區域森林生態-自然-經濟-社會復合系統的耦合協調度*
——以長沙市為例

劉奕汝 楊培濤

（1. 日本大阪大學 豐中 560-0043；2. 中南林業科技大學 長沙 410004）

森林是生態系統的重要主體和現代生態文明建設的主要內容，在維護區域生態安全和促進經濟、社會、文化、生態健康可持續發展中具有重要作用。黨中央和地方各級政府將生態文明建設融入經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設的全過程，建設美麗中國，但區域發展中掠奪性的森林生態資源開發與高消耗低效率的利用和改造，嚴重扭曲了區域森林生態-自然-經濟-社會復合系統生態安全、環境友好、經濟發展、社會協調的協同共生關系，極大威脅到區域生態安全和生態文明建設進程。在區域生態環境日益惡化的當下，促進區域森林生態-自然-經濟-社會復合系統的高質量發展，構建其耦合協調發展指標體系，量化其演化過程中的耦合協調度，解決區域森林生態、自然環境、經濟、社會四者之間的深層次矛盾，是實現區域發展的科學決策。

區域森林生態系統、自然環境系統、經濟系統、社會系統構成相互作用的復合系統，以往研究主要集中在以下幾方面：1） 概念界定及其價值核算，以區域森林生態資產的概念界定為基礎構建評估指標體系對其價值量進行系統核算或評估，認為區域森林生態系統是區域生態環境的主體（Greyet al.，1978），生產并提供生態產品和服務（Petersonet al.，2012），其效應包括不同等級人類聚落區內部及其周圍的木木植物和相關植被（Nowaket al.，2000）以及生態系統服務價值凈現值的總和（Costanza，1996；歐陽志云等，2016），區域森林生態資源資產存量和流量（高吉喜等，2016）、直接價值和間接價值（博文靜等，2019）、有形森林生態產品價值量和無形森林生態服務價值量（董天等，2019）；2） 影響效應，運用Landsat MSS數據、時間序列數據、面板數據等，在分析區域森林生態結構和功能以及價值量變化的基礎上，探討區域森林生態系統對自然環境系統、經濟系統、社會系統的影響效應，認為區域森林生態系統修復對區域降水量、降水污染、氣溫等自然環境系統具有改善和凈化效應，森林資源稟賦可優化區域投資環境，縮小城鄉發展差距，改善社區的人口結構、就業渠道、生活方式等（Rogerset al.，2015）；3） 子系統耦合發展，通過非協調性耦合模型或耦合協調度模型對不同區域森林生態系統、自然環境、經濟系統、社會系統中的2或3個子系統進行耦合協調分析，得出不同耦合協調結論，如溫彥平等（2019）認為廣西28個地級市城鎮化、產業結構、生態環境三者之間耦合存在不確定性，鄒佳敏等（2023）得出全國31個省（區、市）森林碳匯與區域居民福祉耦合特征大致為同向增強趨勢。總之，國內外研究成果主要集中在省域或跨區域流域的大尺度空間生態系統與經濟、社會之間協調關系的研究上，市級或縣級等中小區域的研究較為鮮見，且對3或3個以上復雜系統協調性的研究較少。鑒于此，本研究以長沙市為例，測度分析其森林生態-自然-經濟-社會復合系統的耦合協調度，探究區域森林生態系統建設的驅動因子，以期為區域城市群的協調發展提供決策依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

長沙市位于湖南省東部偏北，湘江下游和長瀏盆地西緣，地理位置介于111°53′—114°15′E，27°51′—28°41′N之間。市轄芙蓉區、天心區、雨花區、岳麓區、開福區、望城區、寧鄉市、瀏陽市和長沙縣等六區二市一縣，全境河網密布，湘江由南向北斜貫中部，南部丘崗起伏，北部平坦開闊，地勢由南向北傾斜，形如一個向北開口的漏斗，流經里程25 km，全市實有人口約1 200萬人，常住總人口1 004.8萬人，城鎮化率83%，全市國土面積1 182 800 hm2，森林覆蓋率達55%。

1.2 研究方法

1.2.1 指標體系構建 分析區域森林生態系統與自然環境、經濟、社會復合系統之間耦合協調的內生機制，必須依據科學性、典型性、全面性、獨立性、可獲取性和可操作性等原則選取各系統指標。本研究借鑒國內外相關研究成果，結合區域森林生態-自然-經濟-社會復合系統耦合協調發展研究數據的可得性和可行性，構建區域森林生態-自然-經濟-社會復合系統耦合協調發展的評價指標體系，見表1。

表1 區域森林生態-自然-經濟-社會復合系統耦合協調發展的指標體系Tab. 1 Index system of coupling and coordinated development of regional forest ecology-natural environment-economysociety complex system

1.2.2 耦合協調度模型 為消除主觀權重偏差，首先對區域氣候、土地利用、人口變化、消費結構、收入結構、產業結構和財政支出結構等方面的原始數據進行無綱量標準化轉化，采用P值法測算區域城市森林生態-自然-經濟-社會復合型系統指標值的指標比重，然后利用熵值函數和灰色關聯系數函數分別核算熵值和灰色關聯系數，計算關聯度Ri，核算出權重系數Wij，最后核算出系統相關系數、綜合評價指標、耦合度和耦合協調度。具體核算過程如下。

1） 無綱量標準化轉化：

式中：Xij和表示第i個指標在第j時刻的指標值和無綱量標準化轉化指標值；max(Xij)和min(Xij)分別表示第i個指標在第j時刻的指標最大值和最小值。

2） 指標占比變換：

式中：Pij表示第i個指標在第j時刻的指標值比重，i=1, 2, 3···n，j=1, 2, 3···m。

3） 計算指標的熵值和灰色關聯系數：

式中：ei表示第i個指標值的熵值；ξij表示指標值的灰色關聯度。

4） 核算各指標的相關系數：

式中：Wi為第i個指標的權重系數。

5） 考慮到傳統的耦合度模型式（6）會低估耦合度，將其修改為式（7）：

6） 核算系統的耦合協調度：

式中：D為耦合協調度；C為耦合度；T為系統的綜合評價指數；a為區域森林生態系統稟賦的權重系數；b為自然環境系統的權重系數；ξ為經濟系統的權重系數；ρ為社會系統的權重系數。耦合協調度D的值域在[0,1]，越趨向于1，系統之間協調性越高，依據聞豪等（2019）、馮雨雪等(2020)、陳秀英等（2021）對耦合協調度的分類，將區域森林生態系統與區域森林生態自身稟賦系統、自然環境系統、經濟系統和社會系統的耦合協調度分成10類（表2）。

表2 區域森林生態-自然-經濟-社會復合系統耦合協調度分類Tab. 2 Classification of coupling coordination degree of regional forest ecosystem-natural environment-economysociety complex system

1.2.3 數據來源與核算 從1980—2020年《中國統計年鑒》、《湖南省統計年鑒》、《長沙市統計年鑒》、《湖南省氣象年鑒》、《長沙市氣象年鑒》、長沙市各年政府工作報告等中獲取長沙市氣候、土地利用、人口變化、消費結構、收入結構、產業結構和財政支出結構等方面的原始數據，走訪政府相關部門調查核實獲得的一手數據以及拜訪相關專家整理數據資料；長沙市森林生態資產價值量為運用湖南省林業二類調查數據和長沙市林業年鑒數據以及湖南省森林資源統計年報等數據資料，部分參數指標參考相關學者的研究成果并依據長沙市實際情況進行適度調整。在此基礎上，依據《森林生態系統服務功能評估規范》（GB/T 38582—2020）分別對長沙市城市森林生態資產的經濟效應功能價值量、生態效應功能價值量和社會效應功能價值量進行核算，并依據耦合度式(7)和耦合協調度式(8)分別核算出1980—2020年長沙市森林生態-自然-經濟-社會復合系統耦合度和耦合協調度的指標值。

2 結果與分析

2.1 森林生態資產的耦合度分析

依據表3中的指標耦合度繪制1980—2020年長沙市各系統間的指標耦合度（圖1），復合系統與子系統間的耦合度存在差異：1） 1980—2020年40年間長沙市森林生態-自然-經濟-社會復合系統的耦合度C呈“倒U形”，整體呈現出上升趨勢，上升4.31%，這歸因于自然環境系統和社會系統與區域森林生態系統各指標的耦合度C2和C3不斷增強，經濟系統和森林生態系統自身稟賦與森林生態系統各指標的耦合度C4和C1雖不斷下降，但C1始終高于C，C2始終低于C，C3和C4先高于C后分別于1990年和2000年轉向低于C；2） 長沙市森林生態系統自身稟賦指標耦合度C1在1980—2020年整體處于下降趨勢，基本呈一條從左上角向右下角傾斜的直線，說明長沙森林生態系統內部稟賦長期存于衰退階段，主要是城市擴張導致森林數量減少和森林生態系統質量衰退；3） 長沙市森林生態系統與自然環境系統的耦合度C2在1980—2020年處于逐年上升趨勢，提升幅度較大，從51.01%升至91.62%，提升40.61%，年均提升1.16%，呈現一條從左下角向右上角傾斜的直線，歸因于長沙市氣候條件轉好和制度環境變優，使得該地區不僅增加森林數量，而且優化森林結構和區域土地的利用結構，改善森林生態質量，提高了森林生態系統與自然環境系統的耦合度C2，進而提升長沙市森林生態-自然-經濟-社會復合系統的綜合耦合度C；4） 長沙市森林生態系統與社會系統的耦合度C3在1980—2020年呈上升趨勢，從66.9%升至92.35%，耦合度不斷加強，主要原因是城市化提速，社會資源集中分配到工業上，城市人口密度較高，城市人口總量增加，消費性支出下降，投資性支出（尤其是城市基礎性建設和房地產支出）增加，城市建設用地和工業化生產擠占和侵占森林生態資源，使得森林生態系統數量減少和質量下降，但這一時期社會的生態意識不斷增強，區域林業可持續發展理念不斷深入人心，推行主體功能分區規劃和利用策略，實行封山育林、植樹造林、退耕還林、天然林保護、自然保護區建設和生態補償，社會系統根據資源環境的承載能力，統籌區域人口分布、國土利用、城市化布局和引導居民消費和區域協調發展，謀求長沙區域性森林生態、自然環境、經濟和社會的合理布局，提升森林生態與社會系統耦合度C3；5） 長沙市森林生態系統與經濟系統的耦合度C4在1980—2020年處于下滑趨勢，從99.96%降至50.65%，下滑49.31%，年均下滑1.41%，從圖形上基本呈“U形”形態，說明在此階段經濟發展使得社會物質財富增加并沒有帶來森林生態資源數量增長和生態服務功能質量提升，反而造成森林生態資源破壞，生態服務功能衰退以及生態承載能力下降，最終反過來制約經濟系統發展的速度和質量。

圖1 1980—2020年長沙市各系統間的指標耦合度Fig. 1 1980-2020 index coupling among Changsha systems

表3 1980—2020年長沙市森林生態-自然-經濟-社會復合系統耦合度和耦合協調度的指標值Tab. 3 Index values of coupling degree and coupling coordination degree of forest ecosystem-nature-economy-society complex system in Changsha from 1980 to 2020

2.2 森林生態資產的耦合協調度分析

依據表3中的耦合協調度繪制1980—2020年長沙市各系統間的耦合協調度（圖2），1980—2020年長沙市森林生態系統與自然環境系統和社會系統之間的耦合協調度均呈逐年上升的“S形”趨勢，與經濟系統的耦合協調度呈先升后降再升的“N形”趨勢，但2015年后各系統的耦合協調度上升趨勢均有所放緩。具體分析如下：1） 從長沙市森林生態-自然-經濟-社會復合系統的耦合協調度和森林生態系統與社會系統的耦合協調度看，1980—2020年分別從0.43、0.44升至了0.77，先后均經歷瀕臨失調、勉強協調、輕度協調和中度協調4個階段；2） 從長沙市森林生態系統與森林生態自身稟賦系統看，其耦合協調度逐年上升，從0.33升至0.81，先后經歷輕度失調、瀕臨失調、勉強協調、輕度協調和中等協調5個階段；3） 從森林生態系統與自然環境系統看，其耦合協調度始終處于協調階段，程度逐年提升，1980—2020年從0.65升至0.978，先后經歷輕度協調、中度協調、良好協調和優質協調階段4個階段；4） 從森林生態系統與經濟系統來看，1980—2020年森林生態系統與經濟系統的耦合協調度呈“N形”變化趨勢，整體處于上升階段，從0.27升至0.74，大致經歷中度失調、輕度失調、瀕臨失調、輕度協調和中度協調階段5個階段，但中度失調階段波動較大。

圖2 1980—2020年長沙市各系統間的耦合協調度Fig. 2 Coupling and coordination among Changsha systems from 1980 to 2020

3 討論與建議

本研究基于長沙市森林生態系統、自然環境系統、社會系統和經濟系統指標數據，運用耦合協調度模型測度長沙市森林生態-自然-經濟-社會復合系統以及森林生態系統與各子系統的耦合度和耦合協調度，結果表明：

1） 1980—2020年長沙市森林生態-自然-經濟-社會復合系統以及各子系統間的耦合協調度整體水平不高，處于中度協調階段。從各系統看，一方面長沙市森林生態系統資源稟賦相對貧乏、自然環境系統生態區位脆弱性、經濟系統的工業化和社會系統的城鎮化導致區域生態供給與自然、經濟、社會發展的生態需求矛盾不斷加深，使得復合系統以及各子系統間的耦合協調度較低；另一方面實施綠色發展和可持續發展戰略，各級政府各項政策法規的出臺、民眾生態保護意識的增強與消費理念的綠色化、經濟增長方式的集約化和產業結構的低碳化以及綠色科學技術創新轉化等使得長沙市各系統的耦合協調度逐漸趨于中度耦合協調。但由于長沙市環境規制類型不清晰、環境保護投放缺位失位、綠色技術創新力量相對不足等因素使得長沙市森林生態耦合協調度整體水平較低，處于中度協調的初期階段，這與倪維秋（2016）研究中國三大城市群城市土地利用經濟、社會、生態效益的耦合協調性以及倪鵬飛等（2018）研究法蘭克福、馬德里、維也納等歐洲區域生態與經濟社會的耦合協調度基本類似。

2） 長沙市森林生態-自然-經濟-社會復合系統以及森林生態系統與自然環境系統、社會系統、經濟系統的耦合協調度水平在1980—2020年均呈不同程度上升，但上升趨勢趨緩，說明長沙市生態、自然、經濟與社會系統均進入新常態，社會系統二元結構差異逐漸消失，民眾綠色消費、低碳消費、生態消費成為主流；經濟系統由高速增長轉變為中高速增長，高質量集約型成為產業發展主流，資源節約型和環境友好型建設成效初顯，自然環境系統更注重有效保護和合理利用，生態區位優勢逐漸顯現，使得長沙市森林生態資產數量和質量提升改善，自然環境保護更加有效，經濟結構優化升級，社會文化趨于穩定合理化，耦合協調度逐漸增強，這與程鈺等（2020）在研究我國沿海地區（江蘇、浙江、廣東等地）生態與經濟社會系統耦合協調度時得出的結論基本相同，即在高速穩定提升階段區域生態系統與經濟社會系統的耦合協調度呈上升趨勢。

3） 長沙市作為我國中部重要的城市和長株潭城市群建設的中心，既是綠色發展的主戰場，又是長江經濟帶高質量發展引領中部經濟發展的主力軍，目前進入經濟增長方式轉型、產業結構調整升級和生態文明建設提升的疊加時期，依據區域各系統之間的耦合協調機制，結合長沙市的區域特征，建議構建長沙市森林生態系統可持續發展保障體系：建立優良的區域森林自然環境子系統，加強對長沙市自然環境中的光、水和氣溫、土壤改良和土壤碳氮循環過程以及森林結構、生態功能結構、凋落物分解、生態系統養分循環和營養物質積累等自然環境條件進行動態監測與研究；建立高質量可持續的經濟發展子系統，發展綠色生態經濟和循環經濟，圍繞產業集約化、集聚化、集成化推動產業結構轉型升級，打造特色高端生活性服務業體系和現代智能生產服務體系；搭建承載合理與綠色消費的社會子系統，控制區域人口規模與增速，提高人口整體素質，改善人口結構和居民消費結構，引導居民綠色消費、低碳消費、生態消費，推動居民的消費結構升級，促進區域森林生態圈健康可持續發展。