鄂爾多斯市生態彈性力評價研究

鄭欣, 程艷妹, 任彩鳳, 周立志

鄂爾多斯市生態彈性力評價研究

鄭欣, 程艷妹, 任彩鳳, 周立志*

安徽大學資源與環境工程學院, 安徽大學礦山環境修復與濕地生態安全協同創新中心, 合肥 230601

生態彈性力是研究區域生態承載力的基礎, 它反映了生態系統的自我維持和調節能力, 是區域可持續發展的生態支持要素。以鄂爾多斯市為研究對象, 采用目標分層法從氣候、水文、植被和土壤4方面選取年降水量、年平均氣溫、日照時數、地表水資源量、地下水資源量、森林覆蓋率和土地生產力7個指標構建生態彈性力評價指標體系, 運用主成分分析法確定影響生態彈性力動態變化的3個主成分, 通過各主成分的貢獻率及各指標的特征向量確定各主成分及指標權重, 對鄂爾多斯市生態彈性力狀況進行評價, 研究2008—2015年生態彈性力變化特征。結果表明, 鄂爾多斯市生態彈性力指數整體具有上升趨勢, 由2008年的0.372升至2015年的0.401, 但波動幅度較大并呈現階段性變化, 2011年前基本呈下降狀態, 2011年降至研究時段內的最低值0.233, 隨后上升, 2013年達到0.737為研究時段內的最高值, 2013年后又呈下降狀態。第一主成分整體呈上升趨勢與生態彈性力變化趨勢相似, 第二、三主成分變化波動強烈且呈下降狀態。生態彈性雖有所提高, 但生態系統穩定性較差, 區域生態系統的抗干擾和自我調節能力不穩定。水資源供給能力是影響生態彈性力波動的首要影響因素, 生態環境質量的上升是生態彈性力提高的主要驅動因素。建議未來應合理配置資源, 提高水資源利用率, 增強區域生態系統自我調節能力; 繼續提高生態環境質量, 調整產業結構, 以實現鄂爾多斯可持續發展。

生態彈性力; 生態承載力; 主成分分析法; 目標分層法; 鄂爾多斯市

0 前言

生態彈性力概念最初被Holling引入生態系統穩定性研究中[1], 早期對它的研究側重于將其作為彈性城市研究的一個方面[2–4], 隨著資源和環境的破壞以及城市化的發展, 區域生態彈性力更多的作為一個重要指標來表示生態環境對經濟活動支持能力[5], 廣大學者更加認同生態系統具有自我調節和自我恢復能力的觀點[6–7], 即生態系統受到壓力或平衡擾亂之后能夠自我維持、自我調節并恢復到初始狀態的能力[7–9]。生態彈性力主要包括兩方面: 彈性強度和彈性限度, 其主要影響因素包括氣候、水文、土壤、植被覆蓋及生態環境各要素之間的協調能力等[10]。這個指標反映了復合生態系統的自然潛在承載能力, 它可以減少壓力與干擾產生的影響從而保持系統不遭破壞, 又可以最大程度地保障承載力發揮正常的調節功能[11]。在沒有人類干預的自然生態系統中, 它代表了系統生態承載力的大小, 是研究區域生態承載力的基礎和描述脆弱生態區狀態的綜合性變量[12]。

生態彈性力的研究角度和方法也受到了國內外可持續發展研究學者的關注, 不同領域的學者從不同的角度如以生態系統的水分利用效率來表征其彈性強度[13]、依據物種性狀特征評價彈性力[14]、通過彈性限度反映研究區生態系統彈性力的大小[7]、將生態彈性力作為區域生態承載力的支持條件對其評價[15]以及運用功能與狀態的轉換模型[16]、引入調節系數的生態系統彈性力模型[17]、生態彈性力指標體系[8,18]等評價模型和方法對生態彈性力進入了深入研究, 但對于生態彈性力的研究至今仍沒有統一的模型或方法。

資源型城市是依托自然資源開發所發展起來的一種城市類型[19–20], 以煤炭為基礎的城市是資源型城市的重要類型之一[21], 是一個集“自然—經濟—社會”于一體的復合生態系統, 大規模、高強度的資源開采使得資源型區域的生態問題日趨嚴重[22–23]。生態彈性力是一種生態環境所固有的內存性因子, 只有當生態環境承受的外部壓力超過其自身容量時才會顯現出來, 這個因子可以說是資源型城市轉型和發展的重要指標, 也是其可持續發展的生態支持要素[22]。在確保產業轉型和加快城市化的條件下, 研究區域生態彈性力的水平是人們了解生態系統動態性的重要工具和手段[24], 同時也是研究煤炭資源型城市的優化發展和可持續發展實施途徑的重要基礎。

鄂爾多斯市是我國典型的煤炭資源型城市, 同時還是我國西部地區重要的農牧交錯帶和生態屏障[25]。近年來, 隨著煤炭資源和新型資源如石油、天然氣的進一步開采[26]以及作為農牧交錯帶本身具有的脆弱性[27], 生態系統極易受到內外營力的影響產生擾動和變化, 生態彈性力面臨嚴峻挑戰。以往對該區域生態問題的研究主要圍繞生態安全、生態足跡和生態風險評價等方面[23,26,28], 本文借鑒前人建立的資源型城市評價指標體系[18]和其他關于區域生態彈性力的研究[8,29–30], 從氣候、水文、植被覆蓋和土壤4個方面著手, 評價2008—2015年的生態彈性力發展狀況和受各因子的影響程度, 揭示生態承載的變化規律, 以期為鄂爾多斯市可持續發展提供決策依據。

1 研究區概況

鄂爾多斯市位于內蒙古自治區西南部, 地處東經106°42′—111°27′, 北緯37°35′—40°51′之間, 是中國西部重要的資源型城市, 同時也是中國最為典型的農牧交錯帶之一。作為資源密集地區之一, 鄂爾多斯市擁有豐富的自然資源, 其中已探明的煤炭儲量約占全國的六分之一, 儲量大, 分布面積廣, 煤炭資源是帶動城市經濟發展的最主要資源。截止2015年末, 全市總面積86882 km2, 市轄7旗1區, 全市常住人口總計204.51 萬人, 地區生產總值為4226.1 億元, 城鎮化率達到73.13%。該市屬于典型的煤炭資源型城市且地處我國西北部農牧交錯帶, 其生態系統較一般城市更加脆弱[23], 日照強烈, 市多年平均氣溫約7.3 ℃, 水資源匱乏, 降水約150—410 mm, 蒸發在2000 mm以上, 土壤含有機質少, 植被覆蓋度低于25%, 是我國沙塵暴產生的源頭之一。近年來, 鄂爾多斯市依托豐富的資源, 特別是煤炭資源, 使經濟實現跨越式發展, 但同時也造成嚴重的生態環境問題, 如植被退化、土壤侵蝕、水土荒漠化以及地表沉陷等, 嚴重影響區域的可持續發展。

2 研究方法

2.1 數據來源

研究數據來源于《內蒙古自治區水資源公報》(2008—2015)、《內蒙古自治區統計年鑒》(2008—2015)、《鄂爾多斯市統計年鑒》(2008—2015)和《鄂爾多斯市國民經濟和社會發展統計公報》(2008—2015)等統計資料。

2.2 評價指標體系與方法

2.2.1 評價指標體系的構建

本文采用目標分層法對生態彈性力評價指標體系進行構建, 根據研究目標選定指標體系的目標層, 然后在目標層下建立一個或多個較為具體詳細的準則層, 最后選定指標層[31]。

目標層: 根據本文研究目標選取生態彈性力為目標層。

準則層: 根據前人研究, 從系統自身性質出發, 氣候條件、水文情況、植被狀況、地形地貌以及土壤等因素是生態彈性力的主要影響因素, 基本決定了生態系統的性質[7–8,18]。由于本研究選取鄂爾多斯市整個地區為研究尺度, 相對來說是靜態指標, 故沒有選取地形地貌。最終選取氣候條件、水文情況、植被狀況以及土壤4個方面為準則層。金悅[18]在以唐山市為案例研究資源型城市時, 將生態彈性力作為生態承載力評價的一方面即準則層, 提出了一套完整的資源型城市評價指標體系和量化模型, 具有很好的借鑒意義。

指標層: (1)氣候方面: 煤炭資源型城市在快速發展的同時, 生態環境問題日益增多[32], 鄂爾多斯市的生態環境變化也離不開氣候的變化[27], 生態系統對氣候的變化非常敏感, 氣候通過氣溫和降水直接影響水文條件, 從而使生態系統的結構和功能發生變化。氣候方面選取年降水量、年平均氣溫和日照時數3項指標。其中, 年降水量和年平均氣溫是反映區域干濕程度的指標, 氣溫和降水的變化影響著沙塵暴的發生發展, 降水可以引起土壤濕度、地表覆蓋的變化, 溫度的變化影響地表濕度, 溫度的升高還會對沙塵暴的形成造成必要的熱力條件[33]; 日照時數是表征區域熱量情況指標, 也是影響氣候變化的主要氣象要素之一, 由于城市排放工業污染物的急劇增長, 使空氣污染嚴重, 造成大氣透明度降低從而影響日照時數[34]。(2)水文方面: 水是人類活動不可或缺的物質, 良好的水文條件會為植被提供良好的生長環境, 也決定了植被的生長狀況。鄂爾多斯市地處我國煤炭資源豐富的西北地區, 但水資源尤為缺乏。地表水和地下水資源量是水體的主要組成部分, 煤炭開采對地表水、地下水水量造成不同程度的影響, 其中, 煤炭開采造成河川徑流大量滲漏, 徑流量大量減少, 從而影響地表水資源量[35]; 采煤時疏干地下水, 影響了地下水資源的數量和質量, 而且破壞了水的動態平衡和生態環境[36]。因此, 水文方面選取地表水資源量、地下水資源量作為表征指標。(3)植被覆蓋: 區域植被覆蓋對該區域的生態系統的抗干擾能力和調節緩沖能力影響很大, 它反映一個地區的水土保持力、氣候調節力和生態系統的穩定性強弱[37], 資源型城市的發展與自然環境狀況密切相關, 植被情況影響了資源城市的可持續發展[38]。在植被覆蓋方面, 結合鄂爾多斯市采煤所造成的地表植物破壞以及長期實施“退耕還林”政策的實際情況, 選取森林覆蓋率為指標。(4)土壤方面: 土壤是生態系統中的非生物部分, 是構成生態系統的重要環境因子之一, 其質量狀況對系統抵抗力有一定的影響。煤炭資源型城市在進行資源開采快速發展經濟的同時, 對土地資源造成了破壞, 土地是聯系人與自然的媒介, 其狀況能反映出人類活動與自然界的相互作用[38]。選用土地生產力作為評價土壤狀況的指標, 其中, 土地生產力=作物總產量/耕地面積。

表1 鄂爾多斯市生態彈性力評價指標體系

2.2.2 評價指標標準化處理

本文采用極差標準化法根據指標對評價結果的作用方向進行標準化處理:

C為第個對象第項指標的標準化值,X和X分別是第項指標的最大值和最小值。

2.2.3 評價指標權重確定

本文利用SPSS 20.0統計軟件, 通過采用主成分分析法(PCA)確定各項指標權重。主成分分析法(PCA)通過恰當的線性變換, 使原先的較多指標形成彼此相互獨立的主成分而且盡可能多保留原始數據的信息, 以此通過少數幾個主成分來解釋原來資料中的多變量[12]。主要步驟如下:

(1)對樣本數據進行標準化處理(SPSS軟件自動執行)。

(2)指標之間的相關性判定, 計算變量間相關系數, 得到相關系數矩陣。

(3)計算特征值、主成分方差貢獻率、累計方差貢獻率以及特征向量等, 根據累計方差貢獻率≥85%或者特征值＞1原則確定主成分及其個數。

(4)根據方差貢獻率利用歸一化法求得生態彈性力的各主成分權重, 利用同樣的方法將特征向量也分別歸一化, 得到各指標的權重。

2.2.4 生態彈性力指數表達式確定

本文采用分層次賦權方法以減少主成分指標個數對權重造成的影響[39]。第一層次, 利用主成分各指標特征向量求得指標權重W與各指標其標準化值相乘, 得到各主成分指數; 第二層次, 以各個主成分方差貢獻率確定各主成分權重F與各主成分指數相結合, 進而得到生態彈性力指數:

式中:為生態彈性力指數;為主成分指數;F為第個主成分的權重;C為第個因素標準化后的數值;W為第個因素的權重。

對于生態彈性力的評價, 評價結果主要反映了生態系統的自我抵抗力以及受干擾后生態系統的自我可持續性和恢復力; 其評價值越大, 表明生態系統的彈性越高, 生態系統抗干擾和自我調節就越強, 如果超過生態系統的彈性, 將破壞生態系統的穩定狀態。

3 結果與分析

3.1 生態彈性力各指標標準化值及權重

對鄂爾多斯市生態彈性力各要素(指標層)進行標準化處理得到各指標在研究期間內的標準化值(表2), 其中, 年降水量1、年平均氣溫2、日照時數3、和地下水資源5在研究期間波動較大。通過SPSS20.0軟件對數據進行相關分析, 最終根據選取原則確定了3個主成分, 即1、2和3, 根據權重確定方法得到各主成分及各指標權重, 其中, 第一主成分1權重最大, 為0.562(表3)。

3.2 生態彈性力指數及變化趨勢

鄂爾多斯市生態彈性力指數在2008—2015年8年間呈略微上升趨勢, 由2008年的0.372上升到2015年的0.401, 但整體波動較大, 并呈現階段性變化特征。其中在2008—2009年生態彈性力由0.372增加至0.389, 基本呈平穩趨勢, 2010—2011年生態彈性力指數有所下降, 由0.310下降至0.233, 2012年指數大幅上升至0.519并且2013年持續保持上升趨勢達到8年間的最高值0.737, 但隨后至2015年生態彈性力下降至0.401。表明鄂爾多斯市生態彈性力波動幅度較大, 生態系統的抗干擾和自我調節能力不穩定(表4、圖1)。

表2 鄂爾多斯市生態彈性力指標標準化值

注:1—7代表的指標含義見表1。

表3 各主成分權重及各指標權重

從各主成分構成來看, 第一主成分主要與平均氣溫、地表水資源、森林覆蓋率和土地生產力4項指標有較好的正相關性, 即生態環境發展狀態類指標, 研究期間第一主成分上升明顯, 由2008年的0.301上升到2015的0.626, 增加了0.325, 其中2008—2013年幾乎一直處于上升趨勢, 除2011年有小幅下降外其他年份均有所增長, 由0.302增加至0.759達到中高等水平, 隨后2014—2015年有所波動下降至0.626(表5、圖2)。

第二主成分主要表征年降水量和地下水資源這2項指標, 2008—2015年水資源指標值由0.376下降至0.195, 波動幅度較大, 尤其2008—2011年呈現先下降后上升再下降的狀態, 其中2011年出現最低值0.003, 隨后2012—2013年開始上升, 2013年升至0.742達到中等偏高的水平, 也是研究期間的最高值, 之后下降迅速, 在2015年降至0.195(表5、圖2)。

表4 2008—2015年鄂爾多斯市彈性力指數

第三主成分與日照時數有較高的相關性, 即光照條件類指標, 2008—2015年光照條件類指數呈下降趨勢且一直處于動態震蕩中, 2008—2009年呈上升狀態并在2009年達到研究期間的最高值, 2009—2013年走勢呈“V”型曲線, 2013年過后則一直處于下降狀態, 2015年的日照時數為研究期間的最低值(表5、圖2)。

表5 2008—2015年鄂爾多斯市生態彈性力各主成分得分

圖1 鄂爾多斯市生態彈性力指數動態趨勢圖

Figure 1 The dynamic trend of Ordos eco–elastic force index

圖2 各主成分綜合得分動態趨勢圖

Figure 2 The dynamic trend of composite score of each principal component

4 討論

鄂爾多斯市2008—2015年的生態彈性力整體處于小幅上升趨勢, 表明鄂爾多斯市生態系統的穩定性和抗干擾能力有所提高。與前人研究的撫順市和蘇北地區生態彈性力一直呈上升狀態不同[40–41], 鄂爾多斯市生態彈性力指數在研究期間呈波動狀態, 較不穩定。2009年處于上升狀態, 從主成分方面來看, 第一、三主成分對其起到了拉動作用, 特別是第三主成分上升幅度較大, 自2010年開始下降, 2011年之后生態彈性力變化趨勢與各主成分變化趨勢均相似, 2011年生態彈性力指數是所有年份中最低的一年, 主要原因是各主成分均有不同程度降低, 2012—2013年又有顯著的增長, 2013年達到最高值, 與最低值之間相差較大, 說明鄂爾多斯市生態彈性力限度較大, 這與唐山市、濟南市、平朔安太堡礦區以及榆神礦區的生態彈性力狀況相似[18,42–44], 生態彈性力波動強烈, 區域生態系統自我調節能力、抗干擾以及受干擾后的恢復能力較差, 具有明顯的脆弱性。

從2008—2015年鄂爾多斯市生態彈性力與第一主成分的變化結果來看, 變化趨勢幾乎相同。第一主成分即生態環境發展狀況類指標, 主要代表年平均氣溫、地表水資源、森林覆蓋率和土地生產力, 2008—2015年生態環境質量總體呈上升趨勢, 而第一主成分方差貢獻率為53.095%, 對研究區域生態彈性力狀況影響較大, 其指數的升高對生態彈性力的提高起主要驅動作用。近年來, 鄂爾多斯加快林業生態建設步伐, 實施了自然保護、三北防護林相關項目, 加大了植樹造林力度, 使鄂爾多斯的林業有了長足發展[45]。此外, 研究期間土地生產力指數總體有所增長且幅度較大, 對生態彈性力的良性發展起到了一定推動作用。但由于生態系統內部的脆弱性[46], 鄂爾多斯市生態環境發展狀態不穩定, 2011年出現了較小程度的下降, 主要原因是年平均氣溫和地表水資源這兩個指標的值均有不同程度的降低, 特別是地表水資源下降幅度較大。大氣降水為地表水的主要來源[47], 2011年入春后至8月份, 鄂爾多斯市大部地區的降水量明顯偏少, 為近10年來同期最少的一年, 故導致其地表水資源量有所下降。2014—2015年呈持續下降狀態, 其除了森林覆蓋率有所增長外, 年平均氣溫、地表水資源、土地生產力均有下降。綜合第一主成分變化趨勢特點和表征的各指標的權重來看, 地表水資源、森林覆蓋率和土地生產力權重較大且對第一主成分影響較深, 要提高鄂爾多斯市生態環境質量應從這三方面入手。第二主成分表征降水量和地下水資源, 主要反映了水資源狀況。水在植物生長和人類生產生活中起到關鍵作用, 鄂爾多斯市地處半干旱、干旱地區, 人均天然水資源量、地均天然水資源量均低于全國、全區平均水平, 屬于嚴重貧水地區[48]。研究期間第二主成分變化波動強烈, 2011年為研究期內的最低值, 其次是2009年, 主要原因鄂爾多斯市大部地區的降水量明顯偏少, 水資源供給能力較低, 地下水資源量明顯低于上一年。鄂爾多斯市降水量少, 蒸發量大[49], 在干旱和不合理開發的共同影響下, 地下水和出水量均逐漸下降, 破壞了采補平衡, 制約著工農業的發展, 造成土壤沙化、草場退化、土地荒漠化等, 干旱缺水已成為社會經濟和自然環境發展的主要限制因素。第三主成分代表了日照時數, 主要是表征區域的光照條件的指標, 研究期間呈波動下降趨勢, 這與北京市和濟南市的研究結果相似[8,42], 2011之后, 其趨勢與生態彈性力變化趨勢相同。光照對于植物的重要性不言而喻, 日照時數在一定程度上可反映農作物生長率, 是衡量區域農業氣候熱量資源的重要指標[50]。近年來, 鄂爾多斯市社會經濟發展迅速, 資源開采也加速增長, 煤炭運輸過程中的煤灰散落、揚塵, 致使空氣中可吸入顆粒濃度增加, 再加之鄂爾多斯市土地沙化嚴重, 全區90%以上的地域每年都遭受沙塵暴襲擊[51], 對日照時數的變化產生了一定影響。

水資源供給能力是影響鄂爾多斯市生態彈性力波動的首要影響因素, 也是生態彈性力提高的主要限制因素。這與前人研究中影響鄂爾多斯市資源開發、城市發展的限制因素[51]以及同為煤炭資源型區域的唐山市和榆神礦區的評價結果是一致的[18,44]。生態環境質量的上升是生態彈性力提高的主要驅動因素, 煤礦城市的生態環境質量下降, 已成為制約煤礦城市可持續發展的重要原因[52]。水資源承載能力很大程度上影響著未來生態彈性力, 水資源是制約鄂爾多斯市可持續發展的重要因素, 但水資源的量又不能人為隨意地擴大, 因此應全面節約用水, 建設節約型社會, 充分利用地表水、合理開采地下水, 提高用水效率; 繼續提高生態環境質量, 加強植樹造林, 增加植被多樣性, 改善地表植被結構, 提高土地生產力, 努力使現有的自然系統免受人為破壞。

5 結論

鄂爾多斯市2008—2015年生態彈性力指數有所上升, 但一直處于動態波動狀態, 波動性較強, 穩定性較差。主成分量分析表明, 生態環境發展對鄂爾多斯市生態系統的自我維持和調節起到正向作用; 水資源情況是造成鄂爾多斯市生態彈性力不穩定的主要原因; 光照條件對鄂爾多斯市生態彈性力變化起著潛在作用。在各項影響因素中, 水資源供給能力是影響鄂爾多斯市生態彈性力波動的首要影響因素, 也是生態彈性力提高的主要限制因素; 生態環境質量的上升是生態彈性力提高的主要驅動因素。為了促進生態彈性力上升, 鄂爾多斯市必須合理配置資源、提高水資源利用率、實施綠化提升工程、增強土地質量等, 以此提高生態系統的調節和恢復能力, 以實現鄂爾多斯市可持續發展。

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Evaluation of ecological resilience in Ordos City

ZHENG Xin, CEHNG Yanmei, REN Caifeng, ZHOU Lizhi*

Collaborative Innovation Center for Mine Environmental Remediation and Wetland Ecological Security, School of Resource and Environment Engineering, Anhui University, Hefei 230601,China

Ecosystem resilience is one of the basis factors about regional ecological carrying capacity, which reflects the self-maintenance and self-regulation of the ecosystem, also is an ecological support element for regional sustainable development. The evaluation index system of ecological resilience in Ordos City was constructed by 7 indexes including annual precipitation, annual average temperature, sunshine hours, surface water resources, groundwater resources, forest coverage rate and land productivity from climate, hydrology, vegetation and soil by objective stratification method. Principal component analysis was used to resolve the three principal components that determine the dynamic changes of ecological elasticity, and the index weight of each principal component was determined by the contribution rate of each principal component and the index eigenvectors, and finally the change characteristics of ecological elasticity from 2008 to 2015 were studied. The results indicated that the ecosystem resilience index fluctuated greatly during the studied period rising from 0.372 in 2008 to 0.401 in 2015. However, the fluctuation range was large and showed periodical change. Before 2011, it took basically on a downward trend, falling to the lowest value of 0.233 in 2011, then rising to 0.737 in 2013, which was the highest value in the studied period, and then falling again after 2013. The overall trend of the first principal component was similar to the change trend of ecological elastic force, while the second and third principal components fluctuated strongly and showed a state of decline. Although the ecological elasticity was improved, the ecosystem stability was poor, and the anti-interference and self-regulation ability of the ecosystem was unstable. The analysis showed that the water resource supply capacity was the primary factor influencing the fluctuation of the ecological elastic forces. The improvement of ecological environment quality is the main driving factor to improve ecological elasticity. It is suggested that resources should be rationally allocated in the future to improve the utilization rate of water resources and enhance the self-regulation ability of regional ecosystem. It would be necessary continually to improve the quality of the ecological environment, adjust the industrial structure and achieve the sustainable development of Ordos City.

ecosystem resilience; ecological carrying capacity; principal component analysis; target layering method; Ordos City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.024

X24

A

1008-8873(2019)05-185-08

2018-10-31;

2018-12-04

國家社會科學基金項目(14ZDB145)

鄭欣(1993—), 女, 山東濰坊人, 碩士, 主要從事生態經濟學研究, E-mail: zhengxin1225@qq.com

周立志, 男, 博士, 教授, 主要從事水鳥與濕地生態學和生態經濟學研究, E-mail: zhoulz@ahu.edu.cn

鄭欣, 程艷妹, 任彩鳳, 等. 鄂爾多斯市生態彈性力評價研究[J]. 生態科學, 2019, 38(5): 185-192.

ZHENG Xin, CEHNG Yanmei, REN Caifeng, et al. Evaluation of ecological resilience in Ordos City[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 185-192.