产业结构与生态环境系统动态耦合协调发展研究——基于广东2005—2018 年的数据

张 林

（中共清远市委党校，广东 清远 511500）

一、引言

2019 年2 月，《粤港澳大湾区发展规划纲要》（下称《纲要》）正式印发实施。这一纲领性文件对粤港澳大湾区的战略定位、发展目标、空间布局、产业体系及生态建设等方面作了全面规划，意味着粤港澳大湾区迎来了新的发展机遇。按照《纲要》提出的发展目标，到2022 年，国际一流湾区和世界级城市群的框架要在粤港澳大湾区基本形成。这一目标的顺利实现，离不开大湾区的产业结构优化与生态环境保护。当前粤港澳大湾区区域发展依然面临诸多瓶颈，经济发展水平与产业结构参差不齐、资源能源制约、生态环境问题突出。除此之外，过去主要依赖投资和要素驱动的经济增长模式，导致我省自然资源短缺和生态环境恶化，经济社会可持续发展受到严峻挑战。珠三角地区无论是从地理范围、人口规模，还是从经济总量、发展水平，都是大湾区产业结构优化与生态保护的重点。而粤东西北地区对大湾区的建设同样不可或缺，这些环湾区的城市既为大湾区的产业转移提供了广阔的腹地，也在大湾区生态环境保护方面发挥着重要的作用。在此背景下，本文运用系统演化理论总结广东产业结构和生态环境的发展脉络，对增进粤港澳三地开展深入合作，推动粤港澳大湾区实现阶段目标具有极其重要的现实意义。

早在上世纪50 年代，国外一些学者就已经展开对产业结构与生态环境之间关系的研究。Hirschman[1]发现，发展中国家普遍存在资源短缺、人才不足以及经济增长不平衡等问题。因此，政府部门应该积极对资源进行合理配置，将有限的资源投入到高产出、低污染的产业，促进产业结构的优化升级，并带动其他行业的发展。Grossman 等[2][3]认为产业结构是连接经济活动与生态环境的纽带，一方面经济活动通过资源投入推动产业结构演变，进而对生态环境产生影响，另一方面生态环境的保护力度也受限于当时的产业发展水平。

国内的研究中，总体上可以分成两类。一类是在区域层面，以国家或各省市为研究对象，探讨产业结构与生态环境的关系。彭建[4]研究发现，1992—2003 年间丽江产业结构的演变对生态环境影响整体不大，且呈现出逐年降低的趋势，即区域产业结构的变化推动了生态环境的改善。张效莉等[5]从新兴古典经济学角度出发，利用超边际分析理论，建立了包含经济系统、生态环境系统的最优决策模型，模型表明增加外生性交易费用是提高经济系统和环境系统效益，从而实现区域可持续发展的关键。邹伟进等[6]通过构建综合评价指标体系及耦合协调度模型，对我国2000—2013 年产业结构与生态环境的协调程度进行评价，结果表明我国产业结构与生态环境的发展经历了极不协调、失调到弱协调三个阶段。温彦平等[7]分析了长江中游28 个地级市城镇化、产业结构和生态环境的耦合度，研究发现该城市群2006—2015 年间的区域发展耦合协调度整体呈现上升趋势，但各个城市的协调水平存在较大差异，因此区域间的统筹协调尤为重要。另一类则是在产业层面，研究具体产业的产业结构演化与生态环境变迁的情况。王继军等[8]构建了陕西省纸坊沟流域1938—2008 年间农业经济系统与农业生态系统耦合度模型，模型结论是该流域的农业生态系统耦合逐渐失调，因此必须调整产业布局、优化产业结构，才有可能促进农业生态经济系统的协调发展。钟霞等[9]定量分析了广东21 个地级市旅游—经济—生态环境的耦合协调度，结果表明2001—2010 年间广东的耦合协调度在不断提高，但不同区域的耦合协调度水平存在巨大差距，珠三角地区远远超过粤东西北地区，且差距还在不断扩大。苟露峰等[10]以山东海洋产业为研究对象，研究发现，2002—2012 年间山东省海洋产业结构与海洋生态环境之间的耦合协调度正趋于不断转好。田欣宁[11]利用2007-2018 年太原市的相关数据，研究发现太原市城镇化与生态环境的综合发展水平总体呈上升趋势，二者的耦合协调度由轻度失调发展为初级协调。

回顾国内外对产业结构和生态环境关系的研究中，学者们多是利用静态耦合模型对二者展开研究，从动态层面研究产业结构与生态环境的耦合情况相对较少。此外，国内定量研究中所使用的数据相对陈旧，结果导致研究结论不能全面反映当前产业结构与生态环境的协调程度，尤其缺乏十八大以来中央和各级政府在推动产业转型升级和生态文明建设上所作努力的评价。为了充实现有理论研究，本文以广东为例，通过构建综合评价指标体系，系统评价广东2005—2018 年产业结构与生态环境的动态耦合情况，为粤港澳大湾区的产业发展和生态环境保护提供政策建议。

二、产业结构与生态环境的耦合关系

耦合一词最早来源于物理学，后被生态学、经济学、管理学等学科广泛应用，用来描述两个或两个以上系统之间或者组成系统的各个要素之间，如何通过相互作用来产生影响的。具体来说，系统或系统内要素之间的影响可以分成两种情况。一种是积极作用，一方的发展推动整体和其他部分的发展，即良性耦合；另外一种是消极作用，一方的发展对整体和其他部分产生阻碍和制约作用，即恶性耦合。耦合度是基于耦合理论，通过度量系统间或系统内要素间在发展变化过程中相互影响的程度，从而反映系统整体内部的协调程度。

产业结构与生态环境之间存在彼此依存、相互制约的耦合关系。首先，生态环境是经济社会发展的基础，生态环境既能够为各种产业的生产活动提供所需的物质资源，也能够消化生产活动所产生的各种污染物。保护生态环境就是保护生产力，改善生态环境就是发展生产力。优良的生态环境有助于加快推动经济的可持续发展，并优化产业结构，使得社会可以以较少的代价实现同等的产出。反之，当环境污染超过了环境的承载能力时，恶劣的生态环境则会减缓产业结构优化升级的进程，从而制约经济社会的进一步发展。其次，从世界各国的经济发展史可以看到，经济发展过程中，伴随着产业结构的演变，而生态环境状况也呈现出相应的变化。当经济发展处于初级阶段时，产业活动水平较低，对资源的利用效率不高，消耗大量自然资源的同时还会排放大量污染物，对生态环境产生极大破坏；当经济发展达到较高水平，尤其是第三产业占比较高时，新技术、新工艺不断涌现，从而引起行业生产水平的提升以及污染物排放得到控制。经济体创造相同价值消耗的资源和排放的污染物都出现下降，产业经济活动对生态环境的负外部效应明显减弱。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、彼此影响的关系。

三、模型设定与数据处理

（一）模型构建

利用系统演化构建动态耦合模型来分析产业结构和生态环境之间的客观交互耦合关系，二者的变化过程可以通过非线性演化方程来表示：

式中，x为系统；t为时间；xi为系统内部的第个i元素，i=1,2…,n；为xi的非线性函数。

Lyapunov 第一近似定理指出，非线性系统的运动稳定性取决于一次近似系统的特征根的性质[12]。为了保证整个系统的稳定性，需对一次近似微分方程在平衡点处进行近似线性化，现将在原点处按泰勒级数展开，并略去高次项，仅保留常数项和关于xi的偏导数一次项，可以得到上述非线性系统的近似表达式：

按照这种方法，可以构建产业结构调整与生态环境变化的一般函数：

式中，f(I)是产业结构系统，f(E)是生态环境系统，xi、yj分别为两个系统的元素，ai、bj是各个元素的所占的权重。

由于产业结构与生态环境之间存在相互作用、相互胁迫的关系，因此可以将二者纳入一个包含f(I)和f(E)两个部分在内的复合系统，该复合系统的演化情况为：

式中，A、B是在自身和外部两方面因素共同影响下的产业结构和生态环境子系统的演化情况，VA、VB为演化速度。由于A与B是相互影响的，因此在整个复合系统中，VA、VB决定系统的整体速度，有V=f(VA,VB)。因此可以通过考察V的变化来考察整个复合系统及各个子系统的协调耦合关系。

由于产业结构和生态环境构成的系统在演化上满足螺旋上升机制，可以假定二者的动态协调耦合关系呈周期性变化。在每个周期内，VA与VB带来V的变化，因此可以在VA与VB组成的二维平面上，用α=arctg(VA/VB)作为耦合度来衡量整个系统的演化状态以及子系统间的协调程度。在一个周期内，整个系统根据α的值大小可分为低级协调（I）、协调发展（II）、极限发展（III）和螺旋上升（IV）四个阶段，如图1A 所示。

（1）当-90°＜α＜0°时，系统处于低级协调共生阶段。这一时期产业发展进程缓慢，生态环境带来的限制和约束很小，产业结构演变对生态环境的影响几乎为零。

（2）当0°＜α＜90°时，系统处于协调发展阶段。产业结构演变速度较慢低但已经开始显现出对生态环境的胁迫作用，生态环境对产业结构演变的约束与限制也日渐突出，但尚在可控范围内。

（3）当90°＜α≤180°时，系统处于极限发展阶段。由于产业发展快速推进,经济社会的发展对自然资源的利用和生态环境的破坏日益加剧，产业发展与生态环境之间的矛盾愈演愈烈。

（4）当-180°＜α≤-90°时，系统处于螺旋式上升阶段。在这一阶段，随着产业发展陷入困境，资源环境也呈现衰竭趋势，产业发展与生态环境之间的交互胁迫关系被迫面临调整。系统内部诸要素通过调整优化，产业发展与生态环境二者间的协调耦合关系也逐渐得到改善，并由相互胁迫转化为相互促进，整个系统螺旋上升，子系统实现更高层次的协调，如图1B 所示。

图1 产业结构与生态环境的耦合发展过程

（二）评价指标选取及权重确定

为了准确评价产业结构及生态环境的变化情况，保证评价指标体系的科学性和有效性。本文在设置评价指标体系时，综合考虑经济、社会、环境等多方面的因素，并借鉴公开文献中涉及产业结构与生态环境评价指标的相关资料，利用Delphi 法对各指标权重进行赋值，最终形成了由产值结构、就业结构、产业结构偏离度、效益水平4 个一级指标和13 个二级指标构成的产业结构指标评价体系；由生态环境污染、生态环境治理、生态环境质量3 个一级指标和9 个二级指标构成的生态环境指标评价体系，如表1 所示。

表1 生态环境及产业结构水平综合评价指标体系及权重

（三）数据来源

为确保数据的可得性及研究的可行性，从《中国统计年鉴》（2006—2019）、《中国环境统计年鉴》（2006—2019）、《广东统计年鉴》（2006—2019）以及《广东省环境统计公报》（2005—2018）中选取相关数据，部分缺失数据通过推算得到。自2013 年起开展的城乡一体化住户收支和生活状况调查。

（四）数据标准化

为消除变量由于量纲和正负项不同而影响实验结果，本文采用极差标准化的方法对数据进行标准化：

式中：i为年份，j为指标序号，Aij为数据标准化后的数值，Xij为原始值，minXij与maxXij分别为评价区内该指标的最小值与最大值。不同数据经标准化处理后，消除了单位且数值范围均在[0～1]之间。

四、结果与分析

（一）产业结构与生态环境耦合演变轨迹的综合评估

将数据标准化处理后，按照设定的权重进行加权求和，可得广东2005—2018 年间产业结构与生态环境的综合指标指数，如表2 所示。

表2 2005—2018 年广东产业结构与生态环境综合指数

利用表2 的数据可以得到广东产业结构与生态环境的演化曲线，如图2 所示。从图中可以看出，2005 年以来，广东产业结构综合指数和生态环境综合指数整体上都呈上升趋势。其中，2005—2010 年间，产业结构在不断优化，生态环境状况也在改善，且生态环境指数一直高于产业结构指数；2011—2015 年间的产业结构调整继续向前推进，而生态环境在曲折中波动，整体上维持在2010 年的水平，不过生态环境指数依然高于产业结构指数；2016—2018 年间，生态环境指数整体处于下滑趋势，且低于产业结构指数，说明生态环境在产业结构变迁过程中面临的压力明显增加。

图2 2005—2018 年广东产业结构与生态环境动态变化曲线

（二）产业结构与生态环境协调发展的耦合态势分析

为了更加清晰的反映广东产业结构与生态环境协调发展的耦合情况，将图2 中的产业结构综合指数与生态环境综合指数两条曲线分别进行非线性拟合，可得：

（9）、（10）分别对t进行求导，可得两子系统的演化速度VA、VB：

利用公式（11）和（12）可以得到广东2005—2018 年间的VA、VB、tanα和α的值，如表3 所示。

表3 2005—2018 年广东产业结构与生态环境协调发展的耦合度

根据表3 中α的值可以得到广东2005—2018 年的产业结构与生态环境协调发展的动态耦合演化曲线，如图3 所示。

图3 2005—2018 年广东产业结构与生态环境耦合曲线

由图可知，2005—2018 年间0＜α＜90°，且耦合度α呈现出先上升、后下降的特点，并于2015 年达到峰值，广东产业结构与生态环境的动态耦合过程处于协调发展（II）阶段。具体来说，该过程可以分成两个阶段:第一阶段为2005—2008 年，0＜α＜45°，0＜VA＜VB，生态环境的改善速度大于产业结构的优化速度，产业结构的发展尚未对生态环境产生负面影响，生态环境可以满足产业发展对资源的需要，两者构成了一个紧密的有机体。第二阶段为2009—2018 年，45°＜α＜90°，0＜VB＜VA，该阶段又可以分成两个时期。2009—2014 年间，α呈上升趋势且逐渐远离45°，两者的耦合程度也逐渐下降。尽管这一时期产业结构和生态环境之间依然处于的协调发展的阶段，但伴随着产业活动规模的扩大和结构的调整，生产活动对资源的消耗不断加快，对生态环境的影响也越来越明显，二者间的良性互动逐渐消失，产业结构的调整受到生态环境的制约。2015—2018 年间，α呈下降趋势。随着生态的投入的增加，生态环境开始好转,因此产业结构与生态环境的耦合度从最高点缓慢下降,经济社会的发展对自然资源的无序利用和生态环境的破坏受到遏制。环境改善的速度不断加快，产业发展与生态环境之间的矛盾也得到一定程度缓解,生态环境对产业结构演变的约束作用逐渐减小，经济结构更加合理、经济发展也更加可持续。

五、结论

产业结构与生态环境的动态耦合系统是相互影响、相互制约、相互促进的复合系统，具有动态演化特征。在经济发展初期,产业发展水平较低，往往需要以破坏生态环境为代价实现原始积累，然而随着经济发展到一定阶段,产业结构不断调整，生态环境也会受益于产业结构的优化而得到改善。本文基于动态耦合模型所建立的广东产业结构与生态环境的协调耦合度,能够较好地反映二者的动态耦合情况。

当前广东省正处于产业结构与生态环境的协调发展阶段,且协调耦合度在近三年呈下降趋势，逐渐远离极限发展阶段，生态环境得到明显改善，产业结构与生态环境呈现出更加协调发展的状态。这也从另外一个方面证明了十八大以来，尤其是近三年来，广东在推动产业转型升级与生态环境保护方面做出的努力，已经取得了明显的成绩，但不可否认的是生态环境与产业结构的协调发展仍有待进一步加强。土壤重金属污染、污水和垃圾处理等设施仍有待完善；另一方面，尽管产业结构渐趋优化,产业转型升级不断加快,但产业竞争力还不够强。部分地区企业生产效率偏低、缺少支柱性高新技术产业，尤其是粤东西北等欠发达地还面临着生态环境保护投入的经济压力。因此，广东要继续加大环境污染治理投入、构建多元化的投融资渠道，整合行政管理资源，加快在环保政策制定、环保综合执法、产业发展合作等方面的合作力度，推动形成跨区域、多流域、全局性的生态环境与产业结构协调发展的格局。在新的历史时期，紧紧抓住粤港澳大湾区城市群建设的重要历史机遇，续写经济高质量发展的时代新篇章！