生态学报  2015, Vol. 35 Issue (14): 4852-4859

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金悦, 陆兆华, 檀菲菲, 张萌, 张红玉
JIN Yue, LU Zhaohua, TAN Feifei, ZHANG Meng, ZHANG Hongyu
典型资源型城市生态承载力评价--以唐山市为例
Assessment of ecological carrying capacity on the typical resources-based cities: a case study of Tangshan City
生态学报, 2015, 35(14): 4852-4859
Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(14): 4852-4859
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201311202779

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收稿日期:2013-11-20
网络出版日期:2014-09-09
典型资源型城市生态承载力评价--以唐山市为例
金悦1, 陆兆华1, 2 , 檀菲菲1, 张萌1, 张红玉1    
1. 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院, 北京 100083;
2. 山东省黄河三角洲生态环境重点实验室, 滨州 256603
摘要:资源型城市生态承载力评价研究的开展对促进资源型城市自然-经济-社会复合生态系统健康可持续发展具有指导意义。以唐山市作为案例城市,基于资源型城市独特的生态系统特点,从生态弹性力、承载媒体的支撑力、承载对象的压力三方面提出对生态承载力进行量化的研究方法,构建了较完整的生态承载力综合评价指标体系,利用主客观相结合的赋权方法,对唐山市生态承载力状况进行评价,探讨了2001-2010年10年间唐山市生态承载力变化趋势。结果表明:唐山市在研究时段内,生态弹性力指数波动强烈,表明生态系统的稳定性较差;承载媒体的支撑力指数逐渐增大,指数由0.111上升至0.898,显示系统的承载指数越来越高;承载对象的压力变化较为复杂,呈现先降后升,近几年又略有下降的趋势;系统的生态承载力整体上呈现波动性上升趋势,综合指数由0.345上升至0.720,说明唐山市生态系统的承载能力不断提高,但资源依赖型发展模式带来的资源短缺、环境污染和生态破坏等问题仍是制约生态承载力进一步提高的主要因素。研究成果客观地反映了唐山市生态承载力状况,对于唐山市未来的发展提出了合理的对策和建议,可为其他地区生态承载力研究提供一定借鉴。
关键词资源型城市    唐山市    生态承载力    
Assessment of ecological carrying capacity on the typical resources-based cities: a case study of Tangshan City
JIN Yue1, LU Zhaohua1, 2 , TAN Feifei1, ZHANG Meng1, ZHANG Hongyu1    
1. School of Chemical & Environmental Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China;
2. Shandong Provincial Key Laboratory of Eco-Environmental Science for Yellow River Delta, Binzhou University, Binzhou 256603, China
Abstract:The power of human activities in resource-based cities overload its ecological carrying capacity, such as mining, land occupying, and ore smelting supported by resources and environment. The relative research on the development of the cities is a hot topic over the world, the sustainable development of resource-based cities has become one of most prominent issues in China. The ecological carrying capacity reflects the harmony of human and ecosystem, including their interactive and symbiotic relationship, which should be used as an important criterion of region sustainable development. In past, the studies on ecological carrying capacity were largely confined to basin and region scales until the urban complex ecosystem theory was put forward. Thereby it is very inevitable to study the urban ecological carrying capacity and eco-regulation for its sustainable development. Tangshan, nearly hundred years of mining history, may be one of the fastest developing resource-based cities in China, as well as one of most prominent representative of the cities which has poignant contradiction of the location: population boom, resources depression and environment deterioration. Based on the regional unique characteristics of Tangshan and the connotation of ecological carrying capacity, a complete evaluation index system of ecological carrying capacity in the city was established from the aspects of resource subsystem, environment subsystem, social subsystem and economic subsystem. After determining the weight of each index by the method integrated subjective and objective factors according to the integrated index system, a quantitative model of ecological carrying capacity from the perspective of ecosystem resilience, support force and stress was proposed and employed in Tangshan during the period 2001-2010. With this comprehensive assessment model, the values of ecological carrying capacity of Tangshan city from 2001 to 2010 were computed and the factors which infected the decade trend of the ecological carrying capacity was analyzed and discussed. The results showed that the ecosystem resilience index had waved strongly in the process in spite of a slightly rising trend, which may suggest that the stability of Tangshan's ecological system harbors obvious frail characteristics. Accompanying the population boom and the economy growth, it is easily observed that the contradiction between the supply and demand of the water resources exposed gradually, which in turn restricted the social and economic development of Tangshan. The support force of carrying media grew steadily during the research period, indicating that the carrying capacity of the ecosystem was higher than that of before, whereas it should require to be enhanced the investments of science and technology and the adjustment of the industrial structure. However, the stress index has been always diverse in the process, with a little downtrend appeared in the last three years, revealing that the problems of resource depletion, environmental pollution and ecological disruption have been brought by excessive dependence on heavy industry and the resource-based industry. The ecological carrying capacity index of Tangshan had a fluctuated upward trend from 0.345 to 0.720 in 2001-2010, and the coordination of the subsystems become better and better. Nevertheless, resources, environment and ecological crises would become the main restrictive factors for the further improvement of ecological carrying capacity in Tangshan due to the development model of resource dependence.
Key words: resources-based cities    tangshan    ecological carrying capacity    

生态承载力概念的演变经历了种群承载力、资源承载力、环境承载力、生态系统承载力4个阶段[1, 2, 3, 4, 5]。生态承载力反映了人与生态系统的和谐、互动及共生关系,可以作为衡量某一区域可持续发展能力的重要判据[1]。生态承载力的理论与研究方法受到了国内外可持续发展研究学者的关注,不同领域的专家学者运用生态足迹[6, 7, 8]、社会-生态指标体系[9, 10]、生态系统服务价值[11, 12]以及其他多种评价模型和方法[13, 14, 15]对生态承载力进行了深入的研究,但对于生态承载力的研究至今仍然没有统一的概念和研究方法。

资源型城市是资源型产业在工业中占有较大比重的城市[16],它的可持续发展是指城市充分利用自身资源保证当前发展的同时,还要考虑资源消耗过程中以及耗竭后的持续发展。资源型城市由于其发展过程中大规模、高强度的资源开采,以及主导产业自身的特点和生产过程的特殊性,使得资源型城市生态承载力除了要强调资源型城市生态系统整体调节能力的重要性,同时也必须注重资源与环境单要素的重要性。

本文将资源型城市生态系统细分为资源、环境、社会、经济4个子系统,明确定义了城市生态系统承载力的概念至少包括3个层面:一是生态系统的自我维持与自我调节的能力;二是生态系统内环境子系统与资源子系统的供容能力,包括社会经济发展对环境、资源子系统的扩展能力;三是人类活动和社会经济生产活动对环境、资源子系统带来的压力。选取唐山市为案例城市,结合资源型城市地域特性和经济社会发展特征,提出了一套完整的资源型城市生态承载力评价指标体系和量化模型。唐山市作为我国典型的资源型城市,已有近百年的开采历史,是我国资源型城市中经济发展最快,社会经济系统与生态支撑系统矛盾最难调和的代表。通过对唐山市的生态承载力的评估,来比较分析其可持续发展的能力,通过对城市生态承载力组成的解构来分析制约唐山市可持续发展的瓶颈要素,本研究结果也将对其他资源型城市的协调发展研究具有重要借鉴意义。

1 研究地点概况

唐山市位于河北省东部,介于东经117°31′—119°19′,北纬38°55′—40°28′之间,属暖温带半湿润季风气候,常年降水量500—700 mm。全市总面积13472 km2,截至2012年末,户籍总人口达到741.78 万人。全市共辖7个市辖区(路南、路北、开平、古冶、丰润、丰南、曹妃甸),5个县(迁西、玉田、滦县、滦南、乐亭),两个县级市(迁安、遵化)。全市境内共有大小河流70多条,分数滦河、蓟运河水系和冀东沿海河流,水资源地区分布不均,年内年际变化大[17];自然资源丰富,北部山区盛产果品,中部平原有冀东粮仓之誉,南部沿海是渤海湾的重要渔场和原盐的集中产地;矿产资源品种多,储量大,质地优良。

唐山市地处环渤海湾中心地带,是渤海经济区的重要组成部分,也是京津唐城市群的主要城市之一。2011年唐山市地区生产总值达到5442.4 亿元,同比增长11.7%,位列全国第19 位,城市化水平达到54.9%,高出河北省平均水平7个百分点。

2 研究方法 2.1 评价的指导思想

多指标综合评价法是把多个描述被评价事物不同方面且量纲不同的统计指标,转化成无量纲的相对评价值,并综合这些评价值以得出对该事物一个整体评价的方法系统。在承载力研究中,指标体系通过组合一系列反映承载力各个方面及相互作用的指标使其模拟生态系统的层次结构,并根据指标之间的相互关联和重要程度,对参数的绝对值或者相对值逐层加权并求和,最终在目标层得到某一绝对或相对的综合参数来反映生态系统的承载状况。

2.2 评价指标体系的构建

本研究的目的旨在评价唐山市的生态承载力,因此生态承载力作为评价的目标层。

依据前文中生态承载力的定义,可以将其概括为3个方面:生态弹性力、承载媒体的支撑力和承载对象的压力,并将这3方面作为评价指标体系的准则层。

资源型城市生态系统是“资源-环境-社会-经济”高度复合的生态系统,指标体系的构建应当能够全面的反映生态系统的立体结构、内部关联和发展机制,因此,依据生态承载力3方面的内涵,从资源、环境、社会、经济4个子系统出发设置评价指标体系的因素层:生态弹性力,代表着生态系统自我维持与自我调节的能力,其强度大小取决于系统自身的状态,通过研究发现,地形地貌、气候、水文和植被状况基本决定了生态系统的性质[9],因此选取气候、水文、地物覆被3个方面作为因素层;承载媒体的支撑力,其大小不仅反映在资源的供给和环境的纳污能力上,还包括区域社会的进步、经济的发展给承载媒体带来的积极的能动作用,因此选取资源供给、环境治理、社会进步、经济发展4个方面作为因素层;承载对象的压力,即人类活动和社会经济生产活动对环境、资源子系统带来的压力,它直接反映了人类生存环境的质量和城市社会经济发展中存在的问题,因此选取资源消耗、环境破坏,以及经济增长和人口压力4个方面作为因素层。

指标层的设置除了要遵循科学性、全面性、可行性、可比性等原则,还必须结合研究区域的地域特征。唐山市能源资源丰富,城市发展对于资源的依赖性很高,资源浪费现象也很严重,资源子系统指标层的选取需要考虑到人均资源拥有量,还需要考虑到资源的消耗程度等方面因素;唐山市作为典型的资源型城市,已经有近百年的开采历史,环境子系统指标的选取要充分考虑到矿产资源开采、冶炼、利用等过程对环境子系统破坏的特点以及主要污染物的排放量、排放达标率等;在社会子系统方面,主要考虑到唐山市的人口结构和城市的科技创新能力;在经济子系统方面,主要关注经济结构以及经济增长方式等。

通过对最初选定指标体系的简化和筛选,本研究最终共选取了41 项指标(表 1)。

表1 唐山市生态承载力评价指标体系及权重 Table 1 Assessment indexes and their weight of the ecological carrying capacity in Tangshan
目标层 Target layer准则层 Criterion layer因素层 Factor layer权重 Weight指标层 Index layer权重 Weight综合权重 Comprehensive weight
生态承载力生态弹性力气候0.225年平均降雨量/mm0.2120.036
Environmental (0.170)水文0.454地表水资源/(亿m3)0.2600.044
carrying capacity地下水资源/(亿m3)0.1990.034
地物覆被0.321森林覆盖率/%0.3280.056
支撑力资源供给0.125人均耕地面积/666.7m20.2880.016
(0.443)人均公园绿地面积 /m20.3540.020
人均原煤产量/(t/人)0.3580.020
环境治理0.325工业废水排放达标率/%0.1160.017
工业固废综合利用率/%0.1870.027
工业SO2排放达标率/%0.1690.024
城市生活污水处理率/%0.1520.022
生活垃圾无害化处理率/%0.1070.015
城市绿化覆盖率/%0.1310.019
空气质量优于二级及以上天数比重/%0.1380.020
社会进步0.194城镇人均可支配收入/元0.2570.022
农民人均纯收入/元0.2360.020
普通高等院校本专科毕业生人数/人0.2890.025
科学教育支出占地方财政一般预算支出比重/%0.2180.019
经济发展0.356人均GDP/元0.3760.060
第三产业占GDP比重/%0.2680.042
社会消费品零售总额/亿元0.3610.057
压力(0.387)资源消耗0.252万元GDP能耗/(t标煤)0.2230.022
万元GDP电耗/kWh0.1840.018
煤炭消费占能源消费比重/% 0.1650.016
居民人均生活用水量(市辖区)/(m3/人)0.1760.017
居民人均生活用电量(市辖区)/(kWh/人)0.2520.024
环境破坏0.385工业废水排放量/万t0.1970.029
工业粉尘排放量/万t0.2550.038
工业固废产生量/万t0.2150.032
SO2排放量/万t0.1470.022
化学需氧量排放量/万t0.1850.028
人口压力0.103人口密度/(人/km2)0.2400.010
人口自然增长率/‰0.1530.006
采矿业从业人员比重/%0.2020.008
城镇失业率/%0.1910.008
城市化率/%0.2150.009
经济增长0.260城镇居民生活恩格尔系数/%0.1080.011
农村居民恩格尔系数/%0.2310.023
采矿业产值占工业总产值比重/%0.2080.021
第二产业占GDP比重/%0.1990.020
地区生产总值增长率/%0.2540.026
2.3 数据的来源和处理 2.3.1 数据来源

本研究选取了唐山市2001—2010年时间段的各项数据,数据主要来源于《唐山统计年鉴》(2002—2011)、《河北经济统计年鉴》(2002—2011)、《中国城市统计年鉴》(2002—2011)、《中国城市建设统计年鉴》(2006—2011)、《唐山市环境状况公报》(2002—2011)和其他唐山市行业数据。另外还有一些数据是利用所得统计数据计算得来,如人均原煤产量、科学教育支出占地方财政一般预算支出比重等。

2.3.2 数据标准化

因为各指标之间的量纲不统一,没有可比性,必须对各个指标进行规范化处理。本文采用极差标准化方法[18]。根据指标属性的不同,通常可分为效益型指标和成本型指标两类。效益型指标是指属性值越大越有利的指标,而成本型指标是指属性值越小越有利的指标。本文涉及的评价指标类型及标准化公式见表 2

表2 评价指标类型及标准化公式 Table 2 The type of assessment index and their standardized formula
准则层 Criterion layer指标类型 Index type标准化公式 Standardized formula
生态弹性力Ecosystem resilience效益性指标 Rij= Xij-Xminj / Xmaxj-Xminj
承载媒体的支撑力Support force
承载对象的压力Stress成本性指标 Rij= Xmaxj-Xij / Xmaxj-Xminj
式中,Rij 为指标标准化值;Xij 为各指标实际值;Xjmax、Xjmin分别为第j 个指标的最大值和最小值

这样无量纲化后的决策矩阵为R= (Rij) m×n,显然愈大愈好。设Rij评价指标的权向量为W=(w1,w2,···,wn)T>0,则评价指数 ,显然,Di W 值是越大越好。

2.4 评价模型的建立

根据生态承载力的定义,生态承载力的大小取决于生态弹性力、承载媒体的支撑力和承载对象的压力3个方面,所以,研究生态承载力的指数也相应的从这3个方面确定,分别称为生态弹性力指数、承载媒体支撑力指数和承载对象压力指数[9, 24, 25]

(1)生态弹性力的表达式

根据生态弹性力的定义,生态弹性力指数的表达式为:

式中,EEC为生态弹性力指数; Si为生态系统特征要素,分别代表气候、水文、地物覆被等值;Wi为要素i所对应的权重值。

(2)承载媒体支撑力的表达式

根据承载媒体支撑力的定义,支撑力指数的表达式为:

式中,CCS为承载媒体支撑力指数;Si为生态系统中各支撑要素;Wi为要素i 所对应的权重值。CCS越大,说明承载能力越大。

(3)承载对象压力的表达式

式中,CCP为承载对象压力指数;Si为生态系统中各支撑要素;Wi为要素i所对应的权重值。CCP越大,说明生态系统所承受的压力越小。

(4)生态承载力指数表达式

根据生态承载力内涵,生态弹性力、支撑力、压力为3个子项,对3个子项进行加权,得到生态承载力指数的表达式:

式中,Ai为各子项评价结果;Wi为各子系统权重,i=1,2,3。

3 研究结果分析

按照上述生态承载力评价指标体系,利用均方差决策法确定指标层权重,再运用层次分析法确定准则层和因素层的权重(表 1),将唐山市2001—2010年指标值代入生态承载力评价模型,得到唐山市生态承载力指数以及各准则层的度量结果(表 3)。

表3 唐山市生态承载力各年度指数 Table 3 The environmental carrying capacity index of Tangshan City
指数 Index年份 Year
2001200220032004200520062007200820092010
弹性力Ecosystem resilience0.4440.1590.4470.6190.4980.1470.4110.6940.6260.664
支撑力Support force0.1560.2250.2390.4090.4890.5230.6420.7210.8550.898
压力Stress0.5170.6690.5900.3620.3980.3510.3420.3930.5410.542
生态承载力environmental carrying capacity0.3450.3860.4100.4270.4550.3930.4870.5890.6950.720

依据表 3的计算结果,以年份为横坐标,以生态弹性力、承载媒体的支撑力、承载对象的压力和生态承载力指数为纵坐标,绘出动态变化趋势图(图 1,图 2)。

图1 唐山市生态弹性力、支撑力、压力指数动态趋势图 Fig.1 Change tendency of ecosystem resilience,support force and stress of Tangshan City

图2 唐山市生态承载力指数动态趋势图 Fig.2 Change tendency of environment carrying capacity of Tangshan City

(1)生态弹性力

从变化趋势图 1看,唐山市生态弹性力指数在2001—2004年呈先下降后上升的趋势,2004—2006年指数再次下降,2006年以后弹性力指数迅速回升,近两年基本保持稳定状态。从指标层面分析,影响2002年和2006年生态弹性力指数明显下降的原因主要是因为全年降水量、地表水资源量以及地下水资源量几个指标在2002和2006年的值均有下降。2006年以后,丰富的降水量使地表和地下水资源量得到部分补给,使得生态弹性力指数呈现回升态势。2008年以后,全年降水量、地表水及地下水资源量也均有下降,但是生态承载力却没有大幅度下降的主要原因是森林覆盖率的持续增长。总体来看,唐山市2001—2010年生态弹性力指数略有上升趋势,但中间过程仍波动强烈。说明资源型城市生态系统稳定性差,具有明显的脆弱特性,另外,水资源恶化与水资源供需矛盾已经成为了唐山市经济社会发展的重要制约因素。

(2)承载媒体的支撑力

从变化趋势图 1看,唐山市承载媒体的支撑力指数在2001—2010年间呈现波动上升趋势,尤其2003年以后上升趋势明显。在经济子系统方面,良好的经济实力为环境的修复和社会的进步提供了充足的财政支持。唐山市政府针对资源型产业高耗能、高污染的特点,提出了绿色增长的口号,随着各县(县级市)环境设施的兴建,资源型企业处理废水、废弃、废渣等污染物的能力不断提高,使得环境保护的综合指数不断提高。在社会子系统方面,居民人均收入的持续上涨和高校毕业生人数的不断增加拉动了社会进步综合指数的上升。另外,第三产业占GDP的比重由2000年的30.6%上升到2010年的32.4%,说明唐山市开始重视产业结构的合理化和多元化。总体来看,唐山市2001—2010年支撑力指数呈上升趋势,为生态系统提供了良好的支撑作用,但唐山市对于科教和技术的投入力度仍不够,对人才与资金的城市吸引力不够,产业结构的调整速度也过缓。

(3)承载对象的压力

由于承载对象的压力指数越大代表承载对象所带来的实际压力越小,因此研究时间段内承载对象的压力的变化正好与压力指数的变化趋势相反。从变化趋势图 1分析,承载对象的压力波动较大,2002—2004年间承载媒体的压力不断增加,2004—2008年基本保持稳定状态,但近3年又略有下降的趋势。从指标层分析,唐山市作为一个典型的资源型城市,10年间第二产业占GDP比重始终居高不下,采矿业的工业总产值占唐山市工业总产值的比重达到14%,采矿业的就业人口比重一直处在14%以上,这种产业结构模式消耗了大量的资源和能源,同时也带来了环境的污染和生态的破坏,给生态系统也带来了较大的压力。产业结构的矛盾已经严重制约着唐山市经济的发展,也是落后于京津经济发展的重要因素,为适应京津冀一体化的发展形势,进一步调整产业结构是唐山市亟待解决的课题。

(4)生态承载力

从变化趋势图 2看,唐山市2001—2010年生态承载力指数呈平缓上升趋势。综合图 1图 2可以看出,支撑力指数的变化趋势与生态承载力指数的年度变化曲线的趋势大体相同,压力指数的变化趋势在2004年以后也与生态承载力指数的变化趋势存在较好的相关性。在组成生态承载力的3方面中,支撑力与压力所占比重都比较大,因此对生态承载力的大小起着决定性作用。近些年,唐山市在资源、环境、经济和社会发展方面采取了多项举措,注重生态系统的支撑力的提升,并想方设法降低社会经济发展给生态系统带来的压力,且成效显著。总体来看,唐山市生态系统的承载能力不断提高,整体呈现比较好的发展趋势。

4 结论与讨论

综上,唐山市生态系统的承载能力不断提高,各子系统的协调度不断增加,为区域的可持续发展奠定了基础。然而,唐山市作为典型的资源型城市,资源依赖型地区经济的发展模式,以一种环境和生态成本高昂的不可持续发展模式,所衍生出来的资源与开发、生态环境与经济发展之间的矛盾日益激化。尤其显著的是,从2004年开始,唐山的经济增长速度有逐步放慢的趋势,也说明了拉动经济增长的支柱型产业已经开始出现衰退的迹象。因此,在未来的发展中,唐山必须依托资源优势,延长资源产业链,推进清洁生产,从而更好地发挥资源效益和经济效益;调整产业结构,推进唐山经济融入京津冀都市圈,积极承接京津产业转移;充分利用区位优势与京津冀一体化发展契机,与京津建立资源、信息、利益共享机制。

本文定义了生态承载力的内涵,从生态弹性力、承载媒体的支撑力、承载对象的压力3方面构建了资源型城市生态承载力评价指标体系,并应用均方差决策法和AHP法确定了指标的权重,定量分析了2001—2010年间唐山市生态承载力的大小及动态变化趋势。评价方法简单易行,可操作性强,但从评价模型的实际应用与推广角度考虑,应进一步研究指标间相关性,简化指标体系,使研究更具应用价值。
致谢: 唐山市环保局和唐山市水务局在数据采集方面给予帮助,特此致谢。

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