中部地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的時空演化

蘇 慧, 張仲伍, 張興毅, 王伯禮

(1.山西師范大學 地理科學學院, 山西 臨汾 041000; 2.山西省發(fā)改委宏觀研究院,山西 太原 030000; 3.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京 100020)

城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的迅速推進，為國家經(jīng)濟發(fā)展注入了源源不斷的活力與生命力，然而這個過程必然伴隨著資源匱乏、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列后續(xù)問題，生態(tài)與經(jīng)濟相互制約日漸凸顯，矛盾日漸嚴重。要解決這個矛盾，必須做好二者的協(xié)調(diào)發(fā)展，既要保障生態(tài)環(huán)境安全，又要推進經(jīng)濟發(fā)展。生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度(EEH)作為一種評估區(qū)域生態(tài)安全與經(jīng)濟發(fā)展協(xié)調(diào)狀態(tài)的指標，可以為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)[1]。長期以來，該方法被國內(nèi)外學者廣泛應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展研究，國外對于EEH研究開始比較早，發(fā)展比較快，1997年Daily[2]和Costanza[3]提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論和價值估算方法；Konarska等[4]通過提取土地利用數(shù)據(jù)，計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，研究生態(tài)和經(jīng)濟之間影響關(guān)系；Sherrouse等[5]應(yīng)用ArcGIS軟件分析生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)狀況。國內(nèi)方面，關(guān)于EEH研究多通過計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)來評價生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度，主要有能值理論[6-8]、生態(tài)足跡理論[9-10]以及價值估算理論等[11]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是基于當量的相對生態(tài)服務(wù)功能評估[12]，我國學者謝高地等[11,13]基于前人研究成果，對Costanza[3]提出的價值當量表進行修正，提出我國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當量。國內(nèi)許多學者[14-17]運用謝高地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量表展開一系列研究，且成果顯著。其中一些學者[18-20]基于土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合RS和GIS方法，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行時空演化研究。本文基于1992，2000，2008，2016年中國中部6省GDP數(shù)據(jù)和Landsat TM遙感影像土地利用數(shù)據(jù)，應(yīng)用EEH評價測度研究方法，評價該區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度及其時空演化格局，為促進中部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全，經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

中國中部地區(qū)地處大陸腹地，東接沿海，西接內(nèi)陸，含有山西、河南、安徽、湖北、江西、湖南省6個省份。中部地區(qū)歷史悠久，文化底蘊深厚，資源豐富，交通便捷，工農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，人口集中，在中國地域分工中扮演重要角色，是我國的交通樞紐和經(jīng)濟腹地。中部地區(qū)在中國整體經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略中起著“承東啟西”的作用，是我國的糧食種植基地、能源材料基地、高新產(chǎn)業(yè)基地。尤其是中部崛起戰(zhàn)略實施以來，中部地區(qū)抓住發(fā)展機遇，經(jīng)濟發(fā)展速度進一步加快，經(jīng)濟總量比重逐步增高，綜合實力大幅度提升；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型加快，城鄉(xiāng)居民收入持續(xù)增加，群眾生活水平顯著提高，整個地區(qū)進入一個全面崛起的新時代。因此，中部地區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟安全成為國家經(jīng)濟穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文數(shù)據(jù)包含中部地區(qū)4個時期GDP總值和土地利用數(shù)據(jù)。其中各省GDP數(shù)據(jù)來源于全國、各省統(tǒng)計年鑒，參考前人研究經(jīng)驗，土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫1∶10萬土地利用圖[21]，提取時間是1992，2000，2008和2016年，土地利用類型包括耕地、林地、園地、草地、城鎮(zhèn)居民點用地、交通用地、未利用地等，提取各個時段土地利用比例及面積。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)評估與計算 目前，關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算應(yīng)用最多的是以謝高地[11]和Costanza[3]確定的生態(tài)系統(tǒng)基準單價。因此本文運用ArcGIS軟件，選取1992，2000，2008，2016年4個時段土地利用數(shù)據(jù)，按照謝高地等[11]“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值當量因子表”中確定的基準單價，結(jié)合中部地區(qū)實際情況進行微調(diào)[13](表1)，計算中部地區(qū)各時期ESV，得出各省份4個時期的生態(tài)服務(wù)價值。Costanza等提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值模型為：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(1)

式中：ESV——區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；Aj——j類土地利用類型面積；Eij——j類土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值基準單價[3]。

表1 中部地區(qū)單位面積生態(tài)服務(wù)價值元/(hm2·a)

2.2.2 生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度(EEH)評估 生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度反映自然環(huán)境與社會經(jīng)濟兩者相互影響的平衡狀態(tài)。生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度具有相對性，基于前人經(jīng)驗[1,9,22]，利用ESV與GDP的比值構(gòu)建生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度，這些學者將EEH定義為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率(ESVpr)與GDP變化率(GDPpr)比值。用這個比值表示研究年份社會經(jīng)濟與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)狀況，可以反映兩者間相互促進、影響和制約關(guān)系[21]。EEH計算公式為：

(2)

(3)

(4)

式中：EEH——生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度； ESVpi，ESVpj——研究時段首、末年份研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值； GDPpi，GDPpjS——研究時段首、末年份研究區(qū)GDP總量。

借鑒前人研究經(jīng)驗[21]，EEH的劃分標準為： ①ESVpr>0，且GDPpr>0，則EEH>0；表示生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展處于協(xié)調(diào)狀態(tài)，說明兩者呈現(xiàn)良性發(fā)展趨勢； ②ESVpr>0，且GDPpr<0，則EEH<0；表示生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)屬于不協(xié)調(diào)狀態(tài)，說明某些區(qū)域由于生態(tài)稟賦良好，或為了保護生態(tài)環(huán)境，降低環(huán)境開發(fā)力度，從而制約了經(jīng)濟發(fā)展； ③ESVpr<0，且GDPpr>0，則EEH<0；表示生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)狀態(tài)不協(xié)調(diào)，說明某些區(qū)域單純追求經(jīng)濟發(fā)展速度，忽略環(huán)境承載能力，造成生態(tài)安全滯后于經(jīng)濟增長； ④ESVpr<0，且GDPpr<0，則EEH>0；表示初始階段生態(tài)環(huán)境已經(jīng)惡化嚴重，社會經(jīng)濟發(fā)展明顯受制于自然環(huán)境。由于所有研究階段GDP都呈現(xiàn)增長狀態(tài)，所以第四種情況在本文中不予考慮。根據(jù)王振波等[1]的研究結(jié)論對EEH進行分類(表2)。

表2 生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度(EEH)單元分類

3 結(jié)果分析

3.1 中部地區(qū)GDP時空特征分析

3.1.1 時序演化特征 1992—2016年間，中部6省GDP總體都呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，且發(fā)展速度快，但是時間發(fā)展不平衡。1992—2000年，中部6省GDP總量年均增長率是21.67%；而2000—2008年，增長率達到28.56%；2008—2016年，年均增長率有所下降，為17.82%。因此，3個時段中，研究區(qū)域GDP增長速度具有明顯差別，其中2000—2008年增長速度最快，2008—2016年增長速度有所下降，但總體上，中部6省經(jīng)濟呈高速發(fā)展狀態(tài)。

3.1.2 空間演化特征 從空間分布來看(圖1)，4個研究時段，中部6省GDP都表現(xiàn)出快速增長態(tài)勢，但是空間發(fā)展不均衡，且增長速度也存在較大差別。總體來看，中部地區(qū)GDP值從高到低分別為：河南、湖北、安徽、江西、湖南和山西省。本文以ArcGIS自然斷點法為分類標準，將中部6省GDP等級分為3個級別，由高到低分為第一、第二、第三等級。1992年，河南省屬于第一等級，湖南、湖北與安徽省屬于第二等級，山西與江西省屬于第三等級；2000年，湖南省從第二等級降為第三等級，其余省份等級屬性與1992年一樣；2008年，各省份等級屬性與前一個研究時段相比沒有發(fā)生變化；2016年，河南與湖北省屬于第一等級，安徽與江西省屬于第二等級，山西與湖南省屬于第三等級。從GDP增長率來看，中部地區(qū)，江西省最高，經(jīng)濟發(fā)展速度最快，湖南省最低，發(fā)展速度最慢。

3.2 中部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)時空特征分析

3.2.1 時序演化特征 1992—2016年，中部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)整體表現(xiàn)為上升狀態(tài)，且增長速度較為穩(wěn)定，沒有太大波動。其中，1992—2000年，2000—2008年，2008—2016年中部6省ESV年均增長速度分別為0.63%，0.40%和0.41%，中部6省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值發(fā)展方向良好，增長速度平穩(wěn)。其中，耕地ESV出現(xiàn)增長，這與人口增多，大量開墾土地相吻合；草地和林地ESV下降較多，這是由于建筑用地大量占用土地而導(dǎo)致的；另外，水域ESV出現(xiàn)上升，表明水域面積提高有利于維護生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時草地、林地轉(zhuǎn)化為建筑用地不利于生態(tài)系統(tǒng)安全與維護。

圖1 中部地區(qū)GDP空間分布

3.2.2 空間演化特征 空間演化特征方面，中部6省ESV存在明顯空間分異。基于ArcGIS自然斷點分類法，將6省ESV值由高到低分為第一、二、三等級，1992年湖南和江西省為第一等級，山西、河南與湖北省屬于第二等級，安徽省屬于第三等級；2000年，河南省由第二等級降為第三等級，其余省份沒有發(fā)生變化；2008年，6省等級屬性沒有發(fā)生變化，與2000年一樣；2016年，湖南省屬于第一等級，湖北、江西省屬于第二等級，山西、河南與安徽省屬于第三等級。從各省增長率來看，安徽和湖北省增長率最高，山西省增長率最低，且有降低趨勢。其中，江西、山西和湖南三省在2008—2016年間出現(xiàn)負增長，這是由于土地開墾造成了生態(tài)系統(tǒng)惡化與破碎。總體來看，六省ESV值從高到低依次為：湖南、江西、湖北、山西、河南和安徽省，總的分布特征是南部高于北部，西部高于東部(圖2)。

圖2 中部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)空間分布

3.3 中部地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度(EEH)時空特征分析

3.3.1 時序演化特征 本文將中部地區(qū)EEH研究劃分為4個時段：1992—2000年，2000—2008年，2008—2016年，1992—2016年。第一時段，中部地區(qū)有3種EEH類型，較低協(xié)調(diào)區(qū)最多；第二時段，有2種EEH類型，分別是潛在危機區(qū)和較低協(xié)調(diào)區(qū)；第三時段，有5種EEH類型，說明中部地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)狀況有明顯的時間變化，且情況復(fù)雜。總體來看，中部地區(qū)在4個研究時段中EEH狀態(tài)主要處于較低協(xié)調(diào)區(qū)和潛在危機區(qū)，且處于協(xié)調(diào)區(qū)的數(shù)量多于沖突區(qū)，但是中部地區(qū)EEH有降低趨勢，EEH度整體偏低，說明其生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)狀況不容樂觀，需要改善兩者協(xié)調(diào)關(guān)系，提高經(jīng)濟可持續(xù)能力。

3.3.2 空間演化特征 按照EEH分類標準(表2)，1992—2000年，湖北和安徽省屬于中度協(xié)調(diào)區(qū)，山西和河南省為較低協(xié)調(diào)區(qū)，湖南和江西省為潛在危機區(qū)；說明該時段6省中湖南和江西省生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，生態(tài)經(jīng)濟關(guān)系協(xié)調(diào)較差。2000—2008年，安徽、湖北和湖南省為較低協(xié)調(diào)區(qū)，山西、江西和河南省為潛在危機區(qū)，說明該時段，山西和河南省生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)狀況下降明顯，生態(tài)環(huán)境惡化速度較快，湖南省生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)狀況改善明顯。2008—2016年，安徽省屬于較高協(xié)調(diào)區(qū)，湖北省屬于中度協(xié)調(diào)區(qū)，河南省屬于潛在危機區(qū)，江西和湖南省為沖突協(xié)調(diào)過渡區(qū)，山西省為較高沖突區(qū)；說明該時段各省生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)狀況都發(fā)生了較大改變，安徽省生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度大幅度提升，生態(tài)經(jīng)濟矛盾緩和趨勢明顯；湖北省生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)狀況也有較好的提升與改善；江西、湖南和山西省生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)度都有明顯下降，說明生態(tài)環(huán)境有惡化趨勢，生態(tài)經(jīng)濟關(guān)系趨于緊張。尤其是山西省，生態(tài)經(jīng)濟矛盾最為突出，環(huán)境形勢最為嚴峻。從1992—2016年整體來看，河南省屬于較高協(xié)調(diào)區(qū)，湖北、湖南和安徽省為較低協(xié)調(diào)區(qū)，江西和山西省為潛在危機區(qū)。中部6省中河南省生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)性發(fā)展趨勢最好，山西省最差，這與該省資源型產(chǎn)業(yè)居多，能源開采力度較大有關(guān)。其余省份生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度有所上升，二者矛盾有緩和趨勢(圖3)。

圖3 中部地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度(EEH)空間分布

4 討論與結(jié)論

(1) 1992年以來，中部6省經(jīng)濟保持快速增長狀態(tài)。其中，安徽和江西省增長速度最快，湖南省最慢。從地區(qū)生產(chǎn)總值GDP來看，河南省GDP最高，山西省最低。且在4個研究時段中，每個時段的增長速度也存在較大差別，2008年以來，各省經(jīng)濟增長速度有所放緩。

(2) 中部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(ESV)在1992—2016年呈現(xiàn)持續(xù)上升態(tài)勢，增長率為11.97%。從空間分布來看，湖南省ESV值高，其次是江西省，山西和安徽省最低，總的空間分布特征是南部高于北部，西部高于東部。主要原因是南方林地、水域面積高于北方，西部草地面積多于東部，說明水域和林地對生態(tài)環(huán)境的調(diào)節(jié)和保護能力最強，而耕地開墾會影響自然環(huán)境維護和可持續(xù)能力，從而降低生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)性。

(3) 中部地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度(EEH)在1992—2016年變化幅度較大，整體呈下降趨勢，且各地區(qū)EEH偏低，中部地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)性較差。從空間分布來看，各省EEH值分布不均衡，河南省最高，生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)性最高，山西省最差，生態(tài)經(jīng)濟矛盾最為突出。由于山西省經(jīng)濟增長對資源能源依賴過大，使得生態(tài)系統(tǒng)退化，且對地區(qū)可持續(xù)發(fā)展能力造成影響。

綜合中部地區(qū)1992—2016年生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)度時空演化特征，說明EEH受到自然資源稟賦、人口增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及城市化進程等因素的影響。河南省EEH改善明顯，說明其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型取得快速進展，第三產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)比重上升，經(jīng)濟和城市化進程對資源環(huán)境的依賴性降低；湖南、湖北和安徽三省EEH處于同一水平，這三個省份都屬于南方地區(qū)，林地資源較為豐富，對生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定起到了推動作用，但是如果城市用地占用林地資源，會導(dǎo)致其EEH值的下降，所以在以后的規(guī)劃中應(yīng)該努力做到兩者兼顧；江西省雖然也處于南方，且其ESV值在中部地區(qū)屬于較高一類，但是重工業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對資源環(huán)境的破壞較為嚴重，導(dǎo)致其EEH值長期處于低水平狀態(tài)；山西省作為國家煤炭能源基地，長期的資源型經(jīng)濟模式和重化工業(yè)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境惡化嚴重，雖然近年來有一定改善，但是生態(tài)修復(fù)周期長，難度大，所以其EEH值低于其他地區(qū)，且改善速度慢。

目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算模型還存在不足之處，ESV受到整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、種類以及生物群落等因素共同影響，因此僅以土地利用類型面積計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，缺乏對其他因素的思考，以后應(yīng)細化其影響因子，將各種因素都納入ESV計算體系，增強計算模型科學性與真實性。生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)是生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟形成的雙重復(fù)雜系統(tǒng)，受到自然資源、社會環(huán)境諸多因素的影響，本文僅以GDP和ESV來考察生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)度，存在一定局限性。因此在以后的研究中應(yīng)注重對生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)各種影響因素的評價與考量，更深層次地揭示系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律。