中部地區生態經濟系統協調度的時空演化

蘇 慧, 張仲伍, 張興毅, 王伯禮

(1.山西師范大學 地理科學學院, 山西 臨汾 041000; 2.山西省發改委宏觀研究院,山西 太原 030000; 3.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京 100020)

城鎮化與工業化的迅速推進，為國家經濟發展注入了源源不斷的活力與生命力，然而這個過程必然伴隨著資源匱乏、生態環境惡化等一系列后續問題，生態與經濟相互制約日漸凸顯，矛盾日漸嚴重。要解決這個矛盾，必須做好二者的協調發展，既要保障生態環境安全，又要推進經濟發展。生態經濟系統協調度(EEH)作為一種評估區域生態安全與經濟發展協調狀態的指標，可以為區域可持續發展提供科學依據[1]。長期以來，該方法被國內外學者廣泛應用于區域生態經濟協調發展研究，國外對于EEH研究開始比較早，發展比較快，1997年Daily[2]和Costanza[3]提出了生態系統服務理論和價值估算方法；Konarska等[4]通過提取土地利用數據，計算生態系統服務價值，研究生態和經濟之間影響關系；Sherrouse等[5]應用ArcGIS軟件分析生態經濟系統協調狀況。國內方面，關于EEH研究多通過計算生態系統服務價值(ESV)來評價生態經濟系統協調度，主要有能值理論[6-8]、生態足跡理論[9-10]以及價值估算理論等[11]。生態系統服務價值是基于當量的相對生態服務功能評估[12]，我國學者謝高地等[11,13]基于前人研究成果，對Costanza[3]提出的價值當量表進行修正，提出我國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量。國內許多學者[14-17]運用謝高地的生態系統服務價值當量表展開一系列研究，且成果顯著。其中一些學者[18-20]基于土地利用數據，結合RS和GIS方法，對生態系統服務價值進行時空演化研究。本文基于1992，2000，2008，2016年中國中部6省GDP數據和Landsat TM遙感影像土地利用數據，應用EEH評價測度研究方法，評價該區域生態經濟系統協調度及其時空演化格局，為促進中部地區生態系統安全，經濟持續健康發展提供借鑒。

1 研究區概況

中國中部地區地處大陸腹地，東接沿海，西接內陸，含有山西、河南、安徽、湖北、江西、湖南省6個省份。中部地區歷史悠久，文化底蘊深厚，資源豐富，交通便捷，工農業基礎雄厚，第三產業發展迅速，人口集中，在中國地域分工中扮演重要角色，是我國的交通樞紐和經濟腹地。中部地區在中國整體經濟發展戰略中起著“承東啟西”的作用，是我國的糧食種植基地、能源材料基地、高新產業基地。尤其是中部崛起戰略實施以來，中部地區抓住發展機遇，經濟發展速度進一步加快，經濟總量比重逐步增高，綜合實力大幅度提升；產業結構轉型加快，城鄉居民收入持續增加，群眾生活水平顯著提高，整個地區進入一個全面崛起的新時代。因此，中部地區的生態經濟安全成為國家經濟穩定的關鍵因素。

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

本文數據包含中部地區4個時期GDP總值和土地利用數據。其中各省GDP數據來源于全國、各省統計年鑒，參考前人研究經驗，土地利用數據來源于中國科學院資源環境數據庫1∶10萬土地利用圖[21]，提取時間是1992，2000，2008和2016年，土地利用類型包括耕地、林地、園地、草地、城鎮居民點用地、交通用地、未利用地等，提取各個時段土地利用比例及面積。

2.2 研究方法

2.2.1 生態系統服務價值(ESV)評估與計算 目前，關于生態系統服務價值的計算應用最多的是以謝高地[11]和Costanza[3]確定的生態系統基準單價。因此本文運用ArcGIS軟件，選取1992，2000，2008，2016年4個時段土地利用數據，按照謝高地等[11]“中國陸地生態系統單位面積服務價值當量因子表”中確定的基準單價，結合中部地區實際情況進行微調[13](表1)，計算中部地區各時期ESV，得出各省份4個時期的生態服務價值。Costanza等提供的生態系統服務價值模型為：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(1)

式中：ESV——區域生態系統服務價值；Aj——j類土地利用類型面積；Eij——j類土地利用類型單位面積生態系統服務價值基準單價[3]。

表1 中部地區單位面積生態服務價值元/(hm2·a)

2.2.2 生態經濟系統協調度(EEH)評估 生態經濟系統協調度反映自然環境與社會經濟兩者相互影響的平衡狀態。生態經濟協調度具有相對性，基于前人經驗[1,9,22]，利用ESV與GDP的比值構建生態經濟系統協調度，這些學者將EEH定義為區域生態系統服務價值變化率(ESVpr)與GDP變化率(GDPpr)比值。用這個比值表示研究年份社會經濟與自然環境的協調狀況，可以反映兩者間相互促進、影響和制約關系[21]。EEH計算公式為：

(2)

(3)

(4)

式中：EEH——生態經濟系統協調度； ESVpi，ESVpj——研究時段首、末年份研究區生態系統服務價值； GDPpi，GDPpjS——研究時段首、末年份研究區GDP總量。

借鑒前人研究經驗[21]，EEH的劃分標準為： ①ESVpr>0，且GDPpr>0，則EEH>0；表示生態環境與經濟發展處于協調狀態，說明兩者呈現良性發展趨勢； ②ESVpr>0，且GDPpr<0，則EEH<0；表示生態經濟系統屬于不協調狀態，說明某些區域由于生態稟賦良好，或為了保護生態環境，降低環境開發力度，從而制約了經濟發展； ③ESVpr<0，且GDPpr>0，則EEH<0；表示生態經濟系統狀態不協調，說明某些區域單純追求經濟發展速度，忽略環境承載能力，造成生態安全滯后于經濟增長； ④ESVpr<0，且GDPpr<0，則EEH>0；表示初始階段生態環境已經惡化嚴重，社會經濟發展明顯受制于自然環境。由于所有研究階段GDP都呈現增長狀態，所以第四種情況在本文中不予考慮。根據王振波等[1]的研究結論對EEH進行分類(表2)。

表2 生態經濟系統協調度(EEH)單元分類

3 結果分析

3.1 中部地區GDP時空特征分析

3.1.1 時序演化特征 1992—2016年間，中部6省GDP總體都呈現持續上升趨勢，且發展速度快，但是時間發展不平衡。1992—2000年，中部6省GDP總量年均增長率是21.67%；而2000—2008年，增長率達到28.56%；2008—2016年，年均增長率有所下降，為17.82%。因此，3個時段中，研究區域GDP增長速度具有明顯差別，其中2000—2008年增長速度最快，2008—2016年增長速度有所下降，但總體上，中部6省經濟呈高速發展狀態。

3.1.2 空間演化特征 從空間分布來看(圖1)，4個研究時段，中部6省GDP都表現出快速增長態勢，但是空間發展不均衡，且增長速度也存在較大差別。總體來看，中部地區GDP值從高到低分別為：河南、湖北、安徽、江西、湖南和山西省。本文以ArcGIS自然斷點法為分類標準，將中部6省GDP等級分為3個級別，由高到低分為第一、第二、第三等級。1992年，河南省屬于第一等級，湖南、湖北與安徽省屬于第二等級，山西與江西省屬于第三等級；2000年，湖南省從第二等級降為第三等級，其余省份等級屬性與1992年一樣；2008年，各省份等級屬性與前一個研究時段相比沒有發生變化；2016年，河南與湖北省屬于第一等級，安徽與江西省屬于第二等級，山西與湖南省屬于第三等級。從GDP增長率來看，中部地區，江西省最高，經濟發展速度最快，湖南省最低，發展速度最慢。

3.2 中部地區生態系統服務價值(ESV)時空特征分析

3.2.1 時序演化特征 1992—2016年，中部地區生態系統服務價值(ESV)整體表現為上升狀態，且增長速度較為穩定，沒有太大波動。其中，1992—2000年，2000—2008年，2008—2016年中部6省ESV年均增長速度分別為0.63%，0.40%和0.41%，中部6省生態系統服務價值發展方向良好，增長速度平穩。其中，耕地ESV出現增長，這與人口增多，大量開墾土地相吻合；草地和林地ESV下降較多，這是由于建筑用地大量占用土地而導致的；另外，水域ESV出現上升，表明水域面積提高有利于維護生態系統的穩定性，同時草地、林地轉化為建筑用地不利于生態系統安全與維護。

圖1 中部地區GDP空間分布

3.2.2 空間演化特征 空間演化特征方面，中部6省ESV存在明顯空間分異。基于ArcGIS自然斷點分類法，將6省ESV值由高到低分為第一、二、三等級，1992年湖南和江西省為第一等級，山西、河南與湖北省屬于第二等級，安徽省屬于第三等級；2000年，河南省由第二等級降為第三等級，其余省份沒有發生變化；2008年，6省等級屬性沒有發生變化，與2000年一樣；2016年，湖南省屬于第一等級，湖北、江西省屬于第二等級，山西、河南與安徽省屬于第三等級。從各省增長率來看，安徽和湖北省增長率最高，山西省增長率最低，且有降低趨勢。其中，江西、山西和湖南三省在2008—2016年間出現負增長，這是由于土地開墾造成了生態系統惡化與破碎。總體來看，六省ESV值從高到低依次為：湖南、江西、湖北、山西、河南和安徽省，總的分布特征是南部高于北部，西部高于東部(圖2)。

圖2 中部地區生態系統服務價值(ESV)空間分布

3.3 中部地區生態經濟系統協調度(EEH)時空特征分析

3.3.1 時序演化特征 本文將中部地區EEH研究劃分為4個時段：1992—2000年，2000—2008年，2008—2016年，1992—2016年。第一時段，中部地區有3種EEH類型，較低協調區最多；第二時段，有2種EEH類型，分別是潛在危機區和較低協調區；第三時段，有5種EEH類型，說明中部地區生態經濟系統協調狀況有明顯的時間變化，且情況復雜。總體來看，中部地區在4個研究時段中EEH狀態主要處于較低協調區和潛在危機區，且處于協調區的數量多于沖突區，但是中部地區EEH有降低趨勢，EEH度整體偏低，說明其生態經濟系統協調狀況不容樂觀，需要改善兩者協調關系，提高經濟可持續能力。

3.3.2 空間演化特征 按照EEH分類標準(表2)，1992—2000年，湖北和安徽省屬于中度協調區，山西和河南省為較低協調區，湖南和江西省為潛在危機區；說明該時段6省中湖南和江西省生態系統較為脆弱，生態經濟關系協調較差。2000—2008年，安徽、湖北和湖南省為較低協調區，山西、江西和河南省為潛在危機區，說明該時段，山西和河南省生態經濟系統協調狀況下降明顯，生態環境惡化速度較快，湖南省生態經濟系統協調狀況改善明顯。2008—2016年，安徽省屬于較高協調區，湖北省屬于中度協調區，河南省屬于潛在危機區，江西和湖南省為沖突協調過渡區，山西省為較高沖突區；說明該時段各省生態經濟協調狀況都發生了較大改變，安徽省生態經濟系統協調度大幅度提升，生態經濟矛盾緩和趨勢明顯；湖北省生態經濟協調狀況也有較好的提升與改善；江西、湖南和山西省生態經濟協調度都有明顯下降，說明生態環境有惡化趨勢，生態經濟關系趨于緊張。尤其是山西省，生態經濟矛盾最為突出，環境形勢最為嚴峻。從1992—2016年整體來看，河南省屬于較高協調區，湖北、湖南和安徽省為較低協調區，江西和山西省為潛在危機區。中部6省中河南省生態經濟系統協調性發展趨勢最好，山西省最差，這與該省資源型產業居多，能源開采力度較大有關。其余省份生態經濟系統協調度有所上升，二者矛盾有緩和趨勢(圖3)。

圖3 中部地區生態經濟系統協調度(EEH)空間分布

4 討論與結論

(1) 1992年以來，中部6省經濟保持快速增長狀態。其中，安徽和江西省增長速度最快，湖南省最慢。從地區生產總值GDP來看，河南省GDP最高，山西省最低。且在4個研究時段中，每個時段的增長速度也存在較大差別，2008年以來，各省經濟增長速度有所放緩。

(2) 中部地區生態系統服務價值(ESV)在1992—2016年呈現持續上升態勢，增長率為11.97%。從空間分布來看，湖南省ESV值高，其次是江西省，山西和安徽省最低，總的空間分布特征是南部高于北部，西部高于東部。主要原因是南方林地、水域面積高于北方，西部草地面積多于東部，說明水域和林地對生態環境的調節和保護能力最強，而耕地開墾會影響自然環境維護和可持續能力，從而降低生態經濟系統協調性。

(3) 中部地區生態經濟系統協調度(EEH)在1992—2016年變化幅度較大，整體呈下降趨勢，且各地區EEH偏低，中部地區生態經濟系統協調性較差。從空間分布來看，各省EEH值分布不均衡，河南省最高，生態經濟系統協調性最高，山西省最差，生態經濟矛盾最為突出。由于山西省經濟增長對資源能源依賴過大，使得生態系統退化，且對地區可持續發展能力造成影響。

綜合中部地區1992—2016年生態經濟系統協調度時空演化特征，說明EEH受到自然資源稟賦、人口增長、產業結構以及城市化進程等因素的影響。河南省EEH改善明顯，說明其產業結構轉型取得快速進展，第三產業和高新技術產業比重上升，經濟和城市化進程對資源環境的依賴性降低；湖南、湖北和安徽三省EEH處于同一水平，這三個省份都屬于南方地區，林地資源較為豐富，對生態經濟系統的協調穩定起到了推動作用，但是如果城市用地占用林地資源，會導致其EEH值的下降，所以在以后的規劃中應該努力做到兩者兼顧；江西省雖然也處于南方，且其ESV值在中部地區屬于較高一類，但是重工業為主的產業結構對資源環境的破壞較為嚴重，導致其EEH值長期處于低水平狀態；山西省作為國家煤炭能源基地，長期的資源型經濟模式和重化工業結構導致其生態環境惡化嚴重，雖然近年來有一定改善，但是生態修復周期長，難度大，所以其EEH值低于其他地區，且改善速度慢。

目前關于生態系統服務價值計算模型還存在不足之處，ESV受到整個系統結構、種類以及生物群落等因素共同影響，因此僅以土地利用類型面積計算生態系統服務價值，缺乏對其他因素的思考，以后應細化其影響因子，將各種因素都納入ESV計算體系，增強計算模型科學性與真實性。生態經濟系統是生態環境與社會經濟形成的雙重復雜系統，受到自然資源、社會環境諸多因素的影響，本文僅以GDP和ESV來考察生態經濟系統整體協調度，存在一定局限性。因此在以后的研究中應注重對生態經濟系統各種影響因素的評價與考量，更深層次地揭示系統發展規律。