河南省水土資源與經濟發展耦合效應及其時空分異

文 倩, 孟天醒, 范慧平, 鄖雨旱

(河南農業大學 資源與環境學院, 鄭州 450002)

河南省水土資源與經濟發展耦合效應及其時空分異

文 倩, 孟天醒, 范慧平, 鄖雨旱

(河南農業大學 資源與環境學院, 鄭州 450002)

為了對河南省經濟發展與水土資源承載力的耦合關系及時空分異進行分析，采用信息熵權法，壓力—狀態—相應框架和耦合協調度模型等方法對河南省18個地市1999—2013年的水土資源和經濟發展狀況進行了量化研究。結果表明：(1) 河南省經濟發展速度高于水土資源承載閾值的增長，水土資源與經濟發展缺乏同步性；(2) 河南省水土資源與經濟發展的耦合協調程度總體為良好協調類型；水土資源與經濟發展對比關系主要為水土資源略微滯后型；(3) 河南省水土資源與經濟發展耦合協調度的空間分布特征為豫東、豫南協調水平最高，豫北次之、豫西最低。該研究不僅能夠揭示二者的動態關系，減小水土資源對經濟增長的阻尼效應，還能為河南省經濟、社會與環境可持續發展提供理論和技術支撐。

水土資源; 經濟發展; 耦合度; 協調度; 河南省

水土資源既是生態經濟系統中基礎性、戰略性和敏感性的因素[1]，也是區域社會經濟發展的支撐和保障條件[2]。作為最根本的自然資源，經濟發展能否與其水土資源稟賦相互耦合，將直接影響區域社會經濟的可持續性[3]。一方面經濟發展對建設用地和水資源的需求量不斷增加；另一方面有限的水、土資源以及全球氣候變化等因素也成為經濟發展的潛在障礙[4-6]。因此，如何合理利用水土資源、促進經濟協調發展、實現快速城鎮化進程中的水土資源承載與經濟增長的有效耦合已成為當前研究的熱點之一[7]。眾多學者對資源承載與經濟發展之間的關系做了大量研究[6-8]，研究方法也從早期單一的土地資源或水資源承載力指標與經濟發展指標的耦合研究[9-11]，轉變為水土資源綜合指標與經濟發展指標的耦合[7-8,12]。但現有研究主要集中在市、縣級尺度，在省域范圍內的研究相對較少。河南作為我國人口大省、農業大省和產糧大省，隨著經濟的快速增長和城鎮化與工業化進程的加快，水土資源供需矛盾日益突出。研究表明，河南省經濟與資源環境的關聯效應不斷降低，區域發展效率呈現下降趨勢，過度耗費資源以獲取經濟增長的方式將危及到今后的可持續發展[13]。本文利用熵值賦權法和系統耦合理論，對河南省1999—2013年經濟與水土資源的耦合協調程度進行評價，不僅能夠揭示二者的動態關系，減小水土資源對經濟增長的阻尼效應，還能為河南省經濟、社會與環境可持續發展提供理論和技術支撐。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

河南省地處北緯31°23′—36°22，東經110°21′—116°39′，土地面積16.7萬km2，其中耕地面積8.14萬km2。地勢西高東低，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%，26.6%，17.7%。屬暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤季風氣候；年平均降水量500～900 mm，50%集中在夏季。全年無霜期180～240 d。2014年末常住人口9 436萬人，其中農業人口5 171萬人；2015年城鎮化率46.6%。現轄鄭州、開封、洛陽、平頂山等18個省轄市以及10個省直管縣市。2015年GDP為37 010.25億元，第一產業增加值4 209.56億元，第二產業增加值18 189.36億元，第三產業增加值14 611.33億元。

1.2 數據來源及圖件制作

本文所有數據來源于《河南統計年鑒》(1999—2013年)。利用ArcGIS 10.0軟件采用自然斷裂法對耦合協調度指標進行分級[10]，得到水土資源與經濟發展耦合協調度空間分布圖。

2 研究方法

2.1 功效函數

為消除各指標間數量單位的差異，采用無差標準化法對原始數據進行標準化處理，建立經濟發展與水土資源的功效函數。具體計算公式如下：

μij=(χij-βij)/(αij-βij)μij具有正功效

μij=(αij-χij)/(αij-βij)μij具有負功效

(1)

式中：μij為變量χij對系統的功效貢獻大小，設變量χi(i=1，2，…，m)是經濟發展表示水土資源系統序參量;μij為第i個序參量的第j個指標，其值為χij(1，2，…，n)；αij，βij為系統穩定臨界點上序參量相應指標的上、下限值。

2.2 耦合度與耦合協調度模型

借鑒物理學中容量耦合概念以及容量耦合系數模型，采用耦合度評價經濟發展與水土資源兩個系統的耦合關聯程度，耦合度反映了系統的一致性。

(n=1,2,3,...,m)

(2)

式中：μ1為水土資源系統綜合評價指數；μ2為經濟發展系統綜合評價指數；C為耦合度，C∈[0,1]，當C接近1時，耦合度最大，系統間或系統內部要素之間達到良性共振耦合，系統趨向新的有序結構，當C接近0時，耦合度極小，系統之間或系統內部要素之間處于無關狀態，系統將向無序發展。耦合度分界值多根據數據分析結果的特征并結合實際確定[3,14]，根據本文結果及河南省實際情況，確定當C∈[0,0.3)，為低耦合；當C∈[0.3,0.8)，為一般耦合；當C∈[0.8,1)，為高度耦合。

因單純依靠耦合度判別容易產生誤差，出現結論偏離實際的情況，故采用耦合協調度模型評價水土資源與經濟系統間的協調發展水平，用來判斷二者交互耦合的協調程度。

(3)

式中：D為水土資源與經濟發展的耦合協調度；C為耦合度；T為協調度，其中T=aμ1+bμ2，a，b為待定系數，由于水土資源與經濟發展兩個系統同等重要，因此取a=b=0.5。

2.3 協調發展分類體系

為揭示以上水土資源和經濟發展兩個系統的協調發展程度，參考相關研究[7,15]，按照協調度的大小，對系統進行耦合協調發展程度類型劃分。將河南省水土資源與經濟發展耦合協調度分為協調類、過渡類與失調衰退類3個大類10個亞類，具體劃分詳見表1。再根據水土資源系統綜合評價指數(μ資源)與經濟發展系統綜合評價指數(μ經濟)的對比關系，將其分為水土資源滯后型、經濟滯后型、水土資源與經濟平衡型3個大類7個亞類(表2)。

表1 資源與經濟耦合評價分類體系及劃分標準

表2 水土資源與經濟增長綜合值對比關系類型

2.4 評價指標體系構建與權重計算

在兼顧代表性、基礎性與可獲得性的基礎上，水土資源承載系統指標通過“壓力—狀態—響應”(PSR)框架選取，經濟發展系統指標通過“總體—結構—效率”框架選取[15]；為避免人為主觀賦權偏差，采用熵權法確定指標權重值[16](表3)。除人均日生活用水量、市區人口密度、城市建成區面積、城市污水排放量與城鎮居民人均恩格爾系數等指標為負功效外，其余指標均表現為正功效。

表3 資源與經濟發展耦合評價指標體系及權重

3 結果與分析

3.1 水土資源系統與經濟發展系統綜合評價指數

通過計算得出河南省水土資源承載綜合評價指數(μ資源)(表4)和經濟發展綜合評價指數(μ經濟)(表5)。可以看出，1999—2013年河南省μ經濟總體高于μ資源，表明經濟系統的發展速度要快于水土資源承載容量的增加速度。研究期內，各省轄市水土資源承載系統與經濟發展系統總體都表現出發展與增強趨勢，特別是洛陽、鄭州、安陽、信陽四個城市的μ資源以及洛陽、安陽、新鄉三個城市的μ經濟增加最為顯著，均在20%以上。

依據多年平均綜合評價指數，可將河南省水土資源系統分為3個層次：其中周口、駐馬店、許昌、信陽、商丘等城市μ資源>0.28，水土資源承載力水平相對較高；焦作、濮陽、開封、安陽、南陽及新鄉居中；其余城市的μ資源<0.24，水土資源承載容量較小，特別是鄭州、洛陽和三門峽這3個城市的μ資源處于全省最低水平，其水土資源系統面臨較大的壓力與風險。就μ經濟而言，河南省發展處于領先的是周口、駐馬店、信陽、南陽、許昌，鶴壁、三門峽、洛陽、濟源、商丘和新鄉則處于中等水平；安陽、平頂山、焦作、漯河及鄭州市的μ經濟<0.32，總體水平全省最低。從多年平均綜合評價指數可以看出，μ資源高的城市其經濟發展速度也相對較快，反映了河南省的經濟增長類型仍以資源消耗為主。鄭州市其μ資源和μ經濟在全省都處于較低水平，表明其急需改善生態環境質量、轉變經濟增長方式，通過合理的城市規劃、避免人口過度集中，使經濟與環境健康、協調發展。

表4 1999-2013年河南省水土資源承載綜合評價指數

表5 1999-2013年河南省經濟發展綜合評價值

3.2 河南省水土資源承載與經濟發展耦合度及協調度時空變化

從耦合度看出(表6)，1999—2013年河南省各市水土資源系統與經濟系統耦合程度差異不明顯，各城市資源和經濟系統的耦合度都比較高，耦合度隨時間略有下降。

協調度分析表明，河南省各市協調程度均為協調類型(表7)，絕大多數城市屬于良好協調類型(0.71～0.80)，商丘、南陽、駐馬店、周口是河南省水土資源與經濟發展協調度最好的城市，為優質協調(0.80～0.89)。研究期內河南省各城市協調度均略有上升，1999年河南省協調度處在0.70～0.80，2013年協調度水平處在0.721～0.820。三門峽市協調度始終全省最低并且波動劇烈；與其多山、少水、少土的資源條件及經濟發展過度依賴自然資源有關。

由于耦合協調度分布在0.71～0.82，為便于比較故以0.70為起始值，0.82為結束值，0.02為間隔劃分圖例等級(圖1)。可以看出，河南省協調度時空分異變化明顯，從時間上看，大部分城市協調水平均有所提升。從空間上看，1999年河南省協調度最高的區域集中在豫東地區，其次是豫南地區，豫西的耦合協調度水平最低；2013年河南省豫東和豫南的協調水平最高，豫北次之，豫西最低。

表6 1999-2013年河南省水土資源與經濟發展耦合度

表7 1999-2013年河南省水土資源與經濟發展耦合協調度

3.3 河南省水土資源與經濟系統對比關系

依據μ資源與μ經濟的對比關系，河南省水土資源與經濟發展對比類型可分為水土資源略微滯后型、水土資源輕微受損型與經濟略微滯后型3種(表8)。其中，絕大多數城市的μ資源<μ經濟，屬于水土資源滯后型，即河南省水土資源承載與經濟發展不同步。說明河南省水土資源承載閾值小于經濟發展閾值，水資源和土地資源已在經濟發展過程中被過度消耗，經濟發展所需容量已超過區域水土資源承載力；大部分地區經濟發展速度超過了水土資源承載力的提高，資源面臨過度開發威脅，將為整個經濟的可持續發展留下隱患。應在經濟發展過程中，將更多投入用在水土資源承載容量的維護和提升方面；避免只發展經濟，而造成環境破壞和資源過度利用。

研究期內，絕大多數城市對比關系沒有發生變化，僅鄭州出現了較顯著的改變。由水土資源滯后型轉變為經濟滯后型，說明鄭州市經濟發展系統相對滯后于水土資源承載系統，應依據區域水土資源承載容量，在保護環境前提下，合理有序開發區域資源。

圖1 河南省水土資源與經濟發展耦合協調度不同年份空間變化

地區1999年2000年2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年鄭州ⅠⅣⅣⅠⅠⅠⅣⅣⅣⅣⅣⅣⅣⅣⅣ開封ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ洛陽ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ平頂山ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ安陽ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ鶴壁ⅠⅡⅠⅡⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ新鄉ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ焦作ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ濮陽ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ許昌ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ漯河ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ三門峽ⅡⅡⅡⅠⅡⅡⅡⅡⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ南陽ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ商丘ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ信陽ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ周口ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ駐馬店ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ濟源ⅠⅠⅠⅡⅠⅡⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ

4 討論與結論

4.1 討 論

與全國或其他經濟發達省份相比，河南是一個農業大省，產業層次較低、經濟結構不合理、重數量擴張而輕質量提高。主要表現在第一產業比重偏高、第三產業發展嚴重滯后，工業增長主要依靠資源初步開發與利用、高技術含量和高附加值的產業比重較低，同時第二產業占國民收入的比重不高[17-18]。隨經濟發展河南省第三產業占國民收入水平雖有所提升，但橫向比較與全國平均水平仍有差距，因此產業結構、城鄉結構不合理已成為經濟發展最突出的矛盾，加快轉變經濟增長方式尤為迫切[19]。產業結構作為聯系人類經濟活動與生態環境之間的一條重要紐帶[20-21]，不僅是一個“資源配置器”，更是環境資源的消耗和污染物產生的種類和數量的“控制體”[22]。區域產業的發展及其組合類型、強度的變化在顯著促進區域社會經濟繁榮的同時，也對生態環境產生重要影響[23]。

由于河南省產業結構生態環境影響屬于“較重”級別[24]，工業“三廢”排放量仍處于上升期[25]，人均工業廢水排放量、人均工業廢氣排放量和人均工業固體廢棄物產生量等指標的上升速度也遠高于同期河南省的GDP增長率[26]；環境惡化已成為制約河南經濟發展的一個重大障礙[27]。此外，人口壓力過大、人均耕地面積不足仍然是影響河南土地生態安全的重要因素[19]；隨著河南省城市化進程的推進，龐大的農業人口的轉移與安置，將會使耕地不斷轉變為建設用地，加之河南省耕地后備資源嚴重不足，將使原本緊張存在的水土資源與經濟發展的矛盾更為緊張。但隨著經濟水平的提高，自然資源的利用水平也會相應提高[8]。因此，為實現可持續發展，河南省必須根據水土資源實際狀況調整經濟發展戰略與方向，依據不同地域的生態環境特點，優化產業空間布局；大力發展循環經濟和第三產業，推動產業結構升級和技術進步，加快農業產業化步伐，調整土地利用結構，促進土地節約集約利用，使經濟、資源相互協調發展。

4.2 結 論

研究表明河南省經濟系統發展速度高于水土資源承載閾值的增長，水土資源與經濟發展缺乏同步性。水土資源承載閾值較高的城市其經濟發展速度也相對較快，說明河南省經濟增長對水土資源有較強的依賴性，經濟增長方式比較粗放。

河南省各城市水土資源與經濟發展耦合度都大于0.8，協調度都大于0.7，耦合協調程度總體為良好協調類型。耦合協調度高的區域主要分布在豫東和豫南，豫西和豫北耦合協調度較低，水土資源與經濟發展對比關系主要為水土資源略微滯后型。表明近年來河南省快速的經濟發展給環境帶來了沉重代價，水土資源對經濟進一步發展的制約日益突出。與劉躍軍[28]以及劉蕾[19]等研究結論相似，即河南省經濟與環境并未很好協調發展[28]；土地生態安全仍處于臨界安全水平[19]。

[1] 周浩,雷國平,張博,等.1990—2013年撓力河流域耕地變化下水土資源平衡效應分析[J].農業工程學報,2015,31(1):272-280.

[2] 楊艷昭,張偉科,封志明,等.土地利用變化的水土資源平衡效應研究[J].自然資源學報,2013,28(3):437-449.

[3] 董雯,楊宇,張豫芳.綠洲城鎮發展與水土資源開發的耦合效應及其時空分異[J].資源科學,2013,35(7):1355-1362.

[4] Shahbaz M, Sbia R, Hamdi H, et al. Economic growth, electricity consumption, urbanization and environmental degradation relationship in United Arab Emirates[J]. Ecological Indicators,2014,45:622-631.

[5] Li Y, Li Y, Zhou Y, et al. Investigation of a coupling model of coordination between urbanization and the environment[J]. Journal of Environmental Management,2012,98:127-133.

[6] 段玉芳,劉耀彬,楊新梅,等.中部地區經濟增長中的水土資源“增長尾效”對比研究[J].資源科學,2011,33(9):1781-1787.

[7] 呂添貴,吳次芳,游和遠.鄱陽湖生態經濟區水土資源與經濟發展耦合分析及優化路徑[J].中國土地科學,2013,27(9):3-10.

[8] 張卡,曲本亮,蓋美.區域經濟發展與水土資源的耦合協調研究:以遼寧省為例[J].資源開發與市場,2015,31(3):316-320.

[9] 張曉濤,于法穩.黃河流域經濟發展與水資源匹配狀況分析[J].中國人口·資源與環境,2012,22(10):1-6.

[10] 李德一,張樹文.黑龍江省水資源與社會經濟發展協調度評價[J].干旱區資源與環境,2010,24(4):8-11.

[11] 劉耀彬,李仁東,宋學鋒.中國城市化與生態環境耦合度分析[J].自然資源學報,2005,20(1):105-112.

[12] 王濱,張發旺,陳立,等.黑龍港地區水土資源經濟系統耦合協調評價研究[J].水土保持通報,2013,33(2):276-280.

[13] 喬家君,李小建.河南省可持續發展指標體系構建及應用實例[J].河南大學學報:自然科學版,2005,35(3):44-48.

[14] 郭施宏,王富喜.山東省城市化與城市土地集約利用耦合協調關系研究[J].水土保持研究,2012,19(6):163-167.

[15] 廖重斌.環境與經濟協調發展的定量評判及其分類體系:以珠江三角洲城市群為例[J].廣州環境科學,1996,11(1):12-16.

[15] 楊麗花,佟連軍.吉林省松花江流域經濟發展與水環境質量的動態耦合及空間格局[J].應用生態學報,2013,24(2):503-510.

[16] 趙磊,劉洪彬,于國鋒,等.基于熵權法土地資源可持續利用綜合評價研究[J].資源與產業,2012,14(4):63-69.

[17] 李兵.產業結構對經濟增長的實證分析—以河南省為例[J].農村經濟與科技,2015,26(1):11-14.

[18] 盧方元,曹治星.河南省產業結構對經濟增長貢獻的實證分析[J].統計與決策,2007(23):129-131.

[19] 劉蕾,姜靈彥,高軍俠.基于P—S—R模型的土地生態安全物元評價:以河南省為例[J].地域研究與開發,2011,30(4):117-121.

[20] 崔鳳軍.本溪產業結構的環境生態評價[J].城市環境與城市生態,1995,8(2):31-36.

[21] 崔鳳軍,楊永慎.產業結構對城市生態環境的影響評價[J].中國環境科學,1998,18(2):166-169.

[22] 周景博.北京市產業結構現狀及其對環境的影響分析[J].統計研究,1999(8):40-44.

[23] 趙雪雁.甘肅省產業轉型及其生態環境效應研究[J].地域研究與開發,2007,26(2):102-106.

[24] 郜慧,劉明華,楊酥,等.河南省產業結構演化及其生態環境效應分析[J].環境科學與管理,2012,37(2):157-161.

[25] 谷蕾,馬建華,王廣華.河南省1985—2006年環境庫茲涅茨曲線特征分析[J].地域研究與開發,2008,27(4):113-116.

[26] 許麗憶,陳燕武,王晨旭.產業結構,生態環境與經濟增長的長期均衡關系研究:以河南省為例[J].生產力研究,2013(8):9-11.

[27] 張榮艷.河南省“三廢”排放的庫茲涅茨曲線特征及其成因的灰色關聯度分析[J].數學的實踐與認識,2013,43(19):68-75.

[28] 劉躍軍,李素瑩.經濟發展與環境質量關系實證研究:以河南省18個省轄市為例[J].中原工學院學報,2012,23(5):28-32.

CouplingEffectandSpatiotemporalDifferentiationBetweenWater-LandResourceandEconomicDevelopmentinHe′nanProvince

WEN Qian, MENG Tianxing, FAN Huiping, YUN Yuhan

(CollegeofResourcesandEnvironment,He′nanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

In order to analyze coupling characteristics and spatiotemporal variation between economic development and the bearing of water-land resource in He′nan Province, entropy weight and coupling coordination degree model was used in quantitative research on water-land resources, Pressure—State—Response framework and economic development of 18 cities in He′nan Province from 1999 to 2013. The results showed that the speed of economic development in He′nan Province had exceeded the growth of water-land resource, which indicated that the variation between water-land resource and economic development were not synchronized; in general, coupling coordination degree of He′nan Province was at a good level, the correlation between water-land resource and economic development was a slight lag of water and land resources; the spatial distribution of coupling coordination level between water-land resource and economic development was that east and south He′nan covered the highest, followed by north He′nan, and west He′nan was the lowest one. The research results can not only reveal the dynamic relationship between the two, reduce damping effect of water-land resources for the economic growth, but also provide theoretical and technical support for economic, social and environmental sustainable development in He′nan Province.

water-land resource; economic development; coupling degree; coordination degree; He'nan Province

2016-05-05

：2016-05-23

河南省自然科學基金“濕地土地利用/覆被變化與動態響應”(152300410075)

文倩(1974—),女,遼寧本溪人,副教授,博士,主要從事區域土地資源利用與可持續發展研究。E-mail:wenqian23@163.com

F205;F127

：A

：1005-3409(2017)03-0234-07