黑河流域下游自然资源与社会经济耦合协调响应机制研究——以阿拉善盟额济纳旗为例

韩小龙， 王鹏， 庞文龙， 韩昊， 任永吉， 张秉强

(中国地质调查局西宁自然资源综合调查中心，青海 西宁 810000)

0 引言

耦合概念源自物理学，是指两个或两个以上系统之间通过相互作用，从而产生彼此影响的现象和状态[1]。协调是两种或两种以上系统或系统要素之间具有一种良性的相互关联，即系统之间或系统内部要素之间形成和谐统一、良性配合的关系[2]。自20世纪80年代起，“耦合”概念被广泛运用于自然科学、社会科学和人文科学领域[3]。张浩[4]指出从生态和经济的关系来讲，经济发展对资源的无限性与供给能力的有限性呈现巨大矛盾，两者离开任何一方都不能发展； 唐沛贤等[5]分析得出湖南省近20 a生态-经济-社会耦合协调演化规律呈上升趋势，但各个系统间的协调程度仍需进一步磨合和优化； 黄奕龙等[6]将水资源生态系统和社会经济系统耦合成水资源生态经济系统，以用来作为水资源可持续利用的生态经济评价体系。以上研究主要从定性、区域性、特定性等角度探讨了生态经济系统的协调发展问题。

前人将耦合协调理论引入到黑河流域的研究主要体现在以下几个方面： 赵雪雁等[7]指出黑河流域产业结构效益自上游向下游在空间上呈倒“U”型，自上游向下游，产业结构对生态环境的依赖性逐渐降低，破坏性逐渐上升； 徐辉等[8]定量评价分析了黑河流域在不同时间点的人口、资源环境与经济系统的协调状况，进而找出了该区域协调发展方面存在的问题和差距； 刘继红[9]指出黑河流域正处于生态系统健康与经济可持续发展的协调发展阶段； 周立华等[10]将黑河流域生态经济系统耦合发展模式划分为3个层次，即农牧业耦合、农产品加工业耦合和系统与外部的耦合。

基于上述理念，本研究运用系统科学思维方式，通过建立自然资源与社会经济耦合协调模型，对黑河流域下游阿拉善盟额济纳旗近40 a自然资源与社会经济耦合协调过程进行了分析，探讨了该区自然资源与社会经济耦合协调规律，以期为该区自然资源与社会经济可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

黑河流域是我国西北干旱区第二大内陆河流域，地理位置介于37°41′～42°42′N与96°42′～102°00′E之间，流域总面积达13.4万 km2[11]。整个流域可以划分为3大类型区,即上游祁连山地、中游走廊绿洲平原和下游阿拉善高平原。本次研究重点区为下游阿拉善高平原，海拔1 000 m左右，深居内陆，气候干燥，属于干旱荒漠和极端干旱气候。除河流沿岸和居延三角洲外，本区大部分为沙漠戈壁，风沙危害十分严重，为我国北方沙尘暴的主要发源地之一。

额济纳旗属于牧、农、林经济交互区，中部的额济纳绿洲有天然次生林和湖滩草场，是额济纳旗重点经济区，仅占全旗土地总面积的27.57%，南部、西部和北部地带为干燥剥蚀的低山残丘(图1)。旗内自然资源主要为人口、土地、植被、矿产等，由于该区大气降水稀少，地表径流主要依靠黑河流域上、中游补充，人口、土地、植被资源呈逐年缓慢增长趋势，同时随着社会经济的快速发展，矿产资源呈逐年下降趋势，整体自然资源发展和利用状况形势严峻。

图1 额济纳旗自然资源分布示意图

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

为保证数据的代表性与可行性，研究区自然资源和社会经济的各指标数据均来自《1990—2019年额济纳旗统计年鉴》[12]和《1990—2019年额济纳旗国民经济和社会发展公报》[13]。

2.2 研究方法

2.2.1 指标体系的建立

基于科学性、整体性、层次性和可行性原则来选取指标： 在自然资源子系统方面，选取了5个评价准则和14个指标来反映额济纳旗的自然资源变化状况； 在社会经济子系统方面，由于可参考指标极多且重复性较多，因此利用SPSS软件平台的因子分析方法，提取了指标数据特征值大于1的主成分因子，构建了5个评价准则及19个指标来反映该区社会经济发展状况。本文以这些准则和指标为基础，构建了反映额济纳旗自然资源和社会经济耦合关系的评价指标体系(表1)。

表1 额济纳旗自然资源与社会经济耦合关系评价指标体系

2.2.2 数据的标准化处理

为了有效消除数据数量级和量纲不同而产生的影响[14]，首先需要对数据进行极差标准化处理。具体处理方法如下。

正向指标的标准化为

，

(1)

负向指标的标准化为

。

(2)

式(1)—(2)中：i为年份;j为指标序号；xij为指标数据； min(xj)为第j个指标的最小值； max(xj)为第j个指标的最大值；zij为指标数据标准化值。

2.2.3 指标权重的确定

熵值法是客观赋权法，可避免主观因素带来的偏差[15-16]，为此，本文采用熵值法确定指标权重，具体计算过程如下。

将各个指标同度量化，计算第j个指标、第i个年度指标值的比重(pij)，即

，

(3)

第j项指标的熵值为

，

(4)

第j项指标的差异系数为

gi=1-ei

，

(5)

各个指标的权重为

。

(6)

式(3)—(6)中：p为指标比重；e为指标熵值；g为指标差异系数；a为指标权重；m为统计年度个数；q为指标个数；i为年度。

根据上述计算过程，得指标权重结果如表1所示。

2.2.4 综合评价模型的建立

在计算得到各项指标的权重后，再结合标准化值，便可确定自然资源和社会经济的综合发展函数，计算公式为

，

(7)

。

(8)

式中：f(x)为自然资源子系统综合发展函数；g(y)为社会经济子系统综合发展函数；αj、βj分别指第j个指标自然资源和社会经济子系统的权重；zij为指标数据标准化值；n为年度。

2.2.5 耦合协调度模型的建立

自然资源与社会经济相互影响，有着必然的关联。虽然耦合度对判别二者的发展秩序有很大意义，但在某些时候很难反映两者之间的整体关系，很可能会误导结果，所以需要结合发展度T和协调度D进行综合评价。

通过查阅前人研究[17-19]，得到耦合度C、发展度T、协调度D公式为

，

(9)

T=af(x)+bg(y)

，

(10)

。

(11)

式中：f(x)为自然资源子系统综合发展指数；g(y)为社会经济子系统综合发展指数；C、T、D∈[0,1]； 由于自然资源与社会经济同等重要，系数a、b均取值0.5。

对自然资源与社会经济耦合协调程度设定判别标准，既要参照相关行业评判模式和标准，又要兼顾社会经济的发展水平和自然资源的可持续性。因此，本文结合耦合度C、协调度D以及社会经济子系统综合发展指数与自然资源子系统综合发展指数的比值[g(y)/f(x)]，将自然资源与社会经济的耦合协调状况划分为3个层次、3个级别、4大类以及12小类(表2)。

表2 自然资源与社会经济耦合协调度分类体系及其判别标准

3 结果分析

3.1 额济纳旗自然资源和社会经济综合发展水平分析

3.1.1 额济纳旗自然资源特征分析

随着社会经济不断发展，额济纳旗人口资源和社会从业人员呈逐年递增趋势，其比重从1990年的46.50%增长到2015年的75.82%(图2(a))； 实有耕地面积逐年增长，其比重由1990年的4%增长到2015年的17%，土地资源储量稳步提升(图2(b))； 森林和草原资源均呈逐年小幅度增长趋势，森林覆盖率上升趋势明显(图2(c)、(d)、(e))； 社会发展导致矿产资源需求增加，矿产资源保有量呈现逐年大幅下降趋势(图2(f))。由此看出，额济纳旗自然资源中可再生资源呈逐年增长趋势，非再生资源逐年减少，这是由快速增长的能源需求决定的。

(a) 人口资源变化趋势 (b) 耕地资源变化趋势

1990—2015年，额济纳旗自然资源子系统综合发展指数从0.160 0提高到0.811 5，呈现出逐步增长的趋势(图3)。研究区自然资源发展水平的快速增长，得益于额济纳旗对国家政策的响应,特别是在额济纳旗居延绿洲建设方面成绩突出。期间完成草原建设24.48万hm2、林业建设11.53万hm2。此外，由于全面推行黑河水统一调度政策，居延三角洲面积较统一调度前增加了100 km2，胡杨林面积由2.60万hm2增加到2.96万hm2。

图3 额济纳旗1990—2015年自然资源子系统发展变化趋势

3.1.2 额济纳旗社会经济特征分析

由图4可知，额济纳旗社会经济结构日趋优化，发展质量不断提升。人口数量和质量稳步提升，人均农牧业和工业生产安全稳定，其居民收支和社会消费能力进一步增强。额济纳旗城乡建设统筹推进，逐步深化农村牧区经济体制改革和城镇经济体制改革，人民生活水平逐渐提升。

1990—2015年，额济纳旗社会经济子系统综合发展指数从0.115 0提高到0.713 8，整体呈现出逐步增长的趋势，尤其在2005—2010年期间增长的速率较快(图5)，这主要得益于额济纳旗改革开放持续深化，发展市场活力和改革红利充分释放。社会与人民福祉持续增进，和谐局面不断巩固。

(a) 人口变化趋势 (b) 人均农牧业生产变化趋势

图5 额济纳旗1990—2015年社会经济子系统发展变化趋势

3.2 额济纳旗自然资源和社会经济耦合关系分析

由耦合协调度模型(图6)可知，自然资源与社会经济发展度和协调度均呈现逐年增长趋势。除耦合度外，发展度和协调度曲线变化整体相似，说明自然资源和社会经济之间存在耦合协调的响应机制。

图6 1990—2015年额济纳旗自然资源与社会经济耦合度、发展度和协调度的变化趋势

额济纳旗多年自然资源与社会经济耦合协调发展类型(表3)变化显示： 1990年，社会经济和自然资源发展极不协调，两者耦合度最低，其协调度为0.368 3，处于重度失调阶段； 在1995—2005年间，额济纳旗自然资源与社会经济的综合发展水平持续提高，耦合协调类型为低度协调发展型，发展类型由拮抗型发展到磨合型； 到2010年初，全旗森林覆盖率达到5.04%，耕地面积比重达到了17%，耦合协调度总体趋向好转； 2010—2015年额济纳旗耦合协调类型发展为高度协调发展型，处于自然资源和社会经济同步阶段。

表3 1990—2015年额济纳旗自然资源与社会经济耦合协调发展类型

自然资源与社会经济构成的多层次系统较为复杂，各要素之间相互制约与作用。系统耦合协调是一个有机整体，其自然资源与社会经济耦合协调响应机制见图7。在自然资源与社会经济耦合系统中，人口资源、土地资源、森林资源、草地资源、矿产资源等能有效促进社会经济发展。而社会经济系统是由人口、国民经济、农牧业生产、工业生产、社会收支等共同组成的复合系统，社会经济良好发展也能够促进政府投入更多的资金运用于自然资源系统，从而有助于自然资源的改善和保护，进一步促进自然资源的协调发展。

图7 额济纳旗自然资源与社会经济耦合协调响应机制

3.3 额济纳旗未来10 a自然资源和社会经济耦合协调状况预测

灰色系统理论研究对象主要是数据少、部分信息已知、部分信息未知的小样本，且对实验所需要的数据没有较为特别的要求与限制。GM(1,1)模型通常只需要4～10个样本数据就可以建立模型，当样本的数据较多时，反而偏差过大[20-21]。利用EXCEL软件平台对1990—2015年协调度的取值进行2020—2030年预测，得到自然资源与社会经济耦合协调度的时间响应函数为

x(t+1)=-0.160 5e0.432 7t+3.139 9 。

(12)

式中：t为年度；t+1为下一年度； e为自然常数；x为响应函数。

其后验比耦合度C=0.204 2，小概率误差P=0.986 8，故模型验证合格。如图8所示，2020—2030年额济纳旗自然资源和社会经济的耦合协调水平仍会持续上升，将处于高度协调发展阶段。

图8 2020—2030年额济纳旗自然资源和社会经济耦合协调度预测趋势

4 结论

(1)额济纳旗自然资源中可再生资源呈现逐年增长趋势，非再生资源逐年减少，自然资源综合发展水平增长趋向明显，从1990年的0.160 0提高到2015年的0.811 5； 额济纳旗社会经济结构日趋优化，发展质量不断提升，社会经济综合发展水平也是不断上升趋势，从1990年的0.115 0提高到2015年的0.713 8。

(2)额济纳旗自然资源与社会经济的耦合度、发展度、协调度均呈现逐年增长的趋势，除耦合度外，发展度和协调度曲线变化整体相似。耦合协调变化趋势可分为3个发展阶段： 第一阶段，1995年之前为重度失调发展期； 第二阶段，1995—2005年为低度失调—低度协调过渡期； 第三阶段，2005—2015年为高度协调同步期。

(3)根据灰色系统理论GM(1,1)模型预测，2020—2030年，额济纳旗自然资源与社会经济的耦合协调水平仍会持续上升，将处于高度协调发展阶段。