青海省湟水谷地经济发展与生态环境耦合协调度的时空分异
2018-10-29周学斌王芳萍周华坤
郭 婧, 周学斌, 任 君, 王芳萍, 魏 珍, 师 燕, 周华坤
(1.中国科学院 西北高原生物研究所 青海省寒区恢复生态学重点实验室, 西宁 810008; 2.青海省社会科学院 生态环境研究所,西宁 810000; 3.青海省水文水资源勘测局, 西宁 810001; 4.青海大学 研究生院, 西宁 810016; 5.青海省社会科学院经济研究所, 西宁 810000; 6.西宁市城乡规划设计研究院, 西宁 810006； 7.中国科学院大学， 北京 100049)
随着国家在经济发展方面政策、投入等日益加强，极大地促进了青海省湟水谷地社会经济的发展，然而工业化加速，城市人口集聚、资源能源消耗等对当地生态环境产生极大的胁迫作用。作为青海省重要的农业生产基地和重点经济发展区，探讨经济发展与生态环境之间的耦合协调关系，实现二者向良性、可持续的耦合协调方向转变是当前湟水谷地要着力解决的首要问题。实际上，经济发展与生态环境是相互作用，相互影响，构成彼此耦合交互体，其最高形态是二者相互协调、相互融合共同构成一个高效的复合生态系统[1-2]。因此，探讨经济发展与生态环境之间的关系已成为学术界研究的热点，也是可持续发展战略的必然要求[3]。
近年来，耦合协调度模型因具有量化分析的优点引起了专家学者的广泛关注。国外对于经济发展与生态环境关系的研究始于19世纪末期，而真正以实证研究形式来分析对经济发展与生态环境之间协调关系始于20世纪90年代[4]。如美国经济学家Norgaard[5]提出了协调发展理论，认为通过反馈循环，在社会和生态系统之间可以实现共同发展。目前国外关于经济发展与生态环境的关系探讨还包括投入产出模型[6]、CGE模型[7]及生态经济学的基本视角[8]展开。
国内一些学者研究焦点集中在不同区域经济发展与生态环境的耦合度、耦合协调度以及和空间分布及演变上。张荣天等[9]运用耦合协调模型分析泛长江三角洲地区两系统的耦合协调度及其演变。易平等[10]定量评价了地质公园社会经济与生态环境效益的耦合协调度。王琦等[11]对洞庭湖区生态—经济—社会复合系统的耦合度、协调度和综合发展值进行了分析。初雪等[12]采用耦合度、发展度、耦合协调系数和灰色关联度分析了欠发达地区经济、社会和生态系统的协调发展关系。赵旭阳等[2]定量揭示出影响山区经济发展与生态环境系统耦合的主要因素，并从时空角度分析了区域耦合度的空间分布及演变规律。丁浩等[13]通过耦合协调模型的构建，对山东省区域经济与生态环境的耦合协调关系进行时空双维研究，并运用灰色关联模型进一步探索区域经济发生变化的深层原因。
尽管国内外学者进行了大量基础性工作研究，但对经济发展与生态环境的耦合协调度的时空分异研究仍处于较薄弱阶段。尤其是针对青海湟水谷地经济发展与生态环境耦合协调度尚未开展研究，相对的耦合协调度的时空分异研究也极其缺乏。鉴于此，本文利用物理学中容量耦合协调模型，充分考虑各种因素，选择湟水谷地3个典型区县2008—2015年的经济发展和生态环境统计数据，构建经济发展及生态环境评价指标体系，运用熵值法确定评价指标权重，从时空角度定量揭示湟水谷地经济发展与生态环境两系统之间相互耦合协调程度及空间分布规律。研究结果对于推进经济发展、指导生态环境建设，提高环境保护意识，促进二者协调发展提供科学依据。
1 研究区概况
1.1 研究区界定
湟水谷地位于青藏高原的东北部，是青海省重要的农业生产基地和重点经济发展区。地理位置为100°54′—103°04′E，35°30′—36°52′N，由于受地形限制，湟水河向东区域作为发展的主要方向。因此，本文选取国内外典型区域海东市内的乐都区、民和回族土族自治县(简称“民和县”)、互助土族自治县(简称“互助县”)3个区县，研究区土地面积8 364.72 km2，人口111.74万人。
1.2 社会经济发展
湟水谷地开发历史悠久，是黄河流域人类活动最早的地区之一。随着全面建成小康社会目标日渐临近，研究区将通过转变发展方式，走绿色发展、循环发展与低碳发展的道路，大力发展高效生态农业，提高生产能力与人民生活水平，使整个湟水谷地的社会经济发展处于良好态势。据统计数据显示，研究区共有49个乡镇，占湟水谷地乡镇总数的47.6%，人口密度为133.58人/km2，约是青海省平均人口密度的16倍。2008—2015年研究区总人口数从10.65万人增加到11.17万人，GDP从75.97万元增加到245.71万元，农业总产值为651 523.41万元，占青海省的20.4%。
1.3 生态环境发展
湟水谷地位于青藏高原与黄土高原的交错地带，海拔为1 650～4 635 m，地质构造属于祁连褶皱系，为中新生代山间断陷谷地。受地形、海拔以及水、热条件的影响，形成了3种不同的生态区，按当地习惯称为：川水区、浅山区、脑山区。研究区气候属高原大陆性半干旱气候，太阳辐射强、光照充足，年日照时数在2 500 h以上；境内年平均气温低，在4.3～9.7℃之间；降水量少，境内绝大部分地区年降水量在400 mm以下。此外，研究区内矿产资源丰富，植被景观多样，呈现出草甸草原、荒漠草原、干草原、高山草甸、森林等多种自然景观类型。
2 研究方法
2.1 熵值法确定权重
1948年，Shannon[14]首次引进信息熵来描述了信号源信号的不确定性，熵值法确定权重系数在信息论中，熵值反映了信息的无序化程度，可以用来度量信息量的大小[15]，某项指标携带的信息越多，表示该指标对决策的作用越大[16]。熵值法的计算步骤主要包括：构建判断矩阵、指标特征值的无量纲处理、确定评价指标的熵3部分[17]。
2.2 经济发展与生态环境协调发展评价模型
2.2.1 综合评价模型 根据前人相关研究结果[18]，结合实地情况，得到湟水谷地经济发展子系统、生态环境子系统综合评价指数：
(1) 假设x1,x2,…,xm是描述经济发展子系统的m个指标，则：
(1)
式中：F(x)为经济发展子系统综合评价指数；m为经济发展子系统综合评价指标个数；ωi为经济发展子系统第i个评价指标的权重；xi为经济发展子系统第i个指标的标准化值。
(2) 假设y1,y2,…,yn是描述生态环境子系统的n个指标，则：
(2)
式中：G(y)为生态环境子系统综合评价指数；n为生态环境子系统综合评价指标个数；ωj为生态环境子系统第j个评价指标的权重；yj为生态环境子系统第j个指标的标准化值。
2.2.2 耦合度模型 借鉴物理学中的容量耦合定义及系数模型[9]，根据经济发展子系统、生态环境子系统综合评价指数可得到经济发展—生态环境耦合度评价模型为：
(3)
式中：C为经济发展—生态环境耦合度，C∈(0,1)，C值越大表明湟水谷地经济发展与生态环境之间越耦合，反之则越不耦合，处于失调或无序状态；k=2，耦合度C等级值域范围[10]见表1。
表1 湟水谷地经济发展—生态环境耦合度类型划分
2.2.3 耦合协调度模型 如前所述，单纯靠耦合度无法反映出湟水谷地经济发展与生态环境协调发展水平的高低，同时也很难反映出二者的整体“功效”与协同“效应”[10]。因此，本文用耦合协调度模型分析经济发展与生态环境两大子系统耦合协调发展贡献程度。耦合协调度越高，表明其总体协调发展水平越高，也表明两者的耦合关系越和谐，计算公式如下：
(4)
T=αF(x)+βG(y)
(5)
式中：D为经济发展—生态环境耦合协调度；T为经济发展—生态环境综合评价指数；α和β为待定系数，考虑到湟水谷地经济发展与生态环境同等重要，因而α=β=0.5。
为了更准确地表征湟水谷地经济发展—生态环境两大子系统的耦合协调发展关系和阶段，在借鉴已有成果[10,18]的基础上，根据耦合协调发展度D以及经济发展子系统F(x)和生态环境子系统G(y)的大小，将其耦合协调发展水平划分为协调发展、过度发展和失调衰退3个大类、10个协调等级和30个基本类型(表2)。
3 结果与分析
3.1 数据来源
分析数据资料均来源于《海东统计年鉴(2008—2015)》、《乐都区统计年鉴(2008—2015)》、《青海省互助土族自治县国民经济统计资料(2008—2015)》、《青海省民和土族自治县国民经济和社会发展统计资料(2008—2015)》，研究尺度为湟水谷地1区(乐都区)2县(互助县、民和县)，空间数据来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)，扫描之后在ArcGIS 10.2软件中进行配准矢量化。
表2 湟水谷地经济发展—生态环境耦合协调发展类型及评价标准
3.2 评价指标选取及权重确定
经济发展和生态环境两子系统极其复杂，涉及到地区的社会经济活动以及资源环境等多方面因素。本文结合研究区域的实际情况，基于相关研究文献[9,12,19]，考虑到真实性、整体对应、比例适当、数据可获得性及其可比较性的原则。选择国内外实证研究中使用频率较高的指标，从经济发展和生态环境两大层面构建了湟水谷地耦合协调度评价指标体系，经济发展层面包括经济发展规模、经济发展结构、经济发展水平及经济发展效率4个子系统，14项指标；生态环境层面包括生态环境水平、生态环境污染及生态环境治理3个子系统，12项指标(表3)。
根据上述确定的指标，选取湟水谷地(乐都区、互助县、民和县)2008—2015年度各指标数据作为经济发展和生态环境耦合协调度评价指标。对选取的正向指标(23项)、逆向指标(3项)进行无量纲处理，解决各指标不同量纲无法进行综合汇总的问题，处理后的数据利用熵值赋权法，可得各指标的权重Wi(表3)。
3.3 定量评价
在对评价指标数据无量纲化和权重计算的基础上，利用公式(1)—(2)测算湟水谷地2008—2015年经济发展综合评价指数F(x)，生态环境综合评价指数G(y)；将计算得出的F(x)和G(y)值代入公式(3)得出经济发展—生态环境耦合度C，同时利用公式(5)计算得出经济发展—生态环境综合评价指数T，利用公式(4)得出耦合协调发展度D，计算结果见表4。
根据协调发展类型及评价标准(表2)，对2008—2015年湟水谷地经济发展—生态环境耦合协调发展水平进行了协调发展类别划分(表5)。
3.4 综合发展水平分析
图1表明2008—2015年湟水谷地经济发展水平总体呈线性上升趋势(y=0.0972x+0.0153，R2=0.9762)。2008年、2009年湟水谷地生态环境子系统的综合评价值分别为0.303 7，0.370 6，相当于经济发展子系统综合评价值(0.155 6，0.185 4)的2倍，可见当时的生态环境质量较好，人类的生产生活所带来的环境压力较小。
在2010年发展过程中，生态环境子系统的综合评价值较之前两年有所下降(0.284 3)。随后3年间，生态环境子系统综合评价值呈上升趋势，在2013年综合评价值达到最高(0.631 0)，2014—2015年评价值则再次下降又缓慢回升。相比之下，经济发展子系统的综合评价值在2010—2015年呈快速上升的趋势，并在2015年达到了0.841 2，远超过生态环境子系统的综合评价值(0.468 6)。
通过评价指标体系中各经济指标历年的数值得出，湟水谷地的人均GDP总量在过去的8年间从7 255元增加至22 668.7元，工业GDP由187 202.6万元直线上升至806 820.1万元，呈4倍增长；人均规模以上工业增加值也从2008年的1 100元/人增加至5 920元/人；公共财政收入由6 642.7万元增加至35 002.7万元；人均固定资产投资在近8年间，增加至12倍左右；粮食产量由106 435 t增加至320 418 t；农民人均纯收入和城镇居民人均可支配收入均呈直线增加。说明经济的发展，尤其是城市化、工业化以及人类的生产生活对生态环境产生胁迫作用较为显著，虽然近几年人类对生态环境的保护意识不断提高、保护措施不断增强，仍对湟水谷地生态环境带来压力。
表3 经济发展和生态环境系统的耦合协调评价指标体系及权重
注：*表示逆向指标，其他表示正向指标。
表4 2008-2015年湟水谷地经济发展与生态环境耦合协调发展度
表5 2008-2015年湟水谷地经济发展-生态环境耦合协调发展类型
图12008-2015年青海湟水谷地经济发展-生态环境
综合评价指数时序变化
生态环境对经济发展的反馈作用主要表现在森林面积、当年造林面积、农药化肥使用量、节能环保财政支出、城市生活污水处理率、工业二氧化硫排放量等指标。在过去的8年间湟水谷地森林面积呈明显单峰型波动，由2008年的最低值(12 073 hm2)波动上升至2013年的最高值(282 725.33 hm2)后下降至2015年的177 619 hm2；8年间，化肥使用(折纯)量由6 628.67 t直线上升至8 219.53 t；而农药使用量呈明显单峰型波动，由2008年的最低值(160 748.67 kg)上升至2012年的峰值(441 291.33 kg)后直线下降至180 898 kg；人均农作物播种面积(0.14～0.16 hm2)和年末人均耕地拥有量(0.14～0.20 hm2)均缓慢增加。由于环境保护力度不断提高，当年造林面积呈明显上升趋势，由1 595 hm2上升至2015年的4 206 hm2；节能环保财政支出由5 347万元上升至23 288万元，增加了4倍以上；城市生活污水处理率也呈上升趋势。由于经济发展所带来的生态环境压力急速上升，在过去8年间，工业二氧化硫排放量由3 588.51 t波动增加至的4 547.57 t。综合反映出近几年在“绿色发展”的理念下，生态环境建设取得了一定成效的基础上对经济发展的支撑作用。
3.5 耦合协调度分析
为了更直观地反映湟水谷地经济发展—生态环境耦合协调度的演化趋势以及两子系统的发展轨迹，将2008—2015年湟水谷地整体和3个区县的耦合协调度D测算结果绘制成折线图(图2)，对其经济发展—生态环境协调发展状况进行综合分析。
图22008-2015年湟水谷地三区县经济发展-生态环境
耦合协调度时序变化
从图2中可以看出，2008—2015年湟水谷地的经济发展—生态环境耦合协调度D从0.429 4增加到0.743 8，协调类型从濒临失调衰退类转化为中度协调发展类，两个子系统的耦合协调度D总体呈现波动式上升趋势(y=0.0504x+0.3882，R2=0.8982)。具体来看，2008年乐都区、互助县和民和县的经济发展—生态环境耦合协调度分别为0.407 9，0.400 3，0.444 3，耦合协调发展度均为濒临失调衰退类，其中民和的协调水平最高，乐都次之，互助最低，且至2015年3个区县的协调等级均转化为中度协调发展类。
由图1—2可以看出，2008—2015年湟水谷地经济发展—生态环境综合发展水平的剪刀差呈现明显的阶段性演化特征(可以划分为3个阶段：2008—2010年、2011—2013年、2014—2015年)。第一阶段，经济发展和生态环境先平稳上升，经济发展综合评价指数小于生态环境综合评价指数[F(x)
综上所述，8年间，经济—生态子系统的耦合度C>耦合协调发展度D>综合评价指数T(表4)，反映了湟水谷地的经济发展、生态环境的协同发展水平良好，而综合发展水平相对较差的局面，生态环境需要同社会经济全方位提升。
3.6 耦合度的空间分异
选取湟水谷地3个区县的3个典型年份(2008年、2011年和2015年)耦合度C，利用ArcGIS 10.2绘制出耦合度的空间分异图(图3)。得出：3个典型年份内的耦合度出现了3种类型，即初级耦合、中级耦合和良好耦合。2008年乐都区、互助县、民和县的耦合度类型分别为初级耦合、良好耦合和中级耦合，说明2008年乐都区在当时良好的生态环境质量基础下未能转化成经济发展积极优势。而民和县2011年、2015年3个区县的耦合度均转化为良好耦合类型，表明该县域总体上经济发展和生态环境系统耦合度一直保持在较高状态。总体上，湟水谷地3个区县从2008—2015年，耦合度出现从初级耦合转化为良好耦合类型。可以看出2011年之前经济发展—生态环境的耦合度格局明显优化，至2015年，该区域一直保持在良好耦合类型，反映出经济的快速发展对生态环境的影响日益加大。
图3湟水谷地经济发展和生态环境耦合度空间分异
3.7 耦合协调度的空间分异
选取湟水谷地3个区县3个典型年份(2008年、2011年和2015年)的耦合协调度D，利用ArcGIS 10.2绘制出耦合协调度的空间分异图(图4)。可以看出：3个区县耦合协调度出现了轻度失调、濒临失调、勉强协调、初级协调和中度协调5种状态。2008年互助县属于轻度失调，乐都区和民和县属于濒临失调；2011年互助县属于初级协调，乐都区和民和县属于勉强协调；2015年3个区县均转化为中度协调。总体上，湟水谷地从2008—2015年，耦合协调度D出现从轻度失调转化为中度协调等级。可以看出3个不同时段和3个不同区县的耦合协调度逐年增强，表明其经济发展—生态环境的总体协调发展水平呈逐年上升的趋势，两系统的耦合关系越来越和谐。通过数据分析和对比耦合度的空间变化，发现耦合协调度的区县变化稍滞后于耦合度的变化，得出耦合度C与协调度D不存在正相关关系(p>0.05)，体现了耦合度强但协调度不一定强的变化规律。预测在未来几年内，湟水谷地耦合协调度的演化趋势相对稳定，在中度协调发展状态下时间持续较长，为保证系统向着良好、优质协调发展转化，需要加快产业结构调整，加大区域特色绿色农产品种植业、旅游业扶持力度，加强对生态环境的保护。
3.8 空间组合
为了更直观地反映耦合度C和耦合协调度D的时空变化，对上述3个年份的C和D进行组合分类，利用ArcGIS 10.2绘制出耦合协调类型的空间组合分区图(图5)。得出3个典型年份内出现了6种空间组合类型，即：初级耦合濒临失调衰退区(0.60 图4湟水谷地经济发展和生态环境耦合协调度空间分异 图5湟水谷地经济发展和生态环境耦合协调空间组合类型 2008年乐都区、互助县、民和县的耦合协调类型的空间组合分别为初级耦合濒临失调衰退区、良好耦合中度协调发展区、中级耦合濒临失调衰退区；2011年互助县的耦合协调类型的空间组合为良好耦合初级协调区、乐都区和民和县为良好耦合勉强协调区；2015年3个区县的空间组合分别转化为良好耦合中度协调发展区。总体上，湟水谷地8年间，耦合协调类型的空间组合呈现出从中级耦合濒临失调衰退向良好耦合中度协调发展优化。各区县的耦合协调类型出现了由低级类型向高级类型转变的不同组合，反映出耦合度与耦合协调度之间并非保持一致的基本规律。经济发展对生态环境的影响是导致耦合协调类型发生变化的直接驱动力。 湟水谷地的经济发展不仅关系着青海省全面建成小康社会，还决定着地区可持续发展的实施。青海省生态地位极其重要，生态价值巨大，环境承载力低下，生态环境脆弱，一经破坏，极难修复。加之地处自然条件严苛的青藏高原，更加制约经济的发展，经济发展对资源的需求量给当地脆弱生态环境同样带来严峻的考验。因此，为使协调发展水平不断向优质协调发展类转变，实现经济发展与生态环境保护“双赢”，必须意识到良好的生态环境质量是经济快速发展的前提，同时把握好二者的协调关系也是区域发展必须重视并正确应对的关键科学问题。 综上所述，为实现湟水谷地经济发展与生态环境可持续发展的重大使命，必须采取具有针对性的有效措施使二者协调共进。为了更好守住绿水青山，应大力推广使用可循环利用的清洁能源，加强生态修复建设。在保护当地生态环境的基础上，充分利用各区县资源优势发展特色产业。加快旅游与文化、生态等的深度融合，推动当地特色产业，通过转变发展方式，走绿色发展、循环发展与低碳发展的道路，最终实现经济增长与生态环境向良性的、可持续的耦合协调方向转变。 (1) 青海湟水谷地经济发展—生态环境系统耦合协调度由较低水平持续增长，协调性越来越强，耦合协调度D∈[0.429 4，0.743 8]。从2008—2009年的濒临失调衰退、2010—2011年的勉强协调发展、2012年的初级协调发展、提高到2013—2015年的中度协调发展。两个子系统的耦合协调度总体呈现波动式上升趋势(y=0.0504x+0.3882，R2=0.8982)。耦合协调类型方面，2008—2009年为生态损益型；2010—2015年发展成生态环境滞后型，说明2008—2009年城市化、工业化以及人类的生产生活对生态环境造成了破坏，导致2010—2015年生态环境发展滞后。虽然协调发展水平不断提高，但离优质协调发展的差距仍然较大，有待进一步提升。近几年人类对生态环境的保护意识不断提高、保护措施不断增强，但经济发展和生态环境两系统之间的矛盾仍然是制约整体协调发展水平的主要因素。 (2) 空间分异上，3个区县在3个典型年份的耦合度出现了从初级耦合转化为良好耦合类型，表明8年间湟水谷地经济发展—生态环境的耦合度格局明显优化；对比耦合度的空间变化，发现耦合协调度D出现从轻度失调转化为中度协调等级，变化稍滞后于耦合度的变化，反映出耦合度C与耦合协调度D之间并非保持一致的基本规律。空间组合上，呈现出从中级耦合濒临失调衰退向良好耦合中度协调发展优化。
4 讨论与结论
4.1 讨 论
4.2 结 论
