熵視角下的礦業(yè)城市生態(tài)可持續(xù)

楊　寧，付梅臣

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

熵視角下的礦業(yè)城市生態(tài)可持續(xù)

楊寧，付梅臣

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

摘要：礦業(yè)城市是生態(tài)可持續(xù)研究的典型區(qū)域，本文以典型礦業(yè)城市河北省武安市為例，對(duì)武安市2005～2013年的生態(tài)足跡進(jìn)行測(cè)算，結(jié)合信息熵的研究理論，構(gòu)建礦業(yè)城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)模型，研究結(jié)果顯示：①武安市面臨的生態(tài)赤字問(wèn)題嚴(yán)重，人均生態(tài)赤字由2005年的8.713hm2/人增加至2009年的10.322hm2/人，而后逐漸減小，2013年為8.847hm2/人；②熵視角下的生態(tài)系統(tǒng)的健康性與活力性呈良性發(fā)展；③經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力逐漸減小，經(jīng)濟(jì)生態(tài)成本降低，整體朝向可持續(xù)方向變化。該研究分析礦業(yè)城市發(fā)展與對(duì)自然生態(tài)的需求，可以為我國(guó)礦業(yè)城市土地利用變化機(jī)理研究和生態(tài)可持續(xù)性評(píng)價(jià)提供一定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：熵；生態(tài)足跡；礦業(yè)城市；生態(tài)可持續(xù)

自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，礦業(yè)城市逐漸興起，但礦業(yè)城市工業(yè)系統(tǒng)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)普遍以資源消耗高、污染排放大的資源加工業(yè)為主，工業(yè)化、城市化快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)生態(tài)、社會(huì)累積了諸多負(fù)面影響[1]。因此，礦業(yè)城市可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國(guó)共同的研究熱點(diǎn)，研究熱點(diǎn)由經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)逐漸轉(zhuǎn)變到生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)[2-5]。

本次研究綜合前人經(jīng)驗(yàn)，用生態(tài)足跡的方法進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，展示研究時(shí)段內(nèi)不同年份生態(tài)可持續(xù)性的強(qiáng)弱狀態(tài)，并將信息熵和生態(tài)足跡結(jié)合，以生態(tài)足跡的研究要素作為熵的評(píng)價(jià)重要指標(biāo)，從熵的視角來(lái)解讀生態(tài)系統(tǒng)，分析研究區(qū)的生態(tài)健康性和有序性狀態(tài)[6-10]。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的研究區(qū)域是典型性礦業(yè)城市武安市。武安市位于河北省南部武安經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，以礦業(yè)資源為依托。2013年，武安市GDP達(dá)到595億元，呈連年增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，第二產(chǎn)業(yè)處于主導(dǎo)地位，三種產(chǎn)業(yè)占比為2.5%：62.7%：34.8%，第二產(chǎn)業(yè)主要以礦產(chǎn)資源開(kāi)采和加工為主，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了很大的影響。

2生態(tài)足跡計(jì)算

生態(tài)足跡將每個(gè)人消耗的資源折合成為全球統(tǒng)一的、具有生產(chǎn)力的地域面積，通過(guò)計(jì)算區(qū)域生態(tài)足跡總供給與總需求之間的差值(生態(tài)赤字或生態(tài)盈余)，準(zhǔn)確地反映了不同區(qū)域?qū)τ谌蛏鷳B(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的貢獻(xiàn)。生態(tài)足跡既能夠反映出個(gè)人或地區(qū)的資源消耗強(qiáng)度，又能夠反映出區(qū)域的資源供給能力和資源消耗總量。

生態(tài)足跡將提供生態(tài)足跡承載的土地分為六類：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和化石能源用地，結(jié)合均衡因子和產(chǎn)量因子，計(jì)算各類型土地的生態(tài)承載力作為該區(qū)域的生態(tài)承載力。生態(tài)足跡計(jì)算時(shí)分別計(jì)算生態(tài)承載力與生態(tài)足跡，再計(jì)算生態(tài)盈余或生態(tài)赤字。

匯總生產(chǎn)各種消費(fèi)項(xiàng)目人均占用的各類生態(tài)生產(chǎn)性土地，即生態(tài)足跡組分，最后根據(jù)區(qū)域人口數(shù)量，計(jì)算區(qū)域總生態(tài)足跡EF(式(1))、區(qū)域總生態(tài)承載力EC(式(2))。

(1)

(2)

式中：EF為區(qū)域生態(tài)足跡；EC為區(qū)域總生態(tài)承載力；i表示土地類型；ri為某地類生態(tài)足跡的均衡因子；N為總?cè)丝冢籝i為某種地類的產(chǎn)量因子；Ai為資源消費(fèi)占用的土地面積；ai為實(shí)際土地面積。

EF與EC的差值便是生態(tài)赤字(盈余)。

3熵視角下的生態(tài)可持續(xù)

礦業(yè)城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展演化主要以社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展演化為主導(dǎo)，傳統(tǒng)熵視角下的城市生態(tài)系統(tǒng)研究反應(yīng)的是城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)與城市自然生態(tài)系統(tǒng)的相互作用，以及它與其他城市和區(qū)域的相互作用，以此從側(cè)面來(lái)分析該城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展演化過(guò)程及其發(fā)展趨勢(shì)，分析和評(píng)價(jià)城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)能力[11-12]。本研究結(jié)合生態(tài)足跡變量，構(gòu)建新的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力評(píng)價(jià)模型(表1)，其中支持型熵和還原型熵指標(biāo)屬負(fù)熵，這些指標(biāo)的增大將使城市生態(tài)系統(tǒng)朝有序的方向演化，所以為正向指標(biāo)；反之壓力型和消費(fèi)性指標(biāo)定義為負(fù)向指標(biāo)[13-15]。

礦業(yè)城市系統(tǒng)熵計(jì)算是針對(duì)不同年份的信息熵，有m個(gè)年份和n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(式(3))。

(3)

式中：ΔS為熵值；qij為指標(biāo)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值；qj為指標(biāo)第j年指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值的求和。

以信息熵為基礎(chǔ)對(duì)所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)的有序度以及復(fù)雜性，評(píng)估系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、活力和健康水平、城市可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)(表2)。

表1　武安市城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2　城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)熵含義

4結(jié)果與分析

4.1生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果

武安市生態(tài)足跡賬戶由生物資源賬戶和能源資源賬戶組成，生物資源賬戶包括谷物、蔬菜、奶類、牛羊、禽蛋等14個(gè)大項(xiàng)，能源資源賬戶選擇了煤炭、汽油、原油、焦炭等7個(gè)大項(xiàng)，根據(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算，得到武安市2005～2013年的生態(tài)足跡結(jié)果(表3)。

表3　武安市2005～2013年生態(tài)足跡結(jié)果

武安市生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果符合礦業(yè)城市這一城市類型，人均生態(tài)足跡是生態(tài)承載力的數(shù)倍，生態(tài)赤字較為嚴(yán)重，人均生態(tài)赤字呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后減小的趨勢(shì)。

4.2熵視角下的生態(tài)可持續(xù)

1)在本評(píng)價(jià)模型中，支持型熵的意義為武安市生態(tài)足跡的生態(tài)供給能力，結(jié)果顯示支持型熵整體態(tài)勢(shì)較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)極小幅度的變化。壓力型熵表示為人們對(duì)生態(tài)產(chǎn)生的壓力，即生態(tài)足跡，計(jì)算結(jié)果以2009年為界，先增后減。一方面說(shuō)明武安市近幾年的生態(tài)足跡供給變化不大，隨著城市化進(jìn)程的加快和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，武安市社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)的無(wú)序度并沒(méi)有增大，對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的需求壓力維持在一個(gè)較穩(wěn)定的水平，此時(shí)生態(tài)足跡需求已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)供給；另一方面從一定程度上可以看出，自2009年以后，壓力型熵值呈遞減趨勢(shì)，生產(chǎn)生活對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的需求有所減弱。

2)消費(fèi)型熵反映的是武安市人口增加和化石能源用地規(guī)模擴(kuò)大對(duì)其生態(tài)可持續(xù)性帶來(lái)的負(fù)面影響，結(jié)果顯示消費(fèi)型熵呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，并且以2009年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，先增后減，更進(jìn)一步說(shuō)明武安市化石能源用地和人口擴(kuò)張?jiān)?009年之后得到了一定限制；還原型熵表示為生物生產(chǎn)型土地和經(jīng)濟(jì)對(duì)消費(fèi)型熵的影響的抵消作用，結(jié)果顯示還原型熵值逐年增加，生物生產(chǎn)型土地規(guī)模擴(kuò)張，城市主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)發(fā)展十分迅速(表4)。

3)熵流的指標(biāo)值變化理解為對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的組織能力，通過(guò)對(duì)比生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果和熵流值，可以發(fā)現(xiàn)在2009年生態(tài)赤字達(dá)到最高值，而熵流值同樣達(dá)到了最大，證明該評(píng)價(jià)模型結(jié)果可行。

熵產(chǎn)生指標(biāo)值可以表現(xiàn)為武安市的經(jīng)濟(jì)生態(tài)成本，即發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)消耗的生態(tài)資源的多少，結(jié)果顯示熵產(chǎn)生的指標(biāo)值均為正，反映出消費(fèi)型熵產(chǎn)生的對(duì)生態(tài)可持續(xù)的壓力要大于還原型熵的支撐，系統(tǒng)活力相對(duì)較差，但由于值是不斷減小的，表示為生態(tài)經(jīng)濟(jì)成本逐漸降低，良性發(fā)展。

4)總熵變指標(biāo)代表系統(tǒng)整體的健康性，計(jì)算結(jié)果逐年遞減，表示生態(tài)系統(tǒng)不斷朝向有序和健康的方向發(fā)展。

表4　熵視角下的生態(tài)可持續(xù)評(píng)價(jià)結(jié)果

5結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)礦業(yè)城市武安市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)的評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論。

1)武安市近10年生態(tài)赤字呈先增加后減小的趨勢(shì)。近10年人均生態(tài)足跡為人均生態(tài)承載力的30～50倍左右，在礦業(yè)城市的普遍生態(tài)足跡水平上有一定的代表性，同許多礦業(yè)城市的生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果是一致的，幾乎所有礦業(yè)城市都占有比其自身行政面積大的多的生態(tài)足跡，人均生態(tài)赤字由2005年的8.713hm2/人增加至2009年的10.322hm2/人，而后逐漸減小，2013年為8.847hm2/人。表示隨著城市發(fā)展，它們需要從其他城市輸入生態(tài)足跡；就城市內(nèi)部而言，它們需要從農(nóng)村、郊區(qū)輸入生態(tài)足跡。目前來(lái)看，武安市想擁有較好的生態(tài)持續(xù)能力比較困難，很大程度上要依賴外部輸入。

2)熵評(píng)價(jià)模型顯示系統(tǒng)健康性向良好方向發(fā)展。以礦業(yè)城市生態(tài)足跡計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合信息上視角來(lái)評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的健康性，在研究期間，武安市社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的壓力較大，自然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的支持能力有限，當(dāng)前狀況看武安市城市發(fā)展對(duì)生態(tài)帶來(lái)了一定的壓力，壓力型熵和消費(fèi)型熵值分別大于支持型熵和還原型熵值，城市生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和活力較差，但趨勢(shì)來(lái)看，由于熵流、總熵變指標(biāo)都呈現(xiàn)減小的狀態(tài)，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、活力性和健康性逐漸加強(qiáng)；熵產(chǎn)生一項(xiàng)指標(biāo)代表了武安市的生態(tài)經(jīng)濟(jì)成本發(fā)展趨勢(shì)，逐漸減小表示武安市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)帶來(lái)的壓力逐漸減小，呈良性發(fā)展。

本文在評(píng)價(jià)礦業(yè)城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性方面，提供了一種新的思路，即將信息熵理論與生態(tài)足跡方法結(jié)合，構(gòu)建一種新的評(píng)價(jià)模型，并將武安市作為典型研究區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出它正朝向有序、健康的方向發(fā)展。今后的研究可以加強(qiáng)以下幾點(diǎn)：為表現(xiàn)礦業(yè)城市這一典型城市特征，將已有結(jié)論結(jié)合礦業(yè)生命周期來(lái)進(jìn)行分析；在構(gòu)建評(píng)價(jià)模型時(shí)考慮加入更具有工礦業(yè)特性的指標(biāo)因子；對(duì)礦業(yè)城市進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，并且加入宏觀經(jīng)濟(jì)分析和政策影響。

參考文獻(xiàn)

[1]任志遠(yuǎn).區(qū)域生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)價(jià)的理論與方法[J].經(jīng)濟(jì)地理，2003，23(1)：1-4.

[2]RapportDJ.Ecologicalfootprintsandecosystemhealth：complementaryapproachestoasustainablefuture[J].EcologicalEconomics，2000，32(3)：367-370.

[3]魏芳，邢懷學(xué).淺談我國(guó)礦業(yè)城市可持續(xù)發(fā)展存在的問(wèn)題與對(duì)策[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2007，9(2)：9-12.

[4]趙冠偉，楊木壯，陳健飛.1990～2007年中國(guó)能源足跡時(shí)空差異分析[J].地理與地理信息科學(xué)，2011，27(2)：65-69.

[5]賴力，黃賢金，劉偉良，等.基于投入產(chǎn)出技術(shù)的區(qū)域生態(tài)足跡調(diào)整分析——以2002年江蘇省經(jīng)濟(jì)為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26(4)：1285-1292.

[6]王書(shū)玉，卞新民.生態(tài)足跡理論方法的改進(jìn)及應(yīng)用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(9)：1977-1981.

[7]趙冠偉，楊木壯，陳健飛.1990～2007年中國(guó)能源足跡時(shí)空差異分析[J].地理與地理信息科學(xué)，2011，27(2)：65-69.

[8]賴力，黃賢金，劉偉良，等.基于投入產(chǎn)出技術(shù)的區(qū)域生態(tài)足跡調(diào)整分析——以2002年江蘇省經(jīng)濟(jì)為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26(4)：1285-1292.

[9]王書(shū)玉，卞新民.生態(tài)足跡理論方法的改進(jìn)及應(yīng)用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(9)：1977-1981.

[10]陳東景，程國(guó)棟，徐中民.中國(guó)西部12個(gè)省1999年生態(tài)足跡[J].地理學(xué)報(bào)，2001，23(2)：164-169.

[11]朱現(xiàn)龍.揚(yáng)州市市轄區(qū)土地利用/覆被變化模擬研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

[12]孫平軍，修春亮，張?zhí)鞁?熵變視角的吉林省城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合關(guān)系判別[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25(3)：875-882.

[13]陳彥光，劉繼生，城市土地利用結(jié)構(gòu)和形態(tài)的定量描 述：從信息熵到分維數(shù)[J].地理研究，2001，20(2)：146-152.

[14]張妍，楊志峰，何孟常，等.基于信息熵的城市生態(tài)系統(tǒng)演化分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(8)：1127-1134.

[15]林珍銘，夏斌.熵視角下的廣州城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力分析[J].地理學(xué)報(bào)，2013，68(1)：45-57.

Ecological sustainability in a mining city from entropic perspective

YANGNing，F(xiàn)UMei-chen

(SchoolofLandSciencesandTechnology，ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)，Beijing100083，China)

Abstract:Mining cities are very suitable for investigation of ecological sustainability，and their land use changes are also an important research content.In this study，Wu’an City in Hebei Province，a typical mining city，was selected.Based on ecological footprint and information entropy，an urban ecosystem sustainability evaluation model for Wu’an was established.Then a quadrant-based polygon method was used to analyze the specific trends of evaluation indices in Wu’an.Results show that in recent 10 years.① Wu’an was faced with severe ecological deficit，but the ecosystem grew to the healthy and reactive state，The per capita ecological deficit increased from 8.713 hm2/ in 2009 to 10.322 hm2/ in 2005，and then decreased gradually，and was 8.847 hm2/ in 2013.②The stress on the eco-environment imposed by economic growth was gradually weakened.③ The economic and ecological costs were reduced，and the overall eco-environment grew to the sustainable state.The demand for natural ecology by urban development was analyzed by correlating the growth of a mining city with quantification of ecological status.This study provides some guidance for evaluating the mechanism and ecological sustainability of land use changes in Chinese mining cities.

Key words：entropy；ecological footprint；mining city；ecological sustainability

收稿日期：2015-09-15

中圖分類號(hào)：F407.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)04-0068-04