東北地區經濟發展與生態環境耦合關系時空分析

谷國鋒，王雪輝

(東北師范大學 地理科學學院，吉林 長春 130024)

一、引 言

東北地區經濟斷崖式下滑已成為社會各界普遍關注的熱點問題，如何促進經濟增長的同時保持良好的生態環境狀況，是東北地區經濟發展過程中不容忽視的重要問題。對經濟發展與生態環境的問題探討具有代表性的是經濟學家西蒙·庫茲涅茨，他認為在經濟的增長過程中，人們生活質量會遵循先惡化后逐步改善的變化規律[1]。美國經濟學家Grossman和Krueger結合對收入水平與環境質量指標之間關系的定量分析發現，該污染物均與收入呈“倒U型”關系[2][3]353-377。然而很多國家和地區的環境質量與收入水平之間并非呈“倒U型”關系，而是呈現出“S型”“N型”、三次曲線及其他類型特征，因此認為這種假設存在區域局限性。一些學者引入物理學中的 “耦合” 概念以便進一步探求經濟與環境的相互關系。耦合就是指兩個或兩個以上的事件之間存在緊密配合和相互影響的現象。環境系統與經濟系統間就存在如下關系：在環境受經濟系統影響的同時，經濟系統也受環境系統在環境質量和地理空間等方面的制約。

目前我國在經濟與環境耦合方面的相關研究主要為以下三個方面：一是以城市經濟與環境為主體，定量研究其城市化與環境的耦合關系，黃金川、方創琳推導出區域生態環境受城市化發展影響的耦合規律為指數先惡化、后好轉[4]211-220。二是基于庫茲涅茨曲線分析區域性經濟增長與生態環境交互耦合的關系及其規律。沈滿洪、陳華文、張捷和趙雪雁等分別選取浙江省、上海市、廣東省、甘肅省的經濟與環境數據，驗證了環境庫茲涅茨曲線的存在性并定量分析經濟與環境的交互耦合關系[5]53[6]87-94[7]17-23[8]1-7。三是實證分析經濟發展與生態環境的協調度，并對其研究方法的科學合理性進行討論。劉耀彬等對城市化與生態環境的協調度模型進行重新構建[9]26-32[10]237-247。杜忠潮、張曉東、陳泓冰、尹海偉等分別對陜西省、中國省級區域、湖北省及山東省經濟環境和城市化與環境的協調度進行實證分析[11]59-64[12]1-6[13]69-73+86[14]30-33+100。以上大都是對中國省級區域進行耦合度及協調度的研究，對區域尺度研究較少，對東北地區經濟與環境耦合因素分析及時空變化更是鮮有涉及。東北地區產業結構一直以重工業為主體，生產過程中對環境產生嚴重破壞。作為我國重要的老工業基地和糧食生產基地，研究其經濟發展與生態環境的耦合關系對我國的可持續發展道路具有重要作用。

二、研究方法與指標體系構建

(一)研究方法與研究步驟

鑒于經濟發展與生態環境耦合作用復雜且東北地區現有數據灰度較大，而灰色關聯度模型適合灰度較大的復雜系統多因素相互作用分析，因此采用該模型進行定量評價[15]50-60，其具體步驟如下：

首先，確定分析序列為經濟發展序列組為 (Xi)，生態環境序列組為 (Yj)，并進行數據標準化：

X′=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

Y′=(Yj-Ymin)/(Ymax-Ymin)，

(1)

其次，求關聯系數。

ξij(t)=

(2)

最后，求關聯度和耦合度。通過對關聯系數按樣本數k求均值得到一個指標序列關聯度矩陣γ。

(3)

式中：k為生態環境或經濟發展指標數。基于對各指標間關聯度γij大小及排序，進而揭示哪些因素對經濟發展與生態環境耦合過程中的作用較強。0<γij≤1，γij值越大，說明關聯性越大，具有越強的耦合作用。當0<γij≤0.35時表明耦合作用相對較弱；0.35<γij≤0.65表明具有中等的耦合作用；0.65<γij≤0.85表明耦合作用較強；0.85<γij≤1表明耦合作用極強。

按行或列分別在關聯度矩陣的基礎上求其平均值，可以得到系統耦合的關聯度模型：

(4)

式中：di為經濟發展系統中第i指標與生態環境系統的平均關聯度，反映該指標對生態環境系統的耦合作用程度；dj為生態環境系統中的第j指標與經濟發展系統的平均關聯度，反映該指標對經濟發展系統的耦合作用程度；m、l分別為兩個系統的指標數。然后利用關聯耦合度模型度量經濟增長與生態環境系統耦合的協調程度，其具體的計算公式如下：

(5)

式中：C(t)為耦合度；m，l分別為經濟發展與生態環境系統的指標數。

(二)指標體系與數據來源

在遵從科學性及系統性原則的基礎上，并從國內外學術研究成果中吸取經驗，本文在結合34個東北地區的地級市實際情況下，構筑出東北地區經濟發展與生態環境耦合系統指標體系，如表1所示。本文中相關的數據取自2004年至2015年的《黑龍江省統計年鑒》、《吉林省統計年鑒》與《遼寧省統計年鑒》。

三、東北地區經濟發展與生態環境耦合關聯分析

本文通過計算得出東北地區34個地級市2014年經濟發展與生態環境耦合作用關聯矩陣，如表2所示。

表1 東北地區經濟發展與生態環境系統耦合指標體系

表2 東北地區經濟發展與生態環境耦合的關聯度(2014)

經計算，2014年東北地區經濟發展與生態環境的耦合度為0.656，耦合作用較強。根據兩系統耦合關聯度可以統計得到，中等關聯度數值占總體數值的48.5%；較高關聯度數值占總體數值的50.0%；極強關聯度數值占總體數值的1.5%。說明東北地區大部分地級市經濟發展與生態環境具有緊密的關系，因此對該問題的研究將對東北地區經濟環境系統協調發展具有重要意義。

(一)經濟發展對生態環境的脅迫作用

第一，在以上經濟系統指標中，最能體現經濟增長水平的指標就是人均GDP的增長，在系統耦合的過程中，關聯最為顯著的是經濟水平子系統與生態環境系統，平均值達到0.713。其中關聯度最高的指標為GDP(x1)與生態環境系統的關聯度，達到0.720，并且與生態環境系統中工業排放SO2量(y4)、總供水量(y7)、城市建成區面積(y8)均有較高的關聯度，其關聯度分別為0.815、0.880、0.868。說明對生態環境系統影響最主要的經濟系統內的子系統是經濟水平子系統，即經濟的增長將不可避免地帶來對生態環境的影響，經濟長期發展使東北地區地域擴張和城市化進程加快，帶來能源消耗與資源利用增長，廢棄物排放與環境污染加劇，已經對生態環境系統質量造成嚴重影響。

第二，人民生活水平子系統與生態環境關聯度為0.670。其中，職工平均工資(x12)的關聯度為0.692，關聯度較強，說明職工平均工資的增長與生態環境系統也具有密切的關系。收入的增長直接的影響就是人民整體生活水平提高，使人們在滿足溫飽的前提下和逐漸加深環境保護的思想意識作用下，對生存環境質量要求提高，一些污染較重的工廠在人們的反抗情緒當中難以“生存”下去，體現經濟發展過程中與生態環境的交互脅迫作用。

第三，非傳統農業和重工業加劇了環境污染，尤其是一直以農業和工業為主的東北地區。因此其與生態環境有較高的耦合度，為0.629。作為重工業基地的東北地區一直以第二產業為主，將制造業作為地區發展的核心產業，近年逐年增加第三產業的比重為產業結構的合理化和高級化提供可能性，而產業結構的改變將帶來用水結構、能源結構等隨之改變，因此產業結構的改變將成為促進經濟發展與生態環境協調發展重要的重要力量。

第四，在東北地區經濟活力子系統中，全社會固定資產投資增長率(x7)、GDP增長率(x8)、科技教育經費占GDP的比例(x9)與生態環境系統的耦合度分別為0.611、0.600、0.630。說明地區經濟活力的提高，與生態環境的耦合具有緊密聯系。其中增加科技教育經費，意味著更多的技術進步因素的投入使經濟發展對生態環境的污染破壞減少、對資源的回收利用增多，有利于資源的可持續利用。增加資本的投入在加快城市建設的同時，也會對城市生態環境產生一定程度的影響[16]24-27。

(二)生態環境對經濟發展的約束作用

第一，生態環境水平子系統與經濟發展系統的關聯度為0.668。說明使用土地的類型與城市化建設和經濟發展關系十分密切，對于城市建成區的綠化問題、耕地與公共綠地面積的變化不僅影響一個城市的環境，也影響著該城市的發展前景。一個城市帶的發展離不開城市所在環境的承載，而水土資源的承載能力是環境承載力的重要方面，也是生態環境對經濟發展的限制因素。

第二，與經濟發展系統的關聯度中，生態水平壓力子系統的關聯度為0.665。在經濟發展受到生態環境的約束時[17]50-57[18]25-30，城市化也被一些重要的生態環境因子約束著，尤其是水土資源和某些環境污染因子，當生態環境被破壞至某種程度，會產生對經濟發展的負反饋效應[19]1299-1307。結合上述分析表明，緊缺的水土資源和受到污染的環境特別是明顯下降的空氣質量，約束著東北地區經濟發展，是束縛東北地區經濟發展的核心問題。

第三，對生態環境的保護措施也是生態環境系統內部重要部分，合理有效的保護措施可以在減少環境破壞的基礎上進行發展經濟的人文活動，進而實現經濟環境的“雙贏”。二者系統的耦合關聯度為0.630，說明對生態環境的保護與經濟發展的關系仍是不可忽視的重要問題。

四、耦合度空間差異分析

(一)空間靜態分析

經濟發展與生態環境系統耦合具有顯著的復雜性與交錯性，且這種特性體現在時空演化的過程中，因此對二者耦合程度及類型在時空上發展變化的研究尤其重要。本文借鑒黃金川、方創琳等人對經濟發展與生態環境耦合空間分布規律階段的劃分成果，將東北地區耦合階段從高到低依次劃分為高水平協調、磨合型、拮抗型和低水平耦合型4個類型。利用ArcGIS9.3自然斷裂法生成耦合度空間分布圖，以東北地區各地級市的人均GDP作為反映該系統參考指標，結合東北地區的經濟發展狀況，并與耦合度空間分布圖進行疊合得到耦合度類型空間分布圖。

協調型。包括沈陽市、盤錦市和大慶市。其中大慶市是典型的資源型城市，因多年來對石油產業污染治理的重視，并通過開發濕地資源、發展旅游行業等污染小的第三產業，在其經濟的發展過程中逐年減少了對生態環境的人均負荷，經濟發展與生態環境總體上逐步走向協調，因此耦合度最小。

圖1東北地區經濟發展與生態環境耦合度及類型空間分布(2014)

磨合型。包括鞍山市、長春市、松原市、遼源市、通化市。上述地區經濟發展水平相對較高，自身擁有較好的生態環境可以承載其經濟的發展，并能處理和釋放一定程度的三廢污染，因此耦合度較小。

拮抗型。包括撫順市、錦州市、大連市、遼陽市等。上述地區具有參差不齊的經濟發展水平，卻由于某些原因使得耦合度最大。其中哈爾濱市在區位上有著吸引勞動力和人才的優勢，但因人口壓力大以及過度的占用環境資源，使其不可避免更加地依賴于環境，經濟發展和城市化進程受到生態環境的負反饋作用日漸明顯，相比之下耦合度最大。

低水平耦合型。鐵嶺市、朝陽市、葫蘆島市等由于受限制的地域條件、單一的產業結構或是欠缺具有優勢的主導產業，而使經濟發展程度較低，對環境的影響遠遠低于其承受范圍，因此耦合度較小。

通過對比分析發現，遼寧省地級市的平均耦合度和高耦合度城市數量明顯高于吉林省和黑龍江省，這說明遼寧省在實現經濟與環境協調發展上具有明顯的優勢，而對資源開發依賴性大的吉林省和黑龍江省經濟發展相對滯后，有較弱的經濟與環境的協調能力。因此提高經濟發展與生態環境的耦合協調能力是吉林省和黑龍江省在未來發展中的一項重要環節。

(二)空間動態對比分析

由于地區經濟發展與生態環境的耦合狀態具有時序性變化，因此通過對其進行耦合度計算并繪制出分布圖，使我們可以進一步了解東北地區經濟發展與生態環境空間耦合動態變化。運用上述同樣方法對2003年東北地區34個地級市的耦合情況進行分類(圖2)，并與2014年耦合度空間分布情況進行動態對比分析，發現可以將其變化情況分為以下四種類型：協調趨向型、磨合趨向型、拮抗趨向型與無變化型，具體分析如下：

圖2東北地區經濟發展與生態環境耦合度及類型空間分布(2003)

協調趨向型。2003年低水平耦合型的大慶市和拮抗型的盤錦市分別轉變為2014年的協調型。雖然大慶市依賴石油資源發展地區經濟，但能成為耦合協調型城市，除了因自身擁有較好的水土資源條件與環境基礎外，還得益于其在經濟發展的過程中沒有給環境造成過大的壓力。

磨合趨向型。鞍山市、長春市、通化市、松原市在研究期內由拮抗型轉變為磨合型，其中鞍山市具有發展為協調趨向型的潛力，但作為我國重要的鋼鐵基地，對于污染物的處理將成為其主要的阻礙因素。遼源市隨著經濟的發展由低水平耦合型轉變為磨合型。

拮抗趨向型。耦合發展類型趨于拮抗型的主要原因是耦合度增加，大連市、營口市、阜新市分別由2003年的協調型、磨合型和低水平耦合型趨向拮抗。

無變化型。無變化型指在研究期的起止年份耦合狀態并未發生改變的城市，包括撫順市、本溪市、丹東市、錦州市、遼陽市、吉林市，這些城市在2003到2014年間耦合類型均為拮抗型。綏化市、齊齊哈爾市、黑河市、伊春市、鐵嶺市、朝陽市、四平市、白城市在研究期內均為低水平耦合型。由于這些地區或是在很大程度上依賴于環境，或是由于經濟落后還未涉及環境保護問題。

(三)時序分析及發展趨勢預測

要進一步揭示出東北地區經濟發展與生態環境耦合度階段性變化特點，可以從時序變化角度對2003年到2014年耦合度進行分析，如圖3。

圖3東北地區經濟發展與生態環境耦合度變化曲線(2003—2014)

(1)由圖3可知東北地區2003年到2014年耦合度表現出明顯的波動性，具有先下降后上升的趨勢，整體呈現正“U”型特征，耦合度波動在0.633—0.669之間。表明系統間耦合關聯度較強，東北地區經濟發展與生態環境系統交互作用頻繁，關系緊密。也說明隨著時間的推移，系統耦合強度、作用重點及程度一直處在變化中。

(2)根據圖3中耦合度曲線的波動特點，可將其變化趨勢劃分為兩個階段：第一階段為2003—2008年，其間耦合度整體在波動中下降。東北地區在此期間實行東北老工業區振興政策，加大對調整產業結構和建設生態環境的重視程度、大量投入使用清潔環保技術，降低經濟發展與生態環境的耦合程度。第二階段為2008—2014年，期間耦合度在波動中上升。因階段性的國家政策、急劇膨脹的城市人口、經濟發展的周期性以及使用相關清潔技術的不確定性等原因，生態環境在經濟水平穩步提升的同時開始通過負反饋作用給一些城市，由此帶來約束經濟發展的瓶頸，阻礙城市化進程和經濟發展。

(3)從第二階段的耦合度曲線變化來看，經濟發展與生態環境的耦合度在波動中提升，2008年到2009年耦合度從0.633增加到0.667，盡管在2010年有所下滑，但在2011年又重新開始增加，說明沒能從根本上解決生態環境問題。而改善環境問題又不是朝夕間可以完成的，生態環境若不盡早治理便可能繼續惡化。因此通過耦合度趨勢曲線的變化特征，在未來的5年內可以預測出經濟發展與生態環境的耦合度將會在波動中繼續增加。

五、結 論

本文對2003年到2014年東北地區經濟發展與生態環境的耦合狀態的時空變化進行可視化處理，得到以下幾點結論：

(1)從系統相互作用的角度來說，生態環境受經濟發展的脅迫作用和經濟發展受生態環境的約束作用，可以充分體現經濟發展與生態環境交互作用的復雜性與制約性。由于二者都包含復雜的子系統，其內部耦合關系仍然有待進一步深入研究。

(2)基于空間分析角度，遼寧省高耦合度地級市數量要明顯多于吉林省與黑龍江省，且省內整體耦合度亦高于其他兩省；2014年東北地區地級市經濟發展與生態環境的耦合類型大多為拮抗型。與2003年耦合度及類型空間分布圖進行動態對比分析發現，可以將其變化情況分為以下四種類型：協調趨向型、磨合趨向型、拮抗趨向型與無變化型，其中協調趨向型城市占比例較小，磨合趨向型與拮抗趨向型互相轉換，無變化型主要為拮抗型與無變化型。

(3)基于時序分析角度，東北地區2003—2014年的耦合度表現出明顯的波動性和階段性，整體呈現正“U”型特征。其中，下降部分說明清潔技術及政策等因素會對東北地區耦合度變化產生一定影響，上升部分說明東北地區經濟發展與環境耦合程度仍在增強，耦合類型可能走向高度協調或拮抗型。基于以上時序分析推測，未來的5年內可以預測到耦合度將在波動中繼續增長，整體依然會停留在拮抗階段，因此經濟發展受到生態環境約束的瓶頸也將越發明顯。