河北省壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量—社會經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展時空動態(tài)研究

馮明皓 王彥芳*，2，3

（1. 河北地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)院，河北 石家莊 050031；2. 河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 石家莊 050031；3. 河北省農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測國際聯(lián)合研究中心，河北 石家莊 050031）

1 引言

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與社會經(jīng)濟(jì)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展是建設(shè)生態(tài)文明城市、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑［1］。經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展是區(qū)域?qū)嵤┛沙掷m(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，已成為研究的熱點(diǎn)。研究學(xué)者采用不同方法對不同地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與社會經(jīng)濟(jì)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展開展了相關(guān)研究，黃宗亮［2］運(yùn)用主成分分析法對新疆艾比湖流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了耦合協(xié)調(diào)度的評價；吳洪發(fā)［3］從高質(zhì)量發(fā)展的視角分析了浙江經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系；郭靜靜［4］以我國30 個省、市、自治區(qū)為研究對象，通過構(gòu)建生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展評價指標(biāo)體系，從國家和省域兩個尺度出發(fā)，尋求生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展耦合關(guān)系的時間變化和空間對比特征；李強(qiáng)等［5］基于2004—2016 年長江經(jīng)濟(jì)帶的數(shù)據(jù)，測算長江經(jīng)濟(jì)帶108 個城市經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境優(yōu)化耦合協(xié)調(diào)度，實(shí)證研究兩者耦合協(xié)調(diào)度影響因素；Shi 等［6］對中國熱帶和亞熱帶地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行測度及時空異質(zhì)性分析。

但目前關(guān)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量—社會經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展方面的研究往往以省、市等行政范圍為尺度進(jìn)行整體測算和評價，難以精細(xì)化二者耦合發(fā)展的時空演變特征。本文以河北省壩上地區(qū)為研究區(qū)，基于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)集和GDP 空間數(shù)據(jù)集，采用耦合協(xié)調(diào)度模型，研究近20 年河北省壩上地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和社會經(jīng)濟(jì)耦合發(fā)展時空演變動態(tài)，分析不同發(fā)展階段，為壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

2 研究區(qū)概況

河北省壩上地區(qū)地處河北省北部，為我國北方干旱與半干旱、農(nóng)區(qū)與牧區(qū)接壤的過渡地帶，其中包含張家口市的張北、尚義、康保、沽源4 個縣和承德市的豐寧、圍場縣部分地區(qū)。區(qū)域總面積近1.9 萬km2，海拔多在1 200～1 800 m，地形整體呈現(xiàn)東南高、西北低的空間格局（見圖1），總?cè)丝诩s112 萬人。壩上地區(qū)系大陸性季風(fēng)氣候，自然條件惡劣，主要特征為寒冷、多風(fēng)、干旱等，年均氣溫1～2 ℃，無霜期90～120 d，年降水量400 mm 左右，是天然的避暑勝地。歷史上曾是一個原生態(tài)的自然生態(tài)系統(tǒng)，河網(wǎng)密布，水淖豐富，但受氣候變化和開灘種地、過度放牧等人類活動的影響，草場逐步退化，湖淖不斷萎縮，地下水位下降明顯。在經(jīng)濟(jì)方面，農(nóng)業(yè)主要是以種植馬鈴薯、裸燕麥和蔬菜等為主，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常通過種植錯季蔬菜來增加收入；畜牧業(yè)以牛羊養(yǎng)殖為主，由于壩上地區(qū)高原生態(tài)環(huán)境脆弱，貧困發(fā)生率高，因此生態(tài)保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾尤為突出。

圖1 研究區(qū)位置和地形示意

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 數(shù)據(jù)

本研究所用的數(shù)據(jù)包括2001—2019 年壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，以及2000 年、2005 年、2010年和2015 年4 期GDP 時空分布數(shù)據(jù)。其中，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于Xu［7］基于像素的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量模型（Remote sensing ecological index，RSEI-2）構(gòu)建的中國區(qū)域2000—2019 年1 000 m 分辨率生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)集（China′s High-resolution Eco-Environmental Quality，CHEQ）。

社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)采用中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心提供的中國GDP 空間分布千米網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)以全國的縣域GDP 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合了遙感夜間燈光、土地利用類型、人口密度等與人類經(jīng)濟(jì)活動密切相關(guān)的因素，通過多因子權(quán)重分配法將以行政區(qū)域的基本統(tǒng)計(jì)單位的GDP 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)展開至柵格尺度上，從而實(shí)現(xiàn)GDP 的空間化。計(jì)算公式為：

式中，GDPij是空間化后的每個柵格的GDP；GDP 為該柵格單元所在的縣級行政區(qū)單元的GDP 總量；Qij為該柵格單元的夜間燈光亮度、土地利用類型、居民點(diǎn)密度的總權(quán)重；Q 為該柵格單元所在縣級行政單元的夜間燈光亮度、土地利用類型、居民點(diǎn)密度的總權(quán)重。

3.2 方法

3.2.1 GDP 歸一化指數(shù)

以黨的十八大報(bào)告提出的全面建成小康社會為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，即人均GDP 超過3 000 美元（人民幣約2 萬元）。世界發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)表明，人均GDP 達(dá)到3 000 美元后，經(jīng)濟(jì)社會生活將出現(xiàn)一些新的趨勢和變化，包括在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)上，三次產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，服務(wù)業(yè)快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量效益明顯提高；在消費(fèi)結(jié)構(gòu)上，更加注重生活質(zhì)量，促進(jìn)消費(fèi)的多樣化，全面發(fā)展社會事業(yè)；在社會結(jié)構(gòu)上，進(jìn)入小康生活人群將成為社會主體，收入形態(tài)向“橄欖型”轉(zhuǎn)變。本文以壩上地區(qū)人均GDP 達(dá)到小康社會為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算相應(yīng)水平下該地區(qū)GDP 總量，然后再將其轉(zhuǎn)換為達(dá)到小康社會對應(yīng)的地均GDP，即每平方千米土地創(chuàng)造的GDP，以表達(dá)該地塊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)，經(jīng)換算后發(fā)現(xiàn)，地均GDP 大于117 萬元/km2為該地區(qū)達(dá)到小康社會的地均GDP，利用該指標(biāo)可以構(gòu)建社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)（UGDP），公式如下：

3.2.2 耦合協(xié)調(diào)度

耦合協(xié)調(diào)度模型（Coupling Coordination Degree，CCD）可以反映2 個變量之間的相互影響，還能反映系統(tǒng)之間的相互依賴和相互制約程度，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展的動態(tài)關(guān)聯(lián)。采用耦合協(xié)調(diào)度模型計(jì)算生態(tài)環(huán)境質(zhì)量（Eco-Environmental Quality，EEQ）與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展特征，可以有效得出所需結(jié)果。耦合協(xié)調(diào)度模型計(jì)算如下：

式中，EEQ 為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；UGDP為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)；C 為二者的耦合度，范圍從0 到1。為了避免“假配合”現(xiàn)象，即UGDP和EEQ 都很低而C 很高的現(xiàn)象，構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型來評判各子系統(tǒng)的優(yōu)劣等級，即：

式中，T 是UGDP和EEQ 的綜合評價指標(biāo)；α 和β 分別是UGDP和EEQ 的權(quán)重，α+β=1，α 和β 在這項(xiàng)研究中設(shè)定為0.5，即經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境具有同等程度的貢獻(xiàn)；D 是耦合協(xié)調(diào)度，范圍從0 到1，D 越高表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與社會經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展水平越高，由于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)缺少2000 年，因此以2001 年代替2000 年，分別計(jì)算2000 年、2005 年，2010 年和2015 年二者的耦合協(xié)調(diào)度。

D 為耦合協(xié)調(diào)度，D 越接近1，說明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)與社會經(jīng)濟(jì)水平的復(fù)合效益越大，反映系統(tǒng)整體的發(fā)展更加協(xié)調(diào)，反之說明系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)程度低。根據(jù)相關(guān)研究［5］，D∈（0，0.2］為嚴(yán)重失調(diào)，D∈（0.2，0.3］為中度失調(diào)，D∈（0.3，0.4］為拮抗，D∈（0.4，0.5］為磨合，D∈（0.5，0.6］為基本協(xié)調(diào)，D∈（0.6，0.7］為中度協(xié)調(diào)，D∈（0.7，0.8］為良好協(xié)調(diào)，D∈（0.8，1.0］為優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)。

3.2.3 線性傾向率

本研究利用線性傾向定量估算各柵格植被綠度變化趨勢。對于樣本量為n 的變量xi來說，線性傾向估計(jì)通過建立變量序列xi和時間ti之間的一元線性回歸關(guān)系，即：

回歸系數(shù)b 表示變量x 的趨勢傾向，其絕對值大小反映了上升或者下降的速率，b 可以通過最小二乘法擬合得到：

4 結(jié)果與分析

4.1 河北省壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價

4.1.1 壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空分布特征

2001—2019 年的河北省壩上地區(qū)多年平均生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)均值為0.53，略高于0.47 的全國平均水平。其中，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在0.45～0.55 之間的比例最高，達(dá)到82.2%，其次是0.55～0.65，占比為13.1%，其余占比均較小，其空間分布特征和統(tǒng)計(jì)特征如圖2 所示。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的區(qū)域主要分布在察汗淖爾、安固里淖干涸的湖底形成的鹽堿地，以及張北縣、康保縣縣城所在地，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在0.35 以下。此外，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)較低的區(qū)域分布在張北和沽源縣交界、沽源和豐寧縣交界的南部山區(qū)?？梢钥闯?，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差的區(qū)域包括退化的湖泊濕地、建筑用地集中區(qū)以及開荒山區(qū)。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的最高值為圍場縣北部的塞罕壩機(jī)械林場及其周圍區(qū)域，圍場一號風(fēng)景大道的西南部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)也較高。

圖2 壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)空間分布特征和統(tǒng)計(jì)特征

壩上地區(qū)涉及的6 個縣中，區(qū)域平均生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)最高的是圍場縣，為0.58，其次是豐寧和張北縣，為0.53 和0.52，其余3 縣的值均為0.51。因此壩上地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量表現(xiàn)為壩東高壩西低的空間分布，這與壩上地區(qū)的降水和植被覆蓋度分布格局類似。

4.1.2 近20 年壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空演變特征

2001—2019 年，壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈不顯著的下降趨勢，每10 年下降速率為0.005，不同年份的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分布見圖3。2001 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較低的區(qū)域主要為已干涸的察汗淖爾、張北—沽源、沽源—豐寧交界處的壩頭地區(qū)，以及康?？h的北部、尚義縣的南部（見圖3a），安固里淖、塞罕壩、御道口、五道溝等均為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高地。2001年以來，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體分布規(guī)律較為一致，但不同地區(qū)變化差異性較大。整體來說，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化嚴(yán)重的地區(qū)，主要為張北和沽源縣的東北部、安固里淖以及尚義、沽源、張北縣的交接區(qū)域。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的區(qū)域主要為圍場縣部分地區(qū)，以及張北—沽源、沽源—豐寧交界處的壩頭地區(qū)改善較為明顯。整體而言，東南部為改善區(qū)域，西北部為退化區(qū)域。顯著退化、不顯著退化、顯著改善和不顯著改善的比例分別為5.6%，7.4%，59.5%，27.5%，因此整體為不顯著的退化趨勢。

圖3 不同年份壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)空間分布特征

4.2 近20 年壩上地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r

GDP 是區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的集中體現(xiàn)，壩上地區(qū)地均GDP 2000 年的均值為15.8 萬元/km2，2005年達(dá)到33.0 萬元/km2，2010 年為77.6 萬元/km2，2015年為141.5 萬元/km2，GDP 翻了近10 番。到2015 年地均GDP 已經(jīng)達(dá)到小康社會對應(yīng)的117 萬元/km2的平均指標(biāo)。但在空間分布上差異較大，一般縣城所在地是縣域經(jīng)濟(jì)的集中區(qū)域，地均GDP 明顯高于其他區(qū)域，6 個縣相比，張北縣的GDP 在不同時期均為最高。在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對較高的地區(qū)，如壩東地區(qū)，地均GDP 偏低，存在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)的問題。壩上地區(qū)不同年份地均GDP 空間分布見圖4。

圖4 壩上地區(qū)不同年份地均GDP 空間分布

4.3 壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量—社會經(jīng)濟(jì)耦合協(xié)調(diào)度時空演變

2000—2015 年，壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和GDP的耦合協(xié)調(diào)度如圖5 所示。耦合協(xié)調(diào)度從2000 年的0.5 的基本協(xié)調(diào)，發(fā)展到2005 年的0.85 的優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)，2010 年下降至0.71 的良好協(xié)調(diào)，2015 年恢復(fù)到0.85，協(xié)調(diào)度整體呈現(xiàn)波動上升。2000 年區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系處于0.4～0.6 之間的磨合期與基本協(xié)調(diào)期，這時社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于較低水平，生態(tài)環(huán)境承載力強(qiáng)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，2005 年左右為良好協(xié)調(diào)—優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展期，耦合協(xié)調(diào)度向1.0 靠攏，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與生態(tài)環(huán)境承載力水平互相靠近。隨后，經(jīng)濟(jì)繼續(xù)快速發(fā)展，但生態(tài)環(huán)境問題也日益突出，整個區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與生態(tài)環(huán)境承載力水平協(xié)調(diào)度下降，為中度協(xié)調(diào)—良好協(xié)調(diào)，同時在生態(tài)環(huán)境退化嚴(yán)重的區(qū)域，如察汗淖爾、安固里淖等區(qū)域出現(xiàn)拮抗—中度失調(diào)，在康?？h北部和張北—沽源縣南部二者的耦合協(xié)調(diào)度也降為磨合，表明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受到影響。2015 年二者處于良好協(xié)調(diào)—優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展期。

圖5 壩上地區(qū)不同年份生態(tài)環(huán)境質(zhì)量—社會經(jīng)濟(jì)耦合度空間分布

同時，對比了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)關(guān)系的空間演變特征，即當(dāng)UGDP-EEQ＜0 時，耦合協(xié)調(diào)度類型為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后型；當(dāng)UGDPEEQ＞0 時，耦合協(xié)調(diào)度類型為生態(tài)環(huán)境滯后型。壩上地區(qū)不同年份經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)差值的時空演變見圖6。

圖6 壩上地區(qū)不同年份經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)差值的時空演變

2000 年，壩上地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展明顯落后于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，屬于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后型的中度耦合協(xié)調(diào)。2000 年后，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，GDP 逐漸增加，二者的耦合協(xié)調(diào)度逐漸增加，但仍屬于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后型；但是在張北、康保、尚義和沽源縣的縣城所在地，出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)指數(shù)大于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)情況。2010 年，壩西地區(qū)GDP 明顯增加，超過了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，同時二者耦合協(xié)調(diào)度低的區(qū)域主要為生態(tài)退化嚴(yán)重的安固里淖和察汗淖爾等低生態(tài)環(huán)境指數(shù)與低經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域。到2015 年，社會經(jīng)濟(jì)指數(shù)明顯高于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，一方面經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各地紛紛步入小康社會，實(shí)現(xiàn)全面脫貧，另一方面社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也在一定程度上影響了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量，呈現(xiàn)為生態(tài)環(huán)境滯后型。因此，在未來的發(fā)展中要以保護(hù)生態(tài)環(huán)境為前提，實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

本文在分析近20 年河北省壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)與GDP 發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，利用耦合協(xié)調(diào)度模型系統(tǒng)地分析了壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系、空間分布與階段性演變規(guī)律，主要結(jié)論如下：（1）近20 年壩上地區(qū)各縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)最高的是圍場縣，為0.58，其次是豐寧和張北縣，為0.53 和0.52，其余3 縣的值均為0.51，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體表現(xiàn)為壩東高壩西低的空間格局；（2）2001—2020 年，壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈不顯著的下降趨勢，下降速率為每10 年0.005；（3）壩上地區(qū)地均GDP 從2000 年到2015 年翻了近10 番，但是空間一致性較強(qiáng)，差異較大；（4）自2000年起，壩上地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)度整體經(jīng)歷從磨合期—優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)—良好協(xié)調(diào)—優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)的波動性上升，從2000 年的經(jīng)濟(jì)滯后型轉(zhuǎn)為2015 年的生態(tài)環(huán)境滯后型。因此，在未來的發(fā)展中應(yīng)該更加關(guān)注生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，進(jìn)一步推動生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，以保證區(qū)域的可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展。