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1、环洞庭湖区生态经济系统的耦合特征研究作者简介：基金项目：国家社会科学基金项目（13BJY025），湖南省教育厅重点项目(12A100)摘要：以洞庭湖区生态经济系统为研究对象，通过构建评价指标体系，基于耦合度、协调度模型，运用神经网络模型，分析系统达到耦合协调状态的因子贡献率，探讨系统影响因子对于社会经济与生态环境协调的调控适应机制。研究表明：（1）从耦合程度的时序看，10年间耦合度变动趋势较平稳，2003年至2011年社会经济与生态环境的发展关系基本为拮抗状态，2012年正在向磨合时期过渡。对于序参量年度变化率比较，年度变化都比较平稳，序参量之间协同作用的强弱程度体现系统由无序走向有序的趋势，
2、但社会经济发展与生态环境交互耦合作用并不十分理想。（2）2003年至2012年年洞庭湖区社会经济与生态环境建设的协调程度基本还处于中低水平。2003年至2011年社会经济与生态环境发展关系处于低度协调，2013年后开始转入中度协调，洞庭湖经济发展与生态环境的协调程度还有待进一步提高。（3）2003年至2005年耦合度处于较高状态，但协调度却不处于高位。2006年至2012年系统耦合度与协调度基本上具有相同的变化趋势。（4）生态经济系统的评价因子贡献率，是系统耦合协调达到理想等级的评价因子重要性，反映某项评价指标对耦合或协调评价值的影响程度。生态环境子系统评价因子贡献率大于社会经济子系统，说明了
3、对于系统理想状态的调控，生态环境子系统各项指标具有主导作用。（5）在系统调控中，因子贡献率与系统目标调控程度呈正相关。因子贡献率越大，对系统耦合或协调目标调控力度越大。关键词：耦合度，协调度，生态经济系统，因子贡献率，神经网络 1 引言人类面临的生态环境与社会经济矛盾加剧，生态经济系统可持续发展成为研究的热点之一。目前，对于生态经济系统评价，国内外已作过一些深入研究，但研究方法很不尽相同，在实际应用中以生态足迹模型、能值分析理论为主1-2，提供了对生态经济系统可持续性的判定途径3。从系统的角度看，生态经济系统是由生态系统和经济系统耦合而成的开放型的耗散结构系统 4。“耦合”是一个物理学概念，指
4、两个或两个以上的系统通过各种相互作用而彼此影响的现象5。生态经济系统耦合是生态环境支撑系统与社会经济发展系统间相互作用、相互胁迫，由低级共生向高级协调发展的过程6。生态经济系统存在着交互耦合的互动关系，而协调度反映了社会经济发展与生态环境之间的最佳匹配状态 7。在我国区域生态经济系统的耦合状态研究中，乔标8-9、方创琳10、张富刚11等构建了具有代表性的评价指标体系，建立了揭示生态经济系统耦合关系的系统动力学模型12、耦合度模型及协调度模型13-16，大大推动了生态经济系统耦合研究的进程，但运用上述模型及方法所得结果无法剖析生态经济系统耦合的非线性本质。生态经济系统作为复杂耗散结构，表现的非线
5、性耦合协调机制，很难用一般的线性方法加以研究，而人工神经网络通过连接下层节点和上层节点之间的权重矩阵的设定和误差修正，具有自学习和自适应的特征，个体具有的学习、记忆和选择的能力，能够模拟生态经济系统的耦合度动态变化及耦合协调的内部机制与结构关系。本文研究的因子贡献率，是生态经济系统耦合或者协调达到理想等级的评价因子重要性，反映某项评价指标对耦合或协调评价值的影响程度，这方面研究较少。同时，洞庭湖区的经济发展与生态环境关系一直是学术界研究热点17，在资源开发模式18、土地利用/覆被变化19、生态经济价值评估20、高效生态经济区建设21等方面取得了一定进展，但本区域生态经济耦合协调机制有待于进一步
6、探讨。因此，本文通过构建洞庭湖区生态经济系统评价指标体系，基于耦合度、协调度模型，针对生态经济系统结构与要素的自组织与适应特性，运用人工神经网络模型，分析洞庭湖区生态经济系统达到耦合协调状态的生态经济系统评价因子贡献率，探讨系统影响因子对于社会经济与生态环境协调的调控适应机制，构建科学发展的生态经济体系，为洞庭湖区生态系统和社会经济协调的科学合理评价，协调经济发展与生态环境矛盾，推进高效生态经济区建设提供参考。2 研究区域洞庭湖区是以洞庭湖为中心的广大河、湖冲积淤积平原和环湖丘岗及外围低山区，覆盖岳阳、益阳、常德三市及长沙宁乡县，地理位置为2844N2935N、11153E11305E，大部分
7、地区的海拔高度不到50m，土地面积的85以上在湖南省辖境内。湖区地处中亚热带季风湿润气候，具有向北亚热带过渡性质，冬季寒冷、干燥，夏季降雨集中，气候温和、湿润，年平均降雨量12001450mm，年平均气温16.517.0。河网密布，湘、资、沅、澧四水流经，水、土、气、生物等资源要素丰富。但生态环境形势严峻，湖床每年被入湖泥沙淤高3.7厘米，新增洲土4130公顷。每年约8亿吨未经处理的废水直排湖中，导致水质下降。鱼类种群退化，洄游性、半洄游性鱼类资源在捕捞量中所占比例已降至10%，生态环境恶化，生物多样性遭到破坏。洞庭湖区是我国重要的商品粮基地，同时也是湖南省重要的农业经济区域，形成了以农、牧、
8、渔业生产为主体，轻重工业并重，第三产业迅速壮大的发展格局。洞庭湖区是典型的水陆生态交错脆弱带，快速的环境变化和复杂的湖烷、江湖关系使得本区的生态环境脆弱性表现得特别突出，构建洞庭湖生态经济区一直在湖南省国民经济发展中具有重大的战略意义。3 研究方法3.1 系统耦合协调评价指标体系构建生态经济系统涉及到生态、环境、经济、社会等很多方面。生态经济系统耦合评价指标的设计应从生态环境与经济发展两个子系统出发，既有指示生态环境因子变化与指示经济发展的序参量，能够反映生态子系统与经济子系统的高效协同，同时在选取指标时，应有代表性，注意考虑正向指标与逆向指，从正反两方面考察耦合状态。具体指标的选取要综合考虑
9、区域现状、生态经济目标、系统要素等方面因素，按照生态环境与经济发展两个子系统进行指标采集（如表 1）。表1 生态经济系统耦合协调指标采集Tab.1 The evaluation index of Eco-Economic System based on coupling and Coordination子系统指标生态环境生物丰度指数x101、植被覆盖指数x102、水网密度指数x103、土地退化指数x104、湿地面积退化指数x105、气候变化指数x106、人均安全水资源拥有量x107、人均耕地面积x105、人均林地面积x109、环境污染治理投资率x110、万元国内生产总值消耗能源x111、废水净
10、排放量x112、土壤侵蚀模数x113、人均生活能源消费量x114、工业污水处理率x115、人口密度x116社会经济经济密度x201、城市化率x202、恩格尔系数x203、人均GDP x204、第三产业/GDP x205、城镇居民可支配收入x206、农民人均纯收人x207、全社会劳动生产率x208、第一产业增加值/GDP x209、第三产业增加值/GDP x210、基尼系数x211、社会资本/总资本212由于指标数值和方向不同，必须进行指标的正向化和无量纲化处理。逆向指标采用倒数变换法进行正向化处理，用于计算区域生态经济耦合系统中不同指标的功效系数dij。计算公式为： 正指标 负指标式中，dij
11、为系统i指标j的功效数，xijmax为系统i指标j的最大值，xijmin为系统i指标j的最小值，xij为系统i指标j的值。dij反映目标达成的满意程度，0 dij 1。利用主成分分析方法对输入数据进行生态经济系统耦合协调评价指标选取。从表2可以看出，变量Xi (i=1,2, ,28)的相关系数矩阵前13个特征值比较大，累积贡献率达到了85%，这说明用前13个因子就可以表示原来8个变量所能表达的信息。旋转后的正交因子表(见表3)，表3空缺项为因子载荷系数绝对值小于0.1，可忽略不计。表2 相关系数矩阵的特征值和贡献率Tab.2 Eigenvalues and cumulative contrib
12、ution of correlation matrixZ01Z02Z03Z04Z05Z06Z07Z08Z09Z10Z11Z12Z13特征值4.02 3.98 3.79 3.58 3.43 3.12 2.88 2.57 2.33 2.14 1.99 1.71 1.05 因子贡献率9.47 9.38 8.93 8.44 8.08 7.35 6.79 6.06 5.49 5.04 4.69 4.03 2.47 累积贡献率9.5 18.9 27.8 36.2 44.3 51.6 58.4 64.5 70.0 75.0 79.7 83.7 86.2 表3 旋转后的正交因子表Tab.3 Rotated f
13、actor pattern变量Z01Z02Z03Z04Z05Z06Z07Z08Z09Z10Z11Z12Z13x1010.13 -0.12 0.73 0.10 0.11 -0.10 0.43 x1020.14 -0.25 0.23 0.13 x1030.17 0.20 0.12 0.26 -0.21 0.37 -0.30 0.16 x1040.12 0.13 0.27 0.15 0.86 -0.12 x1050.12 0.12 0.65x106-0.25 0.23 0.27 0.17 x1070.15 0.72 -0.15 0.10 -0.21 -0.12 0.35 0.13 x1080.54
14、0.33 0.27 -0.19 0.21 x1090.99 0.11 0.65 -0.12 x1100.790.15 0.21 x1110.89 -0.14 0.23 0.15 x112-0.24 0.65 0.15 0.14 0.11 x113-0.10 x1140.70 0.18 -0.11 -0.23 0.13 0.59x1150.32 0.41 0.21 0.16 0.17 0.11 -0.16 x1160.33 0.21 0.11 -0.25 x2010.11 0.47 0.09 -0.16 -0.10 0.21 0.14 0.62 x202-0.21 0.82-0.21 0.14 0.56 0.17 x2030
