黃河流域“三生”功能協(xié)調(diào)性測(cè)度及其差異性優(yōu)化調(diào)控

張玉臻，陳 陽(yáng)，王 潔，葉劍平,2，張蚌蚌

（1. 中國(guó)人民大學(xué)公共管理學(xué)院，北京 100872；2. 中國(guó)人民大學(xué)土地政策與制度研究中心，北京100872；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，楊凌 712100）

0 引 言

國(guó)土空間作為人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的物質(zhì)載體，發(fā)揮著重要的生產(chǎn)、生活以及生態(tài)功能[1-2]，即“三生”功能?！叭惫δ芸臻g的協(xié)調(diào)有序開發(fā)利用，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)[3]。但因空間資源具有稀缺性、用途多宜性等自然屬性，不同功能空間在利用過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生沖突[4-5]。如，城市發(fā)展中綠色生態(tài)空間和城市建設(shè)用地之間的競(jìng)爭(zhēng)以及城市開發(fā)區(qū)建設(shè)對(duì)基本農(nóng)田的剝奪等[6]。“生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”是十八大對(duì)“三生”空間格局優(yōu)化提出的要求。如何對(duì)現(xiàn)狀中 “三生”功能空間的相互關(guān)系進(jìn)行科學(xué)有效的判斷，將對(duì)優(yōu)化國(guó)土空間布局、實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)利用產(chǎn)生積極的引導(dǎo)作用。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從省域、縣域以及村域等尺度，圍繞“三生”功能以及“三生”空間開展了大量研究。整體上可以將已有研究概括為“三生”功能內(nèi)涵界定、空間結(jié)構(gòu)演變、質(zhì)量評(píng)定、相互關(guān)系判斷、空間格局優(yōu)化5個(gè)方面。首先，“三生”功能的內(nèi)涵界定?，F(xiàn)有研究普遍認(rèn)為，“三生”功能主要是依據(jù)土地利用過(guò)程中為人類所提供的產(chǎn)品和服務(wù)數(shù)量及類別進(jìn)行的劃分和界定[7-9]。二是“三生”功能空間的識(shí)別及格局演變。當(dāng)前，“三生”功能空間的識(shí)別方法可總結(jié)為直接表征法和間接表達(dá)法。其中，直接表征法主要是對(duì)各類國(guó)土空間功能值進(jìn)行直接測(cè)算后根據(jù)功能值大小確定其主導(dǎo)功能的方法[10-12]，因該方法對(duì)數(shù)據(jù)的完備性要求較高，導(dǎo)致其應(yīng)用性較差；間接表達(dá)法，又可細(xì)分為指標(biāo)表征法[13]和地類歸并法[14]，前者主要以行政區(qū)為基本分析單元，以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為支撐，通過(guò)設(shè)定表征生產(chǎn)、生活以及生態(tài)功能的指標(biāo)對(duì)功能值進(jìn)行間接量化[15]，因數(shù)據(jù)的易獲得性，其適用性較為廣泛，但存在功能量化不夠精確等缺陷；而后者則根據(jù)“地類-功能”之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)“三生”功能空間進(jìn)行識(shí)別[16-17]。三是國(guó)土空間質(zhì)量評(píng)估。部分學(xué)者在完成“三生”功能空間識(shí)別的基礎(chǔ)上，依據(jù)十八大對(duì)“三生”空間的要求，采用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)[18-19]和居民直觀感知評(píng)價(jià)[20]等方法，對(duì)“三生”空間的質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)估，推動(dòng)了“三生”空間相關(guān)研究由單一數(shù)量向數(shù)量、質(zhì)量并重的轉(zhuǎn)變。四是“三生”功能空間之間的相互關(guān)系。單一功能空間的分析，不能全面反映出區(qū)域國(guó)土資源利用的現(xiàn)狀，因此，部分學(xué)者采用耦合協(xié)調(diào)度模型[21-22]、生態(tài)位寬度模型[23]等方法對(duì)“三生”功能空間之間的關(guān)系進(jìn)行判斷。五是“三生”功能空間優(yōu)化。國(guó)土空間優(yōu)化理論及方法是“三生”功能空間優(yōu)化的基礎(chǔ)[24]。當(dāng)前部分學(xué)者結(jié)合區(qū)位理論[25]、空間均衡理論[26]、時(shí)空間行為理論[27]、可持續(xù)發(fā)展理論等，采用“雙評(píng)價(jià)”[28]、“空間沖突識(shí)別”[29-30]以及指標(biāo)評(píng)價(jià)等方法，提出國(guó)土空間分類優(yōu)化方案。以上五類研究在內(nèi)容上存在繼承與發(fā)展的關(guān)系，為國(guó)土資源的可持續(xù)利用研究奠定了良好基礎(chǔ)。但是，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)前已有研究仍有如下三點(diǎn)不足：1）現(xiàn)有研究主要以單一的省或者市為基本研究范圍，對(duì)流域尺度的研究相對(duì)較少；2）在“三生”功能值確定方面，未將區(qū)域間功能的差異性考慮進(jìn)來(lái)；3）“三生”功能協(xié)調(diào)性判斷多依賴耦合協(xié)調(diào)度模型，方法過(guò)于單一。

黃河流域在地理空間上橫跨中國(guó)的東中西部地區(qū)，擁有多個(gè)國(guó)家生態(tài)安全區(qū)，構(gòu)成了中國(guó)重要的生態(tài)屏障。同時(shí)，黃河流域中下游區(qū)域擁有豐富農(nóng)業(yè)和礦產(chǎn)資源，使其在中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位。但是，黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱，不同地域間的自然資源稟賦差異較大，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為促進(jìn)黃河流域人地系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，2019年“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”被提升為國(guó)家重大發(fā)展戰(zhàn)略?；诖?，本研究在已有研究的基礎(chǔ)上，以黃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，引入物理學(xué)領(lǐng)域中的力學(xué)均衡模型，對(duì)國(guó)土空間功能之間的關(guān)系進(jìn)行量化和區(qū)分，并嘗試測(cè)度黃河流域整體“三生”功能的協(xié)調(diào)性、識(shí)別國(guó)土空間功能失調(diào)區(qū)域、針對(duì)問(wèn)題區(qū)域提出優(yōu)化調(diào)控策略，以期為緩解黃河流域人地關(guān)系矛盾和國(guó)土空間格局優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

黃河干流全長(zhǎng)5 464 km，是中國(guó)第二長(zhǎng)河流。以約占全國(guó)2%的徑流量，承載了全國(guó)9%的人口。黃河流域以內(nèi)蒙古自治區(qū)的河口鎮(zhèn)和河南省的桃花峪為分界點(diǎn)，分為上、中、下游3個(gè)區(qū)域。其中，上游區(qū)域主要包括位于黃河源頭的青海省以及甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)的部分區(qū)域等，是中國(guó)重要的生態(tài)保護(hù)區(qū)；中游區(qū)域主要包括山西、陜西以及河南省的部分地區(qū)，是中國(guó)重要的能源基地；下游區(qū)域主要以鄭州、濟(jì)南和青島為中心形成的城市圈為主，涵蓋了中國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)——黃淮海平原。截止到2018年底，黃河流經(jīng)省份的總?cè)丝诩s4.2億，占全國(guó)30.3%；地區(qū)生產(chǎn)總值23.9萬(wàn)億元，占全國(guó)26.5%。整個(gè)黃河流域自西往東橫跨青藏高原、黃土高原、華北平原以及山東丘陵等多種地形，呈現(xiàn)西高東低的地形趨勢(shì)（圖1），相反，平均氣溫和降雨量則由東往西逐漸減少。近年來(lái)，黃河流域發(fā)展迅速，部分區(qū)域出現(xiàn)資源耗竭、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問(wèn)題，人地矛盾愈發(fā)突出。本研究考慮到研究區(qū)域的完整性，以黃河干流流經(jīng)的省區(qū)為主體，選取流經(jīng)的主要地級(jí)市范圍內(nèi)的所有區(qū)（縣）單元為研究范圍，即山東?。?6地級(jí)市；136區(qū)（縣））、河南?。?8地級(jí)市；158區(qū)（縣））、山西省（11地級(jí)市；117區(qū)（縣））、甘肅?。?4地級(jí)市；87區(qū)（縣））、青海?。?地級(jí)市；45區(qū)（縣））、寧夏回族自治區(qū)（5地級(jí)市；22區(qū)（縣））6省區(qū)內(nèi)的所有區(qū)（縣）單元和陜西省（8地級(jí)市；86區(qū)（縣））、內(nèi)蒙古自治區(qū)（7地級(jí)市；51區(qū)（縣））、四川?。?地級(jí)市；13區(qū)（縣））3省區(qū)的部分區(qū)（縣）單元，共計(jì)9省區(qū)、88個(gè)地級(jí)市和715個(gè)區(qū)（縣）（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用的數(shù)據(jù)，主要包括如下來(lái)源：①2018年市縣行政界線、2018年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及地均GDP數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.resdc.cn），其中土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和地均GDP數(shù)據(jù)為柵格格式，1 km分辨率；②數(shù)字高程模型（DEM）為ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，1 km分辨率；③2018年總初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)來(lái)源于馬里蘭大學(xué)網(wǎng)站（http://glcf.umd.edu/data/），1 km分辨率；④2018年人口密度數(shù)據(jù)來(lái)源worldpop網(wǎng)站（https://www.worldpop.org/），1 km分辨率；⑤生境質(zhì)量數(shù)據(jù)是以2018年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Invest模型模擬求得。本研究選擇人類參與度較高的旱地、水田、工礦用地、農(nóng)村居民點(diǎn)以及城鎮(zhèn)用地5種土地利用類型，作為自然生態(tài)系統(tǒng)脅迫因子，并結(jié)合已有的相關(guān)研究以及實(shí)地調(diào)研，確定威脅因子權(quán)重[31]及生態(tài)用地對(duì)威脅因子的敏感度[32-33]，詳見表1、表 2。除DEM數(shù)據(jù)外，其余數(shù)據(jù)均經(jīng)裁剪、投影轉(zhuǎn)換統(tǒng)一為Albers雙標(biāo)準(zhǔn)緯線等積投影。

表1 威脅因子表Table1 Threat factors table

表2 生境類型對(duì)威脅因子的敏感度Table 2 Sensitivity of habitat types to threat factors

2 研究思路及方法

2.1 “三生”功能協(xié)調(diào)性判斷理論框架

土地是一個(gè)多功能綜合體，人類通過(guò)對(duì)土地不同方式和強(qiáng)度的利用，來(lái)滿足其對(duì)多樣化產(chǎn)品和服務(wù)的需求。不同國(guó)土空間功能的實(shí)現(xiàn)往往依賴于不同的土地利用類型。依據(jù)土地利用類型與國(guó)土空間功能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可識(shí)別出不同的功能空間。但是，在區(qū)域自然、社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)條件的綜合作用下，同一土地利用類型對(duì)應(yīng)的功能值亦有強(qiáng)弱及高低之分。因此，不同功能空間的識(shí)別應(yīng)充分考慮區(qū)域間的差異性。生產(chǎn)功能、生活功能和生態(tài)功能是國(guó)土空間的三種主要功能，三者間的相互作用、博弈的過(guò)程是區(qū)域多元化發(fā)展需求在空間上的體現(xiàn)。區(qū)域生態(tài)功能的發(fā)揮為生產(chǎn)、生活功能的實(shí)現(xiàn)提供保障，生產(chǎn)功能的發(fā)揮能為生活功能的發(fā)揮提供經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和物質(zhì)支撐，而生活功能的實(shí)現(xiàn)則是國(guó)土空間利用的根本目的。三類功能的協(xié)同發(fā)揮是國(guó)土空間可持續(xù)利用的體現(xiàn)。在區(qū)域國(guó)土空間有限的情況下，過(guò)度對(duì)單項(xiàng)功能的追求，會(huì)擠占其他功能空間，并對(duì)其他功能的發(fā)揮產(chǎn)生阻尼作用，不利于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?；谝陨线壿嫞狙芯坎捎昧W(xué)均衡模型對(duì)黃河流域的“三生”功能關(guān)系進(jìn)行分析，并依據(jù)協(xié)調(diào)性判斷的結(jié)果識(shí)別出“三生”功能失調(diào)的區(qū)域，針對(duì)區(qū)域國(guó)土空間利用特征以及協(xié)調(diào)度水平和類型提出差異性優(yōu)化策略（圖2）。

2.2 “三生”功能值確定

土地的多功能性，往往通過(guò)不同的土地利用結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文首先依據(jù)土地利用類型與國(guó)土空間功能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定國(guó)土空間的“三生”功能初始值，然后根據(jù)區(qū)域特征數(shù)據(jù)對(duì)初始功能值進(jìn)行修正，得到相應(yīng)的國(guó)土空間功能值。

1）“三生”功能初始值確定

生產(chǎn)功能是以土地為勞作對(duì)象進(jìn)行生產(chǎn)，直接或間接獲取產(chǎn)品或服務(wù)的功能。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于農(nóng)業(yè)用地類型。其中，耕地是保障中國(guó)糧食安全的重要基礎(chǔ)資源，發(fā)揮著最主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能，同時(shí)也承擔(dān)著調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、美化區(qū)域環(huán)境等生態(tài)功能；部分人造林地和草地，發(fā)揮著增加農(nóng)民收入的部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能。而非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能，主要以從事二三產(chǎn)業(yè)的建設(shè)用地為主。生活功能是指土地為人類生存和發(fā)展所提供的承載和衣食住行等保障功能，主要通過(guò)生活用地類型發(fā)揮其功能。其中，居住用地為人類提供了重要的居住場(chǎng)所，發(fā)揮著最重要的生活功能，主要包括城市居住用地和農(nóng)村居民點(diǎn)。生態(tài)功能是在生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程中所形成的，能夠直接或間接滿足人類基本生態(tài)需求、維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的自然條件及其效用。生態(tài)功能的實(shí)現(xiàn)，主要依賴于農(nóng)業(yè)用地、水域以及其他未利用地。同時(shí)，本文參照劉繼來(lái)等[1]研究成果，依照功能值的強(qiáng)弱，分別將不同單位面積土地對(duì)應(yīng)的功能初始值賦為5、3、1、0這4個(gè)等級(jí)，詳見表3。

表3 國(guó)土空間功能與土地利用類型對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 3 Corresponding relation between land space function and land-use type

2）“三生”功能實(shí)際值確定

土地利用類型與土地利用功能之間存在“一對(duì)一”或者“一對(duì)多”的關(guān)系。不同區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、自然生態(tài)保護(hù)存在明顯差異性，從而導(dǎo)致同一土地利用類型在不同區(qū)域發(fā)揮的功能值亦存在差異。土地利用類型歸并法能充分體現(xiàn)不同區(qū)域的“三生”功能在“量”上的差異，但是對(duì)于其在“質(zhì)”上的差異未能反映。為更準(zhǔn)確地衡量出區(qū)域間“三生”功能價(jià)值量之間的差異性，本研究分別將總初級(jí)生產(chǎn)力、地均GDP、人口密度以及生境質(zhì)量作為區(qū)域特征變量，對(duì)相應(yīng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能、非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能、生活功能以及生態(tài)功能初始值進(jìn)行修正，獲得具有區(qū)域特征的國(guó)土空間功能值。

2.3 “三生”功能協(xié)調(diào)度判斷

協(xié)調(diào)性是指通過(guò)探索不同系統(tǒng)或系統(tǒng)要素之間相互影響的發(fā)展規(guī)律，以促使系統(tǒng)或系統(tǒng)要素從原本無(wú)序狀態(tài)趨于有序，彼此之間配合得當(dāng)、協(xié)調(diào)發(fā)展。力學(xué)均衡模型，是基于物理學(xué)領(lǐng)域合力求解的方法，用于表達(dá)不同要素均衡關(guān)系的概念模型。該模型與傳統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度模型相比，能更好地反映出多個(gè)不同評(píng)價(jià)對(duì)象之間的狀態(tài)和結(jié)果。國(guó)土空間可持續(xù)開發(fā)利用的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活與生態(tài)功能之間的協(xié)調(diào)。但是，在社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，不同地區(qū)往往會(huì)承擔(dān)不同的功能，例如，城市的中心城區(qū)往往會(huì)發(fā)揮更多的非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能和生活功能，而距離城市較遠(yuǎn)的縣域單元往往在生態(tài)功能和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能等方面表現(xiàn)突出。這與區(qū)域內(nèi)不同功能類型的土地?cái)?shù)量緊密相關(guān)。因此，為了增強(qiáng)區(qū)域間不同功能值之間的可比性，本研究以地均功能值（單位面積土地所承擔(dān)的生活功能、生態(tài)功能或者生產(chǎn)功能值）為基本表征指標(biāo)，依據(jù)力學(xué)均衡模型對(duì)黃河流域“三生”功能的協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行判斷，具體步驟如下。

第一，依據(jù)2.2中“三生”功能值的確定方法，依次確定各類國(guó)土空間功能的初始值和修正值；并根據(jù)縣域單元內(nèi)國(guó)土空間功能總值與相應(yīng)功能類型土地?cái)?shù)量間的比例關(guān)系，依次計(jì)算地均生活功能值、地均生態(tài)功能值以及地均生產(chǎn)功能值。

第二，將縣域單元的地均功能值與區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)功能的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，求得各國(guó)土空間功能的作用力強(qiáng)度a、b和c（式（1））。其中，地均功能的標(biāo)準(zhǔn)值主要反映了單位土地承擔(dān)的對(duì)應(yīng)國(guó)土空間功能的潛力值。按照相鄰單元間的功能相似，而不同地域縣域單元因自然環(huán)境和人類活動(dòng)差異而不同的原則，本研究借鑒可持續(xù)發(fā)展評(píng)估中的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)確定方法，規(guī)定同一地級(jí)市內(nèi)的所有縣域單元的功能標(biāo)準(zhǔn)值相同，即以地級(jí)市內(nèi)所有縣域單元的功能平均值為標(biāo)準(zhǔn)值。

第三，將求得的地均生活功能、地均生態(tài)功能和地均生產(chǎn)功能的作用力強(qiáng)度，分別抽象為3個(gè)等角度（分別為2π/3）間隔的不同方向的分力，依據(jù)合力求解方法（式（2）-（6））求得“三生”功能綜合作用力的強(qiáng)度和方向，并采用極坐標(biāo)表示為（F，θ）?！叭惫δ芫_(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值或同比例趨近于或大于功能標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，則三個(gè)作用力的合力為0，即位于原點(diǎn)位置，表明“三生”功能處于“協(xié)調(diào)”水平。同理，若三項(xiàng)功能值與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值比較，非同步變化，例如，其中一項(xiàng)或者兩項(xiàng)功能值明顯高于對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，而其他功能明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值，則其合力就會(huì)偏離原點(diǎn)。合力越大，則表明偏離“協(xié)調(diào)”水平的程度越高，反之亦然（圖3）。

第四，將3個(gè)坐標(biāo)軸反向延長(zhǎng)，形成6個(gè)分區(qū)，分別命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ。每個(gè)分區(qū)由一個(gè)正向矢量和負(fù)向矢量來(lái)定義，依據(jù)綜合作用力所在分區(qū)以及與矢量方向的親疏關(guān)系，將“三生”功能協(xié)調(diào)度劃分為6種類型（表4）。

表4 “三生”功能協(xié)調(diào)度類型特征描述Table 4 The characteristics of different coordination degree types of “production-living-ecological” function

式中vx分別表示各地均功能的實(shí)際值，sx表示相應(yīng)功能的標(biāo)準(zhǔn)值；x分別表示生活功能、生態(tài)功能和生產(chǎn)功能標(biāo)準(zhǔn)化后的值，即a、b和c；分別表示生活、生態(tài)、生產(chǎn)功能的作用力；F表示合力，|F|表示合力大小；xA、xB、xC和xF分別表示在x軸方向上的分力，yA、yB、yC和yF則表示及在y軸方向上的分力；θ則表示合力與x軸正向間的夾角。

2.3 熱點(diǎn)分析

熱點(diǎn)分析通過(guò)測(cè)定“三生”功能值的熱點(diǎn)區(qū)（高值簇）和冷點(diǎn)區(qū)（低值簇），可進(jìn)一步揭示“三生”功能空間協(xié)調(diào)度在空間上的分布特征，其計(jì)算公式為

式中n為研究單元個(gè)數(shù)，Zi為研究單元的觀測(cè)值，Wij為空間權(quán)重矩陣（i和j空間相鄰為1，不相鄰為0）。若值顯著為正，表明研究單元i地區(qū)周圍的值相對(duì)較高，屬于熱點(diǎn)區(qū)（高值簇），反之為冷點(diǎn)區(qū)（低值簇）。

3 結(jié)果分析

3.1 單項(xiàng)功能評(píng)估

確定各類國(guó)土空間功能的最優(yōu)值是本文確定“三生”功能協(xié)調(diào)度水平和類型的關(guān)鍵要素之一。當(dāng)前，關(guān)于區(qū)域各類功能最優(yōu)值尚未有相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，本文依據(jù)“區(qū)域內(nèi)功能相似、區(qū)域間功能差異”的原則，以各地級(jí)市范圍內(nèi)所有縣域單元的地均生活功能、地均生態(tài)功能和地均生產(chǎn)功能的平均值作為區(qū)域各類功能值的標(biāo)準(zhǔn)值。按照上述公式，分別計(jì)算地均生活功能、地均生態(tài)功能和地均生產(chǎn)功能的作用力。

1）地均生活功能狀態(tài)評(píng)估

不同區(qū)域的地均生活功能值存在明顯差異（圖4a），尤以黃河下游區(qū)域的地均生活功能值最高（表5），而黃河流域的源頭地區(qū)及彎道地區(qū)的功能值相對(duì)偏低（圖 4b）。與地均生活功能標(biāo)準(zhǔn)值相比，明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值（a>0）的縣域單元數(shù)量相對(duì)較少，約占總縣域單元數(shù)量43.77%，且主要以點(diǎn)狀的形式分布在各城市的主城區(qū)范圍內(nèi)（圖4c）。

2）地均生態(tài)功能狀態(tài)評(píng)估

黃河流域上游、中游和下游三區(qū)域的地均生態(tài)功能值差異明顯（表5）。上游區(qū)域地均生態(tài)功能值普遍偏高，而以山東省以及河南省的大部分區(qū)域?yàn)橹鞯狞S河下游城市的地均生態(tài)功能值則偏低（圖5a）；以地均生態(tài)功能值為基礎(chǔ)生成的熱點(diǎn)分析圖呈現(xiàn)了相似的規(guī)律。地均生態(tài)功能值有兩處明顯的高值區(qū)域，即：黃河源頭的三江源區(qū)域以及以太原市為中心形成的周邊城市圈（圖5b）；同樣，與地均生態(tài)功能標(biāo)準(zhǔn)值相比，高于標(biāo)準(zhǔn)值（b>0）的縣域單元數(shù)量相對(duì)較少，約占總縣域單元43.50%，且主要以片狀的形式分布在黃河流域的上游以及中下游分界處（圖5c）。

3）地均生產(chǎn)功能狀態(tài)評(píng)估

按照縣域單元農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能總值與非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能總值之間的比例關(guān)系，得到地均生產(chǎn)功能值的空間分布結(jié)果（圖6a）。與地均生活功能值空間分布特征相似，地均生產(chǎn)功能值隨黃河流進(jìn)方向呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢(shì)（表5），尤以下游區(qū)域的鄭州城市圈和濟(jì)南城市圈產(chǎn)能最高（圖6b）。與地均生產(chǎn)功能標(biāo)準(zhǔn)值相比，高于標(biāo)準(zhǔn)值（c>0）的縣域單元數(shù)量較少（圖6c），約占總縣域單元數(shù)量的24%，且主要分布在黃河沿線周邊。

表5 黃河流域不同分區(qū)“三生”功能值Table 5 Function value of different zones in Yellow River Basin

3.2 “三生”功能協(xié)調(diào)度

根據(jù)式（1）~（6），求得由“三生”功能協(xié)調(diào)度以及偏離角度組成的各個(gè)空間單元的極坐標(biāo)。分別以協(xié)調(diào)度水平和協(xié)調(diào)度類型為分類字段，對(duì)“三生”功能協(xié)調(diào)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如圖7和表6所示。

1）“三生”功能協(xié)調(diào)度水平

按照自然間斷法，將“三生”功能協(xié)調(diào)度由小到大依次劃分為4個(gè)級(jí)別，分別為“協(xié)調(diào)”水平（0≤|F|≤0.36）、“磨合”水平（0.36<|F|≤0.75）、“拮抗”水平（0.75<|F| ≤1.43）及“失調(diào)”水平（1.43<|F|≤2.73）。

整個(gè)黃河流域的“三生”功能的協(xié)調(diào)度為0.53，處于“磨合”水平。不同協(xié)調(diào)度水平的縣域單元數(shù)量和空間分布存在差異。處于“協(xié)調(diào)”水平的縣域單元共有277個(gè)，占總研究單元數(shù)量38.74%，均勻分布在整個(gè)黃河流域范圍內(nèi)；處于“磨合”水平的研究單元共有281個(gè)，占全部研究單元的39.3%，集中分布在黃河流域的中下游區(qū)域，且主要以生態(tài)功能或者生產(chǎn)功能為主導(dǎo)功能。處于“拮抗”水平的縣域單元較少，僅131個(gè)，占縣域總數(shù)的18.32%，主要分布黃河流域的中游地區(qū)。處于“失調(diào)”水平的研究單元共有26個(gè)，約占縣域總量的3.64%，主要沿黃河沿線分布，同時(shí)，大同市、西安市和青島市三地亦有部分縣域處于“失調(diào)”水平?！叭惫δ芴幱凇稗卓埂焙汀笆д{(diào)”水平的城市，是需要進(jìn)行區(qū)域功能優(yōu)化協(xié)調(diào)的重點(diǎn)區(qū)域。

2）“三生”功能協(xié)調(diào)度類型

依據(jù)主導(dǎo)作用力類型及方向，本文將協(xié)調(diào)度類型劃分為3大類6小類。其中，3大類依次為生產(chǎn)-生態(tài)功能作用類型區(qū)（Ⅰ、Ⅳ）、生活-生態(tài)功能作用類型區(qū)（Ⅱ、Ⅴ）以及生產(chǎn)-生活功能作用類型區(qū)（Ⅲ、Ⅵ），6小類依次為高生產(chǎn)低生態(tài)區(qū)Ⅰ、高生態(tài)低生產(chǎn)區(qū)Ⅳ、高生活低生態(tài)區(qū)Ⅱ、高生態(tài)低生活區(qū)Ⅴ、高生活低生產(chǎn)Ⅲ以及高生產(chǎn)低生活區(qū)Ⅵ。整體上，黃河流域主要以高生產(chǎn)低生態(tài)Ⅰ和高生態(tài)低生活Ⅴ為主，約占總體55%，且均勻分布在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)。高生活低生態(tài)類型區(qū)Ⅱ和高生態(tài)低生活Ⅴ分別約占總研究單元數(shù)量的14%和19%，主要分布在黃河流域的上游區(qū)域。高生活低生產(chǎn)Ⅲ和高生產(chǎn)低生活Ⅵ類型區(qū)相對(duì)占比較低，分別為4.34%、8.67%（圖7、表6），且零星分布在城市的主城區(qū)范圍內(nèi)。

表6 “三生”功能協(xié)調(diào)度類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Statistical results of “production-ecological-living” function coordination degree

3.3 “三生”功能協(xié)調(diào)性差異性調(diào)控策略

黃河流域大部分區(qū)（縣）“三生”功能處于“協(xié)調(diào)”和“磨合”水平。其中，“三生”功能處于“磨合”水平的區(qū)域，需要加強(qiáng)對(duì)相對(duì)較弱功能方向的監(jiān)管，防止“三生”功能差距進(jìn)一步拉大。而“三生”功能協(xié)調(diào)度處于“拮抗”和“失調(diào)”水平的區(qū)域，需要分類施措，優(yōu)化“三生”功能協(xié)調(diào)度。具體分類優(yōu)化策略如下（表7）。

表7 “三生”功能“失調(diào)”區(qū)域優(yōu)化策略Table 7 Optimization strategies of “production-living-ecological” function disorder area

1）高生產(chǎn)低生態(tài)“拮抗”和“失調(diào)”類型區(qū)

高生產(chǎn)低生態(tài)“拮抗”和“失調(diào)”類型區(qū)包括“三生”功能處于“拮抗”水平的太原市迎澤區(qū)、運(yùn)城市臨猗縣和臨汾市古縣等32區(qū)（縣）以及處于“失調(diào)”水平的太原市杏花嶺區(qū)、包頭市昆都區(qū)和青山區(qū)等14區(qū)（縣），該類區(qū)域主要以各地級(jí)市市轄區(qū)為主，其典型特征是生產(chǎn)功能偏高、而生態(tài)功能偏低。以上區(qū)域的地理位置以及經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)相對(duì)優(yōu)越。該類區(qū)域應(yīng)通過(guò)優(yōu)化城市土地利用結(jié)構(gòu)、控制建設(shè)用地對(duì)生態(tài)用地的非法占用、充分挖掘城市內(nèi)部存量用地潛力以及增加公園和綠色廊道等生態(tài)用地供給等方式提升生態(tài)功能。其次，充分利用區(qū)位優(yōu)勢(shì)，積極引進(jìn)高技術(shù)、低污染類產(chǎn)業(yè)，在保障生產(chǎn)功能不降低的情況下，淘汰影響生態(tài)功能提升的高污染高能耗高排放產(chǎn)業(yè)；此外，“三生”功能協(xié)調(diào)度處于“失調(diào)”水平的14區(qū)（縣）還應(yīng)當(dāng)考慮在其對(duì)應(yīng)財(cái)政支出條目中，適當(dāng)增加對(duì)環(huán)境改善方面的財(cái)政支持，進(jìn)一步強(qiáng)化生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面的相關(guān)規(guī)定，促使經(jīng)濟(jì)發(fā)展提前到達(dá)環(huán)境庫(kù)茲涅茨倒“U”型曲線的拐點(diǎn)[34]。

2）高生活低生態(tài)“拮抗”和“失調(diào)”類型區(qū)

高生活低生態(tài)“拮抗”和“失調(diào)”類型區(qū)分別包括“三生”功能處于“拮抗”水平的朔州市朔城區(qū)、晉中市榆次區(qū)和平遙縣等28區(qū)（縣）以及處于“失調(diào)”水平的大同市平城區(qū)、長(zhǎng)治市潞州區(qū)和忻州市忻府區(qū)等8區(qū)（縣），該類區(qū)域的典型特征是生活功能較高、而生態(tài)功能偏低。以上區(qū)域面臨的核心問(wèn)題是：如何保持生活功能不降低的情況下，在追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)提升區(qū)域的生態(tài)功能。首先，與高生產(chǎn)低生態(tài)類型區(qū)相似，該類區(qū)域亦應(yīng)通過(guò)優(yōu)化城市內(nèi)部土地利用結(jié)構(gòu)，增加生態(tài)用地面積等方式提升生態(tài)功能。其次，優(yōu)化生活空間與生態(tài)空間的布局，充分利用城市內(nèi)部的零星用地，改善區(qū)域內(nèi)部生態(tài)環(huán)境。此外，與高生產(chǎn)低生態(tài)類型區(qū)相比，該類區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平并不突出，不宜采取限制生產(chǎn)功能發(fā)揮的相關(guān)措施，因此，針對(duì)“三生”功能處于失調(diào)階段的區(qū)域，該類區(qū)域可考慮建立企業(yè)綠色生產(chǎn)獎(jiǎng)懲機(jī)制，提高對(duì)企業(yè)綠色生產(chǎn)的要求和標(biāo)準(zhǔn)，從而降低產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面作用。

3）高生態(tài)低生產(chǎn)“拮抗”和“失調(diào)”類型區(qū)

高生態(tài)低生產(chǎn)“拮抗”和“失調(diào)”類型區(qū)分別包括“三生”功能處于“拮抗”水平的太原市晉源區(qū)、大同市云岡區(qū)和臨汾市大寧縣等29區(qū)（縣）以及處于“失調(diào)”水平的包頭市白云鄂博礦區(qū)、榆林市榆陽(yáng)區(qū)和海西自治州的額格爾木市3區(qū)（縣）。該類區(qū)域的生態(tài)功能偏高，而生產(chǎn)功能偏低，主要分布在距離市中心位置較遠(yuǎn)的郊區(qū)地帶。在保持生態(tài)功能不降低的情況下，該類區(qū)域需要結(jié)合區(qū)域特征，發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，通過(guò)不斷完善區(qū)域內(nèi)的公共基礎(chǔ)設(shè)施條件，承接核心城區(qū)向外轉(zhuǎn)移的產(chǎn)業(yè)，提高區(qū)域生產(chǎn)功能。此外，核心主城區(qū)應(yīng)充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)力，扶持城市周邊縣域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4）高生態(tài)低生活“拮抗”類型區(qū)

高生態(tài)低生活“拮抗”類型區(qū)主要包括太原市的婁煩縣、長(zhǎng)治市沁源縣和晉中市和順縣等36區(qū)（縣），其典型特征是生態(tài)功能偏高、生活功能相對(duì)偏低，且“三生”功能處于“拮抗”水平。該類區(qū)域在注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)的同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高公共服務(wù)用地占比，增加交通及醫(yī)療衛(wèi)生等基礎(chǔ)設(shè)施供給，改善居民生活質(zhì)量；且當(dāng)?shù)卣伸`活設(shè)置用地優(yōu)惠政策，吸引產(chǎn)業(yè)的流入，創(chuàng)造更多就業(yè)機(jī)會(huì)，引導(dǎo)農(nóng)村剩余勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移，積極響應(yīng)國(guó)家關(guān)于人口落戶的政策，鼓勵(lì)有條件進(jìn)城的農(nóng)民工落戶。此外，在追求經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)以及公共服務(wù)設(shè)施完善的過(guò)程中，仍需注重對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，防止生態(tài)功能退化。

5）高生產(chǎn)低生活“拮抗”及“失調(diào)”類型區(qū)

高生產(chǎn)低生活“拮抗”及“失調(diào)”類型區(qū)主要包括處于“拮抗”水平的鄂爾多斯市的伊金霍洛旗、延安市的黃龍縣和定西市的漳縣以及處于“失調(diào)”水平的海西自治州的天峻縣。以上區(qū)域存在生產(chǎn)功能偏高、生活功能偏低的典型特征，需要通過(guò)增加公共服務(wù)供給，提高人民的生活水平；完善區(qū)域內(nèi)部的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，增加就業(yè)機(jī)會(huì)，提高居民收入水平。此外，在提高生活功能的同時(shí)，應(yīng)繼續(xù)實(shí)施嚴(yán)格的生態(tài)保護(hù)措施。

6）高生活低生產(chǎn)“拮抗”類型區(qū)

高生活低生產(chǎn)“拮抗”類型區(qū)包括濟(jì)南市的市中區(qū)、平?jīng)鍪械尼轻紖^(qū)和隴南市的武都區(qū)。以上三個(gè)市轄區(qū)的典型特征是生活功能較高、生產(chǎn)功能較低。在今后的發(fā)展過(guò)程中，為提高“三生”功能的協(xié)調(diào)性，需要通過(guò)增加第三產(chǎn)業(yè)比重等方法優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高區(qū)域的生產(chǎn)能力；深度剖析區(qū)域特色，發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，在保障生活功能水平不降低的情況下，充分利用區(qū)域內(nèi)部的零星土地改善生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論與討論

國(guó)土空間“三生”功能的協(xié)同一致，是實(shí)現(xiàn)國(guó)土資源可持續(xù)開發(fā)利用的要求和目的。黃河流域作為中國(guó)重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)與發(fā)展區(qū)域，其“三生”功能協(xié)調(diào)性的判定及類型劃分，對(duì)實(shí)現(xiàn)其高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。因此，本研究以黃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，引入物理學(xué)領(lǐng)域中的力學(xué)均衡模型，對(duì)其國(guó)土空間功能之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析和判斷。得到如下結(jié)論：

1）黃河流域“三生”功能協(xié)調(diào)度系數(shù)為0.53，處于“磨合”水平。協(xié)調(diào)度類型主要以高生產(chǎn)低生態(tài)Ⅰ和高生態(tài)低生活Ⅴ兩種類型為主，其均勻分布于整個(gè)黃河流域。

2）不同協(xié)調(diào)度水平的縣域單元空間分異特征明顯。處于“失調(diào)”水平的縣域單元主要沿黃河沿線分布，包括太原市杏花嶺區(qū)等26個(gè)縣域單元，以生產(chǎn)功能與生態(tài)功能的不協(xié)調(diào)以及生活功能與生態(tài)功能的不協(xié)調(diào)為主，占總縣域單元的3.64%左右。

3）各區(qū)域應(yīng)結(jié)合“三生”功能協(xié)調(diào)性水平及類型，分別從調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、優(yōu)化功能空間布局、產(chǎn)業(yè)類型調(diào)整等方面分類設(shè)置“三生”功能優(yōu)化措施。此外，針對(duì)“三生”功能處于“失調(diào)”水平的區(qū)域，還應(yīng)從生態(tài)環(huán)境修復(fù)、監(jiān)管措施強(qiáng)化以及財(cái)政支持等維度分類施措，補(bǔ)齊功能短板，增強(qiáng)“三生”功能協(xié)調(diào)性。

本研究采用力學(xué)均衡模型對(duì)黃河流域“三生”功能協(xié)調(diào)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確識(shí)別出“三生”功能失調(diào)區(qū)域，并針對(duì)失調(diào)類型分類設(shè)置了優(yōu)化策略，為黃河流域國(guó)土空間格局優(yōu)化提供了方向性建議。同時(shí)，本研究采用的力學(xué)均衡模型，與傳統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度模型相比，不僅能量化協(xié)調(diào)度大小，且能準(zhǔn)確識(shí)別出協(xié)調(diào)度類型，更加合理與完善。此外，在計(jì)算“三生”空間的功能值時(shí)，考慮到相同地類在不同區(qū)域的功能可能不同，本研究選取地域差異性指標(biāo)分別對(duì)“三生”功能的初始值進(jìn)行了修正。但是，本研究由于數(shù)據(jù)的可獲得性等原因，在選取代表區(qū)域差異性指標(biāo)時(shí)，每種國(guó)土空間功能僅選取了單一指標(biāo)進(jìn)行修正，可能存在不足。在今后的研究中，將繼續(xù)完善國(guó)土空間功能修正系數(shù)，考慮將不同產(chǎn)業(yè)就業(yè)人口數(shù)量、生活質(zhì)量滿意度以及其他反映生態(tài)功能強(qiáng)弱的因子納入，進(jìn)一步優(yōu)化“三生”功能定量識(shí)別方法。