三峡库区重庆段国土空间“三生”功能时空演变特征及格局优化

高鹏飞,杨朝现①,信桂新,吕兆群

(1.西南大学资源环境学院,重庆 400715;2.长江师范学院武陵山片区绿色发展协同创新中心,重庆 408100;3.山东中建城市发展有限公司,山东 济南 250014)

国土空间作为一个国家或地区政治、经济、社会和文化活动的复杂系统与场所,是人类社会与经济发展的物质载体、基础和依托[1]。伴随着快速的城镇化、工业化进程,土地利用方式与政策不衔接、利用水平与需求不匹配,造成了国土空间利用面临着空间冲突与功能障碍2个方面的问题[2],致使人地系统协调与可持续发展面临巨大挑战[3]。“调整空间结构,促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”,构建良好“三生”功能国土空间开发格局,是党的十八大提出的推进生态文明建设的重要举措。因此,探索国土空间格局优化路径,实现社会经济高质量可持续发展,已成为国土空间开发面临的重要议题。目前关于国土空间“三生”功能的研究主要集中在以下3个方面:(1)国土空间“三生”功能的内涵。目前对国土空间“三生”功能的内涵定义比较一致,所谓国土空间“三生”功能,一是以提供工农业产品和服务为主的生产功能[4-6],二是以提供居住、生活、避难场所及相应服务为主的生活功能[4-6],三是起到水土保持、净化空气、维护生态安全等作用的生态功能[5,7]。(2)“三生”功能空间识别与评价。空间识别与评价主要有2种方法:一是基于土地利用主导功能划分出相应的“三生”空间类型[8-10],在此基础上对地类与对应空间进行重分类归并处理,并赋予不同土地利用类型相应的评分[11-13];二是通过构建“三生”功能评价指标体系,整合相关社会经济数据,计算研究区域功能水平[14-16]。(3)“三生”功能空间重构与格局优化。主要通过系统聚类、耦合协调度模型、TOPSIS模型、比较优势模型和空间冲突测度模型等方法对“三生”功能测算结果进行分析[17-20],总结空间格局特征与时空演化规律并提出重构与优化的策略与措施[21-23]。

通过梳理国土空间“三生”功能研究成果发现,对具有重要水土保持生态功能、起着长江生态保护屏障作用、维护长江生态健康等至关重要作用的三峡库区国土空间“三生”功能格局关注不够[24]。三峡库区也是典型的移民区和生态敏感区,人类活动导致“三生”空间用地竞争激烈[25-28]。因此,开展三峡库区国土空间“三生”功能评价,分析其时空演化规律并进行格局优化,对构建库区良好“三生”功能用地格局,促进区域经济、社会、生态可持续发展意义重大。鉴于此,选取三峡库区重庆段作为研究区,采用综合评价法、障碍度、比较优势和时空差异等模型对2010—2020年国土空间“三生”功能的时空演化情况进行探究,以期为三峡库区国土空间合理规划利用提供科学依据和参考。

1 研究区概况

三峡库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部,跨越鄂中山区峡谷及川东岭谷地带,北屏大巴山,南依川鄂高原,其范围涉及重庆市、湖北省共26个区县。三峡库区是长江上游重要的生态屏障地区,是我国重要的战略性淡水资源库,也是中国乃至世界最为特殊的生态功能区和典型生态系统脆弱区之一。三峡库区重庆段(图1)位于28°28′ N～31°44′ N、105°49′ E～110°11′ E,涉及重庆市22个区县,面积约为5.77万km2,约占三峡库区总面积的80%,移民规模占其总量的85%,是移民迁建的主体[29-30]。重庆段地势东高西低,地质构造复杂,喀斯特地貌发育,自江津区至奉节县主要为砂岩、泥岩组成的川东侵蚀低山丘陵区,奉节县以西属川鄂褶皱山地,主要为由碳酸盐组成的侵蚀中低山峡谷区,山高谷深,岭谷相间,地形起伏较大。2020年,库区重庆段常住人口为2 059.01万,占重庆市总常住人口的64.16%,地区生产总值为16 638.67亿元,占重庆市生产总值的66.54%。

图1 研究区概况

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

数据包括:(1)矢量数据,三峡库区行政区划矢量数据;(2)栅格数据,三峡库区数字高程数据、三峡库区土地利用/土地覆被遥感监测数据;(3)社会经济与土地利用数据,重庆市统计年鉴、涉及的各区县统计年鉴、重庆市土地利用现状调查数据(表1)。土地利用现状数据统计以第三次全国国土调查(简称三调)地类划分方法为统计标准,根据三调标准对非三调数据进行相应的地类归并和转换。从统计年鉴、土地利用数据、土地利用/覆被数据中提取基础数据,并对数据进行统一量纲的标准化处理。

表1 数据来源与说明

2.2 评价指标体系与模型构建

基于研究区“大城市、大农村、大山区、大库区”国土空间利用格局特征,参照相关研究成果与政策文件[14-16,31-34],根据科学、客观、综合及数据可获取性原则,构建研究区“三生”功能评价指标体系(表2)。其中,对国土空间生产功能的考察,重点关注国土空间的农业生产功能,选取垦殖率、地均粮食产量、人均肉类产量、地均GDP和地均二三产业产值5项指标来表征,指标值越大,表示区域农业生产能力越强、农村经济发展水平越高;对国土空间生活功能的考察,重点关注居住区域生活公共基础设施配套情况和公共产品供给能力,前者选取交通运输用地密度、住宅用地密度和人口密度3项指标来表征,指标值越大,表示居住生活状况越好;后者选取每万名中小学生拥有专职教师数、每万人拥有社会福利收养单位数和每万人拥有医生数3项指标来表征,指标值越大,表示区域生活保障水平越高。对国土空间生态功能的考察,重点关注区域生态保障和生态价值状况,选取森林覆盖率、水网密度、湿地面积比例和地均生态服务价值4项指标来表征,指标值越大,表示区域生态功能越强。

结合综合评价法与均方差决策法,采取确定评价指标体系→整理收集初始数据→数据标准化处理→确定指标权重→测算功能值的逻辑思路以县域行政区划为评价单元对研究区国土空间“三生”功能进行测度,并采用时空差异模型分析其时空演化规律。

首先采用极值标准化方法对初始数据进行标准化处理,计算公式为

(1)

(2)

式(1)～(2)中,Xij为第i类功能第j个指标标准化值;xij为第i类功能第j个指标原始值;xmin和xmax分别为某项指标最小值和最大值。

在对原始数据进行统一量纲处理后,采用可避免主观性的均方差决策法计算各项指标权重,再通过加权求和公式求取各项功能值,并采用自然断点法将功能值由高到低划分为高、较高、中、较低和低5个等级,计算公式为

(3)

(4)

式(3)～(4)中,Wj为第j项指标权重;σj为第j项指标均方差;F为“三生”功能值;n为评价单元数;m为指标数。

环比增长率可以反映时间序列中末期观察值相对于基期观察值的变化情况,广泛应用于人口、经济和绩效评价研究。根据各评价单元功能值的环比增长率构建反映纵向变化情况的时空差异模型,以变化系数在空间上的分布情况来分析研究区“三生”功能的时空演化情况,计算公式为

(5)

式(5)中,Ci为第i个单元“三生”功能的变化系数;Fi,t和Fi,t-1分别为末期年和基期年“三生”功能值。当Ci>0时,表示该单元“三生”功能增强,反之则表示该单元“三生”功能下降。

2.3 障碍因子诊断与优势功能识别

为了确定影响研究区“三生”功能发展的主要障碍因素,采用障碍度模型评估“三生”功能发展的障碍指标的主次关系。障碍度模型主要通过指标偏离度和因子贡献度来诊断障碍因子,在土地利用功能[36]、土地综合承载力[37]和海洋经济系统[38]等方面均有应用,计算公式为

Ii=1-Xij,

(6)

(7)

式(6)～(7)中,Oi为障碍度;Ii为指标偏离度;Wi为因子贡献度,用指标权重表征;Xij为各指标标准化值。

比较优势指数最初用于衡量某国产品或产业在国际市场的竞争力,如今在教育、贸易、生产和功能区划等诸多研究中均有应用。采用比较优势指数确定各研究单元的优势功能,为优化国土空间奠定基础,计算公式为

Rij=(Zij/Yi)/(Zwj/Yw)。

(8)

式(8)中,Rij为比较优势指数;Zij为评价单元i功能j的功能值;Yi为评价单元i功能值总和;Zwj为全部评价单元功能j的总和;Yw为全部评价单元全部功能值总和。当某功能比较优势指数大于1时,说明该功能具有优势,反之则该功能不具有优势。

3 结果与分析

3.1 “三生”功能评价与时空演化分析

基于构建的评价指标体系,利用相关研究数据对研究区各单元“三生”功能进行评价,得到2010—2020年10 a间国土空间“三生”功能演化的过程与结果(图2～3)。

图2 2010—2020年国土空间“三生”功能空间格局变化系数(C)

图3 2010—2020年国土空间“三生”功能格局变化

除渝中区、涪陵区和奉节县外,研究区农业生产功能在时序上普遍下降,但下降幅度不大,均值由2010年的0.38下降到2020年的0.33,且县域之间差距缩小,极值差由0.42下降到0.31,在空间分布上呈现出明显集聚态势,低值区域集中在中心城区的渝中区和沙坪坝区,中高值区集中在库区中部及东北部,中部高于东北部。研究区10 a间垦殖率和人均肉类产量分别下降22.56%和29.76%,地均粮食产量仅提高3.84%,地均GDP和地均二三产业产值在各研究单元均有所提高,但渝中区等中心城区提升绝对值较大。垦殖率和人均肉类产量2项指标的大幅下降是导致生产功能普遍下降的主要原因,地均GDP和地均二三产业产值2项指标则是导致中心城区与其他区县生产功能差距缩小的主要原因,地均粮食产量变化不大,影响较小。可见农业生产规模下降是导致生产功能下降的主要原因,涪陵区和奉节县功能值增加的原因在于农业生产规模及产量比较稳定,而渝中区没有农业产业,二三产业产值增长较大,所以生产功能较弱,但提升明显。空间上的分布态势与库区经济发展和地形地貌密切相关,库区中部距离重庆市中心城区较近,会受其经济、政治、文化辐射的影响,且地处川东平行岭低山区,海拔一般在500～1 000 m,拥有较厚的堆积土层,土壤肥沃,而东北部距离中心城区较远,属于中山区,海拔较高,地势大开大合,生产不便,所以中部与东北部相比具有一定区位和自然优势,生产功能值略高。

研究区10 a间生活功能普遍提升幅度较大,但县域之间极值差距也在拉大,生活功能均值由0.22上升到0.30,极值差由0.46扩大到0.57。空间上呈现出与生产功能相反的分布态势,中高值集中在渝中等中心城区,这些区域经济发展水平较高,基础设施完善,交通运输用地密度、住宅用地密度、人口密度和每万人拥有医生数等指标水平均远高于其他区县。除中心城区外,其他区县生活功能普遍处于低和较低水平,且随着与中心城区距离的增加,生活功能由库区中部到东北部呈现出越来越弱的趋势,但功能提升幅度较大;其原因在于这些区县基础比较薄弱,基础设施、交通等服务水平相对落后,但近10 a在交通、住宅、教育和医疗方面的相关指标分别上升32.95%、21.08%、25.86%和90.47%,建设提升效果明显。生活服务功能在整体上有较大改善,在库区中部及东北部区县依旧有一定提升空间。

由于近年来国家在研究区实施退耕还林还草工程、天然林保护工程、长江上中游水土流失重点防治工程和长江防护林工程等生态工程,促进了库区生态环境建设,逐步恢复了森林植被,10 a间库区平均森林覆盖率上升28%。但由于中心城区经济发展较快,二三产业发达,建设用地扩张占用林地、草地、水体资源,导致生态服务价值降低12%,生态压力加剧,生态功能弱化。生态功能除中心城区极少区县略有下降外,整体上明显提升(生态功能均值由0.36上升到0.39),但县域单元间差距略有增大(极值差距由0.30上升到0.32)。生态功能在空间分布上越来越集聚,逐渐呈现出与生产功能相似的分布格局。忠县近10 a森林覆盖率和湿地密度有较大幅度提高,生态功能提升幅度最大。

3.2 发展障碍因素分析

研究区发展障碍因子测算结果(表3)表明,人均肉类产量、住宅用地密度、交通运输用地密度、人口密度和湿地面积比例等因素对大部分区县“三生”功能的提升有所限制。

在2010和2015年,中心城区人均肉类产量分别为10.52和7.46 kg·人-1,平均障碍度为0.117和0.131,是制约“三生”功能提升的最主要障碍因素,其他主要障碍集中于森林覆盖率、水网密度和湿地面积比例等生态指标上,但阻碍较小,对大部分区县的障碍度小于0.1。2020年中心城区人均肉类产量下降到0.865 kg·人-1,平均障碍度为0.138,依旧是“三生”功能发展的最主要障碍因素,其次为生态指标中的湿地面积比例,部分区县受到垦殖系数的影响。由此可见,中心城区的发展短板主要在生产和生态方面,造成这种现象的原因在于中心城区是库区政治、经济和文化最发达的区域,人口密度大,土地资源少,城镇建设及各种公共服务体系较为完善,但也占用了大量农业生产和生态资源,挤占了相应的功能空间,导致生产、生态功能相对较低,发展压力较大。2010和2015年,中心城区以外的区县发展所受到的最主要影响来自生态功能中的湿地面积比例,障碍度分别为0.108和0.114,其次为生活功能中的住宅用地密度,障碍度分别为0.106和0.109。在2010年,交通运输用地密度为0.504%,也是一项主要的障碍指标,障碍度为0.094;2015年交通运输用地密度提升到0.678%,对各区县发展的影响降低到0.085。2020年,除中心城区外,其他区县较少受到来自生态指标的影响,更多受到生活功能方面住宅用地密度、交通用地密度和人口密度等指标的影响。从主要障碍因素的变化可以看出,中心城区以外的区县近几年生态环境保护与建设工作成效明显,但生活功能方面依旧比较薄弱,后续工作应着力于交通、教育和医疗等基础建设及功能的提升。

3.3 优势功能分析

利用比较优势指数计算各研究单元优势功能,可将研究区各评价单元划分为生产功能优势区、生活功能优势区、生产-生活功能优势区、生产-生态功能优势区和生活-生态功能优势区5种类型(表4)。

表4 优势功能识别

2010—2020年,中心城区主要为生活功能优势区和生产-生活功能优势区,这些区县生活功能指标水平远高于非中心城区的区县。2020年,中心城区交通运输用地密度、住宅用地密度、人口密度和每万人拥有医生数的指标值分别为非中心城区的6.05、5.95、20.95和1.20倍。其中,北碚区、江北区和大渡口区由生活-生态功能优势区转变为生活功能优势区,原因在于这3个区县交通运输用地密度、住宅用地密度和人口密度等指标在研究期内增长较快,3项指标在2020年分别达到2010年的1.78、1.16和1.34倍,同时城镇化建设侵占生态用地,占用生态资源,导致湿地面积比例和生态服务价值等指标值有所下降,与2010年相比,2020年分别下降45.9%和16.7%。中心城区之外的区县主要为生产功能优势区和生产-生态功能优势区,这些区县地势平坦,土壤肥沃,生产条件较好,拥有库区93.8%的耕地面积和96.4%的粮食产量。其中,忠县、丰都区由单一的生产功能优势区转变为复合的生产-生态功能优势区,这种变化是由于忠县和丰都区在研究期内森林覆盖率提升较大,分别提升14%和7.4%。总体来看,10 a间研究区优势功能区集聚态势越来越明显,中心城区逐渐趋向于以生活功能为主导,其他区县趋向于生产-生态功能并重发展。

4 “三生”功能分区与格局优化

充分考虑“三生”功能时空演化规律、发展障碍、发展优势和区位等因素,并结合各个区县自然基础、发展现状,对其主导功能进行针对性的识别,将三峡库区划分为3大功能区,并对不同类型功能区提出优化方案(表5,图4)。

表5 优化分区方案

图4 功能区优化分区

(1)现代都市生活生产核心集聚区。包括渝中区等8个区县,依托现有资源与建设基础发展二三产业,提升生态环境质量,打造“四化”都市生活区。(2)城乡融合发展生产生态先行区。包括江津区等7个区县,建设农产品生产基地,改善生产基础条件,打造优质农产品供给区。(3)生态生产一体化保护保育示范区。包括武隆区等7个区县,坚持生态优先、绿色发展,利用资源优势发展特色产业、生态旅游,实现农旅结合发展。

5 讨论与结论

5.1 讨论

近年来,我国城镇化进程发展较快,社会经济快速发展的同时也带来了生态环境破坏、用地矛盾等问题,对国土空间的可持续发展产生了一些不利影响。探寻国土空间“三生”功能的时空演化规律并进行优化分区,对国土空间协同发展和可持续发展有一定参考意义。在进行分区时,要充分考虑社会经济发展和自然条件,社会发展建设必须与自然相协调,才能实现可持续发展。国土空间“三生”功能往往受到自然、经济、社会等多方面的影响,单纯从地理空间上来看3者往往是重叠的,没有明显的界线,但由于受到区位、经济发展、政策、资源条件等因素的制约,“三生”功能不会齐头并进,而是有强弱之分。主导功能区并不是单纯的发展某项功能,而是以强势功能为主导,重点发展该功能,适度发展其他功能,但其他功能的发展不能阻碍主导功能的发展。三生空间格局的有序演进产生的效益大于无序的地域功能格局效益[40]。综合全面地考虑发展现状、障碍与优势、本底资源及未来可能的发展情况进行功能区划分,优化空间布局,使功能区内各个区县联动、协同发展,可以产生“1+1>2”的效果。

与相关学者[4,8]基于三峡库区土地利用的多功能性对“三生”空间的划分,及其利用转移矩阵、动态度等模型对“三生”空间功能演变特征的研究结果相比较,笔者研究结果与其具有一致性:生态空间主要集中在库首、库腹及长江南岸库尾地区,生产空间集中于中西部平坦地区,生活空间则主要集中于中心城区及长江沿岸。但现有相关研究仅从土地利用变化角度分析“三生”功能的演化规律,而缺乏与社会、经济等因素的结合。而笔者研究综合土地利用、社会、经济等因素统筹考虑构建评价指标体系,能够进一步提升对三峡库区国土空间“三生”功能评价的准确性,确保优化分区的科学性。库区“三生”功能集聚特征比较明显,且生活功能与生产、生态功能的高低值分布差异较大,应该根据实际情况因地制宜地制定差异化、针对性的发展策略,同时也要明晰各个功能区彼此间的关系从而实现协同发展。对研究区进行优化分区是在中观尺度上对每个区县的主导功能进行发展定位,在具体实施过程中仍需要编制更为具体、系统的政策制度、实施方案来确保落地实施。此外,笔者在以县域行政单元为评价单元时,统筹考虑了自然、社会、经济等综合因素的影响来构建指标体系,但受数据获取的限制,使用的指标均为定量指标。今后在对指标做进一步补充完善时,可以通过专家打分评级的方纳计入一些定性指标[32],从而更加全面、精准地分析三峡库区“三生”功能的时空演化规律,提出更为科学的优化方案。

5.2 结论

通过构建“三生”功能评价指标体系对三峡库区“三生”功能进行评价,并结合发展障碍、优势、本底资源情况进行优化分区,得到以下结论:

(1)研究区生产功能整体上有小幅度下降,县域间差距缩小,集聚态势明显,中心城区功能值最低,库区中部最高,东北部次之。生活功能呈现出与生产功能相反的分布格局,整体上提升幅度较大,县域间差距加大。生态功能总体略有提升,县域间差距略增,中心城区较弱,其他区县普遍较强。

(2)渝中区、渝北区等中心城区发展优势在于交通、医疗、教育等方面比较完善,人口密度较大,但生态压力也比较大。中心城区以外的区县发展优势在于生产和生态方面,生活水平相对较差,其中,库区中部从区位和自然条件来看更适宜于发展农业生产,而库区东北部生产条件不如中部,但具有发展生态功能的优势。

(3)依据各区县发展优劣势及现状条件,将其划分为3大功能区;现代都市生活生产核心集聚区交通、教育、医疗等基础设施比较完善,二三产业发达,可打造成国际化、智能化、人文化、现代化的都市生活区;城乡融合发展生产生态先行区农业生产条件较好,应致力于建设优质的农产品供给区,在保证粮食安全和生态安全的前提下适度发展工业生产;生态生产一体化保护保育示范区生产、生活条件较差,应以生态优先、绿色发展为原则重点发展特色产业,挖掘生态旅游潜力,农旅结合发展。