李康瑋,曾賢剛,王 琦

(中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100872)

資源型城市煤炭開發(fā)過程是指以煤炭資源的開采與洗選為核心,通過土地、資金和勞動的投入,形成與城市功能相適應(yīng)的產(chǎn)業(yè)集聚以及人口集聚的城市化進(jìn)程[1-2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)及其物種所提供的能夠滿足和維持人類生活需要的條件和效用,是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的利益[3]。隨著煤炭資源型地區(qū)逐步形成以煤炭行業(yè)為核心的經(jīng)濟發(fā)展和人口集聚模式,高強度煤炭開發(fā)會對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生脅迫作用,引起地表塌陷、煤煙型大氣污染、地下水資源破壞等問題,進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受到嚴(yán)重破壞甚至惡化[4-6]。在我國生態(tài)文明建設(shè)與資源型城市轉(zhuǎn)型可持續(xù)發(fā)展的背景下,科學(xué)分析煤炭資源型城市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合關(guān)系演變規(guī)律,探明耦合系統(tǒng)內(nèi)部驅(qū)動因素,揭示社會經(jīng)濟因素對耦合關(guān)系的外部驅(qū)動機制,對我國煤炭資源型城市轉(zhuǎn)型建設(shè)、經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

煤炭開發(fā)強度的研究方法主要分為綜合指數(shù)法與單指標(biāo)法。如周毅等[7]采用綜合指數(shù)法,從開發(fā)壓力、環(huán)境狀態(tài)和開發(fā)響應(yīng)3個方面建立礦產(chǎn)資源開發(fā)強度評價指標(biāo)體系;卞正富等[1]則從土地開發(fā)強度、礦區(qū)儲采比2個方面采用綜合指數(shù)法測算煤炭開發(fā)強度。單指標(biāo)法采用的指標(biāo)種類較多,包括開采面積占比、采高、開采推進(jìn)速度、煤炭資源儲采比等[8-9]。長期以來,高強度煤炭開發(fā)從土地、水、大氣 3 個方面對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)造成了嚴(yán)重破壞：一是煤炭開發(fā)造成地表塌陷、煤炭廢棄物堆積等,占用土地資源[4];二是煤炭開發(fā)造成地表水資源污染、地下水資源破壞等,損害水資源[5];三是煤炭開發(fā)中排放大量工業(yè)廢氣,引起煤煙型大氣污染。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對煤炭開發(fā)強度的約束作用主要來自調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、供給服務(wù)、文化服務(wù)4個方面：一是調(diào)節(jié)服務(wù)的破壞會加劇區(qū)域水資源供需矛盾與大氣質(zhì)量惡化,水資源約束、大氣污染治理等將成為約束高強度煤炭開發(fā)的重要因素[10];二是支持服務(wù)的下降促使土地供應(yīng)矛盾不斷激化,土地資源約束、采煤塌陷地復(fù)墾將成為制約煤炭開發(fā)規(guī)模的重要因素[11];三是供給服務(wù)破壞引起的糧食安全問題將形成對煤礦企業(yè)的嚴(yán)格監(jiān)督與約束,并促使其進(jìn)一步落實農(nóng)用地生態(tài)補償[12];四是文化服務(wù)不斷下降難以滿足居民生活環(huán)境需求,這會約束煤礦企業(yè)開采活動并促使其推進(jìn)生態(tài)景觀修復(fù)工程[13]。

目前僅有少數(shù)學(xué)者開展煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合關(guān)系的相關(guān)研究,研究方法主要包括容量耦合模型、系統(tǒng)動力學(xué)、灰色關(guān)聯(lián)分析等[14-17]。已有研究還存在以下不足：一是煤炭開發(fā)強度的指標(biāo)體系有待完善,缺少從土地資源、水資源、大氣環(huán)境資源方面構(gòu)建指標(biāo)體系的研究;二是直接針對煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合關(guān)系的研究較少;三是缺乏社會經(jīng)濟因素對煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合關(guān)系驅(qū)動機制的深入分析。基于以上不足,該研究選取典型煤炭資源成熟型城市淮南市作為研究對象,一是考慮到兩淮煤炭基地是全國14個大型煤炭基地之一,選取淮南市具有一定代表性;二是不同于其他水資源匱乏的中西部煤炭城市,淮南市屬于平原高潛水位地區(qū),地下水資源豐富導(dǎo)致采煤塌陷積水區(qū)較多,具有明顯的區(qū)域代表性;三是淮南市為煤炭資源成熟型城市,城市轉(zhuǎn)型發(fā)展與生態(tài)治理效果顯著,以該市為研究對象對其他煤炭型城市經(jīng)濟生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展有一定借鑒價值。鑒于此,在構(gòu)建煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)體系基礎(chǔ)上,基于容量耦合模型揭示淮南市2005—2018年煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度的時序變化規(guī)律,結(jié)合耦合系統(tǒng)指標(biāo)體系,通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法得出耦合關(guān)系變化的主要內(nèi)部驅(qū)動因素,繼而引入環(huán)境治理水平、煤炭產(chǎn)業(yè)依賴、煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益、煤炭產(chǎn)業(yè)效率等社會經(jīng)濟因素,通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法得出耦合關(guān)系變化的主要驅(qū)動因素,以揭示該市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合發(fā)展態(tài)勢及驅(qū)動機制,以期為保障煤炭資源型地區(qū)轉(zhuǎn)型建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

淮南市是華東地區(qū)最大的煤炭資源型城市,位于安徽省中北部,地理位置為31°54′08″～33°00′26″ N,116°21′05″～117°12′30″ E?；茨鲜鞋F(xiàn)轄6個區(qū)縣,包括田家庵區(qū)、八公山區(qū)、潘集區(qū)、謝家集區(qū)、大通區(qū)、鳳臺縣(壽縣在2015年底從六安市劃入淮南市,且壽縣無煤炭資源,故研究區(qū)范圍不包括壽縣),研究區(qū)總面積為 2 584 km2?；茨鲜忻禾績α控S富,遠(yuǎn)景儲量444×108t,占安徽省煤炭儲量的70%、華東地區(qū)煤炭儲量的1/3,是中國14個億噸煤炭基地之一,被稱為“建在金庫上的城市”“華東工業(yè)糧倉”。高強度煤炭開發(fā)導(dǎo)致了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題,包括采空區(qū)地表沉陷、地下水資源破壞、煤煙型大氣污染等。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

煤炭開發(fā)強度評價所需的土地塌陷系數(shù)、煤炭開發(fā)廢棄物占地系數(shù)和煤礦富水系數(shù)參考相關(guān)研究[18-20]得到,其余污染物排放數(shù)據(jù)采用煤炭行業(yè)工業(yè)增加值乘以單位工業(yè)增加值排放量的方法進(jìn)行估算[21]。該研究中的煤炭行業(yè)范圍為煤炭開采和洗選業(yè),相關(guān)數(shù)據(jù)來自2005—2018年《淮南統(tǒng)計年鑒》《淮南市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《安徽統(tǒng)計年鑒》《中國城市統(tǒng)計年鑒》等。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價所需的土地利用數(shù)據(jù)來自淮南市國土資源局提供的2005—2018年土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)。由于研究范圍不包括壽縣,已將壽縣的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。為保證不同度量單位的數(shù)據(jù)反映原始變量的絕大部分信息,使用極值法[22]和變異系數(shù)法[23]對統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)及處理所得數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理及權(quán)重運算,繼而運用線性加權(quán)法分別計算煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合指數(shù)。

2 研究方法

2.1 煤炭開發(fā)強度指標(biāo)體系構(gòu)建

煤炭開發(fā)強度越大,對土地資源、水資源、大氣環(huán)境資源的開發(fā)利用程度越高。因此,基于指標(biāo)選取的系統(tǒng)性、相關(guān)性和可操作性等原則,從土地資源開發(fā)、水資源開發(fā)和大氣容量資源開發(fā)3個方面構(gòu)建煤炭開發(fā)強度綜合評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 煤炭開發(fā)強度綜合評價指標(biāo)體系

(1)土地資源開發(fā)強度。選取采煤土地塌陷面積占比、煤炭開發(fā)廢棄物占地面積占比2項指標(biāo)反映煤炭開發(fā)對土地資源的開發(fā)程度。測算思路分為2個部分：①淮南礦區(qū)每開采1萬t煤炭塌陷面積為0.19 hm2[18],結(jié)合該區(qū)域煤炭產(chǎn)量與研究區(qū)面積,得出相應(yīng)年份采煤土地塌陷面積占比;②該地區(qū)每排放1萬t煤炭開發(fā)廢棄物,平均占地面積為0.28 hm2[19],淮南市煤炭開發(fā)排放的廢棄物主要來自煤炭開采和洗選業(yè),由于缺少淮南市煤炭行業(yè)工業(yè)固體廢棄物排放量統(tǒng)計資料,采用煤炭行業(yè)工業(yè)增加值乘以單位工業(yè)增加值污染物排放量的方法[21],即以淮南市煤炭行業(yè)工業(yè)增加值占該市工業(yè)增加值的比例為折算系數(shù),對煤炭行業(yè)的工業(yè)固體廢棄物排放量進(jìn)行估算,繼而得到該市煤炭開發(fā)廢棄物占地面積,結(jié)合研究區(qū)面積得出煤炭開發(fā)廢棄物占地面積占比。

(2)水資源開發(fā)強度。選取采煤地下水資源破壞量占比、人均煤炭行業(yè)工業(yè)廢水排放量2項指標(biāo)反映煤炭開發(fā)對水資源的開發(fā)程度。測算思路分為2個部分：①參照相關(guān)研究成果,安徽省平均煤礦富水系數(shù)為2.59,即安徽省每開采1 t煤炭礦井水產(chǎn)生量為2.59 m3[21]。由于缺乏淮南地區(qū)煤礦富水系數(shù)的相關(guān)研究,導(dǎo)致該地區(qū)煤礦富水系數(shù)缺失,以安徽省煤礦富水系數(shù)代替,根據(jù)每年淮南市煤炭產(chǎn)量和地下水資源量計算得到相應(yīng)年份煤炭開發(fā)造成地下水資源的破壞量占地下水資源總量的比例。②淮南市煤炭開發(fā)排放的工業(yè)廢水主要來自煤炭開采和洗選業(yè),測算思路和上文一致,結(jié)合淮南市人口統(tǒng)計數(shù)據(jù),得出人均煤炭行業(yè)工業(yè)廢水排放量。

(3)大氣環(huán)境資源開發(fā)強度。選取人均煤炭行業(yè)工業(yè)粉塵排放量、人均煤炭行業(yè)工業(yè)二氧化硫排放量2項指標(biāo)反映煤炭開發(fā)對大氣環(huán)境資源的開發(fā)程度。淮南市煤炭開發(fā)排放的工業(yè)粉塵和二氧化硫主要來自煤炭開采和洗選業(yè),測算思路和上文一致。參考當(dāng)前指標(biāo)評價的量化研究[2],開發(fā)強度等級劃分如下：0～0.47,低強度開發(fā);>0.47～0.73,中強度開發(fā);>0.73～1,高強度開發(fā)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)體系構(gòu)建

參照謝高地等[24]的研究,從供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)4個方面構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價指標(biāo)體系。首先基于謝高地等[24]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估模型,計算淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。其計算公式為

VES=∑AkVk。

(1)

式(1)中,VES為生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)價值,元;Ak為第k種土地利用類型面積,hm2;Vk為第k種土地利用類型單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量系數(shù),元·hm-2。

考慮到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值具有區(qū)域差異性,參考徐麗芬等[25]的研究成果,采用淮南市糧食單位面積產(chǎn)量與全國糧食單位面積產(chǎn)量的比值1.07作為修訂系數(shù),對文獻(xiàn)[24]中的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表進(jìn)行修訂,得到淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表(表2)。建設(shè)用地對自然生態(tài)環(huán)境破壞較大,在此只計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的正效用,因此不核算建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。沒有人力資本投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值的1/7[26],根據(jù)《淮南統(tǒng)計年鑒》得出淮南市2015—2018年平均糧食產(chǎn)量為 6 385.27 kg·hm-2,根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會公布的2018年稻谷最低收購價,確定糧食價格為 2.51元·kg-1,得出淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子的經(jīng)濟價值量為2 286.54 元·hm-2。根據(jù)《安徽統(tǒng)計年鑒》《淮南統(tǒng)計年鑒》中淮南市2005—2018年土地利用調(diào)查數(shù)據(jù),得到2005—2018年淮南市各土地利用類型面積(已剔除壽縣的土地數(shù)據(jù)),結(jié)合表2得到2005—2018年淮南市生態(tài)系統(tǒng)各項服務(wù)價值,繼而使用極值法、變異系數(shù)法處理得到淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評價指標(biāo)體系(表3)。

表2 淮南市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

表3 淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評價指標(biāo)體系

2.3 耦合度測算

耦合度測算是度量2個系統(tǒng)間相互作用的強弱程度,判斷系統(tǒng)間矛盾的尖銳程度,從而揭示系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢的常用方法之一[22]。借鑒物理學(xué)中的容量耦合模型分析淮南市2005—2018年煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合度。耦合度模型[22]為

(2)

式(2)中,μ1為煤炭開發(fā)強度綜合評價指數(shù);μ2為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評價指數(shù);C為耦合度,取值為[0,1]。通過耦合系統(tǒng)指標(biāo)體系所展示的耦合作用本質(zhì)上是一種負(fù)向耦合[27],即兩者處于相互制約狀態(tài),這表現(xiàn)為煤炭開發(fā)造成的脅迫作用使得生態(tài)系統(tǒng)不斷退化,而不斷退化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)會持續(xù)制約煤炭開發(fā)的進(jìn)行。煤炭開發(fā)強度越大,脅迫作用越大,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)下降就越快,其對煤炭開發(fā)的約束作用就越大,兩者矛盾不斷激化,促使耦合度不斷上升,除非受到外部干預(yù)(煤炭企業(yè)綠色轉(zhuǎn)型、生態(tài)治理修復(fù)等),兩者會一直處于惡性循環(huán)中。鑒于此,對煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合階段特征的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分,詳見表4。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析

采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法探明煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度變化的主要驅(qū)動因素,該方法根據(jù)序列曲線的幾何相似程度來判斷相應(yīng)序列間聯(lián)系是否緊密,與相關(guān)分析和回歸分析相比更能真實客觀地反映系統(tǒng)的主要影響因素及差異性[14]。具體測算過程包括3個步驟。

第2步,對耦合度和各驅(qū)動因素進(jìn)行分析,計算各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(3)

第3步,將關(guān)聯(lián)系數(shù)按年期T求其平均值,得到關(guān)聯(lián)度Am。

(4)

若0

表4 煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合階段與特征劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合水平分析

3.1.1煤炭開發(fā)強度綜合水平變化

由圖1可知,2005—2018年淮南市煤炭開發(fā)強度先由2005年的0.573 1持續(xù)升至2010年的0.842 1,然后再由2011年的0.767 8降至2018年的0.356 4,由中強度開發(fā)水平逐步過渡到低強度開發(fā)水平,整體上呈倒“U”型變化趨勢。2005—2010年煤炭開發(fā)強度呈持續(xù)上升趨勢,土地資源開發(fā)強度、水資源開發(fā)強度均呈上升趨勢,大氣環(huán)境資源開發(fā)強度則長期處于較高水平,這表明在此期間淮南市經(jīng)濟發(fā)展過度依賴煤炭開發(fā),促使煤炭開發(fā)強度不斷增加,生態(tài)環(huán)境破壞較為嚴(yán)重,尤其是大氣污染物排放問題[28]。2011年以來煤炭開發(fā)強度呈下降趨勢,這是因為2007年國務(wù)院下發(fā)《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)資源型城市可持續(xù)發(fā)展的若干意見》以來,淮南市加快推進(jìn)資源型城市煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展,開始重視煤炭開發(fā)技術(shù)升級、生態(tài)治理與修復(fù)工程,土地塌陷、水資源破壞和大氣污染等現(xiàn)象得到遏制,煤炭開發(fā)強度逐漸降低。尤其是2013年國務(wù)院下發(fā)《全國資源型城市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》以來,淮南市城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型進(jìn)一步加快,逐步擺脫煤炭產(chǎn)業(yè)依賴,煤炭產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢,同時淮南市政府高度重視生態(tài)環(huán)境問題,不斷開展土地復(fù)墾與煤炭產(chǎn)業(yè)“三廢”治理工作,煤炭開發(fā)強度呈快速下降趨勢[29]。

圖1 2005—2018年淮南市煤炭開發(fā)強度變化

3.1.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合水平變化

結(jié)合式(1)和表2～3,計算得到淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合水平時序變化趨勢(圖2)。同時參照文獻(xiàn)[30],以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強度即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與面積的比值為基準(zhǔn),比較淮南市不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的強弱,從空間角度深入探究該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化特征(圖3)。

由圖2可知,2005—2018年淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)呈“L”型下降趨勢,且呈現(xiàn)顯著的階段性特征。其中,2005—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)年均下降率為0.81%,呈現(xiàn)快速下降趨勢。結(jié)合圖1可知,高強度煤炭開發(fā)活動是重要的驅(qū)動因素。2011—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)年均下降率為0.41%,下降趨勢得到緩解,究其原因是同期淮南市高度重視生態(tài)環(huán)境保護(hù),持續(xù)推進(jìn)生態(tài)治理工程,尤其是2013年以來淮南市城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型進(jìn)一步加快,逐步擺脫煤炭產(chǎn)業(yè)依賴,煤炭開發(fā)強度呈快速下降趨勢(圖1),以上原因促使生態(tài)環(huán)境得到修復(fù),從而扭轉(zhuǎn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)快速下降的趨勢[30]。

圖2 2005—2018年淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)變化

圖3 2005和2018年淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強度空間分布

由圖3可知,淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強度整體呈東部和南部高、西北部偏低的空間格局,這是因為淮南市煤炭開采區(qū)主要分布在西北部,形成以鳳臺縣、潘集區(qū)為核心的煤炭資源重點開采區(qū),這導(dǎo)致鳳臺縣、潘集區(qū)生態(tài)用地面積大幅減少,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強度長期處于較低水平。大通區(qū)、謝家集區(qū)和八公山區(qū)等傳統(tǒng)采煤區(qū)域以生態(tài)修復(fù)與治理為主,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)恢復(fù)良好,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強度長期處于較高水平。田家庵區(qū)是淮南市的主城區(qū),隨著城鎮(zhèn)化的不斷深入,建設(shè)用地面積不斷增加,該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)一直沒有得到有效恢復(fù),導(dǎo)致該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最弱。根據(jù)筆者統(tǒng)計,2005—2018年間淮南市生態(tài)用地(耕地、園地、林地、水域、未利用地)減少10 223.29 hm2,其中煤炭資源重點開采區(qū)鳳臺縣生態(tài)用地減少8 688.48 hm2,占比高達(dá)85%,大規(guī)模煤炭開采可直接導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,促使區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈下降趨勢。

3.2 耦合度

由圖4可見,2005—2018年淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合度基本上處于0.4～0.5之間,這說明淮南市煤炭開發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有中等強度的耦合關(guān)系。耦合度先由2005年的0.481 2升至2010年的0.498 9,然后再由2011年的0.497 0持續(xù)下降至2018年的0.447 6,整體上呈現(xiàn)倒“U”型變化趨勢。2005—2010年,淮南市煤炭開發(fā)強度不斷提升,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈下降趨勢,在區(qū)域經(jīng)濟環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展要求下,煤礦企業(yè)不斷實施生態(tài)治理工程,但是其治理效果與力度未能跟上煤炭工業(yè)的快速發(fā)展,兩者矛盾不斷激化,相互作用不斷增強,導(dǎo)致其耦合度不斷上升。2011—2018年,淮南市加快推進(jìn)城市轉(zhuǎn)型發(fā)展[29],煤炭產(chǎn)量不再大幅增加,煤炭開發(fā)強度逐漸減小,同時淮南市政府高度重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)下降速度開始減緩(圖2),所以煤炭開發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合度開始呈下降趨勢,特別是2013年以來淮南市煤炭資源產(chǎn)量持續(xù)降低,煤炭開發(fā)強度持續(xù)減小,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)下降速度進(jìn)一步減緩,促使其耦合度不斷降低,這充分體現(xiàn)出淮南市推進(jìn)煤炭資源型城市轉(zhuǎn)型建設(shè)卓有成效,并出現(xiàn)了經(jīng)濟生態(tài)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢[30]。

圖4 淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度的時序變化

3.3 驅(qū)動因素

煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度的倒“U”型變化趨勢是耦合系統(tǒng)內(nèi)部驅(qū)動因素、外部驅(qū)動因素共同作用的結(jié)果,其中內(nèi)部驅(qū)動因素來自煤炭開發(fā)強度子系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)子系統(tǒng),外部驅(qū)動因素來自社會經(jīng)濟系統(tǒng)。為進(jìn)一步探討煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度的主要驅(qū)動因素,基于耦合系統(tǒng)指標(biāo)體系、相關(guān)社會經(jīng)濟指標(biāo),利用灰色關(guān)聯(lián)模型對其進(jìn)行實證分析,進(jìn)而探明耦合度變化的主要驅(qū)動因素。

3.3.1內(nèi)部驅(qū)動因素

基于前文構(gòu)建的煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合系統(tǒng)指標(biāo)體系,采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法分別從煤炭開發(fā)強度、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)中確定主要內(nèi)部驅(qū)動因素,結(jié)果見表5。由表5可知,煤炭開發(fā)強度指標(biāo)體系與耦合度的關(guān)聯(lián)度均在0.5以上,屬于中等關(guān)聯(lián)。其中,采煤土地塌陷面積占比關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.728 4,屬于較強關(guān)聯(lián),這表明高強度煤炭開發(fā)帶來的土地塌陷問題是兩者耦合度變化的重要驅(qū)動因素。究其原因,結(jié)合圖1、圖4可知,淮南市采煤土地塌陷面積占比越高,煤炭開發(fā)強度越大,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)下降趨勢越明顯,兩者矛盾不斷激化,相互作用不斷增強,導(dǎo)致其耦合度不斷上升[14]。其余驅(qū)動因素按影響程度從強到弱排序依次為采煤地下水資源破壞量占比>煤炭開發(fā)廢棄物占地面積占比>人均煤炭行業(yè)工業(yè)廢水排放量>人均煤炭行業(yè)工業(yè)二氧化硫排放量>人均煤炭行業(yè)工業(yè)粉塵排放量。

表5 淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度內(nèi)部驅(qū)動因素及排序

總體來看,土地資源開發(fā)、水資源開發(fā)是主要的內(nèi)部驅(qū)動因素,大氣環(huán)境資源開發(fā)對兩者耦合度變化的影響相對較小,該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)體系與耦合度的關(guān)聯(lián)度均在0.5以上,屬于中等關(guān)聯(lián)。其中,關(guān)聯(lián)度排名前3位的指標(biāo)分別為食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、保持土壤服務(wù)。這說明目前淮南市農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展、土地資源緊缺是兩者耦合度變化的重要驅(qū)動因素。結(jié)合圖3可知,淮南市煤炭開發(fā)促使耕地等生態(tài)用地面積大幅減少,導(dǎo)致區(qū)域糧食安全問題與土地供應(yīng)矛盾激化,這對煤炭企業(yè)的開發(fā)活動形成嚴(yán)重制約,促進(jìn)兩者耦合度不斷上升[12]。總體來看,供給服務(wù)、支持服務(wù)是主要的內(nèi)部驅(qū)動因素,調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)對兩者耦合度變化的影響相對較小。

3.3.2外部驅(qū)動因素

城市是典型的社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[31],煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合關(guān)系是經(jīng)濟子系統(tǒng)、自然子系統(tǒng)相互作用的直觀體現(xiàn),但同時也會受到系統(tǒng)內(nèi)部其他因素的影響,尤其是區(qū)域煤炭行業(yè)的發(fā)展質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度,對兩者耦合關(guān)系演變起到最直接作用[32-33]。從煤炭行業(yè)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)2個方面選取煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益、煤炭產(chǎn)業(yè)效率、煤炭產(chǎn)業(yè)依賴、環(huán)境治理投入、環(huán)境治理水平、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量6項指標(biāo),探析淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合關(guān)系變化的主要驅(qū)動因素(表6)。

由表6可知,煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益、煤炭產(chǎn)業(yè)效率、煤炭產(chǎn)業(yè)依賴、環(huán)境治理水平、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量5個驅(qū)動因素與耦合度關(guān)聯(lián)度都在0.6以上,屬于較強關(guān)聯(lián)度,這表明以上驅(qū)動因素與兩者耦合關(guān)系變化均具有密切聯(lián)系。其中,環(huán)境治理水平、煤炭產(chǎn)業(yè)依賴與耦合度關(guān)聯(lián)度分別高達(dá)0.949 2、0.848 3,屬于極強關(guān)聯(lián)。驅(qū)動因素按影響程度從強到弱排序依次為環(huán)境治理水平>煤炭產(chǎn)業(yè)依賴>生態(tài)環(huán)境質(zhì)量>煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益>煤炭產(chǎn)業(yè)效率>環(huán)境治理投入。

表6 淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度的驅(qū)動因素及排序

(1)環(huán)境治理水平。環(huán)境污染治理與耦合關(guān)系的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.949 2,這說明淮南市環(huán)境治理水平是影響淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度變化的重要因素。2011年以來淮南市一方面不斷開展煤炭產(chǎn)業(yè)“三廢”治理工作,促使煤炭開發(fā)強度持續(xù)下降;一方面大力推進(jìn)生態(tài)修復(fù)與治理工程,促使生態(tài)環(huán)境得到有效修復(fù),從而扭轉(zhuǎn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)快速下降的趨勢。以上兩方面因素促使淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互作用變?nèi)?導(dǎo)致兩者耦合度的不斷降低,出現(xiàn)了經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢。

(2)煤炭產(chǎn)業(yè)依賴。煤炭產(chǎn)業(yè)依賴與耦合關(guān)系變化的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.848 3,這說明煤炭產(chǎn)業(yè)依賴是影響淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度變化的重要因素。2011年以來淮南市加快推進(jìn)城市轉(zhuǎn)型發(fā)展,逐步降低煤炭產(chǎn)業(yè)依賴,煤炭產(chǎn)量不再大幅增加,煤炭開發(fā)強度逐漸減小。這會有效緩解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受到破壞的程度,促進(jìn)煤炭開發(fā)強度與生態(tài)環(huán)境的矛盾不斷得到緩和,導(dǎo)致兩者的耦合度呈下降趨勢,說明降低煤炭產(chǎn)業(yè)依賴是資源型城市經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[34]。

(3)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與耦合關(guān)系的關(guān)聯(lián)度為0.776 0,這說明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是影響淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度變化的重要因素。該區(qū)域煤炭開發(fā)促使生態(tài)用地面積大幅減少,開展土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)可以提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,緩解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的下降趨勢,進(jìn)而促使兩者耦合度下降[35]。根據(jù)筆者統(tǒng)計,淮南市2005—2018年人均綠地面積保持穩(wěn)步上升趨勢,由2005年的21.28上升至2018年的30.06 m2·人-1,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到顯著提升,使煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度明顯降低。

(4)煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益。煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益與耦合關(guān)系變化的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.704 3,這說明煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益是影響淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度變化的重要因素。相關(guān)研究表明,較高的煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益一方面可以促進(jìn)煤炭開發(fā)技術(shù)綠色升級,降低煤炭資源開發(fā)的強度;一方面較高的經(jīng)濟效益可為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供經(jīng)濟基礎(chǔ)和資金保障, 在提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的同時促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平增加[36],以上兩方面因素促使淮南市耦合度不斷降低。

(5)煤炭產(chǎn)業(yè)效率。煤炭產(chǎn)業(yè)效率與耦合關(guān)系變化的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.691 6,這說明煤炭產(chǎn)業(yè)效率是影響淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度變化的重要因素。已有研究表明,較高的產(chǎn)業(yè)效率意味著煤炭企業(yè)以更少的資源投入獲得更高的產(chǎn)出,煤炭產(chǎn)業(yè)效率越高,所開發(fā)利用的土地、水、大氣環(huán)境資源越少,煤炭開發(fā)強度也會越低,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)造成的影響也越小,進(jìn)而促進(jìn)兩者耦合度下降[36]。萬元產(chǎn)值綜合能耗是重要的產(chǎn)業(yè)效率指標(biāo),2005—2018年淮南市煤炭產(chǎn)業(yè)萬元產(chǎn)值綜合能耗由2005年的0.52下降到2018年的0.25 t·萬元-1(以標(biāo)準(zhǔn)煤計),有力促進(jìn)了煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度的降低。

(6)環(huán)境治理投入。環(huán)境治理投入與耦合關(guān)系變化的關(guān)聯(lián)度為0.498 5,這說明淮南市環(huán)境治理投入對降低兩者之間的耦合度具有一定的促進(jìn)作用。環(huán)境治理投入為生態(tài)治理與修復(fù)活動提供經(jīng)濟基礎(chǔ)和資金保障,進(jìn)而促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的恢復(fù)與提升,使兩者尖銳矛盾從對抗走向緩和[37]。根據(jù)筆者統(tǒng)計,淮南市2005—2018年工業(yè)污染治理投入呈波動上升趨勢,其對緩解淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)尖銳矛盾作用較小,這說明淮南市工業(yè)污染治理投入需要進(jìn)一步加大,不斷改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,進(jìn)而促進(jìn)煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合度降低。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1)2005—2018年淮南市煤炭開發(fā)強度呈倒“U”型變化趨勢,由中強度開發(fā)水平逐步過渡到低強度開發(fā)水平,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)呈“L”型下降趨勢,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不斷受到破壞,該地區(qū)4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)占比大小依次為調(diào)節(jié)服務(wù)>支持服務(wù)>文化服務(wù)>供給服務(wù)。

(2)2005—2018年淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合度基本處于0.4～0.5之間,總體上呈中等耦合態(tài)勢,且耦合度變化呈現(xiàn)出倒“U”型變化趨勢,其中,2005—2010 年間兩者耦合度不斷升高,但于2011年之后又呈下降趨勢,這反映該地區(qū)煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)兩者之間矛盾趨于緩和,出現(xiàn)了統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展的大好形勢。

(3)采煤土地塌陷面積占比、食物生產(chǎn)服務(wù)是淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合關(guān)系的主要內(nèi)部驅(qū)動因素?？傮w來看,土地資源開發(fā)、水資源開發(fā)、供給服務(wù)和支持服務(wù)對兩者耦合度變化的影響相對較大,大氣環(huán)境資源開發(fā)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)影響相對較小,

(4)環(huán)境治理水平、煤炭產(chǎn)業(yè)依賴是淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合關(guān)系的主要驅(qū)動因素,其與耦合度的關(guān)聯(lián)度分別為0.949 2、0.848 3,其余驅(qū)動因素按影響程度從強到弱排序依次為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量>煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益>煤炭產(chǎn)業(yè)效率>環(huán)境治理投入。

4.2 建議

(1)降低煤炭產(chǎn)業(yè)依賴,重視煤炭產(chǎn)業(yè)效益與效率提升。煤炭產(chǎn)業(yè)依賴、煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益、煤炭產(chǎn)業(yè)效率是淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合關(guān)系的主要驅(qū)動因素,因此淮南市一是需要繼續(xù)推進(jìn)城市轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展,逐步擺脫對煤炭產(chǎn)業(yè)的依賴,盡快形成若干支柱型接續(xù)替代產(chǎn)業(yè);二是需注重提高煤炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益與產(chǎn)業(yè)效率,以更少的煤炭資源獲取最大的經(jīng)濟產(chǎn)出,減少對生態(tài)環(huán)境的破壞。

(2)加大生態(tài)治理與修復(fù)力度,重視土地資源短缺與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。研究顯示環(huán)境治理水平是淮南市煤炭開發(fā)強度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合關(guān)系的最重要驅(qū)動因素,因此淮南市應(yīng)繼續(xù)加大生態(tài)治理與修復(fù)資金投入,尤其是采煤塌陷地生態(tài)修復(fù)與綜合治理工作,解決土地資源短缺與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題,解決煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展所面臨的生態(tài)約束現(xiàn)狀,從而做到提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的能力。

(3)注重生態(tài)用地保護(hù),優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和布局。研究顯示高強度煤炭開采引起的生態(tài)用地減少是淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)減少的原因,增加生態(tài)用地面積可以有效提高淮南市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,為淮南市煤炭開發(fā)等經(jīng)濟活動提供堅實保障。因此淮南市需繼續(xù)調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)與空間布局,考慮縣、區(qū)之間生態(tài)用地的空間差異等因素,兼顧社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益,實現(xiàn)煤炭開發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

(4)堅持因地制宜的發(fā)展方針,實施區(qū)域差別化發(fā)展對策。鳳臺縣、潘集區(qū)等煤炭資源重點開采區(qū)應(yīng)當(dāng)在注重區(qū)域生態(tài)用地保護(hù)的基礎(chǔ)上,積極推進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化;大通區(qū)、謝家集區(qū)和八公山區(qū)等傳統(tǒng)采煤區(qū)域以生態(tài)修復(fù)與治理為主,探索生態(tài)產(chǎn)品價值實現(xiàn)機制,促進(jìn)生態(tài)效益與經(jīng)濟效益雙重提升;田家庵區(qū)在繼續(xù)推進(jìn)城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的同時,需注重提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的能力。