中國生態文明建設與科技創新耦合協調時空演變

谷 縉，程 鈺，任建蘭

(山東師范大學地理與環境學院，山東 濟南 250358)

0 引言

生態文明是人類對工業文明的揚棄，是生態文化倫理形態的升華，是人類遵循人與自然和諧發展規律，推進社會、經濟和文化發展所取得的物質與精神成果進步的總和，是以人與自然、人與人和諧共生、全面發展、持續繁榮為基本宗旨的社會文明形態，是人類文明發展的必然趨勢。它包涵符合自然生態法則的文化價值需求；生態系統可持續前提下的生產觀；滿足自身需要又不損害自然的消費觀。生態文明建設是一場系統性工程，涉及價值觀念、生產與生活方式等全方位的變革，融于經濟、政治、文化和社會建設的全過程。綠色發展、循環發展與低碳發展是生態文明建設的基本路徑。科技創新是引領發展的第一動力，《關于加快推進生態文明建設的意見》中指出要堅持把創新驅動作為生態文明建設的基本動力，不斷深化科技創新，建立系統完整的生態文明制度體系，強化科技創新引領作用，為生態文明注入強大動力。因此，科技創新在促進經濟發展方式轉變、人類生態倫理價值觀的形成、綠色生活方式轉變過程中發揮了關鍵作用；科學技術的進步與生態文明的建設二者互利共生、相輔相成，共同推進人類社會不斷向前發展。因此，推進二者相互融合、協調發展是實現可持續發展的重要途徑。

當前，國內學者對于生態文明與科技創新關系的研究主要有：陳首珠[1]對十八大以來創新驅動發展戰略推進生態文明建設研究進行總結，從生態文明建設的基礎理論、技術訴求、科學路徑方面闡述其與科技進步是一種互利共生的關系；鄒凡等[2]在分析生態文明與科技創新關系的基礎上，認為當前生態文明建設應著重依托科技創新推動綠色產業、循環產業的發展；白春禮[3]從生態文明建設的支撐力量、問題與挑戰、科技需求、重要舉措四個方面系統闡述了二者關系；鄧可[4]認為科學技術是一把雙刃劍，它在促進人類文明進步的同時，也造成了一定程度上的環境污染、生態破壞，認為辯證看待、協調好二者發展關系才能實現人類社會可持續發展；蔡木林等[5]對比分析國外生態文明建設的科技發展戰略制定與發展變化情況，認為我國生態文明建設應更加重視科技發展戰略工作，加強科技戰略布局；陳欽萍等[6]運用C-D生產函數測定科技投入對生態文明建設的貢獻度，結果表明科技投入對生態文明建設具有明顯的促進作用；肖顯靜等[7]以科學技術推進生態文明建設所需經濟政策為路徑，倡導落實生態技術的研發、推廣與應用；劉春香等[8]從供應鏈維構建綠色科技與生態文明的相互作用機理模型，分析了科技對生態文明建設的支撐作用；盧風[9]認為生態文明建設的關鍵是綠色科學技術，但不應全面秉承科技萬能論。

通過梳理上述研究，現有關于生態文明建設與科技創新關系的研究在如下方面亟待完善：一方面生態文明建設與科技創新能力內在耦合協調關系的定量分析較少，且指標體系的構建沒有規范標準，一些指標體系構建不合理，導致研究結果出現偏差；另一方面傳統測度評價方法(因子分析、層次分析、熵權法)受到過于數學化的限制，難以解決時間序列多元數據的非線性分析?；诖?，研究在探析生態文明建設與科技創新能力協調發展機理(見圖1)的基礎上，構建生態文明建設與科技創新能力評價指標體系，采用2006—2015年中國30個省市區(西藏、臺灣、香港、澳門除外)相關數據，運用投影尋蹤評價模型(PPM)、耦合度與協調度模型，對中國生態文明建設與科技創新能力耦合協調水平時空演變格局進行探析，并提出相關對策建議，以期尋求實現中國可持續發展與生態文明建設的新路徑。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

(1)評價指標體系設計。研究綜合近年來對于生態文明建設理論內涵的闡述，同時遵循指標選取的科學性、合理性、系統性、數據的可獲取性與可量化性原則，主要從生態經濟、生態社會、生態環境與生態制度四個方面設計生態文明建設水平評價指標體系(見表1)。

科技創新能力指標體系的構建參考國內外科技創新能力相關研究，參考《國家科技創新能力評價指標體系》，主要從科技創新投入、科技創新產出和科技創新環境三個核心層面構建科技創新能力評價指標體系(見表2)。

圖1 生態文明建設與科技創新協調發展機理

表1 生態文明建設評價指標體系

表2 科技創新能力評價指標體系

(2)投影尋蹤評價模型。投影尋蹤模型(PPM)，是一種用來分析和處理非線性、非正態高維數據的新型數理統計方法[10-11]，該模型已廣泛應用于解決新型綜合型問題。投影尋蹤法的基本思路是：將高維數據轉換投影為低維數據，通過優化投影函數，求出原高維數據的最佳投影方向即權重。模型建模步驟如下：

①原始指標數據的標準化。設各指標樣本集為{x*(i,j)|i=1,2,…,n;j=1,2,…,p},其中x*(i,j)為第i個樣本的第j項指標，個數，n、p分別為評價指標個數。進一步采用極差標準化對原始數據樣本集進行歸一化無量綱處理。

(1)

(2)

式中，xmax(j)、xmin(j)分別為第j項指標的最大值與最小值，x(i,j)為指標特征值歸一化的序列。

②投影目標函數構造。設a={a(1)，a(2),…,a(p)}為投影方向向量，樣本i在該方向的一維投影值為：

(3)

在優化投影指標值時，要求投影值Z(iX)的散步特征應為：局部投影點盡可能密集，最優化狀態為凝聚成若干個點團，整體上投影點團之間盡可能散開。因此，投影指標函數表達如下：

Q(a)=Sz·Dz

(4)

式中，Sz、Dz分別為投影值Z(i)的標準差與局部密度，即：

(5)

(6)

式中，E(z)為序列{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值；R為局部密度的窗口半徑；r(i,j)表示樣本之間的距離，r(i,j)=|z(i)-z(j)|；u(R-r(i,j))為單位階躍函數，當R≥r(i,j)時，函數值為1；R

③投影目標函數優化。通過計算最大化投影目標函數，求解最佳投影方向，即：

目標函數最大化：maxQ(a)=Sz×Dz

(7)

(8)

這是一個以{a(j)|j=1,2,…,p}為優化變量的復雜非線性優化問題，本文通過加速遺傳算法進行優化求解。

④確定投影值(評價值)。將上述步驟求得的最佳投影方向aj(見權重)(表1～表2)與相應標指標準化值相乘累加求和，即求得各樣本投影值Zi(評價值)。

(3)耦合度模型。研究在構建耦合度模型的過程中，參考李裕瑞[12]等評價中國“四化”發展的耦合度中對于耦合度修正的方法，基于對物理學中的容量耦合系數模型進行重新構建得出的耦合度測算模型，推導得出兩個子系統或多要素耦合測度模型：

(9)

式中：C為生態文明建設與科技創新能力耦合度，C值區間為[0,1]，值越大表明兩者之間耦合程度越高，二者的相互作用與影響力越強，當C為0表明二者之間處于完全無關狀態。Z1與Z2分別為生態文明建設水平與科技創新能力水平綜合評價得分。參考前人研究，將耦合度值進行如下分段：0

(4)協調度模型。協調是兩種或兩種以上系統或要素之間一種良性的互相關聯，是系統或要素間配合得當、和諧一致、良性循環的一種關系。因此，引入協調度模型，可以反映生態文明建設與科技創新能力間協調水平狀況。其模型公式如下：

(10)

T=?Z1+βZ2

(11)

式中：D為協調度；C為耦合度；T為兩系統間的綜合評價指數，它反映兩系統間的整體效益或水平；α、β分別為待定權數，研究認為生態文明建設與科技創新能力同等重要，故分別設定為0.5，D值越大表明二者協調度越高。研究參考廖重斌[13]對于協調標準等級的劃分，重新將協調水平劃分為四個等級：0≤D≤0.3為低度協調；0.3

2.2 數據來源

研究所需數據主要來源于2006—2015年《中國統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國科技統計年鑒》《中國信息化年鑒》《中國高技術產業統計年鑒》《中國能源統計年鑒》以及歷年各省環境狀況公報。在分析生態文明建設水平與科技創新能力耦合協調發展空間格局演變過程的研究中選取2006、2009、2012與2015年相關數據進行分析。

3 結果與分析

3.1 中國生態文明建設與科技創新能力耦合協調發展演變分析

(1)整體水平時序演變分析。運用構建的評價模型對中國生態文明建設與科技創新能力發展水平進行測度：2006—2015年中國生態文明建設水平與科技創新能力均呈平穩上升趨勢，其中生態文明建設水平指數從2006年0.28增長到2015年的0.67，增長了1.4倍，增長速率較慢；科技創新能力發展指數從2006年0.05增長到2015年的0.98，增長了20倍(見圖2)，發展態勢迅猛。就二者相對發展水平看，2012年以后生態文明建設水平逐漸落后于科技創新能力。造成上述變化的主要原因為：①進入21世紀以來，我國不斷深化科技創新體制改革，使得企業自主創新能力不斷提高；教育改革紅利促使科技創新型人才不斷壯大，為科技創新能力的提高提供的重要的制度和人才保障，同時不斷完善的社會主義市場經濟體制為科技創新提供了更多的資金支持；②盡管我國對于生態文明建設的認識程度不斷深化，其水平也在不斷增長，但其涉及經濟、社會、生態環境、制度等多方面是一個復雜的系統性工程，致使建設進程緩慢。

(2)耦合協調水平時序演變分析。2006—2015年，二者耦合度介于0.74～0.97，相互作用強度以每年0.023的水平不斷增長，這說明二者之間具有很強的相互作用關系(見圖2)。協調度方面，二者協調度由2006年的0.55增長到2015年的0.94，協調水平呈上升趨勢。就其協調水平變化趨勢可將其分為兩個階段：高度協調階段(2006—2007年)，協調水平介于0.55～0.67；極度協調階段(2008—2015年)，協調水平由0.73增長至0.94；其中2011年協調度下降至0.83，究其主要原因為：2011年兩系統發展水平處于一個交匯期，發展水平相當，致使表征上二者協調水平微降。不斷增強的高水平的耦合度與協調度變化得益于：①科技創新能力的不斷提高帶來了科學技術和知識的不斷創新，給予了生態文明建設中社會、經濟和環境發展的技術與人才支撐，使得生態社會不斷發展，綠色消費水平不斷提高；②同時科學技術帶來了經濟發展方式的綠色化轉變，進一步使得生態環境得到改善；③而生態文明建設的國家戰略需求促使生態化的科學技術價值觀轉化，進一步增強科技創新能力。

圖2 2006—2015年中國生態文明建設與科技創新能力耦合協調水平

3.2 省域生態文明建設與科技創新能力耦合協調發展演變分析

(1)省域生態文明建設水平空間格局演變。總體來看，2006—2015年，除天津市與陜西省外，中國各省生態文明建設水平均呈上升態勢(見圖3)。將各省生態文明建設水平采用中值法劃分為三類：低水平建設(0.13≤Z1≤0.31)；中等水平建設(0.31

從空間格局演變來看，省域生態文明中高等水平建設區域主要由東部、東南沿海區域向西北、北部內陸地區擴散，低等水平建設區域由全國性面狀區域縮小至東北-中部-西南的狹長格局地帶。造成上述變化的主要原因為：①東部沿海地區經濟社會發展較快，人們美好生活水平的向往迫切需求生態文明建設水平的不斷提高，且有雄厚的建設資金支持，注重綠色低碳環保產業的發展，綠色發展水平較高；②東部沿海區域相對于西部地區區域面積較小，各類空間規制得以良好實施；③近年來，國家不斷給予西部生態環境脆弱區以資金、技術、政策支持以及國家主體功能區劃的實施，西部與北部地區生態文明建設水平不斷提高；④東北地區以資源消耗、環境損害為代價的粗放型經濟發展模式并沒有得到有效改觀，早期過度開發濕地、森林、生物資源而遭到破壞的生態環境恢復較慢；西南地區社會經濟落后，生態意識薄弱，又受特殊地形影響洪水、泥石流、水土流失等自然災害頻發，生態環境脆弱，生態文明建設水平較低。

圖3 2006—2015年省域生態文明建設與科技創新能力耦合空間格局演變

(2)省域科技創新能力空間格局演變。2006—2015年，各省科技創新能力均呈上升趨勢，北京、上海、山東、江蘇、浙江、廣東等東部沿海區域科技創新能力位居全國前列(見圖4)?？萍紕撔履芰O差由2006年的0.37擴大到2015年的0.59。同樣將各省科技創新能力水平用中值法劃分為三類：低水平(0.02≤Z2≤0.23)；中等水平(0.23

(3)省域生態文明建設與科技創新能力耦合度空間格局演變。2006年，各省耦合度介于0.07～1.00之間，絕對差異較大，其中遼寧、北京、天津等8個省市區處于高水平耦合階段；黑龍江、吉林、河北、河南等12個省市區處于磨合階段；山西、貴州、江西3個省區處于抗拮階段；新疆、內蒙古、海南等7個區域處于低水平耦合階段。2009年，耦合度值介于0.16～0.99之間，較2006年絕對差異縮小，耦合水平有所提高；高水平耦合階段區域由8個擴大至11個；處于磨合階段區域減少至8個；廣西、云南由低水平階段晉升至抗拮階段，耦合度水平分別提高了0.12與0.07，而重慶耦合度水平下降0.14。 2012年，耦合度介于 0.16～1.00之間，除新疆外耦合度水平均介于0.5以上；全國21個省市區處于高水平耦合階段，大部分區域耦合度值在0.9以上，耦合水平快速提高，且全國沒有處于抗拮階段的區域；新疆仍處于低水平耦合階段。2015年，耦合度介于0.21～1.00之間，大部分區域耦合度介于0.5以上；較2012年，雖然高水平耦合階段區域減少，但全國大部分區域介于高水平耦合階段與磨合階段，值得注意的是，新疆首次由低水平耦合階段進入到抗拮階段，而內蒙古較2015年耦合度退步0.71。

從整體看，2006—2015年，各省生態文明建設水平與科技創新能力不斷提高，二者互動水平不斷增強，耦合水平總體呈上升趨勢，由四種耦合階段均衡分布逐步轉向磨合與高水平耦合階段集中分布(見圖5)。2006年，北上廣與環渤海區域作為全國科技創新中心與生態文明建設高水平區域，二者實現良性互動，相互促進作用顯著耦合水平較高；低水平耦合階段區域分布在邊疆地區生態社會與經濟落后生態環境脆弱，科技創新能力較低，二者互動性不足，耦合水平較低。2009年，高水平耦合階段區域出現向長江流域擴散的態勢；磨合階段區域空間格局較2006年沒有太大變化；抗拮階段區域集中分布在西南邊疆區域；低水平耦合階段區域集中在北部與西北邊疆地帶。2012年，處于高水平與磨合階段的區域擴散至全國范圍。2015年，形成北上廣-環渤海-長黃(長江、黃河)中下游的高水平耦合空間分布格局；西北-西南邊疆抗拮階段空間分布格局；北部邊疆低水平耦合空間分布格局。

圖4 2006—2015年省域生態文明建設與科技創新能力協調水平空間格局演變

(4)省域生態文明建設與科技創新能力協調水平空間格局演變。2006年，協調水平介于 0.11～0.75之間，大部分區域為低度與中度協調水平，高度協調區域集中在江蘇、浙江、福建與廣東等東南沿海省份，極度協調地區僅上海與北京兩市，此階段各省生態文明建設水平與科技創新能力普遍低下，二者協調水平等級不高。2009年，協調水平介于0.19～0.81之間，低度協調區域縮小至內陸邊疆區域的7個省區，中度協調區域擴大集中在中部的12個省市區，高度協調區域擴散至整個沿海區域。2012年，協調水平介于0.21～0.82之間，黑龍江、甘肅、河南等地區協調水平下降，內蒙古、青海等地由于依托科學技術改善生態環境，協調水平進一步提升，環渤海地區工業化、城鎮化進程加快，污染排放增多生態環境惡化，協調水平降低。2015年，生態文明建設進程不斷加快，創新驅動不斷增強，各省市區協調水平都有了極大改觀，協調值介于0.32～0.86之間，其中高度協調水平區域集中在長江中下游區域，極度協調區域由之前單一的北京、上海兩市擴大至江蘇、浙江、廣東三省。

整體來看，協調度格局與耦合度格局有著相似的演變趨勢。造成上述格局的原因：①西部地區生態環境脆弱、經濟社會發展水平較低、科技創新能力不足的西部地區，導致二者整體協調水平較低；②由于地理環境與政策優勢吸引大量人才與科技創新資金投入，生態文明建設水平相對較高，高度協調水平區域集中在東部沿海地區；③東北地區產業轉型升級緩慢，依托資源的傳統經濟發展方式沒有得到有效改觀，生態環境質量較差，生態文明制度不健全，雖然科技創新能力比較客觀，但是二者沒有實現良好的融合，協調水平一直沒有得到有效提高；④青海、內蒙古等生態環境脆弱地區，近年來國家給予了大量生態政策與資金的支持，依托科學技術有效恢復了生態功能，協調水平顯著提高。

4 對策與建議

4.1 完善科技創新體制促進生態文明建設

推動以政府為主導、市場為導向、產學研融合的科技創新體制改革，科技部應進一步協調其他相關部門引導生態技術資源在行業間的合理配置、協調，進一步完善生態科技創新協調機制；企業應科學看待生態技術變革帶來的“波特假說”效應，建立資源信息共享機制，實現生態核心技術的攻關；在政府搭建的科技創新協調機制基礎上，高等院校與科研院所應進一步順應社會需求培養相關專業人才，將研究成果惠及生態科技企業，實現科技創新體制的上、中、下游的對接與耦合。

4.2 加強生態文明與科技創新的法律體系保障

生態文明相關法律、法規對科學技術的應用效率具有重要作用，有利于進一步提升生態文明建設與科技創新的協調發展。為此，要進一步健全符合生態文明建設需求的科技創新法律體系。一是要完善多元科技創新投入融資機制的政策法規，保障科技創新資金的高效運用與技術產出；二是要落實激勵企業、科研院所科技創新成果轉化的政策法規，確保科技成果落實到生態文明建設；三是要完善科技創新成果的知識產權保護法律法規，確保企業的產權利益得到有效保障；四是要加強生態技術應用方面的執法力度，摒棄短期經濟效益的生態觀念。

4.3 依托科技創新轉變思維方式普及生態倫理觀

科技創新的意義不僅僅表現在生產方式的改進，其對人們思維方式及價值觀的影響也甚為深遠。人類發展歷史表明，重大科學技術的創新往往引發認識論的革命，而認識論的更新必然導致世界觀、價值觀和發展觀的革新。以生態文明觀為指導的科技創新，不但可以強化人的科技意識，而且會影響人類生存價值觀，進而促進生態倫理道德觀的形成，樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念。政府也應積極倡導生態環保意識，利用大型環境公益文化科普活動向公眾普及智能生活、綠色生活觀念；深入開展企業管理部門對環境知識的啟蒙教育，增強企業的社會責任感和榮譽感，積極響應國家循環經濟、綠色生產模式。

5 結論

(1)從兩系統發展水平來看，中國近10年來生態文明建設水平與科技創新能力均呈上升趨勢。2006—2011年，生態文明建設水平略高于科技創新能力；2012—2015年，生態文明建設緩慢，科技創新能力提升速度較快超前于生態文明建設水平?？臻g格局演變來看，省域生態文明中高等水平建設區域主要由東部、東南沿海區域向西北、北部內陸地區擴散，低等水平建設區域由全國性面狀區域縮小至東北-中部-西南的狹長格局地帶；省域科技創新能力水平大都還處于相對較低水平，其大都集中在生態環境脆弱、資源環境承載力差的西部與中部偏于地區導致科技創新資源要素配置與流動性差，科技創新能力落后于東部沿海發達省份。

(2)耦合協調度方面，中國生態文明建設與科技創新能力耦合度與協調水平均呈上升趨勢。耦合度空間格局演變與協調水平空間格局演變趨勢相似，高值區域由東部沿海向長江中下游流域擴散，低值區域集中在西部邊疆地區。

(3)應認識到生態文明建設與科技創新能力的耦合協調過程具有波動性。協調水平由于諸多不穩定因素會出現“倒置”或“停滯”現象。2006—2015年，甘肅經歷了低度協調-中度協調的間隔跳躍發展波動協調過程；云南則一直處于低度協調的停滯狀態。這類區域大都集中在生態文明建設水平與科技創新能力都較低地區，這表明兩系統水平越低支撐其協調發展的穩定性越差。這類區域應是未來生態文明建設與科技創新能力的重點關注區域。