省域生態環境質量動態評價及差異研究

卿青平,王 瑛

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省域生態環境質量動態評價及差異研究

卿青平,王 瑛*

(湖南大學金融與統計學院,湖南 長沙 410079)

以2010~2015年30個省域為研究對象,采用“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”框架構建評價指標體系,運用逐層縱橫向拉開檔次法確定指標權重,運用“時間度”和“熵值”法確定時間權重,構建TOWA-GA混合算子生態環境質量動態評價模型.結果表明:6a來,30個省域生態環境質量總體均值為0.837,整體呈好轉趨勢,但省域間差異明顯.通過Theil指數分析發現,省域間總體差異下降了15.91%,人口密度和人口自然增長率是省域間差異的主要影響因素.

生態環境質量；縱橫向拉開檔次法；TOWA-GA混合算子；動態評價；Theil指數

生態環境是一個由社會、經濟、自然組成的復合系統[1].自黨的十八大提出“五位一體”總體布局以來,生態文明建設和生態環境保護從認識到實踐發生了根本性、全局性的變化.所以研究生態環境質量具有理論和現實意義.

生態環境質量評價研究主要包括兩個方面:一是評價指標體系的構建,目前常用的有5種框架,如:“壓力-狀態-響應(PSR)”[2]、“驅動力-狀態-響應(DSR)”[3]、“驅動力-壓力-狀態-影響-響應(DPSIR)”[4]、enhanced DPSIR[5]、“驅動力-壓力-狀態-影響-響應-管理”[6]等.二是評價方法,如:TOPSIS法[7]、生態足跡法[8]、灰色關聯度分析法[9]、人工神經網絡法[10]等.在研究生態環境質量評價的同時,也要注重生態環境質量差異的研究.關于生態環境質量差異的研究表明[11-13]:中國生態環境質量存在地區差異性,反映中國生態環境差異的總Theil指數以 2001 年為分水嶺呈現“擴大-縮小”的走勢.

目前關于生態環境質量的研究成果頗多,但評價指標缺乏宏觀性和普適性,評價方法多以靜態為主,沒有揭示動態發展趨勢,差異分析多是基于區域空間,忽略了驅動力層面.本文采用DPSIR框架構建生態環境質量評價指標體系,利用逐層縱橫向拉開檔次法、“時間度”概念、“熵值”非線性規劃及時序加權平均—時序幾何平均混合算子建立生態環境質量動態綜合評價模型,測算30個省域的生態環境質量,運用Theil指數深入研究省域差異及其原因.

1 指標體系

生態環境質量是一個復雜性系統,其指標體系需覆蓋生態環境各個方面,且能有效地揭示其動態變化,DPSIR框架是用來評價環境狀態信息的通用框架[14-17],涵蓋了人口、社會、經濟、自然等多方面影響因素.DPSIR框架兼具了PSR和DSR框架的特點,能較好的揭示自然、社會經濟和人之間相互依存和相互制約關系,能清晰的反映各因素間的因果邏輯關系.驅動力(D)指生態環境發生變化的潛在原因,主要反映社會、經濟和人口的發展;壓力(P)指造成生態環境變化的直接原因,主要表現為由驅動力引發的物質排放、資源使用情況;狀態(S)指某區域環境現狀;影響(I)指反映環境壓力和狀況變化對社會和經濟造成的影響;響應(R)指社會群體和個人的回應,以及政府應對措施.

生態環境質量評價指標的選擇遵循如下原則和方法:(1)科學性和系統性.從生態環境系統的本質出發,依據DPSIR框架分別找出各準則層包含的所有指標;(2)普適性和代表性.查閱相關研究報告和學術論文,采用頻度統計法優先選擇頻率高的指標,并根據指標間的共性及差異加以合并或剔除;(3)可操作性和可得性.查找各省域統計年鑒及環境狀況公報等資料,剔除無法獲得數據的指標.本文最終選取了28個指標,構建3層結構的評價指標體系(表1).

表1 生態環境質量評價指標體系

注:這里屬性“-”表示極小型指標,“+”表示極大型指標.

2 研究方法

生態環境質量動態評價屬于具有時序特征的多層次、多指標綜合評價問題,其觀測數據是由指標、評價對象和時間構成的三維數據組.動態綜合評價的重點是指標權重和時間權重的確定,以及多個時間點的集結.

2.1 逐層縱橫向拉開檔次法

逐層縱橫向拉開檔次法基本思想如下:

首先,確定子系統各指標的權重.

由于原始數據是經過標準化處理的,則

其次,確定相同層次上各子系統的權重.

確定權重w與確定式(1)權重的原則一致.

最后,自下而上地求出各層次母系統的值,直至第1層,得大系統的綜合評價函數為:

2.2 “熵值”非線性規劃法

在動態綜合評價中,科學地確定時間權重w是得到合理評價結果的關鍵.“熵值”非線性規劃法的原理是設“時間度”,盡可能地兼顧各指標的重要性,使w間差異最小,該差異用“熵”來刻畫,如式(8).的大小體現了在算子集結過程中對時序的偏好程度(表2).

表2 q的標度參考

2.3 TOWA-GA混合算子

引入時序加權平均(TOWA)和時序幾何平均(TOWGA)的混合算子集結時序立體數據表中各個時刻的評價值.郭亞軍等2007年提出了TOWA算子和TOWGA算子,其定義為[20]:

TOWA和TOWGA算子在數據集結過程中的側重點不同,TOWA算子強調各時刻評價值之間較強的互補性;TOWGA算子強調各評價對象各時刻發展的均衡性.為兼顧功能性和均衡性,引入TOWA-GA混合算子:

被評價對象s在時間段[1,N]的最終評價值為:

3 實證分析

3.1 數據來源及預處理

以30個省域為研究對象,數據來源于2010~ 2015年各省域統計年鑒和環境狀況公報.

由于指標屬性、單位及量級不同,需對觀測數據進行預處理.采用式(13)將極小型指標轉換為極大型指標.基于縱橫向拉開檔次法的基本原則,選用使被評價對象間整體差異最大的無量綱方法[21],即全序列線性比例法[22],為式(14).

3.2 省域生態環境質量動態評價分析

表3 時間權重

由表4和各子系統評價結果發現:

6a間,省域生態環境質量總體均值為0.837,總體水平偏低,但呈上升趨勢,除福建、青海、江西、四川、河北的生態環境質量呈“波動好轉”的變化趨勢外,其它25個省域均 “持續好轉”的變化趨勢.準則層中驅動力和壓力的變化方向與生態環境質量的變化方向一致,指標層中城鎮化率、人均地區生產總值、城鄉居民消費水平、人均公園綠地面積、第三產業占比、城市污水處理率和生活垃圾無害化處理率均穩步上升,由此可知造成生態環境質量好轉的主要原因是驅動力和壓力的好轉,而好轉的方面大都表現在社會經濟的發展和資源再利用.

表4 省域生態環境質量評價值

生態環境質量良好的主要是北京、上海、浙江、廣東、江蘇和天津,這些省域大都經濟發達,產業結構高級化, 城市化水平高.生態環境質量較差的原因有兩類,一類是工業化導致資源消耗和污染物排放過多,如:安徽、山西、河北、河南;另一類是自然資源較少和資源再利用情況較弱,如:甘肅、寧夏、新疆.

從生態環境質量的極值來看,北京(1.449)是河南(0.655)的2.2倍,說明省域間差距較大,造成差距的原因是多方面的,包括:人口、經濟發展水平、城市化進程、產業結構等.北京、天津和河北作為京津冀地區,北京、天津分別排在第一、第六,而河北排在倒數第二,差距很大,主要原因是不恰當的產業協作,京津地區的重污染企業外遷轉移到河北,造成河北資源消耗、污染排放較為嚴重等缺點,長三角地區也是因為相同的缺點造成省域間差距較大,表明河北為京津地區及安徽為江浙滬地區的生態環境質量的提高作出了一定程度的犧牲.

從5個子系統來看,6a間年各省域驅動力、壓力均呈現出“持續好轉”的變化趨勢,而狀態、影響、響應總是“波動起伏”,并且不同子系統間發展不協調(比如:6a來,北京在驅動力、壓力、影響3個子系統上均排在前2名,而狀態排在20名之后; 遼寧在驅動力、壓力、響應上均表現較好,而狀態表現較差;青海在驅動力、壓力、影響力上均排名靠后,而狀態排名靠前),這種不均衡可能是由地理位置、前期生態環境破壞的遺留等造成的.

3.3 省域生態環境質量差異分析

在明晰省域生態環境質量狀況及變化趨勢的基礎上,深入探索省域間差異的來源具有重要意義.驅動力是造成生態環境變化的潛在因素,其各項指標現狀及變動所表現出的差異可能會造成省域間生態環境質量不平等.從驅動力的角度來分析生態環境質量差別的變化,能較好地反映出社會、經濟和人口的發展以及生活方式、消費和生產模式各因素對差異的影響.引入Theil指數[23]來衡量生態環境質量差異,其最大的優點是可以按照某種標準分組將總體差異分解為組內差異和組間差異,既能揭示組內和組間差異程度及變化趨勢,也能揭示它們在總體差異中的重要性[24-26].Theil指數的取值范圍為[0,1],數值越大,差距越大.省域生態環境質量的Theil指數及其分解公式[27]如下:

將30個省域生態環境質量分別按人口密度、人口自然增長率、城鎮化率、人均地區生產總值、城鄉居民消費水平分為3組,計算其Theil指數和貢獻率,運用式(15)和軟件R得到2010~2015年省域的總體差異、組間和組內差異的分解,衡量其對總體差異的貢獻率,揭示省域生態環境質量差異的主要來源.

圖1顯示2010~2015年30個省域生態環境質量總體差異及其變化趨勢.其總體呈“先下降,后上升,再下降”趨勢,2010~2012年差異呈縮小趨勢,而2010~2013年差異突然上升, 達到最高(0.0176), 2010~2015年差異再度下降,且下降速度明顯大于2010~2012年,總體上上呈下降趨勢,6a間下降了15.91%,下降幅度不大.

圖1 生態環境質量總體Theil指數

表5分別按人口密度、人口自然增長率、城鎮化率、人均地區生產總值、城鄉居民消費水平分組測算2010~2015年生態環境質量Theil指數及其構成.數據顯示,按人口密度分組測算的組間差異和組內差異變化趨勢與總體相似,即2010~2012年先下降,2012~2013年再上升,2013~2015年再下降,6a間下降幅度為17.48%(與15.91%接近),且組間差異的貢獻率達到83%左右,表明按人口密度分組的組內和組間生態環境質量差異變化推動總體差異變化,且按人口密度分組的組間差異是構成總體差異的主要部分;按人口自然增長率分組測算的組內差異和貢獻率都呈現先下降后上升的趨勢,其貢獻率始終較低,最高不超過23%,而組間差別及貢獻率呈先上升后下降的趨勢,且6a間的貢獻率平均值達到91%,說明人口自然增長率的不同是造成生態環境質量差異的重要因素;按城鎮化率、人均地區生產總值、城鄉居民消費水平測算的組內差別呈現出下降趨勢,分別下降了66%、27%、33%,但其組內和組間貢獻率都在50%左右波動,表明城鎮化率、人均地區生產總值、城鄉居民消費水平對生態環境質量差異的影響不太明顯.

表5 Theil指數分解及貢獻率

4 結論

4.1 2010~2015年省域生態環境質量總體水平偏低,但呈上升趨勢,其主要原因是驅動力、壓力的好轉,具體表現在城鎮化率、人均地區生產總值、城鄉居民消費水平、人均公園綠地面積、第三產業占比、城市污水處理率和生活垃圾無害化處理率7項指標上,表明“十二五”期間,可持續發展政策行之有效.因此,需繼續貫徹實施,尤其是生態高新技術、資源消耗和再利用、污染防治方面.

4.2 省域間生態環境質量存在較大差距,尤其是京津冀和長三角地區,由于產業協作不恰當造成河北和安徽分別為京津地區和江浙滬地區的生態環境質量的提高作出了一定程度的犧牲.同時,省域內部生態環境子系統間發展不協調,各子系統排名參差不齊.

4.3 2010~2015年各省域間生態環境質量差異呈“先下降,后上升,再下降”趨勢,總體略降,下降了15.91%.人口密度、人口自然增長率對生態環境質量組間差異的貢獻率都達到了80%以上, 是生態環境質量差異的主要來源.因此,合理調控各省域的人口規模,優化產業結構,整合資源優勢,實現產業的合理布局,合理分配社會資源,制定以人為本生態環境政策,有利于緩解省域間的生態環境質量差異.

[1] 宓澤鋒,曾 剛,周 燦,等.長三角城市群生態文明建設問題及潛力研究——基于5大城市群的比較[J]. 長江流域資源與環境, 2018,27(3):463-472. Bi Z F, Zeng G, Zhou C, et al. Problems and potentiality of ecological civilization construction in Yangtze river Delta urban agglomerations: Based on the comparison of five major urban agglomerations [J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2018,27(3):463- 472.

[2] 劉海龍,謝亞林,賈文毓,等.山西省生態安全綜合評價及時空演化[J]. 經濟地理, 2018,38(5):161-169. Liu H L, Xie Y L, Jia W Y, et al.Ecological security assessment and spatial-temporal evolution of Shanxi province [J]. Economic Geography, 2018,38(5):161-169.

[3] Meyarnaimi H, Vaezzadeh S. Sustainable development based energy policy making frameworks, a critical review [J]. Energy Policy, 2012, 43(4):351-361.

[4] Malekmohammadi B, Jahanishakib F. Vulnerability assessment of wetland landscape ecosystem services using driver-pressure-state- impact-response (DPSIR) model [J]. Ecological Indicators, 2017,82: 293-303.

[5] Mclaren S, Chanjief C. Towards a comprehensive absolute sustainability assessment method for effective Earth system governance: Defining key environmental indicators using an enhanced-DPSIR framework [J]. Ecological Indicators, 2018,90:577- 583.

[6] 汪嘉楊,翟慶偉,郭 倩,等.太湖流域水環境承載力評價研究[J]. 中國環境科學, 2017,37(5):1979-1987. Wang J Y, Zhai Q W, Guo Q. Study on water environmental carrying capacity evaluation in Taihu lake Basin [J]. China Environmental Science, 2017,37(5):1979-1987.

[7] 王 瑛,常泉英.基于二次賦權的TOPSIS法的城市環境質量動態評價[J]. 安全與環境學報, 2018,18(2):784-788. Wang Y, Chang Q Y. On the dynamic evaluation of the environmental qualities by using the TOPSIS method with double weights [J].Journal of Safety and Environment, 2018,18(2):784-788.

[8] 方 磊,楊正東,王 剛,等.基于生態足跡法的煤炭型城市可持續發展研究——以河南義馬市為例[J]. 安全與環境學報, 2015,15(5): 358-361. Fang L, Yang Z D, Wang G, et al. Probe into the sustainable development prospect of the coal-mining dominant city by taking Yima, Henan as a sample [J]. Journal of Safety and Environment, 2015, 15(5):358-361.

[9] 沈思祎,鈕爾軒,孟 斌.基于灰色關聯度的遼寧近海海域生態環境承載力評價[J]. 大連海事大學學報, 2017,43(3):112-118. Shen S Y, Niu E X, Meng B. Evaluation of ecological environment carrying capacity in coastal waters of Liaoning based on grey relation [J], Journal of Dalian Maritime University, 2017,43(3):112-118.

[10] 孫 湛,馬海濤.基于BP神經網絡的京津冀城市群可持續發展綜合評價[J]. 生態學報, 2018,38(12):4434-4444. Sun Z, Ma H T. Assessment of the sustainable development of the Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration based on a back propagation neural network. Acta Ecologica Sinica, 2018,38(12): 4434-4444.

[11] 楊萬平,趙金凱.中國人居生態環境質量的時空差異及影響因素研究[J]. 華東經濟管理, 2018,32(2):58-67. YANG W P, ZHAO J K. A Study on spatial-temporal differences and influential factors of the quality of human settlements ecology environment in China [J]. East China Economic Management, 2018, 32(2):58-67.

[12] 呂雄鷹.我國生態環境質量的變化與地區差異分析[J]. 統計與決策, 2015,(1):130-133. Lü X Y. Analysis of ecological environment quality and regional disparity in China [J]. Statistics & Decision, 2015,(1):130-133.

[13] 袁曉玲,李政大.中國生態環境動態變化、區域差異和影響機制[J]. 經濟科學, 2013,35(6):59-76. Yuan X L, Li Z D. The dynamic changes, regional differences and influence mechanisms of ecological environment in China [J]. Economic Science, 2013,35(6):59-76.

[14] 鄭 晶,于 浩,黃森慰.基于DPSIR-TOPSIS模型的福建省生態環境承載力評價及障礙因素研究[J]. 環境科學學報, 2017,37(11): 4391-4398. Zheng J, Yu H, Huang S W. Evaluation and obstacle factors study on eco-environmental carrying capacity in Fujian Province based on DPSIR-TOPSIS model [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017, 37(11):4391-4398.

[15] 張鳳太,王臘春,蘇維詞.基于物元分析-DPSIR概念模型的重慶土地生態安全評價[J]. 中國環境科學, 2016,36(10):3126-3134. Zhang F T, Wang L C, Su W C. Evaluation of land ecological security in Chongqing based on the matter-element analysis-DPSIR model [J]. China Environmental Science, 2016,36(10):3126-3134.

[16] 黃志燁,李桂君,李玉龍,等.基于DPSIR模型的北京市可持續發展評價[J]. 城市發展研究, 2016,23(9):20-24. Huang Z Y, Li G J, Li Y L, Evaluation and analysis of sustainable development in Beijing based on DPSIR model [J]. Urban Development Studies, 2016,23(9):20-24.

[17] 唐曉城.基于DPSIR模型的青島市生態環境安全評價研究[J]. 生態經濟(學術版), 2013,(2):413-416. TANG X C. Ecological environment safety evaluation research in Qingdao based on DPSIR model [J]. Ecological Economy, 2013,(2): 413-416.

[18] 董 軍,國方媛.多層次系統的動態評價研究[J]. 運籌與管理, 2011, 20(5):176-184. Dong J, Guo F Y. Dynamic evaluation on multi-level system [J]. Operations Research and Management Science, 2011,20(5):176-184.

[19] 郭亞軍.綜合評價理論、方法及應用[M]. 北京:科學出版社, 2007: 138-141. Guo Y J. Comprehensive Evaluation Theory, Method and Application [M]. Beijing: Science Press, 2007:138-141.

[20] 郭亞軍,姚 遠,易平濤.一種動態綜合評價方法及應用[J]. 系統工程理論與實踐, 2007,27(10):154-158. Guo Y J, Yao Y, Yi P T. A method and application of dynamic comprehensive evaluation [J]. Systems Engineering-Theory & Practice, 2007,27(10):154-158.

[21] 郭亞軍,馬鳳妹,董慶興.無量綱化方法對拉開檔次法的影響分析[J]. 管理科學學報, 2011,14(5):19-28. Guo Y J, Ma F M, Dong Q X. Analysis of Influence of dimensionless methods on deviation maximization method [J]. Journal of management Science in China, 2011,14(5):19-28.

[22] 易平濤,張丹寧,郭亞軍,等.動態綜合評價中的無量綱化方法[J]. 東北大學學報(自然科學版), 2009,30(6):889-892. Yi P T, Zhang D N, Guo Y J, et al. Study on dimensionless method in dynamic comprehensive evaluation [J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2009,30(6):889-892.

[23] Theil H. Economics and Information Theory [M]. Success in Economics. 1967:127-131.

[24] 羅文斌,吳次芳,馮 科.城市土地經濟密度的時空差異及其影響機理——基于湖南省城市面板數據的實證分析[J]. 城市發展研究, 2010,17(6):68-74. Luo W B, Wu C F, Feng K. Temporal-spatial features and influence mechanism of urban land economic density: An empirical study based on city panel data in Hunan province [J]. Urban Development Studies, 2010,17(6):68-74.

[25] 張 強.江蘇城鎮化區域差異的測量和影響因素分析——基于泰爾指數的分解[J]. 調研世界, 2016,(9):38-41. Zhang Q. Measurement of regional differences and analysis of influencing factors in urbanization in Jiangsu based on the decomposition of Taylor index [J]. The World of Survey and Research, 2016,(9):38-41.

[26] 許海平.我國農村人口老齡化差異測度、分解及影響因素分析——基于2001—2013年面板數據[J]. 農業技術經濟, 2016,(8):49-57. Xu H P. An analysis of the aging difference, decomposition and influencing factors of rural population in China based on the panel data from 2001 to 2013 [J]. Journal of Agrotechnical Economics, 2016, (8):49-57.

[27] 苗向榮,于 洋,劉軼芳.我國能耗成效的影響因素分解研究[J]. 自然辯證法研究, 2017,33(5):51-56+73. Miao X R, Yu Y, Liu Y F. Analysis on energy efficiency and influencing factors in China [J]. Studies in Dialectics of Nature, 2017, 33(5):51-56,73.

Dynamic evaluation and study on difference of eco-environmental quality in the provinces.

QING Qing-ping, WANG Ying*

(College of Finance and Statistics, Hunan University, Changsha 410079, China),, 2019,39(2)：750~756

The evaluation target was 30 provinces from 2010 to 2015. The eco-environmental quality index system was established by the “driving-force-pressure-state-impact-response” framework. The index weight was defined by vertical and horizontal layer by layer scatter degree method, and the time weight was calculated by concept of “time-degree” and “entropy value” method. The dynamic evaluation model of eco-environmental quality was constructed by TOWA-GA hybrid operator. The results indicated that: The total average of the ecological quality of the 30provinces was 0.837 and the overall trend was positive in the past six years, but there were significant differences between provinces. Analysis by Theil index showed that: The overall difference between provinces had dropped by 15.9%, and the population density and natural population growth rate were the main factors of differences between provinces.

eco-environmental quality；vertical and horizontal scatter degree method；TOWA-GA hybrid operator；dynamic evaluation；Theil index

X822

A

1000-6923(2019)02-0750-07

卿青平(1993-),女,湖南邵陽人,湖南大學碩士研究生,主要從事應用統計與綜合評價研究.發表論文1篇.

2018-06-25

國家自然科學基金資助項目(71673078)

* 責任作者, 副教授, wangying31106@163.com