鄭欣, 程艷妹, 任彩鳳, 周立志

鄂爾多斯市生態(tài)彈性力評(píng)價(jià)研究

鄭欣, 程艷妹, 任彩鳳, 周立志*

安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽大學(xué)礦山環(huán)境修復(fù)與濕地生態(tài)安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 合肥 230601

生態(tài)彈性力是研究區(qū)域生態(tài)承載力的基礎(chǔ), 它反映了生態(tài)系統(tǒng)的自我維持和調(diào)節(jié)能力, 是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)支持要素。以鄂爾多斯市為研究對(duì)象, 采用目標(biāo)分層法從氣候、水文、植被和土壤4方面選取年降水量、年平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、地表水資源量、地下水資源量、森林覆蓋率和土地生產(chǎn)力7個(gè)指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)彈性力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 運(yùn)用主成分分析法確定影響生態(tài)彈性力動(dòng)態(tài)變化的3個(gè)主成分, 通過(guò)各主成分的貢獻(xiàn)率及各指標(biāo)的特征向量確定各主成分及指標(biāo)權(quán)重, 對(duì)鄂爾多斯市生態(tài)彈性力狀況進(jìn)行評(píng)價(jià), 研究2008—2015年生態(tài)彈性力變化特征。結(jié)果表明, 鄂爾多斯市生態(tài)彈性力指數(shù)整體具有上升趨勢(shì), 由2008年的0.372升至2015年的0.401, 但波動(dòng)幅度較大并呈現(xiàn)階段性變化, 2011年前基本呈下降狀態(tài), 2011年降至研究時(shí)段內(nèi)的最低值0.233, 隨后上升, 2013年達(dá)到0.737為研究時(shí)段內(nèi)的最高值, 2013年后又呈下降狀態(tài)。第一主成分整體呈上升趨勢(shì)與生態(tài)彈性力變化趨勢(shì)相似, 第二、三主成分變化波動(dòng)強(qiáng)烈且呈下降狀態(tài)。生態(tài)彈性雖有所提高, 但生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差, 區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾和自我調(diào)節(jié)能力不穩(wěn)定。水資源供給能力是影響生態(tài)彈性力波動(dòng)的首要影響因素, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的上升是生態(tài)彈性力提高的主要驅(qū)動(dòng)因素。建議未來(lái)應(yīng)合理配置資源, 提高水資源利用率, 增強(qiáng)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力; 繼續(xù)提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 以實(shí)現(xiàn)鄂爾多斯可持續(xù)發(fā)展。

生態(tài)彈性力; 生態(tài)承載力; 主成分分析法; 目標(biāo)分層法; 鄂爾多斯市

0 前言

生態(tài)彈性力概念最初被Holling引入生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中[1], 早期對(duì)它的研究側(cè)重于將其作為彈性城市研究的一個(gè)方面[2–4], 隨著資源和環(huán)境的破壞以及城市化的發(fā)展, 區(qū)域生態(tài)彈性力更多的作為一個(gè)重要指標(biāo)來(lái)表示生態(tài)環(huán)境對(duì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)支持能力[5], 廣大學(xué)者更加認(rèn)同生態(tài)系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)和自我恢復(fù)能力的觀點(diǎn)[6–7], 即生態(tài)系統(tǒng)受到壓力或平衡擾亂之后能夠自我維持、自我調(diào)節(jié)并恢復(fù)到初始狀態(tài)的能力[7–9]。生態(tài)彈性力主要包括兩方面: 彈性強(qiáng)度和彈性限度, 其主要影響因素包括氣候、水文、土壤、植被覆蓋及生態(tài)環(huán)境各要素之間的協(xié)調(diào)能力等[10]。這個(gè)指標(biāo)反映了復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的自然潛在承載能力, 它可以減少壓力與干擾產(chǎn)生的影響從而保持系統(tǒng)不遭破壞, 又可以最大程度地保障承載力發(fā)揮正常的調(diào)節(jié)功能[11]。在沒有人類干預(yù)的自然生態(tài)系統(tǒng)中, 它代表了系統(tǒng)生態(tài)承載力的大小, 是研究區(qū)域生態(tài)承載力的基礎(chǔ)和描述脆弱生態(tài)區(qū)狀態(tài)的綜合性變量[12]。

生態(tài)彈性力的研究角度和方法也受到了國(guó)內(nèi)外可持續(xù)發(fā)展研究學(xué)者的關(guān)注, 不同領(lǐng)域的學(xué)者從不同的角度如以生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率來(lái)表征其彈性強(qiáng)度[13]、依據(jù)物種性狀特征評(píng)價(jià)彈性力[14]、通過(guò)彈性限度反映研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力的大小[7]、將生態(tài)彈性力作為區(qū)域生態(tài)承載力的支持條件對(duì)其評(píng)價(jià)[15]以及運(yùn)用功能與狀態(tài)的轉(zhuǎn)換模型[16]、引入調(diào)節(jié)系數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)彈性力模型[17]、生態(tài)彈性力指標(biāo)體系[8,18]等評(píng)價(jià)模型和方法對(duì)生態(tài)彈性力進(jìn)入了深入研究, 但對(duì)于生態(tài)彈性力的研究至今仍沒有統(tǒng)一的模型或方法。

資源型城市是依托自然資源開發(fā)所發(fā)展起來(lái)的一種城市類型[19–20], 以煤炭為基礎(chǔ)的城市是資源型城市的重要類型之一[21], 是一個(gè)集“自然—經(jīng)濟(jì)—社會(huì)”于一體的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng), 大規(guī)模、高強(qiáng)度的資源開采使得資源型區(qū)域的生態(tài)問(wèn)題日趨嚴(yán)重[22–23]。生態(tài)彈性力是一種生態(tài)環(huán)境所固有的內(nèi)存性因子, 只有當(dāng)生態(tài)環(huán)境承受的外部壓力超過(guò)其自身容量時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái), 這個(gè)因子可以說(shuō)是資源型城市轉(zhuǎn)型和發(fā)展的重要指標(biāo), 也是其可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)支持要素[22]。在確保產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和加快城市化的條件下, 研究區(qū)域生態(tài)彈性力的水平是人們了解生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性的重要工具和手段[24], 同時(shí)也是研究煤炭資源型城市的優(yōu)化發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展實(shí)施途徑的重要基礎(chǔ)。

鄂爾多斯市是我國(guó)典型的煤炭資源型城市, 同時(shí)還是我國(guó)西部地區(qū)重要的農(nóng)牧交錯(cuò)帶和生態(tài)屏障[25]。近年來(lái), 隨著煤炭資源和新型資源如石油、天然氣的進(jìn)一步開采[26]以及作為農(nóng)牧交錯(cuò)帶本身具有的脆弱性[27], 生態(tài)系統(tǒng)極易受到內(nèi)外營(yíng)力的影響產(chǎn)生擾動(dòng)和變化, 生態(tài)彈性力面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。以往對(duì)該區(qū)域生態(tài)問(wèn)題的研究主要圍繞生態(tài)安全、生態(tài)足跡和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面[23,26,28], 本文借鑒前人建立的資源型城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[18]和其他關(guān)于區(qū)域生態(tài)彈性力的研究[8,29–30], 從氣候、水文、植被覆蓋和土壤4個(gè)方面著手, 評(píng)價(jià)2008—2015年的生態(tài)彈性力發(fā)展?fàn)顩r和受各因子的影響程度, 揭示生態(tài)承載的變化規(guī)律, 以期為鄂爾多斯市可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部, 地處東經(jīng)106°42′—111°27′, 北緯37°35′—40°51′之間, 是中國(guó)西部重要的資源型城市, 同時(shí)也是中國(guó)最為典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶之一。作為資源密集地區(qū)之一, 鄂爾多斯市擁有豐富的自然資源, 其中已探明的煤炭?jī)?chǔ)量約占全國(guó)的六分之一, 儲(chǔ)量大, 分布面積廣, 煤炭資源是帶動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最主要資源。截止2015年末, 全市總面積86882 km2, 市轄7旗1區(qū), 全市常住人口總計(jì)204.51 萬(wàn)人, 地區(qū)生產(chǎn)總值為4226.1 億元, 城鎮(zhèn)化率達(dá)到73.13%。該市屬于典型的煤炭資源型城市且地處我國(guó)西北部農(nóng)牧交錯(cuò)帶, 其生態(tài)系統(tǒng)較一般城市更加脆弱[23], 日照強(qiáng)烈, 市多年平均氣溫約7.3 ℃, 水資源匱乏, 降水約150—410 mm, 蒸發(fā)在2000 mm以上, 土壤含有機(jī)質(zhì)少, 植被覆蓋度低于25%, 是我國(guó)沙塵暴產(chǎn)生的源頭之一。近年來(lái), 鄂爾多斯市依托豐富的資源, 特別是煤炭資源, 使經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展, 但同時(shí)也造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題, 如植被退化、土壤侵蝕、水土荒漠化以及地表沉陷等, 嚴(yán)重影響區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)源于《內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源公報(bào)》(2008—2015)、《內(nèi)蒙古自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》(2008—2015)、《鄂爾多斯市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2008—2015)和《鄂爾多斯市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2008—2015)等統(tǒng)計(jì)資料。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與方法

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

本文采用目標(biāo)分層法對(duì)生態(tài)彈性力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行構(gòu)建, 根據(jù)研究目標(biāo)選定指標(biāo)體系的目標(biāo)層, 然后在目標(biāo)層下建立一個(gè)或多個(gè)較為具體詳細(xì)的準(zhǔn)則層, 最后選定指標(biāo)層[31]。

目標(biāo)層: 根據(jù)本文研究目標(biāo)選取生態(tài)彈性力為目標(biāo)層。

準(zhǔn)則層: 根據(jù)前人研究, 從系統(tǒng)自身性質(zhì)出發(fā), 氣候條件、水文情況、植被狀況、地形地貌以及土壤等因素是生態(tài)彈性力的主要影響因素, 基本決定了生態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)[7–8,18]。由于本研究選取鄂爾多斯市整個(gè)地區(qū)為研究尺度, 相對(duì)來(lái)說(shuō)是靜態(tài)指標(biāo), 故沒有選取地形地貌。最終選取氣候條件、水文情況、植被狀況以及土壤4個(gè)方面為準(zhǔn)則層。金悅[18]在以唐山市為案例研究資源型城市時(shí), 將生態(tài)彈性力作為生態(tài)承載力評(píng)價(jià)的一方面即準(zhǔn)則層, 提出了一套完整的資源型城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和量化模型, 具有很好的借鑒意義。

指標(biāo)層: (1)氣候方面: 煤炭資源型城市在快速發(fā)展的同時(shí), 生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益增多[32], 鄂爾多斯市的生態(tài)環(huán)境變化也離不開氣候的變化[27], 生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候的變化非常敏感, 氣候通過(guò)氣溫和降水直接影響水文條件, 從而使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化。氣候方面選取年降水量、年平均氣溫和日照時(shí)數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)。其中, 年降水量和年平均氣溫是反映區(qū)域干濕程度的指標(biāo), 氣溫和降水的變化影響著沙塵暴的發(fā)生發(fā)展, 降水可以引起土壤濕度、地表覆蓋的變化, 溫度的變化影響地表濕度, 溫度的升高還會(huì)對(duì)沙塵暴的形成造成必要的熱力條件[33]; 日照時(shí)數(shù)是表征區(qū)域熱量情況指標(biāo), 也是影響氣候變化的主要?dú)庀笠刂? 由于城市排放工業(yè)污染物的急劇增長(zhǎng), 使空氣污染嚴(yán)重, 造成大氣透明度降低從而影響日照時(shí)數(shù)[34]。(2)水文方面: 水是人類活動(dòng)不可或缺的物質(zhì), 良好的水文條件會(huì)為植被提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境, 也決定了植被的生長(zhǎng)狀況。鄂爾多斯市地處我國(guó)煤炭資源豐富的西北地區(qū), 但水資源尤為缺乏。地表水和地下水資源量是水體的主要組成部分, 煤炭開采對(duì)地表水、地下水水量造成不同程度的影響, 其中, 煤炭開采造成河川徑流大量滲漏, 徑流量大量減少, 從而影響地表水資源量[35]; 采煤時(shí)疏干地下水, 影響了地下水資源的數(shù)量和質(zhì)量, 而且破壞了水的動(dòng)態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境[36]。因此, 水文方面選取地表水資源量、地下水資源量作為表征指標(biāo)。(3)植被覆蓋: 區(qū)域植被覆蓋對(duì)該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力和調(diào)節(jié)緩沖能力影響很大, 它反映一個(gè)地區(qū)的水土保持力、氣候調(diào)節(jié)力和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性強(qiáng)弱[37], 資源型城市的發(fā)展與自然環(huán)境狀況密切相關(guān), 植被情況影響了資源城市的可持續(xù)發(fā)展[38]。在植被覆蓋方面, 結(jié)合鄂爾多斯市采煤所造成的地表植物破壞以及長(zhǎng)期實(shí)施“退耕還林”政策的實(shí)際情況, 選取森林覆蓋率為指標(biāo)。(4)土壤方面: 土壤是生態(tài)系統(tǒng)中的非生物部分, 是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)境因子之一, 其質(zhì)量狀況對(duì)系統(tǒng)抵抗力有一定的影響。煤炭資源型城市在進(jìn)行資源開采快速發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí), 對(duì)土地資源造成了破壞, 土地是聯(lián)系人與自然的媒介, 其狀況能反映出人類活動(dòng)與自然界的相互作用[38]。選用土地生產(chǎn)力作為評(píng)價(jià)土壤狀況的指標(biāo), 其中, 土地生產(chǎn)力=作物總產(chǎn)量/耕地面積。

表1 鄂爾多斯市生態(tài)彈性力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法根據(jù)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的作用方向進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:

C為第個(gè)對(duì)象第項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值,X和X分別是第項(xiàng)指標(biāo)的最大值和最小值。

2.2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

本文利用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件, 通過(guò)采用主成分分析法(PCA)確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。主成分分析法(PCA)通過(guò)恰當(dāng)?shù)木€性變換, 使原先的較多指標(biāo)形成彼此相互獨(dú)立的主成分而且盡可能多保留原始數(shù)據(jù)的信息, 以此通過(guò)少數(shù)幾個(gè)主成分來(lái)解釋原來(lái)資料中的多變量[12]。主要步驟如下:

(1)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(SPSS軟件自動(dòng)執(zhí)行)。

(2)指標(biāo)之間的相關(guān)性判定, 計(jì)算變量間相關(guān)系數(shù), 得到相關(guān)系數(shù)矩陣。

(3)計(jì)算特征值、主成分方差貢獻(xiàn)率、累計(jì)方差貢獻(xiàn)率以及特征向量等, 根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率≥85%或者特征值＞1原則確定主成分及其個(gè)數(shù)。

(4)根據(jù)方差貢獻(xiàn)率利用歸一化法求得生態(tài)彈性力的各主成分權(quán)重, 利用同樣的方法將特征向量也分別歸一化, 得到各指標(biāo)的權(quán)重。

2.2.4 生態(tài)彈性力指數(shù)表達(dá)式確定

本文采用分層次賦權(quán)方法以減少主成分指標(biāo)個(gè)數(shù)對(duì)權(quán)重造成的影響[39]。第一層次, 利用主成分各指標(biāo)特征向量求得指標(biāo)權(quán)重W與各指標(biāo)其標(biāo)準(zhǔn)化值相乘, 得到各主成分指數(shù); 第二層次, 以各個(gè)主成分方差貢獻(xiàn)率確定各主成分權(quán)重F與各主成分指數(shù)相結(jié)合, 進(jìn)而得到生態(tài)彈性力指數(shù):

式中:為生態(tài)彈性力指數(shù);為主成分指數(shù);F為第個(gè)主成分的權(quán)重;C為第個(gè)因素標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值;W為第個(gè)因素的權(quán)重。

對(duì)于生態(tài)彈性力的評(píng)價(jià), 評(píng)價(jià)結(jié)果主要反映了生態(tài)系統(tǒng)的自我抵抗力以及受干擾后生態(tài)系統(tǒng)的自我可持續(xù)性和恢復(fù)力; 其評(píng)價(jià)值越大, 表明生態(tài)系統(tǒng)的彈性越高, 生態(tài)系統(tǒng)抗干擾和自我調(diào)節(jié)就越強(qiáng), 如果超過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的彈性, 將破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)彈性力各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值及權(quán)重

對(duì)鄂爾多斯市生態(tài)彈性力各要素(指標(biāo)層)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到各指標(biāo)在研究期間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化值(表2), 其中, 年降水量1、年平均氣溫2、日照時(shí)數(shù)3、和地下水資源5在研究期間波動(dòng)較大。通過(guò)SPSS20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析, 最終根據(jù)選取原則確定了3個(gè)主成分, 即1、2和3, 根據(jù)權(quán)重確定方法得到各主成分及各指標(biāo)權(quán)重, 其中, 第一主成分1權(quán)重最大, 為0.562(表3)。

3.2 生態(tài)彈性力指數(shù)及變化趨勢(shì)

鄂爾多斯市生態(tài)彈性力指數(shù)在2008—2015年8年間呈略微上升趨勢(shì), 由2008年的0.372上升到2015年的0.401, 但整體波動(dòng)較大, 并呈現(xiàn)階段性變化特征。其中在2008—2009年生態(tài)彈性力由0.372增加至0.389, 基本呈平穩(wěn)趨勢(shì), 2010—2011年生態(tài)彈性力指數(shù)有所下降, 由0.310下降至0.233, 2012年指數(shù)大幅上升至0.519并且2013年持續(xù)保持上升趨勢(shì)達(dá)到8年間的最高值0.737, 但隨后至2015年生態(tài)彈性力下降至0.401。表明鄂爾多斯市生態(tài)彈性力波動(dòng)幅度較大, 生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾和自我調(diào)節(jié)能力不穩(wěn)定(表4、圖1)。

表2 鄂爾多斯市生態(tài)彈性力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值

注:1—7代表的指標(biāo)含義見表1。

表3 各主成分權(quán)重及各指標(biāo)權(quán)重

從各主成分構(gòu)成來(lái)看, 第一主成分主要與平均氣溫、地表水資源、森林覆蓋率和土地生產(chǎn)力4項(xiàng)指標(biāo)有較好的正相關(guān)性, 即生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顟B(tài)類指標(biāo), 研究期間第一主成分上升明顯, 由2008年的0.301上升到2015的0.626, 增加了0.325, 其中2008—2013年幾乎一直處于上升趨勢(shì), 除2011年有小幅下降外其他年份均有所增長(zhǎng), 由0.302增加至0.759達(dá)到中高等水平, 隨后2014—2015年有所波動(dòng)下降至0.626(表5、圖2)。

第二主成分主要表征年降水量和地下水資源這2項(xiàng)指標(biāo), 2008—2015年水資源指標(biāo)值由0.376下降至0.195, 波動(dòng)幅度較大, 尤其2008—2011年呈現(xiàn)先下降后上升再下降的狀態(tài), 其中2011年出現(xiàn)最低值0.003, 隨后2012—2013年開始上升, 2013年升至0.742達(dá)到中等偏高的水平, 也是研究期間的最高值, 之后下降迅速, 在2015年降至0.195(表5、圖2)。

表4 2008—2015年鄂爾多斯市彈性力指數(shù)

第三主成分與日照時(shí)數(shù)有較高的相關(guān)性, 即光照條件類指標(biāo), 2008—2015年光照條件類指數(shù)呈下降趨勢(shì)且一直處于動(dòng)態(tài)震蕩中, 2008—2009年呈上升狀態(tài)并在2009年達(dá)到研究期間的最高值, 2009—2013年走勢(shì)呈“V”型曲線, 2013年過(guò)后則一直處于下降狀態(tài), 2015年的日照時(shí)數(shù)為研究期間的最低值(表5、圖2)。

表5 2008—2015年鄂爾多斯市生態(tài)彈性力各主成分得分

圖1 鄂爾多斯市生態(tài)彈性力指數(shù)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖

Figure 1 The dynamic trend of Ordos eco–elastic force index

圖2 各主成分綜合得分動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖

Figure 2 The dynamic trend of composite score of each principal component

4 討論

鄂爾多斯市2008—2015年的生態(tài)彈性力整體處于小幅上升趨勢(shì), 表明鄂爾多斯市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力有所提高。與前人研究的撫順市和蘇北地區(qū)生態(tài)彈性力一直呈上升狀態(tài)不同[40–41], 鄂爾多斯市生態(tài)彈性力指數(shù)在研究期間呈波動(dòng)狀態(tài), 較不穩(wěn)定。2009年處于上升狀態(tài), 從主成分方面來(lái)看, 第一、三主成分對(duì)其起到了拉動(dòng)作用, 特別是第三主成分上升幅度較大, 自2010年開始下降, 2011年之后生態(tài)彈性力變化趨勢(shì)與各主成分變化趨勢(shì)均相似, 2011年生態(tài)彈性力指數(shù)是所有年份中最低的一年, 主要原因是各主成分均有不同程度降低, 2012—2013年又有顯著的增長(zhǎng), 2013年達(dá)到最高值, 與最低值之間相差較大, 說(shuō)明鄂爾多斯市生態(tài)彈性力限度較大, 這與唐山市、濟(jì)南市、平朔安太堡礦區(qū)以及榆神礦區(qū)的生態(tài)彈性力狀況相似[18,42–44], 生態(tài)彈性力波動(dòng)強(qiáng)烈, 區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力、抗干擾以及受干擾后的恢復(fù)能力較差, 具有明顯的脆弱性。

從2008—2015年鄂爾多斯市生態(tài)彈性力與第一主成分的變化結(jié)果來(lái)看, 變化趨勢(shì)幾乎相同。第一主成分即生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r類指標(biāo), 主要代表年平均氣溫、地表水資源、森林覆蓋率和土地生產(chǎn)力, 2008—2015年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈上升趨勢(shì), 而第一主成分方差貢獻(xiàn)率為53.095%, 對(duì)研究區(qū)域生態(tài)彈性力狀況影響較大, 其指數(shù)的升高對(duì)生態(tài)彈性力的提高起主要驅(qū)動(dòng)作用。近年來(lái), 鄂爾多斯加快林業(yè)生態(tài)建設(shè)步伐, 實(shí)施了自然保護(hù)、三北防護(hù)林相關(guān)項(xiàng)目, 加大了植樹造林力度, 使鄂爾多斯的林業(yè)有了長(zhǎng)足發(fā)展[45]。此外, 研究期間土地生產(chǎn)力指數(shù)總體有所增長(zhǎng)且幅度較大, 對(duì)生態(tài)彈性力的良性發(fā)展起到了一定推動(dòng)作用。但由于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的脆弱性[46], 鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顟B(tài)不穩(wěn)定, 2011年出現(xiàn)了較小程度的下降, 主要原因是年平均氣溫和地表水資源這兩個(gè)指標(biāo)的值均有不同程度的降低, 特別是地表水資源下降幅度較大。大氣降水為地表水的主要來(lái)源[47], 2011年入春后至8月份, 鄂爾多斯市大部地區(qū)的降水量明顯偏少, 為近10年來(lái)同期最少的一年, 故導(dǎo)致其地表水資源量有所下降。2014—2015年呈持續(xù)下降狀態(tài), 其除了森林覆蓋率有所增長(zhǎng)外, 年平均氣溫、地表水資源、土地生產(chǎn)力均有下降。綜合第一主成分變化趨勢(shì)特點(diǎn)和表征的各指標(biāo)的權(quán)重來(lái)看, 地表水資源、森林覆蓋率和土地生產(chǎn)力權(quán)重較大且對(duì)第一主成分影響較深, 要提高鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量應(yīng)從這三方面入手。第二主成分表征降水量和地下水資源, 主要反映了水資源狀況。水在植物生長(zhǎng)和人類生產(chǎn)生活中起到關(guān)鍵作用, 鄂爾多斯市地處半干旱、干旱地區(qū), 人均天然水資源量、地均天然水資源量均低于全國(guó)、全區(qū)平均水平, 屬于嚴(yán)重貧水地區(qū)[48]。研究期間第二主成分變化波動(dòng)強(qiáng)烈, 2011年為研究期內(nèi)的最低值, 其次是2009年, 主要原因鄂爾多斯市大部地區(qū)的降水量明顯偏少, 水資源供給能力較低, 地下水資源量明顯低于上一年。鄂爾多斯市降水量少, 蒸發(fā)量大[49], 在干旱和不合理開發(fā)的共同影響下, 地下水和出水量均逐漸下降, 破壞了采補(bǔ)平衡, 制約著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展, 造成土壤沙化、草場(chǎng)退化、土地荒漠化等, 干旱缺水已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境發(fā)展的主要限制因素。第三主成分代表了日照時(shí)數(shù), 主要是表征區(qū)域的光照條件的指標(biāo), 研究期間呈波動(dòng)下降趨勢(shì), 這與北京市和濟(jì)南市的研究結(jié)果相似[8,42], 2011之后, 其趨勢(shì)與生態(tài)彈性力變化趨勢(shì)相同。光照對(duì)于植物的重要性不言而喻, 日照時(shí)數(shù)在一定程度上可反映農(nóng)作物生長(zhǎng)率, 是衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候熱量資源的重要指標(biāo)[50]。近年來(lái), 鄂爾多斯市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速, 資源開采也加速增長(zhǎng), 煤炭運(yùn)輸過(guò)程中的煤灰散落、揚(yáng)塵, 致使空氣中可吸入顆粒濃度增加, 再加之鄂爾多斯市土地沙化嚴(yán)重, 全區(qū)90%以上的地域每年都遭受沙塵暴襲擊[51], 對(duì)日照時(shí)數(shù)的變化產(chǎn)生了一定影響。

水資源供給能力是影響鄂爾多斯市生態(tài)彈性力波動(dòng)的首要影響因素, 也是生態(tài)彈性力提高的主要限制因素。這與前人研究中影響鄂爾多斯市資源開發(fā)、城市發(fā)展的限制因素[51]以及同為煤炭資源型區(qū)域的唐山市和榆神礦區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的[18,44]。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的上升是生態(tài)彈性力提高的主要驅(qū)動(dòng)因素, 煤礦城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降, 已成為制約煤礦城市可持續(xù)發(fā)展的重要原因[52]。水資源承載能力很大程度上影響著未來(lái)生態(tài)彈性力, 水資源是制約鄂爾多斯市可持續(xù)發(fā)展的重要因素, 但水資源的量又不能人為隨意地?cái)U(kuò)大, 因此應(yīng)全面節(jié)約用水, 建設(shè)節(jié)約型社會(huì), 充分利用地表水、合理開采地下水, 提高用水效率; 繼續(xù)提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 加強(qiáng)植樹造林, 增加植被多樣性, 改善地表植被結(jié)構(gòu), 提高土地生產(chǎn)力, 努力使現(xiàn)有的自然系統(tǒng)免受人為破壞。

5 結(jié)論

鄂爾多斯市2008—2015年生態(tài)彈性力指數(shù)有所上升, 但一直處于動(dòng)態(tài)波動(dòng)狀態(tài), 波動(dòng)性較強(qiáng), 穩(wěn)定性較差。主成分量分析表明, 生態(tài)環(huán)境發(fā)展對(duì)鄂爾多斯市生態(tài)系統(tǒng)的自我維持和調(diào)節(jié)起到正向作用; 水資源情況是造成鄂爾多斯市生態(tài)彈性力不穩(wěn)定的主要原因; 光照條件對(duì)鄂爾多斯市生態(tài)彈性力變化起著潛在作用。在各項(xiàng)影響因素中, 水資源供給能力是影響鄂爾多斯市生態(tài)彈性力波動(dòng)的首要影響因素, 也是生態(tài)彈性力提高的主要限制因素; 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的上升是生態(tài)彈性力提高的主要驅(qū)動(dòng)因素。為了促進(jìn)生態(tài)彈性力上升, 鄂爾多斯市必須合理配置資源、提高水資源利用率、實(shí)施綠化提升工程、增強(qiáng)土地質(zhì)量等, 以此提高生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力, 以實(shí)現(xiàn)鄂爾多斯市可持續(xù)發(fā)展。

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Evaluation of ecological resilience in Ordos City

ZHENG Xin, CEHNG Yanmei, REN Caifeng, ZHOU Lizhi*

Collaborative Innovation Center for Mine Environmental Remediation and Wetland Ecological Security, School of Resource and Environment Engineering, Anhui University, Hefei 230601,China

Ecosystem resilience is one of the basis factors about regional ecological carrying capacity, which reflects the self-maintenance and self-regulation of the ecosystem, also is an ecological support element for regional sustainable development. The evaluation index system of ecological resilience in Ordos City was constructed by 7 indexes including annual precipitation, annual average temperature, sunshine hours, surface water resources, groundwater resources, forest coverage rate and land productivity from climate, hydrology, vegetation and soil by objective stratification method. Principal component analysis was used to resolve the three principal components that determine the dynamic changes of ecological elasticity, and the index weight of each principal component was determined by the contribution rate of each principal component and the index eigenvectors, and finally the change characteristics of ecological elasticity from 2008 to 2015 were studied. The results indicated that the ecosystem resilience index fluctuated greatly during the studied period rising from 0.372 in 2008 to 0.401 in 2015. However, the fluctuation range was large and showed periodical change. Before 2011, it took basically on a downward trend, falling to the lowest value of 0.233 in 2011, then rising to 0.737 in 2013, which was the highest value in the studied period, and then falling again after 2013. The overall trend of the first principal component was similar to the change trend of ecological elastic force, while the second and third principal components fluctuated strongly and showed a state of decline. Although the ecological elasticity was improved, the ecosystem stability was poor, and the anti-interference and self-regulation ability of the ecosystem was unstable. The analysis showed that the water resource supply capacity was the primary factor influencing the fluctuation of the ecological elastic forces. The improvement of ecological environment quality is the main driving factor to improve ecological elasticity. It is suggested that resources should be rationally allocated in the future to improve the utilization rate of water resources and enhance the self-regulation ability of regional ecosystem. It would be necessary continually to improve the quality of the ecological environment, adjust the industrial structure and achieve the sustainable development of Ordos City.

ecosystem resilience; ecological carrying capacity; principal component analysis; target layering method; Ordos City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.024

X24

A

1008-8873(2019)05-185-08

2018-10-31;

2018-12-04

國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(14ZDB145)

鄭欣(1993—), 女, 山東濰坊人, 碩士, 主要從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究, E-mail: zhengxin1225@qq.com

周立志, 男, 博士, 教授, 主要從事水鳥與濕地生態(tài)學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究, E-mail: zhoulz@ahu.edu.cn

鄭欣, 程艷妹, 任彩鳳, 等. 鄂爾多斯市生態(tài)彈性力評(píng)價(jià)研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(5): 185-192.

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