华南区域2000—2015年社会经济及环境污染重心空间演变对比分析

邝红艳，周永杰，何煜然，杨大勇，肖敏志

生态环境部华南环境科学研究所，广州 510535

0 前言

区域协调发展的程度可以用区域经济的发展、资源利用及环境污染等定性描述，环境污染排放及空间格局受区域社会经济的发展以及区域经济格局变化的影响[1]，而区域社会经济的发展又受环境污染的制约[2]。

经济重心和污染重心是指区域空间里的某一个点，在该点各个方向上的经济力量和污染状况能够维持均衡。经济重心和污染重心在时间经纬度上的移动变化表示了区域经济和污染差异的动态演变过程，可以作为宏观分析区域属性的指标[3]。重心概念原来自于力学，国外学者弗·沃尔克最先利用重心的概念来研究人口重心的变化情况，随后国内学者在1970后开始运用重心分析方法对我国经济、人口和自然资源进行空间上的分析[4-8]，而近年来采用重心来研究区域社会经济发展及环境污染排放的关系方面的学者也比较多，例如赵海霞[9]、丁焕峰[3]、乔谷阳[10]、刘桂春[11]等人分别基于全国、省域的视角下从重心移动方向、移动距离、重心在经纬度上的相关性等多角度揭示了经济重心与污染重心动态变化和空间联系。

华南区域作为中国七大地理分区之一，一直处于改革开放的先行区，经济发展迅速，但是在21世纪后把区域内各方的发展和长远利益纳入战略发展的视野后，社会经济发展模式愈发显示出其深层的结构性危机[11]，同时环境质量也一直处于恶化状态。虽然随着污染减排、产业转型和污染治理投资力度的加大，监测数据表明有好转的现象，但是一些相对落后的区域随着经济发展，环境质量又有所下降。因此，研究区域协调处理社会经济与环境污染之间的关系尤为必要，本文通过计算区域社会经济重心、生活源环境污染重心以及工业源污染重心差异的演变轨迹，掌握和评价区域环境状况、经济状况及两者之间的协调发展程度，从而为华南区域的社会经济与环境保护的协调发展以及环境污染的空间治理提供空宏观控制思路。

图1 华南区域几何中心与各指标重心分布图Figure 1 Distribution of geometric center of south China and factors gravity center

1 华南区域数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本文系统地收集了广东、广西、海南三省各市(区)2000—2015年的GDP、人口数据，用来研究社会经济重心，收集了生活废水排放量、生活COD排放量、以及生活NH3-N排放量，用来研究生活源污染重心，同时也收集了工业 COD、SO2、NOX排放量，用于研究工业源污染重心。所涉及的数据均从 2001—2016年间各省统计年鉴及环境统计年鉴资料获取。

1.2 研究分析方法

利用重心模型计算重心坐标、移动方向及移动距离来衡量区域指标的空间属性[8-10]。重心移动主要受相关点的空间位置及指标属性值的影响，任何指标属性的发展变化都会影响区域重心的变化。当某一地区的指标属性值在整个区域的所占比例较大且增长较快时，该指标的区域重心就会向该地区移动，显示该指标空间属性的不均衡分布，即“重心偏离”。重心偏离方向指向某指标在空间属性的高密度增长部位，偏离的距离指示该指标活动的不均衡程度。区域重心的变动反映指标属性发展变化的轨迹及空间差异性。

重心坐标的计算采用以下方法:

假设一个区域由n个次级区域(或称为质点)P构成，第i个次区域的中心城市的坐标为(xi, yi)，mi为i次区域的某种属性的量值(或称为质量)，即某种属性的重心坐标为:

重心移动方向判断采用以下方法:

假设第i年重心坐标为[Xi, Yi]，第i+1年重心坐标为[Xi+1，Yi+1]，第i+1 年重心移动方向为θ角度(相对于第i年)，则θi+1=nπ/2+arctag([(Yi+1-Yi)]/ [(Xi+1-Xi)]，n=0，l，2，并将弧度转化为角度，且规定正东方向为 0°，逆时针方向为正向，则第一象限(0°，90°)(东北方向)、第二象限(90°，180°)(西北方向)为正，反之，顺时针为负，即第三象限(180°，270°)(西南方向)、第四象限(270°，360°)(东南方向)为负。

重心移动距离的计算采取以下方法:

假设d表示第i+1年重心移动的距离(相对于第i年)，则重心移动距离可表示为:

其中，常数C =111.11，表示由地球表面坐标单位(度)转化为平面距离(km)的系数。

2 研究结果

2.1 华南区域社会经济重心空间演变轨迹分析

2.1.1 经济重心演变轨迹

根据表1和图2显示，经济重心处于华南区域几何重心的东部，在整个研究时序内整体上表现为向西略偏北再向西方向移动，向西北和西南移动的频次均为 5次，表明华南区域的东部是经济发展的高密度区域，且经济发展方向逐渐向西部倾斜，西部经济活动属性实力增强更多。经济重心在经度和纬度上均有波动，在经度上跨度 0.1º，在纬度上跨度 0.01º，直线距离移动 44.01 km，年平均移动距离为2.93 km，特别是在2001年及2005年，直线移动距离均在7 km以上，说明研究区域的西部地区的经济发展较为快速，这与中国 2000年实施西部大开发的经济调整政策后西部地区经济快速发展的脚步是协调一致的[13]。

2.1.2 人口重心演变轨迹

根据表1和图2显示，人口重心处在华南区域几何重心的东部，在研究时序内整体上朝东南方向，在经度和纬度上均有一定的波动性，特别是2002年到2003年前后波动较大，分别朝西北、西南方向移动，2003年直线移动距离高达17.29 km，这可能与2002年国务院调整了柳州、来宾和崇左等市的行政区划区有关。但是2004年以后移动趋势是向东南方向的，重心向东偏移了 1.09º，向南偏移了 0.02º，直线移动距离为22.68 km。这说明华南地区东南片区各地市人口增长较快，人口分布呈现东部密集度高于西部、南部高于北部的基本格局。

另外，对比人口重心与GDP重心移动轨迹可以看出经济重心较人口重心的移动距离大且振动幅度激烈，人口在移动速度和规模上都不及经济移动的快，华南区域在社会发展中人口与经济出现了步伐不一致的情况。

2.2 华南区域环境污染重心空间演变轨迹分析

2.2.1 生活源污染指标重心空间演变轨迹分析

图2 华南区域社会经济发展重心演变轨迹图Figure 2 Spatial evolvement track analysis of socio-economic gravity center in south China area

表1 2000—2015华南区域人口经济重心年际间移动方向及距离Table 1 Shift direction and distance of socio-economic gravity center in south China area

根据表2和图3显示，生活废水排放量、生活COD排放量以及生活 NH3-N排放量的重心都处于华南区域几何重心的东部，各生活源污染指标在整体上表现为朝西北方向后又往东方向发展的趋势，其中生活废水排放量整体上先是朝西后又朝东发展，重心在经度上跨度 0.07°，在纬度上跨度 0.005°，直线移动距离109.48 km；生活COD排放量重心朝西北、西南、东北三个方向移动，重心在经度上跨度0.44°，在纬度上跨度 0.02°，直线移动距离 264.89 km；生活NH3-N排放量重心近年来朝西后略向北部移动后又往东部转移，在经度上跨度 0.36°，纬度上跨度0.04°，直线移动距离 162.88 km。在研究时序内，生活COD和NH3-N排放量重心移动方向和生活废水排放量重心的移动方向是一致的，这与浓度达标排放向浓度与总量达标排放的环保政策相符。生活源污染指标在 2006年前后发生较大的变化，2000—2006年，生活源污染指标重心朝西北方向移动，这可能由于华南区域西北部城镇化速率的加快，污水收集系统和处理设施的建设，农村生活污染废水原本无序排放的方式转变为有组织排放，华南区域西部生活污水排放量有所增加引起的。2007—2015年生活源污染指标重心整体上朝东方向移动，这表明华南地区生活污染指标处理效果趋于稳定，生活源污染指标重心移动的趋势跟随人口流动而发生改变。

2.2.2 工业源污染指标重心空间演变轨迹分析

图3 华南区域生活源污染指标重心演变轨迹图Figure 3 Spatial evolvement track analysis of socio-economic gravity center in south China area

表2 2000—2015华南区域生活源污染指标重心年际间移动方向及距离Table 2 Shift direction and distance of life source pollution indicators gravity center in south China area

图4 华南区域工业污染指标排放重心演变轨迹图Figure 4 Spatial evolvement track analysis of industrial source pollution indicators gravity center in south China area

表3 2000—2015华南区域工业污染指标重心年际间移动方向及距离Table 3 Shift direction and distance of industrial source pollution indicators gravity center in south China area

根据表3和图4显示，工业COD排放量重心位于华南区域几何中心的西南部，SO2排放量以及 NH3-N排放量的重心处于其东部，工业废气排放主要集中在华南区域东部，工业废水排放主要集中在华南区域西南部。各工业源污染指标整体上的演变轨迹方向是与 GDP重心的演变轨迹方向一致的，都往西北方向发展，其中工业 COD排放量重心在经度上跨度 1.66°，在纬度上跨度 0.04°，直线移动距离421.10 km；SO2排放量重心在经度上跨度 0.42°，在纬度上跨度 0.04°，直线移动距离 225.76 km；NH3-N 排放量的重心在经度上的跨度 0.79°，在纬度上的跨度是0.1°，直线移动距离102.85 km，这说明工业污染指标在东西方向上的移动速度大于在南北方向上的移动速度，华南区域西北各地市工业污染指标比重加大。

2.3 华南区域经济重心与环境污染重心的关联性分析

根据图1可知，工业源污染指标除NOX外，COD排放量重心及 SO2排放量重心，相对生活源污染指标更偏区域中心的西部，说明集中式工业点源污染处理效率上东部比西部要好，NOX由于不属于原来污染控制指标，处置效果相对较差。区域东部沿海地区人口分布密集，相比区域西部来说，区域东部的生活类污染处理效果差一些。根据各指标的空间位置，污染处置效率可初步判断: 工业 COD＞工业SO2＞生活 COD＞生活 NH3-N＞工业 NOX，即工业污染的控制效果＞生活污染控制效果。根据各个指标年度变化距离来看(表1-表3)，不同重心变化烈度上人口与经济变化最为稳定，生活源污染指标其次，工业污染源指标最大。

根据图 5可知，经济重心从高经度略向低经度移动又向高经度移动后略向低经度回调，说明经济在东西部发展速度比较平稳，向低经度回调说明华南区域西部城市的经济地位在增强，区域经济整体上趋向一体化发展。人口重心从低经度向较高经度缓慢发展，说明由于自然增长率不同及人口流动共同作用下，华南东部地区人口在全区域占较大比重。与GDP和人口相比较，生活COD、生活NH3-N、生活废水、工业COD、SO2、NOX等排放量均是不平衡的，其中工业COD排放量及SO2排放量在经度上的移动趋势基本一致，先是低经度向高经度移动再向略低经度移动后又向高经度转移，说明随着西部经济的发展，该区域的环境质量也在不断的下降。生活源污染各指标重心在经度上的移动趋势跳动一致，这个趋势与人口在经度上的转移方向是相一致的。

图5 社会经济重心与环境污染重心在经度上的演变路径对比Figure 5 The longitude variation track in socio-economic gravity center and environmental pollution gravity center

根据图6可知，华南区域GDP重心在纬度上移动趋于稳定状态，说明在南北方向上经济发展速度无较大差异。人口从高纬度略向低纬度移动，说明人口逐渐向区域南部移动。相比人口、经济重心，生活废水排放量、生活COD排放量、生活NH3-N排放量与人口重心移动方向趋势在纬度上相一致，说明生活类污染物在纬度上随人口移动一致，由于人口向南流动，区域南部生活污染排放比重逐渐增加。工业类污染指标如工业 COD排放量、NOX、SO2排放量先从低纬度向高纬度方向移动，由激烈变化到趋于平稳，随着华南区域一体化的发展，区域北部发展速度的加快，环境质量有所下降。

由表 4可知，在经度的空间联系上，人口重心与生活源污染指标成正相关性，且相关性较高，生活废水重心(0.9)＞生活COD重心(0.78)＞生活NH3-N重心(0.46)，除与NOX重心成较高的负相关性(-0.99)外，人口重心还与SO2和工业COD重心成正相关性(分别为0.4，0.76)，经济重心除了与NOX重心成较高正相关性(0.97)外，与人口重心以及各环境污染指标重心都成负相关性。在纬度的空间联系上，经济重心除了与 SO2重心、NOX重心成较正相关性外，与其余环境污染指标重心都成负相关性，其中与 NOX的相关性最高(0.69)，工业 COD 次之(-0.62)。

图6 社会经济重心与环境污染重心在纬度上的演变路径对比Figure 6 The latitude variation track in socio-economic gravity center and environmental pollution gravity center

表4 社会经济重心与环境污染指标重心在经纬度上的相关性Table 4 Correlates of the socio- economic gravity center and environmental pollution gravity center in longitude

3 结论

第一，从华南区域各指标重心空间分布格局看，十五年年来，除工业COD排放重心外，区域所有指标重心点分布于区域几何中心的南部，即人口、经济及各污染物排放比较集中于区域东南部；相对于生活源污染指标，工业源污染指标除NOX外，COD、SO2的指标重心相对偏西；污染处置效率上初步可判断: 工业 COD＞工业 SO2＞生活 COD＞生活氨氨＞工业 NOX，工业污染的控制效果＞生活污染控制效果。

第二，从华南区域各指标重心移动轨迹的空间格局来看，经济在区域西部的发展速度要大于东部地区的发展速度，并且在南北方向上趋于稳定平衡状态，人口重心向东南方向趋势，继续向区域沿海发达地区转移，生活源污染排放整体向西北部移动，西北部的城镇化速度不断加快，随着西部经济逐步增速，工业类污染也不断加大，即在社会发展的同时，区域西部面临的环境压力也不断增大。

第三，从华南区域各指标重心移动轨迹的剧烈变化程度来看，人口与经济变化最为稳定，生活污染指标次之，工业污染指标移动轨迹变化最激烈。

第四，从华南区域社会经济与环境污染的空间相关性分析，除了 NOX以外，人口重心与其他环境污染指标重心在经度上呈正相关，GDP重心除NOX外与其他环境污染类指标重心呈负相关。区域经济重心及人口重心在纬度上与环境污染指标重心相关性不显著。