青海省湟水谷地經濟發展與生態環境耦合協調度的時空分異

郭 婧, 周學斌, 任 君, 王芳萍, 魏 珍, 師 燕, 周華坤

(1.中國科學院 西北高原生物研究所 青海省寒區恢復生態學重點實驗室, 西寧 810008; 2.青海省社會科學院 生態環境研究所,西寧 810000; 3.青海省水文水資源勘測局, 西寧 810001; 4.青海大學 研究生院, 西寧 810016; 5.青海省社會科學院經濟研究所, 西寧 810000; 6.西寧市城鄉規劃設計研究院, 西寧 810006； 7.中國科學院大學， 北京 100049)

隨著國家在經濟發展方面政策、投入等日益加強，極大地促進了青海省湟水谷地社會經濟的發展，然而工業化加速，城市人口集聚、資源能源消耗等對當地生態環境產生極大的脅迫作用。作為青海省重要的農業生產基地和重點經濟發展區，探討經濟發展與生態環境之間的耦合協調關系，實現二者向良性、可持續的耦合協調方向轉變是當前湟水谷地要著力解決的首要問題。實際上，經濟發展與生態環境是相互作用，相互影響，構成彼此耦合交互體，其最高形態是二者相互協調、相互融合共同構成一個高效的復合生態系統[1-2]。因此，探討經濟發展與生態環境之間的關系已成為學術界研究的熱點，也是可持續發展戰略的必然要求[3]。

近年來，耦合協調度模型因具有量化分析的優點引起了專家學者的廣泛關注。國外對于經濟發展與生態環境關系的研究始于19世紀末期，而真正以實證研究形式來分析對經濟發展與生態環境之間協調關系始于20世紀90年代[4]。如美國經濟學家Norgaard[5]提出了協調發展理論，認為通過反饋循環，在社會和生態系統之間可以實現共同發展。目前國外關于經濟發展與生態環境的關系探討還包括投入產出模型[6]、CGE模型[7]及生態經濟學的基本視角[8]展開。

國內一些學者研究焦點集中在不同區域經濟發展與生態環境的耦合度、耦合協調度以及和空間分布及演變上。張榮天等[9]運用耦合協調模型分析泛長江三角洲地區兩系統的耦合協調度及其演變。易平等[10]定量評價了地質公園社會經濟與生態環境效益的耦合協調度。王琦等[11]對洞庭湖區生態—經濟—社會復合系統的耦合度、協調度和綜合發展值進行了分析。初雪等[12]采用耦合度、發展度、耦合協調系數和灰色關聯度分析了欠發達地區經濟、社會和生態系統的協調發展關系。趙旭陽等[2]定量揭示出影響山區經濟發展與生態環境系統耦合的主要因素，并從時空角度分析了區域耦合度的空間分布及演變規律。丁浩等[13]通過耦合協調模型的構建，對山東省區域經濟與生態環境的耦合協調關系進行時空雙維研究，并運用灰色關聯模型進一步探索區域經濟發生變化的深層原因。

盡管國內外學者進行了大量基礎性工作研究，但對經濟發展與生態環境的耦合協調度的時空分異研究仍處于較薄弱階段。尤其是針對青海湟水谷地經濟發展與生態環境耦合協調度尚未開展研究，相對的耦合協調度的時空分異研究也極其缺乏。鑒于此，本文利用物理學中容量耦合協調模型，充分考慮各種因素，選擇湟水谷地3個典型區縣2008—2015年的經濟發展和生態環境統計數據，構建經濟發展及生態環境評價指標體系，運用熵值法確定評價指標權重，從時空角度定量揭示湟水谷地經濟發展與生態環境兩系統之間相互耦合協調程度及空間分布規律。研究結果對于推進經濟發展、指導生態環境建設，提高環境保護意識，促進二者協調發展提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 研究區界定

湟水谷地位于青藏高原的東北部，是青海省重要的農業生產基地和重點經濟發展區。地理位置為100°54′—103°04′E，35°30′—36°52′N，由于受地形限制，湟水河向東區域作為發展的主要方向。因此，本文選取國內外典型區域海東市內的樂都區、民和回族土族自治縣(簡稱“民和縣”)、互助土族自治縣(簡稱“互助縣”)3個區縣，研究區土地面積8 364.72 km2，人口111.74萬人。

1.2 社會經濟發展

湟水谷地開發歷史悠久，是黃河流域人類活動最早的地區之一。隨著全面建成小康社會目標日漸臨近，研究區將通過轉變發展方式，走綠色發展、循環發展與低碳發展的道路，大力發展高效生態農業，提高生產能力與人民生活水平，使整個湟水谷地的社會經濟發展處于良好態勢。據統計數據顯示，研究區共有49個鄉鎮，占湟水谷地鄉鎮總數的47.6%，人口密度為133.58人/km2，約是青海省平均人口密度的16倍。2008—2015年研究區總人口數從10.65萬人增加到11.17萬人，GDP從75.97萬元增加到245.71萬元，農業總產值為651 523.41萬元，占青海省的20.4%。

1.3 生態環境發展

湟水谷地位于青藏高原與黃土高原的交錯地帶，海拔為1 650～4 635 m，地質構造屬于祁連褶皺系，為中新生代山間斷陷谷地。受地形、海拔以及水、熱條件的影響，形成了3種不同的生態區，按當地習慣稱為：川水區、淺山區、腦山區。研究區氣候屬高原大陸性半干旱氣候，太陽輻射強、光照充足，年日照時數在2 500 h以上；境內年平均氣溫低，在4.3～9.7℃之間；降水量少，境內絕大部分地區年降水量在400 mm以下。此外，研究區內礦產資源豐富，植被景觀多樣，呈現出草甸草原、荒漠草原、干草原、高山草甸、森林等多種自然景觀類型。

2 研究方法

2.1 熵值法確定權重

1948年，Shannon[14]首次引進信息熵來描述了信號源信號的不確定性，熵值法確定權重系數在信息論中，熵值反映了信息的無序化程度，可以用來度量信息量的大小[15]，某項指標攜帶的信息越多，表示該指標對決策的作用越大[16]。熵值法的計算步驟主要包括：構建判斷矩陣、指標特征值的無量綱處理、確定評價指標的熵3部分[17]。

2.2 經濟發展與生態環境協調發展評價模型

2.2.1 綜合評價模型 根據前人相關研究結果[18]，結合實地情況，得到湟水谷地經濟發展子系統、生態環境子系統綜合評價指數：

(1) 假設x1,x2,…,xm是描述經濟發展子系統的m個指標，則：

(1)

式中：F(x)為經濟發展子系統綜合評價指數；m為經濟發展子系統綜合評價指標個數；ωi為經濟發展子系統第i個評價指標的權重；xi為經濟發展子系統第i個指標的標準化值。

(2) 假設y1,y2,…,yn是描述生態環境子系統的n個指標，則：

(2)

式中：G(y)為生態環境子系統綜合評價指數；n為生態環境子系統綜合評價指標個數；ωj為生態環境子系統第j個評價指標的權重；yj為生態環境子系統第j個指標的標準化值。

2.2.2 耦合度模型 借鑒物理學中的容量耦合定義及系數模型[9]，根據經濟發展子系統、生態環境子系統綜合評價指數可得到經濟發展—生態環境耦合度評價模型為：

(3)

式中：C為經濟發展—生態環境耦合度，C∈(0,1)，C值越大表明湟水谷地經濟發展與生態環境之間越耦合，反之則越不耦合，處于失調或無序狀態；k=2，耦合度C等級值域范圍[10]見表1。

表1 湟水谷地經濟發展—生態環境耦合度類型劃分

2.2.3 耦合協調度模型 如前所述，單純靠耦合度無法反映出湟水谷地經濟發展與生態環境協調發展水平的高低，同時也很難反映出二者的整體“功效”與協同“效應”[10]。因此，本文用耦合協調度模型分析經濟發展與生態環境兩大子系統耦合協調發展貢獻程度。耦合協調度越高，表明其總體協調發展水平越高，也表明兩者的耦合關系越和諧，計算公式如下：

(4)

T=αF(x)+βG(y)

(5)

式中：D為經濟發展—生態環境耦合協調度；T為經濟發展—生態環境綜合評價指數；α和β為待定系數，考慮到湟水谷地經濟發展與生態環境同等重要，因而α=β=0.5。

為了更準確地表征湟水谷地經濟發展—生態環境兩大子系統的耦合協調發展關系和階段，在借鑒已有成果[10,18]的基礎上，根據耦合協調發展度D以及經濟發展子系統F(x)和生態環境子系統G(y)的大小，將其耦合協調發展水平劃分為協調發展、過度發展和失調衰退3個大類、10個協調等級和30個基本類型(表2)。

3 結果與分析

3.1 數據來源

分析數據資料均來源于《海東統計年鑒(2008—2015)》、《樂都區統計年鑒(2008—2015)》、《青海省互助土族自治縣國民經濟統計資料(2008—2015)》、《青海省民和土族自治縣國民經濟和社會發展統計資料(2008—2015)》，研究尺度為湟水谷地1區(樂都區)2縣(互助縣、民和縣)，空間數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)，掃描之后在ArcGIS 10.2軟件中進行配準矢量化。

表2 湟水谷地經濟發展—生態環境耦合協調發展類型及評價標準

3.2 評價指標選取及權重確定

經濟發展和生態環境兩子系統極其復雜，涉及到地區的社會經濟活動以及資源環境等多方面因素。本文結合研究區域的實際情況，基于相關研究文獻[9,12,19]，考慮到真實性、整體對應、比例適當、數據可獲得性及其可比較性的原則。選擇國內外實證研究中使用頻率較高的指標，從經濟發展和生態環境兩大層面構建了湟水谷地耦合協調度評價指標體系，經濟發展層面包括經濟發展規模、經濟發展結構、經濟發展水平及經濟發展效率4個子系統，14項指標；生態環境層面包括生態環境水平、生態環境污染及生態環境治理3個子系統，12項指標(表3)。

根據上述確定的指標，選取湟水谷地(樂都區、互助縣、民和縣)2008—2015年度各指標數據作為經濟發展和生態環境耦合協調度評價指標。對選取的正向指標(23項)、逆向指標(3項)進行無量綱處理，解決各指標不同量綱無法進行綜合匯總的問題，處理后的數據利用熵值賦權法，可得各指標的權重Wi(表3)。

3.3 定量評價

在對評價指標數據無量綱化和權重計算的基礎上，利用公式(1)—(2)測算湟水谷地2008—2015年經濟發展綜合評價指數F(x)，生態環境綜合評價指數G(y)；將計算得出的F(x)和G(y)值代入公式(3)得出經濟發展—生態環境耦合度C，同時利用公式(5)計算得出經濟發展—生態環境綜合評價指數T，利用公式(4)得出耦合協調發展度D，計算結果見表4。

根據協調發展類型及評價標準(表2)，對2008—2015年湟水谷地經濟發展—生態環境耦合協調發展水平進行了協調發展類別劃分(表5)。

3.4 綜合發展水平分析

圖1表明2008—2015年湟水谷地經濟發展水平總體呈線性上升趨勢(y=0.0972x+0.0153，R2=0.9762)。2008年、2009年湟水谷地生態環境子系統的綜合評價值分別為0.303 7，0.370 6，相當于經濟發展子系統綜合評價值(0.155 6，0.185 4)的2倍，可見當時的生態環境質量較好，人類的生產生活所帶來的環境壓力較小。

在2010年發展過程中，生態環境子系統的綜合評價值較之前兩年有所下降(0.284 3)。隨后3年間，生態環境子系統綜合評價值呈上升趨勢，在2013年綜合評價值達到最高(0.631 0)，2014—2015年評價值則再次下降又緩慢回升。相比之下，經濟發展子系統的綜合評價值在2010—2015年呈快速上升的趨勢，并在2015年達到了0.841 2，遠超過生態環境子系統的綜合評價值(0.468 6)。

通過評價指標體系中各經濟指標歷年的數值得出，湟水谷地的人均GDP總量在過去的8年間從7 255元增加至22 668.7元，工業GDP由187 202.6萬元直線上升至806 820.1萬元，呈4倍增長；人均規模以上工業增加值也從2008年的1 100元/人增加至5 920元/人；公共財政收入由6 642.7萬元增加至35 002.7萬元；人均固定資產投資在近8年間，增加至12倍左右；糧食產量由106 435 t增加至320 418 t；農民人均純收入和城鎮居民人均可支配收入均呈直線增加。說明經濟的發展，尤其是城市化、工業化以及人類的生產生活對生態環境產生脅迫作用較為顯著，雖然近幾年人類對生態環境的保護意識不斷提高、保護措施不斷增強，仍對湟水谷地生態環境帶來壓力。

表3 經濟發展和生態環境系統的耦合協調評價指標體系及權重

注：*表示逆向指標，其他表示正向指標。

表4 2008-2015年湟水谷地經濟發展與生態環境耦合協調發展度

表5 2008-2015年湟水谷地經濟發展-生態環境耦合協調發展類型

圖12008-2015年青海湟水谷地經濟發展-生態環境

綜合評價指數時序變化

生態環境對經濟發展的反饋作用主要表現在森林面積、當年造林面積、農藥化肥使用量、節能環保財政支出、城市生活污水處理率、工業二氧化硫排放量等指標。在過去的8年間湟水谷地森林面積呈明顯單峰型波動，由2008年的最低值(12 073 hm2)波動上升至2013年的最高值(282 725.33 hm2)后下降至2015年的177 619 hm2；8年間，化肥使用(折純)量由6 628.67 t直線上升至8 219.53 t；而農藥使用量呈明顯單峰型波動，由2008年的最低值(160 748.67 kg)上升至2012年的峰值(441 291.33 kg)后直線下降至180 898 kg；人均農作物播種面積(0.14～0.16 hm2)和年末人均耕地擁有量(0.14～0.20 hm2)均緩慢增加。由于環境保護力度不斷提高，當年造林面積呈明顯上升趨勢，由1 595 hm2上升至2015年的4 206 hm2；節能環保財政支出由5 347萬元上升至23 288萬元，增加了4倍以上；城市生活污水處理率也呈上升趨勢。由于經濟發展所帶來的生態環境壓力急速上升，在過去8年間，工業二氧化硫排放量由3 588.51 t波動增加至的4 547.57 t。綜合反映出近幾年在“綠色發展”的理念下，生態環境建設取得了一定成效的基礎上對經濟發展的支撐作用。

3.5 耦合協調度分析

為了更直觀地反映湟水谷地經濟發展—生態環境耦合協調度的演化趨勢以及兩子系統的發展軌跡，將2008—2015年湟水谷地整體和3個區縣的耦合協調度D測算結果繪制成折線圖(圖2)，對其經濟發展—生態環境協調發展狀況進行綜合分析。

圖22008-2015年湟水谷地三區縣經濟發展-生態環境

耦合協調度時序變化

從圖2中可以看出，2008—2015年湟水谷地的經濟發展—生態環境耦合協調度D從0.429 4增加到0.743 8，協調類型從瀕臨失調衰退類轉化為中度協調發展類，兩個子系統的耦合協調度D總體呈現波動式上升趨勢(y=0.0504x+0.3882，R2=0.8982)。具體來看，2008年樂都區、互助縣和民和縣的經濟發展—生態環境耦合協調度分別為0.407 9，0.400 3，0.444 3，耦合協調發展度均為瀕臨失調衰退類，其中民和的協調水平最高，樂都次之，互助最低，且至2015年3個區縣的協調等級均轉化為中度協調發展類。

由圖1—2可以看出，2008—2015年湟水谷地經濟發展—生態環境綜合發展水平的剪刀差呈現明顯的階段性演化特征(可以劃分為3個階段：2008—2010年、2011—2013年、2014—2015年)。第一階段，經濟發展和生態環境先平穩上升，經濟發展綜合評價指數小于生態環境綜合評價指數[F(x)G(y)]，因而耦合協調度D從瀕臨失調衰退類生態損益型向勉強協調發展類生態環境滯后型轉變(表5)。第二階段，由于經濟發展以及生態環境均穩步增長[F(x)>G(y)]，經濟發展—生態環境綜合發展水平的剪刀差由小逐漸變大，耦合協調度D由勉強協調發展類生態環境滯后型退化為中度協調發展類生態環境滯后型(表5)。第三階段，經濟發展—生態環境綜合發展水平的剪刀差由小變大，經濟發展綜合評價指數大于生態環境綜合評價指數[F(x)>G(y)]，經濟發展呈直線上升，生態環境呈先下降后緩慢上升趨勢，耦合協調度D保持在中度協調發展類生態環境滯后型(表5)。2008—2015年這8年間，湟水谷地整體經濟發展—生態環境耦合協調度大致經歷了瀕臨失調衰退類、勉強協調發展類、初級協調發展類、中度協調發展類4個發展階段和8個發展類型，每個發展階段和類型的耦合協調度都由經濟發展與生態環境兩個子系統的發展規律和演化趨勢及兩者之間綜合發展水平的剪刀差決定。

綜上所述，8年間，經濟—生態子系統的耦合度C>耦合協調發展度D>綜合評價指數T(表4)，反映了湟水谷地的經濟發展、生態環境的協同發展水平良好，而綜合發展水平相對較差的局面，生態環境需要同社會經濟全方位提升。

3.6 耦合度的空間分異

選取湟水谷地3個區縣的3個典型年份(2008年、2011年和2015年)耦合度C，利用ArcGIS 10.2繪制出耦合度的空間分異圖(圖3)。得出：3個典型年份內的耦合度出現了3種類型，即初級耦合、中級耦合和良好耦合。2008年樂都區、互助縣、民和縣的耦合度類型分別為初級耦合、良好耦合和中級耦合，說明2008年樂都區在當時良好的生態環境質量基礎下未能轉化成經濟發展積極優勢。而民和縣2011年、2015年3個區縣的耦合度均轉化為良好耦合類型，表明該縣域總體上經濟發展和生態環境系統耦合度一直保持在較高狀態。總體上，湟水谷地3個區縣從2008—2015年，耦合度出現從初級耦合轉化為良好耦合類型。可以看出2011年之前經濟發展—生態環境的耦合度格局明顯優化，至2015年，該區域一直保持在良好耦合類型，反映出經濟的快速發展對生態環境的影響日益加大。

圖3湟水谷地經濟發展和生態環境耦合度空間分異

3.7 耦合協調度的空間分異

選取湟水谷地3個區縣3個典型年份(2008年、2011年和2015年)的耦合協調度D，利用ArcGIS 10.2繪制出耦合協調度的空間分異圖(圖4)。可以看出：3個區縣耦合協調度出現了輕度失調、瀕臨失調、勉強協調、初級協調和中度協調5種狀態。2008年互助縣屬于輕度失調，樂都區和民和縣屬于瀕臨失調；2011年互助縣屬于初級協調，樂都區和民和縣屬于勉強協調；2015年3個區縣均轉化為中度協調。總體上，湟水谷地從2008—2015年，耦合協調度D出現從輕度失調轉化為中度協調等級。可以看出3個不同時段和3個不同區縣的耦合協調度逐年增強，表明其經濟發展—生態環境的總體協調發展水平呈逐年上升的趨勢，兩系統的耦合關系越來越和諧。通過數據分析和對比耦合度的空間變化，發現耦合協調度的區縣變化稍滯后于耦合度的變化，得出耦合度C與協調度D不存在正相關關系(p>0.05)，體現了耦合度強但協調度不一定強的變化規律。預測在未來幾年內，湟水谷地耦合協調度的演化趨勢相對穩定，在中度協調發展狀態下時間持續較長，為保證系統向著良好、優質協調發展轉化，需要加快產業結構調整，加大區域特色綠色農產品種植業、旅游業扶持力度，加強對生態環境的保護。

3.8 空間組合

為了更直觀地反映耦合度C和耦合協調度D的時空變化，對上述3個年份的C和D進行組合分類，利用ArcGIS 10.2繪制出耦合協調類型的空間組合分區圖(圖5)。得出3個典型年份內出現了6種空間組合類型，即：初級耦合瀕臨失調衰退區(0.60

圖4湟水谷地經濟發展和生態環境耦合協調度空間分異

圖5湟水谷地經濟發展和生態環境耦合協調空間組合類型

2008年樂都區、互助縣、民和縣的耦合協調類型的空間組合分別為初級耦合瀕臨失調衰退區、良好耦合中度協調發展區、中級耦合瀕臨失調衰退區；2011年互助縣的耦合協調類型的空間組合為良好耦合初級協調區、樂都區和民和縣為良好耦合勉強協調區；2015年3個區縣的空間組合分別轉化為良好耦合中度協調發展區。總體上，湟水谷地8年間，耦合協調類型的空間組合呈現出從中級耦合瀕臨失調衰退向良好耦合中度協調發展優化。各區縣的耦合協調類型出現了由低級類型向高級類型轉變的不同組合，反映出耦合度與耦合協調度之間并非保持一致的基本規律。經濟發展對生態環境的影響是導致耦合協調類型發生變化的直接驅動力。

4 討論與結論

4.1 討 論

湟水谷地的經濟發展不僅關系著青海省全面建成小康社會，還決定著地區可持續發展的實施。青海省生態地位極其重要，生態價值巨大，環境承載力低下，生態環境脆弱，一經破壞，極難修復。加之地處自然條件嚴苛的青藏高原，更加制約經濟的發展，經濟發展對資源的需求量給當地脆弱生態環境同樣帶來嚴峻的考驗。因此，為使協調發展水平不斷向優質協調發展類轉變，實現經濟發展與生態環境保護“雙贏”，必須意識到良好的生態環境質量是經濟快速發展的前提，同時把握好二者的協調關系也是區域發展必須重視并正確應對的關鍵科學問題。

綜上所述，為實現湟水谷地經濟發展與生態環境可持續發展的重大使命，必須采取具有針對性的有效措施使二者協調共進。為了更好守住綠水青山，應大力推廣使用可循環利用的清潔能源，加強生態修復建設。在保護當地生態環境的基礎上，充分利用各區縣資源優勢發展特色產業。加快旅游與文化、生態等的深度融合，推動當地特色產業，通過轉變發展方式，走綠色發展、循環發展與低碳發展的道路，最終實現經濟增長與生態環境向良性的、可持續的耦合協調方向轉變。

4.2 結 論

(1) 青海湟水谷地經濟發展—生態環境系統耦合協調度由較低水平持續增長，協調性越來越強，耦合協調度D∈[0.429 4，0.743 8]。從2008—2009年的瀕臨失調衰退、2010—2011年的勉強協調發展、2012年的初級協調發展、提高到2013—2015年的中度協調發展。兩個子系統的耦合協調度總體呈現波動式上升趨勢(y=0.0504x+0.3882，R2=0.8982)。耦合協調類型方面，2008—2009年為生態損益型；2010—2015年發展成生態環境滯后型，說明2008—2009年城市化、工業化以及人類的生產生活對生態環境造成了破壞，導致2010—2015年生態環境發展滯后。雖然協調發展水平不斷提高，但離優質協調發展的差距仍然較大，有待進一步提升。近幾年人類對生態環境的保護意識不斷提高、保護措施不斷增強，但經濟發展和生態環境兩系統之間的矛盾仍然是制約整體協調發展水平的主要因素。

(2) 空間分異上，3個區縣在3個典型年份的耦合度出現了從初級耦合轉化為良好耦合類型，表明8年間湟水谷地經濟發展—生態環境的耦合度格局明顯優化；對比耦合度的空間變化，發現耦合協調度D出現從輕度失調轉化為中度協調等級，變化稍滯后于耦合度的變化，反映出耦合度C與耦合協調度D之間并非保持一致的基本規律。空間組合上，呈現出從中級耦合瀕臨失調衰退向良好耦合中度協調發展優化。