基于动态耦合模型的产业结构与生态环境协调发展研究

吴群

摘要：运用动态耦合模型，对兰州市2000-2015年产业结构与生态环境的协调发展动态耦合规律进行实证分析，结果显示：兰州市产业结构综合水平和生态环境综合水平都是呈现曲折上升趋势，产业结构与生态环境耦合度呈现了先下降后上升的趋势，目前兰州市正处于产业结构与生态环境的协调发展阶段，然而整个协调耦合系统也即将进入极限发展阶段，生态环境承载力已经愈发不足，生态环境对产业结构的快速发展的支撑能力接近极限。

关键词：产业结构;生态环境;动态耦合;协调发展

中图分类号：F2文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.15.001

1引言

改革开放40多年来，我国各地区经济社会发展取得了巨大成就，但是传统的粗放型经济增长模式主要依靠投资和要素驱动，带来严重的资源短缺和环境恶化问题，资源环境承载力接近极限。在此背景下，运用系统演化理论重新审视产业结构和生态环境二者之间的关系，对于实现优化产业结构，形成与生态文明建设要求相适应的经济发展模式具有十分重要的意义。

20世纪50年代，国外一些学者就认识到产业结构演变与生态环境的发展之间相互影响。Hirschman.A.O（1958）认为产业发展应充分利用自身的资源优势，将有限资源投入到高效益、低污染的产业，高效地进行资源配置，从而对产业结构进行优化升级。国内学者赵雪雁等（2005）以黑河流域为研究对象，对产业结构和生态环境二者的耦合关系进行了定量分析，结果表明：黑河流域生态环境质量与环境产业协调度沿河自上游向下游依次降低，产业结构对生态环境的依赖性逐渐降低，破坏性逐渐上升。邹伟进等（2016）基于耦合理论，对我国产业结构与生态环境协调性进行定量辨识，得出二者的发展仍存在不平衡，但逐渐向协调发展过渡。

综观国内外研究，在研究产业结构和生态环境发展关系时，大部分学者都是从静态层面对二者进行耦合分析，但是产业结构和生态环境是动态变化的，考察二者关系需要进行动态耦合研究。

2产业结构和生态环境交互耦合关系

耦合度一词最初源于物理学，是对模块关联程度的一种度量，后被广泛应用于生态学、经济学等学科，用来反应两个或多个系统之间通过各种相互作用而彼此影响的现象。

在经济发展过程中，产业结构不断演变，每个时期的主导产业或产业的结构比例都会有所不同，伴随着这种演变，生态环境也会产生相应的变化。不同产业对资源的利用效率和对环境造成的压力各异，在三次产业中，第二产业尤其是工业的生产活动会消耗大量的自然资源，同时还会排放大量的废水、废气、废渣，对环境造成很大的压力;而第三产业不仅资源消耗少、污染排放低，还可以为第二产业提供技术和服务，改良工业生产设备和生产工艺，降低污染物的排放。因此产业结构决定了资源消耗和环境污染的程度，只有高级化、合理化的产业结构，才能有效利用各种生态资源和降低环境污染。

生态环境是产业生产活动的基础，为各产业的生产提供所需的资源和接纳生产排放的各种污染物。良好的生态环境有助于推进产业结构的优化升级，促进经济的可持续发展，进而对环境自身的污染减轻，而恶劣的生态环境则对产业结构的优化升级产生桎梏作用，具体表现为环境污染超过了环境自身的承载力时，环境对经济的发展不再是促进而是约束作用，将严重制约产业结构优化调整进程。因此，产业结构与生态环境之间不是相互独立的，而是紧密联系在一起的一个复合有机体，两者之间存在着一种相互作用而彼此影响的关系。

3模型构建

在明确了产业结构和生态环境之间存在着客观的交互耦合关系的基础上，可以将产业结构与生态环境的变化过程通过非线性的演化方程来形容：

dx（t）dt=f（x1，x2，…，xn）（1）

其中，x为系统;t为时间;xi为系统内部的第i个元素，i=1，2，…，n;f（x1，x2，…，xn）为xi的非线性函数。

将f（x1，x2，…，xn）在原点处按泰勒级数展开：

f（x1，x2，…，xn）=f（0）+a1x1+a2x2+…+anxn+θ（x1，x2，…，xn）（2）

其中，f（0）=0，ai为f（x1，x2，…xn）展开后关于xi的偏导数一次项的系数，θ（x1，x2，…xn）为f（x1，x2，…xn）展开后xi的不低于二次的余項。

将非线性状态方程在平衡态附近进行近似线性化，即在（2）式中可以略去余项θ（x1，x2，…xn），得到线性的状态方程从而保证整个系统的稳定性。

dx（t）dt=∑ni=1aixii=1，2，…n（3）

因此，可以按上述方法建立产业结构系统（I）和生态环境系统（E）演化过程的一般函数：

f（I）=∑ni=1aixi，i=1，2，…，n（4）

f（E）=∑mj=1bjyj，j=1，2，…，m（5）

式中，f（I）为产业结构发展系统，f（E）为生态环境发展系统;xi和yj分别为产业结构系统和生态环境系统的元素（均是时间t的函数）;ai和bj分别为各元素的权重。

由于产业结构的演变和生态环境的发展是一个相互作用、相互胁迫的过程，则可以将产业结构和生态环境看成一个复合系统，该复合系统只有f（I）和f（E）两个部分，且这两个部分主导整个系统，则系统演化方程的形式为：

A=f（I，t）=df（I）dt=α1f（I）+α2f（E），VA=dAdt（6）

B=f（E，t）=df（E）dt=β1f（I）+β2f（E），VB=dBdt（7）

式6、7中，A、 B为受自身与外来影响下产业结构子系统与生态环境子系统的演化状态，而两个子系统各自的演化速度为VA和VB，将是衡量复合系统整体速度的标志，可以根据VA和VB变化来考察整个复合系统的演化状态，进而研究整个系统以及各子系统的协调关系。

假定产业结构演化和生态环境发展的耦合关系呈周期性变化，在每个周期内，由于V的变化是VA与VB引起的，可以在二维平面（VA，VB）中来分析V，可以用VA与VB比值的反正切函数α=arctan（VA/VB）作为耦合度来确定整个系统的演化状态以及f（I）和f（E）的协调程度。根据耦合度α的值将整个复合系统划分为低级协调阶段、协调发展阶段、极限发展阶段、退化重组阶段，如图1所示。

（1）当-90°<α≤0°时，系统处于低级协调阶段。

（2）当0°<α≤90°时，系统处于协调发展阶段。

（3）当90°<α≤180°时，系统处于极限发展阶段。

（4）当-180°<α≤-90°时，系统处于退化重组阶段。

随后，产业生产活动陷入退化困境，资源环境也呈现衰竭趋势，产业结构优化升级与生态环境发展之间的交互胁迫关系重组，两个子系统处于螺旋式上升阶段。

4兰州市产业结构与生态环境的耦合态势分析

4.1产业结构与生态环境系统指标体系

产业结构与生态环境的耦合态势分析是涉及了经济、社会、环境等多个方面的复杂体系，该评价指标体系是否科学、合理，直接影响到评价体系的作用，因此，在构建指标体系时应遵循系统性、可行性、科学性、层次性和动态性等原则。

对于产业结构指标体系的构建，从结构水平以及由此带来的经济效益两个角度选取了11个评价指标，结构水平的指标有：一、二、三产业生产总值和就业人数占比、产业结构偏离度;经济效益指标有：人均gdp、农民人均纯收入、社会消费品零售总额、全社会劳动生产率。对于生态环境评价指标的选取，从生态环境污染、生态环境治理、生态环境禀赋三个方面选择了9个评价指标，生态环境污染指标有：人均工业废水排放量、人均工业废气排放量、人均工业固体废物产生量;生态环境治理指标有：工业固体废物综合利用量、污水处理率、废气治理设施运行费用;生态环境禀赋指标有：人均耕地面积、建成区绿化覆盖率、人均公共绿地面积。

4.2产业结构与生态环境的耦合态势分析

根据熵权法求出个指标的权重，然后对各指标经过标准化过后的数值经过加权求和，得出蘭州市2000年-2015年产业结构和生态环境综合评价指数，两者的演化曲线如图2所示，从图中可以看出，2000年以来，兰州市产业结构综合指数和生态环境综合指数都是在曲折变化中呈上升态势。

环境综合评价指数

将产业结构综合评价指数与生态环境综合评价指数的两条变化曲线分别拟合：

A=f（I，t）=0.0003t3-0.0048t2+0.0272t+02664，R2=0.9885，F=344.75

B=f（E，t）=0.3531t0.1664，R2=0.7796，F=4951

两曲线分别对t求导，得到两子系统的演化速度VA、VB：

VA=dAdt=0.0009t2-0.0096t+0.0272（8）

VB=dBdt=0.0588t-0.8336（9）

根据公式求出耦合度并画出产业结构-生态环境耦合曲线如图3所示。

从耦合度的值来看，2000年至2007年间，0°<α<45°，VB>VA>0，生态环境的发展速度大于产业结构的演化速度，产业结构的发展开始对生态环境产生影响，生态环境对各产业的生产活动的支撑作用也开始显现，两者构成的复合系统有序推进，产业结构和生态环境互相影响，联系紧密。2008年至2015年间，45°<αSymbolcB@

90°，VA>VB>0，产业结构和生态系统的协调发展仍在持续，但是各产业的生产活动消耗的资源环境的速度愈来愈快，生态环境开始制约产业结构演化。

从耦合的趋势来看，2000年到2001年耦合度小幅上涨，第三产业的比重上涨而第二产业的比重下降，结构更加合理。2001年到2004年，耦合度连续下降，产业结构综合指数的上涨速度下降得比生态环境综合指数上涨速度下降得快。2005年到2010年耦合度大幅上涨，产业结构演化速度相对于生态环境发展速度越来越快，由2005年的VB>VA到2008年之后的VA>VB，耦合度α逐渐远离45度，两者的耦合程度也逐渐下降，这期间产业结构得到了长足得发展，各产业的生产活动对环境的依赖和消耗也越来越严重。2011年到2015年耦合度缓慢上涨，逐渐趋向于90度，耦合程度下降，虽然产业结构和生态环境处于共同发展阶段，仍蕴藏着矛盾：生态环境发展速度落后于产业结构的发展速度，生态环境对产业结构的快速发展的支撑能力愈发不足。

5结论

产业结构与生态环境动态耦合系统是具有高度关联性的产业结构子系统和生态环境子系统之间相互影响、相互制约、相互促进的复合系统，具有动态演化特征。本文运用动态耦合模型，对兰州市该时期产业结构与生态环境的协调发展动态耦合规律进行实证分析，结果显示：2000-2015年间兰州市产业结构综合水平和生态环境综合水平都是呈现曲折上升趋势;产业结构与生态环境耦合度呈现了先下降后上升的趋势，目前兰州市正处于产业结构与生态环境的协调发展阶段，然而协调耦合度的增长很快，已经逼近90°，表明整个协调发展系统也即将进入极限发展阶段，生态环境危机正在进入潜伏期，生态环境对产业结构的快速发展的支撑能力愈发不足。

参考文献

[1]Hirschman A O.Interregional and international transmission of economic growth[J].The Strategy of Economic Development，1958，（1）：183-201.

[2]苟露峰，王海龙，汪艳涛.山东省海洋产业结构演变与生态环境系统耦合研究[J].华东经济管理，2015，（04）：29-33.

[3]赵雪雁，周健，王录仓.黑河流域产业结构与生态环境耦合关系辨识[J].中国人口.资源与环境，2005，（04）：69-73.

[4]邹伟进，李旭洋，王向东.基于耦合理论的产业结构与生态环境协调性研究[J].中国地质大学学报（社会科学版），2016，（02）：88-95.

[5]乔标，方创琳.城市化与生态环境协调发展的动态耦合模型及其在干旱区的应用[J].生态学报，2005，（11）：211-217.