熵视角下的矿业城市生态可持续

杨　宁，付梅臣

(中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083)

熵视角下的矿业城市生态可持续

杨宁，付梅臣

(中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083)

摘要：矿业城市是生态可持续研究的典型区域，本文以典型矿业城市河北省武安市为例，对武安市2005～2013年的生态足迹进行测算，结合信息熵的研究理论，构建矿业城市生态系统可持续发展评价模型，研究结果显示：①武安市面临的生态赤字问题严重，人均生态赤字由2005年的8.713hm2/人增加至2009年的10.322hm2/人，而后逐渐减小，2013年为8.847hm2/人；②熵视角下的生态系统的健康性与活力性呈良性发展；③经济发展对生态环境的压力逐渐减小，经济生态成本降低，整体朝向可持续方向变化。该研究分析矿业城市发展与对自然生态的需求，可以为我国矿业城市土地利用变化机理研究和生态可持续性评价提供一定依据。

关键词：熵；生态足迹；矿业城市；生态可持续

自20世纪50年代开始，矿业城市逐渐兴起，但矿业城市工业系统主导产业普遍以资源消耗高、污染排放大的资源加工业为主，工业化、城市化快速发展的同时，对生态、社会累积了诸多负面影响[1]。因此，矿业城市可持续发展已经成为世界各国共同的研究热点，研究热点由经济和产业的可持续逐渐转变到生态系统的可持续[2-5]。

本次研究综合前人经验，用生态足迹的方法进行定量评价，展示研究时段内不同年份生态可持续性的强弱状态，并将信息熵和生态足迹结合，以生态足迹的研究要素作为熵的评价重要指标，从熵的视角来解读生态系统，分析研究区的生态健康性和有序性状态[6-10]。

1研究区概况与数据来源

本文的研究区域是典型性矿业城市武安市。武安市位于河北省南部武安经济发展迅速，以矿业资源为依托。2013年，武安市GDP达到595亿元，呈连年增长的态势，第二产业处于主导地位，三种产业占比为2.5%：62.7%：34.8%，第二产业主要以矿产资源开采和加工为主，在促进经济快速发展的同时，对生态环境造成了很大的影响。

2生态足迹计算

生态足迹将每个人消耗的资源折合成为全球统一的、具有生产力的地域面积，通过计算区域生态足迹总供给与总需求之间的差值(生态赤字或生态盈余)，准确地反映了不同区域对于全球生态环境现状的贡献。生态足迹既能够反映出个人或地区的资源消耗强度，又能够反映出区域的资源供给能力和资源消耗总量。

生态足迹将提供生态足迹承载的土地分为六类：耕地、林地、草地、水域、建设用地和化石能源用地，结合均衡因子和产量因子，计算各类型土地的生态承载力作为该区域的生态承载力。生态足迹计算时分别计算生态承载力与生态足迹，再计算生态盈余或生态赤字。

汇总生产各种消费项目人均占用的各类生态生产性土地，即生态足迹组分，最后根据区域人口数量，计算区域总生态足迹EF(式(1))、区域总生态承载力EC(式(2))。

(1)

(2)

式中：EF为区域生态足迹；EC为区域总生态承载力；i表示土地类型；ri为某地类生态足迹的均衡因子；N为总人口；Yi为某种地类的产量因子；Ai为资源消费占用的土地面积；ai为实际土地面积。

EF与EC的差值便是生态赤字(盈余)。

3熵视角下的生态可持续

矿业城市生态系统的发展演化主要以社会经济生态系统的发展演化为主导，传统熵视角下的城市生态系统研究反应的是城市社会经济与城市自然生态系统的相互作用，以及它与其他城市和区域的相互作用，以此从侧面来分析该城市生态系统的发展演化过程及其发展趋势，分析和评价城市生态系统的可持续能力[11-12]。本研究结合生态足迹变量，构建新的生态系统可持续发展能力评价模型(表1)，其中支持型熵和还原型熵指标属负熵，这些指标的增大将使城市生态系统朝有序的方向演化，所以为正向指标；反之压力型和消费性指标定义为负向指标[13-15]。

矿业城市系统熵计算是针对不同年份的信息熵，有m个年份和n个评价指标(式(3))。

(3)

式中：ΔS为熵值；qij为指标原始数据标准化值；qj为指标第j年指标标准化值的求和。

以信息熵为基础对所建立的评价指标进行分析，对系统的有序度以及复杂性，评估系统的协调性、活力和健康水平、城市可持续发展状态进行评价(表2)。

表1　武安市城市生态可持续发展能力评价指标体系

表2　城市社会经济生态系统熵含义

4结果与分析

4.1生态足迹计算结果

武安市生态足迹账户由生物资源账户和能源资源账户组成，生物资源账户包括谷物、蔬菜、奶类、牛羊、禽蛋等14个大项，能源资源账户选择了煤炭、汽油、原油、焦炭等7个大项，根据式(1)、式(2)进行计算，得到武安市2005～2013年的生态足迹结果(表3)。

表3　武安市2005～2013年生态足迹结果

武安市生态足迹计算结果符合矿业城市这一城市类型，人均生态足迹是生态承载力的数倍，生态赤字较为严重，人均生态赤字呈现出现增加后减小的趋势。

4.2熵视角下的生态可持续

1)在本评价模型中，支持型熵的意义为武安市生态足迹的生态供给能力，结果显示支持型熵整体态势较为稳定，呈现极小幅度的变化。压力型熵表示为人们对生态产生的压力，即生态足迹，计算结果以2009年为界，先增后减。一方面说明武安市近几年的生态足迹供给变化不大，随着城市化进程的加快和社会经济的发展，武安市社会经济生态系统的无序度并没有增大，对自然生态系统的需求压力维持在一个较稳定的水平，此时生态足迹需求已经远超过供给；另一方面从一定程度上可以看出，自2009年以后，压力型熵值呈递减趋势，生产生活对自然生态系统的需求有所减弱。

2)消费型熵反映的是武安市人口增加和化石能源用地规模扩大对其生态可持续性带来的负面影响，结果显示消费型熵呈现小幅波动，并且以2009年为转折点，先增后减，更进一步说明武安市化石能源用地和人口扩张在2009年之后得到了一定限制；还原型熵表示为生物生产型土地和经济对消费型熵的影响的抵消作用，结果显示还原型熵值逐年增加，生物生产型土地规模扩张，城市主要经济指标发展十分迅速(表4)。

3)熵流的指标值变化理解为对生态系统的组织能力，通过对比生态足迹计算结果和熵流值，可以发现在2009年生态赤字达到最高值，而熵流值同样达到了最大，证明该评价模型结果可行。

熵产生指标值可以表现为武安市的经济生态成本，即发展经济的同时消耗的生态资源的多少，结果显示熵产生的指标值均为正，反映出消费型熵产生的对生态可持续的压力要大于还原型熵的支撑，系统活力相对较差，但由于值是不断减小的，表示为生态经济成本逐渐降低，良性发展。

4)总熵变指标代表系统整体的健康性，计算结果逐年递减，表示生态系统不断朝向有序和健康的方向发展。

表4　熵视角下的生态可持续评价结果

5结论与讨论

本文通过对矿业城市武安市生态系统可持续的评价，得到以下结论。

1)武安市近10年生态赤字呈先增加后减小的趋势。近10年人均生态足迹为人均生态承载力的30～50倍左右，在矿业城市的普遍生态足迹水平上有一定的代表性，同许多矿业城市的生态足迹计算结果是一致的，几乎所有矿业城市都占有比其自身行政面积大的多的生态足迹，人均生态赤字由2005年的8.713hm2/人增加至2009年的10.322hm2/人，而后逐渐减小，2013年为8.847hm2/人。表示随着城市发展，它们需要从其他城市输入生态足迹；就城市内部而言，它们需要从农村、郊区输入生态足迹。目前来看，武安市想拥有较好的生态持续能力比较困难，很大程度上要依赖外部输入。

2)熵评价模型显示系统健康性向良好方向发展。以矿业城市生态足迹计算为基础，结合信息上视角来评价生态系统的健康性，在研究期间，武安市社会经济生态系统对自然生态系统的压力较大，自然生态系统对社会经济系统的支持能力有限，当前状况看武安市城市发展对生态带来了一定的压力，压力型熵和消费型熵值分别大于支持型熵和还原型熵值，城市生态系统的协调性和活力较差，但趋势来看，由于熵流、总熵变指标都呈现减小的状态，系统的协调性、活力性和健康性逐渐加强；熵产生一项指标代表了武安市的生态经济成本发展趋势，逐渐减小表示武安市的经济发展对生态带来的压力逐渐减小，呈良性发展。

本文在评价矿业城市生态系统可持续性方面，提供了一种新的思路，即将信息熵理论与生态足迹方法结合，构建一种新的评价模型，并将武安市作为典型研究区进行评价，得出它正朝向有序、健康的方向发展。今后的研究可以加强以下几点：为表现矿业城市这一典型城市特征，将已有结论结合矿业生命周期来进行分析；在构建评价模型时考虑加入更具有工矿业特性的指标因子；对矿业城市进行横向对比，并且加入宏观经济分析和政策影响。

参考文献

[1]任志远.区域生态环境服务功能经济价值评价的理论与方法[J].经济地理，2003，23(1)：1-4.

[2]RapportDJ.Ecologicalfootprintsandecosystemhealth：complementaryapproachestoasustainablefuture[J].EcologicalEconomics，2000，32(3)：367-370.

[3]魏芳，邢怀学.浅谈我国矿业城市可持续发展存在的问题与对策[J].资源与产业，2007，9(2)：9-12.

[4]赵冠伟，杨木壮，陈健飞.1990～2007年中国能源足迹时空差异分析[J].地理与地理信息科学，2011，27(2)：65-69.

[5]赖力，黄贤金，刘伟良，等.基于投入产出技术的区域生态足迹调整分析——以2002年江苏省经济为例[J].生态学报，2006，26(4)：1285-1292.

[6]王书玉，卞新民.生态足迹理论方法的改进及应用[J].应用生态学报，2007，18(9)：1977-1981.

[7]赵冠伟，杨木壮，陈健飞.1990～2007年中国能源足迹时空差异分析[J].地理与地理信息科学，2011，27(2)：65-69.

[8]赖力，黄贤金，刘伟良，等.基于投入产出技术的区域生态足迹调整分析——以2002年江苏省经济为例[J].生态学报，2006，26(4)：1285-1292.

[9]王书玉，卞新民.生态足迹理论方法的改进及应用[J].应用生态学报，2007，18(9)：1977-1981.

[10]陈东景，程国栋，徐中民.中国西部12个省1999年生态足迹[J].地理学报，2001，23(2)：164-169.

[11]朱现龙.扬州市市辖区土地利用/覆被变化模拟研究[D].长沙：中南大学，2009.

[12]孙平军，修春亮，张天娇.熵变视角的吉林省城市化与生态环境的耦合关系判别[J].应用生态学报，2014，25(3)：875-882.

[13]陈彦光，刘继生，城市土地利用结构和形态的定量描 述：从信息熵到分维数[J].地理研究，2001，20(2)：146-152.

[14]张妍，杨志峰，何孟常，等.基于信息熵的城市生态系统演化分析[J].环境科学学报，2005，25(8)：1127-1134.

[15]林珍铭，夏斌.熵视角下的广州城市生态系统可持续发展能力分析[J].地理学报，2013，68(1)：45-57.

Ecological sustainability in a mining city from entropic perspective

YANGNing，FUMei-chen

(SchoolofLandSciencesandTechnology，ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)，Beijing100083，China)

Abstract:Mining cities are very suitable for investigation of ecological sustainability，and their land use changes are also an important research content.In this study，Wu’an City in Hebei Province，a typical mining city，was selected.Based on ecological footprint and information entropy，an urban ecosystem sustainability evaluation model for Wu’an was established.Then a quadrant-based polygon method was used to analyze the specific trends of evaluation indices in Wu’an.Results show that in recent 10 years.① Wu’an was faced with severe ecological deficit，but the ecosystem grew to the healthy and reactive state，The per capita ecological deficit increased from 8.713 hm2/ in 2009 to 10.322 hm2/ in 2005，and then decreased gradually，and was 8.847 hm2/ in 2013.②The stress on the eco-environment imposed by economic growth was gradually weakened.③ The economic and ecological costs were reduced，and the overall eco-environment grew to the sustainable state.The demand for natural ecology by urban development was analyzed by correlating the growth of a mining city with quantification of ecological status.This study provides some guidance for evaluating the mechanism and ecological sustainability of land use changes in Chinese mining cities.

Key words：entropy；ecological footprint；mining city；ecological sustainability

收稿日期：2015-09-15

中图分类号：F407.1

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0068-04