福建省農業經濟系統與生態系統的耦合協調性分析

陳曉瑜， 趙慧芳， 潘祖鑒， 孫曉航， 林玉蕊

（1.福建農林大學 計算機與信息學院，福建 福州 350002；2.生態與資源統計福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002）

近年來，隨著“鄉村振興”戰略不斷深入人心，三農問題持續受到關注，農業現代化的發展勢在必行[1]。但在大力發展農業經濟的同時，大量化肥農藥的使用以及破壞森林開拓耕地等人為因素會引起生態系統的破壞，與綠色可持續發展理念不符。因此，以自然承載力為依據發展農業經濟才能得以持續發展。福建省位于中國的東南部，亞熱帶季風氣候帶來水稻一年兩熟，充分利用較少的土地養著眾多人口，森林覆蓋率達65.95%，常年居全國第一；具有豐富的太陽能資源，雨量充沛，暖和濕潤等氣候資源豐富的特點，具有種植農作物的種種良好條件，但是福建省地形主要是丘陵，人均耕地只有0.03 hm2左右，只有全國的平均水平的36%，農業經濟水平落后于全國平均水平。農業生態環境經濟系統，顧名思義它是由兩部分構成的一部分是農業生態系統，另外一部分是農業經濟系統，兩個子系統通過自然界或者人為因素經過復雜的交互耦合形成[2]。研究農業經濟系統與農業生態環境系統的耦合，促進二者的協調對福建省農業資源的高效利用、農村農業經濟的快速發展有重要作用[3]。

美國著名生態學家Odum在1986年創立了能值理論和分析方法，研究農業生態環境經濟系統[4]。在我國改革開放以來，人口日益增長與有限的自然資源之間的矛盾日益突出，眾多學者在此時結合中國國情提出生態系統耦合的相關的探討。研究發現傳統的林業草業等系統均得不到良好的利用，只有結合研究耦合關系，才可以維護各個系統協調發展、可持續發展與高效發展[5-6]。在此基礎上，王金鳳[7]對于農業生態系統提出水肥耦合的研究，西北地區過度放牧以及降雨量不足地區提出草業—荒漠—綠洲進行耦合。江激宇等[8]對安徽省農業生態環境與經濟的耦合協調發展進行研究，得出兩系統各階段的發展演變規律。從目前的研究看來，國內外學者對于生態系統的研究，主要以多個系統結合以自然的生態規律發展為主線耦合。在研究區域上，關于農業生態環境經濟系統的耦合協調發展研究主要集中于北方破壞比較嚴重的區域，但是關于我國平原丘陵一帶以梯田為主的小塊種植地較少研究。運用灰色關聯度評價、耦合度協調發展度模型，得出福建省的農業生態與經濟系統的灰色關聯度、綜合評價指數、耦合度協調度，并判斷兩系統之間的耦合發展規律，為福建省農業經濟的健康發展和保護農業生態環境提供科學的理論依據。

1 指標體系構建與數據來源

系統是一個由許多部分構成的整體，農業耦合的過程是復雜的，應該符合科學性、簡潔性、可操作性等相關原則的多個指標構成。借鑒現有的研究成果[9-11]，結合福建省的實際情況，分別選取農業經濟系統和農業生態系統的評價指標。研究數據主要來源是1990—2017年的《福建省統計年鑒》中農業經濟系統與生態系統所選取的指標的數據以及福建農業經濟與社會發展公報的部分數據合并，缺失年份的數據時間序列模型計算整理所得，兩個子系統的指標評價體系如表1所示。

表1 福建農業經濟與生態環境系統的權重Tab.1 The weight of Fujian agricultural economy and ecological environment system

2 研究方法與模型構建

2.1 綜合評價指數分析

2.1.1 數據標準化處理

由于每個指標的數量單位不一致，需要利用極差標準化法對原始數據進行無量綱化處理。

正向指標使用：

反向指標使用：

式中：i=1,2,…,n,表示年份；j=1,2,…,m,表示指標個數；xjmax是第j個指標在所研究的年份中的最大的值，xjmin則是第j個指標在所研究的年份中最小的值。xij表示的是在第i年中的第j個指標的原始數據，x'ij是xij經過標準化之后得出的數值。

2.1.2 建立綜合評價函數

為了消除主觀因素的影響，這里計算權重選取了熵值法[12]，首先通過計算可以得到各指標的權重Wj，再利用加權法分別計算農業經濟系統綜合評價指數F（x）與農業生態系統綜合評價指數G（y）。

式中：x是農業經濟系統的各評價指標；Xij是農業經濟系統第i年第j項指標標準化后的值；y是農業生態系統的各評價指標；Yij是農業生態系統第i年第j項指標標準化后的值。

2.2 灰色關聯分析法

依據灰色系統理論，灰色關聯法可以在不完全的信息中比較各指標間發展趨勢的相似程度，從而得出指標間的關聯程度[13]。某一年福建省農業經濟系統的第m個指標與農業生態系統的第n個指標的灰色關聯系數ξm.n和關聯度Rm.n的公式如下

表2 關聯度類型及耦合作用等級劃分Tab.2 Classification of correlation degree and coupling action level

2.3 耦合評價模型

物理學中的容量耦合系數模型可用來度量兩個或兩個以上的系統之間相互影響和相互作用的動態關聯過程[14]，根據該模型構造農業經濟系統與農業生態系統的耦合度函數模型。

式中：C是根據物理耦合模型構造的耦合度，這里代表福建省農業經濟系統和農業生態系統的耦合度值，該值越大表示兩個系統的耦合作用越強；M在這里表示兩個系統的綜合評價函數，α、β分別表示農業經濟發展和農業生態發展的貢獻程度的待定系數，由于文中兩個系統的重要性一致，這里α和β均取值為0.5；D是耦合協調度，可以反映兩個系統的整體協同發展程度，取值范圍在0～1之間，其等級劃分標準如表3所示。

表3 耦合協調度值對農業發展階段等級區分Tab.3 Differentiation of agricultural development stages by coupling coordination degree value

3 結果分析

3.1 關聯度分析

由上述公式（5）、（6）可分別得出福建省農業經濟系統各指標與農業生態系統綜合評價指標的灰色關聯度，以及農業生態系統各指標與農業經濟系統綜合評價指標的灰色關聯度，并將各指標的灰色關聯度由大到小排序，如表4所示，通過關聯度的大小來比較各指標對兩個系統的影響程度。根據表2的等級劃分，從農業經濟系統的各指標灰色關聯度來看，關聯度在0.65以上的指標有4個，說明這4個指標對農業經濟-生態耦合系統有重要影響，其中，影響程度最大的指標分別為農民人均收入，灰色關聯度達到1，說明農民人均收入的提高有助于加強兩個系統的耦合作用，其次，農業生產總值、人均糧食產量、農村用電量都對耦合作用有較大影響，灰色關聯度分別達到0.977、0.907、0.864。同時，農業經濟系統的平均關聯度為0.721，對農業生態系統的耦合作用較強。從農業生態系統的各指標灰色關聯度來看，關聯度在0.65以上對耦合作用有重要影響的指標也有4個，其中，影響程度最大的指標分別為人均耕地面積，灰色關聯度達到1，說明人均耕地面積是加強兩系統耦合作用所要考慮的重要指標，另外，除澇面積、農業用水總量、農田有效灌溉面積也是對耦合作用影響大的3個指標。農業生態系統的平均關聯度也達到為0.680，對農業經濟系統的耦合作用較強。從總的來看，農業生態系統與農業經濟系統存在較強的相關性，兩個系統的發展互相依賴。

表4 農業經濟系統與農業生態環境系統的灰色關聯度及排序Tab.4 Grey correlation of agricultural economic system and ecological environment system

3.2 綜合發展水平與耦合協調度分析

根據耦合評價模型，計算得到福建省1990—2017年的農業經濟系統綜合評價指數F（x）、農業生態系統綜合評價指數G（y）、2個系統的綜合評價指數（M）、耦合協調度（D），再結合表2耦合協調度值對農業耦合等級協調程度劃分，構建一張關于福建省1990年到2017年農業發展協調程度以及綜合評價值表，如表5所示。

表5 福建省農業經濟與生態系統綜合評價值及耦合協調發展程度Tab.5 Comprehensive evaluation value and coupling and coordinated development degree of agricultural economy and ecosystem in Fujian Province

3.2.1 綜合發展水平分析

結合表5可知，1990—2017年的農業經濟系統和農業生態環境系統的綜合評價指數都呈現出良好的增長趨勢，農業經濟系統綜合評價指數F（x）由1990年的0.002 8增加到2017年的0.730 7，增加了0.727 9；農業生態系統綜合評價指數G（y）由1990年的0.003 1增加到2017年的0.829 2，增加了0.826 1這表明福建省的農業經濟與農業生態環境增長比較同步，但農業經濟的發展持續落后于農業生態環境的增長，由于歷史慣性以及對和擬合增長曲線，進一步預測該地區農業經濟與農業生態環境的增長走向，如圖1所示。

圖1 福建省農業經濟系統-農業環境系統綜合指數Fig.1 Comprehensive index of agricultural economic and environment system in Fujian Province

從農業經濟發展這條曲線看：1990—1999年，農業經濟曲線呈現一種微微上凸式緩慢增長；2000—2009年F（x）的曲線近乎于一次函數式正比增長，2011—2017年間圖像稍微呈現下凸快速增長。在2017年時達到最大值0.730 7。主要原因關鍵是政策因素的變化，自建國以來土地公有制的確立，十年文革的結束，自改革開放以來，家庭聯產承包責任制的成功實施以及全國性成功推廣。農業生產積極性大幅度提高，沿海開發城市的開放加快進出口產品。農民收入日益提高，糧食生產穩定發展。此外國家聚焦三農，對農民進行種植補貼自然因素的欠收進行保障以及豐收的糧食收購避免菜賤傷農等種植情況發生，農業“五新入戶”深入推進，農村綜合改革不斷深化，“一村一品”快速發展，促進了農業經濟的加速增長。

其次在農業生態環境這條曲線上：1990—1999年函數圖像是上凸的，即表明G（y）的斜率是遞減的，又因為在縱坐標上整體上是上升的，所以屬于增長的但是平緩的；2000年出現一個小高峰，接著2002—2008年又是平緩增長；2008—2012年出現一個低谷，在2011年達到谷底；隨后2011—2017年又出現一個增長的高峰，在2013年時達到最高峰；主要原因在于2000年在對外開放的同時意識到保護環境的重要性；2011年福建省加大對自然資源的開發力度，導致生態環境在一定程度上受到了破壞；2013年以來福建省認真貫徹習主席的指導，讓福建省山更綠，水更清，對于農業環境的保護更加注重，宣傳力度已經加大。福建人民基層人員廣泛普及保護環境，粗放型開發想精細化發展。農業生態指數持續上漲。

通過時序分析進一步預測該地區農業經濟與農業生態環境的增長走向，從圖1的擬合預測結果來看，兩類的綜合評價指數越來越相近，最終預計在2022年左右出現綜合評價指數相等的情況，即F（x）=G（y），根據對耦合協調度的劃分，此時福建省農業生態與農業經濟系統應該達到初級協調友好促進型。

3.2.2 耦合協調度分析

由表5可知，在1990年的時候綜合協調指數M的值只有0.002 9，耦合協調度D值只有0.038 4，此時的協調程度是極其失調。到了2017年M值增加到0.905 4，D值增加到0.628 3，此時協調程度已經從失調轉變為初級的協調，整體上升波動趨勢如圖2所示。福建省農業生態環境與農業經濟系統的耦合是成功的，但是從圖2中D值的曲線來看，該函數是上升的斜率只有0.020 1。可以得出雖然D值在增加但無疑是緩慢的，因此福建還要對于二者的耦合因地制宜的有所改進。而且還要加大力度整合農業生態環境，創造更高的農業經濟效益，為福建省的整體經濟健康發展貢獻更大的價值。

圖2 福建省農業經濟系統-農業生態系統耦合協調度Fig.2 Coupling coordination degree of agricultural economic-ecosystem in Fujian Province

1990—2017年，如圖2所示D值曲線一直圍繞線性曲線波動，蜿蜒上升。由D值的變化以及根據表格對協調的劃分。可以將福建農業生態經濟耦合協調發展分以下3個階段。

第一階段為1990—2002年的失調階段。1990年開始以來沿海開放城市政策取得成功，外資的大量引入。經濟帶動了農業的發展，農業資源得到大力的開發，但是這一時期的農業資源開發屬于粗放型，資源得不到最優化的利用，大量農業資源浪費，1994—2002年為中度失調等級。雖然農業資源得到開發但是沒有很好的利用。對于農業經濟來說是增長，背后是農業生態環境被破壞的嚴重后患。走上了先破壞再治理的道路，因而D值也有下降的趨勢，是農業生態與農業經濟二者發展失調。

第二階段為轉型階段，即為2003—2010年的瀕臨失調階段，距離兩個系統協調僅為一步之遙。福建省提出了加強扶持農業發展，更注重三農，放棄了原先較為粗放的開發方式。科學的管理解放了大量的勞動力，農業資源得到進一步的開發利用的同時注意了保護農業生態環境。此時的耦合進一步朝向協調發展，較快的增長。

第三階段是2011—2017年的協調階段。2011年以來，D的數值仍然在增長。根據目前已有的研究對耦合協調度的劃分，已經是協調的狀態，農業生態環境與農業經濟的發展是科學的。因為這一階段福建成功轉型，第三產業帶動了大量的經濟發展，消費出口以及投資三輛馬車拉動了經濟發展，加上福建沿海省份獨特的地理位置。大量的資金資金涌入農業資源開發，同時新技術科學革命帶來的成果，使得農業經濟得到增長。此時的耦合已經處于初級協調狀態。未來農業的經濟與生態的發展將更進一步。

4 結論與建議

通過選取福建省1990—2017年農業經濟系統與農業生態系統的指標數據進行灰色關聯度分析和耦合評價模型分析，結果表明：

（1）農業經濟系統中農民人均收入、農業生產總值、人均糧食產量和農村用電量4個指標對兩系統的耦合作用有較大影響，農業生態系統中的人均耕地面積、除澇面積、農業用水總量和農田有效灌溉面積4個指標對耦合作用有較大影響，同時兩系統的平均灰色關聯度的均達到高關聯類型，相互耦合作用較強。

（2）1990—2017年的農業經濟系統和農業生態環境系統的綜合評價指數都呈現出良好的增長趨勢，整體上農業經濟系統稍微落后于農業生態系統，但自2010年以后，農業經濟系統的綜合評價指數的增長速度大于農業生態系統，最終預計在2022年左右福建省農業生態與農業經濟系統應該達到初級協調友好促進型。

（3）從兩系統的耦合協調度來看，福建省的耦合協調程度不斷改善，1990—2002年一開始處于極度失調狀態，此階段對自然資源的利用是有限的；1994—2002年改善到中度失調；2003—2010年進一步改善到瀕臨失調；從2011年開始由失調變為協調，2014年到2017年在協調上進一步由勉強協調發展到初級協調。

綜上所述，福建省在經濟增長的同時，也要面臨大自然的挑戰，基于農業經濟系統與農業生態系統的耦合協調發展現狀，提出6點建議。

（1）全面分析當地生態環境、特種農作物生長特點，結合市場需要，因地制宜創新地區農業生產模式。福建地區土壤呈酸性且山地丘陵地形占比大，適合種植茶樹等高經濟作物，提高農業經濟。

（2）根據農作物生長的時間節律，采用復合栽培措施和工程技術手段，合理利用時間組合和季節更迭，實現生產的周年合理搭配。將農、林、牧、漁各業生產在平面和立體空間上進行合理搭配和科學布局，充分利用農產品生產空間，優化農業生態環境。

（3）對農村的基礎設施加大建設，加強農業現代化規模生產，合理使用農業機械解放勞動力，通過多種渠道增加農民的收入；大力建設農村實用人才隊伍，開發農村人力資源。對支農政策大力加強，對農民進行鼓勵補助。

（4）研究更多無公害的綠色農產品，進而提升市場競爭力，實現農業經濟穩定持續發展。發展生態農業，借助生物間的制約、互促特點，利用生物效應進行病蟲害防治，減少藥物的使用對生態環境的破壞。

（5）加強農藥化肥的使用監督，保護土壤水域不受污染，建設農業信息共享平臺，利用信息平臺推廣各項先進生態農技，同時利用多媒體技術進行生態環保宣傳，使保護環境深入人心。

（6）拓展農業的功能，依托現代農業園區、高效生態農業基地等，開發休閑觀光農業，提供親近自然、感受農村氣息、體驗農業文明的場所。