山西省2005-2018年“三生”功能的時空分異特征及其影響因素

康 慶, 郭青霞, 丁 一, 張 揚, 胡 毅， 陳水英

(1.山西農業大學 資源環境學院, 山西 太谷 030800; 2.中國冶金地質總局第三地質勘查院,山西 太原 030000; 3.南京大學 地理與海洋科學學院, 江蘇 南京210023)

生態文明作為國家戰略，是一種新型人地關系[1]，國土空間作為生態文明建設的載體，是人地關系耦合的整體[2]。隨著中國經濟社會的高速發展，人地關系緊張[3]，表現為生產、生活和生態(簡稱“三生”)空間之間的脅迫和博弈。國土空間規劃是我國新時期為建設生態文明，協調區域人地關系和優化空間秩序的重要內容[4]，要求形成“生產空間高效集約、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”的“三生”空間格局[3]，而“三生”空間實質是一種功能空間，因此，識別“三生”功能時空格局特征成為推進生態文明建設和開展國土空間規劃的重要前提。

科學認知“三生”功能是建設生態文明、構建空間格局的關鍵[5]。“三生”功能作為土地利用多功能的一種具體表現形式同樣源自于農業多功能、生態系統和景觀多功能的探究[6-9]。目前，對于“三生”功能的研究已取得一定的進展，研究內容涵蓋概念內涵界定[10-11]、指標體系確定[12]、功能量化識別[13-14]、動態變化[15]以及功能間關系探究等[16-18]，但已有研究較多停留在“三生”功能理論分析、劃分類型探討、動態演化剖析等方面，對“三生”功能時空分異特征及影響因素的探究較少，特別是在影響因素方面，研究多以定性解釋為主，雖然少量學者基于灰色關聯度模型[19]、地理探測器等[15]方法進行定量測度，但這些研究忽略了空間關聯信息對于功能空間分異的影響。已有研究表明，空間依賴和相互作用是功能空間分異的重要原因，而空間計量模型能夠反映空間信息，更符合區域實際[20]。研究方法主要有兩種：①基于土地利用現狀，依據土地的多功能性[21]或功能的主導性[22]進行類型上的歸并；②選取指標，構建“三生”功能評價指標體系，對“三生”功能進行度量，這種選取典型指標構建指標體系已得到諸多認可，成為多數學者的共識[15,19-20]。研究尺度多以全國[8]、省[21,23]、市[19]為主，以縣域為評價單元的研究并不多見。此外，在研究結論上“三生”功能更側重于時間尺度上的分析而對空間差異化探究較少[24]。山西省作為中國首個全省域、全方位、系統性的資源型經濟轉型綜合配套改革試驗區，需要明確“三生”功能分異，重新規劃經濟社會轉型與生態保護格局，重組“三生”發展秩序。為此，本文以山西省為研究區域，構建縣域“三生”功能評價指標體系探討“三生”功能時空分異特征，并采用目前應用廣泛的空間計量模型對“三生”功能的影響因素進行分析，旨在為山西省生態文明建設和國土空間規劃提供依據。

1 研究區概況

山西省位于北緯34°34′—40°44′，東經110°14′—114°33′，土地總面積1.57×105km2。東緣太行山脈連亙，西至呂梁山脈縱列，中部多為谷地發育，形成“兩山夾一川”的地形態勢，地勢東北斜向西南，山地丘陵面積為全省的80.1%，平川、河谷面積為19.9%(圖1)。年均氣溫4.2～14.2 ℃，年均降水468.3 mm，雨熱同期，是典型的農業生產區，礦產資源特別是煤炭資源豐富，能源采礦業發展迅速，工業化水平較高，帶動城鎮化發展，但資源環境代價較大，生態問題突出。山西省是全國首個省級綜改示范區，面臨經濟轉型、民生改善、生態環境保護的重要任務，需要加快生態文明建設，形成綠色生產生活方式，因此，分析山西省“三生”功能分異、演變過程及影響因素顯得十分必要。

圖1 山西省地形圖

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本文所用的社會經濟數據來源于《中國縣域統計年鑒》和《山西省統計年鑒》；土地利用相關數據引用“中國科學院資源環境科學數據中心”山西省1 km×1 km柵格土地利用現狀遙感監測數據；PM2.5濃度數據來自“加拿大達爾豪斯大學大氣成分分析小組”大氣PM2.5遙感反演數據(V4.CH.02)；DEM數據來源于地理空間數據云，年均降雨量和氣溫數據來源于中國氣象科學數據共享服務網。

為保證研究時間序列的可比性、統計數據的穩定性和研究單元的整體性[25]，本文按2018年山西省行政區劃進行調整，整理后共107個研究單元。

2.2 構建“三生”功能指標體系

“三生”功能是評價土地利用變化的概念和方法，反映區域土地利用狀態，表現為土地提供的產品和服務，“三生”功能間相互依存、不可替代，單一功能的作用依賴于另外兩種功能的配合，一項功能的滯后影響另外兩種功能的發揮，“三生”功能相互適應、彼此配合、共同構成一個整體性系統。基于對“三生”功能的理解，本文參考已有研究[14-15,19]，結合山西省實際選取相應的指標構建“三生”功能評價指標體系(表1)。

表1 山西省“三生”功能指標體系

生產功能的基本目的是促進經濟社會發展，山西省是典型的農業生產區和經濟轉型綜改示范區，故以糧食單產和農林牧漁業產值比例來表征農業生產功能，以經濟密度、財政貢獻率和固定投資總額來反映經濟發展功能。宜居適度是生活功能的目標，反映在就業、承載和保障等具體功能上，由從業人口密度、建設用地比例、城鎮化水平、城鄉居民收入情況、每萬人醫院床位數等指標構成。生態功能涉及生態維持、環境凈化和資源供給等具體功能，生態系統服務價值和生物豐度指數是量化生態環境，確定生態環境綜合補償，維持生態平衡的重要指標，二者共同反映生態維持功能；另外基于山西省工業發展導向及農業生產現狀，選取PM2.5年均濃度和農藥化肥投入強度來表征環境凈化功能；依據人均耕地面積、人均水資源來間接反映資源供給功能。

為消除數據量綱的影響，以極值法對數據進行標準化處理。權重作為指標間的重要性分析，是功能測定的關鍵，本文采用主客觀相結合的方法確定，目標層和因素層運用德爾菲法，指標層用熵權法(表1)。

2.3 “三生”功能值測度

決策層、各目標層和因素層的功能值通過線性加權綜合法進行計算，計算方法為：

Fi=∑WjXij

(1)

式中：Fi表示評價單元i的功能值;Wi表示第i項指標的權重;Xij表示i單元第j項指標的標準化值。根據計算結果,結合已有研究[13,21],以自然斷點法將“三生”功能劃分為高、較高、中等、較低、低水平5個等級。

2.4 “三生”功能動態變化測算

功能變化動態度表示不同階段土地功能的相對變化程度，依據d值的大小、正負對“三生”功能的變化情況進行劃分：d>20%為快速提高；0

(2)

功能標準差(σ)用來測算土地功能值之間的差異，反映功能協調性，σ越小，功能協調性越高；反之σ越大，功能協調性越差，其計算公式為：

(3)

功能變化優勢度(s)探究土地利用功能的差異性，s最大值為1，s值越大，土地利用功能變化差異越大，土地利用更傾向于單一，計算公式為：

(4)

式中：s表示優勢度; |d|max表示動態度絕對數最大值; |d|為動態度絕對數之和。

2.5 “三生”功能影響因素

已有研究表明，“三生”功能時空分異受自然和社會經濟因素的影響。本文從自然地理條件、自然資源稟賦和社會經濟因素3個方面選取自變量以解釋“三生”功能時空分異，依據科學性、代表性、綜合性以及數據可獲得性原則，參考當前研究成果[21,24]，結合山西省實際，確定8個解釋變量(表2)。

表2 山西省“三生”功能解釋變量

在辨識“三生”功能時空分異的影響因素時，考慮到空間因素，本文將空間信息納入傳統回歸模型中，以空間滯后模型(SLM)和空間誤差模型(SEM)來探究“三生”功能影響因素[27]。

空間滯后模型(SLM)主要度量因變量是否受到鄰近區域因變量的影響，即區域被解釋變量既受該區域解釋變量的影響，同樣受相鄰區域被解釋變量的影響。其計算公式為：

Y=α+ρWY+βX

(5)

式中：W表示區域空間權重矩陣;α為常數項;β為回歸系數;ρ為空間滯后自回歸系數;X為解釋變量。

空間誤差模型(SEM)探討了鄰近區域的自變量對區域因變量的影響，即區域因變量不僅受區域自變量的影響，也受鄰近區域相互依賴的隨機誤差的影響。其計算公式為：

Y=α+βX+λWφ

(6)

式中：φ表示空間自相關誤差項;λ表示空間誤差項自回歸系數，度量樣本觀察值的誤差項對被解釋變量的影響程度。

3 結果與分析

3.1 “三生”功能時空分異特征

3.1.1 “三生”功能分維度時空分異特征 2005—2018年生產功能分布較為穩定，功能水平波動變化(圖2)。2005年高和較高水平縣域以點狀形式鑲嵌在晉中、晉南和晉東南區域，與中等水平縣域呈現中心—外圍的分布形式，外圍中等水平縣域沿河谷盆地集聚，但在晉北為零星分布；較低水平縣域在晉北集聚，在其他區域則與中等水平縣域交錯分布；低水平縣域多數分布在呂梁山地區，107個縣域中低水平縣域占41.12%，生產功能初始值低。2010年高與較高水平縣域分布與2005年相似；中等水平縣域因部分地區降為較低水平而出現縮減；較低水平縣域增多，表現為在晉北擴張，在呂梁山區出現零星分布。2018年生產功能有所下降，較高水平縣域數量減少；中等水平縣域同樣減少，大同縣成功轉型為旅游城市，中等水平縣域在晉北數量增多；較低水平縣域在晉北減少而在呂梁山區增多并出現集聚。總體而言，生產功能仍以較低和低水平為主，生產水平亟待提升，這與自然特征有較大的聯系：多數縣域分布在山地丘陵區，生產條件差、產業基礎薄弱、基礎設施不足，缺乏經濟社會拉動點，生產功能弱。

圖2 2005-2018年山西省生產功能時空分異

2005—2018年生活功能提升明顯(圖3)。2005年高和較高水平縣域為部分市轄區；中等水平縣域點狀分布；低和較低水平縣域交錯集聚，生活功能起始值較低。2010年高和較高水平縣域數量增加；中等水平縣域同樣增多并沿高和較高水平縣域外圍分布；低和較低水平縣域主要集聚在山地丘陵區，這些地區受自然和社會經濟綜合影響，生活條件一般，服務設施缺乏，生活功能劣于其他區域。隨著新型城鎮化進程加快，2018年生活功能呈現出多核心模式：晉中著力推進“一主一副一區多組團”規劃，形成了以太原、榆次為核心的高水平區和以古交市、太谷縣等為核心的較高水平區；晉北因著力加強大同省域副中心城市和朔州市域中心城市建設，形成以大同、朔州為核心的高水平、較高水平集聚區；同樣，晉南地區，臨汾作為山西省副中心城市，運城為市域中心城市，形成以臨汾、運城為中心的高水平與較高水平集聚區；晉東南長治、晉城分別是山西省副中心城市和市域中心城市，形成以長治、晉城為核心的高和較高水平集聚區。中等水平縣域增多，呈條帶狀集聚。低和較低水平縣域依然位于山區，但數量有所下降。總體而言，低和較低水平縣域數大幅度下降而其他水平縣域明顯增加，表明隨著經濟社會發展，山西省城鎮化進程加快，生活功能持續提升。

2005—2018年生態功能變化并不明顯格局較為穩定(圖4)。2005年高和較高水平縣域沿呂梁山、太岳山和太行山南部呈帶狀分布；中等水平縣域在晉中、晉南、晉東南點狀分布，而在晉北集聚；低和較低水平縣域在晉南沿汾河河谷集聚，在晉東南沿漳河—沁河河谷集聚，集聚區域多為生產、生活功能較高區域，源于生產和生活功能對生態功能的擠壓。2010年隨著生態功能區建設，高和較高水平縣域在原有基礎上出現擴展，表現為在太行山脈北部形成條帶狀集聚，在呂梁山區數量增多；原中等水平縣域隨功能水平的提高而數量減少，由大面積集聚變為帶狀分布；低和較低水平縣域變化不大，仍位于晉南和晉東南地區。相對于2010年、2018年生態功能變動較小，主要變動為高和較高水平縣域在太行山脈南北形成連接，晉中和晉東南部分縣域功能水平有所下降。

圖3 2005-2018年山西省生活功能時空分異

圖4 2005-2018年山西省生態功能時空分異

3.1.2 山西省“三生”綜合功能時空分異特征 “三生”綜合功能是生產、生活和生態功能的集成，2005—2018年“三生”綜合功能時空分異特征明顯，呈現出“南高北低，中部高東西低”的分布格局(圖5)。2005年高和較高水平縣域零星散布，與中等水平縣域呈中心—外圍的分布格局，晉北無高和較高水平縣域，但存在中等水平縣域的范圍聚集；低和較低水平縣域則在全省出現大規模集聚，但集聚原因不同：晉北及呂梁山區是受生產和生活功能低的影響，而晉南則因生態功能較差而與生產和生活功能不相匹配。2010年隨工業化和城鎮化進程加快，高和較高水平縣域數量增多，其外圍中等水平縣域同樣增多；低和較低水平縣域數量減少，交錯分布于山西省各地。2018年高和較高水平縣域進一步擴展，出現條帶狀集聚；中等水平縣域環繞高和較高水平區在全省連接成片；較低水平縣域多位于呂梁山區和五臺山區，主要受自然條件影響，生產、生活功能較差，進而綜合功能較低；大寧縣是唯一的低水平縣域，其生產、生活、生態功能均不突出。總體而言，“三生”綜合功能提升明顯，但提升原因并不相同，需要結合區域實際，因地制宜，提升生產功能，滿足生活功能，維護生態功能，以促進“三生”功能平衡協調發展。

圖5 2005-2018年山西省“三生”綜合功能時空分異

3.2 山西省“三生”功能動態變化分析

為了解山西省生產、生活、生態以及“三生”綜合功能的相對變化程度及協調性情況，分別通過公式(2)—(4)計算2005—2010，2010—2018年山西省“三生”功能動態度、標準差和優勢度，結果如表3所示。

表3 2005-2018年山西省縣域生產、生活、生態和“三生”綜合功能動態度數量變化

山西省“三生”功能相對變化程度較小，總體處于緩慢退化/緩慢提高階段，“三生”功能有待進一步改善(表3)。2005—2010年生產功能緩慢退化與緩慢提升并存，但綜合而言生產功能略微提升，2010—2018年緩慢退化縣域占比擴大，緩慢提升和快速提升的縣域占比均有下降，生產功能總體出現下降。2005—2010年生活功能處于提升階段，部分為緩慢提升，多數為快速提升，到2018年絕大多數縣域處于快速提升階段，表明隨著城鎮化進程加快，生活功能持續提升。2005—2010年生態功能同樣為緩慢退化與緩慢提升共存，但有超過半數的縣域為緩慢提升，2010—2018年，59%的縣域生態功能為緩慢退化，故而生態功能先提升后降低波動變化，但變動幅度不大。2005—2018年70%以上的縣域“三生”綜合功能呈現出緩慢提升的趨勢，表明山西省“三生”功能水平提升，土地利用多功能性活躍度增強。

如圖6和表4所示，山西省“三生”綜合功能協調性持續提高。2005年“三生”功能標準差折線總體上高于2010年標準差折線(圖6)，此外其“三生”功能標準差全距和均值都高于2010年，功能標準差趨小(表4)，表明山西省“三生”功能的協調性增強；同樣2018年功能標準差折線總體低于2010年，其全距和均值低于2010年，表明到2018年山西省“三生”功能協調性進一步提升。

注：圖中縣域序號0為太原市轄區，10為渾源縣，20為平順縣，30為陽城縣，40為榆社縣，50為運城市轄區，60為芮城縣，70為神池縣，80為襄汾縣，90為蒲縣，100為石樓縣，未標注的序號為其他縣域。

表4 2005-2018年山西省“三生”功能標準差變化情況

山西省“三生”功能單一化程度較高。2005—2010年生產、生活和生態功能動態度均值為2.14%，26.53%，7.56%，其中變化最大的是生活功能，功能變化優勢度為0.73，表明期間土地利用以生活功能為主；2010—2018年，功能變化最大的仍為生活功能，生產、生活和生態功能動態度均值為-2.15%，47.56%，-2.14%，相對于之前，生產功能下降了4.29%、生態功能下降了9.7%，而生活功能上升了21.03%，功能優勢度為0.91，表明期間土地利用仍以生活功能為主，而且利用程度提高。上述研究表明，山西省生活功能提升明顯，但生產功能亟待提高，生態功能有待維護，需要通過經濟社會轉型發展，逐步由單一生活功能為主轉向“三生”協調平衡發展。

3.3 山西省“三生”功能空間分異影響因素

3.3.1 空間自相關檢驗與模型選擇 空間計量學理論認為，在原有樣本觀測值獨立假設的基礎上，要綜合考慮區域位置及空間交互作用的相關關系[30]，需要先對被解釋變量進行空間相關性檢驗。本文以2005，2010，2018年“三生”綜合功能為被解釋變量，其Moran’sI指數為0.252 7，0.202 4，0.237 8，表明“三生”功能存在空間自相關，可以運用空間計量模型測度影響因素。運用Geoda軟件，進行最小二乘法診斷，由表5可知，空間誤差模型的LM和R-LM均通過了0.1水平的檢驗，因此選用空間誤差模型分析影響因素。

3.3.2 空間計量模型結果與分析 表6表明，山西省“三生”綜合功能水平與自然地理條件、自然資源稟賦、社會經濟因素等方面均有顯著關系。

山西省“三生”功能水平受制于自然地理條件。由表6可知，地形起伏度、降水和氣溫與“三生”功能呈負向作用，其中地形起伏度負向作用最大，系數由2005年的-0.042 0上升為2018年的-0.064 4，負向作用明顯，這反映了區域宏觀地理條件，山西省20%的平原河谷區域自然和社會經濟條件較好，產業基礎好，生產和生活活動頻繁，土地利用復雜，“三生”功能較高；80%的山地丘陵區域受自然條件限制，生態本底值高而生產、生活水平薄弱，土地利用較為單一，隨著人口向平原河谷集中，這種負向作用更為明顯。氣溫與降水共同影響農業生產而影響“三生”功能，對“三生”功能影響較弱。除2005年降水量均值高于500 mm外，其余年份相對較低的降水量與“三生”功能為負向作用，山西省耕地旱地多而水澆地少，降水量較少影響農業生產，但這種負向作用隨著高標準農田及水利設施的建設而呈現出弱化趨勢。氣溫同樣為負向作用，源于山西省地處高原，區域積溫較低而影響農業生產。

自然資源稟賦是影響山西省“三生”功能的重要因素，土地墾殖率和森林覆蓋率均為正向效應，是“三生”功能的基礎和保障。2010年、2018年土地墾殖率系數分別為0.062 3，0.061 8，出現略微下降，土地墾殖率直接影響農業生產功能和資源供給功能，隨著建設用地對耕地的擠占以及政策性退耕，耕地面積減少，正向效應降低，生產功能下降。森林覆蓋率系數逐年上升，反映了生態文明建設背景下，生態功能有所改善，進而保障生產和生活功能。

表5 2005-2018年山西省“三生”功能空間依賴性診斷

表6 2005-2018年山西省“三生”功能空間誤差模型估計結果

社會經濟因素是山西省“三生”功能的主要驅動力。由表6可知，產業結構為負向作用，地均固定資產投資和人均社會消費品額均為正向作用，受國家戰略布局和產業政策引導，山西能礦產業發展迅速，各縣域以礦產資源優劣而構建產業結構，致使產業畸形發展，直接影響生產功能，進而對“三生”功能產生負向效用，隨著山西省經改綜合示范區的確立，經濟社會轉型發展，產業結構逐步優化升級，產業結構系數出現下降，“三生”功能有所改善。近年來山西省經濟社會發展較為緩慢，對社會投資的依賴度高，固定資產投資成為推動發展的重要力量，對“三生”功能特別是生產功能有一定的促進作用，故而地均固定資產投資系數較高，2005—2018年該系數先上升后下降波動變化，受固定資產投資的推動作用影響，生產功能也呈現先上升后下降的趨勢。人均消費與“三生”功能之間的空間耦合較高，消費水平高的區域，“三生”功能水平較高。2005—2018年人均社會消費品額系數為先上升后下降的變化趨勢，同樣與生產功能變化趨同，這源于消費對生產的引導作用，此外該系數總體有了較大的提升，反映為生活功能的提升。

4 討論與結論

4.1 結 論

本文通過對山西省 “三生”功能進行量化識別，探究其時空動態演變及影響因素得到以下結論。

(1) 山西省“三生”功能空間分異特征明顯。2005—2018年山西省生產、生活功能的空間演變特征相似，高水平、較高水平及中等水平縣域沿河谷地帶集聚，形成中心—外圍的分布格局，低和較低水平縣域多數向山地丘陵區集中。生態功能的空間格局較為穩定，空間分布特征與生產、生活功能對立，高和較高水平縣域沿呂梁山脈、太行山脈、太岳山脈集聚，而低和較低水平縣域多數為生產、生活功能高值區，呈現出“東西高中部低”的分布格局。“三生”綜合功能水平整體為“南高北低，中部高東西低”的空間格局，2005—2018年“三生”綜合功能水平提升明顯，除表現為高和較高水平縣域的擴張并集聚分布外，還表現為多數縣域從低和較低水平提升至中等水平。

(2) 2005—2018年山西省生產和生態功能演變態勢呈波動變化，從以緩慢提升為主、緩慢退化為次變為以緩慢退化為主、緩慢提升為次，兩者功能呈現出先上升后略微下降的演變趨勢。生活功能提升明顯，處于快速提升階段，而“三生”綜合功能為緩慢提升態勢。從協調性方面來看，“三生”功能協調性逐年提升，但“三生”功能單一化程度較高，土地利用以生活功能為主，仍待“三生”平衡協調發展。

(3) 山西省“三生”功能影響因素趨于多元，主要體現在自然地理條件、自然資源稟賦及社會經濟因素等方面，影響作用正負明顯、主次鮮明。“三生”功能受制于自然地理條件，呈出負向作用；自然資源稟賦是“三生”功能的基礎和保障，是其重要影響因素，表現為正向效應；社會經濟因素則是“三生”功能的主要驅動力，“三生”功能會隨社會經濟發展變化而不斷進行自我調節。

4.2 討 論

研究表明山西省生產和生態功能波動變化，生活功能持續提升，與區域城鎮化進程吻合，但與其他省域如湖南省[23]、江蘇省[31]的研究結果存在差異：湖南省已逐漸形成了成熟的產業模式和城市發展模式，生產和生活功能持續提高，只需重視對生態環境的保護；江蘇省先天條件優越，城市化水平高，生產持續發展與生態不斷改善對已飽和的生活空間形成擠壓，其需要的是滿足高質量生活水平的需求。相比之下，山西省需要隨社會經濟轉型發展蹚出一條適合自身的提升模式和發展路徑，為此本文根據山西省“三生”功能時空分異特征及影響因素，結合山西省土地利用實際提出以下建議。

(1) 河谷平原區縣域在社會經濟快速發展的過程中，要合理調整功能演化方向，轉變只追求生產和生活功能的導向，進行社會經濟轉型發展，調整產業結構，轉變經濟增長方式，加大生態文明建設，推進綠色生產生活；

(2) 山地丘陵區縣域多為山西省生態功能區，其經濟社會的發展要與當地地形、氣候等生態條件相適應，在提升生產和生活功能的同時加強對生態功能的保護，重點發揮生態本底功能；

(3) 山西省“三生”綜合功能提升中，需要分析“三生”功能關系，明確“短板”功能，厘清功能提升順序，推動“三生”功能協調平衡發展。

本文通過分析山西省“三生”功能時空分異特征及影響因素，為合理進行土地利用、科學編制國土空間規劃提供了依據，但由于數據收集和量化方法的局限，指標間復雜關系有待考量。此外，“三生”功能間協同/權衡關系也需進一步探究。