煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究進(jìn)展

唐 倩，王金滿,2①，荊肇睿

〔1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點(diǎn)實驗室，北京 100035〕

資源型城市是以礦產(chǎn)、森林、石油等自然資源開采、加工為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的城市[1]。煤炭資源在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用[2]，城市發(fā)展與煤炭資源間的高度依賴是煤炭資源型城市區(qū)別于一般城市的最顯著特征[1]。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對煤炭資源型城市研究主要集中在城市轉(zhuǎn)型[3]、可持續(xù)發(fā)展[4]和生態(tài)效率評價[5]等方面，對城市生態(tài)脆弱性研究相對較少。相關(guān)學(xué)者對城市沿海地區(qū)[6]、城市群[7]和綠洲城市[8]等區(qū)域的生態(tài)脆弱性研究為煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究提供了重要參考和借鑒，但這些研究并不能完全體現(xiàn)煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性的研究現(xiàn)狀，鮮有對煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納。因此，從煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)涵、影響因素分析、評價方法、評價指標(biāo)選取、指標(biāo)體系構(gòu)建和規(guī)避措施等方面進(jìn)行總結(jié)，以期發(fā)現(xiàn)煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究中存在的問題，為進(jìn)一步開展煤炭資源型城市生態(tài)安全研究提供借鑒，為實現(xiàn)煤炭資源型城市可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供理論和實踐依據(jù)。

1 煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)涵

全球環(huán)境變化人文因素計劃(IHDP)將城市生態(tài)脆弱性研究作為核心研究內(nèi)容，并認(rèn)為對煤炭資源型城市這類典型區(qū)域的生態(tài)脆弱性進(jìn)行綜合研究具有重要理論和現(xiàn)實意義。綜合國內(nèi)外煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國外對生態(tài)脆弱性的研究相對較多，但對煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究較少。國外學(xué)者對生態(tài)脆弱性的研究從全球環(huán)境變化背景下的大尺度研究轉(zhuǎn)向目前局部小尺度研究，且生態(tài)脆弱性通常通過地下水脆弱性、含水層脆弱性、地表水脆弱性、洪水脆弱性[9-12]等方面反映，鮮有學(xué)者對煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)涵給出明確界定。

國內(nèi)有關(guān)煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性的研究日益增多。煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)涵源于生態(tài)脆弱性內(nèi)涵，是處于特定時期特定煤炭資源型城市自身結(jié)構(gòu)具有的固有屬性，是一個對比性概念。國內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性是在煤炭資源型城市這個區(qū)域范圍內(nèi)和特定時間段內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)，因生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，以及對人類活動、自然因素等“外力干擾”的暴露、敏感性缺乏足夠應(yīng)對能力，而易往不利于自身及人類利用方向發(fā)展的一種現(xiàn)象[13]。

煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性具有以下3個特點(diǎn)：(1)煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性本質(zhì)上是生態(tài)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)具有的固有屬性，即使無外界干擾也會存在；(2)煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性對外界干擾具有一定的適應(yīng)能力，但生態(tài)系統(tǒng)易變性能力較強(qiáng)，從而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境向不利于人類生存的方向發(fā)展；(3)煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究是基于特定空間和時間尺度的研究。鑒于此，將煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性概念界定如下：煤炭資源型城市在特定時空范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)對人類活動和自然因素擾動具有的適應(yīng)能力，在遭受干擾因素侵?jǐn)_后由于缺乏應(yīng)對能力而使其向不利于城市可持續(xù)發(fā)展方向演變的狀態(tài)，是系統(tǒng)內(nèi)部的固有屬性。

2 煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價方法

2.1 煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)分析

2.1.1煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性影響因素分析

煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性影響因素指對煤炭資源型城市生態(tài)脆弱程度產(chǎn)生影響的內(nèi)在或外在因素。因礦產(chǎn)資源持續(xù)開采，煤炭資源型城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞的同時，諸多外部擾動作用也在加劇，在這種內(nèi)外因素雙重干擾下，城市生態(tài)系統(tǒng)較其他類型城市具有更強(qiáng)的生態(tài)脆弱性[14]。在整理國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對不同煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性影響因素進(jìn)行歸納(表1[15-23])，可以看出，煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性影響因素研究體現(xiàn)了從注重自然因素向關(guān)注自然-社會-經(jīng)濟(jì)因素耦合作用的轉(zhuǎn)變。

在綜合分析煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)外影響因素基礎(chǔ)上，構(gòu)建其生態(tài)脆弱性驅(qū)動機(jī)制(圖1)。

表1 煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性影響因素

圖1 煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性驅(qū)動機(jī)制

圖1顯示，煤炭資源型城市的高度生態(tài)脆弱性現(xiàn)狀是煤炭資源型城市累積的生態(tài)脆弱性歷史遺留問題以及城市自然狀況、社會活動和經(jīng)濟(jì)發(fā)展擾動共同驅(qū)動的結(jié)果，并受到生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)功能的影響。

2.1.2評價指標(biāo)選取

煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)的選取應(yīng)遵循科學(xué)性、穩(wěn)定性、針對性、可操作性、可比性和可量化性等原則。常用的指標(biāo)權(quán)重確定方法包括主觀權(quán)重確定方法〔層次分析法(AHP)、模糊綜合評價法(FCE)、專家調(diào)查法(Delphi)〕和客觀權(quán)重確定方法〔主成分分析法(PCA)、信息熵法、空間主成分方法(SPCA)〕2種。通常需要針對具體生態(tài)環(huán)境問題，結(jié)合煤炭資源型城市的局地特征因素，從多方面選取評價指標(biāo)，以實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)脆弱性指標(biāo)的量化(表2[13，15-16，18-19])。選擇煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)時，尤其應(yīng)注重城市發(fā)展中由于資源開采、加工造成的資源結(jié)構(gòu)變化和生態(tài)環(huán)境污染等相關(guān)指標(biāo)，更側(cè)重煤炭資源型城市發(fā)展?fàn)顩r；當(dāng)煤炭資源型城市伴隨著干旱、暴雨等嚴(yán)重自然災(zāi)害時，地形地貌、土壤資源和水文氣象等相關(guān)指標(biāo)也成為重點(diǎn)考慮對象，這時應(yīng)更側(cè)重煤炭資源型城市的自然地理狀況。

表2 煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)

2.2 評價方法研究

煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性的相關(guān)評價方法見表3[1，13，15-16，18-19，24-30]。表3顯示，煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價是其生態(tài)脆弱性研究的主要部分，目前其評價方法包括熵值法、綜合指數(shù)法、函數(shù)模型法、層次分析法、層次分析法和模糊綜合評價法以及生態(tài)足跡法等，特別是隨著GIS與RS技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，劉慧等[31]、付剛等[32]、邵秋芳等[33]、CHOUDHARY等[34]和SAHOO等[35]將該技術(shù)運(yùn)用到生態(tài)脆弱性定量分析中，但鮮有學(xué)者將其運(yùn)用到煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價中。這些評價方法通常比較簡單，易于計算，側(cè)重于對其生態(tài)脆弱程度的測算。

表3 煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價方法

2.3 評價指數(shù)計算

煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價指數(shù)是煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性程度的定量表征，主要包括生態(tài)脆弱性指數(shù)和生態(tài)足跡指數(shù)(表4[13，18-19，29，36-39])。目前的煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究主要側(cè)重對生態(tài)脆弱性程度的測算，因此生態(tài)脆弱性指數(shù)的計算對煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究尤為重要。

3 煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性規(guī)避措施

煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性規(guī)避措施旨在防范、避開和治理對其生態(tài)環(huán)境造成干擾的不利因素。綜合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)歸納了煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性規(guī)避措施(表5[21，29，40-46])，關(guān)注視角包括生態(tài)脆弱性、生態(tài)安全、生態(tài)承載力、可持續(xù)發(fā)展和城市轉(zhuǎn)型。立足于煤炭資源型城市擁有的自然資源本質(zhì)，在規(guī)避生態(tài)脆弱性時應(yīng)重點(diǎn)調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，減少化石燃料能源消耗，發(fā)展新能源。

4 研究問題與展望

4.1 存在問題

目前煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究成果不斷涌現(xiàn)，但是研究尚存在以下不足：

(1)煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)涵尚未統(tǒng)一。目前，國內(nèi)外學(xué)者對煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)涵幾乎沒有明確定義，阻礙了相關(guān)研究進(jìn)一步發(fā)展。此外，隨著研究不斷深入，煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性的研究范圍已從早期的單純自然生態(tài)環(huán)境逐步擴(kuò)展到更為復(fù)雜的自然-社會-經(jīng)濟(jì)生態(tài)環(huán)境，但煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)涵并沒有隨之全面化和系統(tǒng)化。

(2)評價指標(biāo)及研究方法不完善。首先，由于不同學(xué)者研究背景和研究對象不同，導(dǎo)致學(xué)者對評價指標(biāo)的選取存在差別?；凇白匀?社會-經(jīng)濟(jì)”“敏感-彈性-壓力”“自然-人為”“敏感-適應(yīng)”“壓力-敏感-恢復(fù)”等概念模型選擇的煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)具有地方特色，但不同概念模型選取的評價指標(biāo)之間的相互關(guān)系沒有得到體現(xiàn)，評價指標(biāo)選取存在一定主觀性和隨意性，導(dǎo)致評價結(jié)果缺乏科學(xué)性和客觀性；其次，評價方法相對簡單，對熵值法、綜合指數(shù)法和函數(shù)模型法等評價方法運(yùn)用比較頻繁，而對一些創(chuàng)新性評價方法的應(yīng)用稍顯不足，需要拓展加強(qiáng)，同時評價方法自身的缺陷和適用性很少被學(xué)者考慮，導(dǎo)致評價結(jié)果出現(xiàn)偏差。

表4 煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性各類計算指數(shù)

表5 煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性規(guī)避措施

(3)煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性整體性研究不足。首先，煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究主要對生態(tài)脆弱性進(jìn)行評價，評價過程大多為選擇研究對象—分析生態(tài)脆弱性現(xiàn)狀—選取評價指標(biāo)—確定指標(biāo)權(quán)重—選取研究方法—得到結(jié)果—分析結(jié)果，學(xué)者主要對研究對象生態(tài)脆弱性程度進(jìn)行定量分析。研究內(nèi)容不夠創(chuàng)新，也不夠全面，對煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性的驅(qū)動機(jī)制、演化過程和發(fā)展趨勢缺少探究。其次，對煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性進(jìn)行分析時，鮮少使用GIS和RS等空間分析軟件，缺少對其空間尺度的探討，僅停留在時間尺度的分析。

4.2 展望

(1)完善煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)涵界定。煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)涵是研究煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性的理論基礎(chǔ)，是描述煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性特征的理論依據(jù)。通過完善煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性內(nèi)涵，能深入地剖析煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性構(gòu)成因素及其相互作用關(guān)系，進(jìn)而揭示生態(tài)脆弱性發(fā)生機(jī)制。

(2)完善評價指標(biāo)和評價方法。完善煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價指標(biāo)體系是定量分析煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性的基礎(chǔ)，對相關(guān)研究成果進(jìn)行二次分析，根據(jù)已有研究異同，總結(jié)完善評價指標(biāo)的選取，使相關(guān)學(xué)者在進(jìn)行評價指標(biāo)選取時有例可遵。針對煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價方法的缺陷和適用性，結(jié)合研究對象特點(diǎn)，慎重選擇評價方法，使評價結(jié)果更加合理客觀，增強(qiáng)評價結(jié)果實用性，完善評價方法，將投影尋蹤模型、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)Petri網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)方法運(yùn)用到煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性評價研究中。

(3)加深研究深度，延伸研究區(qū)域范圍。對煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性的研究不局限于生態(tài)脆弱性程度測算，明確煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性的驅(qū)動機(jī)制、演化過程和發(fā)展趨向才能增強(qiáng)評價結(jié)果實用性。煤炭資源型城市生態(tài)脆弱性研究由自然生態(tài)環(huán)境研究向自然-社會-經(jīng)濟(jì)生態(tài)環(huán)境研究轉(zhuǎn)變，還涉及不同時間、空間尺度要素變化，因此要不斷延伸、拓展研究區(qū)時間和空間尺度。