山东省区域经济-生态安全-环境保护耦合协调水平测度及时空分异格局
时间：2023-02-27 09:15:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王佳楠，程启先，陈庆锋，张林鹏,3，吴依含，相青月，张赞奎
(1.山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250358；
2.信阳师范学院 地理科学学院，河南 信阳 464000；
3.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059)
伴随我国经济的快速发展，生态环境问题愈发突出，生态文明建设、可持续发展等理念提升到了国家战略层次的新高度[1]。国家“十四五”规划中明确提出优化区域经济布局，促进区域协调发展，继续坚持可持续发展的基本战略，进一步确认了生态安全、环境保护与经济发展具有同等重要的地位。如何平衡区域经济-生态安全-环境保护(RE-ES-EP)系统间的关系，已成为各界关注的焦点。
国内外学者对生态环境与经济发展间的协调发展关系进行了大量的研究，主要包括以下几个方面：第一，城市化进程中协调发展的研究。Tomal[2]通过考察2003—2019年波兰各城市的发展过程，对所有城市发展的耦合协调程度和趋同行为进行了时空演变分析，得出基础设施和环境方面是被研究城市发展的主要障碍。Xing等[3]利用系统动力学建立了经济-资源-环境(ERE)系统的动态模型并对武汉市进行研究，结果表明能源结构和自然环境的改善是城市可持续发展的优先选择。Luo等[4]应用反向传播人工神经网络(BPANN)探索长江三角洲城市群中经济-社会-环境(ESE)系统耦合协调度的影响因素。第二，生态环境与社会经济二元系统耦合协调研究。熊建华等[5]运用综合指数法和耦合协调度模型对广州市土地生态安全与社会经济发展进行耦合协调分析，结果表明二者间耦合协调需找到发展的平衡点。任祁荣等[6]、唐晓灵等[7]分别以甘肃省和陕西省为研究对象，研究自然生态环境质量变化与社会经济发展之间的耦合协调度及其演变过程。第三，生态环境与经济协调发展及空间分布规律的研究。刘同超[8]、宋洁[9]分别运用交互胁迫、空间计量等模型，通过构建指标体系对黄河流域9个省级行政区的生态环境与经济发展间耦合协调度进行时空特征分析。逯进等[10]在解析耦合机制的基础上，通过实证解析山东省能源、经济和环境间协调度的动态演化特征。魏振香等[11]采用空间自相关模型对山东省各城市工业化和生态环境耦合的演变规律进行详细分析，并提出促进各城市工业与生态系统协同发展的对策建议。
综上，国内外学者多侧重于二元系统间的耦合研究，对RE-ES-EP三元系统间的耦合研究相对较少，且研究范围以市域居多，省域较少。本文中在已有研究的基础上，通过构建RE-ES-EP系统评价指标体系，分析山东省2010—2019年RE-ES-EP三元系统间协调发展的水平测度及时空分异趋势。以山东省16个城市为研究对象，探究各城市RE-ES-EP三元系统间的耦合协调关系演变过程，为推进山东省经济、生态和环境保护的协调、有序发展提供参考。
1.1 研究区域
山东省地处黄河下游，位于中国东部沿海地区。根据国家统计局统计数据，截至2019年底，全省地区生产总值(GDP)突破70 540.5亿元，在经济建设方面取得了巨大的成就。近10 a来，山东省加快推进产业、能源等结构优化调整，但面临的生态环境等方面压力依然较大。为了实现经济发展与生态环境保护双赢，山东省于2019年底推出《关于统筹推进生态环境保护与经济高质量发展的意见》，将生态环保、节能减排和提质、增效统一于经济高质量发展。
1.2 指标体系
根据区域经济发展、生态安全及环境保护协同推进的要义，同时依据科学性及数据可获得性等原则，本文中通过参考已有的研究成果构建山东省RE-ES-EP系统协调发展评价指标体系，如表1所示。
表1 山东省区域经济-生态安全-环境保护系统协调发展评价指标体系
1.3 数据来源
本文中数据主要来源于《山东省统计年鉴》《山东省国民经济和社会发展统计公报》《中国城市统计年鉴》《山东省环境状况公报》等。针对部分异常或缺失数据，因缺失情况较轻微而均采用统计产品与服务解决方案软件SPSS 23.0 中的临近点的线性趋势进行插值补全。
2.1 极差变换法
为了消除参评指标中不同的量纲和数量级的影响，需要对原始数据进行标准化处理。常用的方法有向量规范化法、极差变换法及线性比例变换法等。本文中采用极差变换法[23]对指标进行无量纲化处理。
2.2 组合赋权法
参评指标权重的大小表示该指标在评价体系中的重要程度，权重的设定方法包括主观赋权法、客观赋权法和组合赋权法等。本文中采用组合赋权法进行指标赋权，即分别使用层次分析法[24]、均方差法[25]及变异系数法[26]计算出权重后取其均值得到最终权重。
2.3 耦合协调度
耦合度反映的是2个及以上系统间相互作用的强弱，协调度模型则能判断出系统间是否协调发展。本文中的研究重点是采用耦合协调度模型对RE-ES-EP系统进行分析[27]，参考已有研究成果[28-30]，对耦合协调度进行分级，等级划分及评判标准见表2。
表2 耦合协调度等级划分及评判标准
2.4 标准差椭圆
标准差椭圆(SDE)[31]是一种能够精准描述空间分布各方面规律的空间统计方法，利用椭圆的长短轴和重心的分布特征来描述研究区域的整体空间特征，长短轴表示离散程度，重心表示相对位置。
3.1 RE-ES-EP系统发展状况评价分析
根据上述研究方法，测算出山东省RE-ES-EP系统各子系统综合评价值，为了便于比较分析发展趋势，选取2010、2013、2016、2019年这4个年份作为参比对象。
3.1.1 区域经济系统
山东省各城市区域经济系统发展状况如图1所示。由图可知，山东省各城市近10 a的经济发展均呈现出上升趋势，但不同城市历年发展水平不尽相同。2010年各城市经济发展综合评价值均小于0.5，2013年该评价值达到0.5及以上的只有济南、青岛市，2016年为济南、青岛、潍坊和临沂4个城市，2019年增加到济南、青岛、烟台、潍坊、济宁、烟台和临沂7个城市。总体来看，山东省区域经济发展水平呈现出显著性的地域差异。依据区域经济发展综合评价值，将发展水平划分为3个等级，即高发达地区、发达地区和欠发达地区。2010年，济南、青岛、潍坊、烟台、济宁和临沂等市的经济发展综合评价值由0.3～0.5逐步增至2019年的0.5～0.8，即由发达地区稳步过渡到高发达地区，而淄博、枣庄、东营、泰安、威海、德州、聊城及菏泽等市2010年经济发展综合评价值均小于0.3，截至2019年底，这些城市的综合评价值增至0.3～0.5，实现了向发达地区的平稳过渡。
3.1.2 生态安全系统
山东省各城市生态安全系统发展状况如图2所示。由图可知，2010—2019年山东省各城市生态安全发展呈现出波动上升趋势，但幅度较小。东营、威海、日照市近10 a的生态安全发展综合评价值均大于0.5，明显大于其他城市的，其次是滨州市，该评价值年均值为0.49，其他城市的则处于中等及偏下水平。2010—2013年间，青岛、淄博和泰安等市生态安全综合评价值均为0.4～0.5，其中青岛、泰安市的呈现出小幅增大趋势，而临沂市的生态安全与经济的发展呈明显的负相关。济南、枣庄和潍坊市的评价值均为0.3～0.4，处于中等偏下水平，其中枣庄市的生态安全发展水平有小幅增加；
济宁、菏泽和聊城等市的生态安全综合评价值小于0.3，与其他城市相比生态安全发展相对落后，德州市的生态安全发展则实现了小幅提升。2016—2019年，青岛、济宁、泰安、威海、日照和滨州等市的生态安全发展均有不同幅度的提升，且青岛、泰安和滨州市有向中高水平迈进的趋势，而济南、淄博、枣庄等其他城市稳定在中等或偏下发展水平，原因可能是经济发展对生态资源的消耗逐年增大，导致生态安全水平呈现不同程度的下降趋势。
图1 山东省各城市区域经济系统发展状况
图2 山东省各城市生态安全系统发展状况
3.1.3 环境保护系统
山东省各城市环境保护系统发展状况如图3所示。总体来看，山东省各城市环境保护发展于2010—2019年间呈上升趋势，且波动幅度较大。其中，2010—2013年，各城市的环境保护综合评价值均大幅减小，潍坊、济宁、临沂等市的减幅较为明显；
2013—2016年，除菏泽市外，其他城市的环境保护综合评价值均小幅增大，且变化趋势与2013年前的相似；
2016—2019年，各城市的环境保护综合评价值呈现回升趋势，但幅度不尽相同且差异较大，青岛、德州市的增长幅度较大。与2010年相比，2019年潍坊、泰安、威海、临沂、聊城、滨州和菏泽等市的环境保护综合评价值稍有减小，其他城市的环境保护发展水平均有提升或持平。2010年，各城市的环境保护发展综合评价值均大于0.5，处于中高水平；
2013年，除泰安、威海、日照、聊城及滨州等市的大于0.5外，其余城市的均减小到0.5以下，从侧面反映了山东省在大力实施区域开发战略的同时，经济的持续增长对环境保护发展带来的负面影响非常显著；
2016年，日照、临沂、滨州市的环境保护综合评价值小幅减小，其他城市的则有不同程度的增大，表明经济发展与环境治理应同时进行，有利于经济与环境的协调发展。2019年，各城市环境保护发展综合评价值均大幅增大，且济南、青岛、淄博等大多城市的环境保护综合评价值显著大于2010年的，反映出环境治理收到很大的成效，有利于实现区域经济与环境保护的协调发展。
图3 山东省各城市环境保护系统发展状况
3.2 耦合协调度结果分析
为了更好地分析评价山东省RE-ES-EP系统间交互耦合的协调程度，借助耦合度模型及耦合协调度模型进行测算、评价，结果见表3。
表3 山东省区域经济-生态安全-环境保护系统耦合协调度评价结果
3.2.1 协调水平测度
由耦合度测算结果可知，2010—2019年山东省RE-ES-EP系统间交互耦合度值均大于0.9，处于高度耦合状态。具体分析来看，2010—2014年，耦合度值由0.925 2增加到0.969 2，达到了最大值，而在2014—2019年出现出波动下降的趋势，2019年耦合度值下降到0.9574，耦合作用相对减弱。与2010年相比，2019年耦合度值整体呈现增大的趋势，表明RE-ES-EP系统间耦合制约过程正稳定有序地向高水平状态迈进。
2010—2019年山东省RE-ES-EP系统间耦合协调度值为0.6～0.8，总体呈上升趋势，实现了从初级协调向中级协调的过渡。2010—2011年，耦合协调度值由0.645 6下降到0.620 5，为最低值，处于初级协调阶段，原因是经济发展需求与环境保护不相适应，在区域经济指数增长的同时，环境保护指数急剧减小。2011—2016年，耦合协调度值由0.620 5上升到0.687 7，虽然仍处于初级协调阶段，但系统间耦合协调度逐步增大，生态安全和环境保护发展相对优先于区域经济发展，这是生态安全和环境保护等相关政策的实施使得区域经济发展增长速度相对变缓的结果。2016—2019年，耦合协调度值由0.687 7增大至0.707 3，达到峰值，实现了由初级协调向中级协调的平稳过渡及协调发展，区域经济发展指数在波动中增长，同时生态安全、环境保护指数趋向稳定，表明该阶段为区域经济发展、生态安全与环境保护中级协调发展的阶段。
3.2.2 时空演变分析
根据山东省RE-ES-EP系统间的耦合协调度测算值及耦合协调度等级分类评判标准，借助ArcGIS 10.2软件获得2010—2019年山东省RE-ES-EP系统耦合协调度等级空间分布，见图4。由图可知，山东省各城市RE-ES-EP系统耦合协调度空间演变整体呈增强趋势，但各城市的演变过程不尽相同。2010—2013年，菏泽、枣庄市的耦合协调等级由基本协调提升至初级协调，东营市由初级协调上升为中级协调，除聊城市外，其他城市均维持在初级协调阶段。2013—2016年，聊城市耦合协调等级由基本协调上升至初级协调，实现了由协调过渡型向耦合协调型的转变，济南、青岛、烟台及威海市耦合协调等级由初级协调上升为中级协调；
东营市耦合协调等级保持为中级协调，其他城市则处于初级协调发展阶段。2016—2019年，淄博、潍坊市耦合协调等级由初级协调上升为中级协调，济南、东营、青岛、烟台及威海5个城市保持在中级协调发展阶段，其他城市仍处于初级协调阶段。
2010—2019年，山东省RE-ES-EP系统耦合协调发展等级的空间演变趋势呈现显著的整体性与差异性。一方面，在过去10 a间9个城市的耦合协调等级明显提升，烟台市的耦合协调度经历先下降后回升的发展过程，其他6个城市的则在原有阶段中缓慢发展，且均维持在既有水平。从整体上看，山东省RE-ES-EP耦合协调发展水平呈现上升的趋势。另一方面，因各城市经济发展水平、生态安全建设举措及环境保护政策等区域发展战略各有不同，耦合协调等级水平在空间分布上存在明显差异，整体呈现鲁东地区优于鲁西地区的空间格局。其中，济南、淄博、东营、青岛、威海市由初级协调上升至中级协调，这与《山东半岛蓝色经济区发展规划》《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》等国家战略措施密不可分，使得区域经济、生态安全和环境保护迅速协同发展。随着鲁西部地区的开发建设，聊城、菏泽和枣庄市耦合协调等级已由基本协调提升至初级协调，实现了由协调过渡型向耦合协调型的转变。
3.2.3 标准差椭圆分析
借助ArcGIS 10.2软件，对2010—2019年山东省RE-ES-EP系统进行标准差椭圆的空间分布及耦合协调度标准差椭圆的空间转移的研究，结果见图5。由图5(a)可看出，区域经济、生态安全与环境保护椭圆整体均呈东北-西南方向分布，但3个椭圆重心分布有所差异。环境保护系统椭圆重心位于淄博、潍坊市分界线上，区域经济椭圆重心向西偏移至淄博市境内，而生态安全椭圆重心向东偏移至潍坊市境内。从标准差椭圆分布的范围来看，3个子系统具有显著差异，环境保护标准差椭圆的长轴长度约为286.013 km，短轴长度约为149.758 km。与环境保护标准差椭圆相比，区域经济标准差椭圆的长轴缩短约10.22 km，短轴缩短约13.021 km，生态安全标准差椭圆的长轴缩短约7.011 km，短轴长度变化较小，即收缩趋势大于扩张趋势。上述结果表明，与环境保护覆盖地域范围相比，区域经济和生态安全椭圆均呈收缩的态势，说明山东省东北部地区的生态安全优于西南部地区的，而区域经济和环境保护表现为西南部地区优于东北部地区。未被椭圆覆盖的城市在区域经济、生态安全和环境保护发展方面相对较弱，需要在相应的发展建设方面加大投入。
由图5(b)可看出，2010—2019年山东省RE-ES-EP系统耦合协调标准差椭圆呈现出微弱的波动变化，其中2010—2013年的长轴延长约0.031 km，短轴延长约0.77 km；
2013—2016年的长轴缩短约0.923 km，短轴缩短约0.088 km；
2016—2019年，长轴缩短约0.957 km，短轴缩短约1.832 km。总体来看，长轴整体延长，短轴整体缩短，表明这10 a间山东省RE-ES-EP系统耦合协调度在东西方向增大，在南北方向减小，且增大的趋势大于减小的趋势。
本文中以山东省16个城市为研究对象，构建RE-ES-EP系统评价指标体系，通过耦合协调模型分析RE-ES-EP系统间的协调发展水平，同时对演变趋势进行可视化分析，得出以下主要结论：
1)2010—2019年，RE-ES-EP系统中各子系统综合评价值由大到小的顺序为环境保护系统、生态安全系统、区域经济系统，表明环境保护优先于其他2个系统发展。此外，3个子系统之间基本实现平衡发展，处于高度耦合状态，整体耦合度呈现上升的趋势。
2)山东省RE-ES-EP系统耦合协调等级实现了由初级协调向中级协调的跨越。由标准差椭圆分布来看，环境保护的标准差椭圆分布范围大于区域经济和生态安全的，表明山东省东北部地区生态安全发展长期优于西南部地区，而区域经济和环境保护发展则为西南部地区优先于东北部地区。
3)从山东省RE-ES-EP系统耦合协调度标准差椭圆分布来看，耦合协调度在东西方向增大，在南北方向减小，且增大的趋势大于减小的趋势。
对于山东省的经济欠发达地区来说，未来发展应继续以经济发展为中心，加快技术进步，同时应重视保护生态和环境[32-33]；
对于生态安全和环境保护相对落后地区来说，应积极发展环保产业，加大环境治理力度，提高生态安全性，继续坚持可持续发展战略[34]，构建资源节约型、环境友好型社会经济体系，提高区域经济、生态安全与环境保护三者间的耦合协调水平。
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