西北五省(区)交通-环境-经济耦合协调发展时空格局

卢 北，曾俊伟，钱勇生，魏谞婷

(兰州交通大学 交通运输学院，兰州 730070)

区域之间的协调发展体现在经济水平差距保持在适度范围内、社会事业资源的合理分布以及人与自然的和谐共处。而西北地区总体发展水平不高，各地区发展差距较大。提升西北五省(区)的协调发展水平是缩小西部与东部地区的发展差异、实现区域协调发展的必经之路。交通路网是城市经济活动的重要载体[1]，是城市发展的重要支柱，合理的路网规划便于实现区域之间的互联互通[2]。西部大开发以培育和壮大城市群作为强大竞争力，在幅员辽阔的西北地区，建设现代化、高质量的综合立体交通网络可以进一步提升西部城市空间差异化联系效率，以便实现经济的快速发展[3]。环境的可持续发展也是重中之重[4]，交通和经济的快速发展将对环境的可持续发展产生影响，提升交通、经济和环境协调发展水平是推进城市高质量建设无法回避的问题，因此关于协调发展交通、经济和环境的研究便显得尤为迫切。目前，国外侧重于经济和城市其他发展因素之间因果关系的确定和耦合协调发展研究。Yu等[5]确定运输基础设施建设与经济之间存在单向因果关系；Pradhan等[6]通过矢量误差校正模型发现了道路运输和经济增长之间的双向因果关系；Agbelie等[7]应用计量经济学框架分析运输基础设施对经济的影响，发现相较于铁路，公路基础设施支出对经济的影响更大；Sun等[8]通过构建城市交通的耦合协调模型分析经济、社会和环境三者之间的协调发展，发现不同子系统之间发展存在差异，并使用Gini指数表征发展的差异性；Taghvaee等[9]通过构建交通、健康、环境和经济模型对伊朗的运输方式与可持续发展的一致性进行了排名，发现不同运输方式对可持续发展影响不同。国内学者侧重从不同视角对城市交通子系统与其他子系统进行耦合协调分析。张旭等[10]基于人口、经济、教育、医疗和交通数据构建引力模型探讨了城市群的空间格局，为城市群的进一步发展规划提供了科学依据；李青峰等[11]构建了交通系统和城市系统的耦合协调模型分析其时空维度上的变化特征，发现西北地区的交通系统发展滞后于城市总体发展水平；檀菲菲等[12]基于集对分析理论对社会、经济、环境复合系统发展水平进行评价，发现京津冀地区协调能力不均衡且总体发展较差；王兆峰等[13]在耦合协调模型的基础上借助VAR模型探究交通、旅游产业和生态环境之间的关系；达成等[14]分析了关中平原城市群交通、产业和环境的耦合协调发展动态演化特征；蔡倒录等[15]利用基于灰色关联分析的耦合协调模型指出综合运输和区域经济有显著相关性；韩瑞玲等[16]发现了经济、交通、环境三者发展的差异，利用剪刀差法对各系统之间的演化方向及速率进行分析。

大量的研究证明交通、环境和经济的协调发展是城市发展的关键因素，尽管此类研究比较丰富，但现有研究大多集中在长三角、珠三角、京津冀等地区，对区域协调情况较差的西北地区进行研究的成果较少，且研究方法较为单一，缺乏对子系统内部的相互作用机理研究。因此，文中以西北五省(区)作为研究对象，通过建立交通、环境和经济三个子系统所构成的总系统即“交通-环境-经济”耦合协调模型和VAR模型，定量评价耦合协调发展水平、分析其时空演变特征，探究三个子系统之间的相互作用机理，分析各城市发展特征与不均衡之处，并提出促进区域协调发展建议。

1 研究区域概况与数据来源

文中选取包括陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区(下文简称宁夏)、新疆维吾尔自治区(下文简称新疆)在内的西北五省(区)作为研究对象。文中所用数据截取自2000—2020年《中国城市统计年鉴》、2000—2020年《甘肃发展年鉴》、《青海统计年鉴》及国民经济和社会发展统计公报。

2 研究方法

2.1 “交通-环境-经济”系统耦合协调模型

2.1.1 数据标准化

为避免相关数据量纲不同对计算造成影响，运用式(1)进行标准化处理，标准化处理公式[17]为：

Uij∈(0,1)

(1)

式中：Uij为对第i项指标在第j时间段的指标值进行标准化后的数值；rij为第i项指标在第j个时间段的指标值。

2.1.2 各子系统评价指数

各子系统的评价指数由加权法计算得出，如文献[17]中所述，计算公式如下：

i=1,2,3；j=1,2,…,n

(2)

式中：Ui为子系统评价函数，其数值代表着每个子系统的发展水平高低；ωi为第i项指标的权重，使用熵权法计算得出。

2.1.3 耦合度和耦合协调度

耦合始源于物理学，其含义为一个以上系统之间的相互作用，随着对各类社会问题研究的深入，耦合这一概念逐渐应用于其他领域。文中的耦合协调研究中，耦合度为交通、环境和经济子系统之间的相互作用产生影响的程度，应用以下算式[18]计算三个子系统的耦合度：

(3)

式中：C为耦合度且C∈(0,1)；k为调节系数，计算三个子系统时，k=3；U1、U2、U3分别为交通、环境、经济子系统的评价指数。耦合度仅反应两个或者多个系统间相互影响的强弱程度，而不考虑发展水平的高低，而耦合协调度可以综合反应多个子系统的发展水平和相互影响的强弱程度，故引入耦合协调度来避免低水平耦合情况的发生。耦合协调度模型[19]如下：

(4)

式中：α,β,γ分别为各子系统系数，使用熵权法进行计算得出。耦合协调度及其分类与等级参考文献[10]、[17]中对系统间协调度的等级划分，如表1所示。

表1 耦合协调度及其分类与等级

2.1.4 评价指标体系选取

参考分析交通、环境[20]、经济三个子系统相关文献资料，根据刘锦等[21]的“产业-人口-空间”指标体系，结合文中研究对象，选取交通-环境-经济耦合协调模型指标体系，应用熵值法计算各子系统权重，结果如表2所示。

2.2 向量自回归(VAR)模型

2.2.1 模型方程

VAR模型利用所构造系统中的内生变量及其滞后值构造函数，常用于时间序列的预测和随机扰动对多变量系统的动态影响分析，模型方程[22]为：

Yt=α+A1Yt-1+A2Yt-2+…+ApYt-p+

B1Xt+…+BrXt-r+εt

(5)

式中：α为常数项；Yt表示内生变量；Xt表示外生变量；t代表期数；p为内生变量滞后阶数、r为外生变量滞后阶数；Ai、Bi表示待估系数矩阵；εt表示残差项。

2.2.2 数据和模型稳定性检验

由于所收集的时间序列数据可能遗漏解释变量或存在设定误差、测量误差或受随机因素影响，可能出现伪回归现象，因此要进行平稳性检验，表3所示的ADF(Augmented Dickey-Fuller test)平稳性检验结果，表明交通、环境和经济各子系统的时间面板数据均在5%的显著性水平上平稳，所以交通、环境、经济各子系统发展水平均为平稳序列。滞后阶数如表4所示，其中LogL(Log Likelihood)为对数似然函数值；LR(Sequential Modified LR Test Statistic)为顺序修改的LR检验统计量；FPE(Final Prediction Error)为最终预报误差；AIC(Akaike Information Criterion)为赤池信息准则，可以衡量统计模型拟合优良性；SC(Schwarz Information Criterion)为施瓦兹准则，通过比较不同分布滞后模型的拟合优度来确定合适的滞后期长度；HQ(Hannan-Quinn Information Criterion) 为Hannan-Quinn信息准则。在VAR模型中一般主要依据AIC和SC信息准则综合确定阶数，当AIC值和SC值同时达到最小选定最优滞后阶数，表4中结果显示LR、FPE、AIC、SC、HQ准则最优值均在1阶，故最优滞后阶数为1阶，数据平稳，可以应用VAR模型进行向量自回归分析。

表2 交通-环境-经济耦合协调模型指标体系

应用EViews进行VAR模型稳定性检验，所有根模倒数值绝对值小于1，因此该VAR模型稳定。

表3 ADF 检验结果

表4 滞后阶数

2.2.3 格兰杰因果检验

确定VAR模型稳定后，进行格兰杰因果检验[23]。其检验结果给出了不同子系统之间的 “预测能力”，即综合考虑了某子系统过去信息的情况下，对目标系统的预测效果比原来更优，如文献[17]所述，所考虑的子系统有助于解释原变量的未来趋势。但是如果检验结果显示接受原假设，并不代表解释变量和被解释变量不存在关系。

2.2.4 脉冲响应分析和方差分解

脉冲响应指在原系统上施加另一个变量，在未来时间里整个系统做出的响应，体现了耦合协调系统中某一个变量对其他变量的扰动程度。方差分解体现了某些子系统对目标系统的解释力度，随着方差分解值增大，对应的子系统对目标系统的解释程度越高。通过进行脉冲响应分析和方差分解，表征三个子系统之间的相互解释和影响程度，以进一步分析三个子系统之间的相互作用机理。

3 结果分析

3.1 城市群耦合协调发展时空演变特征分析

3.1.1 时序演变分析

根据选取的指标体系，运用式(3)、式(4)计算西北五省(区)2000—2020年各子系统的评价值、耦合度和耦合协调度，结果如图1所示。

图1 西北五省(区)交通-环境-经济各子系统及综合发展指数

各子系统呈差异化提升趋势，后期出现了较大波动，交通子系统发展相对滞后。“十三五”时期，随着“一带一路”互联互通开放通道逐渐打开，多向连通的综合运输通道逐渐完备。2016年迎来了西北地区的交通大发展，平均增长率远远高于此前任何时期，也超过了另外两个子系统。在2016年环境子系统发展指数骤降的情况下，凭借交通的快速发展，维持了城市发展水平和耦合协调度的总体水平。2000—2020年，交通、环境和经济三个子系统的平均发展水平分别为0.26、0.43、0.27，三个子系统的发展水平存在明显的差异性。从权重来看(见表2)，交通子系统权重较低，对城市总体发展水平贡献较小，在一定程度上说明了交通子系统制约了西北五省(区)的发展。高质量的交通子系统是实现各个城市之间互联互通的基础，如果没有强大的交通基础，城市群很难实现高质量协调发展。从时间发展来看，耦合协调度和城市发展水平趋势较为一致，除2019年之后受疫情影响，总体均呈上升趋势，并且自2006年就已经进入协调阶段。西北五省(区)的耦合协调度峰值出现在2017年，宁夏最高，甘肃最低。从地区角度看，如表5所示耦合协调度峰值出现在2016年，新疆平均水平最高，甘肃平均水平最低，从侧面反映出西北五省(区)之间与整体的耦合协调发展差异依然较大。耦合协调度水平、城市发展水平与交通子系统水平呈现高度一致性，说明交通子系统的发展对于提升耦合协调度和城市发展水平具有重要意义。

3.1.2 空间分布特征

根据耦合协调度计算结果及等级划分，选取2000—2020年中6个时间节点，对其空间演化情况进行可视化分析，结果如图2所示(地图引用自：中国地图(自然资源部监制)，审图号：GS(2016)1600)。

2000年，西北五省(区)均处于中间过渡阶段，2005年之后越来越多的省份转变为协调提升类型，2011年均进入协调阶段，2020年受疫情影响，耦合协调度出现下降情况。发展较好的省份集中在东南方位，甘肃省之外的其他四省均曾进入中级协调阶段，但由于西北地区欠发达，总体发展水平并不高。结合西北五省(区)耦合协调度，可以看出青海省耦合协调发展较为稳定，新疆最先进入协调提升阶段。2011年，五个省份全部达到耦合协调状态。研究期内，空间区位上的耦合协调度演变稳定性不强，前10 a时有濒临失调的情况发生，后10 a总体呈提升状态但也时常趋势走低，说明西北地区耦合协调度尚未达到稳步提升状态，且交通-环境-经济耦合协调水平的提升到达一定瓶颈。发展较慢的城市的水平提升是突破瓶颈的关键因素，因此提升交通子系统发展水平具有重要意义。

表5 西北五省(区)耦合协调度

图2 西北五省(区)耦合协调度空间演化

3.2 空间自回归分析

3.2.1 格兰杰因果检验结果分析

应用软件EViews 8.0进行格兰杰因果检验，结果如表6所示。交通和经济的发展对环境没有预测能力，经济和环境的发展可以预测未来交通的变化趋势，通过交通和环境的发展也可以预测经济的未来发展趋势，即综合考虑环境和经济的影响，预测交通子系统未来的发展情况会更符合实际情况，对于预测经济未来发展情况，环境和交通子系统的影响也比较显著，所以建立VAR模型有意义。

表6 格兰杰因果检验结果

3.2.2 脉冲响应和方差分解结果分析

应用软件EViews 8.0进行脉冲分析，结果如图3(a)～(c)所示。由图3(a)可以看出，交通子系统在第4期之前总体对环境子系统呈负向扰动且波动较大，在第6期之后对环境子系统影响逐渐消失，由图3(b)可以看出环境子系统对交通子系统的作用一直呈正向，交通的发展会给环境子系统带来压力，但环境子系统为交通子系统的发展提供了良好的基础。解决交通与环境二者之间的发展矛盾，对于其自身和城市群整体的良性发展有至关重要的意义。对比图3(b)和图3(c)发现，交通子系统与经济子系统之间也存在一定的矛盾，交通子系统在最开始对经济子系统有短暂的负向作用，而经济子系统对交通子系统一直呈较强的积极影响。由图3(a)和图3(c)可以看出，经济和环境之间的相互作用一直呈积极状态，环境子系统对经济的正向作用更强，说明环境的高质量稳步发展为产业发展奠定了良好的基础，必然会促进经济的稳步增长。交通子系统对本身的扰动最开始非常巨大，在短时间内迅速下降至负向干扰并波动，直至第5期之后趋于平稳。

图3 脉冲响应和方差分解结果

从全局来看，经济和环境冲击造成的响应基本呈正向，环境对另外两个子系统干扰相对较大，交通对其他子系统的影响最不稳定，存在消极、积极作用互相转化的情况，其自身与其他发展因素之间的互动机制浮动性较强，将消极作用转化为积极作用，形成良好互动机制以长期维持交通子系统稳定发展是提升西北五省(区)耦合协调度的关键之一。

3.2.3 方差分解结果分析

应用软件EViews 8.0进行方差分解，结果如图3(d)～(f)所示。另外两个子系统对环境子系统的解释力度较小，说明环境主要依靠自身调节。结合脉冲分析结果，要想提升环境子系统的发展水平，应该提升经济对其正向调节作用，增强交通子系统对环境子系统的正向调节作用。对于交通子系统而言，经济和环境子系统具有近百分之五十的解释力度，而经济和环境对其一直为积极影响，因此交通子系统发展的关键是自身的稳定向好发展。对于经济子系统，在第2期之前，自身解释力度占绝对地位，但随着时间推移，环境对其解释力度大幅增长，超过了50%，说明要想发展经济，首先必须保护生态环境，环境子系统的发展是经济发展的重要基础，交通对其解释力度较弱，说明交通并没有承担起城市之间经济互联互通的作用，因此交通子系统有待进一步优化和发展。

4 结 论

文中应用耦合协调模型和VAR模型，对西北五省(区)耦合协调发展水平时空演变以及交通-环境-经济的相互作用机制进行分析，得出以下结论：

1)交通子系统的发展趋势与西北五省(区)的耦合协调发展趋势呈现高度一致性；

2)交通子系统对环境和经济子系统都存在消极影响，对系统整体积极作用不强，因此加快交通子系统对其他子系统从消极影响到积极影响的转变是提升西北地区整体发展水平和耦合协调水平的重中之重；

3)交通的发展更加侧重于依赖交通自身发展趋势和基本情况，在经济互联互通方面的作用有待于进一步加强。

4)构建高质量交通网络互联互通体系是实现西北五省(区)交通、环境、经济子系统高质量耦合协调的必经之路。