农村基础设施与生态环境的耦合协调、时空演进及趋势预测——以云南省为例

方舒虹，黄 宜，韩利红，王艳伟*

（1.云南农业大学 建筑工程学院，云南 昆明 650201；2.云南农业大学 经济与管理学院，云南 昆明 650201）

0 引言

党的十九大报告提出，要加快实施乡村振兴战略，促进农村产业经济、乡风民风、生态环境、治理体系和农民生活水平全面发展，加快建设现代化新农村［1］。农村基础设施作为农村经济生产和社会发展的重要基础，通过要素的直接投入和溢出效应对推动乡村产业发展、提高农业综合生产能力、提升人口素质、改善生态环境等产生深远影响，是实施乡村振兴战略的应有之义［2-3］。乡村振兴是新形势下解决地区“三农”问题的治本之策，其中生态振兴是根本［4］，是实现农村生态宜居的保障［5］。改革开放以来，农村基础设施的改善促进了农村经济的发展，但在农村经济快速发展的同时，忽视了生态环境问题［6］。因此，对农村基础设施与生态环境的耦合协调研究，能够有效促进农村基础设施与生态环境的良性互动、协调发展，进一步缩小地区间的发展差距。

对相关文献进行梳理发现，当前探讨城市基础设施与生态环境协调发展的路径，具有很强的现实意义［7］。众多学者在对生态基础设施的研究中发现，生态基础设施建设对促进环境的可持续发展［8］、提升城市系统服务能力［9-10］、优化城市生态环境［7］作出了巨大贡献，且基础设施的投入与社会—生态系统呈倒“U”形曲线，初期适度的基础设施投入会降低社会—生态系统的脆弱性，而基础设施过度投入则会逐步增加社会—生态系统的脆弱性［11］。众多学者通过对绿色基础设施领域的研究认为，绿色基础设施是解决生态环境问题［12］、支撑生态文明建设［13］、推动城市可持续发展的重要途径［14］。已有的研究对基础设施与生态环境的耦合协调具有一定的借鉴和参考价值，主要表现在以下几个方面：（1）大多基于城市视角对基础设施与生态环境进行分析；（2）主要基于区域、省域尺度对基础设施与生态环境进行研究，而对于农村基础设施与生态环境耦合协调的时空演进及趋势预测的研究较少，因此，本文以2011—2020年云南省16个州（市）为研究对象，通过构建农村基础设施与生态环境评价指标体系，借助耦合协调模型对各州（市）农村基础设施耦合协调发展情况进行分析，采用灰色预测GM（1,1）模型、标准差椭圆模型对各州（市）的时空演变格局及发展趋势进行预测，以期为云南省农村基础设施与生态环境的耦合协调发展提供参考，同时为我国其他地区农村基础设施与生态环境的协调发展提供借鉴。

1 指标体系构建

为系统地评价农村基础设施与生态环境的耦合协调发展水平、时空演化特征及发展趋势预测，本研究以农村基础设施和生态环境2个系统为核心，借鉴学者们［15-22］的研究成果，构建了云南省农村基础设施与生态环境的评价指标体系（表1），分别从生产性基础设施、生活性基础设施、社会性基础设施、生态环境压力、生态环境状态、生态环境响应6个维度，选取化肥使用量、农药使用量等19个指标。用化肥使用量、农药使用量、农膜使用量、水库总容量、有效灌溉面积5个指标衡量生产性基础设施；用农村用电量、公路通车里程、自来水受益村3个指标衡量生活性基础设施；用农村投递线路长度衡量社会性基础设施；用工业二氧化硫排放量、工业废水排放总量、废水排放总量、工业废气排放总量4个指标衡量生态环境压力；用人均公园绿地面积、建成区绿化覆盖率、自然湿地面积3个指标衡量生态环境状态；用工业固体废弃物综合利用率、污水集中处理率、造林总面积3个指标衡量生态环境保护力度。

表1 云南省农村基础设施与生态环境评价指标体系

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 标准化处理 由于指标单位不一，会对结果造成影响，不能直接计算。因此，为避免量纲不同的影响，本文使用极差标准化法对所得原始指标数据进行无量纲化处理，计算公式为：

式（1）~式（2）中：Zij表示经过处理后的标准化值；zij表示系统中第i年的第j项指标的原始值；max(zij)和min(zij)分别表示系统中第i年的第j项指标的原始值中的最大值与最小值。在数据运算中避免出现0的情况，对每个数据都加上0.0001。

2.1.2 权重确定 本文采取熵值法对处理后的数据进行赋权，并确定系统中的权重，具体如下：

（1）在j项指标下，计算第i个系统在这项指标中所占的比例，公式为：

（2）计算第j项指标下的熵值ej，计算公式为：

（3）计算第j项指标的差异系数Sj，公式为：

（4）计算第j项指标的权重Wj，公式为：

（5）计算农村基础设施与生态环境的综合评价值，计算公式分别为：

式（7）~式（8）中，j=1,2,3,…, m，表示指标个数；U1和U2分别表示农村基础设施与生态环境的综合评价值；A和B分别表示农村基础设施与生态环境的权重。

2.1.3 耦合协调度模型构建 （1）计算耦合度(C)。耦合度模型用来判断2个系统间相互影响、相互作用或依赖的程度。本文参考董弋萱等［23-24］的研究结果，构建农村基础设施与生态环境的耦合关系模型：

式（9）中，U1和U2分别为农村基础设施与生态环境的综合评价值；C为两者的耦合度。当C=0时，表示农村基础设施与生态环境之间没有关联性；当C=1时，表示农村基础设施与生态环境之间是最优耦合关系。C值越大说明2个系统之间的耦合程度越高，表明农村基础设施与生态环境具有互相促进的作用；反之，C值越小则说明2个系统可能存在着相互制约的作用。

（2）计算协调度(T)。耦合度注重系统间相互耦合的程度，而协调度则反映2个系统间相互协调发展的程度。借鉴杨慧芳等［25-26］的研究结果，构建农村基础设施与生态环境的协调度模型：

式（10）中，a和b表示贡献系数且a+b=1，本文认为农村基础设施与生态环境的贡献度是一样的，即a=b=0.5；T表示农村基础设施与生态环境协调发展水平的综合协调指数，通过计算农村基础设施与生态环境两者之间综合评价值的加权所得，确定T值的取值范围为［0,1］。T值影响耦合协调发展水平，可以反映出2个系统协调状况的好坏，T值越大说明2个系统之间的协调状况越好。

（3）计算耦合协调度(D)。为准确反映农村基础设施与生态环境之间的协调关系，结合式（9）、式（10）构建耦合协调度模型：

通过对农村基础设施与生态环境耦合度、协调度以及耦合协调度的计算，借鉴陈涛等［26］的研究成果，将耦合度与耦合协调度进行等级划分（表2）。

表2 农村基础设施与生态环境耦合度及耦合协调度的等级划分

2.2 数据来源

为更加全面地了解云南省农村基础设施与生态环境的协调发展，同时考虑到数据的准确性、可获得性、可比性原则，本文选取2011—2020年云南省16个州（市）的数据作为研究样本，数据来源于《云南省统计年鉴》。

3 农村基础设施与生态环境耦合协调分析

3.1 农村基础设施与生态环境耦合度分析

通过对云南省16个州（市）2011—2020年农村基础设施与生态环境数据的整理及运算，得出近10 a来云南省16个州（市）2个系统的耦合度（表3）。

表3 2011—2020年云南省16个州（市）农村基础设施与生态环境耦合测算结果

由表3可以看出，云南省农村基础设施与生态环境2个系统耦合度处于较高水平，耦合度在（0.85,1.00］区间内，说明农村基础设施与生态环境之间存在较强的关联性，且2个系统之间具有互相促进的作用。根据耦合度的等级划分，云南省2011—2020年16个州（市）农村基础设施与生态环境均处于高水平耦合的状态，其中玉溪市、保山市、昭通市、普洱市、楚雄市、文山州、大理市7个州（市）出现了最佳耦合的状态。

3.2 农村基础设施与生态环境耦合协调度分析

根据公式（11）对云南省农村基础设施与生态环境的耦合协调度进行测算，测算结果如表4所示。

表4 2011—2020年云南省16个州（市）农村基础设施与生态环境耦合协调测算结果

由表4可以看出，2011—2020年农村基础设施与生态环境耦合协调度的平均水平呈逐步上升的发展态势，2011—2014年耦合协调度均值为0.62，2015年上升到0.63，2016—2018年上升到0.65，2019—2020年耦合协调度达到0.66，10 a内上升幅度为6.45%，年均上升幅度仅为0.65%，说明云南省农村基础设施与生态环境耦合协调度平均水平上升较为缓慢。分州（市）来看，耦合协调发展水平具有较大的差异，2011—2020年曲靖市的农村基础设施与生态环境耦合协调度位居第一，说明曲靖市将农村基础设施有效融入生态环境保护中，改善了当地的生态环境质量。而怒江、迪庆2州的农村基础设施与生态环境的耦合协调度则较低，处于濒临失调状态。综合上述分析，2011—2020年云南省16个州（市）均未达到良性协调或优质协调，说明未来云南省农村基础设施与生态环境之间的耦合协调性有待进一步提升。

4 农村基础设施与生态环境耦合协调时空演进及趋势预测

4.1 耦合协调度空间分析

根据农村基础设施与生态环境的耦合协调度，借助ArcGIS 10.8软件绘制了2011、2015、2020年云南省农村基础设施与生态环境耦合协调度的空间分布图（图1）。

图1 云南省农村基础设施与生态环境耦合协调度的空间分布

从2011、2015、2020年 的 耦 合协调 度 结果来看，云南省农村基础设施与生态环境的耦合协调度分别处于濒临失调［0.40,0.50)、勉强协调［0.50,0.60)、初级协调［0.60,0.70)、中级协调［0.70,0.80)4个等级，2020年云南省处于中级协调水平的州(市)分别为普洱市、玉溪市、红河州、大理市、昆明市、曲靖市、昭通市、楚雄市，其中，普洱市、玉溪市、红河州、昭通市、曲靖市由2011年的初级协调水平提升至中级协调水平；2020年处于初级协调水平的州（市）分别是丽江市、临沧市、保山市、文山州，其中，丽江市、临沧市、保山市由2011年的勉强协调水平发展至初级协调水平；2020年处于勉强协调水平的州（市）分别是迪庆州、西双版纳、德宏州，其中，迪庆州由2011年的濒临失调水平发展至勉强协调水平。整体来看，大多州（市）深入贯彻落实国家倡导的“绿色发展”理念，在保障经济稳定发展的同时更加注重于生态环境的协调发展。然而，怒江州长期处于濒临失调状态，主要是因为该地区长期采用陡坡垦殖等传统农业发展模式，不仅阻碍了怒江州的经济发展,还在一定程度上破坏了生态环境,使其陷入“愈垦愈穷、愈穷愈垦”的恶性循环状态,严重制约了区域生态、经济、社会可持续发展［27］，从而导致怒江州农村基础设施与生态环境耦合协调发展处于濒临失调状态。随着云南省对16个州（市）农村基础设施与生态环境协调发展的重视，加大了对经济欠发达州（市）基础设施建设、交通和通信技术的改善力度，各州（市）农村基础设施与生态环境协调发展水平也在不断提升。

4.2 耦合协调度动态演化分析

在对云南省农村基础设施与生态环境研究的基础上，运用Matlab R2020a软件绘制了该省农村基础设施与生态环境的耦合协调动态演化图（图2）。

图2 2011—2020年云南省16个州（市）农村基础设施与生态环境耦合协调度的动态演化

图2以2011年为耦合协调发展水平的起点、2015年为耦合协调发展水平的中间点、2020年为耦合协调发展水平的终点，进行农村基础设施与生态环境耦合协调水平的动态分析。由分析可知，2011—2020年昆明市、玉溪市和红河州的农村基础设施与生态环境水平协调发展处于高—高—高的态势；曲靖市、保山市、昭通市、丽江市、普洱市、临沧市、红河州、文山州和迪庆州处于低—高—高的态势；楚雄市、西双版纳、怒江州和大理市处于高—低—高的态势。2011年农村基础设施与生态环境的耦合协调发展在起点上呈现出高起点和低起点2种发展方式，但在2020年均基本趋于相对较好（初级协调、中级协调）的协调发展水平。自2017年乡村振兴战略被提出，云南省紧随国家实施乡村振兴战略的步伐，激发出农村基础设施与生态环境之间耦合协调发展的潜力，使其协调发展水平逐步提升。

4.3 耦合协调标准差椭圆分析及趋势预测

通过上述分析发现，云南省农村基础设施与生态环境耦合协调度的空间差异分布特征明显。为此，本研究从多个视角探讨云南省农村基础设施与生态环境耦合协调度的空间分布格局特征，探索未来2个系统耦合协调发展的演化规律，并在标准差椭圆模型的基础上进一步分析其空间分布方向特征和发展趋势。运用ArcGIS 10.8软件绘制2011、2015、2020年标准差椭圆分布及重心移动路径图（图3）。

图3 云南省农村基础设施与生态环境耦合协调标准差的椭圆分布及空间格局预测

云南省农村基础设施与生态环境耦合协调空间分布格局的重心移动路径为北→东北，最终向东北方向偏移，具体表现为：2011—2015年呈现向北移动趋势；2015—2020年呈现向东北移动趋势。从标准差椭圆分布形式来看，2011—2020年云南省农村基础设施与生态环境耦合协调的面积由19.40 km2增长至19.71 km2,协调面积在缓慢地扩大，同时长轴与短轴分别由2011年的2.78、2.22 km增长至2020年的2.80、2.24 km，在这期间椭圆分布范围逐步增加，说明该阶段农村基础设施与生态环境耦合协调的空间分布格局在东北方向呈扩张态势。云南省各州（市）农村基础设施与生态环境耦合协调发展重心呈现出向北部地区移动的趋势；从耦合协调发展水平的结果来看，云南省16个州（市）农村基础设施与生态环境发展水平高值集中在北部和东北部地区，主要是因为这些州（市）以特色产业、旅游业等作为支柱产业，带动了当地经济迅猛发展，加之对农村基础设施建设和生态环境保护投入力度的加大，使得当前云南省农村基础设施与生态环境耦合协调发展重心向东北方向偏移。

基于灰色预测GM（1,1）模型，借助Matlab R2020a软件预测云南省农村基础设施与生态环境2021—2030年的耦合协调值，灰色预测GM（1,1）模型检验的方法一般分为残差检验、关联度检验及后验差检验［28］。本文采用残差检验的方法求出所得预测数据的绝对误差和相对误差，最后求出平均相对误差，用平均相对误差检验模型的精度，若平均相对误差≤0.2，则模型通过残差检验；本文所得预测数据的平均相对误差值为0.06，即＜0.2，表明模型精度满足要求。基于以上分析，本文利用ArcGIS 10.8软件可视化表达了2021、2025、2030年的预测标准差椭圆参数（图3）。

预测结果表明：云南省农村基础设施与生态环境耦合协调的重心由东北（2020年）向东南（2021年）最终向东北（2021—2035年）方向移动，说明未来东北地区将可能成为影响云南省农村基础设施与生态环境耦合协调空间分布格局的核心区域。就空间分布范围变化来看，标准差椭圆面积从2020年的19.71 km2提高2030年的20.19 km2，长轴与短轴分别由2020年的2.80、2.24 km提高至2030年的2.80、2.29 km，从标准差椭圆的面积、长轴、短轴来看，未来10 a内农村基础设施与生态环境耦合协调的空间分布格局在东北方向呈扩张态势。表明云南省16个州（市）未来农村基础设施与生态环境耦合协调发展的重心向东北方向移动，而迪庆州、怒江州、德宏州、西双版纳州、文山州的耦合协调发展仍是未来云南省需要重点关注的地区。基于此，云南省委、省政府应充分发挥政府的主体作用，调动村民的积极性，加大对农村基础设施建设和生态环境保护的力度，促进农村基础设施和生态环境高质量协调发展。

5 结论

本文以农村基础设施与生态环境耦合协调为视角，从生产性基础设施、生活性基础设施、社会性基础设施、生态环境压力、生态环境状态及生态环境响应6个方面构建评价指标体系。基于2011—2020年云南省16个州（市）的面板数据，利用熵值法、耦合协调模型、灰色预测GM（1,1）模型、标准差椭圆模型对云南省16个州（市）的农村基础设施与生态环境的耦合协调发展水平、时空演化特征进行了分析，并进一步预测了未来10 a的发展态势，得出以下结论：

（1）云南省16个州（市）耦合度的均值都呈现出高水平耦合的状态，其中玉溪市、保山市、昭通市、普洱市、楚雄州、文山州、大理市7个州（市）呈现出最佳高水平耦合的状态；16个州（市）协调度的均值呈现出濒临失调、勉强协调、初级协调、中级协调4个等级。在农村基础设施与生态环境发展过程中，云南省16个州（市）的耦合度和协调度出现了发展不一致的特征，分别呈现出“高耦合，濒临失调”“高耦合，勉强协调”“高耦合，初级协调”以及“高耦合，中级协调”的特征。

（2）从时间角度来看，除怒江州、西双版纳州和德宏州外，其余州（市）的耦合协调发展水平均呈现出明显增长的趋势；从空间视角来看，云南省16个州（市）的农村基础设施与生态环境呈现出东北地区耦合协调水平高，西北地区耦合协调水平低的空间分布格局。

（3）2011—2020年云南省农村基础设施与生态环境耦合协调度在空间上分布局势呈东北走向，标准差椭圆重心从“北→东北”方向移动；预测结果表明：2021—2030年预测期内农村基础设施与生态环境的标准差椭圆重心移动路径为“东北→东南→东北”，其空间分布格局在东北方向呈扩张态势。