熵視角下的礦業城市生態可持續

楊　寧，付梅臣

(中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083)

熵視角下的礦業城市生態可持續

楊寧，付梅臣

(中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083)

摘要：礦業城市是生態可持續研究的典型區域，本文以典型礦業城市河北省武安市為例，對武安市2005～2013年的生態足跡進行測算，結合信息熵的研究理論，構建礦業城市生態系統可持續發展評價模型，研究結果顯示：①武安市面臨的生態赤字問題嚴重，人均生態赤字由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熵視角下的生態系統的健康性與活力性呈良性發展；③經濟發展對生態環境的壓力逐漸減小，經濟生態成本降低，整體朝向可持續方向變化。該研究分析礦業城市發展與對自然生態的需求，可以為我國礦業城市土地利用變化機理研究和生態可持續性評價提供一定依據。

關鍵詞：熵；生態足跡；礦業城市；生態可持續

自20世紀50年代開始，礦業城市逐漸興起，但礦業城市工業系統主導產業普遍以資源消耗高、污染排放大的資源加工業為主，工業化、城市化快速發展的同時，對生態、社會累積了諸多負面影響[1]。因此，礦業城市可持續發展已經成為世界各國共同的研究熱點，研究熱點由經濟和產業的可持續逐漸轉變到生態系統的可持續[2-5]。

本次研究綜合前人經驗，用生態足跡的方法進行定量評價，展示研究時段內不同年份生態可持續性的強弱狀態，并將信息熵和生態足跡結合，以生態足跡的研究要素作為熵的評價重要指標，從熵的視角來解讀生態系統，分析研究區的生態健康性和有序性狀態[6-10]。

1研究區概況與數據來源

本文的研究區域是典型性礦業城市武安市。武安市位于河北省南部武安經濟發展迅速，以礦業資源為依托。2013年，武安市GDP達到595億元，呈連年增長的態勢，第二產業處于主導地位，三種產業占比為2.5%：62.7%：34.8%，第二產業主要以礦產資源開采和加工為主，在促進經濟快速發展的同時，對生態環境造成了很大的影響。

2生態足跡計算

生態足跡將每個人消耗的資源折合成為全球統一的、具有生產力的地域面積，通過計算區域生態足跡總供給與總需求之間的差值(生態赤字或生態盈余)，準確地反映了不同區域對于全球生態環境現狀的貢獻。生態足跡既能夠反映出個人或地區的資源消耗強度，又能夠反映出區域的資源供給能力和資源消耗總量。

生態足跡將提供生態足跡承載的土地分為六類：耕地、林地、草地、水域、建設用地和化石能源用地，結合均衡因子和產量因子，計算各類型土地的生態承載力作為該區域的生態承載力。生態足跡計算時分別計算生態承載力與生態足跡，再計算生態盈余或生態赤字。

匯總生產各種消費項目人均占用的各類生態生產性土地，即生態足跡組分，最后根據區域人口數量，計算區域總生態足跡EF(式(1))、區域總生態承載力EC(式(2))。

(1)

(2)

式中：EF為區域生態足跡；EC為區域總生態承載力；i表示土地類型；ri為某地類生態足跡的均衡因子；N為總人口；Yi為某種地類的產量因子；Ai為資源消費占用的土地面積；ai為實際土地面積。

EF與EC的差值便是生態赤字(盈余)。

3熵視角下的生態可持續

礦業城市生態系統的發展演化主要以社會經濟生態系統的發展演化為主導，傳統熵視角下的城市生態系統研究反應的是城市社會經濟與城市自然生態系統的相互作用，以及它與其他城市和區域的相互作用，以此從側面來分析該城市生態系統的發展演化過程及其發展趨勢，分析和評價城市生態系統的可持續能力[11-12]。本研究結合生態足跡變量，構建新的生態系統可持續發展能力評價模型(表1)，其中支持型熵和還原型熵指標屬負熵，這些指標的增大將使城市生態系統朝有序的方向演化，所以為正向指標；反之壓力型和消費性指標定義為負向指標[13-15]。

礦業城市系統熵計算是針對不同年份的信息熵，有m個年份和n個評價指標(式(3))。

(3)

式中：ΔS為熵值；qij為指標原始數據標準化值；qj為指標第j年指標標準化值的求和。

以信息熵為基礎對所建立的評價指標進行分析，對系統的有序度以及復雜性，評估系統的協調性、活力和健康水平、城市可持續發展狀態進行評價(表2)。

表1　武安市城市生態可持續發展能力評價指標體系

表2　城市社會經濟生態系統熵含義

4結果與分析

4.1生態足跡計算結果

武安市生態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個大項，能源資源賬戶選擇了煤炭、汽油、原油、焦炭等7個大項，根據式(1)、式(2)進行計算，得到武安市2005～2013年的生態足跡結果(表3)。

表3　武安市2005～2013年生態足跡結果

武安市生態足跡計算結果符合礦業城市這一城市類型，人均生態足跡是生態承載力的數倍，生態赤字較為嚴重，人均生態赤字呈現出現增加后減小的趨勢。

4.2熵視角下的生態可持續

1)在本評價模型中，支持型熵的意義為武安市生態足跡的生態供給能力，結果顯示支持型熵整體態勢較為穩定，呈現極小幅度的變化。壓力型熵表示為人們對生態產生的壓力，即生態足跡，計算結果以2009年為界，先增后減。一方面說明武安市近幾年的生態足跡供給變化不大，隨著城市化進程的加快和社會經濟的發展，武安市社會經濟生態系統的無序度并沒有增大，對自然生態系統的需求壓力維持在一個較穩定的水平，此時生態足跡需求已經遠超過供給；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，生產生活對自然生態系統的需求有所減弱。

2)消費型熵反映的是武安市人口增加和化石能源用地規模擴大對其生態可持續性帶來的負面影響，結果顯示消費型熵呈現小幅波動，并且以2009年為轉折點，先增后減，更進一步說明武安市化石能源用地和人口擴張在2009年之后得到了一定限制；還原型熵表示為生物生產型土地和經濟對消費型熵的影響的抵消作用，結果顯示還原型熵值逐年增加，生物生產型土地規模擴張，城市主要經濟指標發展十分迅速(表4)。

3)熵流的指標值變化理解為對生態系統的組織能力，通過對比生態足跡計算結果和熵流值，可以發現在2009年生態赤字達到最高值，而熵流值同樣達到了最大，證明該評價模型結果可行。

熵產生指標值可以表現為武安市的經濟生態成本，即發展經濟的同時消耗的生態資源的多少，結果顯示熵產生的指標值均為正，反映出消費型熵產生的對生態可持續的壓力要大于還原型熵的支撐，系統活力相對較差，但由于值是不斷減小的，表示為生態經濟成本逐漸降低，良性發展。

4)總熵變指標代表系統整體的健康性，計算結果逐年遞減，表示生態系統不斷朝向有序和健康的方向發展。

表4　熵視角下的生態可持續評價結果

5結論與討論

本文通過對礦業城市武安市生態系統可持續的評價，得到以下結論。

1)武安市近10年生態赤字呈先增加后減小的趨勢。近10年人均生態足跡為人均生態承載力的30～50倍左右，在礦業城市的普遍生態足跡水平上有一定的代表性，同許多礦業城市的生態足跡計算結果是一致的，幾乎所有礦業城市都占有比其自身行政面積大的多的生態足跡，人均生態赤字由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。表示隨著城市發展，它們需要從其他城市輸入生態足跡；就城市內部而言，它們需要從農村、郊區輸入生態足跡。目前來看，武安市想擁有較好的生態持續能力比較困難，很大程度上要依賴外部輸入。

2)熵評價模型顯示系統健康性向良好方向發展。以礦業城市生態足跡計算為基礎，結合信息上視角來評價生態系統的健康性，在研究期間，武安市社會經濟生態系統對自然生態系統的壓力較大，自然生態系統對社會經濟系統的支持能力有限，當前狀況看武安市城市發展對生態帶來了一定的壓力，壓力型熵和消費型熵值分別大于支持型熵和還原型熵值，城市生態系統的協調性和活力較差，但趨勢來看，由于熵流、總熵變指標都呈現減小的狀態，系統的協調性、活力性和健康性逐漸加強；熵產生一項指標代表了武安市的生態經濟成本發展趨勢，逐漸減小表示武安市的經濟發展對生態帶來的壓力逐漸減小，呈良性發展。

本文在評價礦業城市生態系統可持續性方面，提供了一種新的思路，即將信息熵理論與生態足跡方法結合，構建一種新的評價模型，并將武安市作為典型研究區進行評價，得出它正朝向有序、健康的方向發展。今后的研究可以加強以下幾點：為表現礦業城市這一典型城市特征，將已有結論結合礦業生命周期來進行分析；在構建評價模型時考慮加入更具有工礦業特性的指標因子；對礦業城市進行橫向對比，并且加入宏觀經濟分析和政策影響。

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Ecological sustainability in a mining city from entropic perspective

YANGNing，FUMei-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：F407.1

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)04-0068-04