甘肃省农业可持续发展评价及耦合协调性分析*

丁文广，刘兴德，耿怡颖，陈 豪，何 莉

(兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000)

0 引言

农业可持续发展是保证国民经济长远发展的必要条件[1]。在1994年经国务院第十六次常务会议审议通过的《中国21世纪议程》中，首次提出将农业纳入国家可持续发展战略规划中[2]，并指出中国的农业与农村要摆脱困境，必须走可持续发展的道路[3]。而长期以来，我国农业可持续发展面临一系列涉及人口、资源、社会、经济和环境等方面的问题，例如人口基数大、资源过度开发、农业投入品过量使用、水土流失、土地退化等问题[4-5]。2017 年中央一号文件强调，深入推进农业供给侧结构性改革，加快农业现代化建设[6]。因此，对区域农业可持续发展水平评价及耦合协调性分析，对于客观认识地区农业生产发展所处阶段，明确农业生产发展的优势和短板，指明未来发展方向，具有重要的理论意义和实际指导价值。对于农业可持续发展，目前学者主要致力于评价指标设计和研究方法的选取，由于地域差异和关注的焦点不同，目前为止，国内尚未有一套统一的农业综合评价指标体系[7]。继1992年联合国环境与发展大会后[8]，对于农业可持续发展评价体系构建逐渐得到社会的广泛关注。国外有DSR模型、PSR模型、SCOPE模式等框架构建农业发展评价体系，应用比较广泛[9-10]； 国内有褚保金[11](1998)提出了OOSD模型并从环境资源、农业经济、农村社会、农村科技、外部环境5个方面构建了我国农业可持续发展指标体系； 陈佑启(2000)认为从农业生产条件、生产水平、生产能力和生产发展4个方面评价农业可持续发展[12]； 而更多文献显示，对于农业是围绕人口、资源、环境、经济、社会构成的一个复杂的系统这一观点受到更多学者的青睐[13]，例如周利军[14]、邓楚雄[15]、欧阳涛[16]等人采用此模型分别对黑龙江绥化市、上海市和湖南省农业可持续发展进行了研究。常见的综合评价方法有熵值法[17]、层次分析法[18]、线性回归模型法[19]、主成分分析法[20-21]、聚类分析法[22]、因子分析法[23]、灰色关联分析法[24]等。此外，学者对于如何充分发挥和提升农业各系统协同发展方面研究相对较少，如王明[25]分析了西安都市农业生产、经济、社会和生态4个系统之间耦合协调发展水平； 徐敏[26]对新疆绿洲农业从社会、经济、环境3个方面进行协调性发展测评。前人的成果对于该文研究提供了重要的理论参考，不过，对于农业子系统间的耦合协调性研究亟待深化。基于此，文章从人口、资源、社会、经济、环境5个维度构建农业可持续发展评价指标体系，以2005—2015年甘肃省面板数据为样本，运用熵值法对农业可持续发展水平进行综合测评，结合耦合度及耦合协调模型，揭示农业“人口—资源—经济—社会—环境”系统及两两子系统间的耦合性及协调性现状，以期为甘肃省农业现代化发展提供参考借鉴。

1 研究区概况

甘肃省位于我国西北内陆，地处黄河上游，介于北纬32°31′～43°57′，东经92°13′～108°46′。属大陆性很强的温带季风气候，年平均气温0～16℃，年平均降水量在36.6～734.9mm，降水主要集中在6—8月份。总土地面积约0.425 8亿hm2，其中，农用地为0.254亿hm2。全省共设12个地级市和2个自治州，包括4个县级市、58个县、7个民族自治县、17个市辖区。截止2015年底，全省年末总人口达2 599.55万人，生产总值6 790.32亿元，农业总产值1 252.5亿元。地形以山地和高原为主，是一个自然条件恶劣、生态环境脆弱、自然灾害频发、贫困程度深的农业省份[27]。

2 数据来源与研究方法

2.1 指标体系构建

依据农业生态学理论、农业生产经济学理论、农业系统耗散结构理论等相关理论[28]，遵循科学性、系统性、全面性、数据易获取性、动态性、可操作性等原则，最后确定甘肃省农业可持续发展指标体系从3个层面构建。首先是目标层，是整个指标体系各层数据的总指标，能够反映甘肃省农业可持续发展的综合指标； 其次是准则层，以人口、资源、经济、社会、环境系统作为准则层，反映近10年来甘肃省农业系统发展的动态变化； 最后是指标层，参考已有学者的研究成果资料，结合甘肃省实际的发展情况，将5个准则层进一步细化为29个具体表征指标(表1)。

2.2 数据来源

该文研究数据主要来源于2006—2016年的《中国统计年鉴》《甘肃省统计年鉴》《甘肃省农村统计年鉴》以及相关部门统计公报，部分指标数据运用公式换算，统计整理获得2005—2015年甘肃省历年的原始指标数据。

表1 甘肃省农业可持续发展评价指标体系

目标层准则层指标层属性权重农业可持续发展水平人口系统(0.1)人口自然增长率(‰)逆向0.242 1第一产业劳动力比重(%)正向0.209 7农村从业人员占农村人数比例(%)正向0.325 3人口密度(人/m2)逆向0.222 9资源系统(0.14)农村人均耕地面积(hm2/人)正向0.236 5有效灌溉率(%)正向0.107 5单位面积用水量(m3/hm2)逆向0.239 8当年造林面积(hm2)正向0.246 4每公顷耕地用电量(kW/hm2)正向0.169 8经济系统(0.26)农业劳动生产率(元/人)正向0.153 6粮食单产量(t/hm2)正向0.151 9人均粮食占有量(t/人)正向0.156 9土地生产率(元/hm2)正向0.151 9人均肉类产出量(t)正向0.077 6农村居民人均可支配收入(元)正向0.171 8农业机械总动力(kW)正向0.136 4社会系统(0.27)人均居住面积(m2/人)正向0.184城镇化水平(%)正向0.140 6农村恩格尔系数(%)逆向0.208 7农村每百户有彩色电视机(台)正向0.073 1每万人口医院、卫生院床位数(张)正向0.177 6每百户移动电话拥有量(部)正向0.110 2城乡居民收入水平比例(%)逆向0.105 9环境系统(0.23)水土流失治理程度(hm2)正向0.090 9化肥施用强度(t)逆向0.152 6农用塑料薄膜使用程度(t)逆向0.138 6成灾面积占受灾面积比重(%)逆向0.242 9农药用量(t)逆向0.207 4废水排放量(t)逆向0.167 6

2.3 指标数据标准化及权重确定

获得指标权重常见的方法包括主成分分析法、层次分析法、熵值法、模糊综合评判法等。其中主成分分析法通过获得指标在主成分上的最大载荷而得到权重，在一定程度上有数据的损失[29]； 层次分析法易受人为主观因素的影响，对于定性问题具有一定作用[18]； 熵值法用于综合评价优点：是一种依据样本数据在各评价对象中的差异性来确定权重的客观赋权法，规避了人为主观因素的干扰，评价结果具有较高的可信度[30]。基本过程如下。

甘肃省农业可持续发展评价由5个子系统组成，子系统有n个指标，m个研究时间段，其中xij为第j个时间段上第i个指标的统计值。如果xij数据越大，系统功能越好，即为正向指标； 如果xij数据结果越小，系统功能性越好即为逆向指标。为了消除指标数据之间由数量级和量纲带来的影响，对原始数据进行标准化，公式如下：

(1)

计算第j个指标下的第i个时间段中占该指标的比重pij：

(2)

进一步计算得到第j个指标的熵值ej和冗余值fj：(如果pij为0，则假设lnpij也为0)

(3)

fj=1-ej

(4)

计算第j个指标的熵权wj：

(5)

2.4 综合评价模型

依据熵值法得到各指标及子系统的权重，将标准化后数值dij代入式(6)得到甘肃省农业综合评价指数及人口、资源、经济、社会和环境子系统对综合系统的贡献度：

(6)

2.5 耦合度模型

耦合度常用来描述两个及以上系统之间相互作用、相互影响的强弱程度[31]，耦合度越大，说明系统之间朝有序方向发展，否则朝无序方向发展。计算农业人口、资源、社会、经济、环境系统之间耦合度大小，可以反映了农业各子系统之间的耦合发展程度。耦合度计算公式为：

(7)

由于该研究中涉及人口、资源、经济、社会和环境5个子系统，因此n=5。C为耦合度，C∈(0， 1)当C=0时，系统之间不存在耦合关系； 当C=1时，系统处于耦合性达到最大，即5个子系统之间高度耦合。采用中值分段法，将耦合度C划分为4个分段值[32]：0

2.6 耦合协调度模型

耦合度反映人口、资源、经济、社会和环境5个子系统之间相互影响的程度，有时很难反映出5个子系统之间的实际协调发展水平[33]。为了规避两个子系统都处于低水平阶段，也表现出较高的协调度，故在耦合度函数的基础上引入耦合协调度模型。耦合协调度函数公式：

(8)

T=aU1+bU2+cU3+dU4+eU5

(9)

式(8)、(9)中，D为5个子系统的耦合协调度，C为耦合度，T为人口、资源、经济、社会和环境的综合协调指数，a、b、c、d、e分别代表人口、资源、经济、社会、环境子系统所对应系数。该文认为各子系统之间同等重要，因此，当求解两个系统耦合协调度时，待定系数均取值为0.5； 当求解5个子系统之间耦合协调度时，待定系数分别为0.1、0.14、0.26、0.27、0.23。根据相关研究，将耦合协调度D划分为失调和协调阶段，失调阶段划分为：严重失调(0

3 结果与分析

3.1 甘肃省农业可持续发展水平综合评价

首先运用公式(1)～(5)计算得到综合系统指标层和准则层的指标权重(表1)，然后将标准化后的原始数据代入式(6)中，得到2005—2015年甘肃省农业综合系统及5个子系统综合评价指数(图1)。

图1 2005—2015年甘肃省农业综合系统及各子系统评价指数

根据图1农业“人口—资源—经济—社会—环境”系统及5个子系统综合评价指数变化趋势可知：(1)2005—2015年甘肃省农业可持续发展水平处于持续提高态势，农业综合系统评价指数从2005年0.309增长到2015年0.752，其中2005—2007年3年处于蛰伏阶段，平均综合评价值为0.3，2008—2015年处于快速增长阶段，增长了2.15倍，总体来说，近年来甘肃省农业向着可持续发展的方向快速推进； (2)农业资源、经济、社会系统可持续发展水平持续提升，但是2005—2010年经历了一个滞后型的发展过程，对甘肃省农业可持续发展的推动作用逐年增强； (3)农业人口、环境系统可持续发展水平下降趋势， 2011—2015年属于滞后型发展阶段，逐渐成为甘肃省农业可持续发展进程中的瓶颈和制约因素。

农业人口子系统发展水平波动下降， 2005—2009年逐年下降， 2010年有所回升， 2010—2015年又处于逐年下滑趋势。这主要与甘肃省人口自然增长率有强相关性，甘肃省人口自然增长率从2005年6.02‰增长到2009年6.61‰，又从2010年6.03‰增长到2015年6.21‰。甘肃省年末人口数量从2005年2 545.1万人增长到2015年2 599.55万人，不断增长的人口数量在一定程度上限制农业人口系统的进一步发展。

农业资源、经济、社会子系统发展水平持续提高。农业资源综合评价值从2005年0.251增长到2015年的0.919，与近年来国家实施诸多政策措施有关，随着农业设备、技术装备、通讯、水利等农业基础设施的不断完善，促进了甘肃省农业现代化发展进程； 农业经济子系统综合评价值从2005年0.037增长到2015年0.999，其中， 2005—2015年甘肃省农业劳动生产率、土地生产率、农村居民人均可支配收入指标数据均增长了约3.5倍，农业机械总动力增长了2倍。农业社会子系统综合评价值从2005年0.022增长到2015年0.997，其中， 2005—2015年甘肃省人均居住面积、城镇化水平、每万人口(医院、卫生院)床位数指标数据分别增加了56.6%、43.9%、84%，农村恩格尔系数降低了14.34个百分数，平均每百户移动电话拥有量指标增长102.95%。

农业环境子系统发展水平持续下降，综合评价值从2005年0.832降低到2015年0.195。随着科技水平的不断进步，人们生活水平的提高，2005—2015年化肥、农药、农用塑料薄膜施用量分别增加了29%、246.49%、134.91%，废水排放量(工业废水及生活污水)增加了53.38%。可以明显看出，农业环境污染日益加剧，严重制约了农业环境系统可持续发展水平的提升。

3.2 农业系统耦合度及耦合协调度时序演化分析

将式(6)得到的综合评价指数代入式(7)～(9)中，计算2005—2015年甘肃省农业“人口—资源—经济—社会—环境”耦合度和耦合协调度(图2)。由于农业“人口—资源—经济—社会—环境”间的耦合协调度仅反映其整体协同程度，而两两子系统之间的耦合度和耦合协调度可进一步分析两者间的发展协调程度。因此，利用耦合和耦合协调模型得到2005—2015年甘肃省农业“人口—资源”“人口—经济”“人口—社会”“人口—环境”“资源—经济”“资源—社会”“资源—环境”“经济—社会”“经济—环境”“社会—环境”耦合度和耦合协调度(表2、图3、图4)。

3.2.1 农业系统耦合度时序演化分析

由图2可知， 2005—2015年甘肃省农业“人口—资源—经济—社会—环境”耦合度大体出现先提升后降低趋势，由2005年0.09上升到2011年0.2， 2012—2014年保持不变， 2015年降低为0.17，可以看出，甘肃省农业综合系统耦合度整体水平偏低， 10年间，一直处于低水平耦合阶段。

图2 2005—2015年甘肃省农业“人口—资源—经济—社会—环境”耦合度及耦合协调度

由表2和图3可知，农业各两两子系统之间的耦合度呈现出明显的阶段性特征，可分为两个阶段：(1)2005—2010年各两两子系统间的耦合度波动上升，耦合度介于0.16～0.5之间，从低水平耦合阶段过渡到了拮抗阶段，经历了从无序到有序的提升。(2)2011—2015年两两子系统的耦合度出现了明显的分异现象，人口—环境、资源—环境、经济—环境、社会—环境耦合度急剧下降，耦合度分别下降了8.16%、24%、26%、24.49%，总体属于耦合拮抗阶段； 人口—资源、人口—经济、人口—社会耦合度缓慢波动下降，耦合度介于0.47～0.5之间，总体属于耦合拮抗阶段； 资源—经济、资源—社会、经济—社会耦合度总体维持稳定。究其原因， 2010年前期，甘肃省以牺牲生态环境为代价的粗放型农业发展模式为主，农业发展迅速，伴随着农业生态破坏、环境污染问题逐渐凸显， 2010年之后，环境与各子系统之间耦合度急剧下降。人口数量的逐年增加，在一定程度上制约了人口与各子系统之间的耦合性。

图3 2005—2015年甘肃省农业两两子系统间的耦合度变化趋势

图4 2005—2015年甘肃省农业两两子系统间的耦合协调度变化趋势

表2 2005—2015年农业各子系统相互之间耦合度及耦合协调度

系统项目20052006200720082009201020112012201320142015人口—资源C0.440.440.490.50.50.480.490.50.50.50.48D0.450.420.450.480.50.520.550.560.550.570.58人口—经济C0.220.340.360.460.480.480.490.50.50.490.47D0.280.340.330.40.410.520.560.590.60.60.59人口—社会C0.170.30.380.440.490.470.490.50.50.490.47D0.240.310.340.380.430.50.550.560.580.590.59人口—环境C0.50.50.490.50.50.490.460.450.450.470.45D0.610.570.540.530.480.540.50.460.450.450.39资源—经济C0.330.460.410.470.470.50.50.50.490.50.5D0.220.260.290.390.440.450.510.560.580.630.69资源—社会C0.270.430.430.450.470.50.50.50.50.50.5D0.190.240.30.370.450.430.50.540.560.620.69资源—环境C0.420.420.470.490.50.50.490.470.460.450.38D0.480.440.480.510.510.460.450.450.430.470.46经济—社会C0.480.50.50.50.50.50.50.50.50.50.5D0.120.20.220.310.370.430.50.570.620.660.71经济—环境C0.20.310.320.430.480.50.490.450.420.430.37D0.30.350.350.420.420.470.460.470.470.50.47社会—环境C0.160.280.350.410.480.490.490.470.440.430.37D0.260.330.370.40.430.450.450.450.460.490.47

3.2.2 农业系统耦合协调度时序演化分析

由图2可知， 2005—2015年农业“人口—资源—经济—社会—环境”耦合协调度处于逐年增加趋势，系统整体水平朝有序协调方向发展。耦合协调度从2005年0.17增加到2015年0.36，耦合协调性从严重失调阶段过渡到了轻度失调阶段，与农业可持续发展水平一致。

由表2和图4可知，农业各两两子系统间的耦合协调度呈现出“剪刀差”的分异特征。(1)2005—2015年，资源—经济、资源—社会、经济—社会耦合协调度线性增长，分别增长了3.14倍、3.63倍、5.92倍，从最初的轻度失调转变为初级协调； 人口—资源、人口—经济、人口—社会耦合协调度增长次之，分别增长了1.29倍、2.11倍、2.36倍，从中度失调过渡到勉强协调阶段。(2)2005—2015年资源—环境耦合协调度波动缓慢下降趋势，经济—环境、社会—环境耦合协调度平稳上升，主要表现为濒临失调； 人口—环境耦合协调度从2005年0.61降到2015年0.39，协调性从初级协调急剧下降为中度失调。究其原因，近年来，甘肃省农业社会、经济、资源发展快，以粗放的农业生产模式为主，农业人口和农业环境面临的压力逐年增加，严重制约了甘肃省人口—环境、资源—环境、经济—环境、社会—环境耦合协调性的进一步提升，与两两子系统间的耦合度反映信息基本一致。

4 结论与讨论

(1)2005—2015年甘肃省农业可持续发展水平持续提高，综合评价指数从2005年0.309增长到2015年0.752； 2005—2010年全省农业资源、经济、社会属于滞后型的发展类型， 2011—2015年全省农业人口和环境属于滞后型发展类型； 农业资源、社会、经济系统可持续发展水平持续提升； 农业人口和环境系统可持续发展水平持续下降，逐渐成为甘肃省农业可持续发展过程中的瓶颈和制约因素。

(2)2005—2015年农业“人口—资源—经济—社会—环境”系统整体耦合性逐年得到增强，耦合度从2005年0.09增加到2015年0.17，整体水平仍处于低水平耦合阶段。农业“人口—资源—经济—社会—环境”系统整体协调性逐年提升，耦合协调度从2005年0.17增加到2015年0.36，整体水平由最初的中度失调转变为轻度失调状态。从整体来看，甘肃省农业“人口—资源—经济—社会—环境”系统整体仍处于低水平耦合、轻度失调阶段，综合发展水平欠佳的局面。

(3)2005—2015年甘肃省农业两两子系统间的耦合度及协调度出现明显的阶段性和“剪刀差”的分异特征。2005—2010年甘肃省农业两两子系统间的耦合度从低水平耦合阶段过渡到了拮抗阶段，经历了从无序到有序的提升； 随着人口和环境问题的突出， 2011—2015年农业“人口—资源”、“资源—环境”、“经济—环境”、“社会—环境”系统耦合度出现逆转趋势。10年间，甘肃省农业“资源—经济”“资源—社会”“经济—社会”“人口—资源”“人口—经济”“人口—社会”“经济—环境”“社会—环境”系统协调性持续提高趋势； 农业“资源—环境”“人口—环境”系统协调性持续下降，这表明子系统间发展不协调对农业系统总体协调发展水平具有很强的制约作用。

5 建议

(1)实施“灾害风险管理—生态恢复—生计改善耦合模式”。甘肃省的“人口—资源—经济—社会—环境”系统分析揭示了甘肃农业可持续发展水平主要受制于生态脆弱、灾害频发、收入低下的影响，因此，促进甘肃省农业可持续发展的对策要打破传统的部门壁垒，以“精准扶贫”为契机，大力发展生态循环农业，实现农业资源环境、社会和经济效益的最大化。实施“灾害风险管理—生态恢复—生计改善耦合模式”，打破贫困加剧—生态退化—灾害频发的恶性循环[27]。

(2)控制人口数量，提高农业人口素质。科学合理地控制人口数量的增加，减轻甘肃省农业资源环境的压力。加大对基层农技推广人员和农民的培训力度，鼓励智慧与资本结合的农业发展模式，促进农业物联网等现代信息技术手段的推广使用，依托城镇化吸收农村剩余劳动力，推动传统农业并向休闲农业、生态农业、智慧农业、绿色农业等农业产业模式转变，促进甘肃省农业人口、资源、经济、社会、环境系统健康协调发展。

(3)加强农业基础设施建设。甘肃省农业基础比较薄弱，其中，农业资源与环境系统濒临失调状态，应加大以农田水利为重点的农业基础设施农业建设，改善农业生产条件，提升农业生产力，进一步增强甘肃省农产品的竞争力。

(4)实施生态补偿战略。甘肃省虽然生态环境脆弱，但黄河、长江都流经甘肃，而且跨度长。因此，甘肃应以保护生态环境为突破口，不要片面追求工业和农业生产力，因保护生态环境而遭受的损失，应通过生态补偿战略得到补偿。但实施生态补偿是一个复杂的系统，需要进行跨专业研究和跨部门协调，因此，补偿的标准、补偿对象、中央财政和流域下游受益省(区)如何进行财政转移支付等需要尽快推进。