中部地区生态经济系统协调度的时空演化

苏 慧, 张仲伍, 张兴毅, 王伯礼

(1.山西师范大学 地理科学学院, 山西 临汾 041000; 2.山西省发改委宏观研究院,山西 太原 030000; 3.中国科学院 地理科学与资源研究所, 北京 100020)

城镇化与工业化的迅速推进，为国家经济发展注入了源源不断的活力与生命力，然而这个过程必然伴随着资源匮乏、生态环境恶化等一系列后续问题，生态与经济相互制约日渐凸显，矛盾日渐严重。要解决这个矛盾，必须做好二者的协调发展，既要保障生态环境安全，又要推进经济发展。生态经济系统协调度(EEH)作为一种评估区域生态安全与经济发展协调状态的指标，可以为区域可持续发展提供科学依据[1]。长期以来，该方法被国内外学者广泛应用于区域生态经济协调发展研究，国外对于EEH研究开始比较早，发展比较快，1997年Daily[2]和Costanza[3]提出了生态系统服务理论和价值估算方法；Konarska等[4]通过提取土地利用数据，计算生态系统服务价值，研究生态和经济之间影响关系；Sherrouse等[5]应用ArcGIS软件分析生态经济系统协调状况。国内方面，关于EEH研究多通过计算生态系统服务价值(ESV)来评价生态经济系统协调度，主要有能值理论[6-8]、生态足迹理论[9-10]以及价值估算理论等[11]。生态系统服务价值是基于当量的相对生态服务功能评估[12]，我国学者谢高地等[11,13]基于前人研究成果，对Costanza[3]提出的价值当量表进行修正，提出我国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量。国内许多学者[14-17]运用谢高地的生态系统服务价值当量表展开一系列研究，且成果显著。其中一些学者[18-20]基于土地利用数据，结合RS和GIS方法，对生态系统服务价值进行时空演化研究。本文基于1992，2000，2008，2016年中国中部6省GDP数据和Landsat TM遥感影像土地利用数据，应用EEH评价测度研究方法，评价该区域生态经济系统协调度及其时空演化格局，为促进中部地区生态系统安全，经济持续健康发展提供借鉴。

1 研究区概况

中国中部地区地处大陆腹地，东接沿海，西接内陆，含有山西、河南、安徽、湖北、江西、湖南省6个省份。中部地区历史悠久，文化底蕴深厚，资源丰富，交通便捷，工农业基础雄厚，第三产业发展迅速，人口集中，在中国地域分工中扮演重要角色，是我国的交通枢纽和经济腹地。中部地区在中国整体经济发展战略中起着“承东启西”的作用，是我国的粮食种植基地、能源材料基地、高新产业基地。尤其是中部崛起战略实施以来，中部地区抓住发展机遇，经济发展速度进一步加快，经济总量比重逐步增高，综合实力大幅度提升；产业结构转型加快，城乡居民收入持续增加，群众生活水平显著提高，整个地区进入一个全面崛起的新时代。因此，中部地区的生态经济安全成为国家经济稳定的关键因素。

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

本文数据包含中部地区4个时期GDP总值和土地利用数据。其中各省GDP数据来源于全国、各省统计年鉴，参考前人研究经验，土地利用数据来源于中国科学院资源环境数据库1∶10万土地利用图[21]，提取时间是1992，2000，2008和2016年，土地利用类型包括耕地、林地、园地、草地、城镇居民点用地、交通用地、未利用地等，提取各个时段土地利用比例及面积。

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务价值(ESV)评估与计算 目前，关于生态系统服务价值的计算应用最多的是以谢高地[11]和Costanza[3]确定的生态系统基准单价。因此本文运用ArcGIS软件，选取1992，2000，2008，2016年4个时段土地利用数据，按照谢高地等[11]“中国陆地生态系统单位面积服务价值当量因子表”中确定的基准单价，结合中部地区实际情况进行微调[13](表1)，计算中部地区各时期ESV，得出各省份4个时期的生态服务价值。Costanza等提供的生态系统服务价值模型为：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(1)

式中：ESV——区域生态系统服务价值；Aj——j类土地利用类型面积；Eij——j类土地利用类型单位面积生态系统服务价值基准单价[3]。

表1 中部地区单位面积生态服务价值元/(hm2·a)

2.2.2 生态经济系统协调度(EEH)评估 生态经济系统协调度反映自然环境与社会经济两者相互影响的平衡状态。生态经济协调度具有相对性，基于前人经验[1,9,22]，利用ESV与GDP的比值构建生态经济系统协调度，这些学者将EEH定义为区域生态系统服务价值变化率(ESVpr)与GDP变化率(GDPpr)比值。用这个比值表示研究年份社会经济与自然环境的协调状况，可以反映两者间相互促进、影响和制约关系[21]。EEH计算公式为：

(2)

(3)

(4)

式中：EEH——生态经济系统协调度； ESVpi，ESVpj——研究时段首、末年份研究区生态系统服务价值； GDPpi，GDPpjS——研究时段首、末年份研究区GDP总量。

借鉴前人研究经验[21]，EEH的划分标准为： ①ESVpr>0，且GDPpr>0，则EEH>0；表示生态环境与经济发展处于协调状态，说明两者呈现良性发展趋势； ②ESVpr>0，且GDPpr<0，则EEH<0；表示生态经济系统属于不协调状态，说明某些区域由于生态禀赋良好，或为了保护生态环境，降低环境开发力度，从而制约了经济发展； ③ESVpr<0，且GDPpr>0，则EEH<0；表示生态经济系统状态不协调，说明某些区域单纯追求经济发展速度，忽略环境承载能力，造成生态安全滞后于经济增长； ④ESVpr<0，且GDPpr<0，则EEH>0；表示初始阶段生态环境已经恶化严重，社会经济发展明显受制于自然环境。由于所有研究阶段GDP都呈现增长状态，所以第四种情况在本文中不予考虑。根据王振波等[1]的研究结论对EEH进行分类(表2)。

表2 生态经济系统协调度(EEH)单元分类

3 结果分析

3.1 中部地区GDP时空特征分析

3.1.1 时序演化特征 1992—2016年间，中部6省GDP总体都呈现持续上升趋势，且发展速度快，但是时间发展不平衡。1992—2000年，中部6省GDP总量年均增长率是21.67%；而2000—2008年，增长率达到28.56%；2008—2016年，年均增长率有所下降，为17.82%。因此，3个时段中，研究区域GDP增长速度具有明显差别，其中2000—2008年增长速度最快，2008—2016年增长速度有所下降，但总体上，中部6省经济呈高速发展状态。

3.1.2 空间演化特征 从空间分布来看(图1)，4个研究时段，中部6省GDP都表现出快速增长态势，但是空间发展不均衡，且增长速度也存在较大差别。总体来看，中部地区GDP值从高到低分别为：河南、湖北、安徽、江西、湖南和山西省。本文以ArcGIS自然断点法为分类标准，将中部6省GDP等级分为3个级别，由高到低分为第一、第二、第三等级。1992年，河南省属于第一等级，湖南、湖北与安徽省属于第二等级，山西与江西省属于第三等级；2000年，湖南省从第二等级降为第三等级，其余省份等级属性与1992年一样；2008年，各省份等级属性与前一个研究时段相比没有发生变化；2016年，河南与湖北省属于第一等级，安徽与江西省属于第二等级，山西与湖南省属于第三等级。从GDP增长率来看，中部地区，江西省最高，经济发展速度最快，湖南省最低，发展速度最慢。

3.2 中部地区生态系统服务价值(ESV)时空特征分析

3.2.1 时序演化特征 1992—2016年，中部地区生态系统服务价值(ESV)整体表现为上升状态，且增长速度较为稳定，没有太大波动。其中，1992—2000年，2000—2008年，2008—2016年中部6省ESV年均增长速度分别为0.63%，0.40%和0.41%，中部6省生态系统服务价值发展方向良好，增长速度平稳。其中，耕地ESV出现增长，这与人口增多，大量开垦土地相吻合；草地和林地ESV下降较多，这是由于建筑用地大量占用土地而导致的；另外，水域ESV出现上升，表明水域面积提高有利于维护生态系统的稳定性，同时草地、林地转化为建筑用地不利于生态系统安全与维护。

图1 中部地区GDP空间分布

3.2.2 空间演化特征 空间演化特征方面，中部6省ESV存在明显空间分异。基于ArcGIS自然断点分类法，将6省ESV值由高到低分为第一、二、三等级，1992年湖南和江西省为第一等级，山西、河南与湖北省属于第二等级，安徽省属于第三等级；2000年，河南省由第二等级降为第三等级，其余省份没有发生变化；2008年，6省等级属性没有发生变化，与2000年一样；2016年，湖南省属于第一等级，湖北、江西省属于第二等级，山西、河南与安徽省属于第三等级。从各省增长率来看，安徽和湖北省增长率最高，山西省增长率最低，且有降低趋势。其中，江西、山西和湖南三省在2008—2016年间出现负增长，这是由于土地开垦造成了生态系统恶化与破碎。总体来看，六省ESV值从高到低依次为：湖南、江西、湖北、山西、河南和安徽省，总的分布特征是南部高于北部，西部高于东部(图2)。

图2 中部地区生态系统服务价值(ESV)空间分布

3.3 中部地区生态经济系统协调度(EEH)时空特征分析

3.3.1 时序演化特征 本文将中部地区EEH研究划分为4个时段：1992—2000年，2000—2008年，2008—2016年，1992—2016年。第一时段，中部地区有3种EEH类型，较低协调区最多；第二时段，有2种EEH类型，分别是潜在危机区和较低协调区；第三时段，有5种EEH类型，说明中部地区生态经济系统协调状况有明显的时间变化，且情况复杂。总体来看，中部地区在4个研究时段中EEH状态主要处于较低协调区和潜在危机区，且处于协调区的数量多于冲突区，但是中部地区EEH有降低趋势，EEH度整体偏低，说明其生态经济系统协调状况不容乐观，需要改善两者协调关系，提高经济可持续能力。

3.3.2 空间演化特征 按照EEH分类标准(表2)，1992—2000年，湖北和安徽省属于中度协调区，山西和河南省为较低协调区，湖南和江西省为潜在危机区；说明该时段6省中湖南和江西省生态系统较为脆弱，生态经济关系协调较差。2000—2008年，安徽、湖北和湖南省为较低协调区，山西、江西和河南省为潜在危机区，说明该时段，山西和河南省生态经济系统协调状况下降明显，生态环境恶化速度较快，湖南省生态经济系统协调状况改善明显。2008—2016年，安徽省属于较高协调区，湖北省属于中度协调区，河南省属于潜在危机区，江西和湖南省为冲突协调过渡区，山西省为较高冲突区；说明该时段各省生态经济协调状况都发生了较大改变，安徽省生态经济系统协调度大幅度提升，生态经济矛盾缓和趋势明显；湖北省生态经济协调状况也有较好的提升与改善；江西、湖南和山西省生态经济协调度都有明显下降，说明生态环境有恶化趋势，生态经济关系趋于紧张。尤其是山西省，生态经济矛盾最为突出，环境形势最为严峻。从1992—2016年整体来看，河南省属于较高协调区，湖北、湖南和安徽省为较低协调区，江西和山西省为潜在危机区。中部6省中河南省生态经济系统协调性发展趋势最好，山西省最差，这与该省资源型产业居多，能源开采力度较大有关。其余省份生态经济系统协调度有所上升，二者矛盾有缓和趋势(图3)。

图3 中部地区生态经济系统协调度(EEH)空间分布

4 讨论与结论

(1) 1992年以来，中部6省经济保持快速增长状态。其中，安徽和江西省增长速度最快，湖南省最慢。从地区生产总值GDP来看，河南省GDP最高，山西省最低。且在4个研究时段中，每个时段的增长速度也存在较大差别，2008年以来，各省经济增长速度有所放缓。

(2) 中部地区生态系统服务价值(ESV)在1992—2016年呈现持续上升态势，增长率为11.97%。从空间分布来看，湖南省ESV值高，其次是江西省，山西和安徽省最低，总的空间分布特征是南部高于北部，西部高于东部。主要原因是南方林地、水域面积高于北方，西部草地面积多于东部，说明水域和林地对生态环境的调节和保护能力最强，而耕地开垦会影响自然环境维护和可持续能力，从而降低生态经济系统协调性。

(3) 中部地区生态经济系统协调度(EEH)在1992—2016年变化幅度较大，整体呈下降趋势，且各地区EEH偏低，中部地区生态经济系统协调性较差。从空间分布来看，各省EEH值分布不均衡，河南省最高，生态经济系统协调性最高，山西省最差，生态经济矛盾最为突出。由于山西省经济增长对资源能源依赖过大，使得生态系统退化，且对地区可持续发展能力造成影响。

综合中部地区1992—2016年生态经济系统协调度时空演化特征，说明EEH受到自然资源禀赋、人口增长、产业结构以及城市化进程等因素的影响。河南省EEH改善明显，说明其产业结构转型取得快速进展，第三产业和高新技术产业比重上升，经济和城市化进程对资源环境的依赖性降低；湖南、湖北和安徽三省EEH处于同一水平，这三个省份都属于南方地区，林地资源较为丰富，对生态经济系统的协调稳定起到了推动作用，但是如果城市用地占用林地资源，会导致其EEH值的下降，所以在以后的规划中应该努力做到两者兼顾；江西省虽然也处于南方，且其ESV值在中部地区属于较高一类，但是重工业为主的产业结构对资源环境的破坏较为严重，导致其EEH值长期处于低水平状态；山西省作为国家煤炭能源基地，长期的资源型经济模式和重化工业结构导致其生态环境恶化严重，虽然近年来有一定改善，但是生态修复周期长，难度大，所以其EEH值低于其他地区，且改善速度慢。

目前关于生态系统服务价值计算模型还存在不足之处，ESV受到整个系统结构、种类以及生物群落等因素共同影响，因此仅以土地利用类型面积计算生态系统服务价值，缺乏对其他因素的思考，以后应细化其影响因子，将各种因素都纳入ESV计算体系，增强计算模型科学性与真实性。生态经济系统是生态环境与社会经济形成的双重复杂系统，受到自然资源、社会环境诸多因素的影响，本文仅以GDP和ESV来考察生态经济系统整体协调度，存在一定局限性。因此在以后的研究中应注重对生态经济系统各种影响因素的评价与考量，更深层次地揭示系统发展规律。