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1、 城市生态安全定量评价 以山西省五个地市为例摘要 城市生态系统是一个以人为中心的，社会、经济与自然三个亚系统构成的复合型人工生态系统。因此，探讨三个亚系统之间相互作用的机制可以给人类以信息反馈并引导人们做出正确的决策，这对于当前构建以循环经济为主体的节约型生态城市至关重要。本文从近年来提出的城市生态安全出发，运用层次分析法，建立压力（pressure）-状态（state）-响应（response）模型，并参考国内外城市可持续发展及生态安全评价指标体系，运用相关分析方法制定了45个具体指标，定量对山西省五个地市太原、阳泉、运城、长治、大同在城市发展过程中带来的生态环境问题进行客观评价，以期尽量避
2、免人为因素单凭感官所带来的影响。所用数据来源于山西省统计年鉴，在同一时间段内对这五个城市进行横向比较，最终结果表明，其生态安全指数排序为：太原、长治、阳泉、运城、大同。关键词 城市 生态安全 指标体系引言城市在地球上出现至今已有6000年以上的历史，人们对城市的研究也由来已久，然而以往仅限于对城市的起源、空间结构及分布规律的研究，将生态学的方法应用于城市系统研究到现在也不过三十多年的历史。由于其遵循了以人为本的生存理念，注重人与自然的和谐、可持续发展，因而具有旺盛的生命力，也成为当前国际研究的热点话题。从生态学的角度来看，城市是一个人、景、物融为一体，生产和生活相辅相成的新陈代谢体，是在原来的
3、自然生态系统基础上，增加了社会和经济两个子系统构成的复合生态系统1。这种观点表明城市生态系统的综合性和复杂性，在研究时需全面考虑城市内自然、社会、经济之间相生相克的复杂关系。作为城市生态系统核心的人，既可改造自然使其顺应人类的需要，同时又受自然规律、生产力和生产关系的制约。生活在城市中的人类，其生存环境是城市地域内所有生态因子的总和，是有关城市居民的一切方面，包括生物的、物理的、化学的、社会的、经济的、文化的以及心理的各个方面。因此，全面研究城市社会、经济、自然三个子系统之间相互作用规律，可以发挥多学科综合研究的优势，在更高层次上研究城市生态系统的动力学机制，探讨城市发展的多功能协调，为城市的
4、发展提供合理化建议。当前国际社会对生态城市的建设越来越重视，因此运用多因素方法进行定量评价可对城市生态系统中的各个组成成分的结构、功能以及相互关系的协调性进行综合评价，以确定该系统的发展水平、发展潜力和制约因素，并为城市规划、城市生态建设、城市生态管理提供依据。以往对城市生态安全的评价多注重某一城市的现状评价，而对同一地域内不同城市之间的对比研究较少，同时为了避免单一指标在评价中不够全面，本文根据省统计局的现有资料并结合限制因素制定了45个具体评价指标，运用相关分析法剔除不必要的指标，力求准确性、科学性、真实性三结合，对位于黄土高原上的五座城市给以定量评价。1 研究区概况太原、阳泉、运城、长治
5、、大同均属山西省的地级市。山西省属于黄土高原，在区域背景上，位于农牧交错带上，生态环境脆弱。春秋季风沙大，降水量偏低，地表干旱，水土流失严重，植被覆盖状态不好，单位土地面积产量低，水资源匮乏，水土流失严重，长期以来，依靠资源优势，发展煤炭经济，然而对煤炭资源的掠夺性开发带来了许多生态方面的负面效应，严重影响城市内部及周边县市的大气环境、水资源和土地可持续利用。而GDP长期受控于国际煤价的上涨和回落又使得经济呈现病态增长的趋势，能源依赖性强。加上人口数量的增长，使得居民生活与社会经济、资源环境之间的矛盾日益突出，已成为制约山西省进一步发展的“瓶颈”之一。因此，本文选取山西省五大地市作为研究对象来
6、探讨城市生态安全问题就更具有实际意义了。所选城市在人口数量、经济发展、地域特色上也具有可比性。太原市是山西省省会，地处山西高原中东部，东、西、北三面环山，受区域小地形影响，冬无严寒，夏无酷暑。年均降水量456毫米，平均气温9.5，无霜期平均202天，黄河的重要支流汾河自北向南纵贯全市。太原市含有丰富的矿产资源，号称“煤铁之乡”，全市含煤面积1318平方公里，占全市总面积的18.9%,已探明储量176.7吨，铁矿初步探明储量为1.7亿吨。阳泉市位于山西省东部，太行山东段，山地约占总面积的75%，全境属海河流域，冬夏长，春秋短，四季分明；日照比较充足，昼夜温差大；年均气温不同地点相差很大，最暖处(
7、娘子关河谷)高达132，最冷处(坪塔梁)仅为20，一般812。积温为24003000，无霜期平均为130180天。年降水量北部多于南部。矿藏资源以黑(煤炭)、白(铝矾土)、黄(硫铁矿)三宝的产量大、质量优而著称。运城位于山西省西南部，平原面积占全市总面积的58.2%，年平均降雨量525毫米，日照2350小时，平均气温13。全市无霜期为188238天之间，农业生产条件较为优越，农林牧渔总产值居全省第一。矿产资源中芒硝储量居全国第二。金银锌等贵重金属在全国、全省占有重要位置。长治市位于山西省东南部，地形特征为黄土高原山地盆地，年降水量600毫米，日照时数24182616小时，平均温度9。无霜期18
8、0天，是山西省重要的玉米产地，农业生态系统运行较好。矿产资源以煤炭最为丰富。大同市位于山西省最北部，丘陵面积为1177平方公里，占总面积的56.6%，年平均降水量384.02毫米，日照时数为2821.6小时，平均温度6.4，牧业与耕作业并重。矿产资源丰富，有“煤海”之称，依托能源优势，成为华北地区重要的电力生产基地。2 生态安全与城市生态安全生态安全一词最早由国际应用系统分析研究所于1989年提出，旨在人的生活、健康、安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会次序和人类适应环境变化能力等方面不受威胁的状态2。它能为整个生态经济系统的安全和可持续发展提供生态保障。其具体含义可以扩展为保持生态子
9、系统中的各种自然资源和生态系统服务的合理使用和积极补偿，避免因自然资源衰竭、资源生产能力下降、生态环境污染和退化给社会生活和生产造成的短期和长期不利影响,甚至危及区域或国家的政治、经济和军事安全。城市作为人类的居住地，是区域内政治、经济、科学、文化和军事的中心。它是一类以人类为中心的人工生态系统3。以现代系统科学和生态学理论为支撑，城市生态系统具有了鲜明的内部分层以及各层之间的相互循环和转化，彼此相互依赖（见图1）。从图中可以看出，城市生态系统作为一个人工化的系统与环境，集中了人类社会的工业、商业生产与生活活动的主要区域，形成了巨大的不同于农田、农业生态系统的物流、能流与信息流。在城市生态系统
10、中,生产与生活中产生的废弃物往往需要异地分解与消化。工业生产和人民生活中产生的各种固体、液体、气体废弃物等远远超过生态系统自身的自然净化能力，所反馈给人类的信息便是生态环境恶化，如大气中颗粒物质增多、水质下降、噪声分贝数超过国家最低限定标准，从而降低居住在城市中的人们的生活质量。因此，探讨城市生态安全问题尤为重要1。管理与决策计划、政策方针、法令科技通讯 金融工业 经济系统 贸易农业 运输建筑景观植物 太阳能水体 自然系统 矿藏土地 其他生物大气服务旅游 教育居住 社会系统 文娱饮食 医药供应生产性污染资源利用信息反馈信息反馈经济措施环保法规信息反馈人口控制管理法规经济收入消费需求生活污染生活
11、需求图1 城市生态系统。仿赵运林城市生态安全可以理解为城市生态系统的健康与稳定，从生态学观点出发，一个安全的生态系统在一定的时间尺度内能够维持它的组织结构，也能够维持对胁迫的恢复能力3。城市生态系统的负荷承载能力是有限的，超过负荷则生态平衡遭受破坏。城市生态系统安全取决于城市的社会经济发展需求和生态环境利益的有机协调，它不仅能够满足城市发展对资源环境的需求，而且在生态意义上也是健康的。其本质是要求自然资源在城市人口、社会经济和生态环境3个约束条件下稳定、协调、有序和永续利用4。3 城市生态安全评价的模型及指标体系3.1国内外生态安全评价的模型框架经济合作发展组织(Organization fo
12、r Economic of operation and Development)提出的PSR模型(Pressure-State-Response;压力-状态-响应,1994)和DSR模型(Driving force-State-Response;驱动力-状态-响应,1996)。Corvlan和他的同事提出的DPSEEA模型(Driving forcePressureStateExposureEffectAction;驱动力压力状态暴露影响响应,1996)以及EEA(European Environment Agency,欧洲环境署,1998)提出的DPSIR模型(Driving forcePr
13、essureStateImpactResponse;驱动力压力状态影响响应)等等5。这些模型均不同程度的考虑了人类活动对环境的压力、自然资源的质和量的变化,以及人们对这些变化的响应,即采取的减少、预防和缓解自然环境朝着不理想状态变化的措施。3.2本文生态安全评价的模型框架本文以PSR模型为例构建城市生态安全的评价模型框架(见表1) 。压力指标反映人类活动给环境造成的负荷；状态指标表征环境质量、自然资源与生态系统的状况；响应指标表征人类面临环境问题所采取的对策与措施。此模型从人类与环境系统的相互作用与影响出发,对环境指标进行组织分类,具有较强的系统性。框架的构建步骤为：第一，运用层次分析法和相关
14、分析法剔除对评价目的不产生作用的指标，并结合资料的可获得性，最终选定45个具体指标作为评价的具体项目。第二，设定权重。主要用了德尔菲法，将评价模型表分发给山西省环境保护局、山西省国土资源厅、省国家安全厅、省发展改革委员会和太原师范学院的22名教师进行专家打分，最终对返回的意见进行归纳综合、定量统计分析后再寄给有关专家，如此往复，经过三、四轮意见比较集中后进行数据处理与综合得出结果，总共耗时约一个月左右。表1城市生态安全的评价模型框架A层B层C层权重具体指标相对于C层权重相对于B层权重城 市 生 态 系 统 安 全压 力经济水平0.21、人均GDP0.380.0762、人均固定资产投资0.30.
15、063、人均社会消费品零售总额0.320.064发展速度0.214、GDP增长率0.38 0.07985、全社会固定资产投资增长率0.30.0636、社会消费品零售总额增长率0.320.0672人口规模0.177、城市化水平0.340.05788、人口自然增长率0.290.04939、人口密度0.370.0629生活质量0.1610、人均居住面积0.450.07211、恩格尔系数0.550.088文化教育0.1412、在校生数占人口比例0.230.032213、中小学教师与学生人数比0.220.030814、文教卫生费用支出占财政支出比例0.270.037815、教育投入指数0.280.039
16、2安全保障0.1216、千人卫生技术人员数0.330.039617、社会保障指数0.290.034818、社会治安状况指数0.380.0456状 态科技支撑0.1719、科技进步贡献率0.50.08520、科技资源指数0.50.085基础设施0.221、城市公路通车里程0.30.0622、万人公交车辆0.20.0423、电话普及率0.30.0324、人均水域面积0.20.07自然资源0.2525、人均生活用水0.350.087526、人均粮食0.350.087527、人均森林资源0.30.075自然灾害0.2328、地震频率0.50.11529、旱灾指数0.50.115经济效率0.1530、G
17、DP土地产出率0.270.040531、区域发展水平指数0.220.03332、资源转化效率指数0.280.04233、工业经济效益水平0.230.0345响 应环境质量0.2934、万人拥有绿地面积0.260.075435、城市下水道总长度0.260.075436、液化气普及率0.230.066737、生态保护指数0.250.0725政府决策0.2438、经济社会调控指数0.30.07239、政府办事效率0.40.09640、环境管理指数0.30.072污染防治0.2741、工业污染投资占GDP比重0.40.10842、废水达标率0.320.086443、三废排放强度指数0.280.0756
18、循环程度0.244、外贸依存度0.50.145外贸开放度0.50.1注：1）由于跨地区资料不够完整，故无法选取更能反映城市生态安全的指标。2）部分指标的运算公式：城市化水平=非农人口/总人口；恩格尔系数=食物支出金额/总支出金额（负项指标）； 抚恤和社会福利救济费/财政支出；社会保障指数= 企业职工参加养老保险人数/企业职工总数； 企业发放基本生活费人数/下岗职工人数；社会治安状况指数用万人刑事案件数、万人交通事故、万人火灾事故综合表征；科技进步贡献率用制造业产值占工业总产值比重和社会劳动生产率综合表征；科技资源指数用万人拥有科技专业技术人员数和科学研究经费占GDP比重表征；政府办事效率用党政
19、机关人数占总就业人数和财政自给率表征；经济社会调控指数用财政收入占GDP比例和财政收入增长指数表征；6外贸依存度=对外贸易总额/GDP；外资开放度=实际利用外资/GDP。73.3指标选取的原则3.3.1科学性 这是确保评价结果准确合理的基础，城市生态安全评价活动是否科学很大程度上依赖其指标标准程序等方法是否科学。指标体系的科学性应包括以下4个方面：特征性 指标应反映评估对象的特征。准确一致性 指标的概念要正确，含义要清晰，尽可能避免或减少主观判断，对难以量化的评估因素应采用定性和定量相结合的方法来设置指标。指标体系内部各指标之间应协调统一，指标体系的层次结构应合理。完备性。指标体系应围绕评估目
20、的，全面反映评估对象，不能遗漏重要方面或有所偏颇，否则评估结果就不能真实、全面地反映备评估对象。独立性 指标体系中各指标之间不应有很强的相关性，不应出现过多的信息包含、涵盖而使指标内涵重叠。3.3.2目的性 指标体系应是对评估对象的本质特征、结构及其构成要素的客观描述，应为评估活动目的服务，针对评估任务的要求，指标体系应能够支撑更高层次的评估准则，为评估结构的判定提供依据。目的性原则是建立指标体系的出发点和根本，衡量指标体系是否合理有效的一个重要标准是看是否满足评估目的。3.3.3实用性 建立指标体系应考虑到现实的可能性，指标体系应符合国家政策，应适应于指标使用者对指标的理解接受能力和判断能力
21、，适应于信息基础。生态安全评价活动是实践性很强的工作，指标体系的实用性是确保评估活动实施效果的重要基础。具体地，指标体系实用性包括以下两方面：易于理解。在评估过程和评估结果使用中往往涉及多方面的人员，如评估者、咨询专家、管理者、决策者和公众，指标应易于理解，以保证评估判定及其结果交流的准确性和高效性。适应于评估信息基础。与指标相关的信息应具有可采集性，并且可以通过各种方法进行结构化。8本文正是严格按照上述原则制定并选取指标，并结合数据的可获得性作适当调整。3.4数据采集本文数据来源于山西省统计年鉴、山西省经济年鉴、山西五十年来的发展变化和山西省可持续发展战略研究报告（见表2）。表2五大城市统计
22、数据一览表具体指标太原市运城市大同市长治市阳泉市单位1、人均GDP123194052648559098062元/人2、人均固定资产投资3891.67639.51539.431752.541807.57元/人3、人均社会消费品零售总额4790.41254.282946.031327.952705.67元/人4、GDP增长率7.64.16.68.70.4%5、全社会固定资产投资增长率18.524.720.39.816.1%6、社会消费品零售总额增长率9.19.913.75.53.5%7、城市化水平87.921.845.728.546.7%8、人口自然增长率8.046.277.727.23.139、
23、人口密度451347.1203228273人/km210、人均居住面积10.5512.3315912m2/人11、恩格尔系数33.8632.0737.8835.0437.83%12、在校生数占人口比例17.717.72017.116.2%13、中小学教师与学生人数比0.0560.060.0670.0580.067%14、文教卫生费用支出占财政支出比例15.121.52121.823.8%15、教育投入指数55.447.4158.3543.4351.66%16、千人卫生技术人员数416.1100.1205.3181.6260.8人17、社会保障指数49.0553.6644.553.5451.89
24、%18、社会治安状况指数32.9954.3853.1452.9950.69%19、科技进步贡献率70.7555.0145.7649.0848.7%20、科技资源指数70.146.9946.2450.3450.75%21、城市公路通车里程27498347432246251319km22、万人公交车辆6.410.94.16.67.3标台23、电话普及率107.152.7242.5340.4228.23%24、人均水域面积0.090.250.260.120.07m225、人均生活用水114.8128.2181.3235281.2m326、人均粮食65.84234.444.36436.7114.5公顷
25、/万人27、人均森林资源5.373.167.419.657.35km2/万人28、地震频率6.410.26.34.44.05%29、旱灾指数63.7559.556446.0554.45%30、GDP土地产出率552.7890.62134.64132.84219.7万元/km231、区域发展水平指数75.454.5959.0854.4963.66%32、资源转化效率指数5355.438.261.749.7%33、工业经济效益水平39.5557.4659.9250.8648.36%34、万人拥有绿地面积2329.22010.29.3公顷35、城市下水道总长度657186301192174km36、
26、液化气普及率96.663.88370.592.7%37、生态保护指数51.6352.7146.0154.147.52%38、经济社会调控指数57.8348.5654.1254.3249.22%39、政府办事效率47.9344.9154.7849.9648.93%40、环境管理指数60.1857.9842.4650.6152%41、工业污染投资占GDP比重0.580.530.120.310.47%42、废水达标率91.0965.4770.5279.9682.78%43、三废排放强度指数29.7838.5551.5946.252.2%44、外贸依存度2.620.20.40.1570.88%45、外
27、贸开放度0.1230.08580.02190.0080.089%3.5数据处理指标无量纲化 由于各具体指标各具内涵，不同指标之间，数量级大小相差悬殊，同时指标的性质（正指标或负指标）也有所不同，因此需要对数据进行标准化处理。首先将各指标分成两类：正指标，这类指标越高，目标层的水平越高；负指标，这类指标越高，目标层的水平越低。分别应用不同的公式对这两类指标进行标准化处理9： 1 xiai正指标：Xi= (xi-bi)/(ai-bi) bixiai 0 xibi 1 xibi负指标：Xi= (ai-xi)/(ai-bi) bixiai 0 xiai 式中Xi 为指标xi的对比值，ai 、bi分别为
28、最大值和最小值3.6定量运算运用上述公式对各分层的数据进行处理，得出相应分数（见表3）： 表3 五大城市生态安全评估得分太原市运城市大同市长治市阳泉市经济水平0.200.0695890.038940.084683发展速度0.1429030.1407380.1712060.0929760.026638人口规模0.05780.0441240.0870120.070520.116219生活质量0.0794880.127960.0720.0430150.036757文化教育0.044160.0621740.1278340.0423370.090223安全保障0.0568860.08040.056140
29、.0871940.085947科技支撑0.170.03413400.0258990.026067基础设施0.0631060.1756310.1010770.0659880.018824自然资源0.030330.0491290.0840820.2257060.151563自然灾害0.0726590.028510.0729270.2234550.176184经济效率0.0999510.0610740.0454780.0648550.061169环境质量0.2443730.1373170.0994110.0923450.072301政府决策0.1733740.0630610.1391840.1269
30、720.082989污染防治0.270.1422890.0190870.1137060.14055系统开放性0.20.0693980.02195300.099789生态安全指数1.905031.2159391.166981.3139081.269903注：计算过程可查阅附录1论文统计表(包含计算过程)3.7制作图表根据所获数据，做出相应图表： 图2生态安全指数排序表从图2中可明显看出，城市生态安全指数从大到小依次为:太原市、阳泉市、大同市、运城市、长治市。4相关性分析应用SPSS11.5软件进行相关性分析，所用方法为between- groups linkage,可以得出生态安全指数与各指标的
31、相关性指数如下（见表4）：表4生态安全指数与各指标的相关性表与生态安全的相关性系数经济水平发展速度人口规模生活质量文化教育80.1651159774.6500250179.2493521479.8182212679.25505383安全保障科技支撑基础设施自然资源自然灾害79.5114295183.6801184977.9704250175.1060385674.68226563经济效率环境质量政府决策污染防治系统开放80.8078569173.7507853774.7041158173.2475120680.22460055根据上述表格，进行排序，并作图（见图3）：图3与生态系统的相关性排序
32、表 从上述图表可以看出，科技支撑、经济效率、系统开放、经济水平与生态系统的相关性最高，均达到了80%以上。由此得出，先进的科学技术、良好的环境质量、对废弃物的综合利用以及高度的系统开放性是维持地区可持续发展得不竭动力。这其中又以科技支撑的相关性最高，这与目前国家倡导的可持续型循环经济是一致的。循环经济是指以高新技术为先导、通过废弃物和废旧物质的循环再利用来发展经济,从而达到保护生态环境、提高环境质量的目的。4.结论通过分析，我们得出这样一个结论，改变以往资源产品污染排放这样的单线经济发展模式所带来的高开采、低利用、高排放，使之转化成由资源产品废弃物再生资源得循环经济链条，从而达到低开采、高利用
33、、低排放得目的（见图4）。所以，为了使城市得生态安全指数保持较高水平，发展高效的集约型经济是十分必要的。产品废弃物资源 再生资源 资源产品污染排放高开采低利用高排放低开采高利用低排放循环经济图4参考文献1赵运林,邹冬生.城市生态学.北京:科学出版社,2005.8:P22吕洪德,胡海清.我国城市生态安全问题的系统分析及对策.环境科学动态,2004.43林育真.生态学. 北京:科学出版社,2004.3:P2414郭阳旭.城市生态安全保护对策分析.经济师,2004.8:P2465Mark B.Bush.Ecology of a Changing Planet.北京：清华大学出版社,2003.86郭秀
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35、.6:P15-1815李喜俊.关于循环经济与政策的思考,2005.7:P13-18Quantitative assessment of urban ecological security-take five cities of ShanXi Province as exampleAbstract The city ecological system a with the artificial center of, society, economic and natural artificial ecosystem system that three second systems constit
36、ute hrefore, the mechanism that inquiries into an interaction of three second systems can give mankind with the information feedback also guide the decision that the people do an exactitude, this for set up at present with circulate economy for an ecosystem of economy city of the corpus goes to the
37、pass importance.This text sets out from the city ecosystem safe concept put forward in recent years, the usage layer analysis method, the establishment pressure( pressure)- appearance( state)- respond to( response) the model, and consult the domestic and international city and can keep on to develop
38、 and the ecosystem safety evaluates the index sign system, making use of the related and analytical method to draw up 45 concrete index signs, fixed amount to the mountain west the province five ground City- too original, sun spring, carry the city and grow to cure, greatly and together, at the city
39、 develops to bring in the process of the ecosystem environment problem carry on the objective evaluation, to expect to avoid the artificial factor list as far as possible with the influence that sense organs bring.Come from the mountain west province to statistics the 鉴 of year with the data, carry on to these five citieses in same time segment horizontal comparison, the end result enunciation, the safe index number of its ecosystem lines up the preface for:Too at first, greatly and together, sun spring, carry the city and grow to cure.Key words: Ecosystem safety index sign system city
