河北省坝上地区生态环境质量—社会经济耦合发展时空动态研究

冯明皓 王彦芳*，2，3

（1. 河北地质大学土地科学与空间规划学院，河北 石家庄 050031；2. 河北省高校生态环境地质应用技术研发中心，河北 石家庄 050031；3. 河北省农业干旱遥感监测国际联合研究中心，河北 石家庄 050031）

1 引言

生态环境质量与社会经济耦合协调发展是建设生态文明城市、促进经济生态可持续发展的重要途径［1］。经济与生态环境协调发展是区域实施可持续发展的关键，已成为研究的热点。研究学者采用不同方法对不同地区的生态环境质量与社会经济的耦合协调发展开展了相关研究，黄宗亮［2］运用主成分分析法对新疆艾比湖流域社会经济发展水平与生态环境质量进行了耦合协调度的评价；吴洪发［3］从高质量发展的视角分析了浙江经济发展与生态环境质量的耦合协调关系；郭静静［4］以我国30 个省、市、自治区为研究对象，通过构建生态环境与经济耦合协调发展评价指标体系，从国家和省域两个尺度出发，寻求生态环境与经济发展耦合关系的时间变化和空间对比特征；李强等［5］基于2004—2016 年长江经济带的数据，测算长江经济带108 个城市经济增长质量与生态环境优化耦合协调度，实证研究两者耦合协调度影响因素；Shi 等［6］对中国热带和亚热带地区经济发展与生态环境的耦合协调度进行测度及时空异质性分析。

但目前关于生态环境质量—社会经济耦合发展方面的研究往往以省、市等行政范围为尺度进行整体测算和评价，难以精细化二者耦合发展的时空演变特征。本文以河北省坝上地区为研究区，基于生态环境质量数据集和GDP 空间数据集，采用耦合协调度模型，研究近20 年河北省坝上地区的生态环境质量和社会经济耦合发展时空演变动态，分析不同发展阶段，为坝上地区生态环境保护和社会经济的协调发展提供参考。

2 研究区概况

河北省坝上地区地处河北省北部，为我国北方干旱与半干旱、农区与牧区接壤的过渡地带，其中包含张家口市的张北、尚义、康保、沽源4 个县和承德市的丰宁、围场县部分地区。区域总面积近1.9 万km2，海拔多在1 200～1 800 m，地形整体呈现东南高、西北低的空间格局（见图1），总人口约112 万人。坝上地区系大陆性季风气候，自然条件恶劣，主要特征为寒冷、多风、干旱等，年均气温1～2 ℃，无霜期90～120 d，年降水量400 mm 左右，是天然的避暑胜地。历史上曾是一个原生态的自然生态系统，河网密布，水淖丰富，但受气候变化和开滩种地、过度放牧等人类活动的影响，草场逐步退化，湖淖不断萎缩，地下水位下降明显。在经济方面，农业主要是以种植马铃薯、裸燕麦和蔬菜等为主，当地农民常通过种植错季蔬菜来增加收入；畜牧业以牛羊养殖为主，由于坝上地区高原生态环境脆弱，贫困发生率高，因此生态保护和社会经济发展矛盾尤为突出。

图1 研究区位置和地形示意

3 数据和方法

3.1 数据

本研究所用的数据包括2001—2019 年坝上地区生态环境质量数据，以及2000 年、2005 年、2010年和2015 年4 期GDP 时空分布数据。其中，生态环境质量数据来源于Xu［7］基于像素的生态环境质量模型（Remote sensing ecological index，RSEI-2）构建的中国区域2000—2019 年1 000 m 分辨率生态环境质量数据集（China′s High-resolution Eco-Environmental Quality，CHEQ）。

社会经济发展指标采用中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心提供的中国GDP 空间分布千米网格数据集，该数据以全国的县域GDP 统计数据为基础，结合了遥感夜间灯光、土地利用类型、人口密度等与人类经济活动密切相关的因素，通过多因子权重分配法将以行政区域的基本统计单位的GDP 统计数据展开至栅格尺度上，从而实现GDP 的空间化。计算公式为：

式中，GDPij是空间化后的每个栅格的GDP；GDP 为该栅格单元所在的县级行政区单元的GDP 总量；Qij为该栅格单元的夜间灯光亮度、土地利用类型、居民点密度的总权重；Q 为该栅格单元所在县级行政单元的夜间灯光亮度、土地利用类型、居民点密度的总权重。

3.2 方法

3.2.1 GDP 归一化指数

以党的十八大报告提出的全面建成小康社会为经济指标标准，即人均GDP 超过3 000 美元（人民币约2 万元）。世界发展的经验表明，人均GDP 达到3 000 美元后，经济社会生活将出现一些新的趋势和变化，包括在经济结构上，三次产业优化升级，服务业快速发展，经济增长质量效益明显提高；在消费结构上，更加注重生活质量，促进消费的多样化，全面发展社会事业；在社会结构上，进入小康生活人群将成为社会主体，收入形态向“橄榄型”转变。本文以坝上地区人均GDP 达到小康社会为标准，计算相应水平下该地区GDP 总量，然后再将其转换为达到小康社会对应的地均GDP，即每平方千米土地创造的GDP，以表达该地块的经济发展指数，经换算后发现，地均GDP 大于117 万元/km2为该地区达到小康社会的地均GDP，利用该指标可以构建社会经济发展指数（UGDP），公式如下：

3.2.2 耦合协调度

耦合协调度模型（Coupling Coordination Degree，CCD）可以反映2 个变量之间的相互影响，还能反映系统之间的相互依赖和相互制约程度，实现协调发展的动态关联。采用耦合协调度模型计算生态环境质量（Eco-Environmental Quality，EEQ）与社会经济发展指数的耦合协调发展特征，可以有效得出所需结果。耦合协调度模型计算如下：

式中，EEQ 为生态环境质量指数；UGDP为社会经济发展指数；C 为二者的耦合度，范围从0 到1。为了避免“假配合”现象，即UGDP和EEQ 都很低而C 很高的现象，构建耦合协调度模型来评判各子系统的优劣等级，即：

式中，T 是UGDP和EEQ 的综合评价指标；α 和β 分别是UGDP和EEQ 的权重，α+β=1，α 和β 在这项研究中设定为0.5，即经济与生态环境具有同等程度的贡献；D 是耦合协调度，范围从0 到1，D 越高表示生态环境质量与社会经济的协调发展水平越高，由于生态环境质量指数缺少2000 年，因此以2001 年代替2000 年，分别计算2000 年、2005 年，2010 年和2015 年二者的耦合协调度。

D 为耦合协调度，D 越接近1，说明生态环境质量指数与社会经济水平的复合效益越大，反映系统整体的发展更加协调，反之说明系统的耦合协调程度低。根据相关研究［5］，D∈（0，0.2］为严重失调，D∈（0.2，0.3］为中度失调，D∈（0.3，0.4］为拮抗，D∈（0.4，0.5］为磨合，D∈（0.5，0.6］为基本协调，D∈（0.6，0.7］为中度协调，D∈（0.7，0.8］为良好协调，D∈（0.8，1.0］为优质协调。

3.2.3 线性倾向率

本研究利用线性倾向定量估算各栅格植被绿度变化趋势。对于样本量为n 的变量xi来说，线性倾向估计通过建立变量序列xi和时间ti之间的一元线性回归关系，即：

回归系数b 表示变量x 的趋势倾向，其绝对值大小反映了上升或者下降的速率，b 可以通过最小二乘法拟合得到：

4 结果与分析

4.1 河北省坝上地区生态环境质量评价

4.1.1 坝上地区生态环境质量时空分布特征

2001—2019 年的河北省坝上地区多年平均生态环境质量指数均值为0.53，略高于0.47 的全国平均水平。其中，生态环境质量指数在0.45～0.55 之间的比例最高，达到82.2%，其次是0.55～0.65，占比为13.1%，其余占比均较小，其空间分布特征和统计特征如图2 所示。生态环境质量较差的区域主要分布在察汗淖尔、安固里淖干涸的湖底形成的盐碱地，以及张北县、康保县县城所在地，生态环境质量指数在0.35 以下。此外，生态环境质量指数较低的区域分布在张北和沽源县交界、沽源和丰宁县交界的南部山区。可以看出，生态环境质量较差的区域包括退化的湖泊湿地、建筑用地集中区以及开荒山区。生态环境质量指数的最高值为围场县北部的塞罕坝机械林场及其周围区域，围场一号风景大道的西南部生态环境质量指数也较高。

图2 坝上地区生态环境质量指数空间分布特征和统计特征

坝上地区涉及的6 个县中，区域平均生态环境质量指数最高的是围场县，为0.58，其次是丰宁和张北县，为0.53 和0.52，其余3 县的值均为0.51。因此坝上地区整体生态环境质量表现为坝东高坝西低的空间分布，这与坝上地区的降水和植被覆盖度分布格局类似。

4.1.2 近20 年坝上地区生态环境质量时空演变特征

2001—2019 年，坝上地区生态环境质量总体呈不显著的下降趋势，每10 年下降速率为0.005，不同年份的生态环境质量指数分布见图3。2001 年生态环境质量较低的区域主要为已干涸的察汗淖尔、张北—沽源、沽源—丰宁交界处的坝头地区，以及康保县的北部、尚义县的南部（见图3a），安固里淖、塞罕坝、御道口、五道沟等均为生态环境质量高地。2001年以来，区域生态环境质量整体分布规律较为一致，但不同地区变化差异性较大。整体来说，生态环境质量退化严重的地区，主要为张北和沽源县的东北部、安固里淖以及尚义、沽源、张北县的交接区域。生态环境质量改善的区域主要为围场县部分地区，以及张北—沽源、沽源—丰宁交界处的坝头地区改善较为明显。整体而言，东南部为改善区域，西北部为退化区域。显著退化、不显著退化、显著改善和不显著改善的比例分别为5.6%，7.4%，59.5%，27.5%，因此整体为不显著的退化趋势。

图3 不同年份坝上地区生态环境质量指数空间分布特征

4.2 近20 年坝上地区社会经济发展状况

GDP 是区域社会经济发展的集中体现，坝上地区地均GDP 2000 年的均值为15.8 万元/km2，2005年达到33.0 万元/km2，2010 年为77.6 万元/km2，2015年为141.5 万元/km2，GDP 翻了近10 番。到2015 年地均GDP 已经达到小康社会对应的117 万元/km2的平均指标。但在空间分布上差异较大，一般县城所在地是县域经济的集中区域，地均GDP 明显高于其他区域，6 个县相比，张北县的GDP 在不同时期均为最高。在生态环境质量相对较高的地区，如坝东地区，地均GDP 偏低，存在生态环境质量与经济发展不协调的问题。坝上地区不同年份地均GDP 空间分布见图4。

图4 坝上地区不同年份地均GDP 空间分布

4.3 坝上地区生态环境质量—社会经济耦合协调度时空演变

2000—2015 年，坝上地区生态环境质量和GDP的耦合协调度如图5 所示。耦合协调度从2000 年的0.5 的基本协调，发展到2005 年的0.85 的优质协调，2010 年下降至0.71 的良好协调，2015 年恢复到0.85，协调度整体呈现波动上升。2000 年区域经济和生态环境质量的耦合协调关系处于0.4～0.6 之间的磨合期与基本协调期，这时社会经济发展处于较低水平，生态环境承载力强。随着经济的发展，2005 年左右为良好协调—优质协调发展期，耦合协调度向1.0 靠拢，社会经济发展水平与生态环境承载力水平互相靠近。随后，经济继续快速发展，但生态环境问题也日益突出，整个区域社会经济发展水平与生态环境承载力水平协调度下降，为中度协调—良好协调，同时在生态环境退化严重的区域，如察汗淖尔、安固里淖等区域出现拮抗—中度失调，在康保县北部和张北—沽源县南部二者的耦合协调度也降为磨合，表明随着经济的发展生态环境质量受到影响。2015 年二者处于良好协调—优质协调发展期。

图5 坝上地区不同年份生态环境质量—社会经济耦合度空间分布

同时，对比了社会经济发展指数与生态环境质量指数关系的空间演变特征，即当UGDP-EEQ＜0 时，耦合协调度类型为社会经济发展滞后型；当UGDPEEQ＞0 时，耦合协调度类型为生态环境滞后型。坝上地区不同年份经济发展指数与生态环境质量指数差值的时空演变见图6。

图6 坝上地区不同年份经济发展指数与生态环境质量指数差值的时空演变

2000 年，坝上地区的社会经济发展明显落后于生态环境质量，属于社会经济发展滞后型的中度耦合协调。2000 年后，随着经济的发展，GDP 逐渐增加，二者的耦合协调度逐渐增加，但仍属于社会经济发展滞后型；但是在张北、康保、尚义和沽源县的县城所在地，出现经济指数大于生态环境质量指数情况。2010 年，坝西地区GDP 明显增加，超过了生态环境质量指数，同时二者耦合协调度低的区域主要为生态退化严重的安固里淖和察汗淖尔等低生态环境指数与低经济发展区域。到2015 年，社会经济指数明显高于生态环境质量指数，一方面经济的发展，各地纷纷步入小康社会，实现全面脱贫，另一方面社会经济的发展也在一定程度上影响了当地的生态环境质量，呈现为生态环境滞后型。因此，在未来的发展中要以保护生态环境为前提，实现社会经济和生态环境的协调、可持续发展。

5 结论

本文在分析近20 年河北省坝上地区生态环境质量指数与GDP 发展情况的基础上，利用耦合协调度模型系统地分析了坝上地区生态环境质量与经济发展之间的耦合协调关系、空间分布与阶段性演变规律，主要结论如下：（1）近20 年坝上地区各县的生态环境质量指数最高的是围场县，为0.58，其次是丰宁和张北县，为0.53 和0.52，其余3 县的值均为0.51，生态环境质量整体表现为坝东高坝西低的空间格局；（2）2001—2020 年，坝上地区生态环境质量总体呈不显著的下降趋势，下降速率为每10 年0.005；（3）坝上地区地均GDP 从2000 年到2015 年翻了近10 番，但是空间一致性较强，差异较大；（4）自2000年起，坝上地区经济发展与生态环境质量耦合协调度整体经历从磨合期—优质协调—良好协调—优质协调的波动性上升，从2000 年的经济滞后型转为2015 年的生态环境滞后型。因此，在未来的发展中应该更加关注生态环境质量，进一步推动生态环境质量与社会经济协调发展，以保证区域的可持续、高质量发展。