吳婧慈,劉超,邵晨,趙晟
(1.浙江海洋大學 舟山 316022;2.國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心 舟山 316022)
生態(tài)環(huán)保
基于熵權(quán)的海島地區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康動態(tài)評價研究
——以舟山群島新區(qū)為例
吳婧慈1,2,劉超1,邵晨1,2,趙晟1,2
(1.浙江海洋大學 舟山 316022;2.國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心 舟山 316022)
文章將舟山群島新區(qū)作為研究對象,以結(jié)構(gòu)、功能、協(xié)調(diào)這3個基準點為視角,構(gòu)建舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標體系;運用熵權(quán)法進行客觀賦權(quán),探討海島地區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康的主要影響因素;分析系統(tǒng)各主要因素間彼此的聯(lián)系和相互關系,評價舟山城市生態(tài)系統(tǒng)健康動態(tài),以便進一步提高舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平,優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu),為加強海島地區(qū)生態(tài)與環(huán)境管理,促進海島地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展提供決策依據(jù)。研究結(jié)果表明:近年來,舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康程度以穩(wěn)中有升的趨勢在不斷提高;結(jié)構(gòu)指數(shù)有小幅波動,功能指數(shù)波動顯著,改善明顯,其中,城市環(huán)境是造成結(jié)構(gòu)指數(shù)波動的主要原因。城市文明率較低和可持續(xù)性持續(xù)走低是城市協(xié)調(diào)度的主要限制因素。由此,優(yōu)化資源配置、改善經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、持續(xù)減排、提升城市環(huán)境是確保舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平的關鍵。
舟山群島新區(qū);城市生態(tài)系統(tǒng);熵權(quán)法;生態(tài)評價
伴隨著人們對生態(tài)環(huán)境的日益關注,對生態(tài)系統(tǒng)健康的研究也越發(fā)深入,眾多學者分別從不同的學科視角和研究個案出發(fā),對生態(tài)系統(tǒng)健康的概念、生態(tài)系統(tǒng)健康的影響因子及評價指標的選擇和方法等方面進行了研究[1-2]。早期學者主要關注自然生態(tài)系統(tǒng)的健康,大部分研究主要集中在湖泊/流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價[3]、森林生態(tài)系統(tǒng)健康長期監(jiān)測[4]、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康評價[5]等方面。但近些年來,研究熱點轉(zhuǎn)移到對城市生態(tài)系統(tǒng)健康的研究,城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價是按照生態(tài)系統(tǒng)的觀點,運用生態(tài)學和環(huán)境科學的相關理論和方法,對城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和協(xié)調(diào)性等進行綜合評價,以確定該系統(tǒng)的發(fā)展水平、發(fā)展?jié)摿椭萍s因素,是城市生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)建設和生態(tài)管理的依據(jù)[6]。正確評價城市生態(tài)系統(tǒng),了解城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,對于引導城市發(fā)展方向以及實現(xiàn)各方發(fā)展的可持續(xù)均具有重要意義。
國內(nèi)外有關城市生態(tài)系統(tǒng)健康的研究已有很多。國際上,在“人類健康的生態(tài)系統(tǒng)研究方法”(Ecosystem Approaches to Human Health)的研究報告中,就曾詳盡地分析探討了城市生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵、標準、評價指標、城市生態(tài)系統(tǒng)的管理目標、管理方式和采取的政策措施等[7]。Jerry等[8]通過采用驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-暴露-影響-響應模型,探討了城市生態(tài)系統(tǒng)健康的概念及建立評價指標體系的理論、方法的建立問題。Guidotli[9]對城市生態(tài)系統(tǒng)健康的研究進展及研究趨勢進行了綜述分析。國內(nèi),郭秀銳等[10]應用生態(tài)系統(tǒng)健康的理論與方法,探討城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的方法,采用模糊數(shù)學方法建立了評價模型,并以廣州市為例,參比北京、上海,對其作生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的比較評價。曾勇等[11]采用壓力-狀態(tài)-響應模型構(gòu)建出城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系框架,建立模糊優(yōu)選評價模型,并以上海為例做出評價。官冬杰等[12]通過定性和定量分析構(gòu)建了五大類32項的評價指標體系,提出評價城市生態(tài)系統(tǒng)健康的初級指標體系,以重慶為對象作實例研究,將北京、天津、上海作為參比城市進行了對比分析評價。馬爽爽等[13]利用自相似理論與分形理論計算系統(tǒng)分維數(shù),建立了基于土地利用空間格局的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,借助于GIS和數(shù)學分形理論對湖州市城市生態(tài)系統(tǒng)健康進行定量評估。魏婷等[14]采用突變級數(shù)法,對廈門城市生態(tài)系統(tǒng)健康進行了定量評估,通過時間序列的比較對系統(tǒng)健康的發(fā)展趨勢進行了分析。于蘇建[15]采用投影尋蹤模型,對福州市、廈門市和泉州市2007年的城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行評價。郭銳利等[16]建立熵權(quán)綜合評價模型,對2005—2009年期間重慶市城市生態(tài)系統(tǒng)健康進行了評價,建立GM(1,1)灰色預測模型,對2010—2015年期間重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康進行了動態(tài)預測分析。景彩娥等[17]采用主觀賦權(quán)法和CRITIC法確定權(quán)重,運用模糊綜合法分析了2000—2009年太原市城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平,同時應用灰色預測模型對2010—2050年太原城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平進行預測。
綜上而言,已有的城市生態(tài)系統(tǒng)健康研究主要是對內(nèi)陸區(qū)域的城市評價,針對海島地區(qū)的城市生態(tài)健康研究較少,海島地區(qū)由于其特殊的地理區(qū)位,在生態(tài)、經(jīng)濟、社會等方面都存在著其獨特特征。從地理環(huán)境角度上看,海島地理位置特殊,相對孤立地處于海洋之中,島嶼和大陸分開,島與島之間和島與陸地之間聯(lián)系較為困難,長期分離而形成了不同的生態(tài)條件。其次,由于海島的地理隔離和生態(tài)隔離,其土地資源及森林資源相當有限,資源稀缺,生態(tài)系統(tǒng)脆弱,淡水資源短缺,環(huán)境承載力有限,經(jīng)濟發(fā)展存在較強局限性和依賴性[18]。由于其自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的特殊性,海島地區(qū)的城市發(fā)展狀況必然不同于內(nèi)陸縣域經(jīng)濟或沿海區(qū)域經(jīng)濟,更不同于現(xiàn)代化都市,它在生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟和社會發(fā)展等方面都具有獨特性。針對目前的研究現(xiàn)狀,在總結(jié)以往學者研究成果的基礎上,本研究嘗試構(gòu)建海島地區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系,以舟山群島新區(qū)為實例研究對象對其做城市生態(tài)健康動態(tài)評價。
舟山是我國首個以群島建制的地級市,近年來發(fā)展迅猛,基礎設施建設、人口及用地規(guī)模等都有著不同程度的提升與擴大。在新區(qū)建設的過程中不免存在著資源浪費、環(huán)境污染、大范圍廢棄物排放等諸多問題,對于自然正常的生態(tài)系統(tǒng)和功能結(jié)構(gòu)造成了巨大的沖擊與破壞。生態(tài)環(huán)境問題不容忽視,所以,科學地評價舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況十分必要,基于此,本研究選取近5年的數(shù)據(jù),運用“熵權(quán)法”對數(shù)據(jù)進行處理分析,評價舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。
參考宋永昌教授(我國城市生態(tài)學專家)等[19]生態(tài)城市的指標體系與評價方法一文,以綜合性、代表性、可比性、可操作性為原則確定本研究的評價指標體系,設置了舟山群島新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康的評價標準[20]。本研究指標體系主要劃分為結(jié)構(gòu)、功能、協(xié)調(diào)3個主要素,共涉及十大因素,30項指標(表1),其中權(quán)重的確定由本研究2.2.2的方法計算得出。指標體系中,結(jié)構(gòu)是表現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜性,涉及人口結(jié)構(gòu)、基礎設施、城市環(huán)境、城市綠化4個方面;功能是反映相關環(huán)境污染符合程度,以物質(zhì)還原、資源配置、生產(chǎn)效率3個方面來得以體現(xiàn);協(xié)調(diào)是衡量在發(fā)展過程中系統(tǒng)及其內(nèi)部各個要素間彼此的和諧程度,它能體現(xiàn)系統(tǒng)無序至有序的變化趨勢,以社會保障、城市文明、可持續(xù)性3項指標來得以體現(xiàn)。30項指標中,除環(huán)境噪聲、萬元產(chǎn)值能耗、失業(yè)率、刑事案件發(fā)生率的指標性質(zhì)為“-”外,其余均為“+”。
表1 舟山群島新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系及其權(quán)重
3.1 數(shù)據(jù)來源及說明
本研究的數(shù)據(jù)主要來源于《浙江省統(tǒng)計年鑒》(2011—2015年)、《舟山市統(tǒng)計年鑒》(2011—2015年)、《舟山市環(huán)境質(zhì)量報告》、《舟山市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》(2010—2015年)以及浙江省環(huán)境監(jiān)測中心、浙江省統(tǒng)計局、舟山市環(huán)保局、舟山市統(tǒng)計局等各大官方網(wǎng)站所公布的官方數(shù)據(jù)。其中,評價指標中的人均GDP、人均生活用水、人均生活用電、人口密度、中高等學歷人數(shù)、人均住房面積、城鎮(zhèn)化率、人均公共綠地面積、建成區(qū)綠化覆蓋率、自然保留地面積率、廢水處理率、工業(yè)廢氣排放量、固體廢氣無害化處理等數(shù)據(jù)均來源于《舟山市統(tǒng)計年鑒》;城鎮(zhèn)居民人均住房面積、人均期望壽命、人均道路面積等數(shù)值源于《浙江省統(tǒng)計年鑒》;空氣優(yōu)良率、環(huán)境噪聲、污染控制綜合得分等數(shù)據(jù)均源于《舟山市環(huán)境質(zhì)量報告》;萬人病床數(shù)、萬人藏書量、中高等學歷人數(shù)、人均保險費、失業(yè)率(市區(qū))、百人電話數(shù)等源于《舟山市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》;社會服務投資與當年市區(qū)財政支出的比值即為社會服務投資占財政支出的比重(市區(qū));科教投入與當年地區(qū)生產(chǎn)總值的比重即為科教投入占財政支出的比重。
3.2 評價方法
3.2.1 歸一化
首先需對數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行標準化處理,以消除各評價指標單位、數(shù)據(jù)性質(zhì)等量度上存在的差異。設U1為經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)參量,U2為居民生活子系統(tǒng)序參量,為經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)及居民生活子系統(tǒng)內(nèi)部的基礎觀測指標。定義為眾多觀測指標組成的兩個子系統(tǒng)的外在發(fā)展功效,其中λij為各指標的權(quán)重,有為第i個子系統(tǒng)的第j個指標經(jīng)過歸一化后的標準化數(shù)值,歸一化的具體過程為:
對于正向指標u″ij,令
對于逆向指標uij,令
3.2.2 權(quán)重的確定
對于變量的賦權(quán),可以使用“主成分分析法”,也可以使用“熵權(quán)法”,本研究主要利用“熵權(quán)法”這一相對更加客觀的賦權(quán)方法。以各項指標的變異程度為基準,用信息熵計算出各項指標的熵權(quán),再通過熵權(quán)對各項指標的權(quán)重進行修正,最終得出較為客觀的指標權(quán)重。具體過程如下。
(1)對指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理,得到歸一化后的數(shù)據(jù)u″ij。
(2)計算第j個指標下的第i個子系統(tǒng)占該指標的比重(pij)。
(3)計算第j個指標的熵值(eij):
其中,調(diào)節(jié)系數(shù)K=1/1n(n)>0。
(4)計算第j個指標的差異系數(shù)。對第j個指標,其值的差異越大,對方案評價的作用就越大,熵值就越小。
定義差異系數(shù)為
(5)求權(quán)重。
依據(jù)以上方法與步驟,并根據(jù)2010—2014年的基礎數(shù)字。對舟山群島新區(qū)進行了逐級指標的計算.其結(jié)果見表2。
(6)綜合得分
表2 舟山群島新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)二級綜合指標變化值
4.1 結(jié)構(gòu)
指數(shù)標準化后數(shù)值越大,其結(jié)構(gòu)功能越好,生態(tài)健康的程度越高,從表2可以看出,2010—2014年人口結(jié)構(gòu)雖有小幅波動但總體趨勢呈現(xiàn)為穩(wěn)中求升。人口結(jié)構(gòu)能反映出一定時間與區(qū)域內(nèi)的人口總體內(nèi)部各不同性質(zhì)規(guī)定性的數(shù)量及其比例關系,同時也能反映出一定時間及區(qū)域內(nèi)的社會情況和經(jīng)濟狀況,由表2可以看出,基礎設施也呈現(xiàn)逐年增長的趨勢,這正好應對了舟山趨好的社會經(jīng)濟狀況。但城市環(huán)境在2010—2014年期間有所波動,是影響結(jié)構(gòu)指數(shù)的關鍵因素。2010—2014年,基礎設施、人口結(jié)構(gòu)、城市環(huán)境與城市綠化四大指標的得分排序由高到低排列大致為:城市綠化、人口結(jié)構(gòu)、基礎設施、城市環(huán)境。城市環(huán)境指標最低,舟山群島新區(qū)常住人口的人口密度較大,另外每萬人口中的中高等學歷人數(shù)、人均道路面積、城市綠化率、人均住房面積及其人均占有綠地面積等指標偏低等級。在城市環(huán)境方面,從5年的舟山市環(huán)境公報中的數(shù)據(jù)來看,空氣質(zhì)量一直保持著良好水平,但酸雨頻率并沒有大幅度減少,市民的主要引用水源地(水庫)水質(zhì)保持良好,但河道和翻水入庫的引用水源地水質(zhì)卻有所欠缺,且有下降趨勢,城區(qū)河道水質(zhì)污染較為嚴重,海洋環(huán)境形勢不容樂觀,赤潮發(fā)生頻率偏高,但從總體上看,舟山群島新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的各項指標發(fā)展情況均趨于標準值。相信舟山群島新區(qū)的生態(tài)城市建設會隨著城市用地結(jié)構(gòu)調(diào)整和基礎設施的改善而得到樂觀的發(fā)展。
4.2 功能
由表2可以看出在2010—2014年,物質(zhì)還原指數(shù)波動顯著,改善明顯;2012年物質(zhì)還原處于谷值主要由于當年工業(yè)廢氣排放量的迅猛增加,以及固體廢氣物無害化處理相較往年有所降低而導致。隨著舟山群島新區(qū)的工業(yè)廢氣排放量遞減,且廢氣廢水的無害化處理率有所上升,可以看出在2012年之后物質(zhì)還原程度有了明顯改善。從表2中還可以看出,資源配置在2012—2013年間有下降趨勢,而物質(zhì)還原在這一年間呈現(xiàn)與資源配置對應趨勢的增長,總體來說,物質(zhì)還原與資源配置的能力基本相當,生產(chǎn)效率一直保持著勻速增長的趨勢。從功能角度出發(fā),2010—2014年的5年間,3項指標的得分排序由高到低依次為:生產(chǎn)效率、物質(zhì)還原、資源配置。數(shù)據(jù)顯示舟山群島新區(qū)污染物的回收利用能力處于較低水平,有部分企業(yè)仍舊處于高污染、高能耗狀態(tài)。并且舟山群島新區(qū)中各領域的高科技運用并不發(fā)達,且現(xiàn)代化高科技生態(tài)工業(yè)園區(qū)也較少。由此可見,要提高舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)的功能指數(shù),應當著力于優(yōu)化資源配置,提高固廢資無害化處理率,實現(xiàn)污染物的次序減排。
4.3 協(xié)調(diào)
由表2可以看出:2010—2014年社會保障穩(wěn)步增長;城市文明有所波動,2010—2011年處于下降趨勢,2011—2013年相對穩(wěn)定,而后逐漸改善;可持續(xù)性一直處于下降趨勢,且下降幅度大,從數(shù)據(jù)中得出,造成可持續(xù)性下降的原因主要在于社會服務投入與科教投入的降低,且城鄉(xiāng)收入比也有下降趨勢?;趨f(xié)調(diào)指數(shù),5年來其3項指標的得分排序由高到低依次為:社會保障、可持續(xù)性、城市文明??沙掷m(xù)性的走低與城市文明率偏低是制約城市協(xié)調(diào)度的主要限制因子。3項指標之間呈現(xiàn)有規(guī)律的差異。從城市生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度來看,要提升城市協(xié)調(diào)度需要著力于控制可持續(xù)性指數(shù)的穩(wěn)定和加強城市文明的建設,以此,加強對社會服務與科教文化產(chǎn)業(yè)的投入,提高工資福利水平和農(nóng)民的收入水平以減小城鄉(xiāng)差異等,也在一定程度上有助于提升協(xié)調(diào)指數(shù)。與此同時,著力改善投資環(huán)境,吸引資金人力等要素的流入,做好人才的引進使用和后勤保障工作。
4.4 綜合指數(shù)
經(jīng)過標準化處理后,綜合指數(shù)的情況如圖1所示,2010—2014年,舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況是穩(wěn)中有升,生態(tài)系統(tǒng)健康程度在不斷提高。其中2011—2014年健康指數(shù)有明顯增長,主要源自2011年舟山群島新區(qū)正式寫入全國“十二五”規(guī)劃,在轉(zhuǎn)型升級、生態(tài)保護等多方面設立了明確目標。并且,在浙江省委制定的“十二五”規(guī)劃也將舟山群島新區(qū)作為浙江省海洋經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)塊,各方都在加大投入,所以使得5年間舟山群島新區(qū)的社會和經(jīng)濟情況都處于穩(wěn)中有升的趨勢,生態(tài)系統(tǒng)健康也趨于上升狀態(tài)。
圖1 舟山群島新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)評價綜合指數(shù)
綜上所述,舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康程度不斷提高,結(jié)構(gòu)指數(shù)有小幅波動,城市環(huán)境是導致結(jié)構(gòu)指數(shù)波動的主要原因,其中控制污染物的持續(xù)減排是改善城市環(huán)境的關鍵因素。正是由于實施了一系列的污染治理措施,使得2011—2014年主要污染物快速減排,環(huán)境質(zhì)量明顯改善,進而促進了舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康程度的快速改善。所以,要持續(xù)提高舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平,需進一步優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu),確保主要污染物的持續(xù)減排是關鍵。功能指數(shù)波動顯著,改善明顯。城市文明較低和可持續(xù)性持續(xù)下降是限制協(xié)調(diào)指數(shù)的關鍵因素,所以,需加強對社會服務和對科教文化產(chǎn)業(yè)的投入,提高工資福利水平,提高農(nóng)民的收入水平,減小城鄉(xiāng)差異以提升生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)指數(shù)。隨著城市的發(fā)展,其基礎設施建設會不斷完善,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)水平必然會在一定程度上有所提高,從生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度上可以看出,系統(tǒng)功能的調(diào)整與改善是慢于結(jié)構(gòu)的,但相信只要城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化,并隨著城市的經(jīng)營管理水平的提高,舟山群島新區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)的功能和協(xié)調(diào)能力一定會大幅度改善。
城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價是當下可持續(xù)發(fā)展研究中的一大熱點,但目前處于發(fā)展階段,其評價指標體系尚不完善。盡管設計評價體系時考慮了指標間互不重疊,但指標數(shù)量多少適宜仍有待進一步研究。通常,評價指標數(shù)量越多,給予的信息量越大,越能真實地反映實際狀況;然而,由于經(jīng)濟現(xiàn)象自相關性的存在,評價指標過多會引起指標間的自相關性問題,如果選擇有重復性的指標則會影響評價結(jié)果的科學性。目前,可以采取主成分分析法、因子分析法等方法,努力消除指標間的相關關系,但要避免指標間的完全不重疊也是相當困難的,所以相關問題也有待于進一步的分析探討。
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Urban Ecosystem Health Evaluation of the Dynamic Island Area Based on the Entropy Weight Method:A Case Study of Zhoushan Islands
WU Jingci1,2,LIU Chao1,SHAO Chen1,2,ZHAO Sheng1,2
(1.Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316000,China;2.National Engineering Research Center for Marine Aquaculture,Zhoushan 316022,China)
In this paper,the Zhoushan islands new district was considered as the research object,an urban ecosystem health evaluation index system was built on the three basic viewpoints such as structure,function and coordination,by objectively using the entropy weight method,to explore the main impacting factors of the urban ecosystem health in island area.The mutual contact and relationship between main factors of the system were analyzed to evaluate the dynamic of ecosystem health in Zhoushan city,in order to further improve the level of Zhoushan islands new district urban ecosystem health,optimize the economic structure,and strengthen the management of ecol-ogy and environment in island region and promote the economic development for decision-making basis.The results showed that in recent years,the level of ecosystem health in Zhoushan islands new district urban was increasingly improving.The structure index slightly fluctuated and the function index fluctuated and improved significantly,among which,the urban environment is the main cause of structure index fluctuation.The low urban civilization rate and falling sustainability were the main limiting factors of urban coordination degree.As a result,optimization of the allocation of resources,improvement of the economic structure,continuously reducing emission,and improving the urban environment are the key ways to ensure the ecosystem health level of Zhoushan islands new district urban.
Zhoushan islands,Urban ecological system,The entropy weight method,Ecological evaluation
P74
:A
:1005-9857(2017)07-0053-07
2017-01-10;
:2017-06-01
浙江省自然科學基金項目(LY15D060006);科技部國際科技合作項目(2015DFR30450).
吳婧慈,碩士研究生,研究方向為海島開發(fā)與保護
趙晟,教授,博士,研究方向為海洋生態(tài),生態(tài)經(jīng)濟,環(huán)境管理與規(guī)劃及可持續(xù)發(fā)展等