山西省生态环境演变及驱动因素研究
2020-07-14郭鹏程张小平
郭鹏程 张小平
摘要：将山西省作为评价单元，以主要社会经济数据为基础，从结构变化和污染与治理入手，分析了2005-2016年山西省生态环境演变过程与趋势，构建了生态环境演变驱动因素指标体系，运用主成分分析法探讨山西省生态环境演变驱动因素。结果表明，2005-2016年山西省生态环境经历先恶化后改善的演变过程，并呈现逐步好转趋势;第一主成分为主驱动因素，反映出经济系统对山西省生态环境演变起主要驱动作用;产业结构与环境治理分别为区域生态环境演变的内在和外在驱动力;污染物排放与农业生产为次要驱动因素;社会经济发展理念与区域生态环境质量相互影响，共同推进区域可持续发展。
关键词：生态环境演变;驱动因素;主成分分析;山西省
中图分类号：X821
文献标识码：A
文章编号：0439-8114（ 2020） 08-0164-05
D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439- 8114.2020.08.038
生态环境是一定空间范围内由生物群落及非生物自然因素组成的各种生态系统的总和[1]。生态环境演变受到自然环境要素与社会经济要素的共同作用，自然环境要素作用涵盖度广、时间尺度长、稳定性高;社会经济要素作用更加迅速、深刻。研究社会经济要素对区域生态环境演变的驱动作用是研究区域生态环境演变的重要组成部分。随着社会经济发展，人类对资源与能源的利用程度和开发强度呈上升趋势，人与生态环境关系趋于紧张，人地关系矛盾加深。因此，探讨人地关系并研究区域生态环境演变的驱动因素可有效解决区域生态环境面临的困境[2]。
面对日益加深的生态环境压力和人地矛盾，研究者开始分析经济发展与污染物排放的二者关系，推动区域控排与减排问题的解决[3.4]，而城镇建设[5]、新农村建设[6]等在不同尺度下土地利用方式及土地政策与生态系统、生态环境的关系进行研究，使得土地这一有限的资源在生态环境演变中的影响得到重视[7]。随着生态环境效应研究的不断深入，众多研究者利用不同研究方法，针对不同尺度下行政区[8]、河流源区[9]、湖泊湿地[10]、流域[11]等区域，从景观格局演变[12]、城市绿地环境[13.14]、土地利用覆被[1]以及水土流失[15]等方向，对区域生态环境演变做了大量研究。本研究在汲取已有研究成果基础上，选取山西省作为研究区域，以统计、监测数据为支撑，选择社会经济要素中的产业结构、用地结构、污染物排放及环境治理等内容，分析2005-2016年山西省生态环境演变过程与趋势，并构建山西省生态环境演变驱动因素指标体系，进一步对其驱动因素进行分析，以期为研究区及其他类似区域的生态政策调控及可持续发展提供理论借鉴。
1 研究区概况与数据来源
1.1研究区概况
山西省地处黄土高原东翼，华北地区西部，国土面积为15.67x104km2，占全国总面积的1.6%。地貌类型复杂多样，多山地丘陵，地势呈东北高西南低。属于暖温带、中温带大陆性气候，年降水量400-650 mm。地形、海拔、纬度、坡向等因素造成了山西省水热条件时空分布不均，河流呈季节性变化。
山西省水资源多年平均值为99.12x108m3，人均水资源量为231.84 m3，远低于人均1 000 m3的国际水资源紧缺标准。水资源作为重要的生产生活物资，水资源短缺会造成农业减产、经济缩水、生态环境破坏等问题[16]。山西省土地资源的有限性决定了当人类对土地的开发利用强度接近或达到承载力临界时，土地作为子生态系统会对区域生态环境产生负反馈。研究期内山西省的建设用地明显增加，其他用地变化趋于稳定，非农业人口的增加对城镇基础设施带来的压力促使11个地市建设用地逐步扩张[17]。煤炭作为山西省经济发展长期依赖的化石能源，大量煤炭的开采、运输、利用，带来经济效益的同时也带来巨大的环境破坏，包括水污染、大气污染、土壤污染、水土流失及矿山塌陷危害[18]。山西省社会经济发展对各种资源的需求对山西省生态环境带来巨大影响，解决经济发展与环境保护之间的矛盾是山西省社会经济可持续发展的关键。
1.2数据来源
本研究中所涉及的数据来源包括《山西省统计年鉴》（ 2006-2017）《山西省环境状况公报》（2006-2017）及《中国环境统计年鉴》（2006-2017），部分数据来源于《中国县（市）社会经济统计年鉴暨中国县域统计年鉴》（ 2006-2017）。
2 山西省生态环境演变特征分析
构成生态环境的各子生态系统随时间发展而变化，其发展变化的推动力体现在自然环境与社会经济两方面，基于二者对区域生态环境演变影响的特征，选择从社会经济方面人手，其中包含产业结构、用地结构、污染物排放及环境治理等内容，依据上述内容在2005-2016年的变化状况，对山西省生态环境演变特征进行探讨分析。
2.1 山西省产业结构变化
产业结构是一个地区经济发展水平和发展阶段的标志，山西省产业结构在2005-2016年经历了转型升级，如图1所示，其第一二三产业占比从2005年的6.28%、56. 300-/0、37.42%转变为2016年的6.05%、38.28%、55.67%，其中工业经济占比由49.25%降为31.49%，产业结构及工业经济占比的变动幅度高于同期全国水平。一个地区的资源禀赋很大程度上影响甚至决定了该地区的产业结构，山西省煤炭资源的丰富度，不仅使山西省成为国家能源基地，也使其工业体系围绕煤炭产业开展，而资源依赖性强的产业结构特征势必对资源消耗和污染物排放规律產生直接影响。随着产业结构的变化，山西省单位CDP耗水量及能源消耗均出现大幅下降，缓解了山西省面临的水资源困局及能源压力，进一步降低了污染物排放压力，推动了区域生态环境向好的方向发展。
用地结构变化直接或间接导致区域生态环境变化。2005-2016年山西省用地结构发生了很大变化，在五类主要利用方式中，耕地面积小幅波动，园地、林地、草地面积均出现不同程度下滑，而建设用地面积却增加了20.13%，建设用地的大量增加也反映了城市化建设给该区域带来了巨大的生态环境压力。山西省城镇化水平由2005年的42.11%增加到2016年的56.21%，城镇基础设施的不断完善，城市人口集聚，推动经济发展的同时也使生态环境负效应凸显出来，城乡环境质量呈下降态势。大规模的基建活动导致生态脆弱区的水土流失加重及植被退化，特有的黄土地貌在大力开发下存在地质隐患[18]。
2.2污染物排放与环境治理
山西省主要污染物载体及所含污染成分在2005-2016年变化趋势如图2、3所示，其中废污水排放量增幅为46.47%;工业固废排放量总体呈增加趋势，但增幅较缓;工业废气排放量在2011年前呈增加趋势，并在2009-2011年出现异常快速增长，之后呈逐年递减趋势。主要污染物中，烟（粉）尘排放量波动幅度最为明显，与二氧化硫排放量变化趋势同为总体下降，化学需氧量与氨氮排放量经2011年波动后呈逐年下降趋势。
污染物来源涉及生产生活中的各个环节，而生产生活集中体现在以居民点、工矿企业、交通运输、农业等为代表的“点、线、面”中，在空间上构成山西省污染物排放格局。
1）居民点包含城镇和乡村，但两者对于生态环境影响的广度和深度存在很大差距，城镇人类活动强度大，并且众多的工矿企业与城镇分布紧密相关，城镇周围区域生态环境压力大，污染物排放多，是生活环境问题的突出区域。城镇生活垃圾和工业三废是区域污染物的主要来源，2016年城镇生活污水占各类废水排放量的79.53%，生活垃圾的无序排放及城镇扩张导致城镇生态用地遭到破坏，数量与质量均呈下降趋势。
2）山西省作为煤炭生产大省，在供应省内外市场时，需进行大量运输，而大规模运输造成了污染范围的延伸，在铁路与公路两种主要运输方式中，铁路运输带来的污染特点为量大、线路固定，公路运输则存在污染分散的特点，公路两侧50-100 m范围内影响较为严重。作为运输工具的汽车，其拥有量大幅上涨导致汽车尾气排放强度的不断加剧。交通线成为了“点”之间的污染通道，分割原有景观，增加景观破碎度，进一步影响了生态系统的结构与功能。
3）分布于城镇周围及交通线两侧的乡村，主要从事农业生产活动。山西省山地多的地理条件决定了耕地资源的有限性，不合理生产行为导致了农区面源污染及水土流失。机械、化肥、农药、塑料薄膜等农资投入的不断增加，带来农作物产量提升的同时，也带来生态环境负效应，如耕地土壤板结、肥力下降、地下水污染及地表径流的富营养化等环境问题。而坡耕地的不合理利用造成了严重的水土流失[19]。为有效缓解农业区生态环境压力，2005-2016年山西省逐步推进退耕还林和农业综合开发治理工程，在保证耕地数量基础上，增加灌溉面积34.97 x104hm2，年均造林28.67x104hm2，年均治理水土流失面积547.3lx104hm2，森林覆盖率从13.29%增加到20.50%，保障农业生产的同时改善了区域生态环境。
针对已有生态环境问题，2005-2016年山西省增加了环保投资力度，投资额由48.5x108元增加到525.7x108元，环境治理取得初步成效。在人类活动强度最大的城镇区域，生活垃圾无害化处理率从13.1%快速增长到94.6%，建成区绿化覆盖率从24.6%增加为40.5%，城镇人居环境得到改善，山西省水环境和大气环境也得到改善。地表水水质优良率由11.6%提升到48.0%，空气质量达优良天数占比从61.9%提高到68.2%。
综上所述，2005-2016年山西省产业结构、用地结构、污染物排放和环境治理等变化影响了区域生态环境演变的过程及趋势，根据主要检测指标的变化，山西省生态环境经历先恶化后改善的发展过程，并呈逐步好转趋势。为进一步分析山西省生态环境演变的驱动因素，构建驱动指标体系，采用主成分分析法对生态环境演变驱动因素进行判断与讨论。
3 山西省生态环境演变驱动因素分析
3.1 指标体系构建
依据研究区环境与社会经济状况，参考相关文献[1，20]，并遵循数据可获得原则构建山西省生态环境演变驱动因素指标体系。选取36个指标，并分为人口、社会经济发展、农业生产、资源与能源消耗、用地结构、污染物排放、环境治理7个类别，详见表1。
3.2结果与分析
利用SPSS 22.0软件计算选取的36个指标的特征值、贡献率及累积贡献率，并以特征值>1且累积贡献率>85%為标准得到4个主成分，经过提取后得到主成分的特征值、贡献率及累积贡献率，详见表2。4个主成分中第一主成分的特征值为23.290，贡献率为64.695%，其对山西省生态环境演变的驱动作用最突出。提取的4个主成分反映原数据92.148%的信息，满足分析要求，可进行相关分析。
表3为因子载荷矩阵，反映主成分与因子之间的相关关系，因子载荷绝对值越大，该因子对主成分的影响越大。以各指标分别与4个主成分之间的相关性大小为依据进行分析。第一主成分与指标的相关性表现更为明显，第一主成分在人口、社会经济发展、资源与能源消耗、用地结构、环境治理等方面大部分有较大载荷，这些驱动因素的集中反映是因为2005-2016年山西省经济得到很大发展，GDP涨幅为201.55%，经济水平提升促使人民生活水平、现代化建设水平提高，整个社会事业的发展均围绕经济发展展开，资金再分配带来各行业科技投入的增加，并反作用于经济发展。随着人民基本生活需求的满足，经济发展着眼于日益凸显的人地矛盾与逐渐恶化的生态环境，为实现区域可持续发展，社会发展理念从一味追求经济发展转变为追求人与自然的和谐发展。因此，围绕人运行的经济系统对区域生态环境有着重要驱动作用。
第二主成分在第二产业比重、第三产业比重、工业经济比重、地表水水质优良率及建成区绿化覆盖率上有绝对值较大的因子载荷，凸显产业结构与环境治理作为驱动因子在区域生态环境演变中的作用。2005-2016年山西省产业结构的变化改变了长期依赖能源产业的发展局面，对能源产业的约束与精益求精带来技术革新与产能优化，使第二产业带来的高耗能、高污染局面得到控制，并使得山西省产业结构对区域生态环境带来的负面效应降低。环境治理在短时间内取得的成果加速了山西省生态环境的恢复与重建，对生态环境的驱动作用表现为正向驱动。2006年起，山西省实施“蓝天碧水”工程，从城市人手关闭或整治“三高”企业，同时提升产业准入门槛，源头阻断与后期治理两手抓;农村生态环境问题如农村生活垃圾、农业生产过程中产生的污染，已成为现阶段农村环境问题的症结所在;加强重点区域的环境监管，如水源地、河流、生态脆弱区等。环境治理工作呈现出“点一线一面”的发展趋势，由于各地产业结构和经济水平的差异，环境治理工作进度不同，但最终都在对全省范围内的生态环境问题进行预防和治理。
第三主成分在工业固体废物产生量、烟（粉）尘排放总量上有较大载荷，反映了污染物排放对区域生态环境的影响，各类污染物排放对山西省生态环境产生很大压力，由于山西省是以煤炭产业为主导的工业体系，煤炭开采及其相关产业发展所带来的环境破坏需得到重视[18]。
第四主成分在第一产业比重、农林牧渔产值比重和化肥施用强度上有较大载荷，表明农业生产过程中投入与产出对区域生态环境演变产生了作用。化肥与农药的适量施用会提升农作物产量，但过量施用则会导致多余的化肥与农药通过各种形式进入大气、土壤及水体中，造成大气污染、土壤板结和水体富营养化等不利后果。农业经济在区域经济中的比重维持在稳定状态，有利于区域生态环境的恢复与重建。
4讨论与结论
4.1讨论
在山西省生态环境演变分析过程中，因数据可获得性受限，未对全省11个地市进行具体分析，只在以“点一线一面”特征构成的山西省污染物排放格局中对生态环境演变的空间变化进行分析，尚有不足。在选取的36个指标中，空气质量达优良天数比重这一指标数据存在异常波动，其数值在2013年由95.34%锐减到50.14%，造成数据波动的是近年来空气污染压力迫使国家在2012年实施新的空气质量标准（ GB3095-2012），用空气质量指数（AQI）代替原空气污染指数（ API），污染物检测指标由3项增加为6项，更加严格、客观地反映了区域空气质量。
4.2结论
以山西省主要社会经济指标为基础，从结构变化和污染与治理两方面对2005-2016年山西省生态环境演变过程与趋势进行分析，并借助SPSS 22.0软件、主成分分析法对该时段山西省生态环境演变驱动因素进行探讨。结果表明，2005-2016年山西省生态环境经历先恶化后改善的发展过程，并呈现逐步好转的趋势。
经主成分分析，得到累积贡献率为92.148%的4个主成分，其中，第一主成分贡献率达到64.695%，为主驱动成分，其所包含的指标反映了各项社会事业运行发展所围绕的经济系统对山西省生态环境演变起最集中的驱动作用，包含于经济系统中的各项社会因子及其变化共同导致了山西省生态环境的演变趋势;第二主成分反映了产业结构和环境治理在区域生态环境演变中的作用，其中，产业结构作为经济系统的内在机制，产业结构的升级会促进区域经济的进一步发展，可视为内驱动力，而环境治理作为干预经济发展过程中表现的环境污染与生态破坏的机制，可视为外驱动力，两者共同影响山西省生态环境演变;第三主成分与第四主成分所反映的污染物排放与农业生产为次要驱动因素，两者在一定程度上污染与破坏区域生态环境，但对两者的规范与管理可从污染源头改善区域生态环境。社会经济发展理念对区域生态环境具有重大影响，生态环境演变反作用于区域社会经济发展。社会经济发展理念与区域生态环境质量在相互影响中共同推进区域可持续发展。
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收稿日期：2019-10-15
作者简介：郭鹏程（1995-），男，山西文水人，在读硕士研究生，研究方向为区域环境与生态产业，（电话）15101238384（电子信箱）2921088293@qq.com;通信作者，张小平，教授，主要从事区域环境与生态产业研究，（电子信箱）zxp296@163.com。
