全 文 ：黄土高原生态与经济系统耦合协调发展状况*
张青峰1**摇 吴发启1 摇 王摇 力1,2 摇 王摇 健1
( 1 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100; 2 中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 在借助系统科学理论建立黄土高原生态与经济系统协调发展耦合模型基础上,提出
了黄土高原生态与经济系统耦合发展的评判标准和基本类型,并对黄土高原各县域生态与经
济系统协调发展状况进行了研究.结果表明:黄土高原生态经济系统之间的相互作用可分为
严重失调发展、轻度失调发展、低水平协调发展、高水平良好协调发展 4 个阶段,在不同的发
展阶段又存在着损益鄄拮抗鄄磨合鄄主导鄄同步发展的循环往复过程;黄土高原生态与经济系统
耦合发展度整体上处于较低水平,其中 62郾 7%的县域处于严重失调发展阶段,30郾 1%的县域
处于轻度失调发展阶段,7郾 1%的县域处于低水平协调发展阶段.基于耦合模型所建立的协调
耦合度,能够较好地反映黄土高原经济社会与生态环境之间的交互胁迫耦合发展状况.正确
认识黄土高原生态与经济系统耦合规律,采取适当的发展模式,对于促进黄土高原县域生态
与经济协调发展具有重大意义.
关键词摇 协调发展摇 生态环境摇 耦合发展度摇 黄土高原
文章编号摇 1001-9332(2011)06-1531-06摇 中图分类号摇 F062. 2; X24摇 文献标识码摇 A
Coupling coordinated development of ecological鄄economic system in Loess Plateau. ZHANG
Qing鄄feng1, WU Fa鄄qi1, WANG Li1,2, WANG Jian1 ( 1College of Resources and Environment,
Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2 Institute of Soil and Water Con鄄
servation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100,
Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(6): 1531-1536.
Abstract: Based on system theory, a coupling coordinated development model of ecological鄄eco鄄
nomic system in Loess Plateau was established, and the evaluation criteria and basic types of the co鄄
ordinated development of the ecological鄄economic system were proposed. The county鄄level coupling
coordinated development of the ecological鄄economic system was also discussed, based on the local
characteristics. The interactions between the ecological and economic systems in Loess Plateau
could be divided into four stages, i. e. , seriously disordered development stage, mild鄄disordered
development stage, low鄄level coordinated development stage, and high level well鄄coordinated devel鄄
opment stage. At each stage, there existed a cyclic process of profit and loss鄄antagonist鄄running鄄
dominant鄄synchronous development. The coupling development degree of the ecological鄄economic
system in Loess Plateau was overall at a lower level, being about 62. 7% of the counties at serious
disorder, 30. 1% of the counties at mild disorder, and 7. 1% of the counties at low but coordinated
level. The coupling development degree based on the model established in this study could better
reflect the current social鄄economic and ecological environment situations, especially the status of co鄄
ordination. To fully understand the coupling of ecological鄄economic system and to adopt appropriate
development mode would be of significance to promote the county鄄level coordinated development in
Loess Plateau.
Key words: coordinated development; ecological environment; coupling development degree; Lo鄄
ess Plateau.
*中国科学院知识创新工程重大项目(KSCX鄄YW鄄09鄄07)和中央高校基本科研业务费项目(QN2009040)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zhqf@ nwsuaf. edu. cn
2010鄄11鄄12 收稿,2011鄄03鄄16 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 6 月摇 第 22 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2011,22(6): 1531-1536
摇 摇 黄土高原地跨 7 个省(自治区)282 个县(市
旗),总面积 63郾 5伊104 km2,是我国重要的能源重化
工基地,也是我国人口鄄资源鄄环境集中、治理难度
大、贫困人口最多的区域,从历史资料来看,其生态
与经济系统先后经历了“繁荣鄄破坏鄄修复(重建)冶
的过程[1-2] .随着各种资源的开发利用,黄土高原在
取得了巨大社会和经济效益的同时,也出现了一系
列严重的生态破坏和退化问题. 自然生态环境的恶
化,除造成生产力下降等看得见的经济损失外,还影
响到地区产品的市场竞争力和投资环境,降低了人
类生存质量,进而威胁人类生存环境或条件,这种不
合理的状况在局部地区甚至形成了恶性循环. 如何
协调生态环境保护与社会经济发展间的关系,成为
人们关注的焦点. 在过去的 60 年中,黄土高原综合
治理被列为国家科技攻关项目,几代科学家分别对
黄土高原进行了科学考察、长期野外定点试验监测、
专题调查和研究,为不同时期黄土高原生态环境建
设和国民经济发展提供了科技支撑,取得了一批重
要科研成果.从各研究成果来看,生态系统与经济系
统的耦合协调发展已成为提升区域可持续发展的途
径,但其耦合关系如何、按照目前发展轨迹能否保证
生态经济系统的可持续发展[3]等问题尚未有科学
判定,直接或间接影响了黄土高原未来发展方案的
制定及生态经济项目的有效布设.
耦合指两个或以上系统或运动形式通过相互作
用而彼此影响的现象;耦合度是描述系统或要素相
互彼此作用影响的程度[4],它刻画了某一时点区域
系统之间、系统内各要素之间交互胁迫、交互依存关
系的演进态势或趋向[5] .通过耦合关系分析及系统
多维对接耦合[6],可以有效地解决系统间的失调发
展问题,确保各系统的相互协调和共同发展.利用耦
合关系模型,诸多学者[7-9]从定性角度探讨生态与
经济系统的协调发展,取得了较令人满意的成果.这
些耦合协调发展模式及评判标准仅在较小尺度上进
行了探索,而有关较大尺度上特别是黄土高原的研
究至今尚未见相关报道.为此,本研究运用系统科学
理论,通过建立黄土高原生态与经济系统耦合发展
的评判模型,探讨黄土高原各县域生态与经济系统
的耦合关系,以期为科学分析和评价黄土高原生态
与经济系统的相互关系、提升区域整体发展力提供
科学依据.
1摇 耦合发展模型的设计
1郾 1摇 耦合协调发展模型
耦合度是反映系统由无序走向有序时系统内部
序参量之间的度量[10],其大小反映了区域各系统的
协调程度[11] .由于受多种因素的复合影响,生态与
经济系统都是随时间连续渐变的非线性系统,其变
化过程也是一种非线性过程[12],其演化方程[8]为:
dx( t)
dt = f(x1,x2,…,xn)摇 i = 1,2,…,n (1)
式中: f(x1,x2,…,xn)为 xi的非线性函数.由于非线
性系统运动的稳定性取决于一次近似系统特征根的
性质[13],因此在保证运动稳定性的前提下,将 f(x1,
x2,…,xn) 在原点附近(x = 0) 按泰勒级数展开:
f(x1,x2,…,xn)= f(0) + a1x1 + a2x2 +… + anxn +
兹(x1,x2,…,xn) (2)
式中: f(0) = 0;ai为 f(x1,x2,…,xn)在 x = 0处的偏
导数值;兹(x1,x2,…,xn) 为 xi 的不低于二次方的解
析函数.
利用李雅普诺夫(Liapunov)第一近似定理[12]
略去式(2)中的高次项 兹( x1,x2,…,xn),从而保证
系统的稳定性,得到上述非线性系统的近似表达:
dx( t)
dt = aixi,摇 i = 1,2,…,n (3)
根据这种思想,按上述方法分别建立生态环境
函数 f(x) 和经济社会发展函数 g(y) :
f(x) =移
m
i = 1
aixi (4)
g(y) =移
n
i = 1
biyi (5)
式中:xi、yi 分别为生态环境和经济系统各元素(指
标) 的标准化值;ai、bi 为各元素(指标) 的权重.
本研究采用生态环境演化过程和经济社会发展
演化过程的离差系数(Cv) 来表述生态经济系统的
协调度. f(x) 与 g(y) 的离差越小,说明协调程度越
高;离差越大,说明协调程度越低.
Cv =
2S
f(x) + g(y) = 2 1 -
f(x)·g(y)
f(x) + g(y)[ ]2
2
(6)
式中:S为 f(x) 与 g(y) 的标准差.使 Cv取极小值的
充要条件是 f(x)·g(y)
[ f(x) + g(y)2 ]
2
取极大值. 借助一般系
统论的系统演化思想,生态环境与社会经济系统的
耦合度或协调度(C) 可表示为:
C =
f(x)·g(y)
f(x) + g(y)[ ]2{ }2
k
(7)
2351 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
式中:C为耦合度;k为调节系数,一般 k沂[2,5],本
研究取 k = 2.式(7) 反映了环境生态与社会经济系
统在一定条件下[即 f(x) 与 g(y) 之和一定],为使
生态与经济的综合发展水平[即 f(x)与 g(y)之积]
最大,生态与经济发展水平进行组合协调的数量程
度[13-14] .耦合度虽然可反映生态环境系统和社会经
济系统发展的同步性,但却很难反映出生态与经济
的总体发展水平,故本文在 C 值的基础上加入表征
总体发展水平的成分,进一步构造生态经济耦合发
展度或协调发展度(D):
D = C f(x) + g(y)[ ]2 (8)
f(x)、g(y)、C、D值均在[0,1] . D 值越高,表明
生态环境与经济社会发展的总体水平越高,生态与
经济系统之间的耦合关系越和谐.
1郾 2摇 评判标准
评判标准是衡量区域自然生态环境与社会经济
协调发展状况的相对尺度. 经济社会活动必然会消
耗自然资源并给生态环境带来一定压力. 有研究表
明,同样的经济活动在生态脆弱区所付出的生态环
境代价较其他地区更大[15] . 黄土高原生态环境脆
弱、人民生活贫困,导致了对资源环境不合理的开发
利用,使生态环境遭到更严重的破坏,陷入生态与经
济系统相互阻碍的恶性循环.因此,在两大系统耦合
发展评判标准的划分中,既要充分考虑经济发展水
平,也要考虑生态环境的可持续发展.为了更准确地
反映两大系统的耦合关系和发展水平,本研究以生
态环境综合指数(F)、经济社会发展综合指数(G)
和耦合发展度(D)为基础,提出黄土高原生态与经
济系统耦合发展评判标准和基本类型(表 1).
2摇 黄土高原生态与经济系统耦合态势分析
2郾 1摇 指标体系
评价指标体系是评价环境与经济协调发展状况
的基础.本文选取森林覆盖率等 10 个指标来反映黄
土高原生态环境状况;选取人均 GDP 等 11 个指标
来反映该区经济发展状况(表 2). 应用因子分析
法[16],选取主因子的累计贡献率大于 0郾 8,求得各
指标的权重值.
2郾 2摇 耦合协调发展评价
通过对黄土高原各省 2005—2006 年统计年鉴、
国土资源公报、环境质量公报、国土资源调查等相关
研究资料和实地访问调查的数据进行分析,获得各
指标对应的基础数据. 运用正规化标准法对数据进
行标准化处理,由式(1)、式(2)、式(4)、式(5)逐步
计算,并运用 SPSS 15郾 0 软件,对 F、G 和 D、G / F 值
进行聚类分析,可将黄土高原生态经济耦合发展类
型划分为 7 类:严重失调发展经济损益型、轻度失调
发展经济滞后型、轻度失调发展磨合型、轻度失调发
展生态损益型、低水平协调发展经济滞后型、低水平
协调发展同步型、低水平协调发展生态滞后型(图
1).其中,昔阳、和顺、孟津、伊川、潼关、华县、甘谷、
武山、静宁、隆德、清水河、定西、定边、循化、贵德等
177个县域属于严重失调发展经济损益型,其生态
表 1摇 黄土高原生态与经济系统耦合发展的评判标准和基本类型
Table 1摇 Coupling development evaluation criteria and basic types of eco鄄economic system in Loess Plateau
耦合发展度
Coupling
development
degree (D)
耦合水平分类
Coupling level
classification
g(y) / f(x) 生态经济耦合发展类型与特征
Types and properties of ecological economic coupling development
0Seriously dis鄄coordina鄄
ted development
g(y) / f(x)<0郾 8 经济损益型:极度不协调,经济发展滞后,勉强保持在生态承载力阈值
内,短期内可以接受
0郾 8臆g(y) / f(x)臆1郾 2 拮抗型:不协调,经济发展与生态环境同步型,系统退化
g(y) / f(x)>1郾 2 生态损益型:勉强调和,经济发展超前, 超出生态承载力范围,系统退化
0郾 4Mildly dis鄄coordinated
g(y) / f(x)<0郾 8 经济滞后型:勉强调和,经济发展滞后,勉强维持在生态承载力阈值内,
短期内可以接受
development 0郾 8臆g(y) / f(x)臆1郾 2 磨合型:基本调和,经济发展与生态环境同步,勉强维持在生态承载力阈
值内,短期内可以接受
g(y) / f(x)>1郾 2 生态损益型:不协调,经济发展超前,超出生态承载力范围,系统退化
0郾 5Low level coordinated
g(y) / f(x)<0郾 8 经济滞后型:基本调和,经济发展滞后,保持在生态承载力阈值内,短期
内可以接受
development 0郾 8臆g(y) / f(x)臆1郾 2 同步型:调和,经济发展与生态环境同步
g(y) / f(x)>1郾 2 生态滞后型:不协调,经济发展超前,基本保持在生态承载力范围
0郾 8High level coordinated 0郾 8臆g(y) / f(x)臆1郾 2 同步型:基本调和,经济发展与生态环境同步,较为理想
good development g(y) / f(x)>1郾 2 经济主导型:基本调和,经济发展超前,基本保持在生态承载力范围
33516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张青峰等: 黄土高原生态与经济系统耦合协调发展状况摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 黄土高原生态经济耦合协调发展指标体系
Table 2摇 Eco鄄economic coupling development indicator system of Loess Plateau
一级指标
The first class
权重
Weight
二级指标
The second class
指标类型
Indicator type
单位
Unit
权重
Weight
自然生态系统 0郾 50 森林覆盖率 Forest coverage rate + % 0郾 142
Natural ecological system 年均降水量 Average annual precipitation + mm 0郾 218
平均气温 Average annual temperature - 益 0郾 009
逸10 益年积温逸10 益 accumulative temperature + 益 0郾 043
干燥度 Aridity - 0郾 250
人均耕地面积 Cultivated land area per capita + hm2 0郾 127
人均果园面积 Orchard land area per capita + hm2 0郾 002
人均牧草地面积 Grassland area per capita + hm2 0郾 146
人均地表水资源占有量 Surface water volume per capita + m3 0郾 040
年均侵蚀模数 Average annual soil erosion modulus - t·km-2·a-1 0郾 025
社会经济系统 0郾 50 地区生产总值 Regional GDP + yuan 0郾 121
Socio鄄economic system 人均 GDP GDP per capita + yuan 0郾 129
人均财政收入 Fiscal revenue per capita + yuan 0郾 077
人口密度 Population density + person·km-2 0郾 078
城镇居民人均可支配收入 Disposable income per urban resident - yuan 0郾 123
农村人均纯收入 Rural net income per capita + yuan 0郾 116
城镇化指数 Proportion of non鄄agricultural population + % 0郾 135
人口自然增长率 Natural population growth rate + 译 0郾 001
万人拥有科技人员数 Sci鄄tech personnel per 10000 persons - person 0郾 122
万人拥有教师数量 Teachers per 10000 persons + person 0郾 086
万元产值能耗 Energy consumption per 10000 yuan output value - t 0郾 013
+: 正指标 Positive index; -: 逆指标 Negative index.
环境十分脆弱,生态条件差,经济社会的发展超过了
生态环境的承载力,生态压力较大,生态环境严重地
制约了经济社会发展,经济发展呈现出对生态环境
的胁迫作用;黎城、泽州、荥阳、灵宝、运城、铜川、韩
城、忻州、介休、庆阳、土右旗、土左旗、乌审旗、同仁、
图 1摇 黄土高原生态经济耦合度分级图
Fig. 1 摇 Coupling factor grade map of eco鄄economic systems of
Loess Plateau.
玉: 严重失调发展经济损益型 Seriously discoordinated economic profit鄄
loss;域: 轻度失调发展经济滞后型 Mildly discoordinated economic
backward;芋: 轻度失调发展磨合型 Mildly discoordinated mutual ac鄄
commodation;郁: 轻度失调发展生态损益型 Mildly discoordinated eco鄄
logical profit鄄loss;吁: 低水平协调发展经济滞后型 Low level coordina鄄
ted economic backward;遇: 低水平协调发展同步型 Low level coordi鄄
nated synchronous;喻: 低水平协调发展生态滞后型 Low level coordi鄄
nated ecological backward.
尖轧、石嘴山等 69 个县域属于轻度失调发展经济滞
后型,这些县域 F 值较高,生态环境较好,生态压力
较小,但目前 G 值较低,与 F 值较高的状况极不相
称,生态环境条件在一定程度上影响了经济社会发
展水平;偃师、巩义、天水、侯马、霍州、孝义、延安、临
夏、平安、巴彦淖尔这 10 个县域属于轻度失调发展
磨合型,这些县域的经济发展与生态环境的承载状
况处于相互适应调整的阶段,经济系统与生态环境
之间的矛盾较为缓和并呈现出轻度失调发展的态
势;咸阳、大同、兰州、西宁、银川、白银这 6 个县域属
于轻度失调发展生态损益型,这些县域人口聚集较
多,经济发展强度已经超过当地生态环境的最大承
载阈值;鄂托克属于低水平协调发展经济滞后型,其
F值大于 G值,经济发展对生态环境的影响不大,生
态压力小,生态环境对经济发展的约束作用低,经济
社会发展仍有较大空间;义马、三门峡、临汾、朔州、
古交、晋中、吕梁、伊金霍洛旗、准格尔、乌海这 10 个
县域为低水平协调发展同步型,F 值不高、G 值也不
高,总体上这些县域生态压力较小,县域经济与生态
环境之间的关系处于低水平平衡点上;晋城、洛阳、
西安、长治、阳泉、太原、包头、鄂尔多斯、杨凌这 9 个
县域属于低水平协调发展生态滞后型,这些县域的
G值相对较高,经济活动强度大,但由于生态条件较
4351 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
差,承载人口多,使生态压力大,F 值较低,经济与生
态环境之间的关系十分紧张.
3摇 讨摇 摇 论
正确认识黄土高原经济社会发展与生态环境交
互作用的动态耦合发展规律,采取适当的发展模式,
对于促进黄土高原县域生态与经济系统的协调发展
具有重大意义.
本文借助系统科学理论与方法建立黄土高原经
济社会发展与生态环境系统之间的耦合模型和指标
体系,并通过模型计算对二者的耦合关系进行分析.
总体来看,黄土高原生态与经济系统之间的相互作
用可分为严重失调发展、轻度失调发展、低水平协调
发展、高水平良好协调发展 4 个阶段,在不同的发展
阶段又存在着损益鄄拮抗鄄磨合鄄主导鄄同步发展的循
环往复过程.
黄土高原生态经济耦合发展度整体处于较弱水
平.目前,黄土高原生态与经济系统耦合发展度整体
上处于较低水平,其中 62郾 7%的县域处于严重失调
发展阶段,30郾 1%的县域处于轻度失调发展阶段,
7郾 1%的县域处于低水平协调发展阶段.从不同发展
过程来看,随着经济社会的发展,生态环境状况对经
济系统的响应具有一定的滞后性;在经济社会发展
初期,往往需要一定的生态环境破坏为代价,以适应
经济活动的需要.通过二者之间的交互胁迫和不断
磨合,经济增长与生态环境的关系向着协调发展的
方向不断演进,并最终推动整个生态与经济复合系
统从低水平协调发展向高水平良好协调耦合的形态
演化.
黄土高原生态经济耦合发展度较弱的原因在于
县域经济中三次产业结构与生态环境发展状况以及
两者之间的不协调,这种发展的非均衡性既制约了
经济的更快增长,又影响了生态环境的保护. 因此,
有必要进一步从产业结构的角度来深刻讨论生态环
境对经济增长的吸纳力. 可通过促进并改善生态环
境,优化产业结构,增强生态环境对经济产业结构调
整的带动效应:1)探寻适合黄土高原各县域实际的
经济社会进步路径,使三次产业结构及其内部的升
级与改造符合当地生态环境资源禀赋特征. 同时大
力改善生态环境,针对各县域生态环境现状和经济
基础,促进形成维持性的农业、保护性的林业、商品
性集约牧业、扩张性的特色产业的发展战略. 2)对
于重要的能源化工基地如鄂尔多斯、榆神府矿区等,
在一定时期内以资源开采和输出的方式使地方经济
得到飞速发展,但这种依赖资源开采的发展模式是
不可持续的,急需通过产业结构调整和治理生态环
境等措施提高其长远的可持续发展能力,在目前的
阶段,大力推动循环经济和低碳经济对这些地区的
发展具有重要意义;对于那些经济落后而生态环境
质量较好的地区,可以在中国和世界生态经济大背
景下,考虑区域间的差异与分异,更好地运用外部资
源,通过与经济发达地区进行合作的模式实现多赢
式发展,来缓解其县域内部的生态与经济压力,确保
其生态系统的服务功能.
本研究制定的黄土高原生态与经济系统耦合发
展基本模式的评判标准和指标体系,是基于当前黄
土高原经济发展水平低、生态环境问题突出、地域分
异规律的特点来考虑.从研究结果来看,该模型能够
较好地评价黄土高原现时的生态与经济系统耦合协
调发展的客观状况,可为在较大尺度区域范围开展
耦合关系评价研究提供理论依据和技术支撑. 随着
技术进步和经济水平的提高,资源利用效率和生态
环境保护水平将大幅提高,划分标准也应作相应调
整.另外,是否需要设立第 3 级指标因子,将其纳入
指标体系,也有待今后进一步研究. 同时,这种以值
域标准来进行刚性划分的方法,势必会带来一定误
差.虽然本研究用聚类分析方法对标准值划分的结
果进行了矫正,但为了使类型划分更准确、简便,是
否建立动态的划分模型,还需要深入研究.
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作者简介摇 张青峰,男,1974 年生,副教授.主要从事土地资
源与空间信息技术研究,发表论文 30 篇. E鄄mail: zhqf@ nw鄄
suaf. edu. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
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