基于動態(tài)耦合模型的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展研究

吳群

摘要：運用動態(tài)耦合模型，對蘭州市2000-2015年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展動態(tài)耦合規(guī)律進行實證分析，結(jié)果顯示：蘭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綜合水平和生態(tài)環(huán)境綜合水平都是呈現(xiàn)曲折上升趨勢，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境耦合度呈現(xiàn)了先下降后上升的趨勢，目前蘭州市正處于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展階段，然而整個協(xié)調(diào)耦合系統(tǒng)也即將進入極限發(fā)展階段，生態(tài)環(huán)境承載力已經(jīng)愈發(fā)不足，生態(tài)環(huán)境對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展的支撐能力接近極限。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu);生態(tài)環(huán)境;動態(tài)耦合;協(xié)調(diào)發(fā)展

中圖分類號：F2文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.15.001

1引言

改革開放40多年來，我國各地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展取得了巨大成就，但是傳統(tǒng)的粗放型經(jīng)濟增長模式主要依靠投資和要素驅(qū)動，帶來嚴重的資源短缺和環(huán)境惡化問題，資源環(huán)境承載力接近極限。在此背景下，運用系統(tǒng)演化理論重新審視產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境二者之間的關(guān)系，對于實現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，形成與生態(tài)文明建設(shè)要求相適應的經(jīng)濟發(fā)展模式具有十分重要的意義。

20世紀50年代，國外一些學者就認識到產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展之間相互影響。Hirschman.A.O（1958）認為產(chǎn)業(yè)發(fā)展應充分利用自身的資源優(yōu)勢，將有限資源投入到高效益、低污染的產(chǎn)業(yè)，高效地進行資源配置，從而對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化升級。國內(nèi)學者趙雪雁等（2005）以黑河流域為研究對象，對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境二者的耦合關(guān)系進行了定量分析，結(jié)果表明：黑河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與環(huán)境產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)度沿河自上游向下游依次降低，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對生態(tài)環(huán)境的依賴性逐漸降低，破壞性逐漸上升。鄒偉進等（2016）基于耦合理論，對我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性進行定量辨識，得出二者的發(fā)展仍存在不平衡，但逐漸向協(xié)調(diào)發(fā)展過渡。

綜觀國內(nèi)外研究，在研究產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境發(fā)展關(guān)系時，大部分學者都是從靜態(tài)層面對二者進行耦合分析，但是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境是動態(tài)變化的，考察二者關(guān)系需要進行動態(tài)耦合研究。

2產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境交互耦合關(guān)系

耦合度一詞最初源于物理學，是對模塊關(guān)聯(lián)程度的一種度量，后被廣泛應用于生態(tài)學、經(jīng)濟學等學科，用來反應兩個或多個系統(tǒng)之間通過各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象。

在經(jīng)濟發(fā)展過程中，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷演變，每個時期的主導產(chǎn)業(yè)或產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)比例都會有所不同，伴隨著這種演變，生態(tài)環(huán)境也會產(chǎn)生相應的變化。不同產(chǎn)業(yè)對資源的利用效率和對環(huán)境造成的壓力各異，在三次產(chǎn)業(yè)中，第二產(chǎn)業(yè)尤其是工業(yè)的生產(chǎn)活動會消耗大量的自然資源，同時還會排放大量的廢水、廢氣、廢渣，對環(huán)境造成很大的壓力;而第三產(chǎn)業(yè)不僅資源消耗少、污染排放低，還可以為第二產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)和服務，改良工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝，降低污染物的排放。因此產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)決定了資源消耗和環(huán)境污染的程度，只有高級化、合理化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，才能有效利用各種生態(tài)資源和降低環(huán)境污染。

生態(tài)環(huán)境是產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動的基礎(chǔ)，為各產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)提供所需的資源和接納生產(chǎn)排放的各種污染物。良好的生態(tài)環(huán)境有助于推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，進而對環(huán)境自身的污染減輕，而惡劣的生態(tài)環(huán)境則對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級產(chǎn)生桎梏作用，具體表現(xiàn)為環(huán)境污染超過了環(huán)境自身的承載力時，環(huán)境對經(jīng)濟的發(fā)展不再是促進而是約束作用，將嚴重制約產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整進程。因此，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境之間不是相互獨立的，而是緊密聯(lián)系在一起的一個復合有機體，兩者之間存在著一種相互作用而彼此影響的關(guān)系。

3模型構(gòu)建

在明確了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境之間存在著客觀的交互耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，可以將產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的變化過程通過非線性的演化方程來形容：

dx（t）dt=f（x1，x2，…，xn）（1）

其中，x為系統(tǒng);t為時間;xi為系統(tǒng)內(nèi)部的第i個元素，i=1，2，…，n;f（x1，x2，…，xn）為xi的非線性函數(shù)。

將f（x1，x2，…，xn）在原點處按泰勒級數(shù)展開：

f（x1，x2，…，xn）=f（0）+a1x1+a2x2+…+anxn+θ（x1，x2，…，xn）（2）

其中，f（0）=0，ai為f（x1，x2，…xn）展開后關(guān)于xi的偏導數(shù)一次項的系數(shù)，θ（x1，x2，…xn）為f（x1，x2，…xn）展開后xi的不低于二次的余項。

將非線性狀態(tài)方程在平衡態(tài)附近進行近似線性化，即在（2）式中可以略去余項θ（x1，x2，…xn），得到線性的狀態(tài)方程從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

dx（t）dt=∑ni=1aixii=1，2，…n（3）

因此，可以按上述方法建立產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（I）和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)（E）演化過程的一般函數(shù)：

f（I）=∑ni=1aixi，i=1，2，…，n（4）

f（E）=∑mj=1bjyj，j=1，2，…，m（5）

式中，f（I）為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展系統(tǒng)，f（E）為生態(tài)環(huán)境發(fā)展系統(tǒng);xi和yj分別為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的元素（均是時間t的函數(shù)）;ai和bj分別為各元素的權(quán)重。

由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的演變和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展是一個相互作用、相互脅迫的過程，則可以將產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境看成一個復合系統(tǒng)，該復合系統(tǒng)只有f（I）和f（E）兩個部分，且這兩個部分主導整個系統(tǒng)，則系統(tǒng)演化方程的形式為：

A=f（I，t）=df（I）dt=α1f（I）+α2f（E），VA=dAdt（6）

B=f（E，t）=df（E）dt=β1f（I）+β2f（E），VB=dBdt（7）

式6、7中，A、 B為受自身與外來影響下產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的演化狀態(tài)，而兩個子系統(tǒng)各自的演化速度為VA和VB，將是衡量復合系統(tǒng)整體速度的標志，可以根據(jù)VA和VB變化來考察整個復合系統(tǒng)的演化狀態(tài)，進而研究整個系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系。

假定產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演化和生態(tài)環(huán)境發(fā)展的耦合關(guān)系呈周期性變化，在每個周期內(nèi)，由于V的變化是VA與VB引起的，可以在二維平面（VA，VB）中來分析V，可以用VA與VB比值的反正切函數(shù)α=arctan（VA/VB）作為耦合度來確定整個系統(tǒng)的演化狀態(tài)以及f（I）和f（E）的協(xié)調(diào)程度。根據(jù)耦合度α的值將整個復合系統(tǒng)劃分為低級協(xié)調(diào)階段、協(xié)調(diào)發(fā)展階段、極限發(fā)展階段、退化重組階段，如圖1所示。

（1）當-90°<α≤0°時，系統(tǒng)處于低級協(xié)調(diào)階段。

（2）當0°<α≤90°時，系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)發(fā)展階段。

（3）當90°<α≤180°時，系統(tǒng)處于極限發(fā)展階段。

（4）當-180°<α≤-90°時，系統(tǒng)處于退化重組階段。

隨后，產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動陷入退化困境，資源環(huán)境也呈現(xiàn)衰竭趨勢，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級與生態(tài)環(huán)境發(fā)展之間的交互脅迫關(guān)系重組，兩個子系統(tǒng)處于螺旋式上升階段。

4蘭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的耦合態(tài)勢分析

4.1產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)指標體系

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的耦合態(tài)勢分析是涉及了經(jīng)濟、社會、環(huán)境等多個方面的復雜體系，該評價指標體系是否科學、合理，直接影響到評價體系的作用，因此，在構(gòu)建指標體系時應遵循系統(tǒng)性、可行性、科學性、層次性和動態(tài)性等原則。

對于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)指標體系的構(gòu)建，從結(jié)構(gòu)水平以及由此帶來的經(jīng)濟效益兩個角度選取了11個評價指標，結(jié)構(gòu)水平的指標有：一、二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和就業(yè)人數(shù)占比、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏離度;經(jīng)濟效益指標有：人均gdp、農(nóng)民人均純收入、社會消費品零售總額、全社會勞動生產(chǎn)率。對于生態(tài)環(huán)境評價指標的選取，從生態(tài)環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境治理、生態(tài)環(huán)境稟賦三個方面選擇了9個評價指標，生態(tài)環(huán)境污染指標有：人均工業(yè)廢水排放量、人均工業(yè)廢氣排放量、人均工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量;生態(tài)環(huán)境治理指標有：工業(yè)固體廢物綜合利用量、污水處理率、廢氣治理設(shè)施運行費用;生態(tài)環(huán)境稟賦指標有：人均耕地面積、建成區(qū)綠化覆蓋率、人均公共綠地面積。

4.2產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的耦合態(tài)勢分析

根據(jù)熵權(quán)法求出個指標的權(quán)重，然后對各指標經(jīng)過標準化過后的數(shù)值經(jīng)過加權(quán)求和，得出蘭州市2000年-2015年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)，兩者的演化曲線如圖2所示，從圖中可以看出，2000年以來，蘭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)和生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)都是在曲折變化中呈上升態(tài)勢。

環(huán)境綜合評價指數(shù)

將產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綜合評價指數(shù)與生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)的兩條變化曲線分別擬合：

A=f（I，t）=0.0003t3-0.0048t2+0.0272t+02664，R2=0.9885，F(xiàn)=344.75

B=f（E，t）=0.3531t0.1664，R2=0.7796，F(xiàn)=4951

兩曲線分別對t求導，得到兩子系統(tǒng)的演化速度VA、VB：

VA=dAdt=0.0009t2-0.0096t+0.0272（8）

VB=dBdt=0.0588t-0.8336（9）

根據(jù)公式求出耦合度并畫出產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)-生態(tài)環(huán)境耦合曲線如圖3所示。

從耦合度的值來看，2000年至2007年間，0°<α<45°，VB>VA>0，生態(tài)環(huán)境的發(fā)展速度大于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的演化速度，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展開始對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，生態(tài)環(huán)境對各產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)活動的支撐作用也開始顯現(xiàn)，兩者構(gòu)成的復合系統(tǒng)有序推進，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境互相影響，聯(lián)系緊密。2008年至2015年間，45°<αSymbolcB@

90°，VA>VB>0，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展仍在持續(xù)，但是各產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)活動消耗的資源環(huán)境的速度愈來愈快，生態(tài)環(huán)境開始制約產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演化。

從耦合的趨勢來看，2000年到2001年耦合度小幅上漲，第三產(chǎn)業(yè)的比重上漲而第二產(chǎn)業(yè)的比重下降，結(jié)構(gòu)更加合理。2001年到2004年，耦合度連續(xù)下降，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)的上漲速度下降得比生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)上漲速度下降得快。2005年到2010年耦合度大幅上漲，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演化速度相對于生態(tài)環(huán)境發(fā)展速度越來越快，由2005年的VB>VA到2008年之后的VA>VB，耦合度α逐漸遠離45度，兩者的耦合程度也逐漸下降，這期間產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到了長足得發(fā)展，各產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)活動對環(huán)境的依賴和消耗也越來越嚴重。2011年到2015年耦合度緩慢上漲，逐漸趨向于90度，耦合程度下降，雖然產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境處于共同發(fā)展階段，仍蘊藏著矛盾：生態(tài)環(huán)境發(fā)展速度落后于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展速度，生態(tài)環(huán)境對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展的支撐能力愈發(fā)不足。

5結(jié)論

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境動態(tài)耦合系統(tǒng)是具有高度關(guān)聯(lián)性的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)之間相互影響、相互制約、相互促進的復合系統(tǒng)，具有動態(tài)演化特征。本文運用動態(tài)耦合模型，對蘭州市該時期產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展動態(tài)耦合規(guī)律進行實證分析，結(jié)果顯示：2000-2015年間蘭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綜合水平和生態(tài)環(huán)境綜合水平都是呈現(xiàn)曲折上升趨勢;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境耦合度呈現(xiàn)了先下降后上升的趨勢，目前蘭州市正處于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展階段，然而協(xié)調(diào)耦合度的增長很快，已經(jīng)逼近90°，表明整個協(xié)調(diào)發(fā)展系統(tǒng)也即將進入極限發(fā)展階段，生態(tài)環(huán)境危機正在進入潛伏期，生態(tài)環(huán)境對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展的支撐能力愈發(fā)不足。

參考文獻

[1]Hirschman A O.Interregional and international transmission of economic growth[J].The Strategy of Economic Development，1958，（1）：183-201.

[2]茍露峰，王海龍，汪艷濤.山東省海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合研究[J].華東經(jīng)濟管理，2015，（04）：29-33.

[3]趙雪雁，周健，王錄倉.黑河流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系辨識[J].中國人口.資源與環(huán)境，2005，（04）：69-73.

[4]鄒偉進，李旭洋，王向東.基于耦合理論的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性研究[J].中國地質(zhì)大學學報（社會科學版），2016，（02）：88-95.

[5]喬標，方創(chuàng)琳.城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的動態(tài)耦合模型及其在干旱區(qū)的應用[J].生態(tài)學報，2005，（11）：211-217.