韓小龍， 王鵬， 龐文龍， 韓昊， 任永吉， 張秉強

(中國地質(zhì)調(diào)查局西寧自然資源綜合調(diào)查中心，青海 西寧 810000)

0 引言

耦合概念源自物理學，是指兩個或兩個以上系統(tǒng)之間通過相互作用，從而產(chǎn)生彼此影響的現(xiàn)象和狀態(tài)[1]。協(xié)調(diào)是兩種或兩種以上系統(tǒng)或系統(tǒng)要素之間具有一種良性的相互關聯(lián)，即系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部要素之間形成和諧統(tǒng)一、良性配合的關系[2]。自20世紀80年代起，“耦合”概念被廣泛運用于自然科學、社會科學和人文科學領域[3]。張浩[4]指出從生態(tài)和經(jīng)濟的關系來講，經(jīng)濟發(fā)展對資源的無限性與供給能力的有限性呈現(xiàn)巨大矛盾，兩者離開任何一方都不能發(fā)展； 唐沛賢等[5]分析得出湖南省近20 a生態(tài)-經(jīng)濟-社會耦合協(xié)調(diào)演化規(guī)律呈上升趨勢，但各個系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)程度仍需進一步磨合和優(yōu)化； 黃奕龍等[6]將水資源生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)耦合成水資源生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，以用來作為水資源可持續(xù)利用的生態(tài)經(jīng)濟評價體系。以上研究主要從定性、區(qū)域性、特定性等角度探討了生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展問題。

前人將耦合協(xié)調(diào)理論引入到黑河流域的研究主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 趙雪雁等[7]指出黑河流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效益自上游向下游在空間上呈倒“U”型，自上游向下游，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； 徐輝等[8]定量評價分析了黑河流域在不同時間點的人口、資源環(huán)境與經(jīng)濟系統(tǒng)的協(xié)調(diào)狀況，進而找出了該區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展方面存在的問題和差距； 劉繼紅[9]指出黑河流域正處于生態(tài)系統(tǒng)健康與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的協(xié)調(diào)發(fā)展階段； 周立華等[10]將黑河流域生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)耦合發(fā)展模式劃分為3個層次，即農(nóng)牧業(yè)耦合、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)耦合和系統(tǒng)與外部的耦合。

基于上述理念，本研究運用系統(tǒng)科學思維方式，通過建立自然資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)模型，對黑河流域下游阿拉善盟額濟納旗近40 a自然資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)過程進行了分析，探討了該區(qū)自然資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)規(guī)律，以期為該區(qū)自然資源與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑河流域是我國西北干旱區(qū)第二大內(nèi)陸河流域，地理位置介于37°41′～42°42′N與96°42′～102°00′E之間，流域總面積達13.4萬 km2[11]。整個流域可以劃分為3大類型區(qū),即上游祁連山地、中游走廊綠洲平原和下游阿拉善高平原。本次研究重點區(qū)為下游阿拉善高平原，海拔1 000 m左右，深居內(nèi)陸，氣候干燥，屬于干旱荒漠和極端干旱氣候。除河流沿岸和居延三角洲外，本區(qū)大部分為沙漠戈壁，風沙危害十分嚴重，為我國北方沙塵暴的主要發(fā)源地之一。

額濟納旗屬于牧、農(nóng)、林經(jīng)濟交互區(qū)，中部的額濟納綠洲有天然次生林和湖灘草場，是額濟納旗重點經(jīng)濟區(qū)，僅占全旗土地總面積的27.57%，南部、西部和北部地帶為干燥剝蝕的低山殘丘(圖1)。旗內(nèi)自然資源主要為人口、土地、植被、礦產(chǎn)等，由于該區(qū)大氣降水稀少，地表徑流主要依靠黑河流域上、中游補充，人口、土地、植被資源呈逐年緩慢增長趨勢，同時隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源呈逐年下降趨勢，整體自然資源發(fā)展和利用狀況形勢嚴峻。

圖1 額濟納旗自然資源分布示意圖

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

為保證數(shù)據(jù)的代表性與可行性，研究區(qū)自然資源和社會經(jīng)濟的各指標數(shù)據(jù)均來自《1990—2019年額濟納旗統(tǒng)計年鑒》[12]和《1990—2019年額濟納旗國民經(jīng)濟和社會發(fā)展公報》[13]。

2.2 研究方法

2.2.1 指標體系的建立

基于科學性、整體性、層次性和可行性原則來選取指標： 在自然資源子系統(tǒng)方面，選取了5個評價準則和14個指標來反映額濟納旗的自然資源變化狀況； 在社會經(jīng)濟子系統(tǒng)方面，由于可參考指標極多且重復性較多，因此利用SPSS軟件平臺的因子分析方法，提取了指標數(shù)據(jù)特征值大于1的主成分因子，構(gòu)建了5個評價準則及19個指標來反映該區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展狀況。本文以這些準則和指標為基礎，構(gòu)建了反映額濟納旗自然資源和社會經(jīng)濟耦合關系的評價指標體系(表1)。

表1 額濟納旗自然資源與社會經(jīng)濟耦合關系評價指標體系

2.2.2 數(shù)據(jù)的標準化處理

為了有效消除數(shù)據(jù)數(shù)量級和量綱不同而產(chǎn)生的影響[14]，首先需要對數(shù)據(jù)進行極差標準化處理。具體處理方法如下。

正向指標的標準化為

，

(1)

負向指標的標準化為

。

(2)

式(1)—(2)中：i為年份;j為指標序號；xij為指標數(shù)據(jù)； min(xj)為第j個指標的最小值； max(xj)為第j個指標的最大值；zij為指標數(shù)據(jù)標準化值。

2.2.3 指標權重的確定

熵值法是客觀賦權法，可避免主觀因素帶來的偏差[15-16]，為此，本文采用熵值法確定指標權重，具體計算過程如下。

將各個指標同度量化，計算第j個指標、第i個年度指標值的比重(pij)，即

，

(3)

第j項指標的熵值為

，

(4)

第j項指標的差異系數(shù)為

gi=1-ei

，

(5)

各個指標的權重為

。

(6)

式(3)—(6)中：p為指標比重；e為指標熵值；g為指標差異系數(shù)；a為指標權重；m為統(tǒng)計年度個數(shù)；q為指標個數(shù)；i為年度。

根據(jù)上述計算過程，得指標權重結(jié)果如表1所示。

2.2.4 綜合評價模型的建立

在計算得到各項指標的權重后，再結(jié)合標準化值，便可確定自然資源和社會經(jīng)濟的綜合發(fā)展函數(shù)，計算公式為

，

(7)

。

(8)

式中：f(x)為自然資源子系統(tǒng)綜合發(fā)展函數(shù)；g(y)為社會經(jīng)濟子系統(tǒng)綜合發(fā)展函數(shù)；αj、βj分別指第j個指標自然資源和社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的權重；zij為指標數(shù)據(jù)標準化值；n為年度。

2.2.5 耦合協(xié)調(diào)度模型的建立

自然資源與社會經(jīng)濟相互影響，有著必然的關聯(lián)。雖然耦合度對判別二者的發(fā)展秩序有很大意義，但在某些時候很難反映兩者之間的整體關系，很可能會誤導結(jié)果，所以需要結(jié)合發(fā)展度T和協(xié)調(diào)度D進行綜合評價。

通過查閱前人研究[17-19]，得到耦合度C、發(fā)展度T、協(xié)調(diào)度D公式為

，

(9)

T=af(x)+bg(y)

，

(10)

。

(11)

式中：f(x)為自然資源子系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)；g(y)為社會經(jīng)濟子系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)；C、T、D∈[0,1]； 由于自然資源與社會經(jīng)濟同等重要，系數(shù)a、b均取值0.5。

對自然資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)程度設定判別標準，既要參照相關行業(yè)評判模式和標準，又要兼顧社會經(jīng)濟的發(fā)展水平和自然資源的可持續(xù)性。因此，本文結(jié)合耦合度C、協(xié)調(diào)度D以及社會經(jīng)濟子系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)與自然資源子系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)的比值[g(y)/f(x)]，將自然資源與社會經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)狀況劃分為3個層次、3個級別、4大類以及12小類(表2)。

表2 自然資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)度分類體系及其判別標準

3 結(jié)果分析

3.1 額濟納旗自然資源和社會經(jīng)濟綜合發(fā)展水平分析

3.1.1 額濟納旗自然資源特征分析

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，額濟納旗人口資源和社會從業(yè)人員呈逐年遞增趨勢，其比重從1990年的46.50%增長到2015年的75.82%(圖2(a))； 實有耕地面積逐年增長，其比重由1990年的4%增長到2015年的17%，土地資源儲量穩(wěn)步提升(圖2(b))； 森林和草原資源均呈逐年小幅度增長趨勢，森林覆蓋率上升趨勢明顯(圖2(c)、(d)、(e))； 社會發(fā)展導致礦產(chǎn)資源需求增加，礦產(chǎn)資源保有量呈現(xiàn)逐年大幅下降趨勢(圖2(f))。由此看出，額濟納旗自然資源中可再生資源呈逐年增長趨勢，非再生資源逐年減少，這是由快速增長的能源需求決定的。

(a) 人口資源變化趨勢 (b) 耕地資源變化趨勢

1990—2015年，額濟納旗自然資源子系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)從0.160 0提高到0.811 5，呈現(xiàn)出逐步增長的趨勢(圖3)。研究區(qū)自然資源發(fā)展水平的快速增長，得益于額濟納旗對國家政策的響應,特別是在額濟納旗居延綠洲建設方面成績突出。期間完成草原建設24.48萬hm2、林業(yè)建設11.53萬hm2。此外，由于全面推行黑河水統(tǒng)一調(diào)度政策，居延三角洲面積較統(tǒng)一調(diào)度前增加了100 km2，胡楊林面積由2.60萬hm2增加到2.96萬hm2。

圖3 額濟納旗1990—2015年自然資源子系統(tǒng)發(fā)展變化趨勢

3.1.2 額濟納旗社會經(jīng)濟特征分析

由圖4可知，額濟納旗社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)日趨優(yōu)化，發(fā)展質(zhì)量不斷提升。人口數(shù)量和質(zhì)量穩(wěn)步提升，人均農(nóng)牧業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)安全穩(wěn)定，其居民收支和社會消費能力進一步增強。額濟納旗城鄉(xiāng)建設統(tǒng)籌推進，逐步深化農(nóng)村牧區(qū)經(jīng)濟體制改革和城鎮(zhèn)經(jīng)濟體制改革，人民生活水平逐漸提升。

1990—2015年，額濟納旗社會經(jīng)濟子系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)從0.115 0提高到0.713 8，整體呈現(xiàn)出逐步增長的趨勢，尤其在2005—2010年期間增長的速率較快(圖5)，這主要得益于額濟納旗改革開放持續(xù)深化，發(fā)展市場活力和改革紅利充分釋放。社會與人民福祉持續(xù)增進，和諧局面不斷鞏固。

(a) 人口變化趨勢 (b) 人均農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)變化趨勢

圖5 額濟納旗1990—2015年社會經(jīng)濟子系統(tǒng)發(fā)展變化趨勢

3.2 額濟納旗自然資源和社會經(jīng)濟耦合關系分析

由耦合協(xié)調(diào)度模型(圖6)可知，自然資源與社會經(jīng)濟發(fā)展度和協(xié)調(diào)度均呈現(xiàn)逐年增長趨勢。除耦合度外，發(fā)展度和協(xié)調(diào)度曲線變化整體相似，說明自然資源和社會經(jīng)濟之間存在耦合協(xié)調(diào)的響應機制。

圖6 1990—2015年額濟納旗自然資源與社會經(jīng)濟耦合度、發(fā)展度和協(xié)調(diào)度的變化趨勢

額濟納旗多年自然資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)發(fā)展類型(表3)變化顯示： 1990年，社會經(jīng)濟和自然資源發(fā)展極不協(xié)調(diào)，兩者耦合度最低，其協(xié)調(diào)度為0.368 3，處于重度失調(diào)階段； 在1995—2005年間，額濟納旗自然資源與社會經(jīng)濟的綜合發(fā)展水平持續(xù)提高，耦合協(xié)調(diào)類型為低度協(xié)調(diào)發(fā)展型，發(fā)展類型由拮抗型發(fā)展到磨合型； 到2010年初，全旗森林覆蓋率達到5.04%，耕地面積比重達到了17%，耦合協(xié)調(diào)度總體趨向好轉(zhuǎn)； 2010—2015年額濟納旗耦合協(xié)調(diào)類型發(fā)展為高度協(xié)調(diào)發(fā)展型，處于自然資源和社會經(jīng)濟同步階段。

表3 1990—2015年額濟納旗自然資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)發(fā)展類型

自然資源與社會經(jīng)濟構(gòu)成的多層次系統(tǒng)較為復雜，各要素之間相互制約與作用。系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)是一個有機整體，其自然資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)響應機制見圖7。在自然資源與社會經(jīng)濟耦合系統(tǒng)中，人口資源、土地資源、森林資源、草地資源、礦產(chǎn)資源等能有效促進社會經(jīng)濟發(fā)展。而社會經(jīng)濟系統(tǒng)是由人口、國民經(jīng)濟、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、社會收支等共同組成的復合系統(tǒng)，社會經(jīng)濟良好發(fā)展也能夠促進政府投入更多的資金運用于自然資源系統(tǒng)，從而有助于自然資源的改善和保護，進一步促進自然資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖7 額濟納旗自然資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)響應機制

3.3 額濟納旗未來10 a自然資源和社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)狀況預測

灰色系統(tǒng)理論研究對象主要是數(shù)據(jù)少、部分信息已知、部分信息未知的小樣本，且對實驗所需要的數(shù)據(jù)沒有較為特別的要求與限制。GM(1,1)模型通常只需要4～10個樣本數(shù)據(jù)就可以建立模型，當樣本的數(shù)據(jù)較多時，反而偏差過大[20-21]。利用EXCEL軟件平臺對1990—2015年協(xié)調(diào)度的取值進行2020—2030年預測，得到自然資源與社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)度的時間響應函數(shù)為

x(t+1)=-0.160 5e0.432 7t+3.139 9 。

(12)

式中：t為年度；t+1為下一年度； e為自然常數(shù)；x為響應函數(shù)。

其后驗比耦合度C=0.204 2，小概率誤差P=0.986 8，故模型驗證合格。如圖8所示，2020—2030年額濟納旗自然資源和社會經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)水平仍會持續(xù)上升，將處于高度協(xié)調(diào)發(fā)展階段。

圖8 2020—2030年額濟納旗自然資源和社會經(jīng)濟耦合協(xié)調(diào)度預測趨勢

4 結(jié)論

(1)額濟納旗自然資源中可再生資源呈現(xiàn)逐年增長趨勢，非再生資源逐年減少，自然資源綜合發(fā)展水平增長趨向明顯，從1990年的0.160 0提高到2015年的0.811 5； 額濟納旗社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)日趨優(yōu)化，發(fā)展質(zhì)量不斷提升，社會經(jīng)濟綜合發(fā)展水平也是不斷上升趨勢，從1990年的0.115 0提高到2015年的0.713 8。

(2)額濟納旗自然資源與社會經(jīng)濟的耦合度、發(fā)展度、協(xié)調(diào)度均呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，除耦合度外，發(fā)展度和協(xié)調(diào)度曲線變化整體相似。耦合協(xié)調(diào)變化趨勢可分為3個發(fā)展階段： 第一階段，1995年之前為重度失調(diào)發(fā)展期； 第二階段，1995—2005年為低度失調(diào)—低度協(xié)調(diào)過渡期； 第三階段，2005—2015年為高度協(xié)調(diào)同步期。

(3)根據(jù)灰色系統(tǒng)理論GM(1,1)模型預測，2020—2030年，額濟納旗自然資源與社會經(jīng)濟的耦合協(xié)調(diào)水平仍會持續(xù)上升，將處于高度協(xié)調(diào)發(fā)展階段。