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中国沙漠, 2025, 45(5): 194-208 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00105

黄河流域中游省区自然-社会系统可持续发展安全公正空间测度

陈锋,, 曲相昱

山西财经大学 资源环境学院,山西 太原 030006

Measurement of safe and just operating space for sustainable development of natural-social systems in provinces and autonomous region in the middle reaches of the Yellow River Basin

Chen Feng,, Qu Xiangyu

College of Resources and Environment,Shanxi University of Finance and Economics,Taiyuan 030006,China

收稿日期: 2025-02-19   修回日期: 2025-07-03  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41701224
山西省基础研究计划项目.  202403021211055
山西省哲学社会科学规划课题.  2024YB063

Received: 2025-02-19   Revised: 2025-07-03  

作者简介 About authors

陈锋(1988—),男,湖北孝感人,博士,教授,主要从事区域环境变化研究E-mail:chenfeng@sxufe.edu.cn , E-mail:chenfeng@sxufe.edu.cn

摘要

黄河流域中游地区是中国重要的经济区域与增长极,但其自然-社会系统关键要素可持续发展的安全界限仍不明确。安全公正空间(SJOS)理论的应用有望为该区域的可持续发展提供一种新颖的评估视角。基于SJOS理论,以黄河流域中游四省区(内蒙古自治区、陕西省、山西省和河南省)为研究对象,利用1990—2023年可获得的环境监测、社会经济数据,构建衡量地区自然-社会系统的指标体系,评估研究区可持续发展的SJOS,并基于灰色预测模型预测其发展趋势。结果表明:黄河流域中游四省区的SJOS在时间序列上呈整体向好趋势,且四省区当前可持续性由优至劣的排序为内蒙古自治区>山西省>陕西省>河南省。但目前四省区仍共计有29项指标突破阈值。相关性分析和预测结果显示影响该地区SJOS的关键因素在自然维度为化肥使用量和淡水利用;在社会维度为产业创新、性别平等、可持续的城市和体面工作与经济增长。总之,黄河流域中游地区自然-社会系统面临诸多挑战,未来仍具有实现可持续发展的较大潜力。

关键词: 黄河流域中游 ; 自然-社会系统 ; 可持续发展 ; 安全公正空间

Abstract

The middle reaches of the Yellow River Basin are an important economic core area and growth pole in China. However, the safe boundaries for the sustainable development of key elements of its nature-social system remain unclear. The application of the Safe and Just Operating Space (SJOS) theory is expected to provide a novel assessment perspective for the sustainable development of this region. This study is based on the SJOS theory, taking the four provinces and autonomous region in the middle reaches of the Yellow River Basin (Inner Mongolia Autonomous Region, Shaanxi Province, Shanxi Province, and Henan Province) as the research objects. Using environmental monitoring and socio-economic data available from 1990 to 2023, an indicator system for measuring the natural social systems in the region was constructed to assess the SJOS for sustainable development in the study area. The grey prediction model was used to judge its development trend. The results showed that the SJOS of the four provinces and autonomous region in the middle reaches of the Yellow River Basin showed an overall positive trend in time series, and the current ranking of sustainability in the four provinces and autonomous region from best to worst is: Inner Mongolia Autonomous Region>Shanxi Province>Shaanxi Province>Henan Province. However, currently there are still 29 indicators in the four provinces and autonomous region that have exceeded the threshold. The correlation analysis and prediction results show that there are a total of 6 key factors affecting SJOS in the region. Two natural systems, namely fertilizer usage and freshwater utilization; Four social systems, namely industrial innovation, gender equality, sustainable cities, and decent work and economic growth. In short, the natural-social systems in the middle reaches of the Yellow River Basin are currently facing many challenges, but it still has great potential for sustainable development.

Keywords: the middle reaches of the Yellow River Basin ; natural-social systems ; sustainable development ; safe and just operating space

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本文引用格式

陈锋, 曲相昱. 黄河流域中游省区自然-社会系统可持续发展安全公正空间测度. 中国沙漠[J], 2025, 45(5): 194-208 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00105

Chen Feng, Qu Xiangyu. Measurement of safe and just operating space for sustainable development of natural-social systems in provinces and autonomous region in the middle reaches of the Yellow River Basin. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(5): 194-208 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00105

0 引言

人类活动使地球系统超出了稳定的状态,并对全球的自然环境造成了压力1。学术界曾提出“增长的极限”“气候护栏”等阈值性概念,这些概念通过量化环境承载临界值,为可持续发展提供可衡量的安全基线2。需要注意的是,此类阈值性概念界定的是特定时空条件下环境可承受的人类活动上限。与之形成理论进阶的是Rockström3提出的包含9种关键地球系统过程的“地球界限”框架体系,将预防性治理原则与生态系统恢复力融合。该框架不仅通过量化阈值为地球系统划定安全运行边界,更为有限生态空间内的可持续治理提供实操路径4。在此基础上,各国政府在Rio+20峰会中提出了11项关键社会基础指标。Raworth5同时考虑了9种地球系统过程(气候变化、海洋酸化、平流层臭氧消耗、氮磷循环、全球淡水利用、土地利用变化、生物多样性损失、大气气溶胶负载和化学污染)和11项社会系统指标(粮食安全、人均收入、水资源及卫生、医疗保健、教育、能源、性别平等、社会公平、发言权、就业和恢复力),构建了一个集自然生态和社会经济为一体的甜甜圈式的圆环模型——“安全公正空间(Safe and Just Operating Space,SJOS)”,其核心是通过设定环境安全上限和社会基础下限,界定出一个既能保障自然资源可持续利用,又能满足人类基本福祉需求的“安全公正空间”。“环境界限”和“社会界限”分别处在模型的外环和内环,代表着“安全”与“公正”。将地球系统过程指标与社会基础指标数据导入圆环,便可直观地看出各项指标达到的水平,进而为可持续发展提供可视化的图示。

黄河流域中游地区是中国社会经济发展的重要区域,也是重要的生态安全屏障6。然而,黄河流域中游地区仍然存在地区经济发展不平衡、经济增长内生动力不足、经济转型期产业结构失调、绿色技术研发投入不足、环境污染加剧等问题7-9。这些问题已导致区域环境严重退化,甚至引发生态系统突变10。综合前人研究,在保证自然-社会系统变化安全的前提下,黄河流域中游地区实现可持续发展的路径尚不明确,而测度该区域的SJOS对深入探索这一问题有重要启示作用4。因此,本研究选择黄河流域中游内蒙古自治区、陕西省、山西省和河南省为研究区域,基于1990—2023年可获得的环境监测、社会经济数据和文献资料,提取黄河流域中游四省区关键的自然-社会系统指标,测度其自然-社会系统可持续发展的SJOS,以期为该地区制定实施相关规划方案、政策措施和建设相关工程项目提供理论基础和指导方案。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河流域中游指从内蒙古托克托县河口镇至河南郑州桃花峪间的黄河河段11,地跨内蒙古自治区、陕西省、山西省和河南省,干流长1 206.4 km,区间流域面积为34.4万km2图1)。黄河流域中游地区属于大陆性季风气候,多年平均年降水量约为300~700 mm,受地形等因素的影响,区域内降水量空间分布差异显著,总体由东南向西北递减。汛期6—9月的降水量占全年降水量的70%左右,多以暴雨为主,再加上土质疏松、地表沟壑纵横,使中游成为黄河泥沙的主要来源地区和全球水土流失最严重的地区12

图1

图1   研究区概况

注:基于自然资源部标准地图服务网站标准地图 (审图号:GS(2023)2767号)制作,底图边界无修改

Fig.1   Overview map of the research area


1.2 黄河流域中游地区安全公正空间的评估体系构建

作为评估可持续发展的科学框架,SJOS与联合国可持续发展目标(SDGs)在目标、遵循原则及实施路径上紧密相连。它通过自然系统与社会系统的耦合,能够识别区域发展优势和短板,从而提高治理效率。此外,该框架模型在全球和区域尺度上均展现出良好的应用兼容性。然而,SJOS框架的应用也存在一些挑战。由于其需要整合多源数据,数据的缺失或质量问题可能会导致评估结果出现偏差。同时,鉴于区域的异质性,很难制定一套统一的阈值作为标准,这在一定程度上增加了应用的复杂性。SJOS最初聚焦于全球尺度的生态系统的可持续发展研究,但自然与社会问题往往呈现出显著的区域异质性。因此,学者们近年来尝试基于SJOS理论研究多种自然-社会系统的可持续发展13-15。在此过程中,研究对象逐步从全球尺度降维至国家16-17、区域18或是单独的生态系统19-21,这不仅有助于探究自然系统要素与社会系统要素之间的相互作用关系,更为科学评估研究对象的可持续性创新了研究思路22。总之,现有研究围绕SJOS的理论框架和应用实践,从全球到区域尺度揭示了自然-社会系统的可持续性边界与量化评估路径,但目前关于SJOS本土化(流域尺度/省级)应用的研究较少。

本文基于Raworth5提出的SJOS框架和“2030年可持续发展议程”,选择了8项自然系统指标和9项社会系统指标来构建黄河流域中游地区的安全公正空间。在自然系统中,两项指标与原始框架有所不同。首先,水环境质量方面,鉴于黄河中游地区水资源供需矛盾突出,本研究采用生态环境部明确规定的地表水五类水域功能作为衡量标准,以此替代原始框架中的“海洋酸化”指标。其次,在空气质量方面,流域或区域空气质量治理过程中,各类主要大气污染物浓度的变化能够为各区域提供更具针对性的大气治理方向,因此,本研究以这一变化趋势替代原始框架中的“平流层臭氧消耗”和“大气气溶胶负载”两项指标。在社会系统中,7项指标与原始框架一一对应,并与SDGs中规定的具体事项相契合。在剩余的两项指标中,一是体面工作与经济增长。本研究选取两项子指标对其进行量化,以此替代原始框架中的“社会公平”“发言权”以及“就业”指标。二是产业创新。参考科技部编制的《黄河流域生态保护和高质量发展科技创新实施方案》,本研究选取与黄河流域中游地区高质量发展趋势相契合的新指标,以更好地反映该地区的产业创新情况。自然维度与社会维度的具体指标值、环境界限及依据见表1表2

表1   自然系统对应指标、环境界限以及依据

Table 1  Corresponding indicatorsenvironmental boundariesand basis for natural systems

自然系统指标环境界限依据
气候变化大气中CO2的浓度(mg·kg-1350~450地球界限框架
水环境质量地表水省考断面不低于Ⅲ类的比例(%)79.20~100地表水环境质量标准(GB3838—2002)
化学污染地区地表水监测断面高锰酸盐浓度(mg·L-1≤6《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类水质标准
省地表水监测断面化学需氧量浓度(mg·L-1<20山西省《污水综合排放标准》(DB14/1928—2019)
地区地表水监测断面氨氮浓度(mg·L-1≤1《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类水质标准
省地表水监测断面氨氮浓度(mg·L-1<1.50山西省《污水综合排放标准》(DB14/1928—2019)
化肥使用量每公顷农作物化肥使用量(kg)120农作物每公顷化肥使用量的世界平均水平
淡水利用人均水资源占有量(m32 032《内蒙古自治区“十四五”水资源配置利用规划》
3812020年山西省人均水资源占有量
2 098.50中国人均水资源占有量
土地转换有林地占林地面积比例(%)30~50温带林地占潜在林地面积比例
空气质量年平均大气PM10浓度(μg·m-3≤70环境空气质量标准(GB3095—2012)
年平均大气SO2浓度(μg·m-3≤60环境空气质量标准(GB3095—2012)
年平均大气NO2浓度(μg·m-3≤40环境空气质量标准(GB3095—2012)
生物圈完整性变化生态环境状况指数40~100生态环境状况评价技术规范

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表2   社会系统对应指标及目标值

Table 2  Corresponding indicators and target values of social system

社会系统指标目标值
内蒙古自治区陕西省山西省河南省
无贫困每人每日生活费1.25美元以上人口比例(%)100100100100
良好健康与福祉孕产妇每10万例活产死亡率≤18≤10.15≤12.50≤9.50
5岁以下儿童死亡率(‰)≤9.50≤4.62≤6.50≤5.30
教育学前三年毛入园率(%)≥95≥97.84>99.95≥93
水资源及卫生农村自来水普及率(%)≥82≥95.50≥92≥93
农村卫生厕所普及率(%)≥32≥85≥65≥90
性别平等出生人口性别比103~107103~107103~107103~107
体面工作与经济增长城镇登记失业率(%)≤5.50≤5.50≤4.50≤4.50
地区生产总值年增长率(%)5555
能源安全单位GDP能源消耗(吨标准煤/万元)1.330.44981.030.36
产业创新

高新技术企业数量(家)

高新技术生产总值占地区生产总值比重(%)

200012 0001216 000
可持续的城市空气质量优良天数(d)311.01302.60272259.15

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选择各项指标的依据为:①优先考虑SJOS原始框架和SDGs中明确的指标;②所选指标的历史数据可获取,且具有区域限制或阈值;③能反映黄河流域中游各省区主要生态问题及各省区政府工作报告中提及的主要的社会问题。另外,评价指标是否突破阈值的主要依据是:①国家商定的阈值范围;②行业标准/专家判断;③政府工作报告中规划的区域预期达到阈值边界。

1.2.1 自然维度

自然环境界限及依据和当前值的数据主要来源于《中国温室气体公报》《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)23《环境空气质量标准》(GB3095—2012)24,以及各省区生态环境状况公报、水资源公报等公布的数据。表3反映了黄河流域中游四省区环境维度指标的当前情况。

表3   黄河流域中游四省区自然系统指标当前情况

Table 3  Current situation of natural system process indicators in four provinces and autonomous region in the middle reaches of the Yellow River Basin

自然系统内蒙古自治区陕西省山西省河南省
当前值(年份)达成率/%当前值(年份)达成率/%当前值(年份)达成率/%当前值(年份)达成率/%
气候变化419.30(2022)100419.30(2022)100419.30(2022)100419.30(2022)100
水环境质量79.10(2023)99.997.80(2023)10071.70(2022)90.583(2023)100
化学污染4.11(2023)1003.46(2024)10016.03(2022)1002.66(2023)100
0.12(2023)1000.09(2024)1000.51(2022)1000.26(2023)100
化肥使用量196.56(2022)163.8488.32(2022)406.9267.48(2022)222.9792.24(2022)660.2
淡水利用2 121(2022)100924.90(2022)44.1441(2022)100252.50(2022)12.0
土地转换39.40(2014)10089.30(2020)10089.30(2021)10097.50(2020)100
空气质量47(2021)10065(2023)10074(2023)105.774(2023)105.7
11(2021)1008(2023)10012(2023)1008(2023)100
20(2021)10030(2023)10031(2023)10025(2023)100
生物圈完整性变化62.68(2022)10070.05(2023)10052.11(2022)10055.22(2023)100

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1.2.2 社会维度

本研究SJOS系统中社会系统指标的选取主要参照SDGs和政府权威报告中发布的阈值性指标。结合黄河流域中游各省区的实际情况选取最合适的子指标作为评价各层面的指标。每个层面的完成度主要基于全国所要求的平均水平及政府权威报告。数据主要来源于《中国社会统计年鉴》《高技术产业统计年鉴》、各省区国民经济和社会发展统计公报、“十四五”妇幼健康事业发展规划等。表4为黄河流域中游四省区社会系统指标的当前情况。

表4   黄河流域中游四省区社会系统指标当前情况

Table 4  Current situation of social system indicators in the four provinces and autonomous region in the middle reaches of the Yellow River Basin

社会系统内蒙古自治区陕西省山西省河南省
当前值(年份)达成率/%当前值(年份)达成率/%当前值(年份)达成率/%当前值(年份)达成率/%
无贫困100(2023)100100(2023)100100(2022)100100(2023)100
良好健康与福祉9.90(2021)1009.90(2021)10012.80(2021)97.79.90(2021)95.8
7.80(2016)1003.80(2020)1005.27(2019)1003.77(2022)100
教育94.40(2020)96.393.98(2021)96.199.97(2020)10092.46(2023)99.4
水资源及卫生83.65(2023)10095.50(2020)10094(2020)10092.50(2023)99.5
35(2020)10080.70(2023)94.968.40(2021)10085(2020)94.4
性别平等106.88(2015)100110.49(2022)96.8105.11(2020)100108.30(2020)98.4
体面工作与经济增长3.66(2023)1003.50(2021)1002.30(2021)1003.31(2022)100
9(2022)1004.30(2022)865(2023)1004.10(2023)82
能源安全1.27(2021)1000.49(2022)42.70.85(2022)1000.40(2022)32.8
产业创新131(2022)6.616 100(2023)1007.95(2021)66.312 977(2023)81.1
可持续的城市90.8(2020)100292.30(2023)96.6272(2022)100248.10(2023)95.7

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1.3 研究方法
1.3.1 Pearson相关性分析

鉴于自然-社会系统指标间存在的耦合关系18,本研究利用SPSS 25软件系统考察黄河流域中游四省区自然-社会系统突破阈值指标间的关联特征,并对突破阈值的指标开展Pearson相关分析25。计算相关系数旨在评估突破阈值指标间的关联性及强度,判断其是否存在显著相关关系,进而确定能否通过协同治理关键指标提升区域可持续发展能力。对突破阈值指标进行相关性分析,是由于这些指标在SJOS中处于危险状态,对应的自然或社会系统要素已超安全阈值,面临高风险,亟须治理。该方法不仅有助于系统揭示影响区域可持续发展的核心制约因素,还能为制定具有区域针对性的精准治理方案提供科学支撑2

1.3.2 GM(1,1)灰色预测模型

GM(1,1)灰色预测模型通过生成处理原始数据寻找系统变动的规律,可预测事物未来发展趋势26。该方法常用于预测小样本,并在指标中短期预测方面具有显著成效27。因此,本研究采用GM(1,1)灰色预测模型对突破阈值的指标进行预测,旨在探讨其能否在2030年达到所设定的目标值。但该模型也存在着一定的局限性,它要求数据的平滑性,若原始数据存在突变,可能会使得预测结果偏差较大28。可见,对指标的预测结果进行检验十分必要。

首先,对各指标的时间序列进行级比检验。若所有的级比值都位于区间(e(-2/(n+1)e(2/n+1))内,说明指标数据适合模型构建。

其次,计算后验差比C值来对灰色预测模型进行检验。

(1) 计算原始序列的标准差:

S1=i=1n[X(0)(i)-X¯(0)]2n-1

式中:X¯(0)表示原始序列的平均值。

(2) 计算绝对误差序列的标准差:

S2=i=1n[Δ(0)(i)-Δ¯(0)]2n-1

式中:Δ¯(0)表示绝对误差序列的平均值。

得出后验差比C的表达式为:

C=S2S1

后验差比C值的精度范围如表5所列。

表5   GM11)模型精度等级参照表

Table 5  Reference table for accuracy level of GM11model

模型精度等级后验差比C
<0.35
合格<0.50
基本合格<0.65
不合格>0.65

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最后,灰色预测模型的相对误差值越小越好,一般小于20%即表明拟合效果良好。

1.3.3 二次插值法

本研究采用二次插值法对突破阈值指标的个别年份缺失值进行填充。二次插值法是一种基于多项式插值的缺失值填充方法,适用于缺失值两侧数值存在明显趋势变化的场景。该方法假设缺失值附近的数据变化趋势可以用二次多项式(抛物线)进行拟合29。二次插值法的核心在于通过已知数据点构建二次函数,以逼近数据的整体趋势,从而实现对缺失值的合理估算。鉴于本研究中指标缺失值两侧存在明显的变化趋势以及数据的波动性,二次插值法适用于此类场景。在数据处理步骤中,本研究利用SPPSPRO软件对自然和社会指标应用了二次插值法30

在自然系统中,水环境质量和淡水利用两项指标采用了二次插值法。水环境质量的插值年份包含内蒙古自治区的4年(2009、2012、2014、2018年)和山西省的1年(2002年),淡水利用的插值年份包含陕西省的4年(2009、2010、2011、2021年)和河南省的3年(2010、2013、2021年)。在社会系统中进行二次插值处理的有内蒙古自治区的教育(2013、2014年)和产业创新(2017年),陕西省的体面工作与经济增长(2008、2020年)和性别平等(2006—2008、2011、2013—2016年),山西省的良好健康与福祉(2018年),河南省的水资源及卫生(自来水)(2006年)、体面工作与经济增长(2020年)和性别平等(1998、1999、2001—2009、2011—2019年)。

2 结果与分析

2.1 黄河流域中游四省区安全公正空间的特征

黄河流域中游四省区安全公正空间的测度结果显示,社会维度指标的公正程度均差于自然维度指标的安全程度(图2)。依据各省区安全公正空间中突破阈值的指标数量,四省区安全公正空间的优劣排序为:内蒙古自治区(4项)>山西省(5项)>陕西省(8项)>河南省(12项)。突破阈值指标数量越少,表明该省区的安全公正空间状况越优。

图2

图2   黄河流域中游四省区安全公正空间[灰色为超标指标及程度(|1-达成率|)]

Fig.2   Safe and just operating space of four provinces and autonomous region in the Middle Reaches of the Yellow River Basin[gray indicates the indicators and degrees of exceeding the standard (|1-Achievement rate|)]


内蒙古自治区的自然系统指标中,仅有水环境质量与化肥使用量突破了阈值(图2A)。在社会系统指标中,教育和产业创新没有达到政府工作报告所规定的目标值,尤其是在产业创新方面,在高新技术企业数量的达成率仅为6.6%(表4)。

陕西省的淡水利用和化肥使用量指标突破了环境界限所要求的标准(图2B)。在社会系统指标中,体面工作与经济增长中第二项子指标达成率为86%,而能源安全的达成率仅为42.7%,其余突破阈值指标的达成率均在94.9%以上(表4)。

山西省共有5项指标突破了阈值范围(图2C)。在自然系统指标中,水环境质量、化肥使用量及空气质量中的PM10浓度没有达标。在社会系统指标中,良好健康与福祉以及产业创新没有达到目标值(表4)。

河南省的SJOS框架显示(图2D),其自然系统指标中的化肥使用量、淡水利用及空气质量中的PM10浓度没有达标(表3)。在社会系统指标中,河南省仅有 3项指标达到目标值。其余突破阈值的指标均偏离安全公正的运行区间,其中能源安全指标的达成率仅有32.8%,而剩余指标的达成率虽均超过目标值的80%,但仍未完全满足设定标准(表4)。

总之,从指标达成度上看,黄河流域中游四省区在自然-社会系统中共有29项突破阈值的指标,这表明该地区当前的发展模式不具备高可持续性。已有研究亦揭示了黄河流域可持续发展的复杂性。郝彩云31通过三维生态足迹模型发现,黄河中游城市在 2009—2018年存在显著的生态经济发展失衡,直接佐证了该区域发展模式的不可持续性。值得注意的是,该研究以生态足迹为切入点量化了中游地区的结构性问题。这与本研究中的发现形成呼应,已显现出该地区发展模式的不可持续性。从完成度上看,黄河流域中游地区自然系统存在的问题要少于社会生态系统,但自然系统指标的达成度却比大部分社会系统指标低,因而需要更长的时间及技术令其恢复至安全运行空间内。这可能是由于自然系统治理的制度体系、主体以及技术开发与合作机制更难在短期内发挥作用。

从空间分布来看,本研究发现黄河流域中游西部省区的SJOS要优于东部。王成军等32基于能值生态足迹发现黄河流域9省区的可持续发展水平呈西高东低分布。这种跨尺度的结论一致性,不仅验证了流域可持续发展空间分异的稳定性,也为 SJOS在区域尺度的适用性提供了文献佐证。本研究观测到的区域差异可能归因于黄河流域中游地理环境梯度的空间异质性特征:东部丘陵山地生态系统本底优良且呈现人类活动集聚效应,而西部生态脆弱区在非可持续性开发模式下加剧了自然生态退化过程33。因此,基于黄河流域中游地区SJOS的现状特征,并进一步厘清可能影响该地区可持续发展的关键因子,有助于更有针对性地提出可持续发展的对策建议。

2.2 黄河流域中游四省区突破阈值指标的预测

2.2.1 预测结果

预计至2030年,黄河流域中游四省区部分指标将稳定处于安全阈值范围内,这一趋势暗示近年来实施的治理政策对区域生态与社会领域产生了显著且积极的影响。

在自然系统方面,内蒙古自治区与山西省的水环境质量指标有望在未来达到标准(图34)。这一积极变化可能主要归功于《内蒙古自治区水污染防治条例》与《山西省水污染防治条例》等法规的严格执行,从而有效改善了水环境质量。同时,山西省与河南省的空气质量(以PM10浓度为指标)达标(图45),这可能得益于两省近年来大力淘汰落后产能,并广泛应用绿色能源34

图3

图3   内蒙古自治区(A~D)、陕西省(E~L)突破阈值指标原始值、拟合值及预测值

Fig.3   Original, fitted, and predicted values of the breakthrough threshold indicators in Inner Mongolia Autonomous Region (A-D) and Shaanxi Province (E-L)


图4

图4   山西省突破阈值指标原始值、拟合值及预测值

Fig.4   Original, fitted, and predicted values of breakthrough threshold indicators in Shanxi Province


图5

图5   河南省突破阈值指标原始值、拟合值及预测值

Fig.5   Original, fitted, and predicted values of the threshold breakthrough indicators in Henan Province


在社会系统方面,内蒙古自治区、陕西省以及河南省的教育指标呈现稳步提升的趋势(图35)。这得益于教育部印发的《3~6岁儿童学习与发展指南》以及各省区每五年制定的阶段性教育事业发展规划,这些政策有力地推动了学前三年毛入园率的持续提高。在产业创新指标方面,山西省与河南省(图45)取得了明显进步,这离不开两省在人才驱动、区域协调创新以及绿色转型方面的政策导向35-36。此外,陕西省与河南省的水资源及卫生指标达标(图35),这彰显了两省在资金保障和长期长效管控方面所取得的显著成效。例如,陕西省的改厕专项资金和河南省的城乡供水项目等,这些项目有效提升了水资源和卫生条件37-38

值得注意的是,部分指标将未能处于安全阈值范围内。内蒙古自治区2030年前化肥使用量和产业创新可能达不到目标(图3)。产业创新不达标可能是由于内蒙古自治区的企业主要集中在乳业、钢铁及能源产业,它们以自然资源要素驱动为主,从而导致其高新技术产业各项指标在全国占比均小于0.3%39。陕西省2030年前仍然突破阈值的指标可能为化肥使用量、淡水利用及可持续的城市(图3)。其中城市可持续性较低,其空气质量不达标的成因存在明显的区域差异。陕北地区主要是PM10为主的粗颗粒污染40,关中地区可能是PM2.5为主41,而陕南地区的重污染天气主要集中在年末,这可能是由于当地没有集中供暖,群众烧烟煤、烧柴取暖的情况造成的42。山西省2030年前化肥使用量可能仍然不会达标(图4)。在河南省的相关指标中,化肥使用量、淡水利用、性别平等以及体面工作与经济增长这四项指标,预计难以在 2030年前实现达标目标(图5)。河南省的性别不平等问题尤为严重。思想上,河南作为儒家文化的发源地,重男轻女的心理积淀深厚;经济上,作为农业大省的农村生产力水平有待提高,社会保障体系有待健全,人们易产生“养儿防老”心态43。此外,陕西省与河南省的淡水利用指标均处于突破阈值的状态,表现在人均水资源占有量较少,这主要是由这两省人多水少、水资源时空分布不均44导致的。另外,黄河流域中游四省区的化肥使用量均呈超标并反向增长的态势。过度使用化肥的主要原因是农业生产追求产量而对化肥的依赖性以及法律制度约束不足45,农户土地经营规模与化肥过量施用度之间呈“U”型关系,即农户化肥施用强度会随着土地经营规模的扩大呈先下降、后上升趋势46

综合现有研究与本研究可知,黄河流域中游地区的可持续发展存在显著的省际差异。史习习等47基于资源-经济-社会-生态-科技五维评价体系、宁瑶等48运用生态足迹模型,均证实黄河流域内不同区域的可持续发展水平存在显著空间分异。这表明可持续发展的不平衡性在黄河流域内部长期存在。在治理维度层面,本研究发现黄河流域中游自然系统修复的复杂度显著高于社会系统的调控难度。这与王旭等49提出的自然系统治理受跨区域生态补偿机制缺失、技术标准不统一等制度瓶颈制约的结论高度契合。可见,若不进一步采取有效的政策措施,黄河流域当前的不可持续发展状态仍将维持或恶化50

2.2.2 模型检验

模型检验结果表明,本研究的自然-社会系统指标模拟精度大都处于合格至高的水平,仅有少数几个指标(陕西省的淡水利用、体面工作与经济增长及可持续的城市;山西省的化肥使用量;河南省的性别平等)C值略大于0.5,但小于0.65,处在基本合格水平。同时,黄河中游四省区各突破阈值指标的相对误差平均值均小于20%。

2.3 黄河流域中游四省区自然-社会系统可持续发展的关键指标

预测结果显示,在2030年之前,黄河流域中游四省区水环境质量、教育、空气质量、水资源及卫生、能源安全等指标均可能在预测的时间范围内达标。然而,各省区仍存在部分指标突破边界范围且呈反向增长趋势的指标,这些关键指标的有效治理对于推动黄河流域中游地区的高质量发展具有重要意义。基于此,本研究提出关键性指标需满足的两个条件:①指标之间相关程度显著且存在直接逻辑关联性;②各省区在2030年仍有突破阈值的指标。

黄河流域中游四省区社会维度的治理比自然维度更具有挑战性。在自然维度中,化肥使用量超标成为四省区需要共同攻克的问题(图6)。陕西省和河南省的淡水利用突破了阈值。在社会维度中,需要治理的关键性指标集中在产业创新、可持续的城市、性别平等以及体面工作与经济增长。其中,内蒙古自治区的产业创新能力较差。陕西省在城市的可持续性方面尚未达标。性别平等和体面工作与经济增长成为人口与粮食大省河南省需要解决的问题。

图6

图6   黄河流域中游四省区突破阈值指标相关性

Fig.6   Correlation of threshold breakthrough indicators in the four provinces and autonomous region in the middle reaches of the Yellow River Basin


因此,本研究认为实现黄河流域中游四省区可持续发展的关键性指标可能为化肥使用量、淡水利用、产业创新、可持续的城市、性别平等以及体面工作与经济增长。综合对比现有研究与本研究可知,黄河流域中游地区可持续发展关键指标的识别呈现“方法依赖性”特征。Wang等51通过Otsu算法与层次分析法,从24项指标中筛选出人均耕地面积为核心阈值指标,其方法论本质是通过数据聚类确定生态承载临界点;而陈树广等52运用耦合协调度模型等,将软件产品收入、人均水资源量等界定为绿色协调发展的障碍因子,该方法更侧重系统因子间的交互作用分析。与上述研究相比,本研究引入SJOS测度框架,深化了对该区域自然-社会耦合系统的认知维度。

3 结论与建议

3.1 结论

黄河流域中游四省区SJOS中的指标整体呈改善趋势,多数指标预计在2030年前达到安全阈值,但社会维度的可持续发展压力显著高于环境维度。

黄河流域中游四省区的SJOS省际差异明显,呈区域发展不平衡特征。当前SJOS表现优劣排序为:内蒙古自治区(4项超标)>山西省(5项项超标)>陕西省(8项项超标)>河南省(12项项超标)。

SJOS的关键指标为化肥使用量、淡水利用、产业创新、可持续的城市、性别平等以及体面工作与经济增长。

相关性分析和预测结果表明,黄河流域中游四省区自然-社会系统大部分指标可以在2030年前回归到安全界限之内,但共计10项指标仍游离在不可持续的轨道上。其中,山西省为化肥使用量(1项);内蒙古自治区为化肥使用量、产业创新(2项);陕西省为淡水利用、化肥使用量以及可持续的城市(3项);河南省为淡水利用、化肥使用量、性别平等和体面工作与经济增长(4项)。

3.2 讨论

3.2.1 不足与展望

本研究中自然系统指标的数据主要源自统计年鉴与社会经济统计数据,在开展预测分析时,受限于数据获取的局限性,部分指标最早仅能追溯至1990年的历史数据。然而,环境演化具有长期性和复杂动态特征,其间可能持续出现新的影响因素并作用于环境系统。鉴于此,未来的研究应着重加强环境系统全面性(覆盖更广泛的环境要素)、长期性(更长时间尺度的连续观测序列)和监测性(如近实时或自动化采集)的数据收集工作,以提升指标对环境变化的有效性和科学性指示能力,从而更精准地把握环境演变趋势,为可持续发展提供更有力的决策支持。

3.2.2 黄河流域中游地区自然-社会系统可持续发展对策

尽管黄河流域中游地区的自然-社会系统面临诸多挑战,且社会系统的治理压力显著高于自然系统,但该地区四省区的SJOS指标整体呈现改善趋势,这表明只要采取有效措施,黄河流域中游地区具备实现可持续发展的较大潜力。因此,本研究进一步探讨了其未来可持续发展的有效策略。

黄河流域中游各省区需要进一步稳固SJOS中“安全”界限内的指标,如无贫困、气候变化、化学污染、生物圈完整性变化等。在摆脱贫困方面,各省区应持续巩固拓展脱贫攻坚成果,因地制宜发展特色农业、乡村旅游等产业53,为产业发展提供支撑,推动经济可持续发展。在应对气候变化方面,各省区应深入贯彻落实生态环境部门印发的适应气候变化行动方案。该方案聚焦于识别关键风险、提升重点领域(如自然生态、农业、水资源、基础设施等)的适应能力和韧性,并强化基础支撑(监测预警、科技、标准、资金)。在防治化学污染方面,应进一步加强环境监管执法,持续推进对化工园区和重点行业企业进行专项整治,确保企业持续达标排放。在保护生物圈完整性方面,应加强自然保护地建设,并进一步加大对受损生态系统进行修复,恢复生态系统功能。

黄河流域中游各省区应因地制宜,制定差异化的生态保护和高质量发展政策,聚焦于SJOS中超出“安全”界限的关键指标,实施精准治理。除山西省外,其余三省区分别存在需要单独重点治理的指标。内蒙古自治区的产业创新能力亟待提高,2023年《内蒙古高质量发展科技赋能实施方案》的印发与实施,预计可以有效提高该地区的产业创新能力。该方案指出内蒙古自治区应开发自身特色,因地制宜地招商引资选资,不断开发和引进高技术创新人才,充分发挥企业规模、企业技术对高技术产业的支持。陕西省不同区域空气质量的治理需要因地施策。陕北、关中及陕南三大区域需加快产业结构升级调整,提高清洁能源生产效率54。另外,陕西省体面工作与经济增长虽然近年来一直达标,但却呈下降趋势,需要维持稳定并向好趋势发展。河南省的性别不平等问题需要从法律、教育、经济和社会文化等多方面入手43。法律上,可强化性别平等法理认知普及。教育上构建乡村女童教育持续保障机制。经济上完善城乡社保体系与代际发展决策支持。文化上基于现代性视角解构儒家传统性别伦理,不断促进男女平等。此外,河南省的体面工作与经济增长一直处于不达标的状态。人民的消费水平、技术的自主研发、产业链的拓展以及制度的优化可能是未来河南省经济增长的主要着力点55

黄河流域中游各省区应建立协同治理机制,共同应对SJOS中共性突破阈值的指标。陕西省和河南省应进一步提高水资源利用效率,构建多源互补的水资源格局,适时制定人口迁移政策并结合省内实际用水情况,完善节水体系和建设大型跨区域调水工程56。同时要注重推进区域协同治理。特别是,黄河流域中游四省区的化肥使用量不仅普遍超标,还呈现出反向增长的态势,这主要是由于该地区过度追求农作物产量,以及制度约束的不足。因此,必须大力推广科学施肥技术,纠正化肥施用量越多产量就越高的错误观念。在制度创新层面,建议加快推进《黄河流域化肥使用管理条例》的立法进程,重点包括:针对黄河干流沿岸5 km范围等生态敏感区域,实行化肥使用负面清单管理制度;配套建立化肥使用总量控制、定额管理等刚性约束机制,强化流域尺度的农业面源污染协同治理。

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