陜北安塞縣生態與經濟系統耦合協調發展

馬亞亞, 劉國彬, 張 超, 王 杰

1 西北農林科技大學 林學院, 楊凌 712100 2 中國科學院 水利部 水土保持研究所, 楊凌 712100 3 西北農林科技大學 水土保持研究所, 楊凌 712100

安塞縣位于西北內陸黃土高原腹地,是比較典型的生態環境脆弱帶。受脆弱自然因素以及不合理的人類社會經濟活動影響,縣域水土流失面積達 2852 km2,占總土地面積的95%,年均侵蝕模數>1.0萬 t/a[1],強烈的水土流失嚴重制約了縣域經濟發展。近年來,隨著當地生產活動的快速發展,工業和人口的大規模集聚,致使安塞地區大量地表植被的消失和退化,使得生態環境與社會經濟的矛盾日益突出。本文旨在研究安塞縣在加快經濟發展的同時如何注重生態環境的保護和改善,并且正確認識社會經濟發展與生態環境保護之間的關系,了解二者交互作用的耦合發展規律,采取適當的發展策略,促進安塞縣生態環境與社會經濟之間的可持續發展[2,3]。

社會經濟與生態環境協調發展有“共同發展, 持續發展”的涵義, 但協調發展并不等同于“平等發展”, 而是二者相互促進、耦合協同的發展[4]。近年來,國內外學者對社會經濟-生態環境復合生態系統協調發展評價的研究內容逐漸從定性的現狀分析轉向定量的趨勢評價[5,6],并且從不同角度提出了眾多關于生態環境與社會經濟耦合協調的評價模型,主要有EKC計量模型[7,8]、耦合協調度和耦合度綜合評價模型[9,10]、系統動力學模型[11]和剪刀差方法[12-13]等。如左其亭等[14]建立了社會經濟-生態環境耦合系統動力學模型;宋紅麗等[15]基于耦合理論探討經濟-環境系統影響因子的協調程度,建立區域經濟-環境系統耦合度模型;任志遠等[16]利用耦合模型對陜西省農業生態環境與經濟協調發展關系進行了研究。目前大多數學者研究的是靜態耦合問題,少數動態耦合研究則大多集中在城市化與生態環境協調方面[5]。因此,本文在分析縣域社會經濟與生態環境系統交互耦合關系的基礎上,選擇靜態耦合與動態耦合結合的方法,研究安塞縣生態環境與社會經濟的協調發展程度和演變規律,以期為實現安塞縣經濟發展與生態環境之間的協調耦合提供現實的理論意義。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

安塞縣(36°30′45″—37°19′31″N、108°51′44″—109°26′18″E)隸屬陜西省延安地區管轄,轄 14個鄉(鎮),209個行政村,1018個自然村[17];地處西北干旱半干旱地區,屬典型的梁峁狀丘陵溝壑區[18],地貌類型主要為黃土梁澗、梁峁狀黃土丘陵和溝谷階地[19]。土壤以黃綿土為主,約占總面積 95% 左右,由于黃綿土土質疏松,質地均一,導致陜北安塞縣水土流失嚴重、土壤瘠薄、生態環境惡化。該區屬暖溫帶半干旱氣候,≥10℃ 年積溫 2866℃,年平均氣溫為8.8℃,年平均降水量505.3 mm,且分布極不均勻;境內植被較差,主要以天然次生林、人工林和荒山荒坡的天然草地為主。

陜北安塞縣總面積 2949.14 km2,其中耕地 47170 hm2,山地占 95% 以上,土層深厚,晝夜溫差較大,適宜農林牧綜合發展[20]。1996—2013年,農民人均純收入由 1126元上升到9148元,全縣林草覆蓋率由 9.67% 提高到36.1%,2013年總人口19.42萬,其中農業人口 16.33萬,農民人均純收入9148元,農業總產值為10.26 億元。但是經濟系統與生態系統相悖問題依然存在,即資源沒有充分利用,產業發展滯后,產業與資源沒有實現很好的耦合等問題,一定程度上阻礙了社會經濟與生態環境的可持續發展。在此背景下探究社會經濟建設與生態環境保護間的相互關系,客觀科學的評價系統協調發展程度,從而有針對性地提出建議和對策。

1.2 研究方法

1.2.1評價指標體系構建和數據來源

考慮到指標選取的代表性、客觀性、動態與靜態相結合以及可比性等原則,結合安塞縣社會經濟與生態環境的實際,借鑒相關研究成果[21,22],構建能夠全面地反映經濟發展水平與生態環境質量的綜合評價指標系統[23]。體系由自然生態系統和社會經濟系統組成,其中,選取年降水量等10個指標來反映陜北安塞縣生態環境狀況;選取地區生產總值等 12個指標來反映該區社會經濟發展狀況 (表1)。文中選用的數據來源于《安塞縣統計年鑒》(1985—2013) (2005年的數據除外),該區域生態修復大致由實施(1996—2005)和鞏固恢復(2006—2013) 兩個階段構成,因此本文數據選擇年限為1996—2013年。

表1 安塞縣生態經濟耦合協調發展指標體系

+ 表示正指標;- 表示逆指標

1.2.2耦合協調度模型

耦合是指兩個或兩個以上體系或運動形式之間通過交互作用而互相影響的現象[19,24]。生態環境系統和社會經濟系統的耦合關系是指兩系統之間、系統內各要素之間相互脅迫、相互依存關系的客觀表征[19,24,25],主要表現為系統內各要素之間相互作用,呈現出由簡單到復雜,由低級到高級的演化趨勢。一般來說,社會經濟系統與生態環境系統的相互作用關系在不同階段有不同的表現。 因此,本文選擇以下三種模型對安塞縣社會經濟系統與生態環境系統進行分析：首先,選擇耦合協調度模型,確定安塞縣1996—2013年社會經濟系統與生態環境系統各自的發展水平和耦合協調程度;其次,選擇剪刀差方法,宏觀反映社會經濟系統與生態環境系統發展速度差異;最后,選擇耦合度模型,微觀評定社會經濟系統與生態環境系統之間耦合狀態的演化趨勢。

本文采用客觀賦權法中的熵值法計算各個指標的權重。該法是在綜合考慮各因素提供信息量的基礎上計算的,具有所獲取的信息程度有序、效用性自然的優勢[26],其公式為：

首先計算指標的信息熵Ej：

(1)

然后確定各項指標的權重wj：

(2)

式中:pij為第j個指標第i年指標值的比重,m為某項指標的個數,k為各個子系統的指標數。通過公式 (1) 和公式 (2) 計算得到自然生態系統指標權重ai和社會經濟系統指標權重bi。

量化各個區域的系統指標對區域系統的綜合評價是至關重要的[27]。本文主要采用極差變換法[4]對各指標進行量化,公式如下：

Xij=(xij-minxij)/(maxxij-minxij) (正向指標)

(3)

Xij=(maxxij-xij)/(maxxij-minxij) (逆向指標)

(4)

式中:Xij表示系統指標的原始值;maxxij和minxij分別表示第j個指標第i年的最大值和最小值;Xij為指標標準化值,其值介于0 - 1 之間。通過極差變換法分別得到兩系統的標準化值xi和yi,然后利用指標權重與量化值計算綜合評價指數,其模型為:

(5)

式中：F(x)和F(y)為別為生態環境系統和社會經濟系統的綜合評價指數。通過耦合度模型計算出兩系統之間的耦合協調程度,能夠清晰地反映出系統之間相互影響的協調程度,也能夠判斷出系統之間是否和諧發展[28]。所以為了進一步評判自然生態環境系統和社會經濟系統的耦合的程度,引入耦合協調度模型[23],公式如下：

(6)

T=gF(x)+hF(y)

(7)

(8)

式中:C為社會經濟系統與自然生態系統的協調指數;T為兩系統的綜合發展指數,其反映社會經濟增長與生態環境建設的綜合水平,g和h取值均為0.5;D為復合系統的耦合協調度,表示在生態環境和經濟發展水平(F(x)+F(y))一定的條件下,為使生態環境和經濟發展的復合效益(F(x)×F(y))最大,二者進行組合協調的程度。D值越小,系統越不協調,D值越大,協調狀態越理想[29]。

1.2.3剪刀差方法

剪刀差方法是一種用來反映兩種變化趨勢之間差異性的方法[30]。本研究采用剪刀差來反映社會經濟系統F(y)和生態環境系統F(x)對年份的變化趨勢,并通過F(x)與F(y)曲線在給定時刻t0的兩切線夾角α來表示,且α值越小,表示F(x)與F(y)兩條曲線變化趨勢之間的差異越小(圖 1)。 其中,F(x)與F(y)的變化速率V(x)與V(y)可通過其曲線的切線斜率F′(x)和F′(y)來表示：

V(x)=F′(x)=dx/dt

(9)

V(y)=F′(y)=dy/dt

(10)

(11)

1.2.4經濟與環境協調發展的耦合度模型

耦合度模型是根據社會經濟系統與生態環境系統各自的耦合元素產生相互影響的程度,進一步判定二者間的協調作用關系和表現[3]。若把兩者作為一個整體考慮,假定這個系統只有F(x)與F(y)兩個元素,按照貝塔蘭菲的一般系統論[25],當系統內的各元素協調時,整個系統也是協調發展的,整個系統的演化速度V可以看作是V(x)與V(y)的函數,所以有V=f(V(x)),V(y)[31]。首先建立V的簡單模型,假定社會經濟的變化具有周期性的特點,生態環境受社會經濟的影響也出現周期性, 在每個周期內, 由于V的變化受V(x)與V(y)的影響,因此可以在兩維平面[V(x),V(y)]中來分析V,以V(x)與V(y)為變量建立平面坐標系,則V的變化軌跡為坐標系中的一橢圓 (因為經濟發展一般大于生態環境發展速度)(圖 2)。V(x)與V(y)的夾角β滿足：tgβ=V(x)/V(y),即β=arctanV(x)/V(y),根據β的取值,可以判定整個系統的演化狀態以及經濟系統與環境系統協調發展的動態耦合程度[32](表2)。

圖1 剪刀差示意圖 Fig.1 Sketch map of scissors difference

圖2 經濟系統與環境系統耦合度模型 Fig.2 Coupling model of coordinated development between economic and environmental systems

表2 社會經濟系統與生態環境系統耦合度模型

2 結果與分析

2.1 生態環境系統與社會經濟系統綜合發展指數分析

安塞縣生態環境系統綜合水平在研究期間整體呈波動上升而后逐步下降的變化趨勢(圖 3),1996—2002年安塞縣生態環境指數值由0.42波動上升到0.63,說明該時期生態功能的作用逐漸發揮作用,使得生態指數明顯增加;而后生態環境指數值由2003年的0.59下降到2012年的0.37,說明該時期內生態環境整體面臨的壓力加大。生態環境系統分類指標中,資源供給情況與土地利用程度在研究期間呈現出波動上升的演變趨勢,但前者的上升速度較快;生態環境指數表現出緩慢下降的狀態,且幅度相對較大。總體來說,20世紀90年代末期,隨著人口數量的增加以及城鎮化的快速推進,人們以破壞生態環境為代價促進社會經濟的發展,從而對社會經濟的健康發展造成不利影響。

圖3 生態環境系統與社會經濟系統綜合發展指數Fig.3 Comprehensive development index of eco-environmental system and socio-economic system

安塞縣社會經濟系統綜合水平在研究期間整體呈現穩定上升的趨勢 (圖 3),由1996年的0.17上升到2013年的0.83,縣域經濟實力明顯提升,其中受經濟活力影響,2004 年后增勢明顯提高。社會經濟系統分類指標中,經濟運行情況和社會發展指數的上升速度都比較快,其中,經濟運行情況的增長最為明顯,由0.05增長至0.99,帶動了縣域經濟的快速發展,與此同時,社會發展指數也有不同程度的鞏固和提高,并在2006年間為持續上升趨勢,這主要源自縣域經濟實力的明顯提升,加大了城市基礎設施建設力度,改善了人民的生活水平。

通過指標線性求和公式計算得到1996—2013年安塞縣生態環境系統和社會經濟系統的綜合指數(圖3),從圖中可以看出安塞縣社會經濟系統綜合評價指數逐年增加,而生態環境系統發展趨勢整體呈現在波動中下降的趨勢。從增長速度來看,社會經濟系統經歷了一個較低速度的增長期,從2004 年開始進入高速發展時期;生態環境系統演變速度由快變慢,總體處于平穩下降狀態。從綜合發展的同步性看,1996—2008年期間生態環境系統的綜合指數明顯大于社會經濟系統的綜合指數,二者的發展存在一定的差距, 2009年以后,生態環境發展速度明顯滯后于社會經濟,二者出現發展步調不一致狀態,差距呈現由小變大趨勢。總體來說,生態環境系統與社會經濟系統的協調性表現出先上升后下降的演變趨勢。

安塞縣生態環境優化速度與經濟發展水平的相對變化速率呈現逐年下降趨勢(圖3),生態環境優化速度雖然在波動中呈整體上升的趨勢,但是在2009年以后低于社會經濟發展水平。因此在追求經濟增長的同時仍然要高度重視生態環境的保護[27],加強環境保護工作的力度,逐步完善環境保護政策,走經濟發展與生態環境持續協調發展[33],實現社會經濟與生態環境的協調發展。

2.2 生態環境系統與社會經濟系統耦合協調發展分析

為了更好的分析安塞縣自然生態系統和社會經濟系統的綜合指數的變化情況,將二者看作兩個系統,借助耦合和協調的理論模型,利用公式計算得到自然生態系統和社會經濟系統的耦合度 (C) 和耦和協調度 (D) (表3),目的是為了更好地評判經濟增長、生態環境交互耦合的協調程度[34]。然后依據均勻分布函數法比較生態環境系統與社會經濟系統綜合評價指數[F(x) 與F(y)],將耦合協調度分為 3 種類型:F(x)>F(y)時,屬于經濟滯后型;F(x) =F(y) 時,屬于生態環境與經濟同步發展型;F(x)

表3 生態環境與社會經濟耦合度評判標準

1996—2013 年,安塞縣生態環境系統[F(x)]與社會經濟系統[F(y)]的耦合協調度指數[D(x,y)]由0.32 增長至0.59,表明該區域[F(x)]與[F(y)]的關系不斷改善,逐漸趨于協調(圖 4)。1996—2002年,由于脆弱的生態環境和社會經濟之間的相互作用造成了綜合發展指數變化軌跡的較大波動,也造成耦合度指數呈波動中緩慢上升趨勢,進而影響了D(x,y) 的波動趨勢; 2003—2010年,F(x) 與F(y) 運動軌跡逐漸趨同,使C與T的運動軌跡在波動中呈現穩定的上升態勢;2011年之后,C與T的運動軌跡呈現快速上升態勢,說明二者都達到較高水平,導致D(x,y) 也呈快速上升的趨勢, 說明社會經濟與生態環境的協調發展度與經濟發展水平和生態環境建設水平有較強的相關性。

耦合協調度D的數值越大, 表明自然生態系統與社會經濟系統耦合協調發展程度越高(表3,圖5)。由圖5可以看出,安塞縣社會經濟系統與生態環境系統的協調發展度在1996—2000年屬于輕度失調衰退型; 2000—2010 年為過渡區域,從瀕臨失調發展至勉強協調; 2010年以后為初級協調。1996—2008年安塞縣生態環境建設水平領先于社會經濟發展水平,2009年之后為生態環境建設水平低于同一時期的社會經濟發展水平。總體來說,1996—2013 年安塞縣生態環境與經濟發展的耦合協調性是由低水平的經濟滯后失調型發展為高水平的生態環境滯后協調型。

圖4 生態環境系統與社會經濟系統的耦合協調度 Fig.4 Degree of coupling and coordination between eco-environmental system and socio-economic system

圖5 生態環境系統與社會經濟系統的耦合協調度類型 Fig.5 Types of coupling degree of coordination between eco-environmental system and socio-economic system

2.3 生態環境系統與社會經濟系統演化的剪刀差及耦合度分析

在研究期間,安塞縣生態環境系統與社會經濟系統演化速率的剪刀差較為穩定,波動趨勢比較平緩,大體在0.0317水平范圍內波動(圖6)。這說明1996—2013 年間,安塞縣社會經濟與生態環境這兩個系統發展演化速率的差異基本維持在穩定水平。從波動趨勢看,2002 年以后,兩系統間演化速率的差異突然增大,這說明隨著社會經濟的飛速發展,人民生活水平的提高,對于生態環境所產生的負面效應越來越大。

1996—2013年,安塞縣社會經濟與生態環境的耦合度處于耦合度模型的第II區域,其角度范圍在 45°<β<90°,即經濟發展速度逐漸加快,經濟和環境開始相互影響,環境對經濟發展的約束與限制矛盾開始顯露,但尚不突出(表2)。這一階段可分為兩種演化趨勢：即1996—2000年及2003—2011年為協調耦合度上升時期和2001—2002年及2012—2013年的下降時期(圖7)。安塞縣經濟與生態環境的協調耦合度的不斷上升說明了在這一時期經濟的快速發展讓生態環境惡化,惡化的生態環境又制約了經濟的發展,使經濟的增長速度放慢,由于其彼此相互影響,兩者的耦合程度呈上升趨勢,生態環境對經濟的影響逐漸減弱,但仍影響著經濟的發展。2001—2002年及2012—2013年的下降時期,說明在這一時期生態環境演化速度與社會經濟發展速度的比率逐漸加大,由于生態環境對經濟發展的脅迫加劇,致使經濟發展的速度放緩。

圖6 生態環境系統與社會經濟系統的剪刀差 Fig.6 The scissors difference between eco-environmental system and socio-economic system

圖7 生態環境系統與社會經濟系統的耦合度演化趨勢 Fig.7 The evolution trend of coupling degree between eco-environmental system and socio-economic system

3 討論

安塞縣由于其獨特的地理位置,面臨著更為嚴峻的環境保護與經濟發展雙重壓力,因此促進其社會經濟與生態環境的協調發展是關系到該區域實現可持續發展的重大問題[27]。本文借助系統的科學理論與方法,構建了陜北安塞縣經濟增長與生態環境之間的指標體系,并通過耦合協調度模型、剪刀差方法和耦合度模型分析二者的耦合關系。相比傳統的耦合模型,上述3種方法的相互補充使耦合關系的評判更全面。

通過對陜北安塞縣1996—2013年的社會經濟與生態環境的協調耦合發展進行分析表明:安塞縣社會經濟系統綜合評價指數穩定上升,自然生態系統綜合水平呈波動中下降趨勢,但是2009年以后,社會經濟發展速度明顯快于生態環境改善水平,二者出現發展步調不一致狀態,差距呈現由小變大趨勢,說明隨著陜北安塞縣社會經濟快速發展,環境質量惡化、資源短缺枯竭、生態系統退化等生態環境問題日益突顯,已影響經濟社會的可持續發展。對于生態與經濟出現發展步調不一致的情況,究其原因：一方面是國家政策的扶持,全縣人民積極響應落實科學發展觀,使得陜北安塞縣經濟進入高速發展階段;另一方面是經濟發展與生態環境是相克的。社會經濟發展速度過高必然會破壞生態環境,從而損害生態系統正常的支撐功能,生態系統則通過自然災害、環境污染 、資源短缺、等一系列反饋形式制約社會經濟發展[35];從社會經濟與生態環境的不同發展過程來看,在社會經濟的發展過程中,生態環境的現狀對社會經濟系統的響應具有一定的滯后性。在退耕還林(草)初期,經濟的發展往往需要破壞一定的生態環境來滿足社會發展的需要。隨著人們環保意識的提高,退耕還林(草)政策的逐漸完善,開始將生態保護納入經濟發展體系之內,使社會經濟能夠從生態保護中獲取利益[36],從而使社會經濟與生態環境的關系通過不斷磨合最終向著協調發展的方向演進,但是還有很大的提升空間。雖然安塞縣政府依據 “十一五”“十二五”規劃中提出的大力節能減排措施制訂了一系列的發展政策并且取得了一定成效,使得經濟發展對生態環境系統的影響慢慢減小,耦合協調度也在不斷上升。但是經濟發展和生態環境之間依然存在著矛盾,建設和保護生態環境的壓力仍然較大[37]。一般來說,經濟發展水平與生態環境建設直接影響著經濟與環境的耦合協調程度,無論是經濟的持續發展還是社會的全面進步都是以平衡的生態環境為基礎,如果沒有生態建設的固基和推進作用,經濟發展的成本將會增加,效應會大打折扣。因此面對資源存量銳減和生存環境惡化的雙重約束,安塞縣未來發展應該繼續鞏固退耕還林等生態修復的成果,高度重視生態對經濟社會發展的必要性,充分發揮生態修復的后發效應;經濟方面：轉變經濟增長方式、調整產業結構、在保證經濟增長速度的同時提高經濟增長質量。充分發揮農業縣域的優勢,以發展特色產業為龍頭,開發自主品牌,同時緊抓工業生產建設,促進經濟總量擴張,并繼承和發揚民間傳統藝術,挖掘和開發腰鼓、民歌、剪紙、農民畫為特色的民俗文化,使文化旅游業逐步向產業化、規模化方向發展,提高社會整體發展水平。環境方面：充分利用各種污染物和廢棄物,提高資源的循環利用率[38],加強生態保護工程建設、提高資源利用率,實現經濟與環境同行發展。全面推進現代林業建設,加大森林經營力度,加快低效林改造。提高森林質量,優化林業產業結構,加快生態文明建設,實現人與自然的和諧發展。

文中重點在于探討安塞縣社會經濟系統與生態環境系統的演變規律與演變機制。在建立陜北安塞縣生態與經濟系統評價指標體系時,由于影響社會經濟發展與生態環境演化的因素是多方面的,所以在指標的選取時只考慮到數據的代表性、客觀性、動態與靜態相結合以及可比性等原則來建立評價指標體系,對于已選取指標的普遍性還需進一步研究。在用剪刀差方法反映社會經濟發展與生態環境演變間的差異性時,由于多項式擬合的緣故,剪刀差評價結果僅反映了研究時段內的整體趨勢,對于一些波動性較大的具體年份尚有偏差。

4 結論

文中采用耦合協調度模型、剪刀差方法和耦合度模型,分別研究了安塞縣1996—2013 年社會經濟系統與生態環境系統的發展速度差異、協調發展狀態和耦合狀態的演化趨勢,結果表明:

(1) 1996—2013年間,安塞縣社會經濟系統綜合評價指數穩定上升,自然生態系統綜合水平呈現出波動中下降趨勢,前者發展速度總體上快于后者。

(2) 1996—2013年間,安塞縣社會經濟系統與生態環境系統的協調發展度在研究期內不斷提高,耦合協調水平先后經歷了從輕度失調到瀕臨失調再到勉強協調的狀態。

(3) 1996—2013年間,安塞縣社會經濟系統與生態環境系統演化速率的剪刀差較為穩定,波動趨勢比較平緩。

(4) 1996—2013年間,安塞縣社會經濟與生態環境的耦合度分布于45°<β<90°范圍內,二者處于協調發展階段,耦合度β表現為先下降后上升。