中国生态文明建设与科技创新耦合协调时空演变

谷 缙，程 钰，任建兰

(山东师范大学地理与环境学院，山东 济南 250358)

0 引言

生态文明是人类对工业文明的扬弃，是生态文化伦理形态的升华，是人类遵循人与自然和谐发展规律，推进社会、经济和文化发展所取得的物质与精神成果进步的总和，是以人与自然、人与人和谐共生、全面发展、持续繁荣为基本宗旨的社会文明形态，是人类文明发展的必然趋势。它包涵符合自然生态法则的文化价值需求；生态系统可持续前提下的生产观；满足自身需要又不损害自然的消费观。生态文明建设是一场系统性工程，涉及价值观念、生产与生活方式等全方位的变革，融于经济、政治、文化和社会建设的全过程。绿色发展、循环发展与低碳发展是生态文明建设的基本路径。科技创新是引领发展的第一动力，《关于加快推进生态文明建设的意见》中指出要坚持把创新驱动作为生态文明建设的基本动力，不断深化科技创新，建立系统完整的生态文明制度体系，强化科技创新引领作用，为生态文明注入强大动力。因此，科技创新在促进经济发展方式转变、人类生态伦理价值观的形成、绿色生活方式转变过程中发挥了关键作用；科学技术的进步与生态文明的建设二者互利共生、相辅相成，共同推进人类社会不断向前发展。因此，推进二者相互融合、协调发展是实现可持续发展的重要途径。

当前，国内学者对于生态文明与科技创新关系的研究主要有：陈首珠[1]对十八大以来创新驱动发展战略推进生态文明建设研究进行总结，从生态文明建设的基础理论、技术诉求、科学路径方面阐述其与科技进步是一种互利共生的关系；邹凡等[2]在分析生态文明与科技创新关系的基础上，认为当前生态文明建设应着重依托科技创新推动绿色产业、循环产业的发展；白春礼[3]从生态文明建设的支撑力量、问题与挑战、科技需求、重要举措四个方面系统阐述了二者关系；邓可[4]认为科学技术是一把双刃剑，它在促进人类文明进步的同时，也造成了一定程度上的环境污染、生态破坏，认为辩证看待、协调好二者发展关系才能实现人类社会可持续发展；蔡木林等[5]对比分析国外生态文明建设的科技发展战略制定与发展变化情况，认为我国生态文明建设应更加重视科技发展战略工作，加强科技战略布局；陈钦萍等[6]运用C-D生产函数测定科技投入对生态文明建设的贡献度，结果表明科技投入对生态文明建设具有明显的促进作用；肖显静等[7]以科学技术推进生态文明建设所需经济政策为路径，倡导落实生态技术的研发、推广与应用；刘春香等[8]从供应链维构建绿色科技与生态文明的相互作用机理模型，分析了科技对生态文明建设的支撑作用；卢风[9]认为生态文明建设的关键是绿色科学技术，但不应全面秉承科技万能论。

通过梳理上述研究，现有关于生态文明建设与科技创新关系的研究在如下方面亟待完善：一方面生态文明建设与科技创新能力内在耦合协调关系的定量分析较少，且指标体系的构建没有规范标准，一些指标体系构建不合理，导致研究结果出现偏差；另一方面传统测度评价方法(因子分析、层次分析、熵权法)受到过于数学化的限制，难以解决时间序列多元数据的非线性分析。基于此，研究在探析生态文明建设与科技创新能力协调发展机理(见图1)的基础上，构建生态文明建设与科技创新能力评价指标体系，采用2006—2015年中国30个省市区(西藏、台湾、香港、澳门除外)相关数据，运用投影寻踪评价模型(PPM)、耦合度与协调度模型，对中国生态文明建设与科技创新能力耦合协调水平时空演变格局进行探析，并提出相关对策建议，以期寻求实现中国可持续发展与生态文明建设的新路径。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

(1)评价指标体系设计。研究综合近年来对于生态文明建设理论内涵的阐述，同时遵循指标选取的科学性、合理性、系统性、数据的可获取性与可量化性原则，主要从生态经济、生态社会、生态环境与生态制度四个方面设计生态文明建设水平评价指标体系(见表1)。

科技创新能力指标体系的构建参考国内外科技创新能力相关研究，参考《国家科技创新能力评价指标体系》，主要从科技创新投入、科技创新产出和科技创新环境三个核心层面构建科技创新能力评价指标体系(见表2)。

图1 生态文明建设与科技创新协调发展机理

表1 生态文明建设评价指标体系

表2 科技创新能力评价指标体系

(2)投影寻踪评价模型。投影寻踪模型(PPM)，是一种用来分析和处理非线性、非正态高维数据的新型数理统计方法[10-11]，该模型已广泛应用于解决新型综合型问题。投影寻踪法的基本思路是：将高维数据转换投影为低维数据，通过优化投影函数，求出原高维数据的最佳投影方向即权重。模型建模步骤如下：

①原始指标数据的标准化。设各指标样本集为{x*(i,j)|i=1,2,…,n;j=1,2,…,p},其中x*(i,j)为第i个样本的第j项指标，个数，n、p分别为评价指标个数。进一步采用极差标准化对原始数据样本集进行归一化无量纲处理。

(1)

(2)

式中，xmax(j)、xmin(j)分别为第j项指标的最大值与最小值，x(i,j)为指标特征值归一化的序列。

②投影目标函数构造。设a={a(1)，a(2),…,a(p)}为投影方向向量，样本i在该方向的一维投影值为：

(3)

在优化投影指标值时，要求投影值Z(iX)的散步特征应为：局部投影点尽可能密集，最优化状态为凝聚成若干个点团，整体上投影点团之间尽可能散开。因此，投影指标函数表达如下：

Q(a)=Sz·Dz

(4)

式中，Sz、Dz分别为投影值Z(i)的标准差与局部密度，即：

(5)

(6)

式中，E(z)为序列{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值；R为局部密度的窗口半径；r(i,j)表示样本之间的距离，r(i,j)=|z(i)-z(j)|；u(R-r(i,j))为单位阶跃函数，当R≥r(i,j)时，函数值为1；R

③投影目标函数优化。通过计算最大化投影目标函数，求解最佳投影方向，即：

目标函数最大化：maxQ(a)=Sz×Dz

(7)

(8)

这是一个以{a(j)|j=1,2,…,p}为优化变量的复杂非线性优化问题，本文通过加速遗传算法进行优化求解。

④确定投影值(评价值)。将上述步骤求得的最佳投影方向aj(见权重)(表1～表2)与相应标指标准化值相乘累加求和，即求得各样本投影值Zi(评价值)。

(3)耦合度模型。研究在构建耦合度模型的过程中，参考李裕瑞[12]等评价中国“四化”发展的耦合度中对于耦合度修正的方法，基于对物理学中的容量耦合系数模型进行重新构建得出的耦合度测算模型，推导得出两个子系统或多要素耦合测度模型：

(9)

式中：C为生态文明建设与科技创新能力耦合度，C值区间为[0,1]，值越大表明两者之间耦合程度越高，二者的相互作用与影响力越强，当C为0表明二者之间处于完全无关状态。Z1与Z2分别为生态文明建设水平与科技创新能力水平综合评价得分。参考前人研究，将耦合度值进行如下分段：0

(4)协调度模型。协调是两种或两种以上系统或要素之间一种良性的互相关联，是系统或要素间配合得当、和谐一致、良性循环的一种关系。因此，引入协调度模型，可以反映生态文明建设与科技创新能力间协调水平状况。其模型公式如下：

(10)

T=∂Z1+βZ2

(11)

式中：D为协调度；C为耦合度；T为两系统间的综合评价指数，它反映两系统间的整体效益或水平；α、β分别为待定权数，研究认为生态文明建设与科技创新能力同等重要，故分别设定为0.5，D值越大表明二者协调度越高。研究参考廖重斌[13]对于协调标准等级的划分，重新将协调水平划分为四个等级：0≤D≤0.3为低度协调；0.3

2.2 数据来源

研究所需数据主要来源于2006—2015年《中国统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《中国科技统计年鉴》《中国信息化年鉴》《中国高技术产业统计年鉴》《中国能源统计年鉴》以及历年各省环境状况公报。在分析生态文明建设水平与科技创新能力耦合协调发展空间格局演变过程的研究中选取2006、2009、2012与2015年相关数据进行分析。

3 结果与分析

3.1 中国生态文明建设与科技创新能力耦合协调发展演变分析

(1)整体水平时序演变分析。运用构建的评价模型对中国生态文明建设与科技创新能力发展水平进行测度：2006—2015年中国生态文明建设水平与科技创新能力均呈平稳上升趋势，其中生态文明建设水平指数从2006年0.28增长到2015年的0.67，增长了1.4倍，增长速率较慢；科技创新能力发展指数从2006年0.05增长到2015年的0.98，增长了20倍(见图2)，发展态势迅猛。就二者相对发展水平看，2012年以后生态文明建设水平逐渐落后于科技创新能力。造成上述变化的主要原因为：①进入21世纪以来，我国不断深化科技创新体制改革，使得企业自主创新能力不断提高；教育改革红利促使科技创新型人才不断壮大，为科技创新能力的提高提供的重要的制度和人才保障，同时不断完善的社会主义市场经济体制为科技创新提供了更多的资金支持；②尽管我国对于生态文明建设的认识程度不断深化，其水平也在不断增长，但其涉及经济、社会、生态环境、制度等多方面是一个复杂的系统性工程，致使建设进程缓慢。

(2)耦合协调水平时序演变分析。2006—2015年，二者耦合度介于0.74～0.97，相互作用强度以每年0.023的水平不断增长，这说明二者之间具有很强的相互作用关系(见图2)。协调度方面，二者协调度由2006年的0.55增长到2015年的0.94，协调水平呈上升趋势。就其协调水平变化趋势可将其分为两个阶段：高度协调阶段(2006—2007年)，协调水平介于0.55～0.67；极度协调阶段(2008—2015年)，协调水平由0.73增长至0.94；其中2011年协调度下降至0.83，究其主要原因为：2011年两系统发展水平处于一个交汇期，发展水平相当，致使表征上二者协调水平微降。不断增强的高水平的耦合度与协调度变化得益于：①科技创新能力的不断提高带来了科学技术和知识的不断创新，给予了生态文明建设中社会、经济和环境发展的技术与人才支撑，使得生态社会不断发展，绿色消费水平不断提高；②同时科学技术带来了经济发展方式的绿色化转变，进一步使得生态环境得到改善；③而生态文明建设的国家战略需求促使生态化的科学技术价值观转化，进一步增强科技创新能力。

图2 2006—2015年中国生态文明建设与科技创新能力耦合协调水平

3.2 省域生态文明建设与科技创新能力耦合协调发展演变分析

(1)省域生态文明建设水平空间格局演变。总体来看，2006—2015年，除天津市与陕西省外，中国各省生态文明建设水平均呈上升态势(见图3)。将各省生态文明建设水平采用中值法划分为三类：低水平建设(0.13≤Z1≤0.31)；中等水平建设(0.31

从空间格局演变来看，省域生态文明中高等水平建设区域主要由东部、东南沿海区域向西北、北部内陆地区扩散，低等水平建设区域由全国性面状区域缩小至东北-中部-西南的狭长格局地带。造成上述变化的主要原因为：①东部沿海地区经济社会发展较快，人们美好生活水平的向往迫切需求生态文明建设水平的不断提高，且有雄厚的建设资金支持，注重绿色低碳环保产业的发展，绿色发展水平较高；②东部沿海区域相对于西部地区区域面积较小，各类空间规制得以良好实施；③近年来，国家不断给予西部生态环境脆弱区以资金、技术、政策支持以及国家主体功能区划的实施，西部与北部地区生态文明建设水平不断提高；④东北地区以资源消耗、环境损害为代价的粗放型经济发展模式并没有得到有效改观，早期过度开发湿地、森林、生物资源而遭到破坏的生态环境恢复较慢；西南地区社会经济落后，生态意识薄弱，又受特殊地形影响洪水、泥石流、水土流失等自然灾害频发，生态环境脆弱，生态文明建设水平较低。

图3 2006—2015年省域生态文明建设与科技创新能力耦合空间格局演变

(2)省域科技创新能力空间格局演变。2006—2015年，各省科技创新能力均呈上升趋势，北京、上海、山东、江苏、浙江、广东等东部沿海区域科技创新能力位居全国前列(见图4)。科技创新能力极差由2006年的0.37扩大到2015年的0.59。同样将各省科技创新能力水平用中值法划分为三类：低水平(0.02≤Z2≤0.23)；中等水平(0.23

(3)省域生态文明建设与科技创新能力耦合度空间格局演变。2006年，各省耦合度介于0.07～1.00之间，绝对差异较大，其中辽宁、北京、天津等8个省市区处于高水平耦合阶段；黑龙江、吉林、河北、河南等12个省市区处于磨合阶段；山西、贵州、江西3个省区处于抗拮阶段；新疆、内蒙古、海南等7个区域处于低水平耦合阶段。2009年，耦合度值介于0.16～0.99之间，较2006年绝对差异缩小，耦合水平有所提高；高水平耦合阶段区域由8个扩大至11个；处于磨合阶段区域减少至8个；广西、云南由低水平阶段晋升至抗拮阶段，耦合度水平分别提高了0.12与0.07，而重庆耦合度水平下降0.14。 2012年，耦合度介于 0.16～1.00之间，除新疆外耦合度水平均介于0.5以上；全国21个省市区处于高水平耦合阶段，大部分区域耦合度值在0.9以上，耦合水平快速提高，且全国没有处于抗拮阶段的区域；新疆仍处于低水平耦合阶段。2015年，耦合度介于0.21～1.00之间，大部分区域耦合度介于0.5以上；较2012年，虽然高水平耦合阶段区域减少，但全国大部分区域介于高水平耦合阶段与磨合阶段，值得注意的是，新疆首次由低水平耦合阶段进入到抗拮阶段，而内蒙古较2015年耦合度退步0.71。

从整体看，2006—2015年，各省生态文明建设水平与科技创新能力不断提高，二者互动水平不断增强，耦合水平总体呈上升趋势，由四种耦合阶段均衡分布逐步转向磨合与高水平耦合阶段集中分布(见图5)。2006年，北上广与环渤海区域作为全国科技创新中心与生态文明建设高水平区域，二者实现良性互动，相互促进作用显著耦合水平较高；低水平耦合阶段区域分布在边疆地区生态社会与经济落后生态环境脆弱，科技创新能力较低，二者互动性不足，耦合水平较低。2009年，高水平耦合阶段区域出现向长江流域扩散的态势；磨合阶段区域空间格局较2006年没有太大变化；抗拮阶段区域集中分布在西南边疆区域；低水平耦合阶段区域集中在北部与西北边疆地带。2012年，处于高水平与磨合阶段的区域扩散至全国范围。2015年，形成北上广-环渤海-长黄(长江、黄河)中下游的高水平耦合空间分布格局；西北-西南边疆抗拮阶段空间分布格局；北部边疆低水平耦合空间分布格局。

图4 2006—2015年省域生态文明建设与科技创新能力协调水平空间格局演变

(4)省域生态文明建设与科技创新能力协调水平空间格局演变。2006年，协调水平介于 0.11～0.75之间，大部分区域为低度与中度协调水平，高度协调区域集中在江苏、浙江、福建与广东等东南沿海省份，极度协调地区仅上海与北京两市，此阶段各省生态文明建设水平与科技创新能力普遍低下，二者协调水平等级不高。2009年，协调水平介于0.19～0.81之间，低度协调区域缩小至内陆边疆区域的7个省区，中度协调区域扩大集中在中部的12个省市区，高度协调区域扩散至整个沿海区域。2012年，协调水平介于0.21～0.82之间，黑龙江、甘肃、河南等地区协调水平下降，内蒙古、青海等地由于依托科学技术改善生态环境，协调水平进一步提升，环渤海地区工业化、城镇化进程加快，污染排放增多生态环境恶化，协调水平降低。2015年，生态文明建设进程不断加快，创新驱动不断增强，各省市区协调水平都有了极大改观，协调值介于0.32～0.86之间，其中高度协调水平区域集中在长江中下游区域，极度协调区域由之前单一的北京、上海两市扩大至江苏、浙江、广东三省。

整体来看，协调度格局与耦合度格局有着相似的演变趋势。造成上述格局的原因：①西部地区生态环境脆弱、经济社会发展水平较低、科技创新能力不足的西部地区，导致二者整体协调水平较低；②由于地理环境与政策优势吸引大量人才与科技创新资金投入，生态文明建设水平相对较高，高度协调水平区域集中在东部沿海地区；③东北地区产业转型升级缓慢，依托资源的传统经济发展方式没有得到有效改观，生态环境质量较差，生态文明制度不健全，虽然科技创新能力比较客观，但是二者没有实现良好的融合，协调水平一直没有得到有效提高；④青海、内蒙古等生态环境脆弱地区，近年来国家给予了大量生态政策与资金的支持，依托科学技术有效恢复了生态功能，协调水平显著提高。

4 对策与建议

4.1 完善科技创新体制促进生态文明建设

推动以政府为主导、市场为导向、产学研融合的科技创新体制改革，科技部应进一步协调其他相关部门引导生态技术资源在行业间的合理配置、协调，进一步完善生态科技创新协调机制；企业应科学看待生态技术变革带来的“波特假说”效应，建立资源信息共享机制，实现生态核心技术的攻关；在政府搭建的科技创新协调机制基础上，高等院校与科研院所应进一步顺应社会需求培养相关专业人才，将研究成果惠及生态科技企业，实现科技创新体制的上、中、下游的对接与耦合。

4.2 加强生态文明与科技创新的法律体系保障

生态文明相关法律、法规对科学技术的应用效率具有重要作用，有利于进一步提升生态文明建设与科技创新的协调发展。为此，要进一步健全符合生态文明建设需求的科技创新法律体系。一是要完善多元科技创新投入融资机制的政策法规，保障科技创新资金的高效运用与技术产出；二是要落实激励企业、科研院所科技创新成果转化的政策法规，确保科技成果落实到生态文明建设；三是要完善科技创新成果的知识产权保护法律法规，确保企业的产权利益得到有效保障；四是要加强生态技术应用方面的执法力度，摒弃短期经济效益的生态观念。

4.3 依托科技创新转变思维方式普及生态伦理观

科技创新的意义不仅仅表现在生产方式的改进，其对人们思维方式及价值观的影响也甚为深远。人类发展历史表明，重大科学技术的创新往往引发认识论的革命，而认识论的更新必然导致世界观、价值观和发展观的革新。以生态文明观为指导的科技创新，不但可以强化人的科技意识，而且会影响人类生存价值观，进而促进生态伦理道德观的形成，树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念。政府也应积极倡导生态环保意识，利用大型环境公益文化科普活动向公众普及智能生活、绿色生活观念；深入开展企业管理部门对环境知识的启蒙教育，增强企业的社会责任感和荣誉感，积极响应国家循环经济、绿色生产模式。

5 结论

(1)从两系统发展水平来看，中国近10年来生态文明建设水平与科技创新能力均呈上升趋势。2006—2011年，生态文明建设水平略高于科技创新能力；2012—2015年，生态文明建设缓慢，科技创新能力提升速度较快超前于生态文明建设水平。空间格局演变来看，省域生态文明中高等水平建设区域主要由东部、东南沿海区域向西北、北部内陆地区扩散，低等水平建设区域由全国性面状区域缩小至东北-中部-西南的狭长格局地带；省域科技创新能力水平大都还处于相对较低水平，其大都集中在生态环境脆弱、资源环境承载力差的西部与中部偏于地区导致科技创新资源要素配置与流动性差，科技创新能力落后于东部沿海发达省份。

(2)耦合协调度方面，中国生态文明建设与科技创新能力耦合度与协调水平均呈上升趋势。耦合度空间格局演变与协调水平空间格局演变趋势相似，高值区域由东部沿海向长江中下游流域扩散，低值区域集中在西部边疆地区。

(3)应认识到生态文明建设与科技创新能力的耦合协调过程具有波动性。协调水平由于诸多不稳定因素会出现“倒置”或“停滞”现象。2006—2015年，甘肃经历了低度协调-中度协调的间隔跳跃发展波动协调过程；云南则一直处于低度协调的停滞状态。这类区域大都集中在生态文明建设水平与科技创新能力都较低地区，这表明两系统水平越低支撑其协调发展的稳定性越差。这类区域应是未来生态文明建设与科技创新能力的重点关注区域。