喀斯特山區農村居民點“三生”空間耦合特征分析
——以七星關區為例

楊丹麗, 孫建偉, 劉 艷, 羅 靜, 趙宇鸞, 張 繼

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴陽 550025; 2.華中師范大學地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室, 武漢 430079; 3.重慶市氣象科學研究所, 重慶 401147)

伴隨新農村建設、新型城鎮化和城鄉統籌等重大戰略的深入推進，中國農村居民點正在不斷轉型與重構[1]，出現了鄉村人口流失的同時農村居民點用地面積反而不斷增多的悖象。建設用地擴張勢必導致鄉村生產空間與生態空間遭受擠壓，加劇鄉村功能空間結構失衡，引發“三生”空間產生矛盾沖突，帶來生態環境退化、資源衰竭和鄉村發展受阻等問題[2-3]。為此，十九大報告對鄉村居民生活質量、產業發展和生態環境提出了新要求，而喀斯特山區由于其特殊的地質條件，使鄉村農戶生計產業發展、基礎設施建設、生態環境保護方面相對滯后。因此，協調宜居、環境與發展之間的關系是盤活喀斯特山區鄉村經濟的關鍵，探索農村居民點“三生”空間的耦合協調關系對指導鄉村建設和發展具有重要意義。

文獻檢索顯示，國外鮮有直接研究“三生”空間的成果，研究內容主要集中于鄉村土地利用多功能變化[4]、功能間相互聯系及其效應[5]、土地利用功能耦合協調等[6]方面。國內學者運用數理統計、歸并分類和GIS空間分析等[7-8]方法，從全國、省級、經濟帶、城市群、典型村域等不同尺度開展了兩方面的研究：一是“三生”空間理論研究，包括其內涵辨析[9-10]、空間功能識別與分析[11]、空間分區與評價等[12-15]內容；二是“三生”空間的應用研究，其中成果較為突出的是基于“三生”空間的國土空間優化研究，涵蓋農村居民點優化布局[16-17]、鄉村空間重構與整治[18-19]、空間評價與功能調控等[20-21]領域。現有成果為統籌城鄉發展空間、優化鄉村發展布局提供了方法與思路，但以具體農村居民點斑塊為研究對象，分析鄉村“三生”空間分布格局及其耦合協調特征的研究較為鮮見。農村居民點作為鄉村人口生產生活的基本單元，在斑塊尺度上分析其“三生”空間功能的耦合特征，能夠更加精確地刻畫鄉村內部發展條件特征，進而面向鄉村社會經濟轉型中的“三生”空間優化，實現農村居民點空間功能提升和促進鄉村可持續發展。

畢節市七星關區作為典型的喀斯特貧困山區，面臨生態惡化和社會經濟發展滯后等諸多挑戰，生活、生產和生態功能趨于復雜化與多元化，在轉型發展過程中其公共服務、農業生產和資源環境亟待優化重組；同時，在鄉村振興戰略背景下農村居民點受自然要素、經濟發展、政策條件和文化風俗等多重因素影響，其“三生”功能地域分異明顯。鑒于此，本文以七星關區23 018個農村居民點斑塊為研究對象，基于“三生”功能間的互動機制建立指標體系，通過農村居民點“三生”空間耦合協調模型測算農村居民點“三生”空間耦合度與耦合協調度，以期為喀斯特山區鄉村社會、經濟和生態協調發展以及劃分農村居民點整治類型提供科學參考。

1 研究區概況

七星關區地處貴州省烏蒙山區腹地，地跨北緯27°03′—27°46′，東經104°51′—105°55′，總面積3 410.98 km2，地勢西南高東北低，海拔高度在456～2 110 m。截至2018年，全區轄10個街道、35個鄉鎮，農村人口達96.53萬人，農村居民點面積7 850 hm2。七星關區屬典型喀斯特地貌區，其生態系統的脆弱性和地質條件的特殊性是導致該區鄉村發展滯后、人地矛盾突出的重要原因。因此，選擇七星關區作為案例區，開展“三生”空間耦合特征分析對喀斯特山區推進農村居民點整治具有參考價值。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

2.1.1 數據來源 研究所需數據涉及空間數據和統計數據，其中空間數據包括：(1) 農村居民點用地數據，來源于七星關區2018年土地利用現狀圖(1∶1萬)；(2) 行政區劃數據，源于國家科技基礎條件平臺——國家地球系統科學數據中心(http:∥www.geodata.cn/)，數據時期為2018年；(3) 地形數據，分辨率為30 m，通過數字高程DEM提取，來自地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)；(4) 道路交通網絡數據，來自2018年地理國情普查數據庫；(5) 水文、地質數據來自貴州省七星關區環境地質圖矢量化；(6) 醫療、教育、購物點數據，通過行業部門調研和百度坐標拾取系統(http:∥api.map.baidu.com/)獲取，統計日期截至2018年末。統計數據為社會經濟數據，來源于《七星關區統計年鑒(2018年)》。運用ArcGIS 10.5工作平臺進行數據處理和分析，并對分析結果進行空間插值和可視化表達。

2.1.2 評價指標體系構建 農村居民點“三生”空間為鄉村人口提供基本生活保障、物質產品和生態服務，由于土地的多功能特性，生產、生活、生態空間能夠相互轉化，“三生”空間往往交疊存在，導致其用地邊界劃分較為模糊[11,22]。因此，本文結合七星關區農村居民點發展現狀，遵循數據科學性、系統性和可獲取性原則，從土地的多重功能中定性識別其主導功能，構建農村居民點“三生”空間綜合發展評價指標體系(表1)。其中，生活空間功能是指為農村居民提供醫療、教育、消費等服務的能力，能夠反映農村居民點生活便利程度，本文選擇醫療服務可達性、購物點可達性、教育服務可達性表征各農村居民點生活功能的便利程度；生產空間功能是指在鄉村范圍內，以農業生產為主導功能，為鄉村人口提供物質產品的能力與條件，選取農村居民點耕地面積、水源點可達性、距道路最近距離、農業人口、平均降水、平均日照時數表征各農村居民點的農業生產功能；生態空間功能是指為鄉村人口提供生態產品與服務，體現生態用地結構與生態安全的能力，本文選取農村居民點林地面積、草地面積、水域面積、坡度、地質災害綜合指數表征各居民點生態功能的強弱。采用極差標準化法消除原始數據量綱差異，運用熵值法[22]確定各個指標的權重。

表1 農村居民點“三生”空間指標體系

2.2 研究方法

2.2.1 核密度估計 核密度估計是一種基于非參數檢驗估計未知的密度函數，能夠直觀反映研究對象分布概率[23]。本文通過該函數對七星關區農村居民點的空間分布特征進行可視化，其原理為對每個要素點建立平滑的圓形表面，計算各要素點到參考位置的距離，然后對參考位置的所有表面值求和，建立這些點的峰值或核來創建平滑的連續表面[24]，核密度值的高低表示農村居民點在空間上的聚集程度。核密度估計函數為：

(1)

式中:f(x,y)為處于(x,y)位置農村居民點的核密度估計值；n為研究區農村居民點的數量；h為距離衰減閾值,即帶寬或平滑參數；k為核函數；di為農村居民點(x,y)距第i個農村居民點的距離。

2.2.2 高斯兩步移動搜索法 與一般兩步移動搜索法(2SFCA)相比，高斯兩步移動搜索法(Ga2SFCA)在搜索半徑內加入高斯函數表征距離衰減，消除在搜索半徑內可達性的均等化影響，體現空間機會累積思想[25]，能夠精確地表現出各農村居民點生產生活便利性程度。因此，本文用高斯兩步移動搜索法計算醫療服務、消費服務、教育服務、水源點的可達性。

第一步，對每個服務設施點j，設定其服務距離耗時為d0，形成一個以j為中心，d0為半徑的空間作用域，利用高斯函數對空間作用域內的所有農村居民點k賦以權重，并對加權后的居民點人口進行求和，得出服務設施點j所有潛在需求數量，再用服務設施點的供給規模除以需求數量，計算供需比Rj：

(2)

式中:Sj為服務設施點j的供給規模；dkj為農村居民點k到服務設施點j的最短耗時；d0為服務設施點有效服務距離的耗時；Dkj為設施點j空間作用域內居民點k的人口數量；G(dkj,d0)是考慮距離衰減的高斯函數,計算方法為:

(3)

(4)

由高斯兩步移動搜索法原理可知，不同服務距離內，農村居民點獲取的服務資源規模不同。與平原地區相比，山區鄉村人口出行時間成本較大，服務距離耗時設定過小會導致居民點獲取的服務資源規模無差異，但超出一定服務距離耗時又會影響鄉村人口的出行意愿。因此，選擇合理、科學的服務距離耗時是兩步移動搜索法的關鍵問題。本文根據七星關區路網現狀和不同等級道路的車速(高速公路90 km/h，國道70 km/h，省道50 km/h，縣道30 km/h，城市道路30 km/h，鄉道25 km/h，農村硬化道路20 km/h，機耕路15 km/h，匝道40 km/h，步行5 km/h)，結合ArcGIS網絡分析工具，建立O-D(Origin-Destination)成本矩陣，計算各農村居民點到服務設施點的最短耗時。參考空間可達性研究的相關成果，認為平均最短耗時為最優服務距離耗時[26]。

2.2.3 “三生”空間耦合協調模型 “三生”空間具有空間交疊性和功能復合性，導致三者間存在相互作用與相互脅迫的互動關系，而耦合度模型是測度兩個及兩個以上要素協同作用效應的科學方法[27-28]，因此，本文引入耦合度模型測度生活空間、生產空間、生態空間相互作用關系，其模型表達為：

(5)

式中:C為農村居民點“三生”空間之間的耦合度,C∈[0,1],其值越大說明相互作用越強烈；Ri,Pi,Ei分別為農村居民點生活空間、生產空間、生態空間的綜合評價值；i為農村居民點編號,取值1～23 018。為進一步分析喀斯特山區農村居民點“三生”功能兩兩之間的耦合作用關系,耦合度模型可表達為:

(6)

參考已有研究成果的分類標準[26]，結合喀斯特山區農村居民點生活、生產、生態功能的耦合情況，將耦合度劃分為4個等級：(0.0,0.3]低水平耦合，(0.3,0.5]拮抗耦合，(0.5,0.8]磨合時期，(0.8,1]高水平耦合。

在利用耦合度探索農村居民點“三生”功能之間相互作用程度的基礎之上，需深入分析各功能之間協調發展水平。基于此，本文引入耦合協調度對農村居民點“三生”功能之間的協調發展水平進行測算，其計算模型為：

(7)

式中:D為耦合協調度；C為耦合度；T為農村居民點生活、生產、生態功能綜合評價值；α，β，λ分別為生活、生產、生態功能空間待定系數,且α+β+λ=1。在已有關于鄉村功能研究基礎之上[28],考慮到生活、生產功能對農村居民點發展同等重要,但略大于生態功能的貢獻率,故將待定系數確定為α=0.35,β=0.35,λ=0.3;“三生”功能兩兩耦合協調度模型可表達為:

T1=αRi+βPi

T2=βPi+λEi

T3=αRi+λEi

(8)

式中:測算生活功能和生產功能耦合協調度時待定系數均確定為0.5,當生態功能參與測算時,生態功能的待定系數確定為0.45,生活、生產功能待定系數確定為0.55。運用均勻分布函數法[25]將耦合協調度分為10個等級:(0,0.1]極度失調、(0.1,0.2]嚴重失調、(0.2,0.3]中度失調、(0.3,0.4]輕度失調、(0.4,0.5]瀕臨失調、(0.5,0.6]勉強協調、(0.6,0.7]初級協調、(0.7,0.8]中級協調、(0.8,0.9]良好協調、(0.9,1]優質協調。

3 結果與分析

3.1 農村居民點及其“三生”空間分布特征

整體上，農村居民點呈現出“大散居、小聚居”特征(圖1)，其平均斑塊密度為0.15個/km2，平均面積密度為2.31 hm2/km2。從數量密度來看，高密度區主要集中在北部地區、西部以及各鄉鎮駐地周圍；從面積密度來看，高密度區主要分布在中心城區和西部地區。表明北部地區農村居民點斑塊較多但是面積相對較小，這主要是由于北部地區相比于西南地區坡度較大，限制了農村居民點建設與擴張，而集中成片且面積較大的農村居民點則位于中心城區和西部地區，中心城區的交通便利性與就業機會增加了周圍農村居民經濟收入，促進農村居民點的建設。

生活功能空間綜合指數表現出較強的中心城區指向(圖2)，總體呈現由中心城區向四周逐漸減弱的環狀衰減特征，遠離中心城區的東北地區與西南地區，其生活空間功能愈弱；生產功能空間綜合指數則表現出較強的南北差異，南部地區耕地資源與光照資源豐富、獲取水資源較為便利、加之鄉村人口密集，以上條件使得南部地區更有利于鄉村人口進行農業生產。而生態功能空間綜合指數最低值則主要出現在西南部地區，該區林地面積較少，地質災害綜合指數較大，導致其生態安全保障與生態服務功能較弱。

3.2 農村居民點“三生”空間耦合協調特征

七星關區農村居民點“三生”空間耦合度值介于0.14～0.94，整體呈現出由中心城區向四周逐步減弱的環狀衰減特征(圖3)，且空間異質性弱，大多數區域處于低耦合時期(42.90%)與拮抗時期(37.15%)。耦合度大于0.5的區域主要集中在經濟條件較好的中心城區，低值區主要分布在西南地區和北部低海拔地區。耦合協調度與耦合度空間分布特征具有高度的一致性，且整體耦合協調度不高，其值介于0.15～0.60，即處于嚴重失調、中度失調、輕度失調、瀕臨失調、勉強協調、初級協調范圍，且以中度失調和輕度失調為主，占比分別為36.84%，25.00%。耦合度與耦合協調度低值分布區遠離城鎮，基礎生活設施配套落后，以發展第一產業為主，但耕地資源匱乏且破碎，逐漸出現對耕地過度開發與利用，強烈的生產活動導致生態環境受到破壞，農村居民點的生態空間功能處于劣勢地位；耦合度與耦合協調度高值分布區鄰近中心城區，城市化發展促進社會經濟活動較活躍地區產業升級與增收，良好的經濟收益帶動基礎生活設施空間擴張與合理布局，在政策約束、意識主導下，社會經濟發展向好區域通過一系列空間規劃手段協調生產空間與生態空間的關系，引導生活、生產、生態空間相互制衡，表現出良性耦合特征。

圖1 七星關區農村居民點分布密度

圖2 七星關區農村居民點“三生”空間功能分布特征

圖3 七星關區農村居民點“三生”空間功能耦合度與協調度空間分布特征

3.3 農村居民點“三生”空間兩兩耦合協調特征

圖4顯示，七星關區農村居民點“生產—生態”功能的耦合度與耦合協調度明顯高于“生活—生態”、“生活—生產”功能的耦合度與協調度，整體協調耦合水平相對較高。其中耦合度值介于0.73～0.99，除南部地區部分鄉鎮處于磨合時期外，其余地區均達高水平耦合狀態；耦合協調度以勉強協調為主，瀕臨失調次之，且主要分布于中心城區周圍和北部地區。表明七星關區農村居民點生產功能與生態功能之間相互作用效應較強但協調發展水平較弱。鑒于土地面積有限，生產功能與生態功能存在空間競爭關系，因而農村居民點“生產—生態”功能通常處于強烈相互作用狀態。在鄉村振興戰略與生態文明建設背景下，鄉村生態環境與產業發展逐漸受到重視，通過發展生態旅游經濟和林下經濟，同時充分利用高山生態環境，打造特色高原蔬菜產業，有效地協調農業生產與生態環境之間的關系，使“生產—生態”功能協調水平逐漸向好。

農村居民點“生活—生態”功能耦合度多處于低耦合時期(北部地區和西南地區)和拮抗時期(中心城區周圍地區)，分別占比53.71%，33.47%；耦合協調度的空間異質性較弱，74.22%的區域處于嚴重失調狀態。整體上，七星關區農村居民點“生活—生態”功能的耦合協調水平由中心城區單一高耦合協調核心區逐步向外擴散減弱。說明該區鄉村在發展過程中，生活功能占絕對優勢，生態功能處于弱勢地位，此現象在遠離中心城區的偏遠山區尤為明顯。究其緣由，七星關區地勢破碎致使基礎設施建設難度大，加之農村居民點較為分散，導致基礎設施覆蓋面較窄；鄉村人口環境保護意識薄弱，基礎設施后續維護機制不完善，鄉村生活垃圾不能有效處理等原因可能會弱化農村居民點的生態功能，導致“生活—生態”功能耦合協調處于較低水平狀態。

農村居民點“生活—生產”功能耦合度介于0.05～0.95，多處于低耦合時期，其占比高達73.05%；耦合協調度則呈現出較強的南北差異，北部地區多處于嚴重失調狀態，南部則多處于中度失調狀態。整體上，七星關區農村居民點“生活—生產”功能的耦合協調特征與“生活—生態”功能耦合協調特征相似，即呈現出由中心城區向外圍逐漸減弱的環狀衰減特征。表明該區社會經濟發展落后，農業產出維持鄉村人口生計和保障基礎生活設施建設的能力較為薄弱。

圖4 七星關區農村居民點“三生”空間功能兩兩耦合度與耦合協調度空間分布特征

3.4 農村居民點及其“三生”空間優化啟示

生活—生產—生態空間協調發展立足于人地協調發展理念，以提升生活質量為終極目標，其協調狀況在一定程度上決定著區域經濟發展模式、鄉村人居環境優劣與新型城鎮化進程。但就目前七星關區農村居民點“三生”空間分布特征及其耦合協調狀況來看，生產空間南北差異顯著，基礎生活設施空間分布規劃不當導致缺乏區域公平性，生態空間受到擠壓且總體生態服務功能較弱，進而共同引發“三生”空間協調狀態呈較弱水平。為此，結合實際情況提出以下空間優化整治與功能提升的針對性建議：

(1) 合理引導基礎設施擴建，提升生活空間質量。針對東北部地區醫療服務、教育服務與消費服務的便捷性較差，宜居空間主要集中于中心城區的情況，應結合喀斯特山區特殊地形、空間管控邊界與鄉村人口需求，合理確定基礎服務設施的位置與規模，堅持以人為本大力推進基礎設施服務均等化，完善基礎服務設施后續維護機制，從而提升基礎設施服務管理水平與服務水平，為鄉村人口創造更方便、更優質、更公平的公共生活空間。

(2) 充分發揮區域農業優勢，提高生產空間效益。鄉村振興戰略要求農村產業發展的質量與效益同步提升，因此，要根據區域優勢因地制宜發展特色產業。七星關區西南部農業耕種條件相對較好，應充分發揮區位與農業生產優勢，科學調整耕種作物類型與耕作方式，通過挖掘農產品產業鏈實現農業生產集約化、規模化、產業化；同時應注重農業技能提升與專業指導人才引進，為農業結構升級和生產技術更新提供人力資本。東北部資源稟賦匱乏，耕作條件相對落后，可依托當地民族文化特色，高效運用有限的生產空間，發展農田自然景觀和農業耕作體驗區，形成特色鄉村旅游產業；同時經營與鄉村旅游相適應的鄉村商業區，如農家樂、鄉村度假酒店等，以此差異化實現全區生產空間高效益產出。

(3) 切實加強資源環境保護，優化生態空間功能。喀斯特山區人地矛盾問題是其生態脆弱的關鍵原因之一，應堅持綠色發展觀與可持續發展觀，積極探索低資源消耗與環境損傷產出模式，強化空間規劃與法律監督“雙約束”，破解產業發展與資源環境保護間的矛盾；開展生態空間規劃整治，注重生態景觀多樣性保護；樹立鄉村人口生態環境保護意識，引導鄉村人口積極參與生態環境保護；從規劃、法治、意識全方位提升生態功能及其穩定性。

(4) 科學統籌鄉村聚落布局，增強鄉村發展勢能。喀斯特山區地形破碎，導致農村居民點空間布局散亂，不利于鄉村集中發展，應統籌規劃農村居民點布局。按照鄉村振興戰略的總體要求，根據農村居民點演變規律與分布現狀，結合農村居民點“三生”功能耦合協調狀態，分類指引農村零散居民點向中心村或城鎮集中，實現村莊適度集聚，便于基礎服務設施共建共享；農村居民點分類集聚后，綜合整治與鞏固較為分散的農用地與生態用地，利于促進農業集聚發展，益于維護生態空間的系統性，形成生活—生產—生態空間協調的合理結構，充分發揮鄉村發展潛力，為建設宜居、宜業的鄉村空間夯實基礎。

4 討論與結論

(1) 七星關區農村居民點空間分異特征顯著，其分布密度與地形、距城區距離有較高的空間相關性。整體呈“大散居、小聚居”特征，北部地區地形破碎導致農村居民點斑塊數量多、規模小，而中心城區及西部地區由于交通便利與就業吸引力的影響，其農村居民點分布相對較為集中。

(2) 七星關區農村居民點“三生”空間功能的空間異質性明顯。其中生活空間功能高值區主要分布在中心城區周圍，呈“核心—邊緣”模式，且圈層結構突出；生產空間功能高值區集中在南部地區，低值區分布在東北部地區，表現出較強的南北差異；生態空間功能的分布則較為零散。

(3) 農村居民點“三生”空間耦合度呈現低水平耦合、拮抗耦合、磨合耦合、高水平耦合4種耦合狀態，耦合協調度則呈現嚴重失調、中度失調、輕度失調、瀕臨失調、勉強協調5種類型。其耦合協調狀態由中心城區向四周逐漸變弱，服從“核心—邊緣”模式，總體上空間同質性較高。農村居民點“三生”空間兩兩間耦合協調特征中，“生產—生態”之間的耦合協調狀態較好，而“生活—生產”、“生活—生態”間的耦合協調狀態較差，但均表現出較強的中心城區指向。

本研究立足于“三生”空間理論，結合喀斯特山區農村居民點特質性構建耦合協調評價體系，基于農村居民點斑塊尺度定量分析了喀斯特山區農村居民點“三生”空間功能之間的互動關系，可為農村居民點整治與空間重構提供一定理論支撐。但農村居民點“三生”空間功能具有動態性與復雜性，加之數據收集的局限性，本文在評價指標體系構建與評價因子量化方面有待進一步驗證。此外基于更科學的“三生”空間評價指標體系，劃分農村居民點整治類型，提出鄉村空間優化思路將是下一步研究重點。