黄河上游地区（陕甘宁青）“三生空间”功能的演变特征及耦合协调分析

李玲慧 ，赵锐锋 *，明思雨 ，韩梓佚 ，贾志斌

1.西北师范大学 地理与环境科学学院，兰州 730070

2.甘肃省绿洲资源环境与可持续发展重点实验室，兰州 730070

国土空间作为人类生存与发展的载体，是生产、生活、生态功能交互的复杂系统和场所（刘继来等，2017；Zong et al，2018；黄安等，2020）。而三生功能之间相互影响，某一功能过度发展会对其他功能的发挥产生限制作用，导致生产、生活、生态空间冲突的激化，影响区域生产-生活-生态复合系统的稳定性与可持续性（Gao et al，2016；Fang et al，2018）。十九大以来我国提出了促进三生空间耦合协调发展的总体要求，并将优化国土空间开发格局作为有效推进地区生态文明建设和可持续发展的重大举措（金星星等，2018）。在此背景下，分析三生功能的演变特征，探索区域三生功能的协调发展，已成为区域可持续发展的关键问题。

国外学术界没有明确界定三生功能的概念，而与之相关的是土地多功能的研究，主要是从土地多功能的概念（Wiggering et al，2006）、体系划分（Fagioli et al，2017）、土地多功能格局变化（Rallings et al，2019）、土地利用多功能优化（Rallings et al，2019）、土地多功能可持续发展（Liberati et al，2019）及评估（Callo-Concha and Denich，2014）等方面，分别在不同时空尺度研究土地多功能的动态变化。国内学者主要是基于三生功能的国土空间研究，围绕三生空间概念与内涵（黄金川等，2017）、三生空间功能识别（李广东和方创琳，2016）、三生空间功能评价及时空演化特征（Duan et al，2021）、三生空间功能优化发展规律（张雄等，2021）以及三生功能耦合协调（Yang et al，2020）等方面展开研究。研究尺度包括国家、城市群、省、市、县和乡镇多个尺度（刘继来等，2017；Zhou et al，2017；李欣等，2019；张路路等，2019；Zou et al，2020）。研究方法主要采用土地利用类型归并法和指标体系测算法（Zhou et al，2017；Zou et al，2020），其中土地利用类型归并法常用于图斑尺度的研究，可以快速识别三生空间在“量”上的分布特征，但难以刻画三生空间功能强弱的变化；指标体系测算法主要应用在宏观尺度，且能够反映空间“质”和“量”的特征。总体来看，目前对于三生功能关系的研究主要围绕三生功能在时空上的差异，较少关注三生功能之间的协调与权衡的关系，并且已有的研究对象均为东部和中部相对较为发达的区域，对于生态环境脆弱地区的研究屈指可数。

2019年9月18日，习近平总书记在郑州主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会并发表重要讲话，强调黄河流域是我国重要的生态屏障和经济地带，在我国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位，并将黄河流域生态保护和高质量发展提升为国家战略，这为黄河上游地区经济发展与生态保护指明了发展道路。要实现黄河流域生态保护与高质量发展，必须将黄河上游地区作为重要切入点，充分发挥其重要作用。黄河上游地区是一个革命老区、民族老区和“一带一路”叠加交织的地域系统（刘小鹏等，2020），大部分处于高原地区，生态环境脆弱，水土流失严重，环境承载力差。但作为黄河发源地，上游地区肩负着涵养水源的重大使命，随着城镇化、工业化的快速发展，其生产、生活与生态功能发展之间处于一种不平衡的状态，严重威胁到黄河流域的可持续发展（齐晓娟和童玉芬，2008），因此该地区如何在未来实现可持续与高质量的发展尤为重要。本研究通过构建三生功能综合评价指数以探究三生功能发展趋势及耦合协调的演变规律，以期为黄河上游制定提升三生功能、促进三生功能协调发展的相关策略提供参考。

1 研究区概况

黄河上游地区包括陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区，总面积达144.20万km2，约占全国土地面积的15%（汪一鸣，1985）（图1），属于温带季风气候和温带大陆性气候，降水自东向西、自南向北递减。自然环境条件较为严酷，土地贫瘠，地貌复杂，生态环境相对脆弱。2017年末，该区域的常住人口达到7743万人，常住人口城镇化率为53.08%，比全国常住人口城镇化率低5.44%。改革开放以来，经济重心逐渐由农业向工业和服务业转移，第一产业增加值占GDP比重逐年下降，2017年占比仅为9.26%。随着城镇化和工业化的快速发展，城乡社会经济发展差距大，全年常住居民人均可支配收入为0.81万元，仅为城镇常住居民平均水平的30.69%；同时面临城市发展中工业污染物排放、化肥使用量增加等问题，对脆弱的生态环境产生极大的压力（徐辉等，2020）。因此在黄河上游地区实现高质量发展过程中，识别三生功能之间的时空演化规律和耦合协调关系，对实现区域协调发展具有重要意义。

图1 研究区概况Fig. 1 Location of study area

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

所用数据来源于《陕西统计年鉴》（1999 —2018年）、《甘肃发展年鉴》（1999 — 2018年）、《宁夏统计年鉴》（1999 — 2018年）、《青海统计年鉴》（1999 — 2018年）、《中国统计年鉴》（1999 — 2018年）及陕西省国民经济和社会发展统计公报（1998 — 2017年）、甘肃省国民经济和社会发展统计公报（1998 — 2017年）、宁夏回族自治区国民经济和社会发展统计公报（1998 — 2017年）、青海省国民经济和社会发展统计公报（1998—2017年）。其中各省区统计年鉴相关数据均通过中国经济大数据研究平台获取（https://data.cnki.net/HomeNew/index /），统计公报均通过中国统计信息网（http://www.tjcn.org/tjgb/30nx /）获取。

2.2 指标体系构建及综合评价法

科学合理的指标体系可以客观评价一个区域的生产-生活-生态功能的协调水平，因此构建评价指标体系是研究黄河上游地区可持续发展的关键。本研究在考虑研究区域实际情况，总结Zhou et al（2017）和李欣等（2019）相关研究成果及考虑数据可获取性的基础上提出适合黄河上游地区的三生功能评价体系（表1）。

表1 黄河上游地区三生功能指标体系及权重Tab. 1 The weight and index system of production-living-ecological function in the upper reaches of the Yellow River

本研究使用熵值法确定指标权重，以消除确定权重的主观因素（Wang et al，2015；Hussain et al，2020）。通常来讲，某个指标的信息熵越小，表明指标的变异程度越大，所提供的信息量越多，在综合评价中起到的作用越大，其权重也越大。根据各项指标的熵值大小并确定权重，从而得到三生功能的综合值。公式如下：

式中：Zij代表第i指标在j年的标准值，wi代表第i指标的权重，PFI代表生产功能指标值，LFI代表生活功能指标值，EFI指的是生态功能指标值。

2.3 三角模型

三角模型（triangle model）是由美国农业部提出的根据土壤中沙土、壤土和黏土的含量和比例来确定土壤类型的分析方法（Xu et al，2006）。在土壤粒度分布的三角模型中，沙土、壤土和黏土含量互充，以百分比表示它们的相对含量之和等于1（Wang et al，2008）。然而在本研究中三生功能指数（生产功能指数、生活功能指数、生态功能指数）在三角形模型中不一定具有互补关系，在三角模型中不能表现。因此参考Zhou et al（2017）和姚岚等（2015）的研究，引进了两个指标：一是非生产功能指数（“非生产功能指数=1 - PFI”），二是非生态功能指数（“非生态功能指数= 1 - EFI”），从而在三角形模型中表征生产、生活、生态功能之间相互影响的状态和发展趋势（图2），并分为A、B、C、D、E五个不同的等级（表2）。同时根据三个指数的相对比例变化，在三角模型内（不包括边界）有七个可能的发展趋势，三生功能可能会向任何给定的方向发展（表3）。

表2 三生功能相互作用发展状态评价Tab. 2 Evaluation of the development status of the interaction of production-living-ecological function

表3 三生功能相互作用演变趋势评价Tab. 3 Evaluation on the evolution trend of the interaction of production-living-ecological function

图2 基于非生产-生活-非生态构建的三角模型Fig. 2 A triangle model based on non-production-living-nonecological functions

2.4 耦合协调度模型

三生功能之间存在着相互促进、相互胁迫的耦合互动关系，参考相关研究成果，并结合本研究实际情况，构建三生功能耦合度（Li et al，2012；王成和唐宁，2018）测量模型，具体如下：

式中：C为三生功能耦合度，其值越大说明三生功能之间的相互影响越强烈；参考相关研究成果（张旺等，2013；Tang，2015），将耦合度划分为四种类型（表4）。

表4 三生功能耦合度类型划分Tab. 4 Classification of coupling degree types of production-living-ecological function

（续表1 Continued Tab. 1）

（续表1 Continued Tab. 1）

三生功能间存在着相互促进、相互拮抗的关系，为了进一步探究三生功能是在高水平之间促进或者低水平上相互制约，引入耦合协调度指数构建三生功能耦合协调模型（Li et al，2012；王琦和汤放华，2015），耦合协调程度越高，三生空间功能之间的协同推进作用就越强，具体如下：

式中：D指的是三生空间功能耦合协调度，T表示生活、生产、生态功能的综合协调指数，α、β、γ分别为生产、生活、生态功能的系数，且α+β+γ= 1，为生产、生活、生态功能贡献率的待定系数，由于三者对经济社会可持续发展的贡献同等重要，定为α=β=γ= 1/3。并结合相关研究成果（张玉萍等，2014；王琦和汤放华，2015）将耦合协调度划分为五种类型（表5），其值越低，生产、生活和生态功能之间冲突越大。

表5 三生功能耦合协调度类型的划分Tab. 5 Classification of coupling coordination degree types of production-living-ecological function

3 结果与分析

3.1 黄河上游地区三生功能发展特征

如图3a所示，在1998 — 2017年黄河上游地区三生功能总体均呈上升趋势，但生产、生活功能发展速度较快，而生态功能变化趋势平缓，增长速度相对较慢。在1998 — 2011年生态功能占主导地位，生产与生态功能差距较大，但随着城镇化和经济高速发展，生产和生活功能均趋于增加，且增长趋势十分明显，与生态功能之间差距逐渐变小；2012 — 2014年，生产、生活功能增长速度较快，由生态功能主导向生产功能主导转变，生产、生活与生态功能之间差距变小；2015 — 2017年生产、生活功能增长速度较快，而生态功能呈缓慢、波动式增加，生产功能处于生活、生态功能上方，占主导地位。1998年以来政府出台的《国务院关于实施西部大开发若干政策措施的通知》、《关于促进西部地区特色优势产业发展的意见》、《西部大开发“十一五”规划》（魏后凯，2011）及《推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动》等政策，通过发挥陕西、甘肃综合经济文化和宁夏、青海民族人文优势，打造西安内陆型改革开放新高地，加快兰州、西宁开发开放，推进宁夏内陆开放型经济试验区建设，促进了黄河上游地区生产、生活功能快速发展，但同时也给环境带来了巨大的压力。

在图3b — 3e中，1998 — 2017年各省区三生功能表现出差异化发展趋势，其中生产、生活功能上升趋势明显，而生态功能总体均呈波动式上升趋势。在1998 — 2011年，除青海生态功能上下浮动外，其他省区生态功能均居于主导地位，这主要是1999年政府率先在陕西、甘肃等区域进行退耕还林试点，并在2002年制定《退耕还林条例》和《国务院关于进一步完善退耕还林政策措施的若干意见》等措施来缓解生态环境压力。同时，西部大开发的实施，促进了各省区生产、生活功能的发展，虽然在2003年、2008年分别受到SARS事件和金融危机的影响，但均在短期内恢复，整体上还是呈现上升趋势；在2012 — 2014年，各省区生产、生活功能增长速度较快，生态功能增长水平处于中间，因此三生功能之间开始交织变化，均呈上升趋势。在2015 — 2017年，各省区生产、生活功能增长速度较快且占主导地位，生态功能处于增长阶段，经济持续健康增长，生态环境改善，三生功能快速稳健发展。

图3 1998 — 2017年黄河上游地区的三生功能变化趋势Fig. 3 The variation trend of production-living-ecological function indexes in the upper reaches of the Yellow River during 1998 — 2017

3.2 黄河上游地区三生功能相互作用的变化特征

由图4a可知：黄河上游地区三生功能发展经历了三个阶段，1998 — 2011年三生功能之间相互作用十分微弱且由E区向D区发展，表示由极低水平过渡到低水平；2012 — 2014年三生功能相互作用略微增强，位于C区（中等水平）；在2015 — 2017年三生功能相互作用总体呈上升趋势，整体发展水平较高，处于B区（高等水平）。

在研究期间其三生功能可持续状态存在三个明显趋势，即一般发展趋势（T1）、极强发展趋势（T2）、一般发展趋势（T3）。1998 — 2011年，在T1和T3方向波动发展；2012 — 2014年，在T3方向发展；2015 — 2017年向T2发展，表明三生功能相互作用上升到极高水平（A区域）的态势。黄河上游地区在1998 — 2017年三生功能相互作用从极低水平发展到高等水平，整个发展趋势由单一功能主导向生产、生活、生态功能并列发展，相互作用增强，三生功能向更可持续的方向发展。

根据图4b — 4e可知：四省区三生功能在1998 — 2011年的相互作用较弱，由E区向D区发展，意味着发展状态从极低水平向低水平过渡；在2012 — 2014年，除陕西在2014年处于B区，其他省区均处于C区（中等水平）；在2015 — 2017年，三生功能相互作用总体呈上升趋势，除陕西在2017年达到A区（极高水平），其他省区均处于B区（高等水平）。表明各省区三生功能由极低水平向高等水平发展，但陕西发展水平高于其他省区，主要是由于各省区自然条件、政策差异所导致。陕西地处我国内陆腹地，是大西北的门户，具有承东启西、连接南北的区位优势，同时也是中华民族文化和华夏文化的重要发祥地，曾长期是我国的政治、经济、文化中心，使得陕西旅游资源得天独厚；此外，陕西出台《陕西省优势产业“九五”发展计划实施方案》，加快六大优势产业（机电工业、能源化学工业、医药工业、建筑业、旅游业及果业）的发展；加之陕西国民经济和社会发展“十五”、“十一五”、“十二五”、“十三五”规划以及2008年成立陕西省生态文明建设促进会，同时促进了生产、生活、生态功能发展。然而，甘肃不仅自然条件较差，农业基础脆弱，且地理区位封闭，开放步伐缓慢；宁夏区位和自然环境差，基础设施较为落后，加之产业转化能力较弱，经济涉外能力不足等；青海则是山脉众多，平均海拔3000 m以上，并且有三江源自然保护区。在生态脆弱、工业发展严重受限制等情况下，即使采取了一系列措施以提高三生功能发展水平，但依旧低于陕西。因此，未来需要政府采取差异化的措施，以促进各省区三生功能相互作用更好的发展（Wang et al，2018）。

图4 黄河上游地区三生功能相互作用的三角模型Fig. 4 A triangle model of production-living-ecological functional interaction in the upper reaches of the Yellow River

3.3 黄河上游地区三生功能耦合协调的演变特征

由图5可知：耦合度由0.08增加到0.53，耦合协调度由0.09增加到0.71，耦合度及耦合协调度均呈增长趋势。在1998 — 2011年，三生功能耦合度从低耦合向拮抗时期过渡，耦合协调度处于严重失调水平向中度失调发展；2012 — 2014年其耦合度进入了拮抗性发展，耦合协调度在2012年到达基本协调水平，并在2013 — 2014年向中度协调阶段发展；2015 — 2017年三生功能发展速度提升，三生功能耦合度由拮抗到磨合阶段发展，耦合协调度处于中度协调水平，在此阶段三生功能进入了磨合发展的状态。1998—2017年，研究区耦合协调水平逐渐提升至中度协调阶段，但距离高度协调还有一定差距。

图5 1998 — 2017年黄河上游地区三生功能耦合度和耦合协调度演变Fig. 5 Coupling degree and coupling coordination degree of production-living-ecological function in in the upper reaches of the Yellow River during 1998 — 2017

图6可知：1998—2017年，陕西的三生功能耦合度从0.11增加到0.52，耦合协调度从0.13增加到0.69，由严重失调水平向中度协调水平发展，总体呈线性增长，但在1999年、2000年出现小幅下滑，主要与农业生产功能较弱及生态保护措施不够完善有关。但总体发展较好是因为丰富的旅游资源、相对完善的公共基础设施，其生产、生活、生态功能向相互协调、共赢的方向发展。

图6 1998 — 2017年陕甘宁青三生功能耦合度和耦合协调度Fig. 6 Coupling degree and coupling coordination degree of production-living-ecological function in Shaanxi, Gansu, Ningxia and Qinghai during 1998 — 2017

1998 — 2017年，甘肃的三生功能耦合度上升了0.42，耦合协调度从0.10 上升到0.68，由严重失调水平上升到中度协调水平，发展较为平稳，仅在2002年出现轻微下滑。主要与污染处理率指标下降、农用化肥施用量指标增大有关，表明在《甘肃省国民经济和社会发展第十个五年计划纲要》促进下，甘肃省社会经济发展对生态环境的承载能力提出更高的要求，但甘肃生态环境本底较为脆弱，一定程度上限制了生产与生态的协调发展。

1998 — 2017年，青海的三生功能耦合度由0.09增加到0.51，耦合协调度从0.11增加到0.68，由严重失调水平上升到中度协调水平，但在2001年和2006年出现轻微下滑。2001年主要与每万人拥有医院床位数、城乡居民收入水平对比等指标值的降低有关 ；2006年还与人均水资源指标值降低有关。另外耦合协调水平总体呈线性增长，主要是《关于促进西部地区特色优势产业发展的意见》等政策的支持，大力发展畜牧业、旅游业等产业。

1998 — 2017年，宁夏的三生功能耦合度由0.10增加到0.51，耦合协调度从0.11上升到0.66，从严重失调水平上升到中度协调水平，但在2002年、2003年出现连续下滑，这主要是由于粮食单位面积产量、旅游总收入等指标值下降。但整体发展状况较为平稳，主要是由于《关于进一步促进宁夏经济社会发展的若干意见》及《国务院关于宁夏内陆开放型经济试验区规划的批复》等政策的支持，保障了该地区社会文化进步，生态环境保护进一步发展，从而达到中度协调水平。

各省区在研究期间耦合协调水平的发展趋势存在差异，在1998 — 2011年，各省区处于波动发展状态，陕西的耦合协调水平先下降后上升，而宁夏、青海处于曲折发展状况，呈先上升后下降再上升的变化趋势，甘肃一直呈现上升趋势；在2012 — 2014年，四省区均呈上升发展趋势，且陕西的耦合协调水平均高于其他省区，而甘肃、宁夏、青海发展速率比较一致；在2015 — 2017年，各省区的耦合协调水平发展趋势较为一致，均呈上升趋势，但陕西领先其他省区。总之，各省区三生功能耦合协调水平大体上均呈线性增长趋势，从严重失调发展到中度协调阶段，这与Zhou et al（2017）的研究结果存在差异，其发现杭州湾城市群在2013年已经达到了中等协调水平以上，宁波甚至已经达到极高协调水平。主要受各省区地理位置、自然环境本底的影响，尤其是在1979 — 1990年向东倾斜的不平衡发展阶段，导致发展动力不足，同时对生态环境保护不彻底，导致耦合协调水平发展存在差异。

3.4 子功能对三生功能耦合协调水平的贡献分析

利用变异系数分析导致黄河上游地区耦合协调水平产生差异的主要因子（图7），可以看出文化教育、就业安全、居住、社会保障、娱乐、交通功能的变异系数均大于0.1，属于中等变异性，其中文化教育功能的变异系数最大，表明该功能对于各省区耦合协调水平差异产生的影响程度最大。而农业生产、经济生产、生态维持、生态净化功能的变异系数均小于0.1，是弱变异性，表示各功能对于各省区耦合协调水平差异几乎没有影响。同时文化教育、就业安全、居住、社会保障、娱乐、交通功能对于黄河上游地区的耦合协调水平的贡献度比较小，农业生产、经济生产、生态维持、生态净化功能的贡献度反而比较大，这主要是生产、生态功能对于整个三生功能耦合协调水平的贡献起到了主导作用。

图7 子功能对三生功能耦合协调的重要性及其变异性分析Fig. 7 Analysis on the importance and variability of subfunctions in coupling coordination of production-livingecological function

4 结论与建议

4.1 结论

（1）黄河上游地区的三生功能整体上均呈上升趋势，其中生产、生活功能发展速度较快并且趋势相对接近，这主要取决于其农业生产、经济生产、娱乐等子功能的发展水平。而生态功能发展速度相对较慢，但也处于上升发展状态，生态净化及维持功能均起到重要作用。

（2）黄河上游地区三生功能状态随时间从极低水平发展到高等水平，生产、生活、生态功能之间相互作用由弱变强。

（3）黄河上游地区三生功能耦合协调水平呈现由严重失调发展到中等协调发展的特征，生产、生活、生态功能之间的协同作用不断加强，但各省区的耦合协调水平发展存在差异，主要受到文化教育、就业安全、居住、社会保障、娱乐、交通功能的影响，可以看出生产、生态功能之间的协调发展是制约三生空间可持续发展的关键。

4.2 建议

（1）积极融入共建“一带一路”、新时代西部大开发、长江经济带、黄河流域生态保护和高质量发展等策略，采取区域内外联动互助发展模式，如关中平原城市群作为引领西北地区发展的重要增长极，以西安国家中心城市为载体，以沟通西北主要经济区的综合性运输通道建设为支撑，加快人口、资本、科技等发展要素集聚，辐射带动西北及周边地区发展。并推进兰西城市群建设，深化区域内部的分工与合作，从而推动陕甘青宁的产业链向中高端迈进，促进区域一体化和良性互动发展。

（2）因地制宜，制定差异化区域高质量发展政策。对于集聚能力突出的陕西要继续发挥空间集聚优势，大力发展科技与旅游等优势产业，围绕两大主导产业，构建新的综合产业体系，并积极带动其他省区发展。对于市场化水平较低的甘肃，实施强工业行动，构建现代产业体系，坚持产业兴省、工业强省，围绕强龙头、补链条、聚集群，推动质量变革、效率变革、动力变革，打好产业基础高级化、产业链现代化攻坚战，提高经济质量效益和综合竞争力。青海在加大政府财政支持的同时，发展特色产业以带动经济发展，着力发展牦牛、藏羊、青稞、油菜、冷水鱼等农牧业特色优势产业，建设绿色有机农畜产品示范省；同时推动大区域、大流域旅游联动发展；延伸发展旅游产业链，积极发展红色旅游、乡村旅游；推动特色轻工深度嵌入旅游产业链，提升旅游要素保障水平。而宁夏则以产业园区为支撑、以特色发展为目标、以市场需求为导向，优品类、提品质、打品牌，做实做强特色现代农业，建设国家农业绿色发展先行区，同时建设中部封育保护区，加强自然保护区生态修复，因地制宜建设乔灌草相结合的防护林体系，巩固防沙治沙和荒漠化，从而促进区域可持续高质量发展。