京津冀国土空间格局演变及其驱动因素的区域差异性研究

卢照地，张正峰

（中国人民大学公共管理学院，北京 100872）

1 引言

国土空间是一个多功能的有机地理空间，其格局的形成和演变是自然地理区位、社会经济发展和人类文化共同作用的结果。随着全球自然环境和社会经济的变化，国土空间格局发生改变，其演化机制也错综复杂。为提高国土空间的配置效率，中央城镇化工作会议提出：“按照促进城镇空间宜居适度、农业空间集约高效、生态空间山清水秀的总体要求，形成生产、生活、生态空间的合理结构”。分析区域在不同经济发展阶段下国土空间格局的演变特征，识别其演变的驱动因素，从而进行有针对性的政策引导和调控，对于优化国土空间开发利用和实现区域的协调发展具有重要意义。

土地利用类型是国土空间的表现形态和核心载体[1]，土地利用变化是国土空间格局演变的直接反映。在国土空间格局演变方面，学者们从土地利用/覆被变化入手，运用遥感和土地调查技术获取土地利用的变化信息，借助GIS空间分析技术识别变化热点区[2-4]，刻画国土空间格局演变的时空特征；在格局优化方面，已有研究的关注点逐渐从以生产—生活功能为主导向生态—生产—生活功能统筹转变[5-8]，并运用综合分析[9-10]、多目标线性规划[11]、系统动力学模型[12]、元胞自动机模型[13-14]等多种方法对国土空间结构进行优化，以实现国土空间的科学配置。此外，还有学者从社会学和人类发展的视角[15]探索国土空间格局演变的驱动因素，结果表明，自然环境、经济发展和政策等因素[16-18]综合影响了国土空间格局的形成与演化，驱动机制随地域变化表现出明显的差异性[19-21]。总体来说，以“三生空间”为主体的研究已日趋丰富，而立足于“构建国土空间开发保护新格局”的城镇—农业—生态空间的演变分析少有涉及，且已有研究忽视了国土空间格局演变驱动因素的区域差异性。

京津冀地区作为中国创新驱动经济增长的新引擎，区域内既存在社会经济较为发达的京津地区，又存在燕山—太行山区连片特困地区，区域之间存在较大的经济梯度差异，选择该区域开展国土空间格局演变及其驱动因素的区域差异性研究具有典型性。而且，随着人口的持续流入和城市建设开发强度的日趋增大，京津冀地区国土空间利用粗放现象突出，环境污染问题严重。在可持续发展理念逐渐成为全球共识的环境下，在京津冀协同发展作为中国重大发展战略的背景下，本文基于区域经济发展梯度的差异性，对比研究京津冀地区国土空间格局演变的时空分异特征和驱动因素，研究结果不仅为京津冀地区优化国土空间格局、提高资源配置效率提供参考，亦能够为区域的协调发展提供依据。

2 研究区概况、数据来源和国土空间分类

2.1 研究区概况

京津冀地区（36°05′～42°40′N、113°27′～119°50′E）位于中国华北，包括北京、天津两个直辖市和河北省所辖的199个县级行政单元，区域总面积为21.8万 km²，2020年末常住人口约为1.103亿人。该区域内部的发展水平差异会直接或间接影响其国土空间格局的组成和演变，因此，本文借鉴国际上通用的判断经济发展阶段的方法[22]，基于2020年京津冀县（区）级行政单元的人均GDP数据，采用几何间隔法，将京津冀地区划分为高、中、低三种不同经济发展水平区域，从而对比分析区域间国土空间格局的演变机制。三类经济发展区域包含的县级行政单位分别为23个、83个和93个，其中，高发展水平区域位于京津主城区，并以此为中心形成由内向外发展水平递减的类同心圆结构。

2.2 数据来源

本文使用的5期中国土地利用/土地覆盖遥感监测数据（1980年、1990年、2000年、2010年和2020年）来源于中国科学院环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），空间分辨率为30 m。其中1980年、1990年、2000年和2010年的土地利用/覆盖数据是由Landsat-TM/ETM 遥感影像经人工目视解译得到，2020年的土地利用/覆盖数据更新主要使用Landsat 8遥感影像。根据土地资源的利用属性，分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个大类和25个子类。社会经济数据来源于《中国县域统计年鉴》（2001年、2011年和2021年）、《数说北京改革开放四十年》、《辉煌的历程天津改革开放30年》、《新河北五十年》、《北京区域统计年鉴》（2002年、2021年）、《天津统计年鉴》（2001年、2011年和2021年）、《河北统计年鉴》（2001年、2011年和2021年）及相应年份的各地级市统计年鉴。

2.3 国土空间分类

国土空间分类主要服务于国土空间规划，由于规划的背景、目的和任务不同，国土空间的分类标准也有差异，迄今形成了多种国土空间划分方式，如《土地利用现状分类（GB/T 21010—2007）》 《市县乡级土地利用总体规划编制规程》中的“土地规划用途分类”、《城市用地分类与规划建设用地标准（GB 50137-2011）》中的“城乡用地分类”和“城市建设用地分类”等等[23-24]。已有的国土空间分类多关注城乡用地空间，对生态空间有所忽略[8，25]，且分类结果存在大量的重叠与交叉。根据《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》提出的“科学有序统筹布局生态、农业、城镇等功能空间”的规划要求，本文首先将国土空间划分为城镇、农业和生态空间三个一级类。再基于国土空间的多功能性和功能主导性进行二级分类[26-27]，将城镇空间分解为城镇生产空间和城镇生活空间，农业空间分解为农业生产空间和农业生活空间，生态空间分解为绿地、水域和其他生态空间。最后，采用类型归并法将上述空间类型对接中国土地利用/覆盖遥感监测数据分类系统，形成与土地利用/覆被类型相衔接的国土空间分类体系。

3 研究方法

3.1 国土空间转移矩阵

国土空间转移矩阵不仅可以展示研究期初和期末的国土空间构成，还能够反映不同国土空间之间的转化情况[28]，且能借助桑基图进行可视化表达。

式（1）中：S代表面积；n代表不同类型国土空间的数量；Sij为研究初期i类国土空间转为末期j类国土空间的总面积。

3.2 标准差椭圆分析

标准差椭圆能够反映数据的整体性和格局性，通过直观计量国土空间分布的重心、方位角、长短轴等信息，鉴别空间格局的总体轮廓和主导分布方向[20，29-30]。其计算公式为：

3.3 核密度分析

核密度分析将空间点位信息可视化，表现了国土空间格局的聚集特征[31]，其公式为：

i为样本点Xi与估值点x的距离。

3.4 多元线性回归

区域国土空间的演变受到自然、经济、社会和政策等因素的综合影响，故使用多元线性回归模型更有效，且符合实际，因为该模型能够组合多个自变量来预测和估计因变量。由于研究时段内，京津冀地区的城镇和农业空间的变化更为剧烈，故本文主要分析城镇和农业空间变化的驱动因素，具体模型如下：

式（7）中：i代表城市；t代表年份；Y代表城镇空间及农业空间的面积，在这里作取对数处理，使其符合正态分布；X为选取的自变量；εit是随机误差。

4 京津冀地区城镇—农业—生态空间格局演变及其区域差异性

4.1 数量演变

总体来看，京津冀地区国土空间类型以农业和生态空间为主，2020年两者占国土空间总面积的比例分别为53.71%和40.80%。1980—2020年，城镇空间持续扩张，农业空间持续收缩，生态空间则表现出先减少后增加的变化特征。其中，在低发展水平地区，城镇空间增加较快，增长速率在2000—2010年最为急剧，达到127.18%；农业空间仅在1980—1990年有小幅增加，1990—2010年逐渐加速减少；生态空间在1980—2010年加速减少，2010年之后减速趋缓。在中发展水平地区，国土空间变化和低发展水平地区相似，但农业空间减少的面积要比低发展水平地区更多。高发展水平地区的空间变化特征与前两者存在差异：城镇空间经历持续扩张后，在2010—2020年发生了6.32%的负增长，生态空间除了在1990—2010年发生缩减外，其他时段均在增加，并在2010年之后增幅最大，达到31.77%，同时，农业空间的减少幅度也更加明显（表1）。这表明，在城镇化加速发展的进程中，京津冀地区的城镇空间扩张趋势明显，农业空间流失严重；随着国家对生态保护与修复的日益重视，造林工程的有序推进使生态空间得到补充；且在建设用地增量管控的背景下，高发展水平地区城镇空间的利用强度有所提高，城镇蔓延的态势得到一定程度的遏制。

表1 1980—2020年高、中、低发展水平区域的国土空间面积变化Tab.1 The spatial change in high, medium and low development level regions from 1980 to 2020 （km²）

4.2 结构演变

从全域来看，国土空间的结构演变表现出以下特征（图1）：（1）无论区域经济发展水平的高低，农业空间内部的空间类型相互转化程度都较高，且最终表现为农业生产空间向农村生活空间的转换；（2）1980—2020年，京津冀地区农业生产空间转出的总面积最多，共计19 444.14 km2，是城镇空间扩张的主要来源；（3）绿地和其他生态空间面积的净变化分别为-833.88 km2和-589.72 km2，主要流出方向是农业生产空间；（4）城镇生活空间向其他空间的转换不多，单向转入特征明显。这表明农村生活和城市生活空间扩张的主要来源是农业生产空间，而农业生产空间的补充依赖于绿地生态空间。对比不同经济发展水平区域的国土空间面积转移情况发现，绿地生态空间向城镇生产和农业生产空间的转出面积，按照数量从大到小排序依次是低发展水平＞中发展水平＞高发展水平，呈现出经济发展水平越低，绿地生态空间越容易流失的特征；水域生态空间和农业生产空间的转换在京津冀全域普遍存在，但在低发展水平区域，二者相互转换的数量基本持平，而在中、高发展水平区域表现为水域生态空间的增加，此外，还有部分城镇生产空间转为水域生态空间，说明经济发展水平越高的地区，生态保护效果更为突出。

图1 1980—2020年低、中、高发展水平区域的国土空间面积转移情况Fig.1 Transfer of territorial space of high, medium and low development level regions from 1980 to 2020

4.3 方向分布演变

从标准差椭圆形态来看，城镇空间的长轴始终沿东北—西南走向，短轴沿西北—东南走向，说明城镇空间的分布趋势为东北—西南方向，且东北方向的分布更为聚集。分阶段来看，1980—2020年城镇空间的方向角大小先从36.68°减小至25.28°，2010—2020年增加到30.41°，方向性特征逐渐稳定；椭圆面积先减小后增加，长半轴由206.34 km波动增加到240.90 km，短半轴也由106.67 km增长到144.63 km，长短半轴的综合变化导致标准差椭圆的扁率由0.48下降到0.40，总体呈波动减小趋势，说明极化特征日益减弱，城镇空间呈现发散式扩张；重心对应着城镇空间的相对分布位置，研究期间重心的移动轨迹为东北—西北—西南—东北。总体来看，城镇空间整体向西北方向移动，重心坐标由（116°30′56.16″，39°6′10.76″）变为（116°13′49.08″，39°15′36.50″），从河北省霸州市移动至固安县。

农业空间标准差椭圆的长短轴变化较小，形成东北—西南走向的空间格局，其中以东北方向的低发展水平区域分布更为集中。与城镇空间相比，农业空间标准差椭圆的方向角和变化幅度均较小，扁率也没有明显的变化，说明其分布的方向性比较稳定。1980—2020年，农业空间的重心坐标沿东北方向缓慢移动，重心坐标由（116°9′33.84″，39°9′41.69″）变为（116°16′59.16″，39°21′22.07″），从河北省高碑店市移动至固安县。

与城镇和农业空间相比，生态空间标准差椭圆的位置整体向西北方向偏移，椭圆形态仍沿东北—西南走向。这是由于自然地理因素的影响，生态空间主要分布在燕山—太行山片区，该片区地形地貌复杂多样，拥有丰富的森林、河流、草地等生态资源，承担着风沙源治理、退耕还林、湿地保护与恢复等生态建设任务，是京津冀地区的生态安全屏障。分阶段来看，生态空间标准差椭圆的方向角和面积都经历了减小—增加—减小的变化趋势，但总体变化幅度不大；扁率由1980年的0.467增加到1990年的0.473，而后持续减小为2020年的0.418，说明其分布的极化特征有所弱化；重心坐标的轨迹呈现出两阶段特征：1980—1990年，重心向东北方向偏移，1990—2020年，重心向东南方向持续迁移，重心位置始终位于北京市昌平区（图2）。

图2 城镇、农业和生态空间的标准差椭圆变化Fig.2 Standard deviation elliptic variation in urban, agricultural and ecological space

4.4 集聚/扩张演变

从城镇空间的核密度图中（图3）可以看出：（1）京津冀地区城镇空间的斑块数量先增后减，但总体是增加的；（2）从空间分布上看，5个时点的核密度分布呈现出两阶段特征：1980—2000年高密度区主要分布在京津冀中部，主核数量较少，且和中等密度区空间分布连接性较好，集聚特征不明显。2000年之后呈现出多核扩散的分布趋势，高密度值向西南、东南和北部的中低发展水平区域延伸。这主要是由于京津冀协同发展战略的提出，围绕“疏解北京非首都功能、推动产业升级转移”的目标进行国土空间布局的优化，激活了河北省中心城市和重点城市的发展活力。2020年，在天津市武清区、静海区、东丽区附近形成了组团式高密度区，空间分布更加集聚。

图3 1980年、1990年、2000年、2010年和2020年城镇空间的核密度图Fig.3 Kernel density of urban space in 1980, 1990, 2000, 2010 and 2020

从农业空间的核密度图中（图4）可以看出：（1）京津冀地区农业空间的斑块数量始终在缓慢减少，但变化幅度不大。（2）5个时点的核密度分布总体较为相似，均呈现出“一横一纵”两条高值条带，其中，东西方向的高值条带连接北京、廊坊、天津、唐山、秦皇岛5市，包括高中低三种发展水平区域的部分县市。南北方向的高值条带由沧州、衡水、邢台、邯郸4市组成，仅包括中低发展水平区域的部分县市。（3）1980—2020年，主核数量有所减少，形成许多次核，特别是南北方向上的高值条带出现收缩，说明农业空间破碎化程度较高。结合前述的空间特征，农业空间的收缩区集中分布在北京市的功能拓展区（朝阳、海淀、丰台和石景山4区）和天津市的环城区（北辰、西青、东丽和津南4区）。这些区域仍处于未完全城市化的发展阶段，以经济结构调整和产业转型升级作为规划目标，因此对城镇生产和生活空间的需求有所增加，农业空间发生相应转化。

图4 1980年、1990年、2000年、2010年和2020年农业空间的核密度图Fig.4 Kernel density of agricultural space in 1980, 1990, 2000, 2010 and 2020

从生态空间的核密度图中（图5）可以看出：（1）京津冀生态空间的斑块数量经历了“减少—增加—减少”的变化过程，总体呈现小幅减少，符合前述的国土空间面积变化情况；（2）5个时点的核密度分布格局总体相似，高密度区主要分布在中低发展水平区域的部分城市，主核的位置以围场满族蒙古族自治县、赤城县、涞源县等地为中心点向周围扩散，但扩散范围较小；（3）2020年，天津市中南部形成新的高值区，这得益于天津市为贯彻落实《京津冀协同发展规划纲要》所制定的生态文明建设任务，围绕“水绕津城，城在林中”的目标制定了具体的环境整治计划，使生态空间有所增加。

图5 1980年、1990年、2000年、2010年和2020年生态空间的核密度图Fig.5 Kernel density of ecological space in 1980, 1990, 2000, 2010 and 2020

5 国土空间演变的驱动因素及其区域差异性

5.1 变量选取和模型选择

已有研究表明，随着社会的快速发展，人类活动对国土空间格局变化的影响远远超过自然因素[32]，故综合考虑数据可得性、典型性等原则，本文从产业结构、经济发展、消费需求、人口和交通设施维度选取了第二产业产值（gdp2）、第三产业产值（gdp3）、人均GDP（avgdp）、社会消费品零售总额（consu）、非农业人口（nonpop）和公路里程（road）6个指标作为自变量。

回归分析主要有OLS模型、固定效应模型和随机效应模型三种基础形式，为减少模型误差使回归结果更加可信，在具体模型的选择上还需要进行一些检验[33]：xttest0检验在1%的显著性水平上拒绝了OLS模型更优的原假设；同时，hausman检验在1%的显著性水平上拒绝随机效应的原假设，因此，本文更适合选用固定效应模型（FEM）。

5.2 国土空间演变的驱动分析

综合来看（表2），京津冀地区的国土空间演变受到社会经济多因素的共同作用，各因素作用效应具有区域差异性。

表2 高、中、低发展水平地区城镇和农业空间变化的回归结果Tab.2 Regression results of urban and agricultural space in high, medium and low development level regions

在高发展地区，城镇空间面积与人均GDP、公路里程具有显著的正相关关系，说明随着人均GDP的提高和公路网的建设完善，城镇空间的占用需求逐渐增加，从而使其不断扩张，其他解释变量的回归结果不显著。农业空间与第二产业产值和公路里程表现出正相关关系，和第三产业产值、人均GDP、非农业人口和社会消费品零售总额表现出负相关关系，但并不显著。

在中发展地区，城镇空间面积与人均GDP、公路里程和第三产业产值具有显著的正相关关系，其中，人均GDP和公路里程都在0.1%的置信水平上显著，且影响系数高于高发展地区。农业空间与人均GDP呈现显著负相关，与非农人口呈现显著正相关，但影响系数偏小，其他解释变量的回归结果则不显著。

在低发展地区，人均GDP和公路里程两个因素对于城镇空间的扩张仍然表现出十分显著的正相关性，且在三种发展水平区域中，影响系数是最高的；农业空间则与人均GDP具有负相关关系，与非农人口具有正相关关系，两个因素的回归系数显著水平和大小均高于中、高发展水平区域。

基于上述分析可知，人均GDP和公路里程是京津冀地区城镇和农业空间变化的主要驱动因素，对国土空间格局的演变具有一定的促进作用。首先，人均GDP对于城镇空间的扩张具有显著的正向影响，且影响程度随经济发展水平的递增而递减。结合实际来看，一方面，经济的快速发展使区域对城镇空间的用地需求增大，另一方面，由于空间资源的有限性和多功能性，提高空间利用强度和其他空间类型的转化成为解决空间利用矛盾的主要途径。在高发展水平区域，国土空间开发技术更加成熟，财政支持力度更大，空间集约利用能力也就更强。而在中低发展水平区域，城镇空间主要通过占据农业和生态空间得到补充，因此城镇空间扩张和农业空间收缩的规模更大。另外，随着经济发展，人们的生活水平日益提高，农产品在消费结构中的占比减少，故在以种植业为主导产业的中低发展水平区域，农业空间发生收缩。其次，公路里程对城镇和农业空间变化的影响系数较大，说明其对于国土空间格局的变化有着重要的牵引作用。交通是城镇与外部环境进行物质能量交换的主要通道，构成城镇的生长轴[34]。广泛畅达的公路网不仅能够提高物资运输效率，还有助于促进生产要素的集聚和流动，刺激沿线国土空间的开发利用。同时，公路建设本身也占用了大量城市用地，从而导致城镇空间的扩张。研究中的中发展水平区域位于河北省城镇化发展的主次轴带上，还有许多低发展区域的城市属于河北省城市发展体系中的县域中心城市（《河北省城镇体系规划（2016—2030年）》），要想实现这些地区城镇产业集群和都市区组团式发展的规划目标离不开综合的交通网络建设，因此公路里程对该区域的影响相对更大。对于农业空间而言，虽然乡、镇、村级的公路建设能够降低农业生产运输成本，但是带来的沿线经济发展鼓励了农民对更高土地利用效益的追求，促进了耕地的流转开发，可能削弱公路对农业空间增长的部分驱动作用。因此，影响系数要低于城镇空间。

6 结论与讨论

6.1 结论

本文在将京津冀地区划分高、中、低发展水平区域的基础上，综合运用国土空间面积转移矩阵、标准差椭圆、核密度分析和固定效应模型的方法，探究了不同经济发展梯度下国土空间格局的演变特征及其驱动因素，得到以下结论：

（1）国土空间数量的变化幅度剧烈。中低发展水平区域的面积变化特征表现为城镇空间的持续扩张和农业空间的持续收缩，其扩张和收缩的速度在2010年之后均有所放缓。高发展水平区域的城镇空间在2010年后出现负增长，农业空间总体表现为连续、快速减少。三类区域的生态空间在1980—2010年表现为加速减少，中高发展水平区域在2010年之后开始正向增加。

（2）国土空间结构的转换特征明显。农业生产空间向农村生活空间和城镇空间的流入是京津冀全域国土空间格局演变的共同特征，流入面积随着区域经济发展水平的提高而减少；不同之处在于低发展水平区域的水域生态空间流出多于流入，而在中高发展水平区域则相反。

（3）国土空间格局的分布具有规律性。其中城镇和农业空间的重心方向分别向西北、东北单向移动，生态空间的重心移动方向由东北变为东南。城镇空间的核密度空间分布特征表现为由中部高向多核扩散转变，集聚性日益突出；农业空间的核密度呈现“一横一纵”两条高值条带，且破碎化程度逐渐提高；生态空间的核密度高值区主要分布在冀北和冀西南，呈现多核小幅扩散特征。

（4）受经济发展水平的影响，国土空间格局演变的驱动因素存在区域差异性。人均GDP对城镇空间的扩张有显著的正相关，回归系数的大小随经济发展水平的递增而递减；对农业空间的扩张呈显著负相关，对低发展水平地区的影响程度更强。公路里程对全域城镇空间的扩张均为显著的正向作用，其中中低发展水平区域的回归系数较大。

6.2 讨论

（1）协调国土空间利用冲突是形成高质量国土空间格局的关键。本文的研究结果显示，不仅城镇、农业和生态空间之间存在相互竞争，由于国土空间功能的多宜性，三类空间内部也存在一定的利用冲突。作为一种客观的地理现象，合理控制国土空间利用冲突的强度本身就是一种协调区域发展的过程[35]。目前我国正在向“实现全面建成社会主义现代化强国”的奋斗目标迈进，城市化和乡村振兴进程将持续加快，可能导致城镇空间对农业空间的侵占、产业发展对生态空间的剥夺等空间利用冲突加剧。本文分析了京津冀不同发展水平区域的国土空间格局演变特征，能够为识别空间利用冲突提供科学依据，有助于优化国土空间布局。

（2）国土空间格局的演化受到自然、经济和社会多因素影响，同一驱动因素对不同经济发展水平区域国土空间演变的作用不尽相同，不同地区国土空间变化的驱动因素也可能存在明显差异。有研究发现，社会零售品销售总额是推动呼包鄂城市群和桂林市城镇空间扩张的动力之一[36-37]，而在本文中结果则不显著；人口的增长使横断山区对农业空间的需求不断扩大，且促进了城镇空间的集约利用[38]；此外，区域性政策也是空间格局演变的重要驱动力之一[20]。因此，构建国土空间保护开发新格局要因地制宜，在分析区域格局演变影响因素的基础上，充分考虑自然地理区位和功能定位，提高规划制定的适配度。

（3）优化国土空间格局需要实施差异化的管理策略。基于本文的研究结果，建议京津冀的低发展水平区域合理控制城镇扩张规模，加强对农村宅基地的规范管理，提高农村生活空间的利用效率，使农业生产空间不受或少受侵占；对于中发展水平区域，要充分利用交通网络建设的正外部性，加快形成城镇密集和产业集群，提高国土空间集约利用能力，同时注重生态空间的保护与修复；高发展水平区域需坚持建设空间总量控制的政策不动摇，严守城市开发边界，加快清洁生产技术的研发和加强城市绿色生态空间建设，发挥区域空间格局优化的示范作用。