李 強(qiáng)， 蘇迎慶， 馮珍珍， 周 鑫， 郭利剛， 馬小紅， 劉 庚?

(1.太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，030619，山西晉中；2.太原師范學(xué)院汾河流域科學(xué)發(fā)展研究中心，030619，山西晉中；3.鄭州大學(xué)旅游管理學(xué)院，450001，鄭州； 4.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，250013，濟(jì)南)

生產(chǎn)、生活和生態(tài)三種功能空間，涵蓋生物物理過程、直接和間接生產(chǎn)以及精神、文化、休閑、美學(xué)的需求滿足等，是自然和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)同耦合的產(chǎn)物[1]，三生空間的協(xié)調(diào)發(fā)展是協(xié)調(diào)人地矛盾、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展內(nèi)涵的延伸[2]。改革開放以來，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化帶動了我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，目前已進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展的新階段，然而隨著城市建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張，生態(tài)空間發(fā)展受到制約，生產(chǎn)與生活、生態(tài)之間的矛盾更加突出[3]。基于此，亟待開展多尺度的生產(chǎn)—生活—生態(tài)空間功能之間的協(xié)調(diào)發(fā)展研究。

目前，三生空間的研究主要包括兩類：一類是面向國土空間優(yōu)化的三生空間研究，即三生用地的分類與識別[4-7]、區(qū)域三生空間時空分布格局與優(yōu)化[8-11]、三生空間功能耦合測度[12-13]等，如張紅旗等[14]從土地利用的功能角度出發(fā)，構(gòu)建“三生用地”分類體系，初步繪制中國三生用地的空間分布圖；王成等[15]利用耦合協(xié)調(diào)模型對重慶37個縣(區(qū))的鄉(xiāng)村三生功能耦合協(xié)調(diào)狀況進(jìn)行時空分析。另一類則是以三生空間的視角對其他熱點問題進(jìn)行研究，如三生視角下空間宜居性評價[16-17]、城市綜合承載力評價[18]、生態(tài)風(fēng)險及效應(yīng)研究[19-20]、三生空間優(yōu)化的土地整治研究[21-23]及基于三生空間探索鄉(xiāng)村振興路徑[10，24]等，研究尺度主要為行政區(qū)及城市群等。總體來看，現(xiàn)有成果為三生空間研究提供基本范式，但對生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間協(xié)調(diào)發(fā)展的定量研究還比較缺乏，且以流域為研究尺度開展的相關(guān)研究還較少[25]。流域是集社會、經(jīng)濟(jì)、自然于一體的復(fù)合系統(tǒng)，兼具生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能。汾河是山西省的第一大河，也是重要的人口經(jīng)濟(jì)集聚區(qū)，隨著工業(yè)化推進(jìn)過程中的資源過度開采、工業(yè)“三廢”排放以及城鎮(zhèn)建設(shè)占用土地資源等人類擾動，流域內(nèi)水土流失、環(huán)境污染及內(nèi)生性經(jīng)濟(jì)發(fā)展動力不足等問題激化。為了探究流域三生空間演變機(jī)制，識別三生空間低耦合協(xié)調(diào)地區(qū)并找出其主導(dǎo)因子，筆者選取汾河流域2006、2013及2018年數(shù)據(jù)，對其三生空間耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行評價，旨在促進(jìn)流域生產(chǎn)—生活—生態(tài)功能協(xié)調(diào)發(fā)展，為研究區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

汾河流域(E 110°30′3″～112°50′24″，N 35°22′6″～38°49′24″)地處山西省中部(圖1)，流域面積約3.95萬km2。汾河源于寧武縣管涔山，在萬榮縣注入黃河，全長約713 km。地勢由北向南傾斜，并由地塹型縱谷串聯(lián)太原、臨汾等盆地組成，地貌類型以盆地、平川、丘陵為主。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫11℃，年均降水量392.8 mm。境內(nèi)土壤類型包括潮土、褐土、棕壤、粗骨土等8類。包括忻州、太原、晉中、呂梁、運城、臨汾6市40縣，約占全省40.1%的人口、42.6%的GDP，城鎮(zhèn)化水平達(dá)60.3%，是全省重要的人口經(jīng)濟(jì)聚集區(qū)。

圖1 汾河流域區(qū)位圖Fig.1 Location map of Fen river basin

2 研究方法

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建及數(shù)據(jù)來源

生產(chǎn)功能指空間生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品或工業(yè)產(chǎn)品以及提供各類服務(wù)、增加社會財富的功能；生活功能指為居民提供居住和生活保障功能的能力，能夠反映居民的居住、收入、消費、福利狀況；生態(tài)功能指空間提供生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù)以及應(yīng)對外界干擾、實現(xiàn)自我修復(fù)、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的能力[16]。選取2008年《汾河流域生態(tài)環(huán)境治理修復(fù)與保護(hù)工程方案》中工程實施開始前(2006年)、中期建設(shè)(2013年)及遠(yuǎn)期建設(shè)完成(2018年)的基期節(jié)點，比較分析汾河流域三生空間的時空演變。依據(jù)研究區(qū)本底特征，并參考具有類似區(qū)域特征的相關(guān)研究成果[8，26-27]，從生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能3方面遴選18個指標(biāo)構(gòu)建三生功能評價指標(biāo)體系。其中，各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)采用非零變換的標(biāo)準(zhǔn)化方法處理[8]，采用熵值法[28]確定權(quán)重。本文矢量數(shù)據(jù)源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http:∥www.resdc.cn)，指標(biāo)體系及數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 流域三生空間功能評價指標(biāo)體系Tab.1 Index system of production-living-ecological space function in river basin

2.2 耦合協(xié)調(diào)模型

三生空間功能耦合度指生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間三者間的相互促進(jìn)、相互影響、相互脅迫的程度，三生空間功能耦合協(xié)調(diào)度指三生空間在相互耦合的基礎(chǔ)上從無序到有序發(fā)展的程度[29]，采用耦合協(xié)調(diào)模型[15，30]可以定量測算三生空間之間的耦合協(xié)調(diào)度。計算方法如下：

(1)

T=αPi+βLi+δEi；

(2)

(3)

式中：C為三生功能之間的耦合度，取值范圍[0,1]，值越大說明三者間相互作用越明顯；Pi、Li、Ei分別為第i個地區(qū)生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能的綜合評價值；T為協(xié)調(diào)發(fā)展綜合評價指數(shù)，取值范圍為[0,1]；α、β、δ分別為生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能權(quán)重，在參照前期研究基礎(chǔ)上[15，30]，將權(quán)重確定為α=0.35，β=0.35，δ=0.3；D為三生空間功能的耦合協(xié)調(diào)度，取值范圍[0,1]。

為進(jìn)一步探究“生產(chǎn)—生活”功能，“生產(chǎn)—生態(tài)”功能，“生活—生態(tài)”功能兩兩間相互作用程度，依據(jù)式(1)依次可得兩兩間耦合度模型演化式(4)[15]，同理，依據(jù)式(3)可得兩兩間耦合協(xié)調(diào)度模型演化式(5)[15]，計算公式如下：

(4)

(5)

筆者將三生空間功能耦合度劃分為4級(表2)[16，30]，耦合協(xié)調(diào)度分為5級(表3)[16，30]。

表2 汾河流域三生空間功能耦合度類型劃分Tab.2 Classification of coupling degree of production-living-ecological space function in Fen river basin

表3 汾河流域三生空間功能耦合協(xié)調(diào)度類型劃分Tab.3 Classification of coupling and coordination degree of production-living-ecological space function in Fen river basin

3 結(jié)果與分析

3.1 三生空間功能耦合度時空分析

空間維度上(圖2)，2006、2013和2018年高值耦合區(qū)集中分布于流域中下游經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)縣區(qū)；低值耦合區(qū)主要位于流域上游山區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)縣區(qū)。三生空間功能耦合度呈現(xiàn)“北低南高”與低值“斑塊”嵌入的空間特征。時間維度上，2006—2018年三生空間功能耦合度經(jīng)歷由“協(xié)調(diào)—拮抗—協(xié)調(diào)”先降后升的發(fā)展態(tài)勢。結(jié)合頻數(shù)分析，2006—2018年三生空間功能耦合度演變趨勢為“向上開口的拋物線”的演變特征(圖3)，三生空間功能耦合度經(jīng)歷由“增高—降低—增高”過程，總體地域差異縮小，局部差異依然存在。2006年，三生空間功能耦合度曲線呈現(xiàn)“指數(shù)型”態(tài)勢，以協(xié)調(diào)耦合(占85.71%)及磨合(占14.29%)為主，三生空間功能耦合度整體較高。2013年，生產(chǎn)、生活空間功能分別從25.22%、29.77%擴(kuò)大到25.64%、32.88%，而生態(tài)空間功能由45.01%下降至41.48%，造成該年三生空間功能耦合度演變曲線呈現(xiàn)倒“U”型結(jié)構(gòu)，其中拮抗占51.43%、磨合占34.29%、低耦合占8.57%、協(xié)調(diào)占5.71%。2018年，耦合度演變曲線回歸“指數(shù)型”特征，協(xié)調(diào)耦合、磨合各占88.57%、11.43%?？傮w來看，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過度追求，一方面造成生活—生產(chǎn)空間相互競爭性增長，另一方面造成生態(tài)空間的萎縮，綜合造成三生空間耦合協(xié)調(diào)度階段性的下降。當(dāng)三生空間矛盾突顯時，又反向促進(jìn)區(qū)域產(chǎn)業(yè)調(diào)整、生態(tài)修復(fù)等使三生空間耦合協(xié)調(diào)度水平回升。

圖2 2006、2013和2018年汾河流域三生空間功能耦合度分布格局Fig.2 Distribution pattern of production-living-ecological space function coupling degree in Fen river basin in 2006, 2013 and 2018

圖3 2006、2013和2018年汾河流域三生空間 功能耦合度演變曲線Fig.3 Evolution curve of production-living-ecological space function coupling degree in Fen river basin in 2006, 2013 and 2018

3.2 流域三生空間功能耦合協(xié)調(diào)度時空分析

空間維度上(圖4)，2006、2013和2018年流域三生空間功能耦合協(xié)調(diào)度與其耦合度空間分布存在一定正相關(guān)，與流域高程存在一定負(fù)相關(guān)，局部地區(qū)空間分異明顯。

圖4 2006、2013和2018年汾河流域三生空間功能耦合協(xié)調(diào)度分布格局Fig.4 Distribution pattern of production-living-ecological space function coupling and coordination degree in Fen river basin in 2006, 2013 and 2018

時間維度上，2006年除省會太原市轄區(qū)耦合協(xié)調(diào)度為“基本協(xié)調(diào)”，其他地區(qū)以中度失調(diào)(占62.86%)、嚴(yán)重失調(diào)(占34.29%)為主。耦合協(xié)調(diào)度介于[0.149，0.482]之間，最低值在靜樂縣，最高值在太原市轄區(qū)，整體耦合協(xié)調(diào)較低。2013年研究區(qū)耦合協(xié)調(diào)度提高，介于[0.201，0.638]之間，最高值為太原市轄區(qū)，最低值為婁煩縣。新增“基本協(xié)調(diào)”占14.29%，其中榆次區(qū)、孝義市、介休市等6縣區(qū)通過轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，治理生態(tài)問題，達(dá)到此階段水平。寧武、靜樂等縣經(jīng)歷“嚴(yán)重失調(diào)—中度失調(diào)”協(xié)調(diào)耦合度改善過程，使“中度協(xié)調(diào)”水平同比提高31.82%。2018年，協(xié)調(diào)耦合度介于[0.152，0.411]之間，最高值為太原市轄區(qū)，最低值為婁煩縣。耦合協(xié)調(diào)度整體出現(xiàn)“倒退”，其中“嚴(yán)重失調(diào)”占20%，“中度失調(diào)”占71.11%。由于汾河流域是山西省最重要的人口經(jīng)濟(jì)集聚區(qū)域，所以生態(tài)壓力較大，歷史“生態(tài)欠債”多，短期內(nèi)實現(xiàn)三生空間功能協(xié)調(diào)發(fā)展仍存在很大挑戰(zhàn)。

2006—2018年三生空間功能耦合協(xié)調(diào)度演變具有“波浪式”曲線特征，符合“螺旋式”上升規(guī)律(圖5)。2018年耦合協(xié)調(diào)度相比2013年出現(xiàn)“倒退”，與處于耦合協(xié)調(diào)度的階段性“拐點”有關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而出現(xiàn)生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間功能同時提升，但生產(chǎn)空間功能提升幅度高于生活、生態(tài)空間功能，短期內(nèi)出現(xiàn)生活、生態(tài)空間受到脅迫現(xiàn)象。

圖5 2006、2013及2018年流域三生空間功能 耦合協(xié)調(diào)度演變曲線Fig.5 Evolution curve of production-living-ecological space function coupling and coordination degree in Fen river basin in 2006, 2013 and 2018

3.3 流域三生空間功能兩兩耦合協(xié)調(diào)時空分析

2006、2013和2018年流域“生產(chǎn)—生活”空間功能耦合度高于同期“生產(chǎn)—生態(tài)”“生活—生態(tài)”空間功能耦合度水平，“生產(chǎn)—生活”空間功能耦合度類型以協(xié)調(diào)耦合、磨合為主(圖6)?！吧a(chǎn)—生活”空間功能耦合協(xié)調(diào)度整體低于同期“生產(chǎn)—生態(tài)”“生活—生態(tài)”空間功能耦合協(xié)調(diào)度水平(圖7)，“生產(chǎn)—生活”空間功能耦合協(xié)調(diào)度除太原市轄區(qū)一直處于較高水平外，其他地區(qū)以嚴(yán)重失調(diào)、中度失調(diào)為主。綜合分析，由于生產(chǎn)—生活空間的用地標(biāo)準(zhǔn)基本一致，空間土地轉(zhuǎn)換頻繁，耦合度較高；但兩者空間用地轉(zhuǎn)換屬于博弈競爭型，尤其是生活空間擠占生產(chǎn)空間中農(nóng)業(yè)空間用地，造成生產(chǎn)—生活空間功能耦合協(xié)調(diào)度總體偏低。

“生產(chǎn)—生態(tài)”空間功能耦合度低于同期“生產(chǎn)—生活”“生活—生態(tài)”空間功能耦合度水平，從時空序列分析，2006—2018年“生產(chǎn)—生態(tài)”空間功能耦合度總體經(jīng)歷由“高—降低—增高”的過程(圖6)?！吧a(chǎn)—生態(tài)”耦合協(xié)調(diào)度整體略高于同期“生產(chǎn)—生活”空間功能耦合協(xié)調(diào)度，略低于同期“生活—生態(tài)”空間功能耦合協(xié)調(diào)度(圖7)。“生產(chǎn)—生態(tài)”空間用地標(biāo)準(zhǔn)差異較大，且本研究區(qū)地處黃土高原，地形破碎，可轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)空間的生態(tài)空間用地較少，所以兩兩耦合水平比其他空間低。隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，早期流域內(nèi)以農(nóng)為主轉(zhuǎn)為以工為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)造成“生產(chǎn)—生態(tài)”空間功能耦合度、耦合協(xié)調(diào)度水平下降，當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)空間繼續(xù)無序擴(kuò)張最終導(dǎo)致耦合度增高。

“生活—生態(tài)”空間功能耦合度、耦合協(xié)調(diào)度與“生產(chǎn)—生態(tài)”空間功能整體發(fā)展趨勢保持吻合，耦合度經(jīng)歷“高—降低—增高”的過程(圖6和圖7)。早期城鎮(zhèn)村居民點用地比例中農(nóng)業(yè)村鎮(zhèn)比例較高，為保證生產(chǎn)空間用地，將適宜性生態(tài)空間區(qū)域開發(fā)為生活空間，因此“生活—生態(tài)”空間功能耦合度較高。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，生態(tài)空間用地滿足不了生活空間需求，導(dǎo)致生活空間占用生產(chǎn)空間，引起“生活—生態(tài)”空間功能耦合度下降。

圖7 2006、2013和2018年汾河流域“生產(chǎn)—生活”“生產(chǎn)—生態(tài)”“生活—生態(tài)”空間功能耦合協(xié)調(diào)度分布格局Fig.7 Distribution pattern of space function coupling and coordination degree between production and living, production and ecology, living and ecology in Fen river basin in 2006, 2013, and 2018

4 結(jié)論

1)流域三生空間耦合度呈現(xiàn)“北低南高”與低值“斑塊”嵌入的格局，演變趨勢為“向上開口的拋物線”曲線特征；耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)高值區(qū)“斑塊”嵌入低值區(qū)的格局，演變趨勢為“波浪式”曲線特征。

2)“生產(chǎn)—生活”空間功能耦合度高于同期“生產(chǎn)—生態(tài)”“生活—生態(tài)”空間功能耦合度水平；“生產(chǎn)—生活”空間功能耦合協(xié)調(diào)度整體低于同期“生產(chǎn)—生態(tài)”“生活—生態(tài)”空間功能耦合協(xié)調(diào)度水平。

3)研究區(qū)三生空間功能耦合及耦合協(xié)調(diào)度主要類型、時空特征及演變規(guī)律受汾河流域空間異質(zhì)性特征影響顯著，由此表現(xiàn)的三生空間功能相互矛盾突出，歷史時期“生態(tài)欠債”較多，短期內(nèi)徹底改善三生空間功能耦合及耦合協(xié)調(diào)度存在很大挑戰(zhàn)。