国土空间系统“三生”功能协同演化机制研究——以阜新市为例

林 佳，宋 戈，张 莹

（东北大学土地管理研究所，辽宁 沈阳 110169）

1 引言

国土空间系统是土地自然生态要素和人类社会经济要素相互作用下形成的动态复杂巨系统，具有多种功能[1-2]。自1978年改革开放以来，中国在快速工业化、城镇化进程中出现了城市生产和居住空间的无序发展、土地利用效率低下、生态环境污染等一系列问题，严重阻碍人类社会经济和生态环境的可持续发展[3-5]。对此，党的十八大提出的“要构建‘生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀’的‘三生’空间”，是从土地利用功能的角度对国土空间系统功能的高度概括，其根本目的是要实现国土空间系统“三生”功能的协作共赢，从而产生总体功能大于部分功能之和的协同效应[5-6]。因此，如何建立国土空间系统“三生”功能协同演化机制是当前亟待解决的科学问题，也是实现未来国土空间统筹规划实践的关键问题。

目前，针对国土空间系统“三生”功能协同演化机制的研究较少，相关研究多集中在“三生”功能的分类和评价[4-7]、“三生”功能格局特征与优化[8-10]和“三生”功能协调利用[1，11]上。这些研究均取得了丰富成果，但仍存在一些不足：（1）国土空间系统作为复杂巨系统，缺少从系统论的角度，描述其“三生”功能协同演化机制形成与演化的理论框架；（2）现有的研究忽视系统内部要素复杂“驱动—反馈”关系的动态演化过程，也较少对子系统间的多种协同作用关系进行分析；（3）研究方法存在无法实现对协同演化机制形成的快速识别，难以对协同作用关系进行定量分析和预测等问题。鉴于此，本文将协同学理论和方法引入到该问题的研究中。协同学是研究复杂系统协同演化结构形成规律的新兴科学[12]，现已被应用到多个领域的复杂系统演化机制研究中[13-15]。在方法上，哈肯模型 是协同学理论的主要研究方法之一，可以快速识别使系统产生有序性（协同性）的序参量，以及分析子系统间的相互作用关系，但该模型存在变量选取较为主观，难以对未来发展趋势进行预测的缺点。鉴于此，本文尝试将系统动力学模型[16-18]与哈肯模型相结合，以弥补这两点不足，从而更好地实现对国土空间系统“三生”功能协同演化机制的仿真、测算和预测。

阜新市作为典型的煤炭型资源型城市，长久以来，其城市发展以矿业经济为主要动力，国土空间系统也是以土地生产功能为核心。与其他功能相比，国土生产空间的发展具有较高优先度，由此带来城市建设用地和工矿用地的无序和过快发展，并对生态脆弱空间造成污染和破坏，国土空间系统“三生”功能的发展缺乏协同性。随着资源的枯竭，阜新市经济发展已进入转型时期，国土空间也亟需进行调整，以匹配新的城市发展需求；同时，生态脆弱空间的保护和恢复问题也亟待解决。因此，能否建立合理的国土空间系统“三生”功能协同演化机制，是其解决经济社会发展与自然生态矛盾的关键。

本文以辽宁省阜新市为研究区，从协同系统论的角度，提出国土空间系统“三生”功能协同演化机制的理论框架；运用系统动力学模型改进哈肯模型，分析国土空间系统“三生”功能内部“驱动—反馈”关系，识别研究区1990—2016年“三生”功能协同演化机制形成的序参量，定量分析其协同演化机制；预测2017—2030年研究区“三生”功能协同演化机制的变化趋势，提出实现其功能协同提升的优化对策，以期为研究区制定科学合理国土空间统筹发展政策提供依据。

2 国土空间系统“三生”功能协同演化机制理论框架

国土空间系统是通过人类土地利用行为将人类社会经济要素与土地自然要素进行有序的组织，形成具有一定时空结构和功能的自组织系统[12-13]。人类的土地利用行为具有丰富的目的性，系统功能正是为了实现不同的目的对系统整体及其要素进行组织，以获得其作用、能力、行为和功效[12]。国土空间系统“三生”功能就是将这些目的高度概括为土地生产功能、生活功能和生态功能。而“三生”功能又通过耦合协同作用构成国土空间系统。这个动态组织过程，形成了自下而上的系统层级结构（图1）。

图1 国土空间系统“三生”功能协同演化机制理论框架Fig.1 Theoretical framework of “production-living-ecology”spatial planning system functional evolution mechanism

国土空间系统“三生”功能的协同性是通过序参量的“役使”作用（支配原则），使系统内部结构进行有序演化的结果。序参量是一种用来描述系统的各部分间的微观相互作用如何产生宏观结构或行为的量[12-13]。系统各部分之间总存在相互关联的协同运动，运动中有许多控制参量，分为“快变量”和“慢变量”，“慢变量”是主导子系统间协同系统演化的序参量。因此，序参量是系统协同演化机制形成的标志，每个“三生”功能均有可能成为系统的序参量。协同作用也以相互竞争、相互协作、共生（偏利共生、互利共生）等多种形式存在。序参量的支配行为又称为“役使”作用，它维持了系统各个部分的有序性，当支配原则失效时，混沌就出现了[12]。因此，在一个系统中混沌与有序总是同时存在，而协同作用是维持系统有序性，即维持系统特定功能的前提。这就使成为序参量的子系统具有两个“目标”：一是，通过支配原则，支配系统底层的要素层形成小尺度的要素协同作用；二是，促使系统顶层形成宏观尺度的“三生”功能耦合协同，进而形成系统由底层到高层的整体协同。这个“协同作用—序参量—支配原则”的循环，成为形成国土空间系统“三生”功能协同演化的核心机制。

除核心机制外，系统分内部要素层与“三生”功能层的“驱动—反馈”机制也是构成国土空间系统“三生”功能协同演化机制的重要部分。其中，土地自然生态要素对土地生态功能和生产功能有直接的驱动作用，这是因为这两个功能对土地自然生态要素的变化具有较高的敏感性，而土地自然生态要素对土地生活功能具有间接的驱动作用。人类社会经济要素对土地生活功能和生产功能具有直接的驱动作用，对土地生态功能具有间接的驱动作用，这是因为人类社会经济活动主要的目的是获取土地生活功能和生产功能，对土地生态功能的影响往往滞后于这两者。“驱动—反馈”机制成为“三生”功能层与要素层之间的主要演化机制，而“协同作用—序参量—支配作用”机制则成为了系统同层级之间，以及宏观有序（最顶层）的主要演化机制，二者相结合形成了国土空间系统“三生”功能完整的协同演化机制。

同时，若要维持国土空间系统“三生”功能协同演化，除了必须形成系统内部的协同演化机制外，也要保持该系统的开放性，即不断实现自然生态和社会经济要素在系统内部和外部的输入和输出。

3 研究区概况与数据来源

3.1 研究区概况

阜新市位于东经121°01′～122°55′E，41°41′～42°51′N，是辽宁省西北部地区的中心城市，为沈阳经济区重要城市之一。处于内蒙古高原和东北辽河平原的中间过渡带，属于农牧交错带，自然环境脆弱，易发生旱灾。阜新市下辖两县五区、一个国家级高新技术产业开发区、两个省级产业园区。阜新市矿产资源丰富，已发现各类矿产46种，占全省已知矿种的42%。阜新市是新中国最早建立起来的能源基地之一，是典型的煤炭型资源型城市。阜新已经进入“资源枯竭”的发展阶段，逐渐转型为以现代农业和制造业为主的城市，但矿业经济仍然占有很大比例，截至2016年底，全市矿山企业从业人员仍有19 681人。脆弱的生态基础与单一的经济发展方式，使阜新市更需要重视国土空间系统“三生”功能的协同发展。

3.2 数据来源

本文相关基础数据主要来源于《阜新年鉴》（1991—2016年）、《阜新统计年鉴》（1991—2016年）《辽宁统计年鉴》（1991—2017年）及阜新市统计部门的相关统计资料，部分变量通过基础数据计算得出；此外，“生态系统服务价值”采用谢高地提出的中国单位面积生态系统服务价值当量[19]进行计算。

4 国土空间系统“三生”功能协同演化机制分析模型的构建

4.1 系统动力学模型的构建

系统动力学模型构建的目标主要有两个：（1）清晰地表明国土空间系统“三生”功能内部各要素间“驱动—反馈”机制的演化过程[4-6]；（2）测算出可以体现“三生”功能动态变化的“三生”功能指数，从而实现对哈肯模型的改进和对未来演化机制的预测。

通过绘制“驱动—反馈”关系图，将系统中的主要变量均绘制进因果环中（图2），且需建立各个变量之间正确的方程式，来实现模型中变量的测算。本文构建的模型中包含了30多个方程，这些方程均根据系统动力学建模的基本方程公式计算得出：

（1）积累变量方程。

式（1）中：lvS（t）是t时刻累积变量值（需要注意的是，这不是关于时间t的函数）；rateS（t）是该积累变量变化的速率；inflowS（t）是输入的流变量；outflowS（t）是输出的流变量。

（2）速率方程。

式（2）中：rateS（t）是积累变量变化的速率；lvS（t）是t时刻积累变量值；aux（t），exo（t）分别是t时刻辅助变量和外生变量值；const是常数。

（3）辅助方程。

式（3）中：aux*（t）是除了待求辅助变量之外的其他辅助变量。

需要特别说明的是，系统动力学模型中 “土地生态功能指数、土地生活功能指数和土地生产功能指数”是分别表示土地生态功能、土地生活功能和土地生产功能水平高低的综合指数，通过以下步骤计算而得：首先，为将不同量纲的系统变量进行综合计算，采用对数Logistic模式[20]，将土地生态功能指数、土地生活功能指数和土地生产功能指数进行无量纲化处理；然后，采用层次分析法和熵值法相结合的方法[21-22]赋予各指标权重（w）；最后，运用综合指数法[21-22]，分别对土地生态功能指数、土地生活功能指数和土地生产功能指数进行计算，公式如下：

图2 阜新市国土空间系统“三生”功能演化的系统动力学流图Fig.2 The system dynamics flow diagram of “production-living-ecology” spatial planning system functional evolution in Fuxin City

一般情况下，应保证模型中70%的变量仿真值与历史真实值的相对误差控制在5%以内，全部变量的相对误差不大10%[16-18]。相对误差的计算公式为：

4.2 哈肯模型的构建

哈肯模型可以通过区分快变量和慢变量快速识别序参量，并能表现驱动力作用关系和作用机制[12-15]，进而实现对“协同作用—序参量—支配原则”协同演化机制的定量研究。

由于模型是基于两个关键变量构建的，将其延伸到国土空间系统“三生”功能，需要对其进行两两分别计算。计算之前需要分别选取能反映国土空间系统“三生”功能变化的关键变量[13-15]。本文根据系统动力学模型的因果关系，将土地生态功能指数（ESI）、土地生活功能指数（LSI）和土地生产功能指数（PSI）作为关键变量，并将系统动力学模型中对三个指数的测算结果，带入哈肯模型中，采用以下步骤进行进一步计算：

将由于两个关键变量之间相互作用导致的系统演化过程，表示为演化运动方程：

式（8）—式（9）中：q1和q2表示关键变量；a，b，γ1，γ2为控制参数；τ1和τ2为随机涨落项。方程存在一个定态解为：q1=q2= 0，此时，γ1、γ2为阻尼系数，|γ2|＞＞|γ1|且γ2＞0被称为该运动系统成立的“绝热近似假设”条件，可以采用“绝热消除法”，令由式（9）可得：

则表示关键变量q1支配关键变量q2，后者随前者的变化而变化。因此，q1是系统的序参量，将式（10）带入式（9），则得到序参量方程：

由于方程式是针对连续随机变量设定的，将其运用至本文中，需要做离散化处理：

系统开放条件下，对哈肯模型的控制参数计算结果，可以表示国土空间系统“三生”功能间具有以下作用关系和反馈机制[13-15]。

a和b是控制变量。其中，a反映了关键变量q1和关键变量q2的协同影响：当a为负值时，q2对q1起推动作用，其绝对值越大，推动也越大；当a为正值，q2对q1起抑制作用，其绝对值越大，阻力也越大。b反映了关键变量q1对关键变量q2的协同影响：当b为负值时，q1抑制q2的增长；当b为正值时，q1促进q2的增长。

γ1和γ2是阻尼系统数。当γ1为负值时，说明关键变量q1已建起使其自身有序演化的正反馈机制，γ1的绝对值越大，有序性也越高；当γ1为正值时，说明关键变量q1处于使自身向有序演化的负反馈机制，γ1的绝对值越大，无序性也越强。当γ2为负值时，说明关键变量q2已建起使其自身有序度增强的正反馈机制；当γ2为正值时，说明关键变量q2已建起使其自身有序度增强的负反馈机制。

5 结果与分析

5.1 1990—2016年阜新市国土空间系统“三生”功能协同演化机制分析

运动方程的计算结果表明土地生产功能（PSI）是土地生活功能（LSI）的序参量（表1）。这个序参量同时也会通过功能层与要素层之间的“驱动—反馈”机制，与土地生活功能产生驱动循环。根据构建的系统动力学模型中的因果驱动关系可以得出，土地生产功能与土地生活功能存在超过50个驱动关系循环，其中最短（循环中包含的变量最少）的循环是“土地生产功能→人口总收入变化量→人口总收入→土地生活功能→工业利润总额/财政收入→土地生产功能”。这个循环中变量的涨落变化对二者关系起到直接影响，进而通过“协同作用—序参量—支配原则”机制影响整个系统的运行。

5.2 阜新市国土空间系统“三生”功能协同演化机制预测结果与优化对策

5.2.1 2017—2030年阜新市国土空间系统“三生”功能协同演化机制预测结果

2017—2030 年阜新市国土空间系统“三生”功能协同演化预测结果表明，土地生态功能子系统（ESI）是土地生活功能子系统（LSI）的序参量，土地生活功能（LSI）是土地生产功能（PSI）的序参量（表2）。三者之间最短（循环中包含的变量最少）的循环是“土地生产功能→财政对环境保护的支出→三废处理率→土地生态功能→人口自然增长率→人口增加量→人口总数→农业人口数量→农业人口生活支出→农村恩格尔系数→土地生活功能→工业利润总额→土地生产功能”。

从各参数预测结果可以看出，2017—2030年，土地生态功能和土地生活功能的有序度不断下降，而土地生产功能的有序度不断上升。土地生态功能和土地生活功能具有偏利于土地生活功能的偏利共生协同演化机制。同时，土地生活功能和土地生产功能具有相互竞争的协同演化机制。与现状相比，未来阜新市国土空间系统“三生”功能形成了三者相互作用的序参量支配和协同反馈机制，但是其中未形成土地生产功能与土地生态功能的直接协同演化机制；土地生产功能与土地生活功能的支配地位也产生了互换，这是因为现状的土地生活功能的负反馈机制使其向无序化发展，支配能力也逐渐下降。

γ1和γ2参数均大于0，表明生产功能与生活功能建立使自身有序演化的负反馈机制，即有序程度在不断下降。这是由于阜新市进入经济转型的后期，但新的经济发展模式仍未形成，而经济转型伴随着土地利用结构的大幅调整，生产功能和生活功能的有序度也呈现逐渐降低的趋势。

a＞0说明土地生活功能对土地生产功能起抑制作用，b＞0则表明土地生产功能促进土地生活功能的增长，二者具有偏利于土地生活功能的协同演化机制。资源开发在阜新市经济发展中始终占有重要的地位，加之现代农业及农产品加工业的发展，工矿用地和农业用地的发展成为其国土空间利用的主要驱动力。同时，经济发展必然带来收入和人口的增加，对国土生活空间的需求加大。而阜新市具有空间上呈现居住用地围绕工矿用地建设的特殊空间格局，使二者在空间上具有紧密联系。且由于对耕地、生态用地的保护和对建设用地面积的严格控制，二者只能在有限的空间内进行发展，因此，生活空间的发展制约着生产空间的发展。

表1 1990—2016年阜新市国土空间系统“三生”功能演化运动方程Tab.1 Functional evolution equation of “production-living-ecology” spatial planning system in Fuxin City from 1990 to 2016

同时，土地生产功能和土地生活功能分别与土地生态功能均未形成协同演化机制，说明二者与土地生态功能之间并未形成反馈机制，处于无序的状态中。

5.2.2 2017—2030年阜新市国土空间系统“三生”功能协同演化机制优化对策

根据现状特征和预测的结果，对未来阜新市国土“三生”系统功能协同演化机制的构建主要提出以下几方面的优化对策。

第一，土地生态功能的可持续发展是土地生产功能和土地生活功能有序性形成和发展的根本基础。虽然预测结果表明未来土地生态功能和土地社会可以建立协同演化机制，但是二者具有偏利于土地生活功能的偏利共生协同演化机制，这种关系显然不利于土地生态功能的可持续发展。未来需促使二者形成互利共赢的协同发展关系，即生态环境的改善可以提高人类生活水平的同时，人类生活空间的发展不能以牺牲生态空间为代价，而是更加注重生态空间的保护和生态环境的改善。

表2 2017—2030年阜新市国土空间系统“三生”功能演化运动方程Tab.2 Functional evolution equation of “production-living-ecology” spatial planning system in Fuxin City from 2017 to 2030

第二，土地生态功能和土地生产功能在现状和未来预测中均未形成协同演化机制。只有建立起完整的协同演化机制，才能实现国土空间系统“三生”功能整体稳定有序的协同演化结构的形成。因此，建立土地生态功能和土地生产功能的协同演化机制，将是未来阜新市国土空间统筹规划的重点。具体可以通过调整二者间最短的“驱动—反馈”循环（土地生态功能→粮食单产→粮食总产量→农业总产值变化→农业总产值→单位面积农业用地农业产值→土地生产功能→环境保护支出→三废处理率→土地生态功能）来实现。

第三，虽然现状和预测的未来中土地生产功能和土地生活功能均已形成协同演化机制，但是无论是偏利于土地生活功能的协同演化机制，还是相互竞争的协同演化机制均不利于二者的协同发展，需要将二者的竞争机制转变为互利共生的协同演化机制。由于二者的相互作用关系是“三生”功能中最为紧密的，因此，对其进行调控可以在短期内获得显著效果，并成为阜新市国土系统“三生”功能整体协同演化机制运行的主要推动力。在对土地生产空间和土地生活空间的限制越来越严格的情况下，只有以集约高效利用的形式实现自组织，才能实现这一目标。

6 结论与启示

（1）国土空间系统是由“三生”功能组成的开放自组织系统，系统结构和功能的形成依赖于系统有序性，而国土空间系统“三生”功能协同演化机制是系统有序性产生和维持的根本。从国土空间系统“三生”功能协同演化机制理论框架可以看出，促使系统整体形成协同演化机制的核心部分是系统的中层结构，只有该层首先形成协同演化机制，才能促使系统顶层和底层分别形成协同演化机制，最终实现系统整体的协同演化。

（2）“驱动—反馈”机制是“三生”功能与其要素之间的主要演化机制，“协同作用—序参量—支配作用”机制（核心机制）是国土空间系统“三生”功能之间，以及系统整体宏观有序的主要演化机制，二者相结合形成了国土空间系统“三生”功能完整的协同演化机制。序参量的产生是系统协同演化机制形成的标志。

（3）采用系统动力学模型改进哈肯模型方法，可以很好地实现对国土空间系统“三生”功能演化完整机制的研究。阜新市历史、现状和未来的“三生”功能协同演化机制表明，系统若只有少量序参量（未包含全部子系统），则系统中未受序参量支配的部分不会产生与其他部分的协同演化作用，此部分的有序程度较弱，也就难以保持其功能的稳定发挥；同时，系统中已经产生序参量的部分，若协同演化关系处于相互抑制的负反馈状态，则会阻碍彼此的发展，系统有序性也将逐渐降低。因此，必须同时基于以上两方面，对阜新市未来国土空间系统“三生”功能协同演化机制进行优化。

相对于协同学理论仅注重宏观结构形成机制的研究，将宏微观作用机制相结合是对其理论上的补充。与以往的研究相比，研究成果具有普适性。本文虽仅以城市尺度为例，对国土空间系统“三生”功能的协同演化机制进行了研究，但该理论和方法也适用于对其他尺度的复杂系统进行研究。但需要注意的是，任何复杂系统中有序结构和混沌结构始终同时存在，即系统中总有一些部分不参与协同运动。因此，人类为了实现获取土地功能的利用目的，必须促进国土空间系统“三生”功能协同演化机制的建立，并不断加以优化。

国土空间系统“三生”功能协同演化机制的建立和优化可以为国土空间要素统筹整合和结构调整提供目标导向，即从底层、中层和上层，自下而上的逐级实现“三生”功能的协同发展，并可以通过本文中快速识别序参量的方法，及时评估监测各层级协同演化机制的建立情况，最终实现国土空间系统“三生”功能整体协同演化。同时，也要以维护国土空间系统“三生”功能整体协同演化机制持续运行为目标，自上而下的逐层进行要素的统筹分配和结构的调整，实现合理的保护资源和高效利用资源，从而为未来国土空间统筹规划实践提供借鉴。