城市群国土空间功能均衡发展研究——以京津冀地区为例

胡其玉，王兴邦，沈问苍，张正峰

（中国人民大学公共管理学院，北京 100872）

21世纪以来，为应对全球经济发展所带来的人口增长与资源环境过载的压力，联合国提出了2030可持发展目标并成为各国转型发展的共识[1]。此后，可持续发展目标引发了国土空间开发利用策略、技术和机制的深刻变革，更加强调自然资源环境与经济社会系统的协调发展[2]。我国改革开放以来的快速工业化和城镇化，极大地促进了国土空间开发和利用，国土空间开发保护格局也随之发生变化[3]。不可持续的国土空间开发方式仍然制约着空间高质量转型与发展，大量耕地被挤占[4]，严重的土地利用冲突引发区域空间失衡[5]、城乡差距加剧[6]、自然生态损害[7]等负面效应。迈进“人的城镇化”时代之后，通过功能协调的空间治理解决空间失衡逐渐成为国土空间发展新方向。

区域间禀赋和要素差异产生了地域空间的非均衡性，是国土空间非均衡发展的前提条件。空间均衡包括区域生态、经济和社会的综合性均衡发展，是国土空间开发保护追求的空间“帕累托最优”发展模式[8]。平衡要素供需、减小城乡和区域间差距、优化空间匹配等空间均衡发展的研究主题备受关注[9]。国外国土空间均衡发展的理论探索与社会发展紧密相关，尤其是伴随大伦敦区域规划、欧洲大陆国土规划等重大规划实践变革，跨尺度、综合性的国土空间开发利用现代化思潮不断发展[10]。但人口和产业集聚产生的空间非均匀性客观存在，使俱乐部收敛难以实现[11]。为推动区域非均衡发展达到均衡状态，均衡发展理论与国土空间开发实践相结合，核心是建构国土空间规划体系，优化空间结构和布局，保持空间功能相对均衡，维系城镇空间集聚开发、农业规模生产和生态系统完整稳定，同时支持空间高效利用与均衡发展的新形态[12]。

土地利用作为国土空间功能有机联系的纽带，是空间均衡研究不可缺少的重要方面[13]。围绕内涵界定、均衡模型构建[14]、均衡态势分析[15]、空间均衡配置[16]，从土地均衡利用视角建构空间均衡发展的理论分析框架和模型方法[17]，从微观尺度到宏观尺度探讨了土地利用供给能力和开发强度的空间均衡分析[18]。但鲜有研究关注国土空间功能的均衡分析，缺乏对空间功能非均衡性和收敛性的量化研究，导致国土空间规划支撑均衡发展路径的理论探讨不足。同时，现有研究重点关注城市层面的空间均衡发展，忽视了非重点开发县域空间的均衡分析。

县域单元是我国经济发展和空间治理的基础单元，也是城乡发展的共融空间，承接乡村向城市过渡的功能。在乡村振兴的时代需求下，县域空间功能发展受到重点关注[19]。城市群县域间因具备自身发展基础和规律[20]，需要把握其城镇、农业和生态空间发展的特征和趋势。为此，本文基于2000—2020 年京津冀县域面板数据，尝试通过泰尔系数分解厘清不同发展阶段下区域的空间功能差异程度，并采用核密度估计明晰空间非均衡分布和动态演变特征。引入δ收敛和空间β收敛分析不同区域不同功能的收敛性趋势，探索县域国土空间功能跃迁路径和策略，为国土空间均衡发展和空间优化提供理论支撑和实践指导。

1 研究数据与方法

1.1 研究区域

京津冀地区位于中国华北区域，国土面积21.58万km2，为华北地区经济规模最大、最具活力的城市群所在地区。2020 年，京津冀地区常住人口11 037万人，地区生产总值为86 393.20亿元，建成区规模达到4 875.70 km2，相较于2000年增长了1.65倍。区内不但聚集了大量产业和人口，也分布有广阔的农业生产空间，地域一体协同化发展趋势愈加鲜明。整个地区城镇化率达到了68.62%，虽已迈入高等城镇化阶段，但仍面临区域发展分化、城镇体系失衡、生态系统脆弱等挑战，县域功能协调性和生态环境质量有待提升。

1.2 数据来源

基础数据概况以及来源信息如下：（1）行政边界矢量数据从国家基础地理信息中心获取，下载自https://www.webmap.cn/。（2）为观察较长时期的人类活动和城市演变过程，采用交叉传感器校准模拟得到的NPP-VIIRS-like夜间灯光数据集（2000—2020年），下载自https://doi.org/10.7910/DVN/YGIVCD。（3）2000年、2010年、2020年土地利用数据包括耕地、森林、灌木林、草地、湿地、水域、建设用地、未利用地和海域9种地类，下载自http://www.globallandcover.com/。（4）2000年、2010年、2020年净初级生产力（NPP）数据集来源于美国地质调查局的MODIS卫星MOD17A3产品，下载自https://lpdaac.usgs.gov/。（5）城市农村居民建设用地矢量数据源于中国科学院资源与环境科学与数据中心，获取自https://www.resdc.cn/。（6）2000—2020年经济社会统计数据获取自北京、天津和河北的县级统计年鉴、中经网统计数据库（https://ceidata.cei.cn/）和中国经济社会大数据研究平台（https://data.cnki.net/）。

1.3 研究方法

1.3.1 国土空间功能评估

不同属性的城镇—农业—生态空间构成国土空间整体。根据国土空间功能内涵差异，采用表征空间功能实况的综合指标量化空间功能[21]，在像元尺度上测度国土空间发展水平。

城镇空间是以人口聚集和经济集聚为主的地域空间，满足人类生产生活的需要。因为夜间灯光规模、强度与人类经济社会活跃范围和强度的密切关联[22]，所以采用夜间灯光数据表征城镇空间功能和活力水平。借助2000—2020年完整序列夜间灯光数据[23]观测城镇空间演变趋势。

农业空间是以提供农产品满足人类粮食需求和景观需求的地域空间。根据已有研究和区域特征[24]，从耕地的农业生产质量、规模和景观连通性3 个维度[25]，分别选取净初级生产力（NPP）、斑块所占景观面积比例（PLAND）和连通性指数（CONNECT），采用AHP确定权重分别为0.65、0.21、0.14，测算农业景观质量反映农业空间功能状况。

生态空间是以自然生态系统为核心维系生态安全、提供物种生境的地域空间。运用InVEST模型评估生境质量和生境稀缺性，测度地区自然生态系统结构和功能的完整性[26]。将林草湿地和水域等生态用地作为生境，将居民区、道路和矿区等人类建设开发区域作为威胁源，其他参数根据指南[27]设定。

1.3.2 均衡性测度

（1）齐夫法则与均衡度模型。齐夫（Zipf）法则原是用于考察某一地区城市体系的规模分布，主要以人口分布来测度[28]。因为城市群地区存在多重复杂系统兼具多维空间功能，从国土空间构成内涵出发，围绕城镇发展、农业生产和生态维护3方面考察地区国土空间规模结构的空间分布形态，构建国土空间功能的规模—位序分布。

均衡度模型与Zipf参数分析相互补充，用以弥补不能识别地区国土空间规模特征变化的不足。引入城镇体系结构的均衡度、差异度测算方法[29]，采用信息熵表征区域间国土空间规模结构的差异。均衡度越大则差异性越小，反之亦然。

（2）泰尔指数分解。为反映处于不同发展阶段的区域间国土空间功能差异，应用泰尔指数表征城镇发展、农业生产和生态维护功能的空间差异变动幅度和态势[30]。依据2020 年县（市、区）所处城镇化发展阶段以及分类标准[31]，划分中等（城镇化水平60%以下）、高等（城镇化水平60%～80%）和终极城镇化（城镇化水平80%以上）区域，以此确定分组。将泰尔指数分解为组间差异和组内差异（式1），即为Ta、Tb，反映区域间国土空间功能的不均衡特征。

式（1）中：T表示泰尔指数，取值区间为0～1；yi表示i区域的空间功能水平；y为其平均值；gm表示组数。

（3）核密度估计。为估计不同类型国土空间功能的分布态势和演变趋势，采用核密度估计衡量空间非均衡状态，可通过连续密度曲线直观展示不同功能的空间分布状态[32]。利用高斯核函数估计国土空间功能指数的动态特征（式（2））。

式（2）中：f（y）为国土空间功能指数y的概率密度函数；h表示带宽，带宽决定了核函数的精度，其值越小精度越高。核密度曲线分布特征反映国土空间功能指数的高低水平和差距大小，波峰数量代表极化程度，延展性则表示高水平和低水平县（市、区）间的差距。

1.3.3 收敛性分析

（1）δ收敛分析。通过δ收敛分析刻画国土空间功能离散程度随时间变化而逐渐降低的演进趋势，根据已有研究[33]，采用变异系数法测算不同类型国土空间功能指数的δ收敛态势。

（2）空间收敛模型。β收敛通常用于考察不同区域发展的演变趋势，即指不同变量的增长率与其初始水平呈现负相关关系[34]，借此用于分析国土空间功能的演变趋势，检验不同国土空间功能初始水平相对较高的区域相比水平较低区域是否具有较慢的增长速度。同时，为考察相邻单元以及其他扰动对国土空间功能是否具有空间依赖性，采用相邻权重构建空间权重矩阵，运用空间自相关模型（Spatial Autocorrelation Model, SAC）和空间误差模型（Spatial Error Model,SEM）进行空间β收敛性分析，分别考察绝对收敛（式3）和条件收敛（式4）。绝对β收敛是基于区域间相同条件的设定，而条件β收敛则要考虑关键协变量的影响作用，不同的自然资源禀赋、经济社会发展条件对国土空间功能发展具有差异性影响机制，通过梳理制约不同功能发展的作用机理，明晰区域发展和空间功能优化路径。

式（3）—式（4）中：yi,t+1、yi,t分别为t+ 1时期和t时期i区域的空间功能指数；β为收敛系数；W表示空间权重矩阵；ρ为空间自回归系数，表示县域间国土空间互动强度；X表示协变量，包括降水和植被等自然因素、经济增长和产业结构等经济条件，以及人地城镇化发展状况；εi,t代表随机误差项，在通过显著性检验前提下，若β大于0，表明国土空间功能呈β收敛态势，而β小于0，则表明具有发散态势。

2 研究结果

2.1 国土空间规模结构变差分析

为评估京津冀地区国土空间规模结构是否满足齐夫法则，按照国土空间功能分类，根据不同空间的规模由大到小排序，并进行双对数函数回归拟合，拟合结果如表1所示。其中，R2值较低表明存在相应年份的空间规模标度区段不均衡，具有双分形特征。整体上，回归结果均通过1%水平显著性检验，即京津冀地区分类国土空间规模基本遵循齐夫法则，从结果看，至2020 年，相较于农业和生态空间，城镇空间均衡分布态势更加显著。从空间功能角度观察，2000—2020年城镇发展功能q值均大于1.0，说明县域间城镇空间规模分布集中，q值由1.791逐渐减小至1.119，则存在规模变差缩小的趋势。2000年、2010年、2020年农业生产功能q值分别为1.054、0.977、1.278，由接近于1.0 的帕累托模式逐步变得不规则，即县域间农业空间规模变差呈现缩小—扩大的波动变化趋势。2000—2020年生态维护功能q值由1.177逐渐扩大至1.301，生态空间趋于集中分布，并且县域生态空间规模变差呈扩大趋势。

表1 京津冀地区国土空间规模分布的齐夫法则检验Tab.1 Zipf rule examination for the scale distribution of territorial space in Beijing-Tianjin-Hebei Region

经测算，均衡度均在0.80 以上，而差异度在0.20以下，说明京津冀国土空间规模结构整体呈现较强的均衡性。对比均衡度、差异度与齐夫法则检验结果，齐夫法则检验所捕获的国土空间规模结构均衡性变化信息更为丰富。但还需进一步明确空间规模结构年际变化和区域差异特征。

2.2 国土空间功能均衡性分析

通过京津冀地区不同发展阶段区域、空间类型的泰尔指数分解结果（表2），观察国土空间功能均衡性的区域差异特征。国土空间功能均衡性年际变化表现与齐夫法则检验结果基本一致。虽然农业生产功能整体上的差异性在减小，但区域间差异变化与齐夫法则检验一致，呈现差异扩大—缩小的趋势。总体来看，城镇发展功能非均衡性强于农业生产和生态维护功能。城镇发展功能的空间非均衡性主要源于区域间差异，2000—2020 年区域间差异占比均在60%以上；农业生产功能的空间非均衡性主要源于区域内差异，区域内差异占比均在60%以上，尤其终极城镇化区域差异较大；生态维护功能的空间非均衡性主要源于区域内差异，区域内差异占比均在60%以上，亦是源于终极城镇化区域差异。生态—农业空间非均衡性特征均在城镇化水平较高的区域更加明显。

表2 不同发展阶段区域的空间功能泰尔指数及分解Tab.2 Theil index and decomposition of spatial function of areas in different development stages

处于不同城镇化阶段区域的国土空间功能非均衡性差异显著。其中，终极城镇化区域内部差异最为显著，2000—2020 年终极城镇化区内城镇发展功能均衡性增强，农业生产功能均衡性由减弱转为增强，生态维护功能均衡性持续降低。高等城镇化区域内部城镇发展和农业生产功能均衡性均呈增强趋势，而生态维护功能均衡性也在逐渐弱化。中等城镇化区域内部城镇发展和农业生产功能均衡性亦呈现增强趋势，尤其在2010—2020年间，而生态维护功能则呈相反趋势。中等城镇化区域内部城镇发展分化程度强于高等城镇化区域，而农业生产和生态维护功能更为均衡。上述结果与基尼系数检验的国土空间功能均衡性动态特征一致。

2.3 国土空间功能均衡性动态演进分析

运用核密度估计从分布位置、延展性、极化趋势等方面揭示空间功能均衡性动态演变状况（图1）。整体上，国土空间功能均衡性特征与泰尔指数分解结果一致，但也存在值得关注的空间非均衡现象。具体而言，2000—2020 年地区城镇发展和农业生产功能均呈右移趋势，说明其空间发展质量有所提升，而生态维护功能左移说明其质量呈降低趋势；城镇发展功能呈“右拖尾”现象，表明高低水平县域间差距显著；农业生产和生态维护功能均存在“主峰—左侧峰”现象，即存在农业—生态功能梯度分布效应，即多极分化；农业生产功能波峰峰值增加而宽度变窄，说明高质量农业空间极化越加明显，但极化区内差距在缩小；生态维护功能波峰峰值下降、宽度增加，说明高质量生态空间极化现象减少，但县域间差距却在扩大。

图1 国土空间功能分布动态演变Fig.1 Dynamic evolution of territorial space function distribution

从空间功能的区域差异看，不同区域国土空间功能水平变化与全地区变化趋势一致。中高城镇化区域的“右拖尾”趋势下降，表明该区域内县域城镇发展趋于均衡，但高低水平差距明显；终极城镇化区域“双波峰”现象依然存在，具有两极分化趋势，峰值降低说明极化减弱，但波宽增大说明县域间差距增加。中高城镇化区域农业生产功能峰值增加说明高质量农业空间极化现象突出，而极化区内差距在缩小；终极城镇化区域农业生产也存在两极分化现象，但其趋势减弱。各区域内生态维护功能“双峰”趋缓，两极分化现象减弱，但县域间差距愈加显著。

2.4 国土空间功能的收敛结果

上述分析揭示了京津冀地区不同区域、类型的国土空间均衡性演变趋势，而运用经济收敛分析则能检验空间功能具体收敛结果，是寻找空间功能均衡发展路径的前提。

（1）δ收敛结果。根据变异系数测算结果（表3），总体上京津冀地区国土空间功能表现出δ收敛差异，不同功能收敛结果变化与泰尔指数分解一致。就功能而言，京津冀全域城镇发展和农业生产功能水平呈现显著δ收敛，空间均衡性日益增强，而生态维护功能呈相反的扩散趋势。就区域异质性而言，不同区域与全域空间功能δ收敛结果一致。

表3 京津冀地区国土空间功能变异系数变化Tab.3 Variation coefficients of territorial space function in Beijing-Tianjin-Hebei Region

（2）空间绝对β收敛结果。运用空间绝对β收敛性估计考察国土空间功能收敛趋势和演变速度，结果显示京津冀全域国土空间功能呈现显著的绝对β收敛特征（表4），且收敛速度由快及慢为农业生产、城镇发展、生态维护功能。区域差异上，除中高等城镇化区域的农业生产功能、高等区域的生态维护功能外，均呈现显著的绝对β收敛，表明在空间发展条件一致下，京津冀地区国土空间功能具备收敛于均衡水平的潜力；城镇发展收敛速度由快及慢依次为中等、终极、高等城镇化区域，农业生产功能仅有终极城镇化区域具有收敛趋势，生态维护功能收敛速度则是终极快于中等城镇化区域。同时，中等城镇化区域农业生产功能、高等城镇化区域生态维护功能具有正向空间溢出效应，存在区域联动优势。

表4 京津冀地区国土空间功能绝对β收敛检验Tab.4 Absolute β convergence test of territorial space function in Beijing-Tianjin-Hebei Region

（3）空间条件β收敛结果。国土空间功能条件β收敛结果与绝对收敛结果一致（表5—表7），也因条件差异而存在不同的收敛趋势和速度。京津冀地区城镇发展、农业生产和生态维护功能的β收敛系数均为负值，且在1%水平下显著，说明在综合条件约束下国土空间功能变化速率与初始值间呈负向关系。因为条件约束作用，不同区域间β收敛系数绝对值出现了变化，如高等城镇化区域城镇发展因交通建设、经济规模增长和人口城镇化的推动，其收敛速度较高。

表5 京津冀地区城镇发展功能条件β收敛检验Tab.5 Conditional β convergence of urban development function in Beijing-Tianjin-Hebei Region

表6 京津冀地区农业生产功能条件β检验Tab.6 Conditional β convergence of agricultural production function in Beijing-Tianjin-Hebei Region

表7 京津冀地区生态维护功能条件β检验Tab.7 Conditional β convergence of ecological maintenance function in Beijing-Tianjin-Hebei Region

从区域异质性来看，城乡建设开发对中等城镇化区域城镇空间发展具有推动作用，但对整体国土空间功能可持续发展均表现出制约作用，阻碍国土空间功能均衡发展。人口向城镇的转移推动了城镇发展，制约了高等城镇化区域农业生产，也促进了终极城镇化区域生态功能完善。相比于经济社会条件，自然生态禀赋对国土空间功能的影响有限，植被覆盖的增加并未改善地区生境质量，尤其是终极城镇化区域。生产总值的增加驱动着城镇快速发展，但并未产生生态—经济协同作用，尤其是在高等、终极城镇化区域；终极城镇化区域通过工业化转型逐渐去工业化，转型过程中也为生态维护留下了潜在空间。虽然道路建设规模扩大对尚有城镇化潜力的县域而言能够推动城镇发展，但制约了尤其是中等城镇化区域农业生产和高等城镇化区域生态维护功能。

2.5 京津冀国土空间功能均衡发展优化路径

京津冀地区不同区域不同功能具有显著的差异化演变趋势，据此提出国土空间优化路径（表8），以图促使空间功能跃迁推动均衡发展。京津冀地区城镇发展和农业生产功能整体均呈现增长型收敛趋势，保持现有发展优势则能逐步实现空间均衡，而生态维护功能则为减弱型收敛特征，亟需扭转生态系统结构功能受损的情况。中等城镇化区域仍处于飞速城镇化阶段，城镇空间功能跃迁具有后发优势，但与乡村—生态产业的联动亟需加强，维护好乡愁与青山绿水。高等城镇化区域城镇发展仍有潜力，但收敛速度较慢，除加强城镇空间人口—产业协调发展外，有必要缓解农业生产和生态维护功能两极分化趋势。终极城镇化区域是实现空间功能均衡的重点区域，仍在以较高速度推进城镇化的同时，更需强调存量空间开发和提升人居环境吸引力，在都市中植入休旅农业和网络化的生态绿地，促进城市生态系统中人与城的和谐共生。

表8 京津冀地区国土空间优化策略Tab.8 Optimization strategy of territorial space in Beijing-Tianjin-Hebei Region

3 结论与讨论

3.1 结论

京津冀地区国土空间功能均衡发展趋势因功能和区域差异呈现出异质性特征，追溯其演变趋势及驱动机制，探寻空间功能均衡发展和空间结构优化的路径，可为国土空间规划理论体系完善和城市群县域空间发展提供依据和借鉴。

（1）2000—2020 年京津冀地区城镇发展功能均衡性逐渐增强，其非均衡性主要源于不同发展阶段区域间差异。生态维护功能主要因区内差异扩大呈均衡性降低，农业生产功能则因区间和区内差异呈现扩大—缩小趋势而总体呈均衡性增强趋势，尤其是中心城区所在县域间差距较大，即终极城镇化区域内空间功能差异最为显著，是县域间差异主要来源。

（2）2000—2020 年京津冀地区城镇空间和农业空间质量均有所提升，而生态空间质量则呈降低趋势，并且不同区域空间功能均存在该特征。不同功能的空间均衡性和空间质量演变趋势总体一致。县域间城镇发展高低水平差距极大，在终极城镇化区域内有所缓解，但也存在两极分化现象。而农业生产和生态维护功能在中、高、终极城镇化区域间呈梯度下降趋势，极化分布主要集中于中高城镇化区域。

（3）京津冀地区国土空间功能具有显著的收敛趋势。农业生产功能收敛速度最快，其中，终极城镇化区域收敛最快；其次为城镇发展功能，收敛速度由快及慢依次为中等、终极、高等城镇化区域；最慢为生态维护功能，收敛速度最快为终极城镇化区域，中等城镇化区域次之。因地制宜采取国土空间开发保护策略是实现区域间国土空间功能跃迁和区域均衡发展的有效路径。

（4）终极城镇化区域是关键所在，宜采取相应策略维持城镇发展和农业生产功能持续改善，减缓生态功能弱化趋势。高等城镇化区域需要提振城镇空间发展质量，避免农业生产两极分化和挤占生态空间。中等城镇化区域则要在实现城镇功能跃迁的同时，有效促进乡村和生态经济协调发展，作为城乡融合、金山银山转化的源泉。

3.2 讨论

依据上述结论，结合相关研究对不同发展阶段城镇空间演变的研判，京津冀地区县域国土空间功能演变具有一般性趋势特征（图2）。城镇发展功能随着时空推移逐渐增强，但其增长速度逐步收敛[35]，而在京津冀高等城镇化县域却有“失速”现象，造成城镇发展跨区域跃迁阻碍。农业生产功能随着时空推移逐渐增强，并且在终极城镇化区域达到最快收敛速度，由于不具备中高城镇化区域农业发展的规模优势并且面临城乡建设扩张压力[36]，所以实现功能跃迁难度较大，若能利用区内发展优势寻求农业生产质量跃迁，则可缩小县域间差距。生态维护功能随着时空推移逐渐减弱，并且具有加速收敛的下降趋势，即县域间差距扩大而难以实现跃迁，亟需加强现有自然生态系统保护与受损生态空间修复力度，激发生态资源的资产价值，促进生态—经济协同发展。

图2 城市群不同阶段国土空间功能动态变化趋势Fig.2 Dynamic changes of territorial space function in different stages of urban agglomeration

上述推论由京津冀地区检验结果得出，但不同地区不同功能均衡性动态趋势和约束条件亦有异同。有研究表明长三角地区城镇发展非均衡性在人口结构变化影响下呈增强趋势[37]，因指标和尺度差异而与京津冀地区不同。农业发展非均衡性缩小的趋势则在全国和三大主城市群检验中表现一致[38]，具有显著“追赶效应”而存在空间功能跃迁潜力。全国生态空间非均衡态势显著，而京津地区尤为突出，实现生态经济高质量协调发展的挑战巨大。在中国快速城镇化进程中，地域非均衡发展引发的空间失序问题长期累积，威胁着国土空间开发与保护的平衡性[39]，国土空间功能随着剧烈的人为活动发生演变。建构国土空间功能与区域均衡发展间的联系，从国土空间功能优化的视角探索空间治理现代化建设具有重要意义。引入计量经济学方法探讨国土空间功能均衡态势和跃迁路径，丰富了现有国土空间规划体系的理论认识基础，有助于推动面向新型城乡关系与人的需求导向的认知转向。国土空间功能优化的实践中，充分利用区域特色禀赋和优势功能空间，引导建立合理的国土空间开发利用秩序，推进国土空间数量优势转为质量均衡增长，是健全发展导向的国土空间规划体系的必要前提[40]。