甘肅省生態環境與社會經濟系統協調發展的耦合分析

任祁榮, 于恩逸

1 甘肅省生態環境科學設計研究院, 蘭州 730000 2 中國科學院生態環境研究中心，城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085

社會經濟與生態環境之間的協調發展一直是可持續發展中的重要議題與熱點[1-2],協調發展要求區域社會經濟發展與自然生態環境狀況能夠相互促進[3],實現耦合協調的共同發展過程[4]。近年來,在社會經濟與生態環境之間相互關系的研究方面,已逐漸從定性分析向定量的趨勢評價準備[5],并基于不同的概念模型和不同的研究視角,提出了大量的關于生態環境與社會經濟協調、耦合關系的評價模型[6-7]。如PSR模型從“壓力-狀態-響應”的角度分析區域經濟活動與生態環境之間的相互關系[8],庫茲涅茨計量模型通過對經濟指標和環境指標之間的關系模擬是否存在倒“U”假說來判定不同區域經濟系統與環境系統之間的耦合狀態[9-10],基于傳統系統動力學模型構建的社會經濟-生態環境耦合系統動力學模型從系統動力學模擬的角度分析區域社會經濟系統與生態環境系統的耦合動力過程[11],還有學者基于耦合理論建立區域經濟-環境系統的耦合度模型分析經濟-環境系統關鍵因子的協調程度[12-13]。在研究尺度與研究區域方面,國內在重點城市群城市化、社會經濟系統與生態環境系統的耦合關系有大量的研究成果[14-16],方創琳等對中國城市群的交互耦合效應進行了全面分析[17]。

當前對于社會經濟與生態環境的研究多面向城市或城市群,以城市化的過程為主要方面,探索城市化進程中社會經濟發展與生態環境質量間的耦合協調過程。考慮到我國政策體系中省域政策的重要性[18],本研究選擇中國西北內陸省份甘肅為研究案例,采用靜態耦合協調度模型與動態耦合過程分析相結合的方法,研究中國西部典型區域的社會經濟發展與自然生態環境質量間的協調發展程度以及演變規律,并重點討論社會經濟發展趨勢與生態環境質量變化趨勢的動態耦合過程,為甘肅省生態環境保護與社會經濟發展協調的政策體系提供可靠的理論支撐。

1 研究方法

1.1 綜合評價指數

綜合評價指數的計算采用對綜合指標體系內各項指標值的加權平均。本研究中,首先采用熵值法對指標體系的權重進行客觀賦值,通過計算指標項信息量獲得指標的信息熵,確定各指標權重,信息熵是對系統無序程度的度量方式[19],若系統該指標的變化程度越大,那么其信息熵就越小,該指標提供的信息量就越大。因此,根據系統各個指標值的變異程度,可以得到各個指標的權重值。

(1)標準化指標值[20],

(1)

其中,n為評價樣本的總數。

(2)計算第i項指標的信息熵值,

(2)

其中,若fij=0時,則假設fijlnfij=0,且假設k=1/lnn,因此有0

(3)計算第i項指標的基于信息熵的權重

(3)

進而,利用指標去那種與指標量化值計算自然生態系統與社會經濟系統的綜合評價指數,其計算公式為：

(4)

其中,f(x)是自然生態環境系統的綜合評價指數,f(y)是社會經濟系統的綜合評價指數。

1.2 耦合協調度模型

1.2.1耦合度

耦合度用于分析兩個或兩個以上系統或運動形態之間通過相互作用進而產生影響的現象和程度。本研究中,耦合度即為甘肅省社會經濟系統與生態環境系統的耦合程度,反映甘肅省社會經濟系統與生態環境系統之間的耦合關系[21]。計算公式如下：

(5)

其中,C是系統耦合度,C∈[0,1],f(x)是自然生態環境系統的綜合評價指數,f(y)是社會經濟系統的綜合評價指數,f(x)和f(y)都基于綜合評估模型計算。

本研究中,C=0時,系統耦合度最小,認為甘肅省生態環境系統與社會經濟系統要素間無關聯,整個系統朝無序狀態發展。考慮到甘肅省與陜西省安塞的地域及發展特征存在一定的相似性,本研究中系統耦合度的分級參考文章《陜北安塞縣生態與經濟系統耦合協調發展》中耦合度的分級標準[23]。C∈(0,0.35]時,社會經濟發展處于較低水平,生態環境承載力強,為弱耦合；C∈(0.35,0.65]時,社會經濟發展水平提高,生態環境承載力下降,為中度耦合；C∈(0.65,0.85]時,社會經濟發展水平與生態環境承載力水平互相靠近,為較強耦合；C∈(0.85,1)時,社會經濟發展水平與生態環境承載力水平彼此接近,為極強耦合；C=1時,社會經濟系統與生態環境系統達到良性共振,耦合度最高,系統整體向有序發展。

1.2.2綜合發展指數

綜合發展指數反映的是甘肅省社會經濟發展與生態環境保護的綜合水平,由自然生態環境系統綜合評價指數f(x)和社會經濟系統綜合評價指數f(y)加權而來。計算公式如下：

T=αf(x)+βf(y)

(6)

其中,T為系統綜合發展指數,α和β分別是自然生態環境綜合評價指數和社會經濟系統綜合評價指數在評價指標體系中的權重。

1.2.3耦合協調度指數

耦合度雖然能定量分析各子系統間的相互影響程度并預警系統的發展秩序,但是不能反映研究系統的綜合發展水平,難以測度研究系統的整體功效[22]。因此,必須構建耦合協調度模型來評判各子系統的優劣等級,避免出現社會經濟發展與生態環境系統水平都比較低,但耦合度高的情況。計算公式如下：

(7)

其中,D為耦合協調度,D∈[0,1],在一定的社會經濟發展水平和生態環境狀況下,生態環境與社會經濟水平的復合效益越大,則說明系統整體的發展更加協調,因而,D越接近1說明系統整體的耦合協調程度越高,反之說明系統耦合協調程度低。

結合已有研究文獻綜述[23],考慮耦合協調度與其系統綜合評價指數的特征,綜合反映甘肅省社會經濟發展與生態環境的耦合協調類型特征(如表1)。

表1 甘肅省社會經濟與生態環境耦合協調類型特征

進一步的,深入分析系統綜合評價指數的特征,耦合協調度類型可被分為三類,當f(x)>f(y)時,耦合協調度類型為社會經濟發展滯后型；當f(x)

1.3 指標體系與數據

甘肅省生態環境與社會經濟系統協調發展的綜合指標體系主要由自然生態環境系統與社會經濟系統構成,指標選取綜合考慮其代表性、客觀性以及對社會發展的描述貼近程度、可比性等原則,結合甘肅省社會經濟發展現狀與生態環境實際特征,參考已有相關研究成果[24-26],構建能夠綜合反映甘肅省生態環境質量與社會經濟發展水平的綜合評價指標體系(如表2)。其中自然生態環境系統包括自然資源供給、自然生態條件、生態環境壓力、生態環境脅迫、生態環境風險等一級指標,具體選擇年均降水量、年平均氣溫、人均可用水資源量、植被覆蓋度、建成區綠化率等16個指標；社會經濟系統包括經濟發展指數、社會發展指數、城市生活指數等一級指標,具體選擇地區生態總值、人均財政收入、社會固定資產投資額等11個指標。各指標的權重福祉,采用熵權法進行確定,并經過加權求和獲得甘肅省自然生態環境和社會經濟系統的綜合指標值。

表2 綜合指標體系及指標權重

2 研究區域與數據來源

2.1 研究區概況

甘肅地處我國西北部內陸地區,位于黃河上游,黃土高原、內蒙古高原和青藏高原的交匯地帶[27]。區域內氣候類型復雜,全年降水量少,境內植被覆蓋度低,水資源條件差。甘肅自然生態環境多樣,脆弱生態區眾多,水土流失和土地荒漠化程度較高,生態環境條件惡劣。在社會經濟方面,經濟水平整體較低,貧困率高,發展難度高。隨著甘肅社會經濟的快速發展,工業和人口呈現向城市大規模聚集的趨勢,生態環境與社會經濟發展的矛盾日趨凸顯,甘肅在生態環境與社會經濟耦合發展研究方面具有代表性意義。

2.2 數據來源

本研究以2007—2017年為研究時段,數據主要來源于《中國統計年鑒(2008—2018)》、《甘肅省統計年鑒(2008—2018)》、《中國環境統計年鑒(2008—2018)》、《中國城市統計年鑒(2008—2018)》、甘肅省國民經濟和社會發展統計公報(2008—2018)等國家和地方公開發布的統計資料,污染物排放數據主要來自于第二次全國污染物普查,個別缺失數據采用移動平均進行模擬。數據歸一化采用極差變換法對各指標數據進行量化。

3 結果

3.1 甘肅省自然生態環境系統與社會經濟系統綜合發展指數演變特征

3.1.1自然生態環境綜合指數

由圖1可知,甘肅省的自然環境質量指數在2007—2017年間呈先波動下降后逐步上升的變化趨勢,2012—2014年間急劇下降,說明該時期內生態環境整體面臨的壓力加大。后在2015年情況得到較大改善,此后,生態環境質量不斷向好。

圖1 甘肅省自然生態環境指數變化趨勢Fig.1 The tendency of natural ecological environment index in 2007 to 2017

自然環境質量系統分類指標中,生態環境壓力的波動趨勢與自然環境質量波動趨勢基本一致,所占指標權重在自然環境質量系統中最高為0.2,這在一定程度上反映出廢水和廢氣的排放以及耗能與耕地面積的增加是影響甘肅省生態環境質量的主要因素,即生態環境質量的突然升高主要是由于期間污染排放量顯著增加。由此說明,甘肅省在經過了一次較大的自然環境波動后,加強了對自然環境的保護并取得顯著的環境污染治理成效。

3.1.2社會經濟綜合指數

由圖2可知,甘肅省社會經濟發展水平自然環境系統的綜合水平在2007—2017年間整體呈現上升趨勢,由2007年的0.189上升到2017年的0.320,但自2014 年來增速有所放緩呈現出小幅波動。由此說明10年間,隨著城鎮化的發展,甘肅省經濟發展水平不斷提升,人民生活質量不斷提高,2014年后經濟增速有所放緩。

圖2 甘肅省社會經濟綜合指數變化趨勢Fig.2 The tendency of social-economic index in 2007 to 2017

在社會經濟系統分類指標中,三個子系統的權重相對平均。其中,經濟發展指數、社會發展指數上升速度較快,帶動了經濟的快速發展,城市生活指數與社會經濟系統綜合指數整體波動情況較為一致。

3.2 甘肅省自然生態環境與社會經濟耦合協調度

為了更好的分析甘肅省自然生態系統和社會經濟系統的綜合指數的變化情況及評判經濟增長、生態環境交互耦合的協調程度。將二者看作兩個系統,借助耦合和協調的理論模型,利用公式計算得到自然生態系統和社會經濟系統的耦合度C以及耦和協調度D,結果見表3。

由耦合度可知,2007—2017年,甘肅省的社會經濟與自然生態環境質量的發展狀態從失調階段逐步過渡到協調階段,說明這一耦合過程正從磨合階段向著高水平有序狀態穩固發展。

由表3和圖3可知,2007—2017年甘肅省社會經濟與生態環境的耦合協調度水平處在0.37—0.54 之間,整體在向好的方向轉變,經歷了從輕度失調到瀕臨失調再到勉強失調的過程,拐點分別為2010年、2015 年。說明10年間,甘肅省生態環境與經濟發展的耦合協調性有所改善。此外,對比城市化系統與生態環境系統的綜合指數得出協調類型,可知除2014—2015年間為城市化滯后型,其余皆為生態環境滯后型。由此反映出甘肅省在十年間甘肅省自然生態環境的質量是制約甘肅省城市化與自然生態環境耦合協調發展的因素,整體的社會經濟發展是處于粗放型階段,以犧牲生態環境為代價的發展經濟。具體表現為：

表3 甘肅省自然生態環境與社會經濟耦合協調度評價結果

圖3 甘肅省耦合協調度演變過程及類別 Fig.3 Trends of coupling coordination and category in Gansu Province

(1)2007—2010年,輕度失調,這一階段協調指數處于輕微波動但幅度不大。這是由于此階段正是甘肅省以粗放型發展模式依靠工業化帶動城市化的快速發展,人口增加、耕地面積減少、工業“三廢”的大量排放,使得污染物排放的速度大于其生態環境自身的溶解能力等,加之期間甘肅水資源貧乏、干旱少雨、植被稀疏、水蝕風蝕活躍,生態環境本底脆弱,生態系統的穩定性差,環境承載力有限,很大程度上限制了城鎮化與生態環境的協調發展。

(2)2011—2015年,瀕臨協調,這一階段協調指數先快速上升后很長一段時間穩定于0.5左右。這一時期地方政府將生態環境建設納入城市協調發展的體系中,對城市布局進行合理規劃,擴大綠地面積,提高生態系統的自我調節能力,有效調節了城鎮化與生態環境的協調關系,反映出城市生態經濟耦合協調發展由粗放逐漸向集約、綠色循環模式漸趨形成,生態環境逐漸修復；

(3)2016—2017年,勉強失調,這一階段協調指緩慢上升。表明甘肅自然生態環境的保護與治理取得一定成效,自然生態環境與社會經濟已經有轉向協調發展的趨勢,且經濟對于環境修復支撐作用逐漸增強,二者之間出現良性耦合。

4 討論

4.1 基于剪刀差分析的甘肅省自然生態環境與社會經濟發展增長速率的耦合過程

甘肅省生態環境質量與社會經濟發展過程具有不一致的變化趨勢,為更好地理解生態環境變化與社會經濟發展過程的差異,本研究采用剪刀差分析方法對生態環境質量與社會經濟發展的變化速率構建切線夾角[28],分析其相互之間的變化差異。計算方法為：

(8)

9)

其中,f′(x)是自然生態環境系統對年份的變化趨勢,f′(y)是社會經濟系統對年份的變化趨勢,θ是f(x)和f(y)兩條曲線在給定時刻的兩切線夾角,θ越小說明f(x)和f(y)變化趨勢之間的差異越小。

由表4和圖4可以看出,甘肅省自然環境和社會經濟變化速率的剪刀差的演變過程可以分為三個階段:

表4 甘肅省自然生態環境與社會經濟發展的增長速率及剪刀差

圖4 自然生態環境系統與社會經濟系統的剪刀差演變過程 Fig.4 Trends of scissors differential between natural eco-environmental system and social-economic system

1)2008—2010年,剪刀差角度由8.3709°上升到9.8538°,該時段自然環境指數與社會經濟指數均較為平穩。該時期反映了甘肅省自然生態環境狀況與社會經濟發展間的差異較大,互相無明顯的限制。

2)2011—2015年,剪刀差角度迅速下降到1.1007°,可知自然環境指數與社會經濟指數的差距在迅速下降。該時期生態環境狀況相對較好,而社會經濟水平相對落后, 但自然生態環境的變化速率整體呈現負增長,而社會經濟指數增速則有所提升。說明該時期社會經濟對生態環境的壓力正在逐步加重,正在以損害生態支撐能力為代價的來發展經濟。

3)2016—2017年,剪刀差角度上升到5.3065°,由此說明該時段甘肅省社會經濟繼續快速發展,生態支撐能力有所回升,印證了甘肅省政府對生態環境加以重視,生態環境得到了保護。

4.2 甘肅省自然生態環境與社會經濟發展過程的動態耦合分析

考慮甘肅省自然生態環境系統與社會經濟系統的交互脅迫關系,討論各子系統受自身和另一個子系統影響下的演化狀態,通過分析自然生態環境系統變化速率與社會經濟系統變化速率在二維平面上構成的投影軌跡的夾角φ,作為耦合模型角度來判斷[29],系統間的周期性動態耦合過程。

(10)

甘肅省社會經濟與生態環境的耦合度處于剪刀差耦合度模型的第I區,其角度范圍在-90°<φ< 45°間波動,說明近10年甘肅省經濟的發展已經從不受生態環境約束,轉變為受約束狀(如圖5)。具體可分為兩種：

圖5 甘肅省自然生態環境與社會經濟發展的剪刀差Fig.5 The scissors of the natural ecological environment and the social and economic development in Gansu Province

(1)當-90°<φ≤0°時,系統處于低級協調共生階段。2008—2009,2011,2014—2015,2017。該階段經濟發展緩慢,且基本不受生態環境的限制和約束,經濟發展對生態環境的影響也幾乎為零。

(2)當0°<φ≤45°時,系統處于初級協調發展階段。2009—2011,2012—2014,2015—2016。V(x)

兩種狀態呈現交替出現,周期大約為2-3年,這主要是由于兩系統變化的速率不同,自然生態環境對城市化的響應較為明顯,具有一定的滯后性。

具體而言從增長速率來看具體可以分為兩個階段：

(1)自然生態環境的發展速度小于社會經濟的發展速度：2007—2014年

(2)自然生態環境的發展速度大于社會經濟的發展速度：2015—2017年

初期經濟發展緩慢,且基本不受生態環境的限制和約束,經濟發展對生態環境的影響也幾乎為零。但是甘肅省社會經濟的發展速度相對于生態環境發展速度越來越快,經濟雖然得到了長足的發展,但其對環境的依賴和消耗也越來越嚴重,使得生態環境對經濟快速發展的支撐能力愈發不足,從而制約了經濟發展使得社會經濟發展速度需要放緩。由此也就解釋了自然生態環境的滯后性,說明了為什么兩種狀態呈現交替出現。

自然生態環境的增速自2015年開始轉變為高于社會經濟的發展速度,由此表明甘肅省政府已經意識到經濟發展對環境的影響并展開了一定的產業結構優化和自然環境保護,初步的效果在這一年開始顯現。

5 結論

本研究對甘肅省的社會經濟發展與當地自然生態環境保護之間的耦合協調狀況開展分析,采用自然生態環境與社會經濟耦合協調度評估模型對甘肅省2007—2017年間的耦合協調程度進行計算,并分別基于剪刀差和耦合模型分析甘肅省自然生態系統與社會經濟發展的動態耦合過程。2007—2017年間,甘肅省自然環境質量指數波動下降后逐步上升,社會經濟發展水平水平整體呈上升趨勢,自然生態環境與社會經濟耦合協調度在輕度失調到勉強失調之間,耦合協調度波動增加。2015年以來,隨著自然生態環境質量的提升,甘肅省社會經濟與自然生態環境直接的協調過程已逐漸呈現效果,社會經濟發展對生態環境的影響與相互促進作用開始顯現。