称为
差异性联系，简称为“异联系”。集对分析就是从同、
异、反三个方面进行分析，并用联系度描述两个集
合的关系：
∥～=等+等z+等几⋯⋯⋯⋯⋯(1)¨2万+万2+万／⋯ ⋯·【1)
式中：队~B为联系度；N为集对所具有的特性
总数；S为集对中两个集合共同具有的特性个数；P
为集对中两个集合相互对立的特性个数；F为集对
中两个集合既不共同具有、也不相互对立的特性个
数；i为差异不确定系数，通常在[-1，l】内取值，i
取．1与1时，都是确定性的，i在．1叶1之间变化时，
令i-÷O，不确定性明显增加；j为对立度系数，通
常取．1。令a=S／N，b_F／N，c_P／N，式(1)可简化
为：
∥一一口=口+6f+“⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2)
式中：a为同一度，b为差异度，c为对立度，
其中a、c为相对确定的，b为相对不确定的，三者
的统一形成了两集合联系的整体，故有
a+b托=l【27，28，291。
3．2指标体系
衡量城市的生态系统健康状况，既要考虑经济
总体实力和社会文明程度，又要考虑资源和生态环
境的限制，因此，指标的选择应涵盖经济子系统、
社会子系统、自然子系统及生态调控子系统4个层
面，也就是从生产力、生活态、生态势、生机度4个
维度来综合表征城市生态系统发展状态[】l13 。本文
基于兰州市情及评价指标选择的科学性、典型性、
动态性、易获取性、可操作性等原则[3们，通过查阅
《中国城市年鉴》(2003~2008)、《兰州统计年鉴》
(2003~2009)，并在咨询专家的基础上最终选择了
34个指标构建兰州市生态系统健康评级指标体系
(表1)。
3．3权重确定
指标权重的确定分为主观赋权法和客观赋权法
两大类。主观赋权法主要有专家打分法、层次分析
法、模糊聚类法等。但由于主观赋权法一般存在着
较大的主观随意性【29】，因此，本文选择客观赋权法
中常用的熵值法对评价指标进行赋权，其具体评价
指标的权重见表1。
3．4函数构建
利用集对分析方法开展兰州市生态系统健康状
况评价，步骤包括【11，27，2829】：
(1)诸多属性问题Q=(k=1，2，．．．，i)为评价区域时间集，sk为第k个年份；
M={mr}为指标集(产l，2，．．．，n)，通常M有不通的类
型指标，记Ml为正向型指标，M2为负向型指标(城
镇登记失业率、城市居民与农村人均收入倍数差异、
居民最低生活保障人数比例、恩格尔系数、人口自
然增长率、男女比例、社会福利救济费用、单位GDP
能耗为负向型指标，其他均为正向型指标)，mr为
第r个指标；则基于集对分析的关于问题Q的决策
矩阵H=(hh)iⅢhh为时间段sk关于指标lIlr的属性
值。
(2)构造最优评价集U三{ul，u2，．．．，u。}和最劣评
价集V={vl，v2，．．．，vn}，其中，llf、vr分别为指标IIlf
的最优值和最劣值。
(3)针对每一时间段sk，计算指标IIlf与卧
vr的同一隶属度ah和对立隶属度ch，结合每一个
指标的权重加权求和得到sk与U的平均同一隶属度
ak和平均对立隶属度ck。
对于m∈M1，比较区间为[v，，ur】，则在论域
X产{hh“，vr)，(k=12，．．．，p)上定义集对{hbuf}的同
一隶属度ah和对立隶属度ckr：
口Ir：1r‰⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3)r 2丌了而⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ··(3)
c¨嘉嘉=揣⋯⋯⋯⋯⋯⋯√4，ch2而—两_r2面了歹刀石 ⋯⋯ ⋯ ．．(4)
弛和％分别表示k与l】f、vr的接近程度。同
理，对于IIlf∈M2在比较区间【％vr】得到集对同一隶
属度ah和对立隶属度ch：
a"=嘉嘉=彘⋯⋯⋯⋯⋯⋯_s，n"2而—可可。面了歹习i⋯ ⋯ ⋯⋯“【’)
c七，；黑⋯⋯⋯⋯⋯⋯√6，
万方数据
138 生态科学Ecologicalsci锄ce 30卷
表1 兰州市生态系统健康评价指标体系
Thblel AssessmentIndexofUrbanEcosystemHeaIthinLanzhouCj哆
一尊!o导．，要素层(FeatlIrelayer)
。
指标层(P。interlayer)
(cnterialeveD
权重
(weighD
城镇登记失业率／％∞rb雏registeredIule唧loymentrat ／％)
社会公平 城市居民与农村人均收入倍数差异(TimesofIncorneIneqllaI畸be咐e吼
(Socialj懈tice) urb锄rcsidents柚d九lmlresid∞t)
居民最低生活保障人数比例／％(RatioofrcceivingsubsistenceallowaIlce慌)
科教水平 科技支出占地方财政支出比重舭(RatiooftecllIlolog)，expense／％)
生活态
(sci％tific锄deducational教育支出占地方财政支出比重／％(胁i。t。feduc鲥onalexpense／％)
【L1V1ng蜘)lcvel) 每万人在校大学生数／人(Nllmber。fuIliv粥毋stl：ldcIltsper104pe塔伽s／p粥∞)
万人拥有医院床位数／张(Hosp眦bedsper104persons／beds)
生活质量 在岗职工年平均工资／元(Percapi协salaryofon-tlle_jobworkers很MBYu锄)
(Theq岫l酊oflifc)城镇居民人均住房面积，m2(Theper-capitanoorspaceofresident“m2)
0．0302
O．0294
O．029l
0．0238
O．0304
0．0294
O．0251
0．0307
O．0296
恩格尔系数(Engel’scoeffjcient) 0．0306
万方数据
2期 陈兴鹏，等：基于集对分析的城市生态系统健康评价——以兰州为例 139
故此，
w，口I，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．(7)
w，c女，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．(8)
(4)计算sk与U的相对联系度rk，rk值越大，
表示城市生态系统健康状况越好。
口‘
rI=一口±+C★
综上所述，利用集对分析方法，可将评价城市
生态系统健康状况的多个指标系统合成一个与最优
评价集的相对联系度，用来反映城市生态系统健康
状况。
4评价结果与分析(Resu№andAnaIysis)
4．1评价结果
根据各指标数据及熵值权重，根据公式(3)．
(9)，计算兰州市城市生态系统指数与最优城市评
价集的相对联系度rk的值(表2)，进而评价兰州市
2002～2008年城市生态系统相对健康状况。
研究结果表明，2002~2008年，兰州城市生态
系统的相对健康联系度“总体呈上升趋势，2002年
代0．4751上升到2008年的O．5179，可以说明生态
系统健康状况逐渐稳步提高。
表2兰州市生态系统健康评价指标值(2∞2~20鸺)
T蚰le2 V砒u酷0fUrbanEcosystemHeanhyAs辩ssmeⅡtin
Lan曲伽(2002~2∞8)
项目
2002 00320042005200620072008
IteⅡ塔
戤 O．4652O．4805O．4848O．48600．4901O，4940O．5133
仇 0．5140．4926O．4833O．47440．46840．46990．4779
“ O．47510．4938O．5008O．5060O．51130．5125O．5179
4．2要素分析
为更好地分析各准则层要素对兰州市生态系统
健康指数的影响，本文针对生产力、生活态、生态
势、生机度4个准则层分指数开展集对分析，其计
算原理及步骤见本文第3部分。
就生产力而言，其起伏变化较大，尤其是2003
年及2006年两大转折点。其中，第一大转折点，
主要是9个经济指标的均衡增长，尤其是财政收
入、外资占GDP比重、出口总额S占GDP三项，
其联系度分别由2002年的O．2033、O．8406、O．516l
增长到2003年的O．4699、0．9209、0．7077；第二
转折点主要影响因素是外资占GDP比重，其联系
度由2005年的0．8998迅速下降至0．1590。说明
“十五”期间兰州市抓住了西部大发开的有利机遇，
推动市场化建设，实施“开放带动”和“工业强市”等
战略为兰州经济发展做出了突出贡献。但随着“十一
五”期间对高耗能产业的限制，使得工业发展融资渠
道狭窄，外资利用率下降。故在以后经济发展中需
重点培育低能耗、高技术的战略性新兴产业，坚持
循环经济道路，同时提供适宜的招商引资优惠政策，
创建开放、统一、竞争、有序的利用外资的市场体
制，从而进一步提高经济竞争力(图1)。
～一一一一J+一一一一一一一一一L．．～⋯．j⋯⋯．一一_L一⋯一．一．一二一一一．+．+．+J一～．—．一．一一
2002 20032004 2005200620072008
年份(Year)
图l兰州市生产力联系度变化趋势
Fi辱l1hndofconnectiondegr∞ofProduc6、rityPower
(p吒d)
就生活态而言，其呈现上升趋势，有效的说明
了政府实施的民生政策卓有成效，社会公平得以维
护、科教水平得以提高、生活质量得以改善。其中
居民最低生活保障人数比例与教育支出占地方财政
支出比重的联系度，分别由2002年的O．3476、
0．3467增长到2008年的0．6524、O．6533，这主
要得益于兰州市加快社会保障体系建设和实施“科
教兴市”战略，但2007、2008年兰州市的恩格尔系
数尚高于全国平均水平，说明兰州仍不富裕，人民
生活水平仍需大幅提升(图2)。
。∑㈨
|It口
。∑扛
IIIC
舶
M
皿
即
朋
舶
斛
0
O
O
0
O
O
O
生产力联系度^，．cd)
万方数据
140 生态科学Ecolo舀calS i∞ce 30卷
20022∞3 2004 2005 2∞6 2007 20∞
年份(Year)
图2兰州市生活态联系度变化趋势
F嘻21hndofconnectiondegr∞ofU、ri哩stat璐
(Lcd)
就生态势而言，其呈“单峰”现象。2006年生态
健康度尤其突出，主要是生活垃圾无害化处理率的
联系度由2005年的0．3673增长到2006年的
O．6380，说明兰州清洁沼气的普及提升了当地生态
环境质量。此后，生态势联系度急剧下降，影响指
标主要是人均生活用水量、人均城市道路面积、建
成区绿化覆盖率，三者联系度由2006年的0．615
9、O．6318、0．6685降到2008年的0．3505、0．462
2、O．5197，说明兰州资源利用不足，城市设施水平
较低，在今后的发展中从高效节水的观点出发，建
节水型社会，同时科学规划城市路网布局，优先发
展公交，解除水资源缺乏、“哑铃”状地形条件的限
制，加强城市绿化，加快形成人与自然较为和谐的
生态环境(图3)。
仉驰r
图3兰州市生态势联系度变化趋势
n昏37Ihndoftheconn优6蚰degmeofecological
ascendaⅡcy(E—cd)
上为市场竞争创造和保持良好的环境，采取必要的、
适当的政策对城市发展中出现的矛盾和问题进行宏
观调控，运用各种收入分配政策，建立健全社会保障
和社会救助体系，使全市人民共享繁荣果实(图4)。
生
机O．56
度
联O．54
系
度0．52
V
．O．∞
dO．48
20022003 2004 2005 2006 2007 2008
年份(Yt-r)
图4兰州市生机度联系度变化趋势
Fig．41hndofc衄necti伽degr∞ofVitalf rce
5 结论与展望(ConcIusIonandProspect)
本文鉴于城市生态系统健康的不确定性，采用
在解决系统中存在确定性与不确定性问题的集对分
析方法来评估其生态系统健康程度，从生产力、生
活态、生态势、生机度四个子系统出发，选择34
个指标建立评价指标体系，通过计算各指标指数与
最优评价集的相对联系度，对2002~2008年兰州
城市生态系统健康进行评价，结果显示兰州市生态
系统健康状况不断改善。其中，发展循环经济和高
效外资利用是促进生产力提高的着力点，增加人民
收入和提高生活水平是健康生活态的要求，完善城
市建设和打造良好生态环境是兰州市的长期发展目
标，加强政府管理和健全调控机制是实现兰州城市
生态系统健康发展的保障。
关于城市生态系统健康评价，如何兼顾时空维
度，开展西部十二个省会城市健康系统评级并预测
未来生态健康发展趋势，将是下一步工作的研究重
点，同时，如何提高其测度的精确度，进而具体辨识
影响城市生态系统健康的关键因子，为城市发展提供
更明晰的依据，也是未来一段时期内的研究方向。
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万方数据
基于集对分析的城市生态系统健康评价-以兰州为例
作者： 陈兴鹏， 张伟伟， 薛冰， 鹿晨昱， 付佳， 耿涌， Chen Xing-peng， Zhang Wei-wei
， Xue Bing， Lu Chen-yu， Fu Jia， Geng Yong
作者单位： 陈兴鹏,张伟伟,Chen Xing-peng,Zhang Wei-wei(兰州大学,资源环境学院人文地理研究所
,兰州,730000)， 薛冰,Xue Bing(中国科学院,沈阳应用生态研究所,循环经济与产业生态研
究组,沈阳,110016;兰州大学,资源环境学院人文地理研究所,兰州,730000)， 鹿晨昱,Lu
Chen-yu(西北师范大学,地理与环境学院,兰州,730070)， 付佳,耿涌,Fu Jia,Geng Yong(中
国科学院,沈阳应用生态研究所,循环经济与产业生态研究组,沈阳,110016;沈阳大学,区域污
染环境生态修复教育部重点实验室,沈阳,110044)
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGICAL SCIENCE
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