農村基礎設施與生態環境的耦合協調、時空演進及趨勢預測
——以云南省為例

方舒虹，黃 宜，韓利紅，王艷偉*

（1.云南農業大學 建筑工程學院，云南 昆明 650201；2.云南農業大學 經濟與管理學院，云南 昆明 650201）

0 引言

黨的十九大報告提出，要加快實施鄉村振興戰略，促進農村產業經濟、鄉風民風、生態環境、治理體系和農民生活水平全面發展，加快建設現代化新農村［1］。農村基礎設施作為農村經濟生產和社會發展的重要基礎，通過要素的直接投入和溢出效應對推動鄉村產業發展、提高農業綜合生產能力、提升人口素質、改善生態環境等產生深遠影響，是實施鄉村振興戰略的應有之義［2-3］。鄉村振興是新形勢下解決地區“三農”問題的治本之策，其中生態振興是根本［4］，是實現農村生態宜居的保障［5］。改革開放以來，農村基礎設施的改善促進了農村經濟的發展，但在農村經濟快速發展的同時，忽視了生態環境問題［6］。因此，對農村基礎設施與生態環境的耦合協調研究，能夠有效促進農村基礎設施與生態環境的良性互動、協調發展，進一步縮小地區間的發展差距。

對相關文獻進行梳理發現，當前探討城市基礎設施與生態環境協調發展的路徑，具有很強的現實意義［7］。眾多學者在對生態基礎設施的研究中發現，生態基礎設施建設對促進環境的可持續發展［8］、提升城市系統服務能力［9-10］、優化城市生態環境［7］作出了巨大貢獻，且基礎設施的投入與社會—生態系統呈倒“U”形曲線，初期適度的基礎設施投入會降低社會—生態系統的脆弱性，而基礎設施過度投入則會逐步增加社會—生態系統的脆弱性［11］。眾多學者通過對綠色基礎設施領域的研究認為，綠色基礎設施是解決生態環境問題［12］、支撐生態文明建設［13］、推動城市可持續發展的重要途徑［14］。已有的研究對基礎設施與生態環境的耦合協調具有一定的借鑒和參考價值，主要表現在以下幾個方面：（1）大多基于城市視角對基礎設施與生態環境進行分析；（2）主要基于區域、省域尺度對基礎設施與生態環境進行研究，而對于農村基礎設施與生態環境耦合協調的時空演進及趨勢預測的研究較少，因此，本文以2011—2020年云南省16個州（市）為研究對象，通過構建農村基礎設施與生態環境評價指標體系，借助耦合協調模型對各州（市）農村基礎設施耦合協調發展情況進行分析，采用灰色預測GM（1,1）模型、標準差橢圓模型對各州（市）的時空演變格局及發展趨勢進行預測，以期為云南省農村基礎設施與生態環境的耦合協調發展提供參考，同時為我國其他地區農村基礎設施與生態環境的協調發展提供借鑒。

1 指標體系構建

為系統地評價農村基礎設施與生態環境的耦合協調發展水平、時空演化特征及發展趨勢預測，本研究以農村基礎設施和生態環境2個系統為核心，借鑒學者們［15-22］的研究成果，構建了云南省農村基礎設施與生態環境的評價指標體系（表1），分別從生產性基礎設施、生活性基礎設施、社會性基礎設施、生態環境壓力、生態環境狀態、生態環境響應6個維度，選取化肥使用量、農藥使用量等19個指標。用化肥使用量、農藥使用量、農膜使用量、水庫總容量、有效灌溉面積5個指標衡量生產性基礎設施；用農村用電量、公路通車里程、自來水受益村3個指標衡量生活性基礎設施；用農村投遞線路長度衡量社會性基礎設施；用工業二氧化硫排放量、工業廢水排放總量、廢水排放總量、工業廢氣排放總量4個指標衡量生態環境壓力；用人均公園綠地面積、建成區綠化覆蓋率、自然濕地面積3個指標衡量生態環境狀態；用工業固體廢棄物綜合利用率、污水集中處理率、造林總面積3個指標衡量生態環境保護力度。

表1 云南省農村基礎設施與生態環境評價指標體系

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 標準化處理 由于指標單位不一，會對結果造成影響，不能直接計算。因此，為避免量綱不同的影響，本文使用極差標準化法對所得原始指標數據進行無量綱化處理，計算公式為：

式（1）~式（2）中：Zij表示經過處理后的標準化值；zij表示系統中第i年的第j項指標的原始值；max(zij)和min(zij)分別表示系統中第i年的第j項指標的原始值中的最大值與最小值。在數據運算中避免出現0的情況，對每個數據都加上0.0001。

2.1.2 權重確定 本文采取熵值法對處理后的數據進行賦權，并確定系統中的權重，具體如下：

（1）在j項指標下，計算第i個系統在這項指標中所占的比例，公式為：

（2）計算第j項指標下的熵值ej，計算公式為：

（3）計算第j項指標的差異系數Sj，公式為：

（4）計算第j項指標的權重Wj，公式為：

（5）計算農村基礎設施與生態環境的綜合評價值，計算公式分別為：

式（7）~式（8）中，j=1,2,3,…, m，表示指標個數；U1和U2分別表示農村基礎設施與生態環境的綜合評價值；A和B分別表示農村基礎設施與生態環境的權重。

2.1.3 耦合協調度模型構建 （1）計算耦合度(C)。耦合度模型用來判斷2個系統間相互影響、相互作用或依賴的程度。本文參考董弋萱等［23-24］的研究結果，構建農村基礎設施與生態環境的耦合關系模型：

式（9）中，U1和U2分別為農村基礎設施與生態環境的綜合評價值；C為兩者的耦合度。當C=0時，表示農村基礎設施與生態環境之間沒有關聯性；當C=1時，表示農村基礎設施與生態環境之間是最優耦合關系。C值越大說明2個系統之間的耦合程度越高，表明農村基礎設施與生態環境具有互相促進的作用；反之，C值越小則說明2個系統可能存在著相互制約的作用。

（2）計算協調度(T)。耦合度注重系統間相互耦合的程度，而協調度則反映2個系統間相互協調發展的程度。借鑒楊慧芳等［25-26］的研究結果，構建農村基礎設施與生態環境的協調度模型：

式（10）中，a和b表示貢獻系數且a+b=1，本文認為農村基礎設施與生態環境的貢獻度是一樣的，即a=b=0.5；T表示農村基礎設施與生態環境協調發展水平的綜合協調指數，通過計算農村基礎設施與生態環境兩者之間綜合評價值的加權所得，確定T值的取值范圍為［0,1］。T值影響耦合協調發展水平，可以反映出2個系統協調狀況的好壞，T值越大說明2個系統之間的協調狀況越好。

（3）計算耦合協調度(D)。為準確反映農村基礎設施與生態環境之間的協調關系，結合式（9）、式（10）構建耦合協調度模型：

通過對農村基礎設施與生態環境耦合度、協調度以及耦合協調度的計算，借鑒陳濤等［26］的研究成果，將耦合度與耦合協調度進行等級劃分（表2）。

表2 農村基礎設施與生態環境耦合度及耦合協調度的等級劃分

2.2 數據來源

為更加全面地了解云南省農村基礎設施與生態環境的協調發展，同時考慮到數據的準確性、可獲得性、可比性原則，本文選取2011—2020年云南省16個州（市）的數據作為研究樣本，數據來源于《云南省統計年鑒》。

3 農村基礎設施與生態環境耦合協調分析

3.1 農村基礎設施與生態環境耦合度分析

通過對云南省16個州（市）2011—2020年農村基礎設施與生態環境數據的整理及運算，得出近10 a來云南省16個州（市）2個系統的耦合度（表3）。

表3 2011—2020年云南省16個州（市）農村基礎設施與生態環境耦合測算結果

由表3可以看出，云南省農村基礎設施與生態環境2個系統耦合度處于較高水平，耦合度在（0.85,1.00］區間內，說明農村基礎設施與生態環境之間存在較強的關聯性，且2個系統之間具有互相促進的作用。根據耦合度的等級劃分，云南省2011—2020年16個州（市）農村基礎設施與生態環境均處于高水平耦合的狀態，其中玉溪市、保山市、昭通市、普洱市、楚雄市、文山州、大理市7個州（市）出現了最佳耦合的狀態。

3.2 農村基礎設施與生態環境耦合協調度分析

根據公式（11）對云南省農村基礎設施與生態環境的耦合協調度進行測算，測算結果如表4所示。

表4 2011—2020年云南省16個州（市）農村基礎設施與生態環境耦合協調測算結果

由表4可以看出，2011—2020年農村基礎設施與生態環境耦合協調度的平均水平呈逐步上升的發展態勢，2011—2014年耦合協調度均值為0.62，2015年上升到0.63，2016—2018年上升到0.65，2019—2020年耦合協調度達到0.66，10 a內上升幅度為6.45%，年均上升幅度僅為0.65%，說明云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調度平均水平上升較為緩慢。分州（市）來看，耦合協調發展水平具有較大的差異，2011—2020年曲靖市的農村基礎設施與生態環境耦合協調度位居第一，說明曲靖市將農村基礎設施有效融入生態環境保護中，改善了當地的生態環境質量。而怒江、迪慶2州的農村基礎設施與生態環境的耦合協調度則較低，處于瀕臨失調狀態。綜合上述分析，2011—2020年云南省16個州（市）均未達到良性協調或優質協調，說明未來云南省農村基礎設施與生態環境之間的耦合協調性有待進一步提升。

4 農村基礎設施與生態環境耦合協調時空演進及趨勢預測

4.1 耦合協調度空間分析

根據農村基礎設施與生態環境的耦合協調度，借助ArcGIS 10.8軟件繪制了2011、2015、2020年云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調度的空間分布圖（圖1）。

圖1 云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調度的空間分布

從2011、2015、2020年 的 耦 合協調 度 結果來看，云南省農村基礎設施與生態環境的耦合協調度分別處于瀕臨失調［0.40,0.50)、勉強協調［0.50,0.60)、初級協調［0.60,0.70)、中級協調［0.70,0.80)4個等級，2020年云南省處于中級協調水平的州(市)分別為普洱市、玉溪市、紅河州、大理市、昆明市、曲靖市、昭通市、楚雄市，其中，普洱市、玉溪市、紅河州、昭通市、曲靖市由2011年的初級協調水平提升至中級協調水平；2020年處于初級協調水平的州（市）分別是麗江市、臨滄市、保山市、文山州，其中，麗江市、臨滄市、保山市由2011年的勉強協調水平發展至初級協調水平；2020年處于勉強協調水平的州（市）分別是迪慶州、西雙版納、德宏州，其中，迪慶州由2011年的瀕臨失調水平發展至勉強協調水平。整體來看，大多州（市）深入貫徹落實國家倡導的“綠色發展”理念，在保障經濟穩定發展的同時更加注重于生態環境的協調發展。然而，怒江州長期處于瀕臨失調狀態，主要是因為該地區長期采用陡坡墾殖等傳統農業發展模式，不僅阻礙了怒江州的經濟發展,還在一定程度上破壞了生態環境,使其陷入“愈墾愈窮、愈窮愈墾”的惡性循環狀態,嚴重制約了區域生態、經濟、社會可持續發展［27］，從而導致怒江州農村基礎設施與生態環境耦合協調發展處于瀕臨失調狀態。隨著云南省對16個州（市）農村基礎設施與生態環境協調發展的重視，加大了對經濟欠發達州（市）基礎設施建設、交通和通信技術的改善力度，各州（市）農村基礎設施與生態環境協調發展水平也在不斷提升。

4.2 耦合協調度動態演化分析

在對云南省農村基礎設施與生態環境研究的基礎上，運用Matlab R2020a軟件繪制了該省農村基礎設施與生態環境的耦合協調動態演化圖（圖2）。

圖2 2011—2020年云南省16個州（市）農村基礎設施與生態環境耦合協調度的動態演化

圖2以2011年為耦合協調發展水平的起點、2015年為耦合協調發展水平的中間點、2020年為耦合協調發展水平的終點，進行農村基礎設施與生態環境耦合協調水平的動態分析。由分析可知，2011—2020年昆明市、玉溪市和紅河州的農村基礎設施與生態環境水平協調發展處于高—高—高的態勢；曲靖市、保山市、昭通市、麗江市、普洱市、臨滄市、紅河州、文山州和迪慶州處于低—高—高的態勢；楚雄市、西雙版納、怒江州和大理市處于高—低—高的態勢。2011年農村基礎設施與生態環境的耦合協調發展在起點上呈現出高起點和低起點2種發展方式，但在2020年均基本趨于相對較好（初級協調、中級協調）的協調發展水平。自2017年鄉村振興戰略被提出，云南省緊隨國家實施鄉村振興戰略的步伐，激發出農村基礎設施與生態環境之間耦合協調發展的潛力，使其協調發展水平逐步提升。

4.3 耦合協調標準差橢圓分析及趨勢預測

通過上述分析發現，云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調度的空間差異分布特征明顯。為此，本研究從多個視角探討云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調度的空間分布格局特征，探索未來2個系統耦合協調發展的演化規律，并在標準差橢圓模型的基礎上進一步分析其空間分布方向特征和發展趨勢。運用ArcGIS 10.8軟件繪制2011、2015、2020年標準差橢圓分布及重心移動路徑圖（圖3）。

圖3 云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調標準差的橢圓分布及空間格局預測

云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調空間分布格局的重心移動路徑為北→東北，最終向東北方向偏移，具體表現為：2011—2015年呈現向北移動趨勢；2015—2020年呈現向東北移動趨勢。從標準差橢圓分布形式來看，2011—2020年云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調的面積由19.40 km2增長至19.71 km2,協調面積在緩慢地擴大，同時長軸與短軸分別由2011年的2.78、2.22 km增長至2020年的2.80、2.24 km，在這期間橢圓分布范圍逐步增加，說明該階段農村基礎設施與生態環境耦合協調的空間分布格局在東北方向呈擴張態勢。云南省各州（市）農村基礎設施與生態環境耦合協調發展重心呈現出向北部地區移動的趨勢；從耦合協調發展水平的結果來看，云南省16個州（市）農村基礎設施與生態環境發展水平高值集中在北部和東北部地區，主要是因為這些州（市）以特色產業、旅游業等作為支柱產業，帶動了當地經濟迅猛發展，加之對農村基礎設施建設和生態環境保護投入力度的加大，使得當前云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調發展重心向東北方向偏移。

基于灰色預測GM（1,1）模型，借助Matlab R2020a軟件預測云南省農村基礎設施與生態環境2021—2030年的耦合協調值，灰色預測GM（1,1）模型檢驗的方法一般分為殘差檢驗、關聯度檢驗及后驗差檢驗［28］。本文采用殘差檢驗的方法求出所得預測數據的絕對誤差和相對誤差，最后求出平均相對誤差，用平均相對誤差檢驗模型的精度，若平均相對誤差≤0.2，則模型通過殘差檢驗；本文所得預測數據的平均相對誤差值為0.06，即＜0.2，表明模型精度滿足要求。基于以上分析，本文利用ArcGIS 10.8軟件可視化表達了2021、2025、2030年的預測標準差橢圓參數（圖3）。

預測結果表明：云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調的重心由東北（2020年）向東南（2021年）最終向東北（2021—2035年）方向移動，說明未來東北地區將可能成為影響云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調空間分布格局的核心區域。就空間分布范圍變化來看，標準差橢圓面積從2020年的19.71 km2提高2030年的20.19 km2，長軸與短軸分別由2020年的2.80、2.24 km提高至2030年的2.80、2.29 km，從標準差橢圓的面積、長軸、短軸來看，未來10 a內農村基礎設施與生態環境耦合協調的空間分布格局在東北方向呈擴張態勢。表明云南省16個州（市）未來農村基礎設施與生態環境耦合協調發展的重心向東北方向移動，而迪慶州、怒江州、德宏州、西雙版納州、文山州的耦合協調發展仍是未來云南省需要重點關注的地區。基于此，云南省委、省政府應充分發揮政府的主體作用，調動村民的積極性，加大對農村基礎設施建設和生態環境保護的力度，促進農村基礎設施和生態環境高質量協調發展。

5 結論

本文以農村基礎設施與生態環境耦合協調為視角，從生產性基礎設施、生活性基礎設施、社會性基礎設施、生態環境壓力、生態環境狀態及生態環境響應6個方面構建評價指標體系。基于2011—2020年云南省16個州（市）的面板數據，利用熵值法、耦合協調模型、灰色預測GM（1,1）模型、標準差橢圓模型對云南省16個州（市）的農村基礎設施與生態環境的耦合協調發展水平、時空演化特征進行了分析，并進一步預測了未來10 a的發展態勢，得出以下結論：

（1）云南省16個州（市）耦合度的均值都呈現出高水平耦合的狀態，其中玉溪市、保山市、昭通市、普洱市、楚雄州、文山州、大理市7個州（市）呈現出最佳高水平耦合的狀態；16個州（市）協調度的均值呈現出瀕臨失調、勉強協調、初級協調、中級協調4個等級。在農村基礎設施與生態環境發展過程中，云南省16個州（市）的耦合度和協調度出現了發展不一致的特征，分別呈現出“高耦合，瀕臨失調”“高耦合，勉強協調”“高耦合，初級協調”以及“高耦合，中級協調”的特征。

（2）從時間角度來看，除怒江州、西雙版納州和德宏州外，其余州（市）的耦合協調發展水平均呈現出明顯增長的趨勢；從空間視角來看，云南省16個州（市）的農村基礎設施與生態環境呈現出東北地區耦合協調水平高，西北地區耦合協調水平低的空間分布格局。

（3）2011—2020年云南省農村基礎設施與生態環境耦合協調度在空間上分布局勢呈東北走向，標準差橢圓重心從“北→東北”方向移動；預測結果表明：2021—2030年預測期內農村基礎設施與生態環境的標準差橢圓重心移動路徑為“東北→東南→東北”，其空間分布格局在東北方向呈擴張態勢。