农业生态经济系统耦合协调发展评价——以山东省为例

高 鹏，白福臣

（广东海洋大学管理学院，广东 湛江 524088）

农业生态经济系统由农业生态系统和农业经济系统构成，是人地关系地域系统的重要组成部分［1］。农业经济系统是由农业劳动者、农业经营主体、农业宏观调控者、农用土地、农业技术装备、农业资金、农产品以及各类市场等实体要素和农业产业结构、农业科学技术、农业经济管理手段、农业经济信息等软性要素以及各类要素之间的关系组成［2］。农业生态系统是一个内外部之间存在着错综复杂关系的开放性人工-自然复合系统，同时具有自然生态系统和人工生态系统的特性［3］。脆弱性是其显著特点，是在包括地形、地貌等自然因素以及土地过度开垦、植被破坏、过度使用化肥农药等人为因素共同作用下形成的［4］。两者之间存在着良性耦合条件下的正反馈循环，也存在着非良性耦合条件下的负反馈循环。在正反馈循环中，农业经济系统和农业生态系统相互促进、相互协调，合理的农业生产能够促进农业生态系统的协调发展，良好的农业生态系统又为农业经济系统提供了物质基础和发展空间。在负反馈循环中，现代农业通过大量化肥、农药、机械动力等无机能量的投入，造成农业生态系统中的有机质和养分的亏损、系统失衡，又导致农业生产效益下降，农业资源枯竭，农业经济系统的发展面临着极大的挑战。只有不断促进农业经济系统与农业生态系统的耦合协调发展，才能充分发挥二者之间的正反馈循环，从而推动农业生态经济系统的协调有序发展。

国家在政策上提出了具体要求，《“十四五”全国农业绿色发展规划》对中国农业绿色发展提出了重大目标和具体部署，将农业绿色发展作为转变农业发展方式，实施乡村振兴战略的重要引领，提出加强农业资源保护利用、加强农业面源污染防治、农业生态保护修复、打造绿色低碳农业产业链、强化科技动能和制度动能等重点任务。这充分说明党中央、国务院对推进农业绿色发展，加快农业全面绿色转型，持续改善农村生态环境的决心和力量。山东省农林牧副渔等各业态齐全，农业增加值稳居全国第一位。在山东省农业经济发展过程中生态问题较为突出，有一定代表性，主要表现在化肥、农药使用强度较大造成土壤有机质和腐殖质的缺乏、土壤板结；
大水漫灌导致土壤盐碱化加重、水资源减少；
过度开垦农田造成森林、草原、湿地被破坏，生物多样性锐减；
对秸秆、地膜的焚烧、掩埋等不适当处理造成空气污染、土壤污染。

以山东省为例，从农业生态系统与农业经济系统之间的耦合协调效应进行研究，结合农业生态系统和农业经济系统的概念、理论基础，构建农业生态经济系统评价指标体系，综合运用熵值法、耦合度模型、耦合协调度模型测算2010—2019 年山东省农业生态系统和农业经济系统的综合评价指数、耦合度及二者之间的耦合协调度。阐明山东省农业生态经济系统的耦合协调发展状况，揭示生态环境保护与经济发展之间的内在关联，探究农业绿色发展政策背景下农业生态经济系统的耦合度演化趋势和耦合协调水平，对促进山东省农业生态经济系统持续协调发展具有重要意义。

国内外相关学者针对经济发展与生态环境之间的协调发展的研究较为丰富。国外学者从区域经济发展与生态环境保护之间的协调关系［5］、协调发展评价模型［6］以及实证分析方法［7］展开了广泛探究，但对农业经济系统和生态系统之间协调发展这一微观层面的研究较少。随着农业经济发展与生态环境之间的矛盾日益突出，国内诸多学者针对农业生态经济系统协调发展展开研究，研究内容主要集中在区域农业生态经济系统协调发展理论认知［2］、农业生态经济系统协调发展评价指标体系建立［8］、评价方法及模型构建［9］、区域实证分析和政策建议［10］等方面。其中评价方法及模型构建、区域实证分析研究成果较多，评价方法主要包括耦合协调度模型［11］、结构方程模型［12］、植被和土壤侵蚀耦合模型的拓展模型［13］、能值分析法［14］等；
区域实证分析涉及国家级［1］、省市级［15］及流域级［16］等多个层面。

综上所述，已有研究揭示了区域农业生态经济系统协调发展理论认知、评价指标体系建立、实证分析方法，但是对农业生态经济系统的动态耦合协调发展问题研究较少，仅局限于对某一年的静态耦合问题研究；
在指标选择上科学性欠佳，有的学者采用森林覆盖率、农作物受灾率等指标来测算农业生态系统，也有学者采用降雨量、水库库容量等指标测算农业生态系统，有的学者采用十几个指标，也有学者采用四十几个指标，这种指标选取之间的差异难免会对结论造成巨大影响；
在地域上，对农业生态经济系统协调发展的研究大多数关注中西部环境恶化较为严重的地区，缺乏对粮食主产区——山东省等农业生态系统压力较大区域的相关研究。

2.1 评价指标体系

遵循客观性、科学性、整体性、数据可获得性等原则，构建农业生态经济系统耦合协调发展综合评价指标体系。其中，农业生态系统主要包括自然环境、生产环境和生态治理3 个一级指标；
农业经济系统包括生产投入和经济效益2 个一级指标（表1）。

表1 农业生态经济系统耦合协调发展综合评价指标体系

2.2 农业生态经济系统协调发展评价模型

2.2.1 确定指标权重 采用熵值法确定指标权重。熵值法是一种客观赋权的方法，依据各项指标变异性大小来确定权重大小，有效地克服主观赋权法的臆断性和随机性［13］。

1）标准化处理，由于评价指标体系中的各指标的含义不同，量纲不同，首先对各指标数据进行标准化处理。由于对变量极差标准化后有些年份的数据出现0，此时测算耦合度依旧会出现0，则耦合度毫无意义，为避免这一问题，对值域区间进行平移，在标准化公式中加入截距项，得到变形的正向指标处理采用公式（1），负向指标处理采用公式（2）。

式中，i代表评价指标，j代表年份，xij是第i个指标在第j年的原始数据（i=1，2，…，m；
j=1，2，…，n）。

2）熵值法确定客观权重，原始矩阵A 进行标准化处理后记为B=(rij)m×n。在有m个指标、n个被评价年份的评价问题中，第i个指标的熵如下。

3）计算熵权，对应的第i个指标的熵权重wi如下。

4）综合以上公式，计算得到山东省农业生态经济系统耦合协调发展综合评价指标的权重（表2）。

表2 山东省农业生态经济系统耦合协调发展综合评价指标权重

2.2.2 测算综合评价指数 测算综合评价指数时利用加权法，公式如下。

式中，Sij表示山东省第j年的第i个系统的综合评价指数，wi为第i项指标的权重，rij为第j年的第i项指标的标准化值。

2.2.3 测算耦合度 耦合度描述各个子系统之间或要素之间相互作用的强弱。在建立农业生态经济系统耦合度模型时，借鉴“一般系统论中系统演化”的思想、植被和土壤侵蚀耦合模型的拓展模型［13］，按照贝塔兰菲的一般系统理论［17］，分析农业生态系统和农业经济系统之间的演化速度，探究农业生态经济系统的耦合度演化过程。

1）农业生态系统、农业经济系统的演化状态的计算公式如下。

式中，A、B 分别表示农业生态系统、农业经济系统的演化状态，S1、S2为农业生态系统、农业经济系统的综合评价指数。

2）由于农业生态系统与农业经济系统相互作用、相互制约，各自的演化轨迹为S 型曲线，因而农业生态经济系统的演化满足组合S 型发展机制［13］。可以直观的感受演化速度V的变化过程。以VA、VB为变量建立平面直角坐标系，以VA为横坐标，VB为纵坐标，由于农业生态系统与农业经济系统演化速度不一致，故V的变化轨迹为二维坐标系中的一个椭圆中，计算VA、VB在每个时间点上夹角θ的取值，从而揭示农业生态经济系统的耦合演化过程计算公式如下。

式中，VA、VB分别表示2 个系统的演化速度，θ表示农业生态系统与农业经济系统的耦合度。依据θ的取值范围，可将农业生态经济系统的耦合度演变过程划分为几个阶段［18］，详见表3。

表3 农业生态经济系统耦合度状态及特征

2.2.4 测算耦合协调度 尽管耦合度能反映农村生态经济系统之间的相互作用强弱，但无法科学地揭示各系统或要素之间是在高水平上相互促进还是低水平上相互制约，本研究利用耦合协调度模型判断山东省农业生态系统与农业经济系统之间的相互协调程度。

1）计算耦合关联度，若给定P≥2 个系统，耦合关联度一般化公式如下。

2）计算综合协调指数，在农业生态经济系统中，生态保护和经济发展同等重要，因此2 个系统的主观权重a、b 均为0.5。公式如下。

3）计算耦合协调度，计算公式如下。

式中，D为农业生态经济系统的耦合协调度，0≤D≤1，D越大表示2 个系统之间协调关系越好，协调发展水平越高。根据实际数值分布，将农业生态系统和农业经济系统耦合协调度由0～1 均分为若干级别，详见表4。

表4 农业生态经济系统耦合协调度分类

3.1 综合评价指数分析

综合公式（1）至（5），计算得到山东省农业生态经济系统耦合协调发展综合评价指数，详见图1。山东省农业生态系统综合评价指数（S1）在2010—2019 年呈上升趋势，由2010 年的0.066 8 增长到2019 年的0.753 9（图1），说明在研究期内山东省农业生态环境得到改善，农业向绿色发展转型持续推进。在农业生态系统中二级指标权重数值排名前5位为农作物受灾面积、化肥使用量、地表水环境水质优良个数、农药施用量、耕地面积，分别为0.177 4、0.129 8、0.113 6、0.107 8、0.104 5，说明5 个指标所表示的具体内涵和与生态系统的内在机理对农业生态系统趋势变化产生巨大影响。山东省农业生态系统发展趋势是曲折的，其中2010—2015 年平均增长速度为0.10，较为缓慢，结合农业经济系统综合评价指数来看，2010—2015 年平均增长速度为0.12，大于农业生态系统综合评价指数增长速度，说明在此阶段山东省农业经济取得快速增长的同时，对农业生态环境的保护力度不够，两者没有达到平衡发展；
2015—2017 年农业生态系统综合评价指数出现下降，指数减少值为0.07，同时农业经济系统综合评价指数也有所下降，指数减少值同为0.07，结合具体数据来看，主要由于农业生态系统中一级指标-生态治理中的人工造林面积下降11.42 万hm2，水土流失治理面积下降35.80 万hm2，造林面积下降7.90万hm2，地表水环境水质优良个数下降3 个，说明在此时期，山东省在促进农业经济发展的同时，忽视了对生态环境的治理，而生态环境的恶化对农业经济发展带来负效应；
2017—2019 年农业生态系统综合评价指数增长较快，平均增长速度为0.13，是因为2018 年山东省出台《关于创新体制机制推进农业绿色发展的实施意见》，明确了山东省进一步推进农业绿色发展的指导思想和相关举措，包括优化农业绿色发展空间布局、加强农业资源保护和节约利用、加强农产品产地环境保护和治理，加强农业生态系统养护和修复等。在这一背景下，山东省农业生态环境不断改善，同时生态环境对农业经济的正作用显著，农业经济系统综合评价指数也呈增长态势。

山东省农业经济系统综合评价指数在2010—2019 年呈上升趋势，由2010 年的0.124 8 增长到2019 年的0.811 4（图1），说明山东省农业经济发展水平持续向好，农业经济总量迈上新的台阶，开启全面推进乡村振兴和加快农业农村现代化建设新征程。在农业经济系统中一级指标-生产投入的组内权重为0.397 3，其中二级指标组内权重排名前3 位分别为基层农技推广体系机构个数、农林牧副渔固定资产投资额、农用机械总动力，组内权重为0.129 3、0.123 5、0.113 6；
一级指标-经济效益的组内权重为0.400 4，其中二级指标排名第1 位为主要农作物产量，组内权重为0.132 2。说明农业科学技术推广、农业机械化水平、农林牧副渔固定资产投资、主要农作物产量对山东省农业经济发展有突出贡献。这主要得益于农业相关政策的支持，山东省农业农村经济发展“十二五”规划（2011—2015）和“十三五”规划（2016—2020）中都明确了山东省农业经济发展重点和政策措施，其中对促进农作物增产，保障粮食安全，加快基层农技推广体系改革与建设步伐，增强自主创新和技术推广力度，完善农业基础设施建设均作了明确的指示。其中农业科学技术推广通过探索农业科学技术发展水平，加快推进农业科技成果和实用技术尽快应用于农业生产，为农业经济发展提供科技支撑；
农业机械化作为先进生产力的代表，提高了农业生产力水平，降低农业劳动者工作强度进而提高农业生产效率，农林牧副渔固定资产投资通过完善农业生产基础设施和农业生产条件，进一步提高农业综合生产能力，为农业经济发展提供物质基础；
主要农作物产量主要包括小麦、玉米、棉花、大豆等的产量，对农业经济发展的贡献主要体现在保证粮食安全方面，粮食安全是发展一切的基本前提，筑牢粮食安全防线是发展农业经济，恢复农业生态的重要保障。

图1 农业生态系统和农业经济系统综合评价指数

3.2 耦合度分析

农业生态经济系统的综合评价指数方程Sij=是一种非线性过程，可以表示为各要素的非线性函数，各个时间点的Sij连接起来是一条平滑曲线，故可以对农业生态经济系统综合评价指数进行非线性拟合，建立关于时间x的函数，得到以下方程，其中，x∈［1，10］，表示2010—2019 年；
y为进行非线性拟合后的综合评价指数，R2为置信度。

耦合度能反映农村生态经济系统之间的相互作用强弱情况。通过结合公式（6）至（10）和表3，得到山东省农业生态经济系统耦合度（表5）。可知山东省农业生态经济系统耦合度（θ）由2010 年的83.06°下降到2019 年的0.92°，系统演化为协调发展阶段，系统呈现协调耦合状态。

表5 农业生态经济系统耦合度

2010—2016 年，52.80°＜θ≤83.06°，这一时期农业生态环境问题在不断改善，农业经济发展保持着快速增长，二者的发展步调渐趋一致。在这一时期，生态循环农业建设迈出了新步伐，农业面源污染防治取得明显成效，森林覆盖率不断提高，测土配方施肥和减量控害植保技术得到了大力推广，湿地、湖泊、河流等水环境的污染得到治理，通过一系列农业生态环境修复工程的实施，山东省农业生态环境系统取得积极成效，使农业发展的基础条件得到改善，从而推动农业经济的发展，这充分说明山东省在这一时期不再单纯地注重农业经济发展，而是兼顾经济和生态环境共同进步，推动了农业生态经济系统的耦合协调发展，农业生态环境与农业经济之间的相互促进作用愈加强烈。但是从耦合状态来看，农业经济发展速度大于生态环境演化速度，生态环境对农业经济发展仍有约束作用，说明农业经济发展对改善农业生态环境的作用程度偏低，农业生态环境还需进一步改善。

2017—2019 年，0.92°＜θ≤20.67°，山东省农业生态经济系统仍处于协调发展阶段，系统呈协调耦合状态，农业生态系统与农业经济系统协调发展，相互作用的态势继续巩固。这一时期山东省农业生态环境向好速度大于农业经济发展速度，说明生态环境治理取得显著成效，农业生态环境持续向好。主要是在党中央、国务院同步推进实施生态治理的背景下，山东省积极贯彻落实农业“十三五”发展规划和推进农业绿色发展的实施意见，推动实施农业经济结构优化升级、优化农业绿色发展空间布局、加强农业资源保护和节约利用、加强农产品产地环境保护和治理，加强农业生态系统养护和修复等一些列举措。但在此时期经济发展速度小于生态环境演化速度，生态资源利用不足，说明农业生态系统对农业经济系统的反作用程度不够，农业经济发展还有一定的增长空间，在农业经济快速增长过程中，要注意农业经济系统对农业生态系统造成的副作用，真正实现协调发展。

3.3 耦合协调度分析

结合公式（11）至（13），测算的山东省2010—2019 年农业生态经济系统耦合协调度详见图2。耦合协调度能反映系统或要素之间在高水平上相互促进还是低水平上相互制约。2010—2019 年，山东省农业生态经济系统的耦合协调度指数总体呈现上升趋势（图2），由2010 年的0.375 8 增长至2019 年的0.877 6，耦合协调状态由轻度失调演变为良好协调水平。

图2 农业生态经济系统的耦合协调度指数

2010—2011 年，山东省农业生态经济系统的耦合协调度指数虽呈波动上升趋势，但D处在0.375 8～0.467 9，系统仍处于失调状态。结合耦合度来看，山东省农业生态系统与农业经济系统发展趋于协调，二者的发展步调渐趋一致，但受生态环境恶化的限制，系统耦合协调水平不高，仍在低水平上相互制约。

2012—2016 年，农业生态经济系统的耦合协调度指数保持波动上升趋势，D由0.534 8 增长至0.735 9，系统迈入协调状态且发展到中级协调状态。其中，2012—2013 年农业生态与经济系统综合评价指数呈现同步快速增长态势，促使D稳步上升，说明山东省农业生态系统与农业经济系统之间呈现相互促进的协调发展态势，农业经济发展与生态环境保护效益显著。

2013—2015 年农业生态系统综合评价指数呈现缓慢增长态势，而农业经济系统综合评价指数呈现快速增长态势，导致这一时期的耦合协调度指数增长缓慢，但仍呈现出相互促进的协调发展态势。2015—2016 年农业生态系统和经济系统综合评价指数均呈现下降态势，导致耦合协调度指数有所下降，说明此时期山东省农业生态系统与农业经济系统之间相互促进的协调发展态势不佳，农业生态环境保护与农业经济发展效益有所下降。

2016—2019 年，农业生态经济系统的耦合协调度恢复上升趋势且趋势较为稳定，D由0.735 9 上升到0.877 6，由中级协调发展到良好协调，系统之间在高水平上相互促进。这说明长期的农业生态治理和农业经济发展投入逐渐发挥正向效应，也表明改善农业生态环境与发展农业经济相互促进、相互适应，良好的农业生态环境可以促进农业经济的持续发展，农业经济的发展反过来也会推进农业生态环境的保护。总体来说，2010—2019 年山东省农业生态经济系统的耦合协调状态从低水平的系统间相互制约型逐步发展为高水平的系统间相互促进型。

4.1 结论

以山东省为例，基于《山东省统计年鉴》《山东省国民经济和社会发展统计公报》相关数据，构建农业生态经济系统耦合协调发展综合评价指标体系，综合运用熵值法、耦合度模型、耦合协调度模型测算2015—2020 年山东省农业经济系统和生态系统综合评价指数，耦合度和二者之间的耦合协调度。结论如下。

2010—2019 年，山东省农业生态系统综合评价指数呈上升趋势，说明在研究期内山东省农业生态环境得到改善，农业向绿色发展转型持续推进；
山东省农业经济系统综合评价指数呈上升趋势，说明山东省农业经济发展水平持续向好，农业经济总量迈上新的台阶。

2010—2019 年，山东省农业生态系统与农业经济系统的耦合度呈现由大到小的变化趋势，θ由2010 年的83.06°下降至2019 年的0.92°，系统演化为协调发展阶段，耦合状态为协调耦合，说明山东省农业生态环境与农业经济之间的相互促进作用愈加强烈，逐步实现协调耦合。

2010—2019 年，山东省农业生态经济系统的耦合协调度指数总体呈现上升趋势，由2010 年的0.375 8 增长至2019 年的0.877 6，耦合协调状态由轻度失调演变为良好协调水平。说明山东省农业生态-农业经济系统由低水平的相互制约型转变为高水平的相互促进型。

4.2 建议

山东省在保障国家粮食安全、农业经济持续发展过程中面临着生态治理的压力，推动生态环境与经济之间的协调发展是实现区域协调发展的基础，经济的发展和社会的进步不应以牺牲生态环境为代价，“绿水青山就是金山银山”，在发展过程中要促进经济与生态的协调发展，使其在高水平发展中相互促进，主要从以下几个方面进行。

在生态环境治理方面，一是推行以酸化区域、盐渍化区域土壤改良修复，农业面源污染防治，林业和湿地建设为代表的生态治理工程；
二是要加强农作物秸秆综合利用和农膜污染治理，积极做好政策引导，加快技术研发，促进秸秆利用饲料化、能源化，同时加强禁止焚烧秸秆的宣传教育，健全相应的法律法规；
三是大力发展绿色有机农产品，推广高效、低残留农药，开展技术革新，降低有机肥使用成本，增施有机肥，促进农药化肥减量增效；
四是加强农业资源环境检测与保护，做好耕地土壤、水环境中重金属、盐渍化检测，同时加强外来物种入侵检测和防治，维护天蓝、水清、地净的农业生态环境；
五是要加强制度建设，加强责任落实和考核，将防治任务落实到村镇，责任落实到人，对农业农村环境污染严重，治理工作不力的村镇按照有关规定追责问责。

在农业经济发展方面，一是要推进农业绿色科技创新，发挥高等院校、科研单位作用，推动建立产-学-研体制机制，开展绿色农机装备关键技术攻关并加快绿色实用技术推广和应用，健全基层农机推广服务体系。二是要转变农业发展方式，调整产业结构，打造绿色低碳农业全产业链，统筹兼顾生产、加工、流通、消费等生产环节，发挥电商平台在绿色农产品销售中的积极作用，健全地理标志农产品、有机农产品认证体系。三是加强生产者的绿色生产意识和消费者的绿色消费意识，从供给和需求两头同步推进，促进农业绿色发展。四是要发挥地域特色，大力发展生态农业，建立生态农业示范基地，充分发挥其带动作用，例如山东省在黄河两岸建设的特色农产品基地，在兼顾生态效益的同时提高了经济效益，打造了千里黄河绿色高效农业长廊［19］。

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