黄河流域生态承载力与高质量发展的耦合协调及其驱动机制

《Land》：Coupling Coordination and Its Driving Mechanisms Between Ecological Carrying Capacity and High-Quality Development in the Yellow River Basin

　　

理解生态承载力与高质量发展之间的相互作用，对于协调黄河流域的生态保护与社会经济发展至关重要。本研究的时间跨度为2000年至2023年，研究人员从水资源、能源、粮食、生态调节与碳源汇平衡四个维度构建了生态承载力指数，并从生态、水资源、经济、文化、民生五个维度构建了高质量发展指数。研究人员采用逼近理想解排序法（TOPSIS）、耦合协调度模型、探索性空间数据分析（ESDA）、标准差椭圆（SDE）和多尺度地理加权回归（MGWR）来刻画时空格局与空间变化关联。结果表明：（1）生态承载力从2000年的0.297小幅下降至2005年的0.292，随后上升至2023年的0.307；而高质量发展从2000年的0.199上升至2015年的0.267，此后趋于稳定。（2）耦合协调度从2000年的0.476上升至2023年的0.516，并表现出显著的正向空间自相关（全局莫兰指数I = 0.327–0.440，p < 0.01）。（3）MGWR优于GWR（R² = 0.641–0.785对比0.482–0.624），表明存在空间非平稳性。生态系统质量指数与耦合协调度之间表现出最稳定的正向关联，到2023年专利授权量的关联显著增强，人均GDP的正向关联减弱，人口密度始终保持负向关联。本研究提出了有针对性的分区管控建议，为黄河流域科学差异化调控提供了决策依据。

黄河流域作为中国重要的生态屏障和经济带，横跨九个省级行政区，支撑着全国约四分之一的耕地和人口，在保障国家粮食安全、能源安全和生态安全方面具有关键地位。然而，该流域面临水资源极度短缺（区域水资源压力指数从0.55升至0.96）、中游水土流失严重、生态本底脆弱、产业结构偏重工业等严峻挑战。理解生态承载力与高质量发展之间的互动关系，是协调黄河流域生态保护与社会经济发展的关键。

现有研究存在以下不足：（1）多聚焦于静态或阶段性评价，忽视了两系统动态交互的长期演化趋势；（2）指标体系偏重资源环境单一维度，对技术创新、制度保障和社会韧性等软性因素关注不足；（3）跨区域比较与多尺度耦合分析相对匮乏。为此，研究人员以黄河流域63个地级市为基本分析单元，涵盖2000—2023年六个基准年份，构建了包含水资源、能源、粮食、生态调节与碳源汇平衡4个准则层18项指标的生态承载力评价体系，以及包含生态、水资源、经济、文化、民生5个准则层23项指标的高质量发展评价体系，开展耦合协调关系与驱动机制的系统研究，旨在揭示两系统间的耦合协调水平、时空演化特征及其关键驱动因素。该论文发表在《Land》期刊。

**主要技术方法**

研究采用的关键技术方法包括：运用层次分析法（AHP）与熵权法相结合的组合赋权法确定生态承载力指标权重，高质量发展系统统一采用熵权法；采用逼近理想解排序法（TOPSIS）计算两系统综合指数；运用耦合协调度（CCD）模型测算两系统的耦合协调程度，并结合Jenks自然断点法划分失调—协调等级；采用标准差椭圆（SDE）刻画空间分布的方向性与展布趋势；采用探索性空间数据分析（ESDA）检验空间自相关；使用多尺度地理加权回归（MGWR）识别驱动因素并揭示其空间异质性。样本来源于黄河流域八省区63个地级市，数据取自省市级统计年鉴、统计公报、水资源公报及生态遥感数据。

**3.1 生态承载力与高质量发展的时空演化特征**

从空间格局看，生态承载力总体呈“上游高、中游低、下游波动”的经向分带特征，张掖、陇南等上游城市处于最高等级区间（0.519—0.614），构成流域核心生态安全屏障；中游形成贯穿流域中轴的承载力低谷带（0.174—0.276），2005—2015年间低值区显著连片扩张，2015年后有所改善。高质量发展呈“下游高、中游中、上游低”的格局，山东省高值区在多数年份占比超70%，郑州、西安等形成核心—外围结构。从时间演化看，生态承载力综合得分从2000年的0.297降至2005年的0.292，此后逐步升至2020年约0.310的峰值，2023年略微回落至0.307；高质量发展指数从2000年的0.199持续上升至2015年的0.267（增长34%），此后进入稳定期，2020年受疫情影响偏低，2023年恢复。两系统的空间错位反映了流域生态本底与经济活动的结构性分异。

**3.2 耦合协调关系的时空变化**

耦合协调度从2000年的0.476上升至2023年的0.516，增长8.4%，经历“缓速增长（2000—2005年）、快速提升（2005—2015年）、高位调整（2015—2023年）”三阶段演化，仍处于濒临失调向勉强协调过渡阶段。城市类型中，稳定型37个（58.7%），上升型25个（39.7%），仅乌兰察布为下降型（-17.33%），咸阳和巴彦淖尔构成高风险退化区。标准差椭圆分析显示，平均中心长期锁定于山西临汾，23年位移仅约5.0 km，方位角稳定在约90.8°，呈严格东西走向，椭圆面积收缩约2.4%；全局莫兰指数为0.327—0.440（p<0.01），空间集聚先减弱后增强；LISA聚类图显示高-高集聚区稳定分布于陕西中南部（西安、宝鸡、商洛、汉中、安康），低-低集聚区主要出现在宁夏和内蒙古西部，鄂尔多斯经历了LL-HL-LL的复杂类型转变。

**3.3 耦合协调关系的驱动机制**

研究人员从生态资源、技术创新、人口压力、经济发展等维度初选16个驱动因子，经方差膨胀因子（VIF）检验排除多重共线性变量后，再经多元线性回归显著性筛选，最终确定生态系统质量指数（EQI）、专利授权量（NPG）、人均GDP（GDPpc）和人口密度（PD）4个驱动因子。MGWR模型各年份拟合优度（R²=0.641—0.785）均高于GWR（R²=0.482—0.624），且AICc和残差平方和更低，表明驱动机制存在显著空间非平稳性。EQI的正向驱动作用最为稳定（系数0.019—0.055），呈“中下游高、上游低”的空间梯度，经历“显著分异—趋向收敛—再度分异”的时空演化；NPG的驱动效应经历“稳定—显著下降—显著增强”三阶段，2023年内蒙古、陕北、晋北大部分城市进入最高值区间（0.048—0.080），形成核心技术—外围极化结构；GDPpc的系数从2005年高值（0.031—0.036）逐年递减至2023年最低水平（0.011—0.014），高值核心区仅存于呼和浩特—包头—鄂尔多斯—榆林地区，呈资源型经济依赖与路径衰减特征；PD是唯一长期负向因子，呈“强抑制—显著减弱—低残余”的演化，上游负效应最强（-0.046至-0.029），下游多数时期不显著。

**讨论与结论**

讨论部分指出，生态承载力的U型演化与已有研究一致，六基准年设置捕捉到2000—2005年短期下降这一此前文献鲜有报道的阶段特征。权重分析显示，熵权法赋予时空变异性较大的碳相关指标较高权重，但水资源的刚性约束仍是黄河流域最关键的制约因素，权重分布是数据特征与政策动态的统计反映而非战略重要性判断。MGWR揭示的驱动因素空间异质性根源于发展阶段、资源禀赋与政策干预的结构性差异。研究结论认为：黄河流域耦合协调度总体呈“稳中有升—高位波动”特征，空间分布存在极端路径锁定效应，局部热点与整体质心存在空间错配；MGWR优于GWR表明驱动机制存在强空间非平稳性；应按照上游（优先生态保护与适度人口迁移，缓解人地压力）、中游（抓住绿色技术创新窗口期，加速产业绿色转型）、下游（强化生态保护修复，巩固创新驱动支撑）实施分区差异化发展策略，为黄河流域科学调控提供决策依据。