張培峰胡遠(yuǎn)滿趙明華

(1.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧沈陽110016;

2.中國科學(xué)院研究生院,北京100049;3.山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院,山東濟南 250014)

北方農(nóng)牧交錯帶經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)前景預(yù)測＊

張培峰1,2,3胡遠(yuǎn)滿1趙明華3

(1.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧沈陽110016;

2.中國科學(xué)院研究生院,北京100049;3.山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院,山東濟南 250014)

北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱,經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重失調(diào),貧困與環(huán)境惡化不斷加劇,為了尋求北方農(nóng)牧交錯帶經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的途徑,應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)及指數(shù)評價法、主成分分析與層次分析對北方農(nóng)牧交錯帶未來10年經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)前景進行了預(yù)測。結(jié)果表明未來北方農(nóng)牧交錯帶應(yīng)選擇適合區(qū)域特點的社會經(jīng)濟發(fā)展速度,合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加強綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,加大環(huán)境保護投資力度,促進該帶經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)水平的不斷提高,使社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展進入良性循環(huán)。

北方農(nóng)牧交錯帶;經(jīng)濟發(fā)展;生態(tài)環(huán)境;協(xié)調(diào);預(yù)測

北方農(nóng)牧交錯帶是中國第一、世界四大農(nóng)牧交錯帶之一,是我國東部重要的生態(tài)屏障及北方農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的橋梁和紐帶,也是目前我國荒漠化威脅最嚴(yán)重的地區(qū),該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,經(jīng)濟發(fā)展緩慢,生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化,其負(fù)面影響還可能擴張到兩側(cè)的農(nóng)區(qū)和牧區(qū),導(dǎo)致荒漠化的蔓延、水資源枯竭和環(huán)境質(zhì)量的下降。1992年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會后,世界各國都把經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的研究提上了議事日程。如何協(xié)調(diào)北方農(nóng)牧交錯帶經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系,維持其生態(tài)屏障作用,促進其經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,關(guān)系到今后我國各地區(qū)尤其是東部地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境的改善,關(guān)系到國家的前途和安定。因此,對我國北方農(nóng)牧交錯帶經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的研究已迫在眉睫。

1 研究區(qū)概況

對北方農(nóng)牧交錯帶的范圍,不同的學(xué)者提出了不同的界定標(biāo)準(zhǔn)和具體范圍。綜合了李世奎、王靜愛、劉良梧、李博(1980)、朱震達、趙哈林等人研究的結(jié)果,北方農(nóng)牧交錯帶指降水量在250-450 mm之間,干燥度在0.9-2.1之間的由東部季風(fēng)區(qū)向西北干旱區(qū)、由農(nóng)區(qū)向牧區(qū)過渡的區(qū)域。大致包括以下三大區(qū)域:黃土高原水土流失區(qū);鄂爾多斯干旱草場退化區(qū)和科爾沁土地沙化、草原退化區(qū),其具體范圍。

北方農(nóng)牧交錯帶面積達57.982萬km2,約占全國脆弱生態(tài)環(huán)境面積的30%,由東北向西南呈寬窄相間的帶狀分布,北起大興安嶺西麓的呼倫貝爾,向南一直延伸到河西走廊的東端,中部鄂爾多斯高原南部地區(qū)和黃土高原,南北跨300km以上。在地貌、氣候、水文、生物等自然要素及資源的開發(fā)利用方面都表現(xiàn)出時農(nóng)時牧,農(nóng)牧交錯的特征,氣候干燥,風(fēng)蝕沙化問題突出;水土流失嚴(yán)重,自然災(zāi)害頻繁。

北方農(nóng)牧交錯帶實證研究區(qū)—烏蘭察布市地處內(nèi)蒙古中部,總土地面積5.5萬km2,北與蒙古國接壤,國境線長約104km;東與錫林郭勒盟、張家口市毗連;南以長城為界,與山西省為鄰;西與包頭市和呼和浩特市交界。烏蘭察布市轄5縣、4旗、1市、1區(qū)和161個鄉(xiāng)鎮(zhèn)蘇木。

全市貧困面積大,自然災(zāi)害頻繁,環(huán)境破環(huán)嚴(yán)重。2005年全市215.4萬人,人均GDP達1.06萬元,恩格爾系數(shù)達0.27,遠(yuǎn)高于自治區(qū)平均水平[1]。水土流失、土地沙漠化、草場退化和環(huán)境污染嚴(yán)重,全市水土流失面積達26 366km2,占全市土地總面積的47.6%。沙漠化面積2.82萬km2,占總面積的51.01%。草場退化面積占全市草場總面積的42%。隨著烏市經(jīng)濟的發(fā)展,工農(nóng)業(yè)污染和生活污染等也在加劇[2-3]。氣候類型上屬于中溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),冬季寒冷而漫長,夏季溫涼而短促,春秋冷熱變化劇烈,年平均氣溫1.4-5.1℃之間,年平均降水量150-450mm[4]。

2 研究方法

2.1 系統(tǒng)動力學(xué)方法

系統(tǒng)動力學(xué)(SD)建模的目的是通過分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),對系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的動態(tài)行為進行仿真,根據(jù)仿真結(jié)果,跟蹤模型的時序行為,繼而掌握系統(tǒng)的行為趨勢。系統(tǒng)動力學(xué)的建模過程包括,設(shè)計技術(shù)路線圖,繪制因果關(guān)系圖,根據(jù)因果關(guān)系圖繪制模型流圖,對模型進行有效性和真實性檢驗。本文運用系統(tǒng)動力學(xué)VENSI M軟件中的Units check和Model check對模型的量綱和方程進行了檢驗。通過在合理范圍內(nèi)變動參數(shù)與結(jié)構(gòu)相應(yīng)的方程式來檢查模型行為的靈敏度,模型通過行為適合性檢驗[5]。模型的結(jié)構(gòu)和行為適合性和一致性通過了檢驗,通過篩選控制變量,調(diào)節(jié)控制變量的值來設(shè)計方案,進行模型的仿真模擬。

2.2 綜合指數(shù)評價方法

對標(biāo)準(zhǔn)化好的經(jīng)濟發(fā)展類與生態(tài)環(huán)境類預(yù)測數(shù)據(jù)數(shù)進行主成分分析,得出各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣R,特征值、貢獻率Ek與累計貢獻率,取累計貢獻率達85%～95%的特征值對應(yīng)的成分為主成分。為確定指標(biāo)權(quán)重,用相關(guān)系數(shù)矩陣R與每一列因子的載荷向量建立回歸方程[6]:

其中amk為分量貢獻,Ek為第k個主成分對應(yīng)的方差貢獻率,Bm為第m個評價指標(biāo)的權(quán)重值。將得到的Bm進行歸一化處理,就得出各指標(biāo)層的各項指標(biāo)的權(quán)重值Wi。

應(yīng)用層次分析法對準(zhǔn)則層(Ci)的各項指標(biāo)建立兩兩比較的判斷矩陣來確定其權(quán)重,通過一致性檢驗使判斷矩陣具有滿意的一致性。并對權(quán)重值進行了信息熵修正。當(dāng)評價指標(biāo)集合為U=(U1,U2,…,Uq),用AHP分析法得到的權(quán)重分配為W=(W1,W2,…,Wq),其判斷矩陣為:B=(bgh)q×q時,其修正步驟[13]如下:

①對判斷矩陣進行歸一化處理:

其中xij為第i個指標(biāo)第j年的標(biāo)準(zhǔn)化值。

2.3 協(xié)調(diào)度與協(xié)調(diào)發(fā)展度計算方法

協(xié)調(diào)度指經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間保持協(xié)調(diào)狀態(tài)質(zhì)的穩(wěn)定性的數(shù)量范圍,是經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境是否協(xié)調(diào)發(fā)展的衡量尺度。協(xié)調(diào)發(fā)展度是用來衡量協(xié)調(diào)水平高低的量。

為計算的協(xié)調(diào)度有一定的層次性,文章分別給出了經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度和協(xié)調(diào)發(fā)展度的計算模型(3)和(4):

式中C為協(xié)調(diào)度,n為調(diào)節(jié)系數(shù),n=2。它反映了在經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境綜合效益一定的條件下,為使經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的復(fù)合效益最大,經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境復(fù)合效益進行組合協(xié)調(diào)的數(shù)量程度,C的取值在0～1之間。D為協(xié)調(diào)發(fā)展度,T為生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟效益或發(fā)展水平的綜合評價指數(shù),α,β為待定權(quán)數(shù)。

在實際應(yīng)用中,為保證D在0～1之間取值,T取0～1之間的數(shù)。又因為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟發(fā)展同等重要,故α,β均取0.5。

計算不同方案下經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)度(C)和協(xié)調(diào)發(fā)展度(D)值,并采用均勻分布函數(shù)法擬定了協(xié)調(diào)度和協(xié)調(diào)發(fā)展度的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。

3 北方農(nóng)牧交錯帶經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)前景預(yù)測實證分析

3.1 模型建立

文中模型空間邊界是烏蘭察布市,共5.5萬km2,時間邊界是2005-2015年,基準(zhǔn)年為2005年,仿真時間間隔為1年。以因果關(guān)系圖中變量間的相關(guān)關(guān)系為依據(jù),以107個變量為建立模型的基礎(chǔ),借助系統(tǒng)動力學(xué)VENSI M軟件和一定的輔助變量、表函數(shù)和參數(shù)建立了模型的仿真流圖[6-7](見圖1),利用方程式來確定流圖中各變量相互響應(yīng)的數(shù)量關(guān)系。模型中有170個變量,110個方程。

本文運用系統(tǒng)動力學(xué)VENSI M軟件中的Units check和Model check對模型的量綱和方程進行了檢驗,結(jié)果表明模型行為對于參數(shù)和結(jié)構(gòu)的變動而引起的變動是合理的,其敏感性是合適的[5],模型的結(jié)構(gòu)和行為適合性和一致性通過了檢驗,模型可以進行進一步的仿真分析。

3.2 模型仿真結(jié)果

本文選擇了9個控制變量(人口自然增長率,GD增長率,一產(chǎn)比重。農(nóng)業(yè)占一產(chǎn)的比重,二產(chǎn)比重,工業(yè)占二產(chǎn)的比重,環(huán)保投資比例,科研投資比例,肥水回用率),設(shè)計了4種方案(方案1:自然發(fā)展模式,方案2:人口經(jīng)濟快速增長模式,方案3:經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展模式,方案4:環(huán)境保護模式),以烏市2005年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),模擬時間為10年,四種方案下主要變量的仿真結(jié)果見表2。

3.3 協(xié)調(diào)前景預(yù)測結(jié)果

以烏市2005-2015年的仿真結(jié)果作為其協(xié)調(diào)前景預(yù)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),將以上經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)的的仿真數(shù)據(jù)分為社會經(jīng)濟發(fā)展類和生態(tài)環(huán)境類兩種指標(biāo),并將經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)狀況作為目標(biāo)層,社會經(jīng)濟子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)分別作為系統(tǒng)層,系統(tǒng)層下根據(jù)各指標(biāo)的具體特征設(shè)立了準(zhǔn)則層與指標(biāo)層。結(jié)合主成分分析法,層次分析法與指數(shù)評價法得出社會經(jīng)濟發(fā)展類與生態(tài)環(huán)境類指標(biāo)的綜合評價指數(shù)E和G,并得出相應(yīng)的協(xié)調(diào)度(C)與協(xié)調(diào)發(fā)展度值(D)。

得出不同方案下經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)度(C)和協(xié)調(diào)發(fā)展度(D)值(見表3),并采用均勻分布函數(shù)法擬定了協(xié)調(diào)度和協(xié)調(diào)發(fā)展度的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(見表4)。

為了更直觀的比較各發(fā)展方案下未來烏市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)狀況,將各方案下協(xié)調(diào)度和協(xié)調(diào)發(fā)展度的預(yù)測結(jié)果以曲線圖的形式表示出來(見圖2)。

由預(yù)測結(jié)果可見,在不同發(fā)展方案下,未來烏市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)狀況不同。自然發(fā)展與人口經(jīng)濟快速增長模式下,未來10年烏市將由失調(diào)逐漸過度到弱協(xié)調(diào),協(xié)調(diào)不穩(wěn)定且協(xié)調(diào)水平低,人口經(jīng)濟快速增長模式下的協(xié)調(diào)前景(2005-2011失調(diào),2012-2015弱協(xié)調(diào))較自然增長模式下(2005-2009失調(diào),2011-2015弱協(xié)調(diào))更差。在經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)模式下,未來烏市的經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)狀況逐漸好轉(zhuǎn),逐漸由弱協(xié)調(diào)(2005-2010)過渡到一般協(xié)調(diào)(2011-2015),且協(xié)調(diào)狀況和協(xié)調(diào)水平呈穩(wěn)定的逐年提高的趨勢。環(huán)境保護模式下,未來烏市的協(xié)調(diào)水平有所提高,但協(xié)調(diào)不穩(wěn)定性較強,由失調(diào)(2005-2011)過渡到一般協(xié)調(diào)(2012-2015)。四種方案下協(xié)調(diào)度和協(xié)調(diào)發(fā)展度都有一定的波動性,這也正是烏蘭察布市作為北方農(nóng)牧交錯帶這一生態(tài)環(huán)境脆弱帶的典型區(qū)域的直接表現(xiàn),脆弱的生態(tài)環(huán)境使該市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境間的相互影響與相互作用相當(dāng)敏感,社會經(jīng)濟或生態(tài)環(huán)境中任一要素的輕微變化都會引起二者間協(xié)調(diào)狀況的巨大起伏。

4 結(jié) 論

未來10年,隨著北方農(nóng)牧交錯帶經(jīng)濟發(fā)展水平的提高,科技的進步,高興技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,生態(tài)環(huán)境保護與治理力度的加大,制度和體制的創(chuàng)新,科學(xué)發(fā)展觀、可持續(xù)發(fā)展觀等的不斷實施,整個北方農(nóng)牧交錯帶經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)狀況將不斷得到改善和優(yōu)化。

圖1 烏蘭察布市經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)仿真流圖

表1 仿真結(jié)果

表2 烏蘭察布市經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)預(yù)測結(jié)果

表3 協(xié)調(diào)度與協(xié)調(diào)發(fā)展度等級劃分

圖2 烏蘭察布市協(xié)調(diào)度與協(xié)調(diào)發(fā)展度預(yù)測曲線

但在不同的發(fā)展模式下,未來10年北方農(nóng)牧交錯帶經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)變化的軌跡不同。在自然發(fā)展和人口、經(jīng)濟高度增長模式下,經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)由失調(diào)逐漸過渡到低水平的中級協(xié)調(diào)。在經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)模式下,經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)狀況由中水平中級協(xié)調(diào)逐漸過渡到高水平的中級協(xié)調(diào)。在環(huán)境保護模式下,經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)狀況由低水平的初級協(xié)調(diào)逐漸過渡到高水平的中級協(xié)調(diào)。為使北方農(nóng)牧交錯帶走上協(xié)調(diào)發(fā)展的良性循環(huán)道路,未來北方農(nóng)牧交錯帶應(yīng)該在經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的模式下發(fā)展,在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上降低人口的自然增長率,GDP的增長率控制在0.17-0.21‰之間,合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),減少資源消耗量大重污染產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,加強綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,適度加大環(huán)境保護與科技研發(fā)的投資力度,推動烏市社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

(編輯:李 琪)

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AbstractNorthen Agriculture and Stock Raising Interlace Area is one of the fragile eco-environment zones in China.The system of economic development and eco-environment is unbalance.Poverty and environment degradation aremore serious.In order to seek an approach to make the economic development assorted with the eco-environment in Northen Agriculture and Stock Raising Interlace Area.This paper has forecasted the har monious perspective of economic development and eco-environment in the future ten years by system dynamics.The result showsNorthen Agriculture and Stock Raising Interlace Area ought to look for an appreciated development rate of economic which is suitable for the regional characteristic,readjusting the industrial structure in a rationalway,strengthening the development of environment industry,and intensifying investmentof environmentprotection.In the future,the citywill develope in the coordinated way of economic and eco-environmentwith the constantly improvingmatchable situation and coordinative levelwhich willmake the development in virtuous cycle.

Key wordsNorthen Agriculture and Stock Raising Interlace Area;economic development;eco-environment;coordination;forecast

The Coordinated Perspective of Econom ic Development and
Eco-environment in Northen Agriculture and Stock Ra ising Interlace Area

ZHANG Pei-feng1,2,3HU Yuan-m an1ZHAO M ing-hua3
(1.Institute ofApplied Ecology,Chinese Academy of Sciences,ShenyangLiaoning 110016,China;
2.Gradute School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China;
3.Collage of Population,Resources and Environment,ShandongNor malUniversity,Jinan Shandong 250014,China)

X196

A

1002-2104(2010)03專-0150-05

2010-01-16

張培峰,博士生,主要研究方向為城市景觀生態(tài)。

＊中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所知識創(chuàng)新工程項目(No.06LYQY1001)資助。