黄河流域甘肃段国土空间的多功能特征

孙治芳，刘学录，，李晓丹，王淑媛，孙静，徐一恒

（1. 甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃农业大学管理学院，甘肃 兰州 730070）

土地利用多功能性及“三生空间”的优化对于促进黄河流域甘肃段生态保护与高质量发展有着极其重要的作用。杨绮丽等研究了敦煌市土地利用变化的驱动因素［1］；吴楚才研究了西部地区土地资源利用与生态保护［2］；张一达分析了甘肃省土地多功能利用的空间差异及其影响因素，发现土地利用总功能整体呈现西北高、东南低的空间格局［3］；王全喜、刘永康等学者主要研究了甘肃省黄土高原丘壑区“三生”空间的权衡与协同性［4］；刘亚东总结了甘肃省黄河流域生态保护问题，发现农业和工业污染问题突出［5］；张佰发，苗长虹等学者分析了黄河流域土地利用时空格局演变及驱动力，结果表明生态保护和粮食生产是其两大主体功能，城乡建设用地占比逐年提高且以牺牲耕地为代价［6］；廖慧、舒章康等学者研究了1980～2015 年黄河流域土地利用变化特征与驱动力，研究发现黄河流域内发生土地利用转变的区域主要集中在中部和东部，人口增加和经济发展为主要驱动因子［7］；韦晨，侯国林等人以中原城市群30市为研究区域探究了其国土空间特征并提出了优化方向［8］；高星、刘泽伟等学者研究了雄安新区土地利用转型与生态效应［9］；殷如梦、张一达、朱从谋等学者主要在土地利用的耦合协同关系方面进行相关探究［10-12］；王成、崔木花等学者主要针对乡镇区域进行了耦合协调关系研究［16-17］。以上关于“三生空间”土地利用的研究在内容上主要为格局演变、驱动力因素分析与耦合协调性等方面，在研究尺度上主要为市域省域尺度系统，多为对研究要素的制约因素和现状特点进行评价研究，对其发展方向及优势特征分析研究较少，同时关于研究区黄河流域生态保护与高质量发展是近些年形式与政策面对重点，然而关于黄河流域甘肃段的土地利用多功能还有没有相关研究。因此本文基于以上研究内容的延伸，拟在土地利用多功能以及国土空间特征基础上对黄河流域甘肃段生态空间现状与三生空间特征进行分析，为黄河流域高质量发展的国家战略提供理论基础，为黄河流域甘肃段的生态治理及国土空间统筹发展提供方向。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河干流在甘肃省境内总长度913 km，其中上游433 km，下游480 km，黄河流域总面积14.59万km2。黄河流域甘肃段主要包括黄河干流（包括大夏河、庄浪河、祖厉河及其它直接入黄河干流的小支流）、洮河、湟水、渭河、泾河等5个水系。其中黄河干流自甘南玛曲县临夏积石山县流出甘肃，途径临夏、东乡、永靖、兰州、白银、皋兰、榆中等县区，从白银市靖远县流出甘肃；大夏河发源于青海省同仁县达布热，自甘南夏河县流入甘肃境内，汇入临夏刘家峡水库，流域面积为6 046 km²；祖厉河源出会宁县华家岭北侧，流经会宁县、靖远县，在靖远城西注入黄河，干流（自会宁县城祖河、厉河相汇点起）长约130 km，流域面积10 700 km²。洮河干流发源于青海省西倾山，自甘肃碌曲县入境，在永靖县刘家峡水库汇入黄河，途径渭源、夏河、卓尼、临潭、临洮等县区，流域面积达23 917 km²；湟水干流发源于青海省大通山，自兰州红古区流入至达川镇汇入黄河。其流域面积为1 691 km²；其支流大通河发源于祁连山东段沙国林那募吉穆岭，自天祝县天堂寺入甘肃境内，从兰州红古区汇入黄河，流域面积2 118 km²；泾河发源于宁夏六盘山老龙潭，自平凉市崆峒峡入甘肃境内，至平凉泾川县汇入陕西渭水，其流域面积31 188 km²；渭河发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，自天水胡店流出在陕西汇入黄河，流域面积为25 885 km²。

1.2 数据来源

本文相关数据均是甘肃省2013～2018 年市级尺度的数据。所涉及的基础数据GDP、社会固定资产投资、规模以上从业人员、土地面积、旅游收入、农民人均可支配收入、村庄及城镇用地面积、三废排放量、环境治理费用、水土治理面积等均来源于2013～2018 年《甘肃省统计年鉴》和《甘肃省自然资源厅公报》，其余参考数据来自于各类文献及甘肃资源报。

1.3 研究方法

1.3.1 评价指标选取 由于土地多功能评价各指标之间关系非常复杂，暂无统一的评价指标体系，且土地利用生产、生活、生态功能既相互独立又相互联系与促进，生活功能是基础，生产功能是发展动力，生态功能是根本保障［11］。本研究分别从资金、土地、劳动力3个生产要素；收入、住、行等方面；林、水、污染物排放、森林覆盖率、环境治理费用等方面选取具有代表性的指标来表示生产功能、生活功能、生态功能。基于综合性、地域性、可行性、科学性、层次性原则构建三生空间评价指标体系。

表1 三生空间土地多功能利用评价指标体系Table 1 Evaluation index system of multi-functional land use in Sansheng space

续表1 Continued table 1

用熵权法确定各个指标权重，结果如表2所示。生产功能权重是0.224 8，生活功能权重是0.430 5，生态功能权重是0.344 6，与土地的实际情况比较相符。

表2 三生空间土地多功能利用评价指标权重Table 2 Evaluation index weight of land multi-functional use in Sansheng space

1.3.2 评价方法 1） 采用多因素综合评价［9］法评价黄河流域甘肃段的“三生空间”功能，评价模型为：

式中：ωj为各指标权重，x′ij为各指标标准化后的值。

2） 采用比较优势指数定量描述、比较优势功能，为空间优化奠定基础［8］。比较优势指数的计算公式为：

式中：Xij表示i城市的第j项功能值，Yi表示i城市所有功能值之和，Xwj表示所有城市第j项功能值之和，Yw表示所有城市所有功能值之和。

一般而言，RCA值接近于1代表中性，表示优劣程度不明显；RCA值大于1，表示具有比较优势，竞争力相对较强；RCA值小于1，表示不具有比较优势，竞争力相对较弱。

3） 采用耦合协调度反映“三生空间”的配比适当的程度［9］。耦合协调度计算模型为：D=（CT）1/2式中：C为协调度，反映生产空间、生活空间与生态空间3 个子系统的协调关系特征；T为综合发展水平，反映3个子系统的整体效益；D为耦合度，是协调度C与综合发展水平T的几何平均值［10］；

协调度C与综合发展水平T的计算公式为：

式中：X代表生产空间评价结果，Y代表生态空间评价结果，Z代表生活空间评价结果，式中α、β和γ为权重系数，本文将3者均取值为1/3。

耦合协调指数D值划分为10 个区间：0～0.1 极度失调，0.1～0.2严重失调，0.2～0.3中度失调，0.3～0.4轻度失调，0.4～0.5濒临失调，0.5～0.6勉强协调，0.6～0.7初级协调，0.7～0.8中级协调，0.8～0.9良好协调，0.9～1.0优质协调。

2 结果与分析

2.1 多功能的时空差异分析

2013～2018年间黄河流域甘肃段市域土地利用生产、生活、生态功能以及多功能评价结果如下图1～4所示。

图1 市域多功能分值变化趋势Figure 1 Change trend of multi-functional score in city

图2 各市生产功能分值变化趋势Figure 2 Change trend of production function score in each city

图3 各市生活功能分值变化趋势Figure 3 Change trend of life function score in each city

图4 各市生态功能分值变化趋势Figure 4 Change trend of ecological function score in each city

上图主要从时间维度上表明：市域三生空间多功能水平在2013～2015年间存在起伏波动但整体呈现上升趋势，2015～2018年呈现持续上升状态，其中定西市增幅最大，至2018年已位居第二，其余各市增幅差异较小；从生产功能上看定西、甘南以及天水3市呈现提升状态，其中定西市至2018年生产功能处于黄河流域甘肃段市域最高；生活功能方面整体没有明显变化趋势；生态功能水平整体呈现波动中上升的趋势，在2017～2018年有微量降低趋势。

利用ArcGIS 10.4软件，将黄河流域甘肃段市域的“三生空间”功能得分进行可视化表达，并根据分值从高到低，利用自然断点法将“三生空间”功能划分为低、较低、较高、高4 个等级［12］，如图5～10所示。

图5 2013年黄河流域甘肃段“三生功能”空间分布特征Figure 5 Spatial distribution characteristics of “three living functions” in Gansu section of the Yellow River Basin in 2013

图6 2014年黄河流域甘肃段“三生功能”空间分布特征Figure 6 Spatial distribution characteristics of “three generating functions” in Gansu section of the Yellow River Basin in 2014

图7 2015年黄河流域甘肃段“三生功能”空间分布特征Figure 7 Spatial distribution characteristics of “three generating functions” in Gansu section of the Yellow River Basin in 2015

图8 2016年黄河流域甘肃段9市“三生功能”空间分布特征Figure 8 Spatial distribution characteristics of “three generating functions” in Gansu section of the Yellow River Basin in 2016

图9 2017年黄河流域甘肃段9市“三生功能”空间分布特征Figure 9 Spatial distribution characteristics of “three generating functions” in Gansu section of the Yellow River Basin in 2017

图10 2018年黄河流域甘肃段9市“三生功能”空间分布特征Figure 10 Spatial distribution characteristics of “three generating functions” in Gansu section of the Yellow River Basin in 2018

从生产空间功能来看，自2013年至2018年东部的定西、天水、白银、平凉、庆阳5市水平一直处于较高区间，兰州市6 a 来一直处于高评分区间，2017 年兰州和定西市评分为高，2018 年兰州和临夏州处于高区间，甘南州和武威市生产功能水平相对较低。这主要是兰州市工业生产与农业生产的规模化、现代化水平较高，产业融合发展情况良好。武威市市与甘南州的生产功能相对较弱，主要是两市州生态环境为主要优势，其他产业发展相对单一。其余城市的生产空间功能得分差异不明显，但对功能高、低值城市形成了中心高外围低的递减之势，主要因为兰州作为省会城市处于9市中心位置，对临近市区产生了一定辐射带动作用［13］。

从生活空间功能来看，2013～2018 年兰州市和临夏州的生活空间功能得分等级为高，两市均处于黄河流域甘肃段中心区域；定西、天水和平凉三市处于较高区间，各市州在6 a间生活空间评分未有明显等级区间变化；以上市州在收入条件、交通便利性等方面表现良好。除此之外其余各市承载与保障人居的能力有待提高［14］。

从生态空间功能来看，黄河流域甘肃段生态空间功能等级为高的只有武威市，兰州市功能等级最低，其次甘南州、临夏州的生态功能水平在6 a 间处于逐渐提升状态，其他；对于发展节奏较快的兰州市同时存在较高的消耗排放致使生态空间建设处于较大的抑制和侵占状态［15］，但是在时间维度里已经有改善和提升趋势。其余各市州生态空间功能没有明显改善，有极大提高空间。

从综合功能来看，综合功能的高值出现在9市中部区域，即兰州、临夏、定西3市，说明以上城市的生产、生活、生态3 大类空间基本形成了统筹协调［16］。融合互促的格局。综合功能的低值城市为甘南州和庆阳市，可见以上两市在近年发展过程中，生态与生产、生活空间有一定程度矛盾冲突。

2.2 “三生空间”功能耦合协调度分析

黄河流域甘肃段市域国土空间多功能的耦合协调度指数如图11所示。

图11 “三生空间”功能耦合协调度指数变化Figure 11 Change of functional coupling coordination index of "three living spaces"

就耦合协调度而言，2013～2018 年度黄河流域甘肃段9市“三生空间”功能的协调类型以轻度失调为主，主要为临夏、甘南、天水、定西、平凉5个市州；其次白银、庆阳、武威3市多处于重度失调状态；濒临失调的城市仅有兰州和定西2市，耦合协调度的结果与“三生空间”综合功能评价结果基本相符。从空间分布上看，总体呈现“中南部高北部低”的空间分布形态［17］。

对黄河流域甘肃段9市的“三生空间”功能耦合协调度进行可视化表达与等级划分，结果如图7 所示。具体而言：兰州市与定西市耦合协调度指数在9市中最高，属于濒临失调区域，其“三生空间”成比例规模较高程度协调发展，国土空间相对优化程度较高；甘肃南部临夏与甘南两州以及东部天水市和平凉市为轻度失调区域，说明以上区域“三生空间”有相对程度低度无序发展，容易出现不易调和的矛盾冲突，国土空间利用率较低；甘肃省北部武威、白银与庆阳3市属于中度失调区，其“三生空间”中度无序发展，用地结构矛盾与社会经济发展有一定程度冲突，国土空间利用效率较低［18］。

2.3 “三生空间”功能比较优势分析

在计算得出“三生空间”功能耦合协调度的基础上，进一步计算比较优势指数，由此得到各城市的“三生”优势功能区，如表3所示。

表3 甘肃段9市“三生空间”比较优势指数及优势功能区Table 3 Comparative advantage index and advantageous functional area of "three living spaces"in nine Cities of Gansu section

图12 黄河流域甘肃段“三生空间”功能耦合协调度Figure 12 Functional coupling and cooperative dispatching of "three living spaces" in Gansu section of the Yellow River Basin

根据比较优势指数的计算结果，兰州、定西、庆阳3市在生产功能上具有比较优势，表明以上城市在农产品种植、工业产品和旅游业服务产品为主导功能。兰州、临夏、天水、平凉4市州在生活功能上具有比较优势，表明以上4市州在提供居住、发展交通以及收支平衡方向有较强主导作用［19］。白银、甘南、庆阳、武威4市州在生态功能上具有明显优势特征，表明以上城市生态环境和生态服务为功能有较强优势［8］。对黄河流域甘肃段9 市州的“三生”优势功能区进行可视化表达，结果如图13所示。

图13 黄河流域甘肃段9市“三生空间”比较优势指数Figure 13 Comparative advantage index of "three living spaces" in nine cities of Gansu section of the Yellow River Basin

同时，基于比较优势和国土空间均衡利用原则，部分城市具有两种及以上的主导功能，形成综合优势功能区。其中兰州市是在比较优势指数上体现出唯一的“生产生活”功能综合优势区，庆阳市和甘南州在2013～2018年间优势指数表明形成“生产生态”综合优势区，天水和定西市形成“生活生态”综合优势功能区；定西市在2014年之后形成生产功能优势区，临夏州和平凉市形成生活功能优势区，白银和武威2市形成生态功能优势区。

3 讨论

土地多功能利用研究一直是地理学研究的热点问题，黄河流域生态保护与高质量发展也是近些年各学者和专家重点研究领域与方向，关于黄河流域土地利用的驱动力、耦合协调性及时空演变格局已经是研究成果相对丰富的主题［21］。然而，当前针对黄河流域甘肃段土地多功能利用的跟踪关注及研究较少，且已有研究中已有研究中多为评价现状及影响因素，缺乏对土地多功能利用的优势方向分析。张一达等选取2016年甘肃省社会经济数据评价指标体系将甘肃省土地多功能利用划分为社会功能、经济功能与生态功能［3］，与本文的“三生功能”划分上存在评价差异，其研究甘肃省全部市域，本文重点关注黄河流域及一级支流涉及市域。研究结果上张一达文章中表明土地经济功能高水平的是兰州市，这与本文研究结果兰州市生产功能及生活功能较高内容相符，张一达文章结论表明甘肃省土地利用多功能性水平空间特征显著，呈现空间集聚状态，与本文的黄河流域甘肃段市域三生功能水平呈现中心高边缘低的结果吻合。李江苏等学者选取了 1995～2015年共5期黄河流域土地利用数据，对其进行了资源型与非资源型城市划分，其研究结果中黄河流域资源型城市与非资源型城市三生空间均呈现剧烈变动状态，资源型城市生产空间上升，生态空间下降［20］，而非资源型城市则有明显拐点波动变化，本文研究时期为2013～2018年，虽然在研究时间上有一定后延，但在结果上黄河流域甘肃段兰州市、庆阳市、天水市等资源较多城市与李江苏的资源型城市土地三生功能评价结果相似，而定西、平凉、甘南、临夏等市未有显著相关特点。韦晨等学者选取2018年数据对中原城市群30个市域在研究方法上与本文的耦合协调度及优势指数［8］有一定的相似性，但是在研究区的选取和研究时间的维度上，本文选取的黄河流域及研究期的动态时间变化根据时效性且符合当前时政要求。对“三生空间”功能进行评价是国土空间利用质量的直接反馈，平衡各类功能空间的关系能够实现国土空间整体效能的最大化。至此对于国土空间特征研究多在大范围区域，黄河流域并未作出整体规划，甘肃段更是匮乏，因此，本文所做的研究能为黄河流域甘肃9市高效、宜居的城市空间结构的建立提供一定参考依据。但受时间与经验所限，本文并未对影响黄河流域甘肃段“三生空间”非均衡发展的因素进行深入剖析，也并未划分县级探讨9市“三生空间”各自的功能特征与作用机理，这些均有待于做更深层次的研究。

4 结论

从总体上看，黄河流域甘肃段9市州的“三生空间”功能差异明显。基本呈现“强少弱多”的格局。生产空间功能方面，多数城市的生产空间功能得分差异不显著，只有兰州、庆阳和甘南3市州呈现出极强或极弱的特点；生活空间功能方面，黄河流域甘肃段9市州主要以低和较低为主；生态空间功能方面，除武威市和甘南州外其余区域生态空间功能相对滞后，从时间维度上看各市州整体处于逐渐改善和提升状态。黄河流域甘肃段9市州“三生空间”功能的耦合协调类型以轻度失调和中度失调为主，从空间分布格局上看，耦合协调度呈现“中心高外围低”的空间分布形态。通过计算中黄河流域甘肃段9市州“三生空间”功能的比较优势指数，黄河流域甘肃段可划分为3 种独立功能优势区和3 种综合功能优势区，表明生产、生活、生态以及生产-生活、生产-生态、生活-生态6种优势功能区在黄河流域甘肃段分布较为均衡。