東北老工業區生態安全動態演變過程及驅動力

唐呈瑞, 逯承鵬,*,楊 青, 姜 璐, 任婉俠, 薛 冰

1 中國科學院沈陽應用生態研究所污染生態與環境工程重點實驗室, 沈陽 110016 2 遼寧省環境計算與可持續發展重點實驗室, 沈陽 110016 3 中國科學院大學, 北京 100049 4 蘭州大學資源環境學院, 蘭州 730000

東北老工業區生態安全動態演變過程及驅動力

唐呈瑞1,2, 逯承鵬1,2,*,楊 青1,3, 姜 璐4, 任婉俠1,2, 薛 冰1,2

1 中國科學院沈陽應用生態研究所污染生態與環境工程重點實驗室, 沈陽 110016 2 遼寧省環境計算與可持續發展重點實驗室, 沈陽 110016 3 中國科學院大學, 北京 100049 4 蘭州大學資源環境學院, 蘭州 730000

生態安全與國防安全、經濟安全、金融安全等已具有同等重要的戰略地位,并成為未來經濟社會安全的主要約束。東北老工業區作為我國重要的老工業基地及糧食生產基地,其生態安全狀況關系著中國可持續發展戰略的實施。采用能值-生態足跡模型,對東北老工業區2000—2014年生態安全動態演變過程進行時間序列的定量分析,并采用主成分分析方法分析其驅動力。結果表明：研究期內,人均能值生態承載力從0.66 hm2/人下降到0.64 hm2/人,人均能值生態足跡由10.58 hm2/人增加到19.85 hm2/人,處于生態赤字狀態,且赤字增大趨勢明顯；生態壓力指數與生態安全等級均不斷增大,生態安全狀況呈惡化趨勢,生態安全問題亟待解決,而這是由社會經濟、人口狀況、資源環境、技術水平及土地利用程度等因素共同驅動的結果。最后,提出了改善東北老工業區生態安全狀況的對策建議。

生態安全；能值-生態足跡模型；演變過程；驅動因子；東北老工業區

生態安全是指國家或者地區擁有能夠持續滿足社會進步和經濟發展的生態資源且社會經濟發展過程中較少受到生態環境制約的環境[1]。隨著全球變化和人類活動影響的加劇,生態安全研究正發生著深刻變化,呈現出多目標、多層次、多學科交叉綜合的復雜特點[2-3],研究主題日益豐富[4],已成為生態學、環境科學、地理學和經濟學等學科的研究熱點之一[5]。國外對生態安全的研究多集中在概念辨析、理念形成、對國家、民族發展的重要意義以及結合區域可持續發展在全球或者國家層面研究國家安全和社會安全[6-7],如氣候變化對全球糧食安全影響[8],水環境安全評價[9]、區域生態安全[10-11]等。國內則以生態安全基礎理論[4,12]和綜合評價研究[13- 16]為主,重點開展城市尺度的生態安全研究[17-20],還有學者結合地理信息系統綜合評價流域生態安全狀況[1]。上述研究成果在生態安全研究中發揮了重要作用,但生態安全研究領域中的許多重要問題,比如區域生態安全動態演變過程及其驅動力等還需進一步分析與探討[21-22]。

東北老工業區作為我國重要的老工業基地以及糧食生產基地,其生態安全狀況關系著中國可持續發展戰略的實施。研究表明能值-生態足跡模型通過引入能值密度的概念,將系統中能量流換算成對應的生物生產性土地面積,其計算結果較傳統生態足跡模型能夠更真實的反應區域的生態安全狀況,克服了傳統生態足跡模型存在的部分缺陷[23]。因此,本文采用能值-生態足跡分析模型,對東北老工業區2000—2014年的生態承載力和生態足跡進行核算,分析其時間序列的動態變化過程與基本特征,并建立生態安全評價體系,選擇生態赤字/盈余、生態壓力指數、生態足跡多樣性指數和生態協調系數等指標,對其生態安全狀況進行評估和分析,闡明其動態演變過程。在此基礎上,采用主成分分析方法揭示其驅動力,以期為全面振興東北及東北地區生態文明建設宏觀決策提供科學依據。

1 研究方法

1.1 能值-生態足跡模型

生態足跡理論由加拿大經濟學家Rees[24]提出,Wackemagel[25]于1996年進行了完善,該理論從生態安全角度出發將人類占用的不同類型自然資源與排放的廢棄物轉換為統一的數量指標,即地球平均生產力的生物生產性土地面積,并與自然界實際提供的土地面積進行比較,以衡量地區可持續發展的潛力[26-27]。能值生態足跡將能值分析法[28]和生態足跡法結合,引入生態系統的外部性因素,結合能值轉換率和能值密度定量化研究可持續發展[29]。近年來,該方法逐步得到了不同程度的改進,如進一步細化生態足跡指標體系、加大生物多樣性比重、結合凈初層次生產力來計算能值轉換率等[30-32],并廣泛用于城市、區域、國家尺度的生態安全研究領域。該方法融合了原生態足跡的優點,并具有全面性、系統性、準確性、客觀性、可持續性和定量性的特點,計算結果也能更真實地反映區域的生態安全狀況[33]。

1.1.1人均能值生態承載力

能值生態承載力的計算主要考慮太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水勢能和地球旋轉能這5種可更新資源的能值。由于風能、雨水勢能和雨水化學能均是太陽光在能量流動中的轉化形式,為了避免重復計算,根據能值理論,在同一性質的能量中,只選取其中的最大值。因此,可更新資源的總能值等于前4種能值的最大值加上地球旋轉能的能值。最后,將計算出的人均能值生態承載力減去12%的用于保護生物多樣性用地之后則得到實際可供人類利用的人均能值生態承載力。能值生態承載力的計算公式為:

EC=N×ec=N×e/p

(1)

式中,EC為能值生態承載力(hm2)；N為人口數,ec為人均能值生態承載力(hm2/人)；e為可更新資源的人均太陽能值(sej/人)；p為區域平均能值密度(sej/hm2),為區域可更新資源總能值與區域土地面積的比值。

1.1.2人均能值生態足跡

能值生態足跡的計算公式為：

(2)

式中,EF為能值生態足跡(hm2),N為人口數,ef為人均能值生態足跡(hm2/人)；ci為第i種資源的人均能值(單位：sej/人)；p為區域平均能值密度(單位：sej/hm2)。

1.2 生態安全評價指標

1.2.1人均能值生態赤字/盈余

能值生態赤字/盈余的計算公式為：

ED=EC-EF=N×ed=N×(ec-ef)

(3)

式中,ED為能值生態赤字/盈余(hm2),ed為人均能值生態赤字/盈余(hm2/人)。

當ed為負時,表示人均能值生態承載力供給小于需求,稱之為生態赤字；ed為正時,表示人均能值生態承載力的供給大于需求,即為生態盈余。ed為零時,表示人均能值生態承載力供給等于需求,處于生態平衡狀態。

1.2.2生態壓力指數

生態壓力指數,又稱為生態足跡強度指數,指一個國家或地區單位生態承載面積上的生態足跡[34]。該指數代表了一個區域環境所承受壓力的程度。其計算公式為:

EFI=EF/EC

(4)

式中,EFI為生態壓力指數,EF為能值生態足跡,EC為能值生態承載力。當EF>0且EC>0,01,即EF>EC時,單位生態承載面積所要承受的壓力大于其支撐能力,即生態資源處于供小于需求,則該地區的生態安全受到威脅,且EFI與1相差越大,生態不安全程度就越大。根據生態壓力指數值范圍可以劃分生態安全等級與生態安全預警等級(表1),從而直觀反映區域生態安全狀態[35]。

表1 生態安全等級和生態安全預警劃分

1.2.3生態協調系數

生態協調系數表示一個地區經濟社會發展狀況與當地生態環境的協調性,其計算公式為:

(5)

式中,DS為區域人均生態協調系數,ef為本地人均能值生態足跡,ec為人均能值生態承載力。由于ef、ec均大于0,故1

1.2.4生態足跡多樣性指數和生態經濟系統發展能力

生態足跡多樣性指數反映區域不同土地類型利用的豐裕度和生態足跡分配的公平度,生態經濟系統中生態足跡的分配越接近平等,對給定系統組分的生態經濟來說,生態多樣性就越高。生態經濟系統發展能力是由生態足跡乘以生態足跡多樣性指數得到,區域經濟生態系統發展能力的提高在一定程度上依賴于生態足跡多樣性的提高。生態足跡多樣性指數與生態經濟系統發展能力計算公式為：

H=-∑(PilnPi)

(6)

C=EF×H

(7)

式中,H為多樣性指數,Pi為第i類生產性土地在區域生態足跡中所在的比例。C為生態經濟系統發展能力,EF為地區生態足跡。

2 結果與分析

按照上述方法對東北老工業區人均能值承載力、人均能值生態足跡和生態安全評價指標進行計算,計算結果見表2。數據來源于《中國統計年鑒(2001—2015)》、《遼寧省統計年鑒(2001—2015)》、《黑龍江省統計年鑒(2001—2015)》、《吉林省統計年鑒(2001—2015)》、國家數據(http://date.stats.gov.cn)和數析網(http://www.tjsql.com)等。可更新資源的太陽能值轉化率、能量折算系數、能值轉換率等模型參數及相關計算過程見參考文獻[36-38]。

表2人均能值承載力、人均能值生態足跡和生態安全評價指標計算結果

Table2Theresultsofpercapitaemergyecologicalcapacity,percapitaemergyecologicalfootprintandecologicalsecurityevaluationindex

年份Year人均能值生態承載力Percapitaemergyecologicalcapacity/(hm2/人)人均能值生態足跡Percapitaemergyecologicalfootprint/(hm2/人)人均生態赤字Ecologicaldeficit/(hm2/人)生態壓力指數EFI生態足跡多樣性指數Ecologicalfootprint發展能力Developmentcapacity生態協調系數DS20000.656510.5748-9.918316.10811.326914.03131.060020010.655310.9796-10.324316.75461.346014.77861.057820020.653910.9392-10.285216.72861.351114.78041.057920030.652911.8428-11.189918.14011.356716.06691.053520040.651913.6205-12.968620.89361.339718.24701.046720050.650213.9196-13.269421.40821.346418.74071.045620060.648116.4466-15.798425.37591.303721.44191.038620070.645816.1792-15.533425.05401.308821.17471.039120080.644016.9717-16.327826.35421.343122.79511.037220090.642815.5049-14.862124.12091.307920.27831.040620100.642415.2519-14.609523.74361.274919.44511.041220110.642319.8784-19.236130.94911.252024.88751.031820120.644416.4220-15.777625.48461.263920.75561.038420130.646117.0262-16.380126.35161.266021.55541.037220140.646319.0636-18.417329.49671.295224.69031.0333

2.1 人均能值生態承載力

由圖1—2可知,2000—2014年東北老工業區人均能值生態承載力在0.64 hm2/人到0.66 hm2/人之間波動變化,平均值為0.65 hm2/人,最大值為2000年的0.66 hm2/人,最小值為2011年的0.64 hm2/人,但總體呈現下降趨勢。2009年以前,由于總人口增加以及日益加劇的人類活動造成的環境污染和生態破壞會造成生態承載力的持續下降；2009—2011年下降趨于平緩；2012年以后,可更新資源總能值提高及總人口數量下降,導致人均能值生態承載力有所上升,同時,由于自然環境的自我調節能力使得生態承載力在一定范圍內逐步恢復。

圖1 東北老工業區2000—2014年人均能值生態承載力 Fig.1 Per capita emergy ecological capacity of the Traditional Industrial Area in northeastern China from 2000 to 2014

圖2 東北老工業區2000—2014年可更新資源的人均太陽能值和人均能值生態承載力Fig.2 Renewable resources′ per capita emergy and the per capita emergy ecological capacity of the Traditional Industrial Area in northeastern China from 2000 to 2014

2.2 人均能值生態足跡

由圖3可知,2000—2014年東北老工業區人均生態足跡總體上呈上升趨勢,最小值為2002年的10.94 hm2/人,最大值為2011年的19.88 hm2/人,年均增長量為0.61 hm2/人。由圖4可知,2000—2008年各類生物生產性土地能值生態足跡大小順序依次為化石燃料用地﹥耕地﹥建筑用地﹥牧草地﹥水域﹥林產品,其余年份為化石燃料用地﹥耕地﹥牧草地﹥建筑用地﹥水域﹥林產品；化石燃料用地的能值生態足跡變化對人均能值生態足跡變化貢獻最大,其凈增加值為4.95 hm2/人,占人均能值生態足跡總增加值的58.28%,主要是由于工廠所用燃煤的不斷增加、家用汽車所用汽油柴油增加以及天然氣的普及等,導致化石能源消耗量不斷增多；建筑用地、耕地次之,凈增加值分別為1.32 hm2/人、1.20 hm2/人,分別占人均能值生態足跡總增加值的15.57%和14.12%,主要是由于人類購買力及消費水平的提高,導致對居住、道路、水電等基礎設施和對農產品的需求不斷增加；林產品的貢獻最小,為0.78%；牧草地和水域的貢獻值分別為8.59%和2.66%。

圖3 東北三省老工業基地2000—2014年人均能值生態足跡 Fig.3 Per capita emergy ecological footprint of Northeast old industrial base from 2000 to 2014

圖4 東北老工業區2000—2014年各生產及消費項目的人均能值生態足跡Fig.4 Production and consumer items′ per capita emergy ecological footprint of the Traditional Industrial Area in northeastern China from 2000 to 2014

2.3 生態安全評價

2.3.1人均生態赤字/盈余及生態壓力指數分析

由圖5可知,研究期內東北老工業區處于人均生態赤字狀態,且赤字大體上呈現增長趨勢；人均生態赤字由2009年的最低值-9.92hm2/人增加到2011年的最高值-19.24hm2/人；其中2004年、2006年、2011年、2014年赤字增長率較高,分別為15.90%、19.06%、31.67%、12.44%；說明人類活動對資源環境的消耗越來越大。生態壓力指數較大,表明生態環境承受的壓力較大,供需關系嚴重不平衡,生態安全長期受到威脅且不安全程度較大。

2.3.2生態足跡多樣性指數和發展能力分析

由圖5可知,2000—2014年生態足跡多樣性指數變化量較小,大部分在1.25—1.36之間,最大值(1.36)和最小值(1.25)分別出現在在2003年和2011年,2008年以后多樣性減少,應適當調整生態足跡的分配。發展能力整體呈上升趨勢,在2011年時達到最大值,且其整體趨勢與生態足跡整體趨勢基本相同,說明發展能力的提升主要是生態足跡增加的貢獻。

圖5 東北老工業區2000—2014年生態安全評價指標計算結果Fig.5 The results of ecological security assessment index of the Traditional Industrial Area in northeastern China from 2000 to 2014

2.3.3生態壓力指數和生態協調系數分析

圖6 東北老工業區2000—2014年生態壓力指數EFI和生態協調性系數DS的定量關系Fig.6 The quantitative relationship of EFI and DS of Northeast old industrial base from 2000 to 2014

由圖6可知,生態協調性指數DS隨著生態壓力指數的增加而降低,并且生態協調性指數DS不斷降低并趨近于1,表明區域區生態環境協調性較差,需要采取積極措施以提升高生態環境協調性。

2.4 生態安全驅動力分析

采用主成份分析方法,結合SPSS軟件,選取人口、經濟、資源環境、技術和土地利用情況共計11項指標(表3),以2001—2014年的時間序列數據為樣本,對生態安全驅動力進行分析,計算結果見表4和表5。按照相關矩陣特征值大于1以及各主成分累計貢獻率大于85%的原則,第一、二主成分(F1、F2)可以代替全部信息,第一主成分的特征值為8.406,其貢獻率為76.414%,第一主成分除復種指數與工業貢獻率以外,其他因子都具有很大的載荷,表現出極強的正相關或負相關,這些變量幾乎包含了所有五個方面的狀況,綜合性很強。第二主成分的特征值為1.262,其貢獻率為11.469%,第二主成分只是在工業貢獻率上具有較大的載荷,在一定程度上代表著經濟結構對生態安全的影響。

表3 驅動因子指標

表4 方差分解主成分提取分析

表5 初始因子載荷值矩陣

以生態壓力指數為因變量,上述11個驅動因子為自變量,建立多元回歸模型。根據SPSS中的回歸標準殘差圖,各散點主要分布在以e=0為中的橫帶上,說明模型擬合效果效好。結果表明,東北老工業區生態安全變化是由人口、經濟、資源環境、技術水平和土地利用程度共同作用的結果。

3 結論與對策

東北老工業區生態壓力不斷增大,呈現不可持續的發展態勢,生態安全問題亟待解決。2000—2014年間,人均能值生態承載力總體上呈現下降趨勢,由2000年的0.66 hm2/人下降到2011年的0.64 hm2/人,2012年以后有所提升,而人均能值生態足跡總體上呈現上升趨勢,由200年的10.55 hm2/人增加到2014年的19.06 hm2/人,總體處于生態赤字狀態,且生態赤字呈現增大趨勢。生態壓力指數較大,表明生態環境承受的壓力較大,供需關系不平衡。生態足跡多樣性指數變化量較小,發展能力雖呈現上升趨勢,但主要是由于生態足跡的增加造成的。生態協調性指數不斷降低并趨近于1,表明生態協調性已經處于不協調、不安全狀態。而東北老工業區生態壓力不斷增大是由社會經濟、人口狀況、資源環境、技術水平及土地利用程度等因素共同作用的結果,總人口、城鎮人口比重、人均GDP、人均耕地面積、耕地農用化肥折純量、農用機械總動力和城市建設面積對東北老工業區生態安全趨于嚴重具有較強的驅動作用。

東北老工業區在實施“全面振興東北”重大戰略的過程中,必須加強生態文明建設,積極采取措施促進經濟-社會-生態系統的協調發展,實現可持續發展。(1)轉變經濟發展模式,促進產業結構優化升級。改變以原材料等要素投入為主的粗放型經濟發展方式向集約型經濟發展方式轉變,增加關鍵生產環節的研發投入,加快企業技術改造進程,降低能源消耗,減少“三廢”等污染物排放。(2)積極推進循環經濟發展,從源頭控制和減少環境污染物的產生與排放,減少資源消耗、降低環境污染,實現經濟效益、社會效益與環境效益的協調發展。(3)推進新型城鎮化建設,提升城鎮化質量。加快推進城市群建設,重點提升城市群中心城市的經濟實力和綜合功能,優化城市群內部格局,促進大中小城市協調發展,加強城市群的擴散效應和帶動作用。探索資源型城市多元化發展路徑,科學制定城市產業發展規劃,提前布局資源型產業的接續替代工作,探索資源型城市的特色化發展道路。(4)加強制度建設,營造綠色文化。加強政策法規體系建設,完善科學決策和管理機制,強化監督系統,建立和完善生態環境保護責任制,使制度建設成為實現東北老工業區可持續發展的重要保障。提高居民生態環境意識,建立新的生產生活與消費理念,逐步建設成為環境友好型社會。

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DynamicevolutionanddrivingforcesofecologicalsecurityintheTraditionalIndustrialAreaofnortheasternChina

TANG Chengrui1,2, LU Chengpeng1,2,*, YANG Qing1,3, JIANG Lu4, REN Wanxia1,2, XUE Bing1,2

1KeyLaboratoryofPollutionEcologyandEnvironmentalEngineering,InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China2KeyLaboratoryforEnvironmentComputationandSustainabilityofLiaoningProvince,Shenyang110016,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China4CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China

Ecological security is as important as national, economic, and financial security and has become the main constraint of future socio-economic security. The Traditional Industrial Area of northeastern China is an important traditional industrial and grain production base of China, and its ecological security is related to the implementation of sustainable development strategies. Based on the emergy-ecological footprint model, the ecological security in Traditional Industrial Area of northeastern China was quantitatively evaluated from 2000 to 2014, followed by a scenario analysis on the driving forces of the ecological security using a principal component analysis method. The results showed that, the value of emergy ecological-capacity per capita decreased from 0.66 to 0.64 hm2/cap, whereas the emergy-ecological footprint increased from 10.58 to 19.85 hm2/cap, which indicated that an ecological deficit existed in the Traditional Industrial Area of northeastern China. The ecological pressure in this area increased, showing an unsustainable development trend from 2000 to 2014. The ecological pressure index and ecological security levels gradually increasing, ecological security situation is deteriorating, ecological security issues to be urgent resolved. The ecological stress tended to be serious as a result of a combination of several factors, such as social, economic, population, resource, environmental, technological level, and land use degree. Finally, effective management strategies and suggestions to improve the ecological security of the Traditional Industrial Area of northeastern China were proposed.

ecological security; emergy-ecological footprint model; dynamic evolution; driving factors; Traditional Industrial Area of northeastern China

國家自然科學基金(41471116,71303230);中國科學院青年創新促進會(2016181);遼寧省自然科學基金 (201602743，20170540898);遼寧省博士科研啟動基金(201501037);四川省社會科學重點研究基地——四川循環經濟研究中心項目(XHJJ- 1505, XHJJ- 1611)

2016- 09- 10;

2017- 01- 04

*通訊作者Corresponding author.E-mail: luchp@iae.ac.cn

10.5846/stxb201609101837

唐呈瑞, 逯承鵬,楊青, 姜璐, 任婉俠, 薛冰.東北老工業區生態安全動態演變過程及驅動力.生態學報,2017,37(22):7474- 7482.

Tang C R, Lu C P, Yang Q, Jiang L, Ren W X, Xue B.Dynamic evolution and driving forces of ecological security in the Traditional Industrial Area of northeastern China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(22):7474- 7482.