熵視角下的礦業(yè)城市生態(tài)可持續(xù)
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楊 寧，付梅臣
（中國地質(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，對武安市2005～2013年的生態(tài)足跡進(jìn)行測算，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)展評價模型，研究結(jié)果顯示：①武安市面臨的生態(tài)赤字問題嚴(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)展與對自然生態(tài)的需求，可以為我國礦業(yè)城市土地利用變化機(jī)理研究和生態(tài)可持續(xù)性評價提供一定依據(jù)。
關(guān)鍵詞：熵；生態(tài)足跡；礦業(yè)城市；生態(tài)可持續(xù)
中圖分類號：F407.1 文章編號：1004-4051( 2016)04-0068-04
自20世紀(jì)50年代開始，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，對生態(tài)、社會累積了諸多負(fù)面影響。因此，礦業(yè)城市可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國共同的研究熱點(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)。
本次研究綜合前人經(jīng)驗，用生態(tài)足跡的方法進(jìn)行定量評價，展示研究時段內(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價重要指標(biāo)，從熵的視角來解讀生態(tài)系統(tǒng)，分析研究區(qū)的生態(tài)健康性和有序性狀態(tài)。
1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源
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，呈連年增長的態(tài)勢，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)資源開采和加工為主，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，對生態(tài)環(huán)境造成了很大的影響。
2 生態(tài)足跡計算
生態(tài)足跡將每個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，通過計算區(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)足跡計算時分別計算生態(tài)承載力與生態(tài)足跡，再計算生態(tài)盈余或生態(tài)赤字。
匯總生產(chǎn)各種消費(fèi)項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))。
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)面來分析該城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展演化過程及其發(fā)展趨勢，分析和評價城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)能力。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)展能力評價模型（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)。
礦業(yè)城市系統(tǒng)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(biāo)(式(3))。
以信息熵為基礎(chǔ)對所建立的評價指標(biāo)進(jìn)行分析，對系統(tǒng)的有序度以及復(fù)雜性，評估系統(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)行評價（表2）。
4 結(jié)果與分析
4.1 生態(tài)足跡計算結(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(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行計算，得到武安市2005～2013年的生態(tài)足跡結(jié)果（表3）。
武安市生態(tài)足跡計算結(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。
4.2熵視角下的生態(tài)可持續(xù)
1)在本評價模型中，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生態(tài)產(chǎn)生的壓力，即生態(tài)足跡，計算結(jié)果以2009年為界，先增后減。一方面說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)程的加快和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，武安市社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)的無序度并沒有增大，對自然生態(tài)系統(tǒng)的需求壓力維持在一個較穩(wěn)定的水平，此時生態(tài)足跡需求已經(jīng)遠(yuǎn)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(chǎn)生活對自然生態(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)大對其生態(tài)可持續(xù)性帶來的負(fù)面影響，結(jié)果顯示消費(fèi)型熵呈現(xiàn)小幅波動，并且以2009年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，先增后減，更進(jìn)一步說明武安市化石能源用地和人口擴(kuò)張在2009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)值變化理解為對生態(tài)系統(tǒng)的組織能力，通過對比生態(tài)足跡計算結(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，證明該評價模型結(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。
5 結(jié)論與討論
本文通過對礦業(yè)城市武安市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)的評價，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。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)熵評價模型顯示系統(tǒng)健康性向良好方向發(fā)展。以礦業(yè)城市生態(tài)足跡計算為基礎(chǔ)，結(jié)合信息上視角來評價生態(tài)系統(tǒng)的健康性，在研究期間，武安
