基于耦合协调度模型的生态系统与经济系统协同发展研究——以京津冀地区为例

王 芳

（天津行政学院，天津300191）

一、引言

京津冀地区是我国经济发展格局中最具活力和潜力的核心区域之一，也是我国经济发展最快、功能最全、综合价值最高的区域之一，但同时也是我国环境形势较为严峻的区域之一。生态环境问题已成为限制区域经济社会发展的主要瓶颈，倒逼三地在经济、环境等方面全面进入一体化。2014年2月，习近平总书记提出实现京津冀协同发展是一个重大国家战略；2018年5月，习近平总书记在全国生态环境保护大会上强调，要协同推进经济高质量发展和生态环境高水平保护；2019年1月，习近平总书记在京津冀协同发展座谈会时再次强调，京津冀协同发展是一个系统工程，要发挥引领高质量发展的重要源作用，强化生态环境联建联防联治；2021年3月，习近平总书记在全国“两会”期间提出要把“坚持生态优先、推动高质量发展、创造高品质生活有机结合、相得益彰”，将生态与经济的协同发展与满足人民美好生活需要紧密结合起来。

京津冀协同发展作为重大国家战略，大力推进环境保护与经济增长的协同发展不仅是实现区域高质量发展、三地人民高品质生活的重要路径，同时也是新发展阶段贯彻新发展理念的重要体现，更是我党执政为民、完成第二个一百年奋斗目标的重要抓手。在此背景下，采用恰当的研究方法对京津冀地区生态—经济系统的发展现况进行识别与评价，并找到影响三地协同发展的具体因素，从而制定有效应对策略予以改善，是目前实现京津冀高质量协同发展的重大课题。

二、文献回顾

最为人们所熟知的对于环境与经济之间的研究是Grossman 和Krueger（1995）[1](p353-377)提出的环境库兹涅茨曲线（EKC），他们指出环境质量与经济发展呈倒U型曲线关系，经济的发展造成了环境污染的加剧，但随着经济的进一步发展，环境质量会得到改善，从而达到生态环境与经济增长的双赢局面。此后，国内外的学者们对这一假说进行了验证，结果不尽相同，有些经验分析证实了EKC 的存在（Uddin等，2016[2](p301-316)），而有些实证研究却未能得到一致的结论（Senbel 等，2003[3](p83-100)；Galli 等，2011[4](p99-107)）。大部分关于中国的实证研究结果都显示经济快速增长是造成国内环境质量恶化的原因，而为了改善环境质量所实施的环境规制对经济的影响则具有显著的不确定性，有的学者认为对更高环境质量的追求会促进经济绿色转型从而获得双赢（陆旸，2009[5](p28-40)；张红凤等，2009[6](p14-26)），有的研究结果则显示环境规制会造成就业损失从而带来经济下行（李梦洁等，2014[7](p14-26)），也有研究发现二者间存在着非线性关系（王勇等，2017[8](p33-47)；秦楠，2018[9](p106-119)）。研究结果的大相径庭主要缘于实证分析的结论在很大程度上是受研究者所选择的指标影响。

目前对生态与经济系统的协同发展实证分析多采用耦合协调度模型，主要从城市化、旅游经济、农业经济以及贫困等方面分析经济与生态环境的耦合协调情况。研究显示，我国各地区城市化与生态环境之间的耦合协调度整体呈现不断提升的态势，但空间差异性较大，多数研究显示经济发展水平较高的地区生态与经济的耦合协调度也较高（李瑛珊，2016[10](p248-252)；贾洪文等，2019[11](p117-124)）。而旅游经济对环境质量的依赖度大，整体来看仍然是东部发达地区的协调发展程度高而生态环境略为滞后，中西部城市的耦合协调度较低而经济略为滞后（郭晓东等，2014[12](p356-359)；刘德光等，2016[13](p89-96)）。农业经济与生态环境的耦合协调情况则呈现出经济发展综合指标好于生态环境综合指标的现象（邓淇中等，2018[14](p37-44)）。但贫困与生态环境的恶化往往共生共存，呈现出相互阻碍的严重不协调现象（牛亚琼等，2017[15](p6431-6439)）。

上述文献中与京津冀有关的文章主要集中在分析京津冀的城镇化、产业及技术创新、低碳经济等方面与生态环境的耦合协调关系，结果显示：三地生态系统与城镇化发展的耦合协调度均呈整体上升趋势，北京的耦合协调度最高、天津次之、河北最低，京津两地的生态环境水平落后于经济发展，而河北多数城市的经济水平落后于生态环境（王少剑等，2015[16](p2244-2254)）。在产业及技术创新方面，北京较为成熟稳定，天津和河北未来发展潜力更大，三地的生态环境均弱于产业发展（高杨等，2016[17](p109-118)；王莎等，2019[18](p75-79)）。而在低碳经济的视角下，京津冀三地基本一致且都朝着高水平发展，河北的生态环境相对落后（崔操操等，2017[19](p300-306)）。

就现有的文献来看，学者们对我国各地生态系统与经济系统的协同发展已有明显的关注，但对京津冀生态系统与经济系统协同发展的研究较少。目前，“北京吃不完，天津吃不饱，河北吃不着”的现实差距明显，但产生这一现象的深层次原因还未能在理论上厘清。为此，本文在借鉴以往研究成果的基础上，拟采用耦合度与耦合协调度模型，选取恰当的指标对京津冀生态系统与经济系统的协同发展进行测度评价，分析京津冀高质量发展的短板所在，以期为实现京津冀高质量协同发展提供理论支撑与对策建议。

三、模型构建

（一）耦合协调度模型介绍。

耦合是物理学的概念，是指两个或两个以上系统或运动形式通过各种相互作用而彼此影响的现象（刘耀彬等，2005[20](p105-112)）。近年来这一概念被引入社会科学研究中得到广泛应用，系统或要素间彼此影响、相互作用的动态关联被称为耦合，它刻画了某一时点某一特定系统的演进态势或变化趋向（彭博等，2017[21](p43-47)）。耦合度被用来描述系统或要素之间彼此作用影响的程度，但它并不能反映其相互间的协调发展水平。耦合协调度则是衡量系统耦合协同情况的指标，当耦合协调度达到最优时表明系统达到最佳状态。这一研究方法可以很好地对区域环境保护与经济增长的协同发展现状和趋势进行分析和识别。

为合理测度京津冀地区生态系统与经济系统的综合发展情况，我们分别选取经济发展、经济结构、经济驱动力等指标衡量经济情况，选取环境压力、环境污染、环境投入等指标衡量生态情况。同时，为使得不同计量单位的指标之间可以进行比较分析，对所选取指标进行以下标准化处理，得到取值在0 至1 之间的值（刘耀彬等，2005[20](p105-112)；刘巧婧等，2018[22](p4214-4222)）：

式（1）及式（2）中的和分别为正向指标和逆向指标的标准化取值，Xij为i年份中j指标的原始值，max（Xj）和min（Xj）分别为研究周期内该指标的最大值与最小值。

由于各指标间的权重取值直接影响到测度结果，为避免笔者主观赋值可能造成的计量失误，我们使用熵值法确定各指标的权重，以消除确定权重过程中人为主观因素的影响（He et al.，2017[23](p185-193)）。在信息论中，熵是指对不确定性的一种度量，信息量越大，不确定性就越小，熵也就越小；反之，当信息量越小时，其不确定性就越大，从而熵也就越大。因此，我们可以根据熵的这一特性，通过对熵值的计算判断一个指标或变量的离散程度，离散程度越大，说明该指标对综合评价的影响越大，因而可以赋予其相应较大的权重以体现该指标对整体的重要性。通过熵值法，我们可以计算出实证分析中所选取的各个指标在整个系统中的权重，从而为多指标综合评价提供合理的依据。

第i年份中j指标的权重wij按公式（3）计算，第j指标的熵值ej按公式（4）计算，第j指标的差异系数φj按公式（5）计算，第j指标的权重wj按公式（6）计算。其中m为研究周期的年数，n为指标个数：

通过上式得到各指标的权重后，计算得到生态系统与经济系统的测度如下：

f（G）为经济系统综合发展水平，f（E）为生态系统综合发展水平，与分别为经济系统与生态系统各指标的权重，与则为经济系统与生态系统第i年份的各指标的标准化取值。

借鉴物理学中的容量耦合概念及选用容量耦合系数模型，演绎得到生态系统和经济系统的耦合度函数：

其中C为耦合度，α与β分别为生态系统与经济系统的贡献份额，在本文中二者重要程度相同，因此系数均取值为0.5。C∈[0，1]，当C=0 时，耦合度极小，生态系统与经济系统处于无关状态，二者将向无序发展；当C=1时，耦合度最大，生态系统与经济系统之间达到良性共振耦合，二者将趋向新的有序结构。

耦合度可以清晰描述生态系统与经济系统之间相互作用的程度，但无法体现二者之间的协同发展水平，同为良性耦合阶段，但可能是高水平的协同也可能是低水平的协同。为更加清晰地描述京津冀地区生态—经济系统的协同发展情况、判别不同时期二者之间的耦合协调程度，还需建立以下耦合协调度模型：

上式中T为二者间的综合协调指数，D即为生态系统与经济系统的耦合协调度。根据D的取值结合生态系统与经济系统的测度值大小，参考刘耀彬等（2005）[20]与Li 等（2012）[24]的划分标准，本文将二者间的耦合协调类型划分如下：

根据表1 及表2 的划分标准，具体测度京津冀地区生态系统与经济系统的耦合度及耦合协调度，分析其变化趋势，并找到影响京津冀地区高质量发展的短板所在，为后文中提出有针对性、具可操作性的对策建议提供依据。

表1 生态—经济系统的耦合阶段划分

表2 生态系统与经济系统耦合协调类型划分

（二）数据介绍。

选取北京、天津、河北三地经济系统与环境系统各9 个指标，分别表征地区的经济规模、经济结构、经济驱动力以及环境压力、环境污染、环境投入，数据除社会劳动生产率与环境治理投资总额分别来自三地历年统计年鉴与中国环境统计年鉴外，其余数据均来自国家统计局官网，人均量则由各变量除以各地当年常住人口数得到，社会劳动生产率除北京有直接数据外，天津与河北数据均为当年生产增加值除以社会从业人员得到。

各变量指标均按照上文介绍的标准化方法及权重公式，计算得到各指标的标准值及权重，如表3所示。

表3 各系统指标及其权重

图1显示了京津冀三地2004年至2017年生态系统与经济系统的发展评价。北京历年的经济均好于生态；天津的生态系统在2009年前好于经济系统、但之后一直略差于经济；河北的生态系统则显著强于经济系统。三地比较而言，2010年后北京的生态—经济系统均明显优于天津、天津则明显优于河北。

图1 京津冀生态系统与经济系统发展评价

四、京津冀生态—经济系统协同发展现状评价

（一）耦合度评价。

表4显示，北京、天津两地的生态—经济系统自2004年以来均已进入高水平耦合阶段。从生态系统与经济系统的评分来看，除2004年在环境领域低于天津外，历年北京生态—经济评分均显著高于天津，说明无论是经济发展还是环境质量，北京都明显优于天津。从北京内部来看，除2008年经济评分与2015年生态评分略有下降外，北京的环境质量与经济发展均处于持续上升区间。2016年之前其生态系统一直优于其经济系统，说明北京在发展中更为关注环境领域的投入，随着环境质量的改善，自2016年之后北京的经济也得到了进一步发展。北京的经济与生态已进入相互促进、相辅相成的双赢发展阶段。

表4 京津冀地区经济—生态系统耦合度评价

天津的情况略有不同。经济领域，2017年出现了明显的下降；生态领域则多次出现起伏，2005、2006、2010、2012、2014、2015年均低于上一年度，说明天津的环境质量多有变化。而从生态系统与经济系统的比较来看，自2010年以来，天津的经济发展一直好于生态发展，即便是在2017年经济显著下滑时也依然优于其生态系统，说明天津在发展中更为重视经济领域，因此也造成了天津环境质量的波动变化。

与京津两地一直处于高水平耦合阶段不同，河北在生态—经济系统的耦合中则有明显的变化——2004年至2008年处于磨合阶段、2009年至2014年进入良性耦合阶段、2015年之后处于高水平耦合阶段。从生态系统与经济系统的具体评分来看，河北的这一变化主要缘于2009年至2014年期间经济的快速发展，但这一时期环境略有下降；2014年之后，经济进一步发展，同时生态系统的评分也有了显著的提高。需要特别说明的是，河北省的生态系统评分在2004、2005年显著高于北京，除2013年外一直高于天津，非常重要的原因在于我们选取的生态系统指标均为人均值，虽然能源消耗总量、污染物排放总量河北均远超京津两地，但其常住人口数量分别是北京的3.5倍和天津的4.8倍，在计量人均值时河北的环境压力与环境污染均小于北京、天津，因而其生态系统评分较高。但河北的经济评分显著低于京津，2004年仅为0.10，2017年也只有0.25，仅提高了0.15；而同一时期北京天津分别提高了0.41、0.35，说明河北的经济发展明显落后，这也成为京津冀地区协同发展滞后的主要因素。

（二）耦合协调度评价。

虽然京津冀的生态—经济系统耦合度均已进入高水平阶段，生态系统与经济系统之间的相互影响、相互作用强度显著，但三地的耦合协调度仍有明显的不同（如表5所示）。正如前文所述，耦合度可以清晰描述同一地区内生态系统与经济系统之间相互作用的程度，但无法体现二者之间的协同发展水平，同为高水平耦合阶段，但北京实现了高水平的高度协调发展，而天津、河北则处于转型发展中的基本协调发展。

表5 京津冀地区经济—生态系统耦合协调度评价

具体来看，北京仅个别年份出现经济发展滞后现象，整体生态—经济系统协同发展趋势明显，自2013年起，北京已进入生态—经济系统的高度协调阶段，且耦合协调度逐年提高；天津则始终处于转型发展中的基本协调阶段，但经历了由经济滞后→基本协调→环保滞后→基本协调的变化，整体来看协调发展逐步深化的趋势明显；河北的耦合协调度最低，且一直处于经济滞后状态，自2009年起也已进入了基本协调的转型发展阶段。

从三地的经济评价与环境评价来看，北京除2005、2006年外，其生态—经济系统处于高度趋同发展中，评分极为接近。说明北京的发展较为均衡、健康，经济的发展没有牺牲环境质量，环境保护也没有阻碍经济的发展。从各指标来看，环境压力方面虽然人均用电量快速增长，但人均用水量、人均用煤量均显著减少，抵消了因用电量增长带来的环境压力；环境污染方面虽然人均生活垃圾清运量显著增加，2017年北京人均生活垃圾清运量达到0.43 吨/人，远高于天津的0.19 吨/人与河北的0.09吨/人，但其人均废水排放量与人均二氧化硫排放量的快速下降，使得环境污染总体得到了改善；而逐年增长的环境投入更进一步促进了北京市整体的生态系统评分提高。经济方面，仅人均进出口总额自2014年后有所下降，其余指标均呈现逐年增长趋势，经济系统评分逐年提高。整体来看，北京的生态—经济系统已进入双赢发展阶段。

而天津则有明显的变化，2010年之前其环境评价显著高于经济，但差距逐年缩小，自2010年起，经济评价则显著高于环境，且差距逐年扩大，2017年因经济的大幅度下滑，差距大幅降低。从评分来看，2017年之前，天津经济始终处于持续快速发展中，但环境方面波动明显，主要缘于环境压力与环境污染的增加。具体表现为，2005、2006、2010年人均用电量、人均用煤量快速增长，导向了环境压力加大；2005、2006、2010、2012、2014、2015年人均废水排放量的显著增长，造成了环境污染的加剧。说明2010年之前天津为追求经济发展大量消耗了电、煤等能源资源，而在污染物排放的治理方面，废气与生活垃圾的处理成效较大，废水治理的结果不尽如人意。除此之外，天津在环境污染治理的投入方面也有明显的波动，2006、2012、2015、2016年均出现了显著减少，尤其是2016年，较2015年减少了72.9亿元，降幅达57.7%。经济方面，天津的GDP增速自2011年起逐年下降，2017年增速仅为3.6%，较2016年的9.1%下降了5.5 个百分点，但总体来看，本文研究周期内天津的经济还是呈现出整体快速发展趋势。

河北省生态—经济系统已进入高水平协调阶段，相互影响显著，但耦合协调度不高，尚处于转型发展中。从评分来看，河北的经济系统发展明显落后于生态系统，但差距略有缩小。2004年生态评分0.59，经济评分0.1，相差近5 倍；2017年生态评分0.57，经济评分0.25，相差1.3 倍。说明河北的生态环境质量变化不大，经济发展相对较好。从各具体指标来看，河北经济领域的评分提高，主要源自人均GDP、三产占比、居民消费水平、人均固定资产投资以及社会劳动生产率的增长，在本文选取的指标中经济驱动力对河北经济发展的贡献最大。生态方面，人均用水量、人均用电量、人均用煤量均有明显的增长，造成河北环境压力加剧，污染物排放方面变化不大，但环境投入增加，人均环境污染治理费用与人均公园绿地面积显著提高，弥补了环境压力对生态系统整体评分的负面影响，因而整体来看，河北的生态评分变化不大。就本文的研究周期而言，河北省生态—经济系统耦合协调度的提高主要得益于经济的发展。

图2 京津冀生态—经济系统耦合度及耦合协调度评价

五、促进京津冀生态—经济系统协同发展对策建议

（一）大力促进京津冀三地的经济协同发展。

北京应充分发挥“四个中心”的核心作用。把握百年未有之大变局的历史机遇，在疫情冲击全球经济社会发展的背景下，中国要承担起一个崛起中的大国担当，作为首都北京更应紧扣全国政治中心、文化中心、国际交往中心、科技创新中心的城市定位，坚持以新发展理念为指引，推动绿色低碳发展，为全国乃至全球经济复苏发挥主导作用。同时，对现有的第三产业结构进行优化与升级，明确与天津、河北的产业分工，延伸产业链条，形成三地合理的产业体系布局。

天津应紧抓“一基地三区”目标不放松。重点做好“五个聚焦”工作，与北京共同发挥好在京津冀协同发展中的引领作用：一是聚焦项目化推进，加快完善“一基地三区”项目化清单化支撑体系，滚动推进重点项目与重大项目的落地见效；二是聚焦新动能引育，高水平建设全国先进制造研发基地；三是聚焦一流港口建设，高水平建设北方国际航运核心区；四是聚焦服务实体经济，高水平建设金融创新运营示范区；五是聚焦改善营商环境，高水平建设改革开放先行区。

河北应以“全国现代商贸物流重要基地、产业转型升级试验区、新型城镇化与城乡统筹示范区、京津冀生态环境支撑区”的定位为基础，积极主动地承接北京、天津的产业转移，并对省内产业进行绿色转型改造，积极淘汰落后产能与高污染、高耗能、低效率企业，为区域产业升级与合理布局奠定坚实基础，打破行政区域壁垒，提高三地间的城市交流与产业互动，与北京、天津形成风险共担、利益共享的整体。

（二）积极推进京津冀三地的生态协同发展。

第一，优化组织架构，统筹顶层设计与整体规划。将京津冀三地作为一个整体进行生态环境方面的顶层设计，争取在“十四五”规划中增加三地生态协同发展的内容，积极对接现有政策，制订统一的污染排放标准、环保执法标准以及生态补偿制度，以科学合理的顶层设计与整体规划促进区域生态发展。

第二，完善协作机制，建立生态系统保护修复体制。京津冀地区生态资源相连、生态整体性特征明显，是一个统一的生态系统。三地应积极打破行政区划界限，转变各自为政、各行其是的旧有观念与做法，以协同治理、综合治理、系统治理的理念，建立区域生态治理体制，实现区域内生态环境共治共享。

第三，提高市场化运作水平，实现生态资源最优配置。生态环境的治理与保护投入高、回报周期长，企业难以主动进入，往往仅局限在政府层面进行。而政府失灵现象的存在，以及出于提高治理效率的考虑，使得生态环境的治理与保护必须引入市场机制，以充分发挥其在配置资源中的决定性作用。

第四，搭建数字化平台，夯实生态协同发展基础。应以数字化建设为抓手，形成线上办公机制，消除空间距离带来的工作隔阂，提高京津冀三地信息交流效率，实现统一标准、统一惩处、统一公示。同时，以大数据为依据，实时掌握区域内的生态环境问题，查找产生问题的原因，以实现京津冀区域生态环保机构能够科学决策、快速执行、及时反馈，使生态治理修复与保护工作水平精准升级。

（三）努力实现京津冀三地生态—经济系统的高度协调发展。

因地制宜地制定相关政策，补足各地在生态—经济系统高度协调发展中存在的短板，实现生态—经济的双赢发展。

北京的生态系统发展阻碍因素主要来自人均用电量、人均生活垃圾清运量的快速增长。应积极推行智能电网系统，通过用电终端数据的收集，掌握用电规律，按需发电，减少浪费；切实开展垃圾分类，减少生活垃圾对生态环境的负面影响，提高资源使用效率。进一步提高北京的生态环境质量，以发挥其对经济社会发展的促进作用，实现生态—经济系统的更高水平协调发展。

天津的短板主要在于人均用煤量、人均用电量与人均废水排放量的增长，除了和北京一样可以推行智能电网系统外，还应继续减少煤炭使用量。同时，加大对废水的治理，增加环境污染治理的投入，提高生态承载力。经济方面，应以“一基地三区”为目标，积极转变发展方式，优化升级产业结构，充分发挥生态—经济系统的高水平耦合作用，实现生态与经济的相互促进。

河北的生态状态较好，但经济发展滞后，今后应在进一步改善生态环境质量的基础上，重点发展经济。充分发挥投资、消费与劳动生产率对经济的促进作用，加大固定资产投资，积极提高居民消费意愿与支付能力以有效扩大内需，通过教育培训及科技创新进一步提高社会劳动生产率，大力推动产业结构的优化升级，实现经济发展的提质增量。生态方面，重点在于减小环境压力，用水量、用煤量、用电量的合理优化既可以减少经济发展对生态资源造成的巨大压力，同时也可以减少污染物的排放，从而实现生态系统的良性发展。通过生态—经济系统的高水平耦合作用，以经济促生态、以生态保经济，实现河北省的高度协调发展。