固原市原州區生態環境與經濟系統的耦合協調發展

李 靜, 馬亞亞, 王 杰, 劉國彬, 張 超

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

區域系統是生態環境系統和社會經濟系統構成的復雜的系統[1]，區域的協調發展并不是單一的生態環境的發展或經濟發展，而是生態環境和社會經濟的協調發展，符合可持續發展要求的發展[2]。生態環境系統和社會經濟系統是對立統一的，生態環系統為社會經濟的發展提供基礎，社會經濟發展會一定程度上破壞生態環境，而破壞的生態環境同時又制約著經濟的發展[3]。因此，生態環境與社會經濟之間的矛盾隨著經濟的發展而日益突出，阻礙了區域生態系統的可持續發展[4]。

寧夏回族自治區固原市位于中國黃土高原的西北邊際，生態環境脆弱，自然災害頻發，水土流失嚴重[5]，曾經是全國水土流失最嚴重的地區之一，水土流失面積2 072 km2，占土地總面積的76%；經濟基礎薄弱，也是全國重點扶貧地區之一；加之人口增加、人類活動增強、生態環境的不合理和過度開發導致生態環境和社會經濟發展不協調的問題愈發嚴重。國內對固原市原州區生態環境以及社會經濟的研究主要傾向于對退耕還林還草之后取得的生態和經濟效益的評估[6-7]，幾乎沒有對該區域近些年來生態和社會經濟是如何發展以及二者是否和諧發展的研究，而且協調研究大多通過歷史數據進行分析評價，缺乏對未來發展趨勢的預測[8]。

耦合度描述系統之間相互作用彼此影響的程度[9]，是對系統由無序走向有序的這種協同作用規律的度量。耦合協調度可以用來度量系統在發展過程彼此之間和諧一致的程度。通過耦合度和耦合協調度模型，能夠更客觀、清楚的反應生態環境系統與社會經濟系統之間相互作用而彼此影響的程度，以及判斷生態環境系統和社會經濟系統之間是否和諧發展[10-11]。本文通過構建寧夏回族自治區固原市原州區生態環境系統和社會經濟系統之間的耦合度和耦合協調度模型，得到固原市原州區2002—2025年生態環境系統與社會經濟系統協調發展的動態變化趨勢，旨在研究固原市原州區生態環境與社會經濟之間的互動關系，認識該地區生態環境與經濟協調發展水平，揭示二者之間的相互作用規律，以期為區域的協調發展調控提供科學依據。

1 研究區概況

寧夏回族自治區固原市原州區(35°50′—36°20′N，106°00′—106°30′E)地處寧夏回族自治區南部，黃土高原中西部，總面積2 739 km2，成立于2002年，轄11個鎮(鄉)，153個行政村，35個居委會；地形為典型的黃土高原地貌，海拔在1 450～2 500 m。氣候屬暖溫帶半干旱區，年平均氣溫6.8 ℃，無霜期130 d左右，年平均降水量為450 mm，降水多集中在7—9月，平均蒸發量1 200～1 800 mm，年平均日照時間2 250～2 700 h[12]。

自原州區從2000年實施退耕還林還草到2012年底，種草11 330 hm2，還林33 169 hm2，水土流失治理面積達46 800 hm2，治理程度由45%提高到68%[13]。雖然水土流失已經得到了有效控制，生態環境有所改善，但是由于自身自然條件惡劣、生態環境脆弱導致林木存活率低、造林密度小[14]，有豐富的土地資源和礦產資源，但是資源開發不合理、不科學，而社會經濟的快速發展也必然會導致生態環境破壞等原因[15]，使得該地區生態建設與快速發展的社會經濟之間的矛盾日益凸顯。本文在此背景下探究固原市原州區生態建設與社會經濟發展之間的相互作用關系，以期為該區域系統協調發展提出針對性的建議。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本文所選用的數據來源于《原州統計年鑒》(2009—2013)、《原州統計年鑒》(2016年)。由于2002年寧夏實施撤地設縣后，撤銷了固原縣，設置原州區，所以原州區數據最早從2002年開始。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標體系構建 本著科學性、指導性、全面性、代表性以及數據可獲性的原則[16]，選取能夠最大可能反映社會經濟系統和生態環境系統功能和效益的具有代表性的指標(見表1)[17-18]。用當年造林面積等9個指標來表示固原縣原州區生態環境狀況，用人均GDP等13個指標來表示該地區社會經濟發展狀況。其中值越大表明系統功能越差的指標稱為負指標(用“-”表示)，相反，值越小表明系統功能越差的指標稱為正指標(用“+”表示)[19]。各個評價指標的權重采用熵值賦權法計算[20]：

(1)

(2)

式中：Ej為指標j的信息熵；m為某個評價指標的個數；Pij為指標j在第i年比重；Wj為指標j的權重；k為各個子系統的指標數。

2.2.2 數據標準化 由于評價指標的單位各不相同，無法直接比較，因此對各評價指標進行標準化處理非常重要。標準化的公式如下[21]：

Xij=(xijminxij)/(maxxij-minxij)

(正向指標)

(3)

Xij=(maxxij-xij)/(maxxij-minxij)

(逆向指標)

(4)

式中：Xij為指標標準化值，其取值范圍在[0,1]之間；xij為i系統指標j的樣本值； maxxij和minxij為指標j的最大值和最小值。然后計算2002—2016年社會經濟系統和生態環境系統的綜合評價得分[22]：

(5)

式中：F(x),F(y)為生態環境系統和社會經濟系統的綜合評價指數；ai，bi為權重；xi，yi為標準化值。F(x)和F(y)值越大，表明系統的發展相對較快；值越小代表系統發展較為緩慢[23]。

表1 固原市原州區生態經濟耦合協調發展指標體系

注：“+”表示正指標；“-” 表示逆指標。

2.2.3 耦合協調度模型 耦合是指兩個(或兩個以上)體系或運動形式通過相互作用而彼此影響的現象[24]。用耦合度來描述生態環境系統和社會經濟系統之間相互作用彼此影響的程度[9]。

根據標準化值和系統的綜合評價得分計算生態環境系統和社會經濟系統的耦合度，其耦合度模型如下[25]：

(6)

通過計算生態環境系統與社會經濟系統之間的耦合度，引入耦合協調度，可以判斷生態環境系統和社會經濟系統之間是否和諧發展[26]。耦合協調度模型如下：

T=gF(x)+hF(y)

(7)

(8)

式中：T為區域生態系統的綜合評價指數；g，h為生態環境系統和社會經濟系統在綜合評價指數中的權重，在一個區域系統中社會經濟的發展和生態環境的建設同等重要，所以g和h都為0.5；D為生態環境系統和社會經濟系統的耦合協調度。D值越大表明系統之間的協調狀態越好，值越小系統間協調狀態越差。

2.2.4 灰色預測模型 灰色預測模型是以 “部分信息已知、部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”為研究對象，建立模型并作出預測的一種預測方法。在制定發展戰略，進行重大問題決策時，都可以借助預測模型對未來進行科學預測[8]。具體原理如下：

(9)

式中：a,b——常數；a稱為發展灰數；b為內生控制灰數。求出a,b后帶入(9)，k+1時刻的預測值為：

x(0)(k+1)=x(1)(k+1)-x(1)(k)

(10)

對于建立的預測模型要進行精度檢驗(見表2)，達到精度要求才能進一步預測，否則要殘差修正[27]。

表2 灰色預測精度等級標準

3 結果與分析

3.1 生態環境系統與社會經濟系統指標權重分析

由表1可以看出，生態環境系統中權重貢獻率較高的指標依次是當年造林面積(0.26)、綠地面積(0.19)、農藥施用量(0.15)、污水排放量(0.13)和建成區綠化覆蓋率(0.12)，5個指標總權重為0.85；社會經濟系統中權重較高的指標依次是第一產業生產總值(0.22)、固定資產投資總額(0.13)地方財政收入(0.11)和第二產業生產總值(0.10)。在今后的生態環境建設中，應減少農藥的施用和污水的排放，注重增加造林和綠地面積；社會經濟發展中也應注意以上幾個指標，此外，在大力推進第一產業的同時，帶動第二、三產業發展，實現經濟聯動發展。

3.2 生態環境系統與社會經濟系統綜合評價指數分析

固原市原州區2002—2016年生態環境系統的綜合評價指數如圖1a所示，生態環境水平呈現先下降、后逐漸上升再逐漸下降的趨勢，2002—2004年評價指數從0.34降到0.18，之后逐漸上升，到2011年達到最大值0.37，之后又逐漸下降，到2016年下降到0.29；說明這一時期生態環境水平的發展一直比較緩慢。生態環境壓力的綜合評價指數從2002年到2008年一直處于上下波動狀態，之后一直呈下降趨勢，從2008年的0.31降到2016年的0.03；主要受生態環境壓力波動的影響，生態環境系統評價指數2002—2011年上下波動，之后呈逐漸下降的趨勢。總體上來說，隨著人口的增加和環境中污染物的排放使得生態環境系統的壓力增大，超過它自身的承載力，導致生態環境逆向發展。

社會經濟系統的綜合評價指數如圖1b所示，經濟水平、經濟結構和生活水平的評價指數整體上都呈穩步上升的趨勢，分別由2002年的0.012，0.005和0.014上升到2016年的0.38，0.13和0.24，其中社會經濟系統和經濟結構的評價指數在2010年出現一個波動高峰，主要受經濟結構中第一產業快速發展的影響。經濟結構、經濟水平和生活水平的發展帶動了區域經濟的快速發展，社會經濟的快速發展同時也帶動著城市化建設和社會水平的提高。

原州區生態環境系統與社會經濟系統的綜合評價指數變化趨勢如圖1c所示。社會經濟系統評價指數整體上呈現穩定上升的趨勢，從2002年的0.03上升到2016年的0.75，而生態環境系統的評價指數呈先下降后波動再逐漸下降的趨勢，綜合評價指數除了2002—2004年從0.61下降到0.43之外，2004—2016年整體上呈上升趨勢，到2016上升到1.07。固原市原州區生態環境系統建設水平與社會經濟發展水平的相對變化速率呈逐漸下降的趨勢(圖1d)，在2010年之前，社會經濟系統評價指數都低于生態環境系統評價指數，雖然前期二者之間發展差異較大，但是這種差異一直在縮小，并從2010年開始超過生態環境系統；從2010年之后，生態環境系統評價指數呈現波動下降的趨勢，并從2012年之后一直低于社會經濟系統綜合指數，二者的發展差距迅速增大。這表明生態環境系統與社會經濟系統的發展出現步調不一致的狀態，在2010年之前，生態環境系統充分發揮生態效益，帶動了社會經濟水平的穩步發展，而在2010年之后，社會經濟的發展帶動了區域生態系統的快速發展，而生態環境壓力急劇增大導致生態環境發展緩慢，說明社會經濟的這種發展是以犧牲生態環境作為代價所換取的。因此在創造經濟價值的同時，應該要相互協調和平衡生態環境與社會經濟之間的狀態，盡量減少對生態環境的沖擊，使得生態環境系統能持續發揮自身的生態效益帶動整個區域生態系統的發展。

圖1 生態環境系統與社會經濟系統綜合評價指數

通過比較生態環境系統綜合評價指數〔F(x)〕和社會經濟系統綜合評價指數〔F(y)〕所占比重的大小，將耦合協調度劃分為3個類型：生態環境滯后型〔F(x)<(F(y)〕、經濟滯后型〔(F(x)>(F(y)〕和同步發展型〔(F(x)=(F(y)〕，2002—2009年，固原市原州區社會經濟的發展一直滯后于生態環境的建設水平，表現為經濟滯后型；從2010年開始，社會經濟的發展領先于生態環境，表現為生態環境滯后，說明在此期間，該地區社會經濟快速發展的同時忽略了生態環境的建設。出現這種現象的原因可能是從2002年設立原州區以來，政府加大政策傾斜和項目資金支持使原州區經濟發展實現了大幅度的增長；而“精準扶貧、精準脫貧”、“十一五”生態移民政策的實施保證了人民經濟和生活水平的持續上升。生態建設方面，退耕還林還草、三北防護林等工程的實施使原州區水土流失問題很大程度上得到了有效的控制，但是從2010年之后雖然有小流域綜合治理等生態建設方面的工程，但是建設力度相對減弱，而且社會經濟的快速發展必然會在一定程度上導致生態環境的破壞，以至于生態環境系統的綜合指數逐漸降低，所以在經濟快速發展的同時一定要同時加大生態建設的力度。

3.3 耦合協調度分析

固原市原州區生態環境系統與社會經濟系統耦合度在研究期間整體呈現先上升后平穩的趨勢(圖2a)，由2002年的0.20上升到2010年的0.50，2010—2016年一直在0.46～0.50之間波動；生態環境系統與社會經濟系統的耦合協調度同樣呈現先上升后平穩的趨勢，由2002年的0.25上升到2010年的0.48，2010—2016年一直在0.48～0.50之間波動。根據耦合協調度的劃分標準將協調度(D)劃分為10個類型(見表3)[28]。通過耦合協調度模型計算出生態系統與社會經濟系統的耦合協調度并劃分類型(圖2b)，從圖中可以看出2001—2005年，固原市原州區生態環境系統與社會經濟系統的耦合協調類型為中度失調型；2006至2009年間為輕度失調型，2010—2016一直處于瀕臨失調狀態。總的來說，2002—2016年固原市原州區生態環境系統與社會經濟系統的耦合協調類型是由低水平的經濟滯后中度失調型發展為高水平的生態環境滯后瀕臨失調型。雖然生態環境系統與社會經濟系統之間的關系逐漸向更加協調的方向發展，但是由于生態環境滯后于社會經濟的發展，從而制約了整體區域系統的協調發展。

圖2 生態環境系統與社會經濟系統耦合協調度

表3 生態環境系統與社會經濟系統耦合協調度級劃分標準

采用灰色預測模型對固原市原州區2017—2025年未來9 a的區域生態環境系統綜合評價指數、耦合度和協調度進行模擬預測(圖2a)。根據預測結果，該地區區域生態環境系統綜合評價指數、生態環境系統與社會經濟系統之間的耦合度及協調度等都呈現快速上升的趨勢，如圖2b所示，2007—2022年耦合協調度將會從勉強協調型過度到初級協調型，到2023年開始進入中級協調狀態。說明生態環境與社會經濟之間的矛盾將會逐漸緩和。主要因為原州區在中國到2020年實現全面建設小康社會奮斗目標的時代背景之下，緊緊把握“十三五”時期是全面建成小康社會的決定性階段這一契機，轉變經濟發展方式，調整產業結構，推進綠色發展，降低污染物排放，進一步優化產業結構，全面提高農業、工業、服務業的水平和效益，使經濟持續健康發展，人民生活水平全民提高，區域生態環境與社會經濟之間的關系變得更加良好、和諧。

4 討論與結論

4.1 討 論

通過對固原市原州區生2002—2016年態環境系統和社會經濟系統綜合評價指數的分析表明：耦合協調度呈現逐漸上升的趨勢，耦合協調類型由最初的經濟滯后中度失調型發展為生態滯后瀕臨失調型。其原因有： ①小流域的綜合治理以及從2000年開始實施的退耕還林還草等，對生態環境的建設力度逐漸加大，林地面積不斷擴大，水土流失得到了有效的控制，生態環境明顯改善，生態效益顯著增加，對生態保護的意識也逐漸加強。②西部大開發政策的實施，促進了該地區經濟的快速發展，退耕還林政策為退耕農民發放退耕補助、大量勞動力外出務工等增加了農民的收入，2010年原州區農民的平均收入是1999年的3.4倍，也帶動了當地經濟的發展[14]。③近些年國家對貧困地區、貧困家庭的大力扶持政策，使得社會經濟水平穩定上升，但是相對于中國東部地區，原州區經濟發展落后，對生態環境的建設有一定的局限性；科學種植技術的落后和觀念的缺乏使農藥、化肥等濫用，導致農業生態環境的污染嚴重；原州區氣候干旱，凍害危害嚴重，從自然條件上就限制了林木的成活率及保存率；不合理放牧對草地生態環境影響較大，雖然圍封的實行一定程度上控制了草地的退化，但是夜牧、偷牧現象嚴重[29]；原州區是林木病蟲鼠兔害重災區，林業建設成果面臨著森林有害生物的嚴重威脅。這些都是限制原州區生態環境水平發展的重要因素，使得社會經濟系統與生態系統的耦合度有下降的趨勢，耦合協調類型轉變為生態滯后的初級協調型。

雖然生態系統與社會經濟系統的耦合度逐漸上升至一個穩定水平，耦合協調度也在逐漸上升，但是生態環境與經濟發展之間的矛盾依舊很突出[30]。區域的協調發展不是單一的生態系統或社會經濟系統的發展，而是要彼此協調、共同和諧發展[31]：社會經濟方面，要抓住脫貧攻堅的契機，積極調整產業結構，發展綠色經濟、循環經濟，不斷增強市場競爭力；大力發展清真食品、手工藝品等新型工業；加快馬鈴薯產業、草畜產業休閑循環農業等現代農業和第三產業的發展。對于生態環境建設，深入實施生態立區戰略和創新驅動發展戰略，應堅持協調發展，加快推進生態環境建設；要加大荒漠化、水土流失的綜合治理力度，繼續深入推進退耕還林、三北防護林和天然林資源保護工程等生態修復工程的實施；因地制宜恢復和建設城鄉水域，建立水土流失綜合防治體系；大力發展生態農業，通過發展生態農業帶動生態城市的建設；深入貫徹原州區“十三五”林業發展規劃，加快推進綠色城鎮化建設和美麗鄉村建設進程；要加快建設文化旅游業，充分融合當地的地方特色、民族文化，打造具有固原特色的旅游產業[32]。加快推進生態環境系統和社會經濟系統的和諧發展，努力實現生態良好、生態安全、生態文明的建設目標。

本研究基于固原市原州區生態環境水平、環境壓力、社會經濟狀況和人民生活水平等建立了評價指標體系，從時間尺度上對原州區生態環境系統和社會經濟系統的耦合協調度進行了評價，從研究結果來看比較符合該地區的實際情況，而空間尺度和更大尺度范圍內的耦合協調度研究，有待進一步研究。在建立評價指標體系時，因數據可獲性的影響，可能對數據的代表性、全面性有一定的限制。本研究基于原州區2002—2016年生態環境系統與社會經濟系統的數據，運用灰色預測模型對原州區未來9 a生態環境系統與社會經濟系統的耦合協調度進行了預測，而該模型對原始數據列較短的預測精度會更高[33]，對原始數據列較長的預測，可能對精度有一定的影響。

4.2 結 論

(1) 當年造林面積、綠地面積、農藥施用量、第一產業生產總值等指標對生態環境系統和社會經濟系統的影響較大，在區域協調發展建設中，應注重這些指標。

(2) 2002—2016年，固原市原州區社會經濟系統評價指數穩定上升，受生態環境壓力的影響，生態系統綜合評價指數呈現先下降后波動上升的趨勢，總體上來說，前者的發展速度快于后者。

(3) 2002—2016年，固原市原州區生態環境系統和社會經濟系統耦合度和耦合協調度不斷上升，耦合協調類型從經濟滯后中度失調型發展為生態環境滯后的瀕臨失調型。

(4) 通過模型預測，固原市原州區2017—2025年生態環境系統和社會經濟系統之間耦合度及耦合協調度將逐漸升高，耦合協調類型會不斷向理想狀態發展。