区域森林生态-自然-经济-社会复合系统的耦合协调度*——以长沙市为例

刘奕汝 杨培涛

（1. 日本大阪大学 丰中 560-0043；2. 中南林业科技大学 长沙 410004）

森林是生态系统的重要主体和现代生态文明建设的主要内容，在维护区域生态安全和促进经济、社会、文化、生态健康可持续发展中具有重要作用。党中央和地方各级政府将生态文明建设融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设的全过程，建设美丽中国，但区域发展中掠夺性的森林生态资源开发与高消耗低效率的利用和改造，严重扭曲了区域森林生态-自然-经济-社会复合系统生态安全、环境友好、经济发展、社会协调的协同共生关系，极大威胁到区域生态安全和生态文明建设进程。在区域生态环境日益恶化的当下，促进区域森林生态-自然-经济-社会复合系统的高质量发展，构建其耦合协调发展指标体系，量化其演化过程中的耦合协调度，解决区域森林生态、自然环境、经济、社会四者之间的深层次矛盾，是实现区域发展的科学决策。

区域森林生态系统、自然环境系统、经济系统、社会系统构成相互作用的复合系统，以往研究主要集中在以下几方面：1） 概念界定及其价值核算，以区域森林生态资产的概念界定为基础构建评估指标体系对其价值量进行系统核算或评估，认为区域森林生态系统是区域生态环境的主体（Greyet al.，1978），生产并提供生态产品和服务（Petersonet al.，2012），其效应包括不同等级人类聚落区内部及其周围的木木植物和相关植被（Nowaket al.，2000）以及生态系统服务价值净现值的总和（Costanza，1996；欧阳志云等，2016），区域森林生态资源资产存量和流量（高吉喜等，2016）、直接价值和间接价值（博文静等，2019）、有形森林生态产品价值量和无形森林生态服务价值量（董天等，2019）；2） 影响效应，运用Landsat MSS数据、时间序列数据、面板数据等，在分析区域森林生态结构和功能以及价值量变化的基础上，探讨区域森林生态系统对自然环境系统、经济系统、社会系统的影响效应，认为区域森林生态系统修复对区域降水量、降水污染、气温等自然环境系统具有改善和净化效应，森林资源禀赋可优化区域投资环境，缩小城乡发展差距，改善社区的人口结构、就业渠道、生活方式等（Rogerset al.，2015）；3） 子系统耦合发展，通过非协调性耦合模型或耦合协调度模型对不同区域森林生态系统、自然环境、经济系统、社会系统中的2或3个子系统进行耦合协调分析，得出不同耦合协调结论，如温彦平等（2019）认为广西28个地级市城镇化、产业结构、生态环境三者之间耦合存在不确定性，邹佳敏等（2023）得出全国31个省（区、市）森林碳汇与区域居民福祉耦合特征大致为同向增强趋势。总之，国内外研究成果主要集中在省域或跨区域流域的大尺度空间生态系统与经济、社会之间协调关系的研究上，市级或县级等中小区域的研究较为鲜见，且对3或3个以上复杂系统协调性的研究较少。鉴于此，本研究以长沙市为例，测度分析其森林生态-自然-经济-社会复合系统的耦合协调度，探究区域森林生态系统建设的驱动因子，以期为区域城市群的协调发展提供决策依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

长沙市位于湖南省东部偏北，湘江下游和长浏盆地西缘，地理位置介于111°53′—114°15′E，27°51′—28°41′N之间。市辖芙蓉区、天心区、雨花区、岳麓区、开福区、望城区、宁乡市、浏阳市和长沙县等六区二市一县，全境河网密布，湘江由南向北斜贯中部，南部丘岗起伏，北部平坦开阔，地势由南向北倾斜，形如一个向北开口的漏斗，流经里程25 km，全市实有人口约1 200万人，常住总人口1 004.8万人，城镇化率83%，全市国土面积1 182 800 hm2，森林覆盖率达55%。

1.2 研究方法

1.2.1 指标体系构建 分析区域森林生态系统与自然环境、经济、社会复合系统之间耦合协调的内生机制，必须依据科学性、典型性、全面性、独立性、可获取性和可操作性等原则选取各系统指标。本研究借鉴国内外相关研究成果，结合区域森林生态-自然-经济-社会复合系统耦合协调发展研究数据的可得性和可行性，构建区域森林生态-自然-经济-社会复合系统耦合协调发展的评价指标体系，见表1。

表1 区域森林生态-自然-经济-社会复合系统耦合协调发展的指标体系Tab. 1 Index system of coupling and coordinated development of regional forest ecology-natural environment-economysociety complex system

1.2.2 耦合协调度模型 为消除主观权重偏差，首先对区域气候、土地利用、人口变化、消费结构、收入结构、产业结构和财政支出结构等方面的原始数据进行无纲量标准化转化，采用P值法测算区域城市森林生态-自然-经济-社会复合型系统指标值的指标比重，然后利用熵值函数和灰色关联系数函数分别核算熵值和灰色关联系数，计算关联度Ri，核算出权重系数Wij，最后核算出系统相关系数、综合评价指标、耦合度和耦合协调度。具体核算过程如下。

1） 无纲量标准化转化：

式中：Xij和表示第i个指标在第j时刻的指标值和无纲量标准化转化指标值；max(Xij)和min(Xij)分别表示第i个指标在第j时刻的指标最大值和最小值。

2） 指标占比变换：

式中：Pij表示第i个指标在第j时刻的指标值比重，i=1, 2, 3···n，j=1, 2, 3···m。

3） 计算指标的熵值和灰色关联系数：

式中：ei表示第i个指标值的熵值；ξij表示指标值的灰色关联度。

4） 核算各指标的相关系数：

式中：Wi为第i个指标的权重系数。

5） 考虑到传统的耦合度模型式（6）会低估耦合度，将其修改为式（7）：

6） 核算系统的耦合协调度：

式中：D为耦合协调度；C为耦合度；T为系统的综合评价指数；a为区域森林生态系统禀赋的权重系数；b为自然环境系统的权重系数；ξ为经济系统的权重系数；ρ为社会系统的权重系数。耦合协调度D的值域在[0,1]，越趋向于1，系统之间协调性越高，依据闻豪等（2019）、冯雨雪等(2020)、陈秀英等（2021）对耦合协调度的分类，将区域森林生态系统与区域森林生态自身禀赋系统、自然环境系统、经济系统和社会系统的耦合协调度分成10类（表2）。

表2 区域森林生态-自然-经济-社会复合系统耦合协调度分类Tab. 2 Classification of coupling coordination degree of regional forest ecosystem-natural environment-economysociety complex system

1.2.3 数据来源与核算 从1980—2020年《中国统计年鉴》、《湖南省统计年鉴》、《长沙市统计年鉴》、《湖南省气象年鉴》、《长沙市气象年鉴》、长沙市各年政府工作报告等中获取长沙市气候、土地利用、人口变化、消费结构、收入结构、产业结构和财政支出结构等方面的原始数据，走访政府相关部门调查核实获得的一手数据以及拜访相关专家整理数据资料；长沙市森林生态资产价值量为运用湖南省林业二类调查数据和长沙市林业年鉴数据以及湖南省森林资源统计年报等数据资料，部分参数指标参考相关学者的研究成果并依据长沙市实际情况进行适度调整。在此基础上，依据《森林生态系统服务功能评估规范》（GB/T 38582—2020）分别对长沙市城市森林生态资产的经济效应功能价值量、生态效应功能价值量和社会效应功能价值量进行核算，并依据耦合度式(7)和耦合协调度式(8)分别核算出1980—2020年长沙市森林生态-自然-经济-社会复合系统耦合度和耦合协调度的指标值。

2 结果与分析

2.1 森林生态资产的耦合度分析

依据表3中的指标耦合度绘制1980—2020年长沙市各系统间的指标耦合度（图1），复合系统与子系统间的耦合度存在差异：1） 1980—2020年40年间长沙市森林生态-自然-经济-社会复合系统的耦合度C呈“倒U形”，整体呈现出上升趋势，上升4.31%，这归因于自然环境系统和社会系统与区域森林生态系统各指标的耦合度C2和C3不断增强，经济系统和森林生态系统自身禀赋与森林生态系统各指标的耦合度C4和C1虽不断下降，但C1始终高于C，C2始终低于C，C3和C4先高于C后分别于1990年和2000年转向低于C；2） 长沙市森林生态系统自身禀赋指标耦合度C1在1980—2020年整体处于下降趋势，基本呈一条从左上角向右下角倾斜的直线，说明长沙森林生态系统内部禀赋长期存于衰退阶段，主要是城市扩张导致森林数量减少和森林生态系统质量衰退；3） 长沙市森林生态系统与自然环境系统的耦合度C2在1980—2020年处于逐年上升趋势，提升幅度较大，从51.01%升至91.62%，提升40.61%，年均提升1.16%，呈现一条从左下角向右上角倾斜的直线，归因于长沙市气候条件转好和制度环境变优，使得该地区不仅增加森林数量，而且优化森林结构和区域土地的利用结构，改善森林生态质量，提高了森林生态系统与自然环境系统的耦合度C2，进而提升长沙市森林生态-自然-经济-社会复合系统的综合耦合度C；4） 长沙市森林生态系统与社会系统的耦合度C3在1980—2020年呈上升趋势，从66.9%升至92.35%，耦合度不断加强，主要原因是城市化提速，社会资源集中分配到工业上，城市人口密度较高，城市人口总量增加，消费性支出下降，投资性支出（尤其是城市基础性建设和房地产支出）增加，城市建设用地和工业化生产挤占和侵占森林生态资源，使得森林生态系统数量减少和质量下降，但这一时期社会的生态意识不断增强，区域林业可持续发展理念不断深入人心，推行主体功能分区规划和利用策略，实行封山育林、植树造林、退耕还林、天然林保护、自然保护区建设和生态补偿，社会系统根据资源环境的承载能力，统筹区域人口分布、国土利用、城市化布局和引导居民消费和区域协调发展，谋求长沙区域性森林生态、自然环境、经济和社会的合理布局，提升森林生态与社会系统耦合度C3；5） 长沙市森林生态系统与经济系统的耦合度C4在1980—2020年处于下滑趋势，从99.96%降至50.65%，下滑49.31%，年均下滑1.41%，从图形上基本呈“U形”形态，说明在此阶段经济发展使得社会物质财富增加并没有带来森林生态资源数量增长和生态服务功能质量提升，反而造成森林生态资源破坏，生态服务功能衰退以及生态承载能力下降，最终反过来制约经济系统发展的速度和质量。

图1 1980—2020年长沙市各系统间的指标耦合度Fig. 1 1980-2020 index coupling among Changsha systems

表3 1980—2020年长沙市森林生态-自然-经济-社会复合系统耦合度和耦合协调度的指标值Tab. 3 Index values of coupling degree and coupling coordination degree of forest ecosystem-nature-economy-society complex system in Changsha from 1980 to 2020

2.2 森林生态资产的耦合协调度分析

依据表3中的耦合协调度绘制1980—2020年长沙市各系统间的耦合协调度（图2），1980—2020年长沙市森林生态系统与自然环境系统和社会系统之间的耦合协调度均呈逐年上升的“S形”趋势，与经济系统的耦合协调度呈先升后降再升的“N形”趋势，但2015年后各系统的耦合协调度上升趋势均有所放缓。具体分析如下：1） 从长沙市森林生态-自然-经济-社会复合系统的耦合协调度和森林生态系统与社会系统的耦合协调度看，1980—2020年分别从0.43、0.44升至了0.77，先后均经历濒临失调、勉强协调、轻度协调和中度协调4个阶段；2） 从长沙市森林生态系统与森林生态自身禀赋系统看，其耦合协调度逐年上升，从0.33升至0.81，先后经历轻度失调、濒临失调、勉强协调、轻度协调和中等协调5个阶段；3） 从森林生态系统与自然环境系统看，其耦合协调度始终处于协调阶段，程度逐年提升，1980—2020年从0.65升至0.978，先后经历轻度协调、中度协调、良好协调和优质协调阶段4个阶段；4） 从森林生态系统与经济系统来看，1980—2020年森林生态系统与经济系统的耦合协调度呈“N形”变化趋势，整体处于上升阶段，从0.27升至0.74，大致经历中度失调、轻度失调、濒临失调、轻度协调和中度协调阶段5个阶段，但中度失调阶段波动较大。

图2 1980—2020年长沙市各系统间的耦合协调度Fig. 2 Coupling and coordination among Changsha systems from 1980 to 2020

3 讨论与建议

本研究基于长沙市森林生态系统、自然环境系统、社会系统和经济系统指标数据，运用耦合协调度模型测度长沙市森林生态-自然-经济-社会复合系统以及森林生态系统与各子系统的耦合度和耦合协调度，结果表明：

1） 1980—2020年长沙市森林生态-自然-经济-社会复合系统以及各子系统间的耦合协调度整体水平不高，处于中度协调阶段。从各系统看，一方面长沙市森林生态系统资源禀赋相对贫乏、自然环境系统生态区位脆弱性、经济系统的工业化和社会系统的城镇化导致区域生态供给与自然、经济、社会发展的生态需求矛盾不断加深，使得复合系统以及各子系统间的耦合协调度较低；另一方面实施绿色发展和可持续发展战略，各级政府各项政策法规的出台、民众生态保护意识的增强与消费理念的绿色化、经济增长方式的集约化和产业结构的低碳化以及绿色科学技术创新转化等使得长沙市各系统的耦合协调度逐渐趋于中度耦合协调。但由于长沙市环境规制类型不清晰、环境保护投放缺位失位、绿色技术创新力量相对不足等因素使得长沙市森林生态耦合协调度整体水平较低，处于中度协调的初期阶段，这与倪维秋（2016）研究中国三大城市群城市土地利用经济、社会、生态效益的耦合协调性以及倪鹏飞等（2018）研究法兰克福、马德里、维也纳等欧洲区域生态与经济社会的耦合协调度基本类似。

2） 长沙市森林生态-自然-经济-社会复合系统以及森林生态系统与自然环境系统、社会系统、经济系统的耦合协调度水平在1980—2020年均呈不同程度上升，但上升趋势趋缓，说明长沙市生态、自然、经济与社会系统均进入新常态，社会系统二元结构差异逐渐消失，民众绿色消费、低碳消费、生态消费成为主流；经济系统由高速增长转变为中高速增长，高质量集约型成为产业发展主流，资源节约型和环境友好型建设成效初显，自然环境系统更注重有效保护和合理利用，生态区位优势逐渐显现，使得长沙市森林生态资产数量和质量提升改善，自然环境保护更加有效，经济结构优化升级，社会文化趋于稳定合理化，耦合协调度逐渐增强，这与程钰等（2020）在研究我国沿海地区（江苏、浙江、广东等地）生态与经济社会系统耦合协调度时得出的结论基本相同，即在高速稳定提升阶段区域生态系统与经济社会系统的耦合协调度呈上升趋势。

3） 长沙市作为我国中部重要的城市和长株潭城市群建设的中心，既是绿色发展的主战场，又是长江经济带高质量发展引领中部经济发展的主力军，目前进入经济增长方式转型、产业结构调整升级和生态文明建设提升的叠加时期，依据区域各系统之间的耦合协调机制，结合长沙市的区域特征，建议构建长沙市森林生态系统可持续发展保障体系：建立优良的区域森林自然环境子系统，加强对长沙市自然环境中的光、水和气温、土壤改良和土壤碳氮循环过程以及森林结构、生态功能结构、凋落物分解、生态系统养分循环和营养物质积累等自然环境条件进行动态监测与研究；建立高质量可持续的经济发展子系统，发展绿色生态经济和循环经济，围绕产业集约化、集聚化、集成化推动产业结构转型升级，打造特色高端生活性服务业体系和现代智能生产服务体系；搭建承载合理与绿色消费的社会子系统，控制区域人口规模与增速，提高人口整体素质，改善人口结构和居民消费结构，引导居民绿色消费、低碳消费、生态消费，推动居民的消费结构升级，促进区域森林生态圈健康可持续发展。