楊兆青,陸兆華,2,*, 劉 丹,袁明揚(yáng),王 菲,榮正陽(yáng),黃玉凱

1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究所,北京 100083

2 濱州學(xué)院 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濱州 256603

3 神華寶日希勒能源有限公司, 呼倫貝爾 021025

本文基于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)為人類提供完善的生態(tài)服務(wù)功能的理解,認(rèn)為生態(tài)安全是指一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況能持續(xù)滿足人類生存和發(fā)展需求,人類生存和發(fā)展不受或少受生態(tài)環(huán)境狀況的制約與威脅的狀態(tài)[1]。一方面生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是由生物、土壤、水體、空氣、地質(zhì)和地貌等在內(nèi)的自然要素組成的整體環(huán)境綜合系統(tǒng),其所提供的生態(tài)服務(wù)滿足了人類各種需求,另一方面,人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)提供的服務(wù)功能也會(huì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,既滿足了日益變化的發(fā)展需要,又不損害生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的潛力[1]。因此,生態(tài)安全是對(duì)維護(hù)和保障生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、健康和可持續(xù)發(fā)展關(guān)系的探討。生態(tài)安全評(píng)價(jià)是根據(jù)研究對(duì)象和研究目的,對(duì)特定時(shí)空范圍內(nèi)生態(tài)安全狀況的定性和定量描述[2]。

人類社會(huì)已進(jìn)入生態(tài)文明發(fā)展階段,生態(tài)文明的核心就是人與自然和諧發(fā)展,而生態(tài)安全評(píng)價(jià)的目的便是正確處理經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的相互關(guān)系,這正是生態(tài)文明建設(shè)的應(yīng)有之意。城市的形成是人類從認(rèn)識(shí)自然到改造自然,并與自然和諧共處的過(guò)程,是社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)和文明的標(biāo)志,預(yù)計(jì)2025年世界城市化率將達(dá)到62.5%,中國(guó)將達(dá)到60%左右,城市發(fā)展對(duì)自然資源和生態(tài)容量的過(guò)度占用也給生態(tài)環(huán)境造成脅迫,生態(tài)安全問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)[3]。生態(tài)安全是國(guó)家安全的重要基石[4],而城市又是國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展的中心,因此城市生態(tài)安全是維護(hù)國(guó)家長(zhǎng)治久安的重要保障。資源型城市建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中資源、環(huán)境和人口矛盾更為突出,城市生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱,城市生態(tài)安全面臨很大的威脅,因此,探討資源型城市生態(tài)安全變得尤為重要。煤炭資源型城市是因煤炭資源開發(fā)而形成和發(fā)展起來(lái)的城市,且煤炭及相關(guān)產(chǎn)業(yè)為當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)[5]。煤炭工業(yè)是支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),而且煤炭在我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中的主體能源地位將長(zhǎng)期保持不變,但其開發(fā)利用伴隨的生態(tài)破壞和環(huán)境污染等生態(tài)安全問(wèn)題較為突出,如土地挖損、塌陷和占?jí)篬6];植被破壞,生物量減少,多樣性降低[7];引發(fā)水環(huán)境災(zāi)害[8];礦區(qū)及周圍土壤重金屬超標(biāo)[9];排土場(chǎng)揚(yáng)塵污染[10]、煤炭利用排放二氧化碳等有害氣體等,生態(tài)環(huán)境難以承載這種粗放的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式,不利于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

目前,大多數(shù)學(xué)者開展了煤礦區(qū)尺度的生態(tài)環(huán)境安全相關(guān)研究[7-12],但立足于煤炭資源型城市的生態(tài)安全研究鮮有報(bào)道[13-16],而且評(píng)價(jià)方法還存在一些不足,已有研究多采用綜合加權(quán)指數(shù)評(píng)價(jià)法,指標(biāo)權(quán)重確定了指標(biāo)地位間的差異,加權(quán)求和得出評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合水平,但不能反映評(píng)價(jià)對(duì)象與理想狀態(tài)之間的差距;指標(biāo)安全閾值的劃分標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一,參照其它地區(qū)數(shù)值會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果可信度降低;部分研究?jī)H對(duì)城市生態(tài)安全整體做出評(píng)估,缺乏對(duì)影響因子的深入研究。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然資源利用、環(huán)境狀態(tài)改變等方面影響下,城市生態(tài)安全的最佳狀況是呈動(dòng)態(tài)變化的,最佳的城市生態(tài)安全狀態(tài)就是最接近生態(tài)安全最優(yōu)狀態(tài),遠(yuǎn)離生態(tài)安全最劣狀態(tài),而關(guān)于多目標(biāo)決策的TOPSIS法就是測(cè)度評(píng)價(jià)對(duì)象與正、負(fù)理想解的距離,該方法既有利于多指標(biāo)之間的對(duì)比,也有利于不同年份之間的分析[17]。熵權(quán)法是依據(jù)指標(biāo)反映的客觀信息來(lái)反映其相對(duì)重要程度,客觀性較強(qiáng),評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。鑒于此,本文選擇我國(guó)東部草原區(qū)典型的煤炭資源型城市錫林浩特市進(jìn)行實(shí)證研究,采用熵權(quán)TOPSIS法對(duì)2008—2017年錫林浩特市生態(tài)安全狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),選擇這10年時(shí)間尺度反映的是該市經(jīng)歷從高速發(fā)展到高質(zhì)量發(fā)展,由煤炭基地向煤電一體化建設(shè)的轉(zhuǎn)型階段;同時(shí),引入障礙度模型對(duì)影響城市生態(tài)安全狀況的主要障礙因素進(jìn)行診斷,為提升城市生態(tài)安全指明具體方向和著力點(diǎn),以期為錫林浩特市的城市管理決策和可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

錫林浩特市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟,東經(jīng)115°13′—117°06′,北緯43°02′—44°52′,是錫林郭勒盟政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。屬中溫帶半干旱大陸性氣候,冬季漫長(zhǎng)而寒冷,夏季短促而涼爽,年平均氣溫為1.7℃,無(wú)霜期100d左右。年均降水量不足300mm,且降水分布不均,由東南向西北方向逐漸遞減。錫林浩特市是我國(guó)“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局北方防沙帶的重要組成部分,是生態(tài)脆弱區(qū),也是我國(guó)大型煤炭基地勝利煤田的所在城市。該市煤炭?jī)?chǔ)量約為300多億t,煤炭產(chǎn)量占錫林郭勒盟全盟的30.63%,以露天開采為主[18],這種礦采方式對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞最為直接和明顯。隨著煤炭資源的大規(guī)模開發(fā),該市以動(dòng)力煤為主的煤電一體化產(chǎn)業(yè)得到了一定發(fā)展,2017年煤炭開采業(yè)產(chǎn)值占地區(qū)生產(chǎn)總值的17.81%,在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中占有重要地位,但煤炭資源的開發(fā)利用在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),也給當(dāng)?shù)夭菰鷳B(tài)系統(tǒng)和城市生態(tài)安全帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與評(píng)價(jià)方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2009—2018年的《錫林郭勒盟統(tǒng)計(jì)年鑒》、《錫林浩特市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》,以及相關(guān)政府部門的歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)借助遙感影像獲得,如礦區(qū)面積、植被覆蓋度。

2.2 評(píng)價(jià)方法

2.2.1基于PSR模型的指標(biāo)體系構(gòu)建

PSR模型是由聯(lián)合國(guó)經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署提出的壓力(Pressure)-狀態(tài)(State)-響應(yīng)(Response)的概念模型[19-20],其基本含義是人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境施加壓力(如煤炭開采等),導(dǎo)致環(huán)境狀態(tài)發(fā)生變化(如植被破壞、地下水污染等),采取措施對(duì)環(huán)境惡化做出響應(yīng)(如加大環(huán)保投入等)。本文基于煤炭資源型城市的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),按照“四級(jí)疊加,逐層收斂,統(tǒng)一排序”的原則,構(gòu)建出層次結(jié)構(gòu)清晰、指標(biāo)關(guān)系明確的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[14]。目標(biāo)層綜合反映城市生態(tài)安全總體水平。準(zhǔn)則層的壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)子系統(tǒng)相互制約、相互影響,正是制定決策和實(shí)施對(duì)策的全過(guò)程。要素層由生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩屬性構(gòu)成,體現(xiàn)了自然環(huán)境和人類活動(dòng)的相互作用對(duì)城市生態(tài)安全的影響。根據(jù)要素層的特征和含義進(jìn)而確定可直接度量的指標(biāo)層,指標(biāo)選取也充分考慮了指標(biāo)數(shù)據(jù)的科學(xué)性、代表性、實(shí)用性和可獲得性。在廣泛總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[13-15,21],并結(jié)合錫林浩特市實(shí)際情況,構(gòu)建了包含33個(gè)指標(biāo)的煤炭資源型城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如表1所示。該指標(biāo)體系特別設(shè)置了“耗煤發(fā)電指數(shù)”,即用規(guī)模以上工企業(yè)火力發(fā)電量與原煤消耗量比值近似表示該地區(qū)煤電一體化建設(shè)效益,體現(xiàn)煤炭清潔高效利用的程度,還有“礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理面積”指標(biāo),這些都是煤炭資源型城市生態(tài)系統(tǒng)具有代表性的指標(biāo)。另外,將“人均耕地面積”設(shè)置為負(fù)向指標(biāo),即認(rèn)為該指標(biāo)越小對(duì)該地區(qū)礦業(yè)城市生態(tài)安全越好,這是因?yàn)榭紤]到本地草原生態(tài)系統(tǒng)的原生性及穩(wěn)定性,耕地設(shè)定為限制因子更為合理。

表1 錫林浩特市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

2.2.2熵權(quán)TOPSIS法

TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,逼近于理想值的排序方法)由Wang和Yoon于1981年首次提出[22],是一種多目標(biāo)決策方法,其原理是將各指標(biāo)的最優(yōu)值和最劣值分別作為正理想解和負(fù)理想解,根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象靠近正理想解和遠(yuǎn)離負(fù)理想解的程度來(lái)評(píng)估城市生態(tài)安全水平。本文將熵權(quán)法和TOPSIS法的運(yùn)算理念相結(jié)合,對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象和正、負(fù)理想解的計(jì)算進(jìn)行了改進(jìn),建立熵權(quán)TOPSIS模型[17],基于該模型對(duì)煤炭資源型城市進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)。其計(jì)算步驟如下：

設(shè)有n個(gè)年份(j=1,2,…,n)、m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(i=1,2,…,m),形成評(píng)價(jià)矩陣：

(1)

(1)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

各指標(biāo)的單位不同,使數(shù)據(jù)之間的可比性較差,需對(duì)原始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文采用極差變換法將原始數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化到[0,1]區(qū)間之內(nèi),得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y,其過(guò)程如下：

(2)

(3)

式中,xij、Yij—第j年第i指標(biāo)的原始值和標(biāo)準(zhǔn)化值;min(xij)、max(xij)—各指標(biāo)原始值中的最小值、最大值。

(2)確定指標(biāo)權(quán)重,構(gòu)建加權(quán)決策矩陣

選擇客觀熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),其意義在于某一指標(biāo)值的差異程度越大,熵值越小,權(quán)重就越大,說(shuō)明該指標(biāo)提供的有效信息越多[23],該方法較為成熟,本文就不再贅述。指標(biāo)權(quán)重向量W=(W1,W2, …,Wi),結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y,得到加權(quán)規(guī)范化矩陣V：

V=YW=[vij]m×n

(4)

(3)確定正理想解(V)和負(fù)理想解(V-)

(5)

(6)

(4)各年份評(píng)價(jià)指標(biāo)到正、負(fù)理想解的距離T+和T-

(7)

(5)計(jì)算各年份評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的貼近度Cj

(8)

用貼近度表示城市生態(tài)安全指數(shù),Cj值越大,表示城市生態(tài)安全越接近最優(yōu)安全狀態(tài),相應(yīng)的生態(tài)等級(jí)就越高,其取值范圍為[0,1]。

2.2.3生態(tài)安全等級(jí)劃分

參考資源型城市生態(tài)安全等級(jí)劃分的相關(guān)文獻(xiàn)[13,15,24],并結(jié)合錫林浩特市實(shí)際情況,將研究區(qū)生態(tài)安全劃分為5個(gè)等級(jí),如表2所示。

表2 煤炭資源型城市生態(tài)安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.4障礙度模型

依據(jù)貼近度表示生態(tài)安全值可以反映研究區(qū)整體生態(tài)安全狀況,但是無(wú)法直觀的描述影響生態(tài)安全狀況的重要因子,因此引入障礙度模型,對(duì)錫林浩特市生態(tài)安全狀況產(chǎn)生障礙的影響因子進(jìn)行診斷和分析,以便有針對(duì)性地作出相應(yīng)的決策和調(diào)控。障礙度模型是建立在綜合評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型,其具體方法是引入因子貢獻(xiàn)度(Fi)、指標(biāo)偏離度(Iij)和障礙度(Oij、Bj)3個(gè)基本變量對(duì)障礙因素進(jìn)行診斷[25],計(jì)算公式如下：

Fi=Wi×Uk,Iij=1-Yij

(9)

(10)

式中,Wi為單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重;Uk為單項(xiàng)指標(biāo)所屬準(zhǔn)則層的權(quán)重(k=1,2,3);Fi為單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)大小;Iij為單項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際值與最優(yōu)目標(biāo)值之差;Oij、Bj為分別表示單項(xiàng)指標(biāo)和子系統(tǒng)對(duì)保障城市生態(tài)安全的阻礙程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)權(quán)重分析

熵權(quán)法的客觀賦權(quán)方式避免了人為因素的干擾,使指標(biāo)權(quán)重確定更具科學(xué)性。指標(biāo)賦予的權(quán)重越大,其在生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)中的作用就越大。從本研究中各指標(biāo)權(quán)重來(lái)看,第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、礦區(qū)面積、城鎮(zhèn)化率、城鎮(zhèn)居民恩格爾系數(shù)和礦山生態(tài)環(huán)境治理面積的權(quán)重位居前五。第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重的賦權(quán)最大,說(shuō)明產(chǎn)業(yè)優(yōu)化是提升城市生態(tài)安全的有效措施,體現(xiàn)了對(duì)資源型城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要性;錫林浩特市以露天煤炭開采為主,采礦作業(yè)區(qū)對(duì)當(dāng)?shù)夭菰鷳B(tài)系統(tǒng)造成了很大擾動(dòng)和破壞,因而礦區(qū)面積權(quán)重值較大;城鎮(zhèn)化率和城鎮(zhèn)居民恩格爾系數(shù)分別反映了社會(huì)發(fā)展水平和人民生活質(zhì)量,揭示了煤炭資源型城市中煤炭及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng),這兩項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重排名亦比較靠前;礦山生態(tài)環(huán)境治理面積指標(biāo)位于權(quán)重前五,體現(xiàn)了當(dāng)?shù)卣畬?duì)礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)和恢復(fù)的重視程度。

3.2 生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.1整體生態(tài)安全狀況

由圖1可知,2008—2017 年錫林浩特市生態(tài)安全綜合值在0.377—0.553之間,生態(tài)安全狀態(tài)從較不安全轉(zhuǎn)為臨界安全。城市生態(tài)安全狀況演變可分為3個(gè)階段。

圖1 2008—2017年錫林浩特市生態(tài)安全指數(shù)變化趨勢(shì)

第一階段是2008—2011年,生態(tài)安全下降期。城市生態(tài)安全水平處于較不安全狀態(tài)且安全水平逐年下降,生態(tài)安全綜合指數(shù)降至研究期內(nèi)最小值0.377,年均遞減率為6.68%,結(jié)合表2可知,該地區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能有所退化,生態(tài)環(huán)境已經(jīng)受到嚴(yán)重?fù)p害,這幾年錫林浩特市處于由傳統(tǒng)農(nóng)牧業(yè)城市向新型資源型城市轉(zhuǎn)型的過(guò)渡期,煤炭開采已成為該市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?進(jìn)而出現(xiàn)城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)度依賴資源和環(huán)境污染加劇等問(wèn)題[26],城市可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

第二階段是2011—2015年,生態(tài)安全快速上升期。城市生態(tài)安全狀態(tài)有所好轉(zhuǎn),生態(tài)安全綜合值從2011年的0.377逐步上升到2015年的0.532,年均增長(zhǎng)率為8.94%,生態(tài)安全水平從較不安全水平顯著提升到臨界安全水平。究其原因,一方面因?yàn)?012年國(guó)內(nèi)煤炭黃金十年結(jié)束,錫林浩特市煤炭開采強(qiáng)度有所收斂,2013年煤炭開采量較2012年減少將近1000萬(wàn)t[18],煤炭開采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也隨之減弱;另一方面,該市礦山企業(yè)積極響應(yīng)煤炭工業(yè)發(fā)展的“十二五”規(guī)劃,按照建設(shè)環(huán)境友好型礦區(qū)的要求,積極開展礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作,成效顯著,五年內(nèi)共計(jì)投入治理資金5.6億元,恢復(fù)治理面積達(dá)17km2,此外該市政府還從調(diào)結(jié)構(gòu)、控新增、減存量三個(gè)方面入手,將燃煤鍋爐整治、涉氣企業(yè)脫硫和脫硝設(shè)施改造等納入重點(diǎn)減排工作,努力完成減排目標(biāo)任務(wù)。

第三階段是2015—2017年,生態(tài)安全波動(dòng)穩(wěn)定期。城市生態(tài)安全水平呈波動(dòng)變化且小幅上升,仍處于臨界安全水平,未來(lái)年份生態(tài)安全值可能在0.55左右浮動(dòng)。“十三五”時(shí)期,國(guó)家優(yōu)化煤炭生產(chǎn)開發(fā)布局,考慮到內(nèi)蒙古東部生態(tài)環(huán)境脆弱,水資源短缺的問(wèn)題,控制褐煤生產(chǎn)規(guī)模,限制遠(yuǎn)距離外運(yùn),主要保證錫盟煤電基地用煤需求,煤炭工業(yè)發(fā)展規(guī)劃的出臺(tái)和本地礦山企業(yè)的認(rèn)真落實(shí),使得錫林浩特市生態(tài)安全水平呈相對(duì)穩(wěn)定趨勢(shì)發(fā)展。

目前,錫林浩特市生態(tài)安全水平雖有好轉(zhuǎn),但仍屬于低級(jí)別的臨界安全等級(jí),生態(tài)環(huán)境脆弱,生態(tài)安全水平有待進(jìn)一步提高。

3.2.2各子系統(tǒng)生態(tài)安全狀況

壓力系統(tǒng)生態(tài)安全指數(shù)呈先下降后上升,再小幅下降的趨勢(shì),表明該市生態(tài)安全壓力先增大后減小再稍微增大(負(fù)向指標(biāo),數(shù)值越小,生態(tài)安全壓力越大)[27],人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾很不穩(wěn)定。根據(jù)壓力指數(shù)的變化情況可分為3個(gè)階段：第一階段是2008—2013年,壓力指數(shù)逐年下降,年均遞減率為9.10%。期間,壓力系統(tǒng)中人均原煤產(chǎn)量、人均發(fā)電量、礦區(qū)面積、規(guī)模以上工業(yè)原煤消費(fèi)量、煤炭采掘業(yè)產(chǎn)值占能源工業(yè)產(chǎn)值比重都在持續(xù)增長(zhǎng),工業(yè)廢棄物排放量大,雖然人均GDP有所提高,但也無(wú)法抵消煤炭工業(yè)快速發(fā)展給城市生態(tài)安全帶來(lái)的負(fù)面影響。第二階段是2013—2015年,壓力指數(shù)逐年上升。期間,人均原煤產(chǎn)量、工業(yè)廢水排放量、工業(yè)煙(粉)塵排放量的減幅較明顯,分別為36.87%、60.45%和54.48%,雖然來(lái)自人口自然增長(zhǎng)率方面的壓力以140.20%的速率增長(zhǎng),但壓力指數(shù)仍以年均11.58%的增長(zhǎng)率上升,生態(tài)安全壓力逐漸減小。第三階段是2015—2017年,壓力指數(shù)小幅下降,年均遞減率僅達(dá)0.60%。期間,工業(yè)SO2排放量和工業(yè)煙(粉)塵的排放量顯著減少,減幅分別為80.56%和91.84%,但受其他指標(biāo)共同作用,該階段壓力系統(tǒng)對(duì)城市生態(tài)安全仍存在微弱的負(fù)面影響。

狀態(tài)系統(tǒng)生態(tài)安全狀況呈波動(dòng)上升趨勢(shì),2008—2017年?duì)顟B(tài)指數(shù)以年均0.97%的速率上升。其中,生態(tài)環(huán)境方面的人均地表水資源量和人均地下水資源量逐年減少,人均草地面積在波動(dòng)中減少,人均耕地面積變幅不大,人均城市道路面積增幅達(dá)25.60%;來(lái)自社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的城鎮(zhèn)居民人均可支配收入和農(nóng)牧區(qū)居民人均可支配收入逐年增長(zhǎng),增幅分別高達(dá)193.93%和275.55%,由此看來(lái),該市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)提升城市狀態(tài)系統(tǒng)生態(tài)安全的貢獻(xiàn)更大。

響應(yīng)系統(tǒng)生態(tài)安全基本呈快速上升的變化趨勢(shì),由2008年的最小值0.146逐步提高到2017年的最大值0.719,年均增長(zhǎng)率為19.41%,響應(yīng)指數(shù)日益增大,有利于城市生態(tài)安全的提升。這10年間錫林浩特市政府加大了對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的財(cái)政支持,環(huán)保投資占GDP 比重由1.36%提高到3.20%,同時(shí)也注重經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí),合理進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局,第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重由27.72%提高到49.20%,其中現(xiàn)代服務(wù)業(yè)比重明顯上升;耗煤發(fā)電指數(shù)不斷增大,10年間增加了0.6倍,可見煤電一體化建設(shè)頗有成效;2017年,該市建成區(qū)綠化覆蓋率(36.19%)、一般工業(yè)固廢綜合利用率(100%)、城市污水處理率(94.69%)、生活垃圾無(wú)害化處理率(100%)均高于國(guó)家衛(wèi)生城市標(biāo)準(zhǔn),這些都有利于生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)的整體提高。

3.3 生態(tài)安全障礙因子診斷

3.3.1單項(xiàng)指標(biāo)的障礙度

本文給出了2008—2017年指標(biāo)層障礙度排序前五位的因子,如表3所示。2008—2017年阻礙錫林浩特市生態(tài)安全狀況的障礙因素中主要集中在壓力系統(tǒng)和狀態(tài)系統(tǒng)方面。2008年阻礙城市生態(tài)安全的障礙因素主要包括城鎮(zhèn)化率、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、人均GDP、農(nóng)牧區(qū)居民人均可支配收入、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入等;2012年阻礙城市生態(tài)安全狀況的障礙因素主要包括城鎮(zhèn)化率、城鎮(zhèn)居民恩格爾系數(shù)、礦區(qū)面積、工業(yè)SO2排放量、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重等;2017年阻礙城市生態(tài)安全狀況的障礙因素主要包括礦區(qū)面積、工業(yè)廢氣排放量、人口密度、人均地下水資源、人均地表水資源等。從單項(xiàng)指標(biāo)變化趨勢(shì)上看,2008—2017年礦區(qū)面積、工業(yè)廢氣排放量、人口密度、人均地下水資源量和人均地表水資源量指標(biāo)障礙度上升幅度較大。

表3 2008—2017年錫林浩特市生態(tài)安全主要障礙因素排序

2008—2012年排名第一的障礙因素是城鎮(zhèn)化率,2012年前錫林浩特市城鎮(zhèn)化率基本保持在86%左右,阻礙了城市生態(tài)安全狀況的改善。城鎮(zhèn)化率越低,一方面說(shuō)明地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展薄弱,另一方面意味著人類活動(dòng)范圍廣,進(jìn)而對(duì)人類聚集區(qū)以外的自然生態(tài)環(huán)境干擾就越大,區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境方面的安全狀況也就隨之降低。2012年后該市城鎮(zhèn)化率基本保持在90%左右,城鎮(zhèn)化率的障礙度逐年降低,這是因?yàn)殄a林浩特市大力推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化,鞏固全盟主中心城市的引領(lǐng)地位。2012—2017年排名第一的障礙因素是礦區(qū)面積,這5年該市露天采礦面積以年均5.49%的增長(zhǎng)速率不斷擴(kuò)大。草原露天開采區(qū)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的劇烈擾動(dòng)將導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的受損,加之城市化的快速推進(jìn),共同對(duì)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量、景觀生態(tài)等產(chǎn)生重大影響[28]。

2015—2017年礦區(qū)面積、人均地下水資源量、人均地表水資源量和人口密度均位于障礙因子前五的行列。具體表現(xiàn)為煤電基地大力建設(shè)過(guò)程中,工礦用地不斷擴(kuò)大;露天開采使地表沉陷,在一定程度上改變地面降水的徑流與匯水條件,因此間接影響礦區(qū)周圍的地表水量;煤炭挖掘深度加大,地下蓄水構(gòu)造被破壞,同時(shí)礦井水污染地下水,導(dǎo)致地下水資源流失嚴(yán)重和污染加劇;煤電一體化發(fā)展提升了區(qū)域經(jīng)濟(jì)實(shí)力,人口快速聚集,人口密度增加,導(dǎo)致局部生態(tài)壓力也隨之增大[29]。

3.3.2各子系統(tǒng)的障礙度

根據(jù)單項(xiàng)指標(biāo)障礙度計(jì)算結(jié)果,進(jìn)一步計(jì)算出錫林浩特市生態(tài)安全各子系統(tǒng)的障礙度(圖2)。2008—2017年壓力系統(tǒng)障礙度最大,其次是狀態(tài)系統(tǒng)、響應(yīng)系統(tǒng)?？梢?改善煤炭資源型城市生態(tài)安全狀況必須從壓力系統(tǒng)入手,同時(shí)注重提高狀態(tài)系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)的生態(tài)安全水平。從各子系統(tǒng)的障礙度變化趨勢(shì)來(lái)看,壓力系統(tǒng)的障礙度大幅上升,狀態(tài)系統(tǒng)的障礙度呈波動(dòng)上升趨勢(shì),而響應(yīng)系統(tǒng)的障礙度呈大幅下降趨勢(shì),其中,壓力系統(tǒng)和狀態(tài)系統(tǒng)的障礙度分別以年均6.04%和2.11%的速度增加,響應(yīng)系統(tǒng)的障礙度以年均18.48%速度下降。

圖2 2008—2017年錫林浩特市各子系統(tǒng)障礙度

4 結(jié)論與討論

(1)2008—2017這10年間典型煤炭資源型城市錫林浩特的生態(tài)安全經(jīng)歷了緩慢下降-快速上升-波動(dòng)穩(wěn)定3個(gè)時(shí)期,總體由較不安全轉(zhuǎn)為臨界安全狀態(tài),呈現(xiàn)向好但尚不穩(wěn)定的態(tài)勢(shì),目前該市生態(tài)安全處于臨界安全等級(jí)區(qū)間[0.7—0.5]內(nèi),整體生態(tài)安全水平屬于較低級(jí)別的安全,有待進(jìn)一步提高。

(2)研究期內(nèi)錫林浩特市生態(tài)安全的各子系統(tǒng)生態(tài)安全變化態(tài)勢(shì)有較大差異。其中壓力指數(shù)呈大幅下降后上升再小幅下降的變化趨勢(shì),狀態(tài)指數(shù)呈波動(dòng)上升趨勢(shì),響應(yīng)指數(shù)總體呈快速上升趨勢(shì)。煤炭資源型城市生態(tài)安全壓力指數(shù)與煤炭開發(fā)利用的方式、強(qiáng)度和規(guī)模以及煤炭能源支撐下的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素密切相關(guān),錫林浩特市必須進(jìn)一步加快能源及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐,充分發(fā)揮煤電一體化經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)效益共贏優(yōu)勢(shì)。生態(tài)安全狀態(tài)系統(tǒng)反映了人類活動(dòng)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的改變,錫林浩特市生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)波動(dòng)變化,呈不穩(wěn)定態(tài)勢(shì),煤電基地建設(shè)使礦區(qū)及周圍生態(tài)環(huán)境狀態(tài)發(fā)生一定變化,造成地下水結(jié)構(gòu)受損、植被破壞、土地沙化和草地退化等,今后需加強(qiáng)水資源監(jiān)管和水土保持工作,嚴(yán)格落實(shí)草原生態(tài)建設(shè)。生態(tài)安全響應(yīng)系統(tǒng)表明了人類積極采取環(huán)保措施以恢復(fù)環(huán)境質(zhì)量和防止環(huán)境惡化,錫林浩特市生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)變化態(tài)勢(shì)良好,歸因于該市強(qiáng)化環(huán)保執(zhí)行力,使得環(huán)境治理成效顯著。今后在不斷提升各子系統(tǒng)生態(tài)安全水平的同時(shí),還需注重子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展。

(3)從各子系統(tǒng)的障礙度來(lái)看,研究期內(nèi)壓力系統(tǒng)是影響城市生態(tài)安全的首要因素,其次是狀態(tài)系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)。子系統(tǒng)障礙度的變化趨勢(shì)顯示,壓力系統(tǒng)和狀態(tài)系統(tǒng)的障礙度分別以年均6.04%和2.11%的速度增加,響應(yīng)系統(tǒng)的障礙度以年均11.15%速度下降。壓力系統(tǒng)障礙度上升速度快于狀態(tài)系統(tǒng)障礙度的上升速度,因此未來(lái)應(yīng)更加關(guān)注壓力系統(tǒng)對(duì)城市生態(tài)安全的影響。

(4)從各指標(biāo)的障礙度來(lái)看,研究期內(nèi)最大障礙因子經(jīng)歷了從城鎮(zhèn)發(fā)展帶動(dòng)下的城鎮(zhèn)化率到煤炭資源開采對(duì)土地資源的占用,即不斷擴(kuò)大的礦區(qū)面積的演變。影響錫林浩特市生態(tài)安全的主要障礙因子包括礦區(qū)面積、工業(yè)廢氣排放量、人口密度、人均地下水資源量和地表水資源量等。因此,探索科學(xué)化、高效化、集約化的礦區(qū)土地利用方式,穩(wěn)步推進(jìn)礦山生態(tài)修復(fù)工作;加強(qiáng)大氣重點(diǎn)污染源監(jiān)察,革新廢氣處理工藝,繼續(xù)推進(jìn)燃煤鍋爐改造淘汰專項(xiàng)整治工作,嚴(yán)格落實(shí)工業(yè)SO2減量排放,有效控制煤炭露采粉塵污染,降低露天煤礦草原的粉塵污染風(fēng)險(xiǎn);協(xié)調(diào)人口數(shù)量與資源承載力的關(guān)系,緩解人口快速擴(kuò)張對(duì)局部生態(tài)環(huán)境的壓力,利用產(chǎn)業(yè)布局促使人口合理分布;提高礦井水生態(tài)利用率,控制地下水超采,加快推進(jìn)錫林河周邊廢棄礦坑治理,恢復(fù)地表植被,達(dá)到涵養(yǎng)水源的目的,逐步恢復(fù)地上-地下良好的水分循環(huán)系統(tǒng)等措施是提升錫林浩特煤炭資源型城市生態(tài)安全的重要舉措。

(5)本文基于PSR模型構(gòu)建煤炭資源型城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用熵權(quán)TOPSIS法能夠充分利用原始數(shù)據(jù)的信息,客觀真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)情況,獲取可靠的城市生態(tài)安全水平的綜合診斷結(jié)果,基本達(dá)到預(yù)期的研究目的。由于數(shù)據(jù)的可獲取性和連續(xù)性等,環(huán)境污染指標(biāo)(如重金屬污染等)缺乏連續(xù)年份數(shù)據(jù),導(dǎo)致指標(biāo)體系不全面。