赣南地区农业生态经济系统耦合态势的时空演变

郑博福,谢泽阳,陶 林,黄琼瑶 ,艾 彪,朱元皓,朱锦奇,*

1 南昌大学资源环境与化工学院,鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室,南昌 330031 2 江西生态文明研究院,南昌 330031 3 江西省吉安生态环境监测中心,吉安 343000

系统耦合广泛存在于农业系统,农业生态经济系统优化耦合是解决农业经济系统与农业生态系统相悖态势,使区域农业更加协调发展、高效利用的重要方法[1- 3]；研究耦合的过程有助于弄清农业生态经济系统的耦合过程和演变规律,实现农业产业与资源相一致,对建立持续、高效的农业生态经济系统有重要的现实意义[4- 5]。很多专家学者在研究生态环境与经济关系的基础上[6- 7]展开了经济与生态环境耦合协调发展的研究[8- 14],为经济的持续、高效发展提供了基础理论。耦合协调模型作为一种用于各种系统的协调发展分析的方法,在生态-经济的耦合分析中广泛使用[15- 17],相比于结构式方程等方法,这一模型能够更好的基于动态数据建模,采用耦合度、耦合协调度对系统内的各自指标彼此之间的耦合程度进行量化计算,反映了系统的协同程度及发展水平的相对高低[18-20],能够直观的、定量的揭示农业生态系统和农业经济系统的互动情况。

赣南地区占江西总面积的23%,截至2018年,有超过980万人口。赣南地区位于我国南方丘陵山地生态脆弱区和南岭山地森林及生物多样性生态功能区,是赣江、东江、北江的源头区,是整个鄱阳湖流域生态系统赖以存续的基础[21],承担着东莞、惠州、深圳和香港70%的淡水需求[22],对赣江流域和珠江流域主体功能的发挥有至关重要的作用；同时也是东南沿海地区向中部内地延伸的过渡地带,是内地通向东南沿海的重要通道,是粤港澳大湾区重的要生态屏障[23],生态区位十分重要。赣南地区地处丘陵地区,地貌以丘陵、山地为主,占赣南地区总面积的80.98%,地形起伏度较大,加之又位于水力侵蚀区中的南方红壤丘陵区,土壤侵蚀占总土地面积的19.86%,致使耕地资源匮乏,人地矛盾较为严重。赣州市依据当地实际情况,大力发展以脐橙、茶叶、油茶等山地经济作物为主的农业产业,在2000—2015年之间,脐橙种植面积从2×104hm2增长到8×104hm2,茶叶种植面积从6×103hm2增长到1.2×104hm2,农业经济在这15年间有显著的增长,农村居民人均农业总产值提升三倍左右,以林果业为特色的赣州市农业产业的发展给区域的生态环境带来了一定的压力[24-25],赣南地区资源环境承载力状况总体已接近临界饱和状态[26]。赣南地区作为多样性生态功能区、水源涵养区以及生态屏障,生态环境恶化产生的影响不仅局限于赣南地区,与整个鄱阳湖流域、东南沿海等地区乃至长江流域周边区域的生态环境稳定和经济发展都密切相关[27]；另一方面,赣南地区有多个贫困县,且较周围其他城市经济落后,该区域经济发展需求非常迫切,因此,寻求生态环境稳定的经济发展模式极为重要。

本文利用耦合协调模型和遥感处理,研究赣南地区的农业生态经济系统耦合态势。首先对2000—2015年的动态数据进行建模,量化赣南地区农业生态系统与农业经济系统发展的协同程度及各系统发展水平的相对高低；其次对影响区域生态系统的的农业经济系统及对承载农业活动的农业生态系统的指标之间的耦合程度进行计算；最终探索赣州市各县(市)不同的情境下两系统的相互影响、发展方式。分析了农业经济系统、农业生态系统的时空变化,为进一步开展丘陵地区生态空间格局优化、农业产业优化和当地政府科学决策、寻求生态、经济等各方利益最优解打下基础。

1 研究区域概述

赣南地区位于江西省南部、赣江上游,北纬 24°29′—27°09′、东经 113°54′—116°38′,地处中亚热带南缘,属亚热带丘陵山区湿润季风气候。赣南地区主要由赣州市所辖有的章贡区、南康市、瑞金市等18个县(市、区)组成,土地总面积3.9×104km2。由于章贡区为城区,农业经济占该区经济总量比重很小,本文选取除章贡区以外的赣州市其余17个县(市)为研究区域(图1)。

图1 研究区Fig.1 Study area

2 数据来源和处理方法

2.1 耦合协调

耦合协调度模型[28]计算方法如下：

C=[(F×G)/[(F+G)/2]2](1/k)

(1)

T=αF+βG

(2)

(3)

式中,C为耦合度；F为农业生态综合指数；G为农业经济综合指数；k为子系统的个数,由于含农业经济、农业生态两个子系统,故k=2；T为农业生态经济系统综合评价指数；α、β为权数,赣南地区生态环境压力较大、生态脆弱性大[29-30],农业活动可能对生态产生较大的影响,根据当地的生态特点,取α=0.6,β=0.4；D为耦合协调度。

2.2 指标体系

2.2.1指标体系的构建

根据赣南地区的自然地理、社会经济发展特征,以能够体现当地农业生态、经济发展水平为目的,参考相关文献,从生态环境、生态压力、产业发展、产业效益等4个方面,在可获取的数据中选取参与农业生态经济系统耦合的指标,去除冗杂、不适合的指标后,构建农业生态经济系统的评价指标体系[31-36]。具体如表1所示。

2.2.2指标权重的确定

将指标体系进行无量纲化处理：

(4)

表1 农业生态系统及农业经济系统指标体系

(5)

式中,Xij为j项指标下第i个指标值,Yij是归一化后的指标值。其中正向指标用(4)式,负向指标用(5)式。

指标的权重方法按照熵值法[37]计算,计算方法如下：

(6)

ej=-(1/lnm)∑pijlnpij

7)

当Pij=0时,重新定义为:Pijlnpij= 0

gj=1-ej

(8)

aj=gj/n-∑gj

(9)

式中,pij为第j项指标下第i个指标值的比重,以便能够将各指标同度量化；ej为第j项指标的熵值,m为指标值总数；gj为第j项指标的差异性系数；aj为第j项权数。

2.2.3农业生态系统和农业经济系统耦合发展程度分类方法

农业生态系统和农业经济系统耦合发展程度,按照表2的耦合协调标准划分为不同的耦合、耦合协调发展程度及协调发展程度。

表2 耦合协调标准判定

2.3 数据来源及相关计算

本文中所需的数据来自两部分,一部分自2000—2015年赣州市及各所属县的统计年鉴摘得或者经简单计算得到,另一部分相关遥感数据的来源及处理方法见表3。

表3 数据来源及处理方法

①地形位指数计算公式：T=ln[(E/E0+1)×(S/S0+1)];其中T为地形位指数,E为某地的海拔,E0为平均海拔,S为某点的坡度,S0为平均坡度。

3 结果

3.1 农业生态系统时空变化

赣南地区各县(市)2000—2015年的农业生态综合指数值及其增长率如图2所示,赣州市各县(市)的农业生态系统随着时间的发展变化小,增长率为0±0.1(± 标准差)；2000—2015年生态条件和生态压力与F值的相关性指数分别为：0.797、0.849、0.796、0.704以及0.206、0.083、-0.005、0.214,生态条件相较于生态压力对F值的影响更大。生态条件的值大多随着时间逐步增加,生态压力则相反,两者分别从2000年的0.25±0.1、0.3±0.1变化到2015年的0.35±0.15、0.2±0.1。由生态条件减去生态压力的值从2000年的0±0.3增加到2015年的0.1±0.3,这一值在2015年仅有崇义县和上犹县为负值,分别为：-0.03和 -2.7,信丰县和南康县值则最大,都为0.4。从空间布局上来看,降雨量、地形位指数、地形起伏度与F值负相关性。其中在降雨量较高、地形位指数较大、地形起伏度大的宁都县、于都县、崇义县、上犹县等的F值较小。总体上,农业生态经济系统的分布与生态条件的关系更为密切,当地的自然条件对农业生态系统的限制作用十分明显,但部分县(市)的生态压力值逐年减小,人为活动带来的生态压力在逐渐增加。

3.2 农业经济系统时空变化

赣州市不同县市2000—2015年的农业经济系统综合指数及其增长率如下图2,农业经济综合评价值与生态系统相反,各县市都有较大的增长,增长率在0 — 1.6之间, 2000—2015年,增长最快的为瑞金市、寻乌县、于都县三地,2015年的G值分别为2000年的651.5%、616.8%和491.7%,其中瑞金市、于都县因G值较小,故增长速度较快。G值增长最多的为寻乌县、安远县、龙南县,分别增加了0.62、0.36、0.56,而于都县和瑞金市仅增长了0.20及0.26。

图2 综合指数及其增长率Fig.2 Composite index and its growth rate

3.3 耦合协调分析

赣南地区2000—2015年农业生态经济系统的耦合度、耦合协调度以及耦合类型如下图4所示：

图3 赣南地区 200—2015年各耦合协调指标分类结果Fig.3 Classification results of coupling and coordination indicators of Gannan region in 2005—2015

3.3.1耦合度分析

从整体的耦合程度来看,不同县(市)耦合程度均有提高。随着年份的增加,耦合度水平不断提高,中度耦合占比在2005年降至0%,基本耦合占比在2010年降至0%,高度耦合呈现出先增加后下降的状态,截至2015年仅有赣县处于高度耦合,耦合度为0.89。赣南地区在2000—2015年耦合度的提升说明了该区域农业生态系统和农业经济系统的关系趋于耦合,一方面是农业生产活动使得滞后的农业经济系统有了较快的发展,另一方面是农业生态系统能够容纳农业经济发展带来的影响,两个系统相互作用,协调发展。不同县(市)的耦合状态也不同,寻乌县耦合程度最高,为0.99,赣县耦合协调度最低,为0.89。从整体和时间变化来看,耦合程度较高、耦合发展较快的区域聚集在赣南地区南部及东南部,耦合程度较低的区域集中在赣县、于都县等赣南中部地区。

3.3.2耦合协调度分析

从整体的耦合程度来看,各县(市)耦合协调度的发展与耦合度的发展基本呈现相似的时间变化规律,耦合协调度2000年为0.5±0.1,赣南地区处于中度、基本协调耦合阶段,2015年为0.7±0.1,处于高度、中度协调耦合阶段。综合图3和图4分析：寻乌县、全南县、龙南县的耦合协调程度最高,分别为0.81、0.77、0.76,处于高度协调耦合；宁都县、上犹县、于都县的耦合协调程度最低,分别为0.66、0.64、0.63,处于基本协调耦合。以2015年数据来看,耦合协调度比耦合度大约低0.2左右,反映了当地农业生态经济系统发展水平较低,农业经济系统较农业生态系统发展滞后,导致两者协调发展水平低。相比于农业生态系统,耦合协调度的提高与农业经济的发展提升更为密切,耦合协调度与各二级指标的相关性中,与农业经济系统指标相关性更高,大多在0.8±0.1之间。耦合协调度的空间分布特征也说明了这一现象,位于赣南地区南部的寻乌、全南、龙南、定南等农业经济发展较好的县的耦合协调度发展较快,而于都、上犹、宁都为主的农业产业规模较小,产业发展水平较低的赣南地区中、北部地区的耦合协调水平发展较为缓慢,发展程度较低。

图4 2000—2015年不同耦合程度、协调程度占比Fig.4 Proportion of different coupling degree and coordination degree in 2000—2015

3.3.3农业生态经济系统发展类型

计算G/F得到表4,从表4及图3来看,赣南地区农业生态经济耦合类型在2010年以前整体均值为0.2,处于农业经济极度滞后阶段；经过发展,在2010年寻乌、安远、全南等县的G/F值分别为0.89、0.54、0.53,赣南地区的耦合类型开始转向农业经济严重滞后和比较滞后这一阶段,大多数县(市)处于转变的临界值；在2015年,寻乌县的G/F值为1.23,已由农业经济滞后转向农业生态滞后,处于农业生态系统比较滞后阶段,兴国县、赣县、于都县、瑞金市、石城县仍处于农业经济极度滞后,其它县仍处在农业经济系统严重滞后阶段。由发展类型来看,经济滞后是限制农业经济系统协调发展的重要原因。

表4 农业生态经济系统发展类型

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1)通过计算2000—2015年赣南地区农业生态经济系统的综合评价值以及耦合度、耦合协调度、发展类型可知,赣南地区的农业生态系统随着时间变化不大,且各县(市)之间差异较小；各县(市)的农业经济综合评价值都有较大的增长,农业经济系统的空间分布基本与李亚国[40]、郭荣芳[41]等人研究一致。2010年以前大部分县市的农业经济发展长期处于极度滞后状态,经过发展,大多数县市在2005年至2010年逐步向农业经济严重滞后过渡；耦合度和耦合协调度随时间都有一定的增长,2015年除赣县外均处于高度耦合外,其他的县(市)已达到极度耦合。各县(市)都朝着高耦合度、耦合协调度的方向发展,且都呈现以赣南地区中部较低,南北部较高的空间布局。

(2)与张红军等人[42]研究的安徽省相比,赣南地区由于其地形破碎、耕地资源少、山地多等地理条件的限制,农业经济发展处在较低的水平,这使得大多数县(市)的农业生态经济系统的耦合协调度低,处于农业经济严重滞后这一阶段。2000—2015年赣南地区农业经济系统的增长主要来自两部分：一方面是脐橙产业的快速发展,2000—2005年脐橙面积从2×104hm2增长到8×104hm2,信丰县、瑞金市、安远县三地的农村居民人均脐橙产量涨幅最大,15年间约增长10倍；另一方面,农村居民人均农业商品总产值增长也给农业经济的发展带来了提升,15年间增长了约10倍,其中崇义县、寻乌县、兴国县三地的分别增长了18.3、17.2、16.9倍。寻乌县在2015年由经济滞后转向生态滞后,是赣南地区首个实现农业经济超过农业生态的县。截止2015年,寻乌县柑橘类作物面积大约2.5×104hm2左右,是赣南地区种植面积比重最大的县,这种农业经济发展模式能够较好的克服当地山多地少,土地不平整的自然特点,促进了当地农业经济的高效发展。赣南地区将粮食、蔬菜、果业作为当地的农业重点产业的决策是合乎当地的实际情况的,尤其是脐橙这种山地经济作物的大面积种植更是极大地促进了当地农业经济的发展。整体而言,赣南地区经过几年的特色农业产业发展,农业经济已经有了明显的发展,但赣南地区大部分县(市)仍处于农业生态经济系统极度耦合、高度耦合协调、农业经济系统严重滞后的阶段。

(3)赣南地区2015年的农村居民人均可支配收入仅为全国的65%左右,但增长速度自2013年以来均为全省第一,为12.1%,相比于全国的8.9%,赣州市仍处于农业经济发展速度高但体量较小的阶段。在这一阶段农业经济系统虽然发展较快,G值基本维持稳定,15年间G值各县(市)的变化率为-3%—12%,均值为5%,结合其他学者[43- 48]在这一段时间内做的研究相比,G值的变化在多呈现倒U形的发展状态,G的变化较大的约在30%左右,较大的约为0.5%。总之,赣南地区的农业经济活动对于生态环境的影响是有限的；但农业生态压力仍在不断的减小,人为影响在逐步增大,再加之农业污染有一定滞后性的,随着农业产业的发展,农业污染的总量和效果会逐步增加。赣州市的农业生态系统和农业经济系统依托于当地高森林覆盖率,两者与森林覆盖率均成较强的正相关,分别为0.78和0.79,两个系统要协调发展,要警惕发展林果业等农业经济活动带来的森林面积、质量的退化。

4.2 结论

(1)农业经济系统相对农业生态系统的滞后发展是限制农业生态经济系统耦合协调发展的原因。随着农业经济进一步提升,耦合度和耦合协调度增加,农业生态系统会在一定的范围波动,但当农业经济发展到一定的程度时,人类活动对环境的影响增大时,可能会对农业生态系统产生较大的改变,使两系统脱耦。

(2)寻乌等县依靠当地的资源优势,逐步克服自然条件的限制,转变了赣南地区普遍地农业经济滞后发展的情况,使当地农业经济系统有了高效的发展。赣南地区独特的条件适宜发展脐橙、茶叶、蔬菜等产业,应继续坚持打造当地的农业品牌,因地制宜的发展农业产业,将当地独特的自然资源转换为产品优势。

(3)在赣南地区之后的发展中,也应该注意农业面源的污染,尤其是陡坡种植脐橙。要适应赣州山地多的生态条件发展农业经济,就要高标准、高效益的开发山地资源,防止水土流失等现象的出现[49],避免最终出现农业污染使生态发生不可逆的危害,应协调两系统的发展,把生态优势转化为产业优势,实现生态效益和经济效益的统一发展。