生產-生活-生態空間格局演化及其分析技術研究進展

王皓天， 鄭少鑫， 王穎超， 王林申， 蔣偉春

(1. 山東建筑大學 建筑城規學院， 山東 濟南 250101； 2. 濟南大學 a. 商學院， b. 土木建筑學院， 山東 濟南 250022；3. 中天昊建設管理集團股份有限公司， 山東 東營 257091)

改革開放以來，我國城鎮化快速發展，城鎮建設用地不斷擴張，國土空間利用出現了一定程度的無序開發，導致農業和生態空間受到擠壓，土地資源利用與生態環境保護的矛盾突出。《中共中央國務院關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》中明確提出“應科學布局生產、生活、生態空間，加強三者協調性”。生產、生活、生態空間(簡稱“三生空間”)是國家推動優化國土空間開發等重大政策的抓手，其空間格局演化研究成為重要依據和基礎。

與國土空間政策調整同步，學界對于“三生空間”領域的研究也越來越多。2012年，中國共產黨第十八次全國代表大會報告中提出“促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”，學界迅速響應并取得了許多重要的研究成果。隨著研究進入深化階段，“三生空間”格局演化研究逐漸成為備受學界關注的熱點課題，國內很多學者均在此領域有所建樹。

本文中選取中國知網(CNKI)期刊全文數據庫以及《中文核心期刊要目總覽》數據庫作為文獻分析的期刊來源，檢索標題為“三生空間”的文章作為研究對象，從“三生空間”整體研究進展、空間格局演化研究脈絡和演化分析技術3個方面進行歸納總結，展望未來研究發展趨勢。

1 “三生空間”研究進展

“三生空間”是空間規劃中涉及的一個概念。生產空間是人們從事生產活動的特定功能區域，生活空間是人們日常生活活動使用空間，生態空間是具有生態防護功能的、可提供生態產品和生態服務的地域空間。“三生空間”既相互獨立，又相互關聯，具有共生融合、制約效應。“三生空間”中3類空間的功能性質多數是復合的，生產、生活、生態僅代表其主導功能，且三者之間是動態變化的[1]。以下從5個層面闡述多元化靶向的學界研究進展。

1.1 “三生空間”的理論內涵與框架

在“三生空間”理論誕生之初，其內涵、特征與影響因素的本質探討尚需明確。劉燕[2]在邏輯層面給出解釋，闡述了“三生空間”與社會文明的聯系及其具體作用，與同時期其他學者共同為“三生空間”奠定了理論基礎。為了進一步厘清“三生空間”的內涵，孔冬艷等[3]運用地理加權回歸模型(GWR)專門針對生態空間特征以及影響因素開展研究，深化了單一類型“三生空間”的細分領域。江曼琦等[4]針對“三生空間”范圍的界定爭議問題，提出不同尺度、不同標準、復合功能、非“三生”4類設想，明晰了“三生空間”的范圍。魏超[5]就生態文明與國土空間利用質量進行了疊合研究，對國土空間利用協調發展對策提出相應建議，是國土空間規劃背景下的有利探索。面對鄉村領域，陳實等[6]搭建了基于“三生空間”協調內涵的鄉村土地綜合整治框架，圍繞鄉村實際問題給出了相應的措施建議。

1.2 “三生空間”的用地分類體系

關于“三生空間”分類體系的研究可分為3類。第1類是以張紅旗等[7]為代表的流程研究派，他們提出“先功能、再分類”觀點，規范“三生空間”的分類流程。第2類是以肖蕊等[8]為代表的量化評價派，提出了評價標準量化劃分體系，并將原有的3類功能用地詳細劃分為6類功能用地，增進了生活、生產、生態空間的相互結合。第3類是以張永蕾等[9]為代表的自然資源主導派，提出引入自然資源相關性概念，利用多源空間數據進行分區劃定，將土地初步分為2類再行細分，增強自然因子所占權重。

1.3 “三生空間”用地的定量識別

目前，“三生空間”定量識別的研究熱點主要體現在技術層面的充分運用。眾所周知，遙感影像是“三生空間”研究的主要支撐資料。常見方法是影像圖矢量識別，例如于正松等[10]根據研究區Google地圖高清影像進行空間關聯與判讀，實現用地現狀矢量化。目前還有許多其他方法，如：李欣等[11]運用地理探測器識別“三生空間”分異特征，并進一步闡釋形成肌理。武子真[12]指出可以通過構建沖突測度模型實現“三生空間”識別，此方法將空間沖突可視化，幫助識別重點問題區域的范圍。近年來，學界有將地理信息系統中的興趣點(POI)數據提取和應用技術融入遙感影像之中的嘗試，例如：郭嶸等[13]利用特爾斐法和多方案決策(AHP)法對所獲取的POI數據進行分類賦權，有效彌補了影像圖紙的不足。石杰鋒等[14]運用地理信息系統(GIS)平臺實現了與POI數據的點面連接，大幅提高了“三生空間”識別的準確率。針對POI數據在地理區位、發展制約等方面的局限性，李廣東等[15]提出以生態系統服務價值評估為基礎，進行定量識別，有效彌補了POI數據提取方法的缺陷。

1.4 基于“三生空間”關系的土地整理與利用優化布局

在土地整理方面，主要有2個學術研究方向。其一是理論創新方向。李偉松等[16]將“三生空間”理論與鎮域農村居民點整治相結合，形成概念上的融合拓展。其二是技術實踐方向。沈悅等[17]綜合運用圖層疊置法、區位商法、多指標綜合評價法和距離法，細化城鄉交錯區的整治分區，實現技術運用層面的突破。土地利用優化布局是多數“三生空間”理論研究的最終實踐導向，這部分研究具有典型的成果轉化意義。朱媛媛等[18]基于凈初級生產力(NPP)生態空間評估模型，構建了“三生空間”區劃指標體系，并結合GIS平臺定量空間范圍，提供土地整理新方案。鄭洋等[19]利用最小累積阻力(MCR)模型分析方法，通過阻力差值確定空間適宜區，優化“三生空間”布局，推進了數字模型的合理運用及其在“三生空間”布局導引領域的功效施展。

土地利用優化布局研究需要大量的數據支撐，所需數據具有顯著的時間與空間屬性。學術界已經將單純的空間范疇從空間類別劃分、用地定量識別等諸多方面進行了深入探索，目前掌握的成果已可以為優化布局方案提供可靠依據；但是，僅依靠同一時期的橫向比較數據很難掌握“三生空間”演化的動力機制、發展趨勢，因此，近年來又有部分學者關注到了“三生空間”格局演化的研究命題。該領域強調應考慮“三生空間”的動態變化性，應通過合理的技術手段監測并獲取不同時期的情況，通過縱向對比實現洞悉空間格局演進的產生機制、影響因素與作用路徑等多個方面。這一命題將“三生空間”研究推向了更加深入的階段，正逐漸成為“三生空間”領域的主要熱點之一。

1.5 “三生空間”深化研究方向

目前，學界對于“三生空間”基礎理論的研究日漸完善，5大基礎研究方向明確，已構建出“三生空間”基礎研究框架體系。結合新興技術的發展，“三生空間”研究進入深化階段，即對于空間格局演化成因及其特征影響的深入研究。

2 “三生空間”格局演化研究脈絡

“三生空間”功能協同演化機制的建立和優化，是實現國土空間系統整體功能穩定發展、提升的前提和基礎[20]。自然背景和社會發展條件不同，不同區域“三生空間”演變機制也有所差異[21]。

2.1 鄉村“三生空間”格局演化

從鄉村研究的微觀空間尺度來看，方方等[22]以農戶行為作為出發點，研究鄉村“三生空間”演化的動因。從行為角度解釋空間演化特征，是學術領域對該問題的良好嘗試，也是微觀尺度研究特點的充分體現。高慧慧等[23]擴大了分析范圍，開展“三生空間”的耦合協調度調查分析，并將此結果運用在村莊布局的優化中，發揮了融合“三生空間”的作用。結合鄉村振興戰略背景，林銀大等[24]從村民角度分析“三生空間”存在的問題，并提出了極具針對性的整合策略。Yang等[25]運用耦合協調度模型(CCDM)探討鄉村三大功能空間之間的時空特征。同時，還有部分學者以鄉村旅游為切入點，研究鄉村“三生空間”融合、優化發展的路徑與措施[26]。

2.2 城市“三生空間”格局演化

在更大的空間尺度，學界投入了更多的力量。行政區劃的限定使得市域單元成為常見的研究范圍。崔家興等[27]在行政區劃的基礎上增加了空間圈層的視角，從2個尺度分析了湖北省武漢市及其城市圈的“三生空間”演化特征，探索了行政管理等對空間格局演化的影響。在內部聚焦的尺度下，劉濤等[28]完成了“三生空間”重心演化遷移等方面的分析，從空間分布演化規律入手總結趨勢特征。此外，針對山區等特殊地形地貌區域的研究也開始出現，冀正欣等[29]認為僅依靠二維空間分析不足以描述特殊地形地貌區域特征，為此進行了從垂直梯度上分析“三生空間”的轉移方向，得出了生產-生態空間向低海拔、低坡度地帶轉移的結論，通過立體化的思路豐富了“三生空間”格局演化研究的方式。迅速響應政策背景和行業需求是“三生空間”研究的另一大特點。結合“碳達峰”“碳中和”熱點問題，林剛等[30]對“三生空間”的碳代謝進行分析研究，闡述“三生空間”格局演化與區域碳排放量的關聯性。林佳等[20]總結歸納得到國土空間背景中“三生空間”功能的協調演化機制(見圖1)，可為后續的國土空間規劃編制工作提供可靠依據。

2.3 城市群“三生空間”格局演化

針對城市群這一宏觀角度，劉鵬飛等[31]對于長江經濟帶108個地級市的空間耦合分析，從區域宏觀角度剖析“三生空間”的集聚效應。針對同為重要經濟區域的珠江三角洲城市群，李奇等[32]以土地為抓手深入分析，得到各類功能空間的優勢區。金星星等[33]通過構建“三生空間”功能性指數，探討了近15年來閩三角城市群的時空分異格局。針對我國西南部城市群受地形影響大的特點，劉濤等[28]采用區縣結合由點到面的分析方法，得到功能耦合協調度曲線。Zhao等[34]對長江中游城市群的分析中，通過泰爾指數和探索性空間數據分析(ESDA)測量流域內2類城市之間的“三生空間”的區域差異。Deng等[35]進行了“三生空間”網格單元分析，以尺度為1 km×1 km(長度×寬度)的矢量網格覆蓋研究區域，統計得分繪制格局圖。這類分析宏觀度高，總結性強。還有部分研究是以省域為研究單元，融合各種地形地貌， 更加側重于與國土空間系統的結合匹配，如福建省[36]、江西省[37]、吉林省[38]、山東省[39]等，從空間功能耦合、經濟生產分析、人類活動強度等角度進行深入分析，協調利用省級行政區內的自然經濟與人文資源，取得了許多有價值的學術成果。

圖1 國土空間系統“生產-生活-生態”功能協調演化機制理論框架圖[20]

3 “三生空間”格局演化分析技術

3.1 微觀尺度

“三生空間”協調度模型是微觀尺度分析技術的典型代表。該模型利用核密度估計、指標權重重構等方法作為支撐[23]，是分析具體空間聯系的常用方法。土地利用轉移矩陣作為考察不同土地利用類型相互轉化的常用方法，可以對某一區域一定時段內各種土地利用類型的演變方向與程序進行精確刻畫[40]，土地利用轉移矩陣模型通過計算測量周期內不同類型土地的面積轉換數量，得到土地的演變方向，是一種科學、 精確的空間格局測度方法。

微觀尺度分析技術的另一特點是以人為本。楊源源[41]融入人的因素，采用問卷調查和半結構訪談的方法，分析村民的實際需求。這類傳統的調研方法仍是微觀尺度研究中不可或缺的分析環節。吳清等[42]對觀察法進行深化，采用參與式觀察法，增強體驗與互動，明晰“三生空間”變化對于村民的影響，是對傳統調研方法的創新與改良。針對微觀尺度調研中存在的主客觀矛盾，馬穎等[43]提出“可能-滿意度”分析模型，從主觀需求與客觀供給2個方面得到生態空間的最優承載力，克服了主客觀偏離的矛盾，實現供給與需求的對接。

3.2 中觀尺度

多元利用是目前學術界的主流趨勢。GIS平臺是中觀尺度調研中的基礎平臺，許多技術都是基于此進行的拓展深化。林伊琳等[44]將原本用于景觀格局分析的地學信息圖譜技術融入“三生空間”演化特征分析中，通過分析不同時間點上各子空間類型的圖譜變化，探尋區域差異。同時，文獻[44]中還引入了高練等[45]所提出的土地利用變化動態度模型，利用“三生空間”土地利用動態度定量描述區域“三生空間”利用變化的速度。徐磊[46]將數字高程模型(DEM)與GIS平臺地表分析相結合，為揭示地形與空間之間的相互關系提供了技術支撐。針對空間功能分析問題，金星星等[33]運用空間功能測度模型，通過生產空間指數、生活空間指數、生態空間指數三者加權求和得到的數值判斷縱向演進變化，數值越大功能性越強。該技術手段更加客觀科學地判斷功能性水平，更加強調空間功能的數字化。同樣是數字化方向，陳坤[47]提出了基于數據包絡分析(DEA)模型的“三生空間”用地配置結構效率分析方法，其綜合運用DEA中的Charnes-Cooper-Rhodes(CCR)模型和Banker-Charnes-Cooper(BCC)模型，對“三生空間”用地的配置進行效率評價，進而分析省市單元的時空變化特征。Zhao等[48]利用空間自相分析方法，探究贛江上游景觀生態風險時空分異。

3.3 宏觀尺度

空間沖突一直是宏觀區域研究的熱點，但空間沖突模型擁有許多不同的構建因子。陳竹安等[49]利用空間復雜性、空間脆弱性以及空間穩定性3個因子構建沖突模型。王珊珊等[50]是從外部壓力、脆弱性以及穩定性3個層面進行評價。周德等[51]利用復雜度、動態性和脆弱性進行模型構建，可以看出空間沖突模型具有多元可能，應用范圍廣，靈活性強。Wang等[52]將空間沖突與動態模擬結合，采用多元線性邏輯回歸(MLLR)、多準則評價(MCE)等技術預測未來土地利用格局，建立基于景觀的空間沖突模型。針對空間承載力問題，歐惠等[53]利用障礙度診斷的技術方法，從因子貢獻度、指標偏離度和障礙度3個層面分析確定影響城市綜合承載力的主要驅動要素。在宏觀尺度的研究中，關于功能評價的分析方法所占比例較高，學界對該方法的運用較為成熟，主要思路為評價指標選擇和體系建立—指標權重確定—結果分析，此處不再一一贅述。

隨著數字經濟的發展，學界逐漸關注到“三生空間”與數字經濟的結合分析，如：劉新智等[54]構建基準模型，通過數字經濟發展指數、時間和地區效應、城市綠色轉型水平等因子分析數字經濟發展影響城市綠色轉型的作用機理，將“三生空間”這一物質空間本體與經濟、數字及虛擬技術結合起來。面對資源優化問題，李奇等[32]基于比較優勢指數(NRCA)模型，分析宏觀尺度城市群“三生空間”資源優勢度。該模型主要用來表達某一空間資源存在的競爭優勢度，NRCA值越大， 該區域的優勢度就越強，實現了資源比較優勢的量化分析。Wu等[55]使用以資源環境承載力評價和地域空間發展適宜性評價為體系的新型未來土地利用模型，即雙重環境評價模型(DEE)對粵港澳大灣區 “三生空間”未來發展趨勢進行預測，這是目前較為前沿的宏觀尺度技術手段。

4 展望

4.1 強化多情景模擬仿真

“三生空間”格局演化研究的重要導向是對未來的預測，既有動力機制的掌握及其中大量模型的應用是預測型研究科學性的基本保證。近年來，國內“三生空間”格局演化的模擬仿真研究逐漸興起，結合數理模型的模擬仿真是典型有效的量化方法。除經典的元胞自動機(CA)模型、馬爾科夫鏈模型(MARKOV)、人工神經網絡(ANN)模型被單一或組合使用于演化模擬[56-58]以外，常用的專業模型還有土地利用動態模擬(FLUS)模型[59]、整合土地利用模式(CLUE-S)[60]等。Jiang等[61]運用生態影響評估框架，集成了FLUS模型、共享社會經濟路徑(SSP)和生態環境影響方法，在分析評估生態影響的同時模擬城市潛在的生態影響。李晉宏等[62]運用MATLAB軟件對不同參數條件下的策略選擇進行“三生空間”仿真分析，是為數不多的多情景性研究。從國外研究情況看，隨著隨機效用理論和復雜系統科學理論的介入，越來越多的動態模型被應用于“三生空間”仿真分析。2005年以后，城市仿真模型UrbanSim、基于CA的城市生長模型SLEUTH、土地利用與交通整合模型TRANUS等仿真模型形成平臺并進行市場化應用[63-65]。與國內相比，國外研究更加注重行為、政策的影響，不同尺度下建設空間轉換、情景設置的客觀化、模型的校準程序以及將更多的社會經濟變量引入是正在努力的方向[66]。

4.2 適當聚焦中觀空間尺度

全國、 省域等宏觀尺度和市域、 縣域、 村莊等微觀尺度研究占據了既有成果中的多數， 都市圈、 城市-區域等中觀尺度與經濟帶等特定區域研究較少。 中觀尺度的視域既不等同于多城市組成的城市群，也不等同于單獨的城市或鄉鎮人民政府轄區和村域范圍，而是介于宏觀和微觀之間的一種中間狀態。在相關研究中可以使用城鎮密集區來概括中觀尺度區域空間的研究對象，與城市群相比，更能突出小城鎮在體系中的地位，但與單個城市相比，又強調了城鄉之間的縱向貫通性。考慮到既有微觀研究和宏觀研究中的分析技術差別，未來在中觀尺度也會有相關創新性的方法出現。

4.3 關注特色自然地理區域

無論是城市群、城市還是鎮村領域的研究，“三生空間”的研究對象多以完整的行政區劃單元為主體，更有利于研究的完整性和資料獲取的便捷性。自然地理環境在“三生空間”中發揮“底色”作用，具有一定特殊性的自然地理區域理應得到關注，環泰山城鎮密集區即是其中代表(見圖2)。該區域山水相連，歷史同源，生態共保，城鎮體系健全，更因環繞世界文化和自然雙重遺產泰山而具有典型性。在演化機制與模擬仿真方面，同樣鮮有對這類區域的參數分析。在既有人工智能算法基礎上，如何引入特異性的形態要素，如何將空間聯動測度、生態阻力面模型綜合，形成格局演化特征識別、機制構建與智能決策的集成技術體系并在自然條件類似區域推廣，是未來的研究內容。

圖2 環泰山城鎮密集區分布

4.4 優化技術模型運用

現階段， “三生空間”格局演化研究分析技術共有3點特征： 一是“三生空間”分析的技術模型底層同質化， 國內現階段的技術模型大多是基于GIS平臺的衍生分析， 其底層構架相似； 二是“三生空間”分析技術的多學科結合趨勢， 越來越多的分析技術涌現，呈現出多元結合態勢， 學者從經濟管理、 自然生態等領域引入模型與技術， 實現跨學科的技術突破； 三是對數據的時效性與規模要求提高， 現階段的分析方法大多是基于類同的數據基礎， 并從更長時間序列分析數據變化。 從未來研究需求看， 模型的精細化構建是導向之一， 模型間的綜合化應用是另一個導向。

5 結論

縱觀國內外相關文獻可以發現，近年來“三生空間”的研究熱點已經從基礎研究發展向深化研究階段演進。一方面，從技術上看，傳統空間分析方法與數字技術的結合已經成熟，眾多學者應用并創新了許多空間分析技術與模型，空間量化識別與功能分析技術的運用成為潮流。另一方面，從研究對象來看，宏觀與微觀尺度的研究較多，而中觀尺度的研究較少，導致空間尺度覆蓋范圍不足，未形成相關模式的總結，因此，未來基于中觀尺度的“三生空間”研究還有很大的研究價值和發展空間。同時，多元背景下的跨學科研究也是“三生空間”潛在的研究重點之一。