济南市三生空间时空格局变化特征分析

解 磊,孙胜卓,毕梅桢,朱晓伟

(山东省国土空间生态修复中心，山东 济南 250014)

1 引言

国土空间是经济社会发展的载体，也是人类生存和发展的支撑，其格局和功能的演变是人地不断互动的结果。国外学者无明确的提出“三生功能”或者“三生空间”概念，对比来看，与土地利用多功能研究有异曲同工之处。三生空间概念是党的“十八大”在阐述生态文明建设发展要义时，从战略高度、用通俗易懂的语言提出的。中共十八届三中全会、2013 年中央城镇化工作会议以及 2015年中央城市工作会议均提出，应该划定生产、生活、生态空间开发管制边界，促进三生空间优化。由于三生空间之间的关系不是完全独立的，而是相互制约、相互联系的，使得整个系统动态并且复杂，需要对其长时间序列的时空格局变化特征进行深入分析，这也是国土空间布局优化的基础和关键。

近年来，有关三生空间的研究成为众多学者讨论的重点，以往研究多集中于三生空间的分类[1,2]、三生空间的功能识别[3，4]以及三生空间的结构优化[5,6]等方面，这些研究在一定程度上对分析和跟踪不同区域三生空间的格局变化具有重要意义。当前，区域三生空间的功能识别主要有两种：一种是定性识别三生空间，将土地利用数据进行分类与合并，按照一定的标准来划分三生空间；另一种是量化评价空间单元，例如建立空间价值核算函数[7]，构建生产、生活、生态空间质量指数[8]。前者与土地利用现状分类的衔接，基于功能将各类型用地划入不同空间尺度，可提高三生空间划定的可操作性与现实应用价值，后者具有地域针对性和评价体系综合性[2]的优势，但在多主体融合和多尺度集成表达上考虑不足。然而，当前中国存在多种用地分类标准，区域三生空间分类需结合应用需求与多部门用地分类进行对接[9,10]。三生空间分类标准体系的建立和运用是当前我国国土资源规划和生态文明建设面临的重要研究课题。考虑到不同区域经济发展水平和发展战略目标不同，因地制宜选择适合研究区域的分类体系和评价体系尤为重要性。高莎[11]针对郑州市三生空间时空演化进行了分析，贺忠发[12]通过研究拜城县土地利用变化来分析三生空间时空变化格局，马世发等[13]基于三生空间优化的视角下，提出了国土空间的综合分区理论框架，王成等[14]则在三生空间功能耦合协调的视角下分析其时空特征与格局演化。总而言之，三生空间的研究是目前国土空间规划背景下城市发展优化的重要基础[15,16]，目前的研究对于时空变化的特点和影响因子的分析较为浅显，分析好三生空间时空演变是关乎今后如何处理土地资源类型合理配置实现可持续发展的前提。

山东省人民政府于2022年2月15号，发布了《山东省黄河流域生态保护和高质量发展规划》，其中提出了改善黄河生态环境、改善生态环境、改善生态环境的空间布局，坚持生态优先、绿色发展。同时，《山东省土地利用总体规划》明确了“金山银山”的概念，优化生产、生活、生态空间的发展与保护模式，实施最严格的生态保护体系。在此背景下，济南市作为黄河流域发展的重要城市，通过对其三生空间的长时间序列变化分析，及早发现和认知三生空间的矛盾，为国土资源的合理利用和高质量发展提供科学的理论基础，研究结果同时可为其他城市土地资源开发提供借鉴与指导。

2 研究区及数据来源

2.1 研究区概况

济南市位于山东省西北部，北纬36°40′、东经116°57′。在地势上，济南市南临泰山，黄河自西南向东北贯穿全城，南高北低济南素有泉城的美誉，下辖10个区、2个县，总面积10244.45 km2。2021年，济南市常住人口为920万人，地区生产总值11432.22亿元。与中国其他大中型城市相比，济南城市化和经济发展迅速，建设用地占用耕地现象屡见不鲜，生产、生活、生态空间用地矛盾日益突出，对“三生”空间时空格局变化的研究显得十分迫切和必要。

2.2 数据来源

本文所需实验数据集包含行政区划数据以及2005年、2010、2015以及2020年4个年份的土地利用数据以支持长时间序列分析，其中，行政区划数据来源于国家基础地理信息数据库；土地利用数据来自中国科学院地理科学与资源研究所资源环境数据云平台共享(http://www.resdc.cn/DOI)，该数据集分类体系包括耕地、林地、水域、草地、未利用地和建设用地等6个一级分类，25个二级地类，空间分辨率为30 m。

3 研究方法

3.1 三生空间划分体系

三生空间的准确划分是研究其动态变化的基础，本研究基于30 m分辨率土地利用数据，参照已有研究[17]，首先将三生空间再次细分，生产空间划分为农业生产、工矿生产两类，生活空间划分为城镇生活于农村生活两类，生态空间划分为绿被生态、水域生态、其他生态三类。对接城市用地分类体系，构建最终三生空间分类体系(表1)。

表1 三生空间分类体系

3.2 空间自相关分析

为了测算三生空间变化的动态性，引入动态度指数，并利用空间自相关方法量化三生空间动态度变化的空间格局[18,19]。空间自相关分析的目的是确定某一变量是否在空间上相关，其相关程度如何。其量化的关键指标是Moran's I指数，其计算公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，ΔV为三生空间变化动态度，Va和Vb分别表示三生空间类型在研究初期和末期的面积(km2)；T为研究的时间跨度(年)。yi是观察点i的属性值。Moran's I的取值范围为-1～1，当I> 0时，表示某个区域与其周边区域呈正相关，且趋向于空间集聚，反之，则表示该区域趋向于空间分散。当I=0 时，说明给定区域与其周围区域之间没有空间校正。但是为了进一步观察空间中样本观察值的局部集聚情况，并排除空间过程的潜在不稳定性，就引入局部Moran's I，公式如下：

(3)

局部Moran's I将空间关联模式分为4种类型，并与莫兰散点图中的4个象限相对应。分别为高高聚类、高低聚类、低低聚类以及低高聚类。

3.3 标准差椭圆

标准差椭圆算法可通过创建标准差椭圆来汇总三生空间的空间特征，包含中心趋势、离散和方向趋势[20,21]。在ArcGIS平台中，使用方向分布工具进行标准差椭圆的可视化。

(4)

(5)

(6)

4 实验结果及分析

4.1 三生空间分类结果

宏观上，济南市三生空间的空间分布没有较大的变化(表2)。其中，生产空间占地面积最广，主要分布于济南市的北部；生态空间次之，生态空间分布主要位于南部山区，这一区域内以丘陵山地为主，地表覆盖类型以林草地为主，形成了济南市的生态屏障；生产空间占地面积最小，主要分布于建成区，其中，以济南市中东部中心城区最为密集，形成了被生产空间包围的态势。

表2 2005～2020年济南市三生空间面积统计结果 km2

4.2 长时间序列三生空间时空格局分析

4.2.1 时间变化特征

如表3所示，在2005～2020年，三生空间在整体空间分布格局上没有较大变化，但在长时间幅度上，每种空间类型的占地面积变化较大。其中，生产空间的变化幅度最大，减少了666.67 km2，并且在15年中是持续性减少，与之相反，生活空间的面积则呈现持续性增大的趋势，并在2020年共增加了577.24 km2，生态空间的变化与政策调整等息息相关，在前10年，生态空间的面积均呈现增加的趋势，共增加了132.62 km2，在2015～2020年，随着城市化进程的不断加快，生态用地的面积减少43.18 km2，但从15年长时间跨度而言，生态空间的面积仍然增加了89.44 km2。

表3 2005～2020年济南市三生空间变化幅度结果 km2

4.2.2 空间变化特征

如表4所示，以2005～2020年动态变化度分析济南市三生空间的空间变化特征，其中，生产空间与生活空间均呈现显著空间自相关特性，其中，生产空间主要城乡空间负相关，在济南市的中部形成了区域性的低低聚类区，这意味着济南市中部的空间类型在15年变化极小，并且形成了区域性的低值中心，生活空间则在济南市东部形成了高高聚类区，覆盖乡镇较多，面积较大，这一区域与济南市的“东进”策略相一致，表明该区域是生活空间变化最为剧烈的区域，在西部老城区，同样存在小面积的高高聚类、低低聚类以及高低聚类，这与老城区的逐步改造以及在升级有较大关系。生态空间由于受政策法规等原因的管控，整体的变化不大，同样在空间上几乎不具有空间自相关特性，仅在济南市最北部形成了小区域的高高聚类中心。

表4 2005～2020年济南市三生空间动态变化度聚类个数 个

标准差椭圆分析结果如表5所示，整体的三生空间中心点的位置都在较小变化幅度上有所变化。生产空间的分布趋势主要为西北-东南方向，中心点位于济南市南部的历城区，生活空间呈现南-北分布趋势，这与济南市的行政区划以及建成区的分布区域有关，其中心点同样位于历城区，生态空间的变化最大，逐渐由西北-东南方向分布向东-西方向分布转变的趋势。中心点分布于莱芜区。

表5 2005～2020年济南市三生空间变化幅度结果 km2

从中心点的变化分析济南市三生空间的未来变化趋势。如图1所示，对于生态空间而言，在东西方向上，整体呈现东移的态势，在南北方向上，2005～2015年向显著北移的趋势，但在2015年后，整体的生态空间又南移至接近2005年水平，对于生活空间而言，在东西方向上，变化极小，几乎没有变动，在南北方向上，可以看出以较慢的态势逐渐北移，对于生产空间而言，在东西方向上，中心点呈现微小西移的态势，在南北方向上，2015年前变化不大，2015年后显著北移趋势，推测其原因与黄河北岸的规划开发有较大关系。

图1 济南市三生空间中心点经纬度变化分析

4.3 布局优化策略

提高生产空间的生产效率：生产空间在济南市占有最大的国土面积，生产效率的提高对于促进生产空间协调发展极为重要，在生产过程中，应当积极引导生产土地的分级划分，以适应济南市职住平衡的要求，提高生产要素在空间上的配置效率；城市东部区主要定位为高新产业区，南部区依托生态空间、鼓励高科技农业的发展，严禁非农化、非粮化，在保障农业生产的同时，发挥其生态功能。提高整体的生产空间生产效率。

塑造生活空间高生活品质：高品质生活对各类城市空间的合理配置提出了新的要求，济南市应坚持“东强、西兴、南美、北起、中优”的发展格局规划，发展“衔山拥泉、山水共融”的发展策略，加强以经十路为城市轴线，彰显人文精神，打造城市特有的风貌特色，合理规划和引导紧凑连续的多中心城市空间结构，从而塑造高品质的生活空间。

保护生态空间：在城市的生态空间发展方面，始终要坚持以人为中心，保障生态空间的数量和合理分布。推进山水林田湖草的生态保护修复，特鄙视对于生态脆弱地区的保护和生态修复要引起重视。在城市发展与扩张过程中，要坚守三区三线的有关规定，从而保证人与自然的协调发展。

5 结语

(1)2005～2020年的济南市三生空间在整体上空间格局上变化不大，生产空间广泛的分布在整个研究区，生态空间主要分布在南部山区，主要以林草地覆盖为主，生活空间最为密集的区域为中西部核心城区。

(2)2005～2020年间，三生空间的面积发生较大变化，其中，生产空间以5年为间隔，持续性的减少，在15年里共减少了666.67 km2，生活空间则相反，持续增加了577.24 km2，生态空间在前10年有增加的趋势，近五年来，随着城市化的快速推进，面积有所减少，但从全时间序列来看，仍然增加了89.44 km2。

(3)为打造济南都市圈的核心城市地位，济南市需要围绕生产、生活、生态三大空间布局，在国土空间规划中，发挥已有高质量发展态势，发展过程严格遵守三区三线的有关规定，一方面，提高生产空间的生产效率；另一方面，塑造生活空间的高生活品质，最重要的，是保护生态环境。