中國省域生態經濟系統耦合協調發展時空分異

劉德強， 沙海江， 吳成亮

(1.北京林業大學經濟管理學院，北京 100083； 2.北京市海淀區人民政府辦公室，北京 100089；3.北京理工大學管理與經濟學院，北京 100081)

生態環境與經濟發展耦合協調關系的研究由來已久，且日益受到重視。生態環境與經濟發展相協調是可持續發展的核心[1]，二者協調發展的內涵包括3個方面：經濟的發展應在資源環境承載力閾值之內；在可持續基礎上，達到經濟發展的最大化；依靠經濟發展，提高環境承載力[2-3]。長期以來，許多學者對生態環境與經濟發展的耦合關系進行了研究。從最初的將環境污染納入到投入產出表，分析其對經濟增長等各部門之間的要素投入與產出關系[4]，到環境經濟學家庫茲涅茨提出EKC曲線，隨后許多學者對EKC曲線進行了驗證研究，有的學者認為僅用單一指標分析經濟與環境的關系是不充分的，須要采用復合指標進行研究[5-6]。于是，一些學者從物理學中借用耦合與協調發展度概念對經濟與環境系統的協調關系進行了研究，如廖重斌提出的協調度模型[7]、劉耀彬等提出的耦合關聯模型[8]等被普遍應用。

由于我國統計年鑒中香港、澳門、臺灣、西藏4個地區數據缺失較多，為便于研究，筆者選取我國30個省[市、區(不含港、澳、臺、藏)]為研究區域，通過構建生態環境與經濟發展評價指標體系，借助熵值法商定各評價指標的權重，并基于耦合度和耦合協調度模型定量測度2000—2015年我國以及30個省份單元生態環境與經濟發展的耦合度和耦合協調度，對其時間變動趨勢、空間分布格局及演變趨勢進行分析，相應提出推進我國生態經濟系統耦合協調發展的政策建議。

1　生態環境與經濟發展耦合關系評價模型

為了評價生態環境與經濟發展的耦合協調度，須要對2個系統分別進行評價。指標體系的建立是對2個系統進行評價的首要步驟，指標體系的合理性直接決定了評價結果的科學性和準確程度。其次，對各指標的數據進行標準化處理，測算各指標的權重。最后，介紹耦合度及耦合協調度模型。

1.1　生態環境與經濟發展評價指標體系

根據生態環境-經濟發展耦合協調系統的特征，遵循全面性、動態性、科學性和可操作性等指標選取的原則，結合相關學者的研究[9-11]，構建生態環境與經濟發展評價指標體系(表1)。

關于生態環境系統方面，本研究以經濟合作發展組織提出的壓力-狀態-響應(pressure - state- respond，PSR)模型作為指標體系設計的框架。該模型能夠全面地反映生態系統中自然、經濟、社會等多種要素系統之間相互作用的因果關系，因其適用于不同的空間尺度和生態范疇，所以被廣泛應用于多個研究領域[12]。指標體系共由三大分類層、16個評價指標組成，具體包括以下幾個方面：(1)壓力因子方面。廢水排放量、工業廢氣排放量、工業固體廢物產生量以及農用化肥施用量表征了人類活動對生態環境造成的污染水平，污染排放量越高，生態環境質量越差；單位GDP能耗以及城市用水總量表征了人類活動導致的資源能源消耗水平，其消耗量越高，對生態環境造成的壓力越大，生態環境質量也就越差。(2)狀態因子方面。人均水資源量反映了地區水資源量的豐富程度；人均公園綠地面積以及森林覆蓋率綜合反映了地區的植被覆蓋程度，植被覆蓋程度的提高對生態環境質量的改善至關重要；人均耕地面積反映了地區土地資源的承載力。(3)響應因子方面。工業廢氣治理設施數、工業廢水排放達標率以及工業固體廢物綜合利用率體現了企業對生產經營活動所產生的污染排放物的控制；生活垃圾無害化處理率反映了對人類生活污染物排放的控制；環保投資占GDP的比重以及當年人均造林面積則從政府投資以及政策層面反映了政府為改善生態環境質量作出的響應。

關于經濟發展系統方面，本研究借助層次分析法將經濟發展系統劃分為3個分類層，分別是經濟水平、經濟結構、經濟效益。(1)經濟水平分類層。GDP不僅反映一個地區的經濟總量水平，也表征了該地區的實力與財富；人均GDP是對總體規模進行人均化處理，體現的是相對水平；地方財政收入反映了地區的經濟運行狀況和地方政府的履職能力；社會消費品零售總額反映一定時期內社會商品購買力的實現程度。(2)經濟結構分類層。一個地區經濟發展程度在一定程度上取決于經濟結構是否合理健全。第三產業增加值占GDP的比重可以在一定程度上代表一個地區的現代化發展程度，而第一產業增加值占的GDP比重則體現的是一個地區的自然資源稟賦，該比重越高，則表明該地區工業現代化程度越低；進出口貿易總額占GDP的比重可以表征一個地區的對外貿易規模與對外開放程度；外商企業投資總額占GDP的比重則是對該地區外商投資吸引能力的考察。(3)經濟效益分類層。經濟效益是對經濟發展的綜合考察，從經濟增長速度、基礎建設程度、人們生活水平這3個方面出發，選取了GDP增長率、全社會固定投資占GDP比重、城鎮居民人均可支配收入、農村居民人均純收入4個指標。

表1　生態環境與經濟發展評價指標體系

1.2　數據標準化

本試驗的研究區域包括我國30個省(市、區，以下簡稱為省份)，不包括中國臺灣、香港和澳門特別行政區以及西藏自治區。生態環境與經濟發展評價指標的數據均取自2001—2016年《中國統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國農村統計年鑒》以及各省的統計年鑒，對于個別年份的個別地區或指標的數據缺失項，采取插值法對缺失指標進行補充。

由于生態環境與經濟發展系統指標體系的復合性，各個指標量綱和數量級不同，因此在進行指標權重計算前須要對原始數據進行無量綱化處理。本研究采用標準化方法進行同一化處理，同時按照各個指標對整體系統耦合協調的影響，將指標分為正向指標與負向指標2類。標準化過程如下：

(1)

(2)

式中：Xij表示指標體系中各系統第j項指標的實際值；Xij′為經過標準化處理后的無量綱化數值。maxXij與minXij分別為第j項指標實際值的最大值與最小值。

1.3　熵值法賦權

在對各指標進行標準化處理后，為了測算各系統綜合評價得分，須要確定各指標的權重。由于熵值法是一種客觀賦權法，克服了主觀賦權法的主觀隨意性[13]，并且相比于主成分分析法、因子分析法等客觀賦權法，熵值法具有廣泛的適用性[14]，因此本研究采用熵值法確定各指標權重。根據熵值法的計算方法得出各指標的權重，結果如表1所示。

1.4　耦合協調度模型

本研究借鑒前人的相關研究成果[15-16]，采用集成法計算各系統的綜合評價得分。

(3)

式中：U1與U2分別為生態環境綜合指數和經濟發展綜合指數；Xij′為各子系統第j個初始指標無量綱化后的值；λij為各子系統第j個指標的權重。由計算結果可知，Ui∈[0，1]。

1.4.1耦合度模型將物理學中的耦合概念和容量耦合系數模型，應用到包含生態環境和經濟發展2個子系統的評價模型，表示為：

(4)

式中：U1、U2∈[0，1]，耦合度C∈[0，1]。當C=0時，耦合度最小，此時，兩系統沒有關聯性。當U1和U2同時為1時，C=1，耦合度最大，此時兩系統達到良性共振耦合。借鑒馬麗等的相關研究[9]，采用中值分段法對生態環境與經濟發展耦合度進行分段。當0

1.4.2耦合協調度模型耦合度模型僅僅反映省份生態環境與經濟發展之間的相互作用程度，無法反映二者的綜合協調發展狀態，即省份生態環境與經濟發展是處于高水平協調發展，還是處于低水平協調發展。因此，引入生態環境與經濟發展協調度模型，以更好地評價二者交互耦合的協調程度。計算公式如下：

(5)

式中：D為耦合協調度；T為生態環境與經濟發展綜合評價指數，它反映的是生態環境與經濟發展系統整體協同的貢獻和效應；α、β為待定系數。由于省域生態環境與經濟發展同等重要，因此取α=β=0.5。由U1、U2∈[0，1]，耦合度C∈[0，1]可知，耦合協調度D∈[0，1]。由耦合協調度的計算公式可知，生態環境與經濟發展綜合評價指數越高，二者耦合度及耦合協調度越高，反之亦然。借鑒以往學者的研究成果，采取均勻分布函數法將耦合協調指數劃分為10個區間(表2)，以更好地說明省域生態環境與經濟耦合協調發展程度。

表2　生態環境與經濟發展耦合協調度等級劃分

2　生態環境與經濟發展耦合協調結果分析

在建立生態環境與經濟發展評價指標體系后，通過熵權法確定各指標權重并得出各系統的綜合評價指數，根據耦合度及耦合協調度公式測算出中國以及30個省份的生態環境與經濟發展耦合度指數及耦合協調度指數。

2.1　時間變動趨勢分析

為更直觀地顯示中國生態環境與經濟發展耦合關系的變化趨勢，繪制中國生態環境與經濟發展耦合度及耦合協調度變化趨勢圖(圖1)。同時，根據耦合度及耦合協調度等級劃分標準，對2000—2015年期間我國歷年的生態環境與經濟發展耦合類型及耦合協調類型進行劃分(表3)。

2.1.1生態環境與經濟發展耦合度變化趨勢2000—2005年期間耦合度指數呈現出先降低后上升的趨勢，2002年耦合度指數最小(0.638)，2005年達到最大值(0.983)。此后，2005—2015年期間耦合度指數一直維持平穩變化趨勢，指數值波動變化較小。從耦合階段的變化來看，2000—2003年期間，我國生態環境與經濟發展處于磨合階段，此后，2004—2015年期間二者進入高水平耦合階段，生態環境與經濟發展相得益彰、共同發展(表3)。總的來說，2000—2015年期間我國生態環境與經濟發展的耦合度一直處于較高水平，二者相互作用較強。

2.1.2生態環境與經濟發展耦合協調發展度變化趨勢除個別年份略有下滑之外，耦合協調度呈現出平穩增長趨勢，從2001年的最低值0.401增長到2015年的最高值0.827，其耦合協調類型的變化經歷了以下幾個階段：2000—2002年瀕臨失調類型、2003—2007年勉強協調類型、2008—2011年初級協調類型、2012—2015年中級協調類型(表3)。我國生態環境與經濟發展協調發展程度的不斷提高，根源于生態環境質量改善與經濟發展水平的提高。進入21世紀以來，我國的經濟發展一直處于高速增長狀態，國民生產總值持續增加，產業結構不斷優化，同時生態文明建設的提出與落實也使得生態環境惡化的態勢得到抑制，生態環境質量開始好轉。

表3　我國生態環境與經濟發展耦合階段與耦合協調類型

2.2　空間格局變化分析

為顯著識別我國生態環境與經濟發展耦合階段及耦合協調類型的空間格局分布差異，本研究選取2000、2005、2010、2015年的數據進行對比分析，其各省份的耦合度及耦合協調度見表4。

表4　2000—2015年各省生態環境與經濟發展耦合度及耦合協調度

2.2.12000年我國生態環境與經濟發展耦合階段及耦合協調類型的空間格局分布由表4可知，各省的耦合階段分為以下幾類：(1)高水平耦合階段，包括北京、天津、上海、廣東；(2)磨合階段，包括遼寧、江蘇、浙江、福建、山東、河南、海南；(3)頡頏時期，包括河北、安徽、湖北、重慶、陜西、寧夏；(4)低水平耦合階段，除上述3種類型之外的地區。由此可以看出，處于低水平耦合階段的省份有13個，占總數的43%，且這些省份多分布在我國西北地區以及西南地區，經濟發展水平較低，生態環境與經濟發展耦合度較低。此外，處于高水平耦合階段以及磨合階段的省份多分布在我國東部沿海地區，這些省份經濟發展水平相對較高，對生態環境與經濟發展的耦合起到了重要的作用。

耦合協調類型按耦合協調度從高至低依次分為勉強協調、瀕臨失調、輕度失調、中度失調、嚴重失調。其中，北京、廣東為勉強協調，天津、上海為瀕臨失調；輕度失調的省份有遼寧、江蘇、浙江、福建、山東、河南以及海南7個省份。與其他省份相比，上述這些省份生態環境與經濟發展耦合協調情況相對較好，與耦合階段對比可發現，這些省份基本對應了處于磨合階段以及高水平耦合階段的省份。此外，中度失調以及嚴重失調的省份有19個，占總數的63%。總體而言，2000年我國各省生態環境與經濟發展耦合協調發展水平較低，半數以上的省份生態環境與經濟發展明顯失調，且存在地區之間耦合協調發展水平差異大的情況，東部地區明顯優于中西部地區。

2.2.22005年我國生態環境與經濟發展耦合階段及耦合協調類型的空間格局分布與2000年相比，2005年各省耦合階段依然分為4類，但各階段的數量發生了變化。其中，除貴州、云南仍處于低水平耦合階段以外，其余11個省份耦合度明顯提高，進入頡頏時期。因此，處于頡頏時期的省份達到了13個，占據總數的43%，同樣地，磨合階段以及高水平階段的數量也在增加。耦合協調類型按耦合協調度從高至低依次分為勉強協調、瀕臨失調、輕度失調、中度失調。其中，北京、天津、上海、浙江、江蘇、廣東為勉強協調區，這6個省份主要分布在我國東部沿海發達地區，且均處于高水平耦合階段，無論是耦合度還是耦合協調度均優于我國其他省份。除上述6個省份外，其余省份均面臨不同程度的失調，包括3個瀕臨失調區、12個中度失調區以及9個輕度失調區，但不存在嚴重失調省份。12個中度失調區包括以重慶、四川為代表的西南地區和以甘肅、青海為代表的西北地區，其耦合度均處于頡頏時期；9個輕度失調區主要包括以安徽、湖南、湖北、江西等為代表的中部地區。從2005年各省耦合階段及耦合協調類型的分布情況可以看出，我國生態環境與經濟發展的耦合協調度依然呈現出自西向東逐漸變好的趨勢，對比2000年的情況發現，各省的生態環境與經濟發展耦合度得到改善，且區域間差距呈現出縮小的趨勢。

2.2.32010年我國生態環境與經濟發展耦合階段及耦合協調類型的空間格局分布各省的耦合階段分為3類，處于頡頏時期的共6個省份，分別是江西、廣西、貴州、云南、青海以及新疆，其余省份均處于磨合階段或者高水平耦合階段，其中處于高水平耦合階段的省份有10個，與2005年(7個)相比略有提高，主要以北京、天津以及長三角地區為主。從耦合階段的分布變化可以看出，我國各省生態環境與經濟發展耦合度進一步提高，且省份間耦合度的差距在進一步縮小。耦合協調類型按耦合協調度從高至低依次分為初級協調、勉強協調、瀕臨失調、輕度失調。其中，初級協調以及勉強協調的省份共9個，與2005相比增加了3個，分別是遼寧、福建、山東，均為東部沿海發達地區，這些地區由于其經濟水平的快速發展以及環保政策的有效落實，率先進入生態環境與經濟發展協調發展的階段。輕度失調的省份包括江西、廣西、貴州、云南、甘肅、青海、寧夏、新疆共計8個，比2005年中度失調的省份減少4個，即黑龍江、陜西、重慶、四川。與2005年對比可以看出，相當一部分省份的耦合協調度明顯提高，進入了更高水平的耦合協調類型。

2.2.42015年我國生態環境與經濟發展耦合階段及耦合協調類型的空間格局分布這一時期，各省的耦合階段分為2類，分別是高水平階段、磨合階段。內蒙古、黑龍江、上海、江西、廣西、貴州、云南、甘肅、青海、寧夏、新疆這10個省份處于磨合階段，這些省份基本分布在我國西北以及西南地區。其中，上海的耦合度出現了下滑，從其生態環境系統以及經濟發展系統的綜合評價指數來看，其原因主要是經濟的持續高速發展與生態環境質量的緩慢變化，最終導致二者差距過大，從而出現協調發展程度的下滑。其余20個省份均處于高水平耦合階段，與2010年相比，處于高水平耦合階段的省份數量實現了翻倍的增長，這些增加的省份基本分布在我國中部地區。因此，在東部地區率先跨入高水平耦合階段之后，中部地區隨之也步入了高水平耦合階段，使得區域間差距進一步縮小。

耦合協調類型按耦合協調度從高至低依次分為中級協調、初級協調、勉強協調、瀕臨失調。其中，瀕臨失調省份共7個，而2010年瀕臨失調以及輕度失調的省份共計21個，經對比可知我國生態環境與經濟發展的耦合協調度從整體上過渡到了更高的水平，二者良性互動的態勢持續不變。除瀕臨失調省份外，其余省份均進入生態環境與經濟發展耦合協調發展的階段，其中勉強協調省份的數量達到了17個，占據總數的57%；初級協調省份以及中級協調省份包括北京、江蘇、浙江、福建、山東、廣東共計6個省份。從耦合協調類型的分布可以看出，我國生態環境與經濟發展耦合協調度的空間分布格局總體保持不變，即東部地區優于中部地區，中部地區優于西部地區。從各耦合協調類型分布數量的變化可以看出，我國各省生態環境與經濟發展耦合協調類型的分布結構正在從“金字塔”型分布向“橄欖球”型分布轉變，區域間生態環境與經濟發展耦合協調度的差距進一步縮小。

3　結論

本研究構建了生態環境與經濟發展評價指標體系，基于耦合度模型以及耦合協調度模型測算出2000—2015年我國以及30個省份生態環境與經濟發展耦合度及耦合協調度。通過對測算結果時間變動趨勢及空間格局演變的分析得出以下結論：(1)從時間變動趨勢來看，2000—2015年期間我國生態環境與經濟發展的耦合度和耦合協調度總體上呈現明顯上升態勢，這說明我國30個省份單元的生態環境與經濟發展之間存在著趨向協調發展的趨勢。具體來說，耦合度呈現出先回落后增長并保持平穩的態勢，由磨合階段進入高水平耦合階段。其中，2000—2005年間耦合度呈現出先回落后增長的趨勢，耦合度的區域差異過大是造成這種情況的主要原因。耦合協調度總體呈現平穩增長趨勢，耦合協調度從2001年的最低值0.401增長到2015年的最高值0.827；耦合協調類型實現了從瀕臨失調到中級協調的轉變。(2)從空間分布格局來看，我國各個區域的生態環境與經濟發展交互作用的耦合度和耦合協調度存在著明顯的區域差異，且表現出東部地區普遍優于中部地區、中部地區普遍優于西部地區的空間格局分布規律。由此可以看出，耦合度和耦合協調度的空間分布格局與區域經濟發展水平之間存在很強的空間對應關系，造成這種情況的主要原因是耦合度和耦合協調度的高低很大程度上取決于經濟發展水平的高低。(3)從空間分布格局的演變來看，對2000、2005、2010、2015年我國30個省份生態環境與經濟發展耦合階段及耦合協調類型的分析表明，隨著時間的推移，我國各省份生態環境與經濟發展耦合協調類型的空間分布格局正在從“金字塔”型分布向“橄欖球”型分布轉變，即大多數區域從面臨著不同程度的失調開始向初級程度的協調轉變，各區域間生態環境與經濟發展耦合協調度的差距正在逐步縮小。(4)經濟發展水平和生態環境質量狀況共同影響了二者耦合協調發展的程度。我國地區間的經濟發展水平和生態環境質量狀況長期處于不平衡的狀態。東部發達地區經濟發展水平領先于全國平均水平，但同時存在著環境污染與資源過度使用的情況，這種非協調狀況制約了東部地區的持續發展，因此調整產業結構、發展高附加值、低能耗的第三產業和高科技產業則成為東部地區的必由之路。中西部地區資源豐富，但通過資源換取經濟發展的方式已然導致了很多環境問題，因此這些地區也必須進行工業技術革新，對重要的資源型產業進行升級換代，減少資源浪費，降低污染物對環境的破壞，促進區域經濟發展與生態環境協調發展。

參考文獻：

[1]張曉東，朱德海. 中國區域經濟與環境協調度預測分析[J]. 資源科學，2003，25(2)：1-6.

[2]李勝芬，劉斐. 資源環境與社會經濟協調發展探析[J]. 地域研究與開發，2002，21(1)：78-80.

[3]韓瑞玲，佟連軍，佟偉銘，等. 沈陽經濟區經濟與環境系統動態耦合協調演化[J]. 應用生態學報，2011，22(10)：2673-2680.

[4]江紅莉，何建敏. 區域經濟與生態環境系統動態耦合協調發展研究——基于江蘇省的數據[J]. 軟科學，2010，24(3)：63-68.

[5]Dinda S. Environmental kuznets curve hypothesis：a survey[J]. Ecological Economics，2004，49(4)：431-455.

[6]李玉文，徐中民，王勇，等. 環境庫茲涅茨曲線研究進展[J]. 中國人口·資源與環境，2005，15(5)：7-14.

[7]廖重斌. 環境與經濟協調發展的定量評判及其分類體系——以珠江三角洲城市群為例[J]. 熱帶地理，1999，19(2)：171-177.

[8]劉耀彬，李仁東，宋學鋒. 中國區域城市化與生態環境耦合的關聯分析[J]. 地理學報，2005，60(2)：237-247.

[9]馬麗，金鳳君，劉毅. 中國經濟與環境污染耦合度格局及工業結構解析[J]. 地理學報，2012，67(10)：1299-1307.

[10]王琦，湯放華. 洞庭湖區生態-經濟-社會系統耦合協調發展的時空分異[J]. 經濟地理，2015，35(12)：161-167.

[11]劉定惠，楊永春. 區域經濟-旅游-生態環境耦合協調度研究——以安徽省為例[J]. 長江流域資源與環境，2011，20(7)：892-896.

[12]李汝資，宋玉祥，李雨停，等. 近10年來東北地區生態環境演變及其特征研究[J]. 地理科學，2013，33(8)：935-941.

[13]袁久和，祁春節. 基于熵值法的湖南省農業可持續發展能力動態評價[J]. 長江流域資源與環境，2013，22(2)：152-157.

[14]朱蕾，葛驍，郭海寧，等. 基于熵權的揚州市生態環境質量模糊綜合評價研究[J]. 環境科學與管理，2013，38(7)：161-166.

[15]陳泓冰，艾建國，魯璐 .湖北省城市化發展與生態環境耦合協調分析[J]. 湖北社會科學，2012(3)：59-64.

[16]柴莎莎，延軍平，楊謹菲. 山西經濟增長與環境污染水平耦合協調度[J]. 干旱區資源與環境，2011，25(1)：130-134.