成都平原城市群“三生”空间功能耦合协调的时空演化

刘 涛，侯兰功

（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621000）

“三生”空间是生产空间、生活空间以及生态空间的简称，构成了不同空间尺度的主体要素［1］。随着中国城镇化以及工业化的不断推进，其生产、生活和生态空间的相互争夺与冲突日趋激烈［2］。“三生”空间的冲突其实质是不同功能土地间的博弈，如何发挥功能协同和乘数效应，缓解土地功能冲突，成为当前可持续发展亟待解决的问题［3］。中共十八大报告提出，建设集约高效的生产空间、宜居适度的生活空间以及山清水秀的生态空间的总体要求［4］。之后学者对“三生”功能的研究多从概念［5，6］、理论分析框架［7，8］、评价模型［9，10］、功能变化［11］以及影响因素［12］等方面切入，然而对于存在着具有显著空间异质性的土地功能来说，尚处于初级阶段。

“生产功能是根本、生活功能是基础、生态功能是保障”［13］，“三生”空间在功能上呈互相依赖、密不可分的关系。运用协同学中的耦合协调度模型测度系统之间相互作用程度和相互协调配合情况，此模型现已广泛应用于地理、生态、经济等领域，能够为土地多功能之间的互动与可持续发展提供相应的参考。当前土地多功能耦合协调所涉及范围主要有行政区域［14-16］、城市群［17，18］、乡村“三生”空间［19］等。张路路等［20］通过构建湖南省“三生”空间功能指标体系，测度和分析湖南省土地“三生”功能之间的耦合协调时空特征；徐磊等［21］以长江中游城市群为研究对象，选择熵-TOPSIS模型及耦合协调度模型进行协调性评价，揭示了城市群国土空间协调利用的时空特征；于辰等［22］通过系统曲线拟合分析和系统耦合关联分析，探究土地整治与农村“三生”空间重构的偶合关系；王成等［23］结合国土空间规划“三生”空间理论与耦合协调模型，测算重庆市37个区县2005、2010年以及2015年乡村“三生”空间功能的耦合协调度及时空变化。然而国内对于土地多功能耦合协调关系的研究多集中于中东部地区，对于西部城市群土地功能耦合的研究亟待加强。

成都平原城市群区作为西部经济最发达的区域之一，当前正处于快速城镇化、工业化发展阶段，其建设空间快速扩张，加速了生产、生活和生态空间的转变，同时受自然资源以及经济水平等多方面因素的影响，导致该区域土地利用结构以及“三生”空间功能的空间差异性尤为明显。基于此，以成都平原城市群区8个地级市的68个区县为例，结合“三生”空间相关理论，通过建立“三生”空间功能指标体系，利用耦合模型以及耦合协调模型，测算2003—2018年成都平原城市群区68个区县单元的“三生”空间功能的耦合度和偶合协调度，并探究其空间分布以及时序变化，以揭示其耦合协调的时空分异特征和演变规律，为进一步优化“三生”空间提供新的研究方向，为实现区域可持续发展提供参考。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区概况

成都平原城市群，又叫川西城市群，位于四川盆地西部，是四川盆地城市群的三大次级城市群之一，包括成都、德阳、绵阳、雅安、乐山、资阳、眉山和遂宁8个地级市，介于28°25′—33°02′N和101°55′—105°59′E，幅员面积8.645万km2。该区域属于亚热带季风气候区，平均海拔600 m左右，平均坡度仅3%～10%，河渠纵横，物产富饶，人口稠密，是中国重要的水稻、甘蔗、蚕丝、油菜产区，自古有“天府之国”的美誉（图1）。

图1 研究区域位置

随着西部大开发战略的实施以及成渝经济圈的建立，成都平原城市群区经济发展提速明显。2003－2018年，成都平原城市群区GPD年均增长率为9.3%，其中成都市高达11.2%，研究区三产结构从18.70：46.58：34.72调整为12.23：44.81：42.96；2018年研究区城镇化率达53.03%，城乡居民收入分别达34 434元和16 331元，森林覆盖率由2003年的46.79%下降到2010年的41.45%，之后又上升到2018年的44.73%，随着生态环境日益受到重视，研究区土壤污染、水土流失度逐渐降低。

1.2 数据来源

本研究所用的行政边界数据来自于全国地理信息资源目录服务系统。社会经济数据来源于2003、2010年以及2018年四川省统计年鉴、各地级市统计年鉴、各县市国民经济和社会发展统计公报；人均水资源量以及森林覆盖率数据来自环境状况公报，其中部分缺失数据采用插值法获得。为消除数据量纲的影响，采用极值法对原始数据进行标准化处理，有效归一化在0～1。为提高权重结果的客观性与合理性，本研究采用熵权法确定各指标层权重。

2 研究方法

2.1 “三生”空间指标体系构建

国土空间功能分区是指基于不同区域的国土空间开发利用保护功能特征与差异，划分出不同空间单元的过程［24］，中国国土空间功能分区以“三生”空间的划分作为切入点，其中，生产功能是维持社会基本发展，保障经济稳定运行，同时能够增加社会财富的能力；生活功能是为人类生活、休憩提供场所的能力，能够为人类生活服务提供必要保障；生态功能指生态空间能够为居民提供生态产品与服务以及应对外界干扰、实现自我修复、维持生态系统稳定的能力，能够为中国健康可持续发展提供根本保障。参考已有研究［25，26］成果的基础上，结合“三生”空间理论，将空间功能划分为生产功能、生活功能和生态功能，并在系统性、代表性和可操作性原则的基础上，结合成都平原城市群区经济发展状况以及相关专家意见，同时考虑区县级评价单元数据的可获取性，选取13个指标，构建“三生”空间功能评价体系，如表1所示。

表1“三生”空间功能评价指标体系

2.2 “三生”空间功能耦合协调模型

2.2.1“三生”空间功能耦合度“三生”空间博弈的过程是主体多功能发展需求在地域上的重叠，实质上是稀缺的土地资源在“三生”功能之间数量和空间上再分配的过程［27］。“三生”功能间存在着相互促进、相互胁迫的耦合互动关系，为揭示这种关系，在参考相应科研成果并结合研究实际的基础上，构建“三生”空间功能耦合度测量模型，计算公式如下：

式中，C为“三生”空间功能之间的耦合度，取值范围为［0，1］，C越大说明“三生”空间功能之间相互作用、相互影响越强烈，Pi、Ri、Ei分别为乡村生产功能、生活功能、生态功能的综合评价值，i∈｛1，2，3，…，37｝。借鉴已有研究成果并结合本研究实际情况，将乡村“三生”空间功能耦合度划分为4种（表2）。

表2“三生”空间功能耦合度类型划分

2.2.2“三生”空间功能耦合协调度 耦合度虽能反映“三生”空间功能之间的相互作用以及关联程度，但不能表征各功能之间在高水平上处于促进状态还是低水平上形成制约关系。因此，本研究引入耦合协调指数以构建“三生”空间功能耦合协调模型，计算公式如下。

式中，C为“三生”空间功能耦合度；D为“三生”空间功能耦合协调度；P、R、E分别为乡村生产功能、生活功能、生态功能的评价值；α、β、χ分别为乡村生产功能、生活功能、生态功能的待定系数，在参照相关专家意见的基础上，将待定系数确定为α=0.35，β=0.35，χ=0.30。参考相关研究成果［28，29］并结合本研究实际，将乡村“三生”空间功能耦合协调度划分为4种类型（表3），分别为失调、轻度失调、基本协调、协调。

表3“三生”空间功能耦合协调度类型划分

3 结果与分析

3.1 “三生”空间功能分异与演变

3.1.1 生产功能 利用GIS进行空间可视化，得到成都平原城市群2003、2010年以及2018年土地生产功能评价结果（图2）。从空间变化可以看出，在研究期间，成都平原城市群县域生产功能呈“一核、多级、两带”的增长趋势，主要表现为以成都市主城区为研究区内生产功能值最高的区域；以绵阳市涪城区、乐山市市中区、遂宁市船山区以及雅安市雨城区等主城区为多极化分布区域；以江油市至峨眉山市纵向经济生产核心带以及都江堰市至遂宁市船山区为横向生产功能核心带。生产功能值较低的区域主要分布于北部平武县、南部峨边彝族自治县、西部青神县以及东部安岳县等区域，该区域产业基础薄弱，基础设施落后，一直是政府关注的重点和难点区域。

图2 研究区土地生产功能值时空差异

从时序角度可以看出，2003、2010、2018年生产功能均值分别为0.120、0.204和0.317，总体呈上升趋势。以成都市为首的核心区域以及各市主城区等多极化区域生产功能值增加较快；东部生产功能值增长速度高于西部，是由于该区域位于成渝双城经济圈发展主轴，具有良好的交通条件与经济开发条件。

3.1.2 生活功能 从空间（图3）上来看，成都平原城市群各区县生活功能值最高的地区主要分布于研究区中部，该区域是成都市中心城区，是因为该地区人均可支配收入以及生活保障水平高于研究区其他地区；生活功能值较高的地区主要是绵阳市涪城区、遂宁市船山区、乐山市市中区以及雅安市雨城区等各市主城区，同样也是该市生活水平与生活保障较好的区域；生活功能值最低的地区是以绵阳市北川县、平武县以及乐山市峨边彝族自治县、边彝族自治县为代表，大多分布在研究区北部以及南部地区。

图3 研究区土地生活功能值时空差异

从时间维度可以看出，2003、2010、2018年生产功能均值分别为0.142、0.271、0.419，整体呈较快增长的趋势。其主要表现：随时间的变化，以成都市中心城区为生活功能值最高、变化最快的区域，对周边区域的生活功能值的提升具有促进作用，其周边区域依靠成都市的快速发展，人均可支配收入以及生活保障水平提高较快；其次则为研究区多极化区域促进周边区县生活功能质量的提升，例如绵阳市涪城区带动游仙区、江油市的生活功能值的整体提升，同时在成渝双城经济圈规划的提出等相关国家政策的促进下，遂宁市等成渝主轴线上的区县由于经济发展迅速，生活功能值上升较快。

3.1.3 生态功能 从成都平原城市群2003、2010年以及2018年生态功能评价结果（图4）可以看出，该区域的生态功能值在空间上呈四周高、中间低，西边高、东边低的明显的空间分布特征，形成该特征的主要原因为西部、北部地区生态保育功能较好，森林覆盖率较高，并且稀少的人口以及大量的淡水资源，使该区域人均水资源量较高。中部地区生态功能值相对较低，该地区是未来生态修复、环境改善工作的重点区域。

图4 研究区土地生态功能值时空差异

从时序维度可以看出，2003、2010年以及2018年3期生态功能平均值分别为0.433、0.411和0.441，整体呈先下降后上升的趋势；2003—2010年城市的快速扩张导致森林覆盖率下降，人口数量的增加使人均水资源量减少，致使该时间段生态功能整体呈下降趋势；2010—2018年，人们着重进行生态环境保护建设、控制城市无序蔓延以及生态公园的建设项目的实施，使生态保育功能进一步提升，从而2018年生态功能较2010年整体有所提高。从局部来看，北部以及西部地区生态功能值呈连续上升的趋势，这是由于退耕还林、还草的政策使该区域森林覆盖率不断提高。

3.2 “三生”空间功能耦合度时空分异特征

根据“三生”空间功能耦合度模型计算公式，分别测算出2003—2018年成都平原城市群68个区县单元的耦合度值，通过ArcGIS 10.2软件使矢量空间单元与耦合度值进行空间链接，形成2003—2018年成都平原城市群“三生”空间功能耦合度空间分布，如图5所示。

图5 2003、2010、2018年研究区“三生空间”功能耦合度空间分布

“三生”空间功能耦合度的最高值区主要包括锦江区、青羊区、金牛区、武侯区以及成华区等经济水平最高的区域，耦合度较高的区域主要分布在绵阳市涪城区、遂宁市船山区、乐山市雨城区等各地级市主城区，耦合度低值区主要分布在北部的平武县、东部的安岳县、南部的峨边彝族自治县以及西部的宝兴县。从时间维度可以看出，2003、2010、2018年3期功能耦合度值分别为0.324、0.649、0.836，整体表现为生产、生活与生态空间之间的关联程度越来越高的趋势，增加的过程表现为“从点到面”的增加形态，以成都市主城区为核心点，以其他地级市经济发展核心区为多级点，并且通过圈层的形式向外扩散，影响并提升周边区县单元的功能耦合度值，并形成一定的地域分异特征。

2003年成都平原城市群各区县“三生”空间耦合度主要处于拮抗时期，且占比为54%，其次为磨合时期，占比为26%；2010年则主要处于磨合时期，占比为60%，其次为拮抗时期，占比为26%；随着时间的推进，2018年成都平原城市群区主要为协调耦合时期，占比为68%。部分区县的耦合度演进过程具有一定的波动性，如浦江县、东坡区等经历了由拮抗时期到磨合时期的跃进过程。自2000年西部大开发提出以来，成都平原城市群作为西部开发的龙头区域，其发展建设理念由单一的追求经济指标转变为实现区域协调发展，并逐渐意识到生态环境对于“三生”空间协调可持续发展的根本作用，通过环境治理与生态改善进而提升“三生”空间功能耦合度；2011年《成渝城市群城镇群协调发展规划》强调在城镇区域协调发展的同时因注重生态环境的保护，通过国土空间规划和一定的生态补偿实现生产、生活和生态功能之间的良性互动，并逐渐向有序、协调的良性共振耦合阶段迈进。

通过频数分析法，按照耦合度类型进行划分，通过统计每一种耦合类型在同一时段所占的比例，分别拟合出2003—2018年成都平原城市群“三生”空间功能耦合度演进曲线（图6）。随着社会经济发展，成都平原城市群“三生”空间功能耦合度呈由拮抗时期到磨合时期再到协调耦合演进的波浪式曲线特点。同时，根据2003—2018年的耦合演化曲线，拟合出成都平原城市群“三生”空间功能整体演化曲线，成都平原城市群“三生”空间功能耦合度呈长曲线在低耦合时期到拮抗时期增加较快，在拮抗时期到耦合协调时期增加较为缓慢，在极化效应以及扩散效应的相互作用下，逐渐形成向协调耦合平稳过度发展，并且“三生”空间系统能够实现自我调节、有序发展的状态。

图6 2003、2010、2018年研究区“三生”空间功能耦合度演变曲线

3.3 “三生”空间功能耦合协调度时空分异特征

根据耦合协调公式测算出成都平原城市群2003—2018年68个区县单元的耦合协调度，通过ArcGIS 10.2软件得到2005—2018年3期成都平原城市群“三生”空间功能耦合协调度空间分布，如图7所示。

图7 2003、2010、2018年研究区“三生”空间功能耦合协调度空间分布

成都平原城市群“三生”空间功能耦合协调度与耦合度在空间分布上具有一定的相似性，耦合协调度的最高值区域同样分布于成都市中心城区，该区域是成都平原城市群经济最为发达的地区，耦合协调度较高的区域同样也是各地级市的主城区；以成都市中心城区为核心区域，以地级市主城区为多极化区域，逐渐向外扩散并且影响着周边区域，在整体上也呈现出较为显著的“中间高四周低”的空间分布特征，其分布的地域差异明显。从时间维度可以看出，研究区2003、2010、2018年3期功能耦合协调值分别为0.342、0.516和0.643，在整体上呈由轻度失调型向协调型发展的持续上升的特征，增加过程表现为“从点到面”的辐射状态，以成都市主城区为核心点，以其他地级市经济发展核心区为多级点，以圈层的形式向外扩散。

2003年成都平原城市群各区县“三生”空间耦合协调度介于［0.17，0.62］，最低值为平武县，最高值出现在青羊区，耦合协调度类型主要处于轻度失调型，占比为58%，其次为基本协调性，占比为29%；2010年耦合协调度介于［0.28，0.78］，最低值为天全县，最高值出现在成华区，同样表现为轻度失调型为主要状态且占比有所减少，占比为44%，基本协调性占比增加至43.4%；2018年成都平原城市群“三生”空间功能耦合协调度位于［0.39，0.86］，其中最低值为宝兴县，最高值出现在武侯区，该时期的协调型状态占比最高，占比为50.0%，其次为基本协调型，占比为44.4%。2009年提出的《成都平原城市群城市群发展规划》强调土地功能的协调性，补齐短板，将区域生态功能区划作为重点规划，通过推进区域环境综合整治，使生态功能实现了一定程度的回复，成都平原城市群“三生”空间功能在博弈、磨合的过程中实现了从失调型到协调性的提升。

同理，运用频数分析法，得到2003—2018年成都平原城市群“三生”空间功能耦合协调演进曲线（图8）。“三生”空间功能耦合协调度处于波动增长状态，增幅最大的在轻度失调型阶段，与耦合度的演进过程相比，耦合协调度的增长较为缓慢。根据2003—2018年“三生”空间功能耦合协调演进曲线，拟合出成都平原城市群“三生”空间功能整体演进趋势曲线，发现“三生”空间功能耦合协调度的演变态势接近于“∩”形的成长曲线，说明由失调型过渡为基本协调性速度较快，而由基本协调性向协调性转变速度放缓。由此可以推测，随着时间的推移，成都平原城市群“三生”空间功能的耦合协调度逐渐会由基本协调型向协调型演进，然而该阶段的演进时间更长，过程更为复杂。

图8 2003、2010、2018年研究区“三生”空间功能耦合协调度演变曲线

4 小结与讨论

4.1 小结

1）成都平原城市群县域生产功能呈“一核、多级、两带”的增长趋势，其中成都市主城区为研究区内生产功能高值区域，生产功能低值区域主要分布于成都平原城市群周边区域。从时序角度可以看出，以成都为首的核心区域以及各市经济核心区域等多极化区域生产功能值增加较快；东部生产功能值增长速度高于西部。

2）生活功能值最高的区县主要分布于研究区中部，生活功能值较高的区县主要是绵阳市涪城区、遂宁市船山区、乐山市市中区以及雅安市雨城区等各市经济发展的核心区；生活功能值最低的地区主要分布在研究区北部以及研究区南部。随时间的变化，成都市中心城区为生活功能值最高、变化最快的区域，对周边区域的生活功能值的增加具有促进作用。

3）成都平原城市群生态功能值在空间上呈四周高、中间低，西边高、东边低的明显的空间分布特征。从时序维度可以看出，2003—2018年3期生态功能整体呈先下降后上升的趋势，从局部来看，北部以及西部地区生态功能值呈连续上升的趋势，这是由于退耕还林、还草的政策使该区域森林覆盖率不断提高。

4）2003年成都平原城市群各区县“三生”空间耦合度主要处于拮抗时期，2010年则主要位于磨合时期，2018年成都平原城市群区主要为协调耦合阶段，占比为68%。从时间维度可以看出，整体表现为生产、生活与生态空间之间的关联程度越来越高的趋势，增加的过程表现为“从点到面”的辐射形态。通过频数分析法，发现成都平原城市群“三生”空间功能耦合度呈由拮抗时期到磨合时期再到协调耦合演进的波浪式曲线特点。

5）2003年成都平原城市群各区县“三生”空间耦合协调度类型主要处于轻度失调型，占比为58%，2010年同样主要处于轻度失调型而占比有所减少，占比为44%，2018年协调型状态占比最高，占比为50.0%。运用频数分析法，发现“三生”空间功能耦合协调度处于波动增长状态，增幅最大的在轻度失调型阶段，演变态势接近于“∩”形的成长曲线。

4.2 讨论

结合“三生”空间理论与耦合协调模型，定量测算2003—2018年成都平原城市群68个区县的“三生”空间功能、耦合度以及耦合协调度，并比较与分析其时空规律。发现成都平原城市群县域生产功能值与生活功能值呈现出相似特征，并且出现“一核、多级、两带”的增长趋势，并且呈向外扩散的状态，其从点到线再到面的发展过程满足经济学中极化理论；在成渝双城经济圈发展规划的“一轴两带、双核三区”的空间格局影响下，受区位影响东部生产功能值与生活功能值增长速度高于西部。由于城市快速扩展致使2003—2010年研究区生态功能值整体呈下降状态，2010年后，成都平原城市群发展规划以及生态环境保护规划等政策的提出与实施，使研究区整体生态功能值有所提升，其中西北部区县生态功能持续上升，主要是因为2000年以来退耕还林、还草的政策使该区域森林覆盖率有所提高。成都平原城市群生产、生活与生态功能之间的关联程度整体呈由拮抗到协调耦合的上升趋势，表明研究区“三生”功能关联度更高，稳定性更强。成都平原城市群“三生”空间功能耦合协调度处于波动增长状态，其中“三生”空间功能耦合协调度的演变态势接近于“∩”形的成长曲线，表明从失调型过渡为轻度失调型时间较快，过程较为简单，之后协调耦合度会由基本协调型逐渐向协调型演进，然而后者在演进过程中所需时间更长，过程也更为复杂，应注重协调土地功能关系，防止耦合协调度出现倒退现象。