河北雄安新区“三生空间”人地系统及耦合协调度探究

李 奕 淇,蒋 卫 国,2,3*,邓 雅 文,3

(1.北京师范大学地理科学学部,北京 100875;2.北京师范大学地理科学学部遥感科学国家重点实验室,北京 100875;3.北京师范大学地理科学学部环境遥感与数字城市北京市重点实验室,北京 100875)

0 引言

河北雄安新区是继深圳经济特区和上海浦东新区之后又一具有全国意义的新区,《河北雄安新区规划纲要》指出“构建科学合理空间布局”,体现“三生”空间协调、人地和谐共融的城市发展理念[1],人地耦合协调的发展理念始终贯穿河北雄安新区规划建设[2]。随着新区土地开发利用程度加深,如何兼顾人地系统、统筹“三生空间”耦合协调发展成为重要挑战。人地耦合是指人与自然两大系统间的动态关联、相互作用和反馈[3,4],国外对人地关系的理解先后经历了地理环境决定论、或然论、协调论等阶段[5],Garver提出构建以人地关系为核心的法律或治理体系[6]。20世纪80年代起,国内学者将人地关系引入地理学研究,内涵不断丰富。例如:吴传钧[5]提出“人地关系地域系统”;史培军等[7]提出“人—地协同”,将传统文化中“天人合一”理论与地理系统论相联系;赵文武等[8]探讨了人地系统耦合视角下生态系统服务的评估模型与影响因子;薛冰等探讨了POI大数据对人地系统研究的贡献[9]。目前,人地系统理论已广泛应用于经济发展[10]、城镇化水平[11]、环境质量[12]以及地质生态环境[13]等方面。“三生空间”是对生产、生活和生态3类空间的总称,涵盖了人类系统与自然系统交互的空间范围[14,15],是人地关系理论在区域规划中的重要创新和发展,国内有关“三生空间”的研究主要包括分类识别[16]、空间格局分析[17]、动态演变[18]、空间优化[19,20]等,“三生空间”评估体系逐渐丰富,不仅关注空间基本属性和功能[21],也将可持续发展[22]、空间共生[23]、“类型—强度—联系”[24]等理论融入其中,也有学者以“三生空间”为视角,对城市综合承载力[25]、土地转型的生态效应[26]等进行定量评估。

综上,目前关于人地系统与“三生空间”的研究已较成熟,也有学者将二者结合,对“三生空间”不同子系统间的耦合协调关系进行探究[27],但整体上看,从三生空间视角探究人地系统耦合协调度并分析其对应关系的研究仍显不足。同时,已有研究多从县、市尺度评价分析,较少能反映区域内部人地系统状况的空间分异。在重视空间功能分区、追求可持续发展的理念下,人地系统与“三生空间”的对应关系也值得探索[28]。鉴于此,本文将人地系统评估框架与“三生空间”相结合,从多空间尺度定量分析2010—2020年河北雄安新区人地系统耦合协调度与“三生空间”配置演化的对应关系,以期丰富人地系统评价体系,为区域人地发展和空间优化战略提供借鉴和启示。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

河北雄安新区地处北京、天津、保定腹地,区位优势明显,规划范围涉及河北省雄县、容城、安新3县及周边部分区域(图1),截至2019年10月,雄县辖8镇、4乡(含托管2镇、1乡),安新县辖9镇、4乡(含托管1乡),容城县辖5镇、3乡,土地总面积1 560 km2。2020年河北雄安新区常住人口约为120万人,2019年GDP约为215亿元,承接北京市非首都功能的定位使新区在经济、产业、人口等方面面临巨大的发展机遇。土地利用方面呈现“六田、二建、一水、半分林”的特征,为规划建设水城交融的田园城市创造了基础条件。河北雄安新区在京津冀一体化发展的大背景下,肩负新的历史使命和时代挑战,亟须通过合理评估人地系统,实现城市高质量可持续发展。

1.2 数据来源

本研究数据包括社会经济数据、土地覆盖数据、医疗服务设施POI数据等(表1),所有数据统一为GCS_WGS_1984地理坐标系,空间分辨率均重采样至1 km,并进行正向化、极差标准化(式(1))等预处理,数据指标包括极大型指标(又称效益型指标,数值越大越优)和极小型指标(又称成本型指标,数值越小越优)。

(1)

2 研究方法

本研究将人地系统理论与“三生空间”理论相结合,研究人地系统耦合协调状况的动态变化。其中,生活空间主要是人类活动空间,以“人”系统占主导地位,包括农田、水田、旱地等农业生产用地;根据河北雄安新区土地利用主体功能[29]和新区实际发展状况,生产空间主要指农业生产空间,是受自然条件约束、人地相互作用的空间,包括居民点、城乡基础设施等建设用地;生态空间则以“地”系统占主导地位,包括林地、草地、湿地和水体等生态用地。综上,本研究从生活和生产空间选取“人”系统的评价指标,从生态和生产空间选取“地”系统的评价指标,从而对2010—2020年河北雄安新区“三生空间”变化、人地系统得分以及二者耦合协调度进行分析(图2)。

图2 研究技术路线Fig.2 Research technical route

2.1 基于“三生空间”视角的人地系统评价

参考已有人地系统评价研究[30],同时结合“三生空间”视角,选择人口密度、建筑用地占比、GDP、夜间灯光指数、医疗设施POI、居民地POI、道路密度和坡度作为“人”系统评价指标,体现人口、经济和社会发展3个层面;选择农田生产潜力、耕地面积占比、湿地水体占比、林草地占比、NDVI、PM2.5浓度、河网密度和净初级生产力(NPP)为“地”系统评价指标,体现土地资源承载力、土地资源压力和环境保护3个层面(表2),并采用熵权法计算各指标权重。

表2 人地系统评价指标Table 2 Evaluation index of human-land system

2.2 人地系统耦合协调度计算

本文利用耦合协调度模型分析人地系统相互作用程度,耦合在地理学研究中常用于表现人地系统间相互影响、依赖、反馈而趋于协调统一的非线性复杂交互关系[31]。计算公式为:

(2)

式中:C为耦合度,取值范围为[0,1],数值越接近1,表明系统耦合程度越强;A、B分别为“人”“地”系统得分,L为协调指数,α、β分别为“人”“地”系统的权重,从“三生空间”角度分析,“人”“地”系统对河北雄安新区发展具有同等作用,故α=β=0.5;D为耦合协调度,根据文献[32]将耦合协调度分成不同等级(表3)。

表3 耦合协调度等级划分Table 3 Classification of coupling coordination degree

3 结果分析

3.1 “三生空间”交互演化特征

由图3可知,以农田为代表的生产空间占比始终较高,在区域中作为“基底”存在,体现河北雄安新区开发程度较低、发展潜力巨大;生活空间与规划区范围大致重合,呈点状、放射状分布,随时间推移集聚区数量增多、面积变大,各集聚区之间的联系增强;生态空间则以白洋淀区域为中心分布,在边缘处与另外两类空间相互作用,用地类型不断转化,体现人类活动与自然环境的交互,在白洋淀内零星分布有建筑区,可能为旅游景点、文化馆、科研院所等。综合看,研究区生产空间面积缩减(占比由75%降至71%)、生活空间和生态空间呈扩张趋势,占比分别由2010年的11%和14%提升至2020年的13%和16%,体现新发展理念下白洋淀生态修复、生态环境建设的成果。

图3 2010—2020年河北雄安新区“三生空间”分布Fig.3 Distribution of "production-living-ecological spaces" in Xiong′an New Area from 2010 to 2020

3.2 人地系统评价与耦合协调度分析

本文以2010年、2015年和2020年3个时间节点对河北雄安新区“人”“地”系统进行评价,“人”系统得分越高,说明人口、经济、社会发展状况越好;“地”系统得分越高,说明土地资源承载力越高、环境保护状况越好。由图4可知:①2010—2020年河北雄安新区“人”系统评价得分整体提升,经济社会水平明显提升,人民生活水平明显改善;区域北部“人”系统得分提升幅度较大,南部提升相对较小,高值区位于安新镇等多个城镇,分布较离散,整体北高南低。②2010—2015年“地”系统得分整体下降,主要集中在白洋淀水域等生态敏感区,部分地区在2010—2020年得分先降后升,说明在资源环境利用和保护方面取得了一定成果,但仍需进一步优化。“地”系统整体以白洋淀水域为高值区,向外呈逐级递减趋势,得分普遍高于“人”系统,体现河北雄安新区自然条件优越、发展潜力大的现状。③2010—2020年河北雄安新区耦合协调度变化较小,以北部规划区及周边地区为高值区,大部分地区呈逐年提升趋势,尤其对于“人”系统得分较高的地区,说明随着河北雄安新区的建设发展,区域内自然要素与社会经济要素联系日益紧密,呈现出人地发展相互促进、日益协调的趋势;耦合度较低区域主要为南部的生态敏感区,这些地区以生态空间为主导,脆弱性较强,但耦合协调度仍有所提升,说明生态保护工程取得一定成效。

图4 2010—2020年河北雄安新区人地系统评价得分及耦合协调度变化Fig.4 Changes in coupling coordination degree and human-land system in Xiong′an New Area from 2010 to 2020

3.3 区域尺度上人地耦合与“三生空间”的关系

从多空间尺度对“三生空间”及人地系统耦合协调状况进行分析,有助于从不同区划尺度了解河北雄安新区发展的空间分异,深入挖掘不同地区的资源潜力、发展优势和问题,从而科学合理地规划和分配资源,推进区域人地协调发展。从各乡镇耦合协调度空间分布(图5)可知,河北雄安新区大部分乡镇耦合协调度有所提升,“优质协调”乡镇由2010年的5个增至2020年的17个,在人地和谐发展方面取得了明显进展。耦合协调度较高的乡镇主要分布在容城县、雄县北部,这些区域经济发展较好、“人”系统得分较高,同时也是规划区所在,展现出规划区的发展潜力;耦合协调度较低地区(如圆头乡及周边乡镇)基本位于白洋淀区,属于生态敏感区,在制定发展规划时,需要考虑其生态条件,因地制宜协调发展定位与发展路径,发挥生态优势,避免过度开发。

图5 2010—2020年河北雄安新区各乡镇耦合协调度Fig.5 Coupling coordination degree of townships in Xiong′an New Area from 2010 to 2020

进一步分析雄县、容城县、安新县以及规划区的“人”“地”系统评价得分,并与同时间段“三生空间”比例及演化趋势对比分析(图6、表4)。研究区均呈现出人类社会系统发展、自然生态系统衰退的变化趋势,体现经济发展对生态环境的压力和挑战,“三生空间”变化状况与“人”“地”系统评价得分具有较强的对应关系。安新县“人”系统得分较低、“地”系统得分较高,相应生态空间在研究区中占比最高、恢复效率高,体现安新县坐拥白洋淀的生态优势以及“北城南淀”的发展定位;容城县“人”系统得分较高,“地”系统得分较低,对应生活空间占比较高,生产空间不断开发为生活、生态空间;雄县介于二者之间,“三生空间”配比均衡,耕地大量转为建设用地及生态保护用地,用地类型趋于多元化;规划区主要位于容城县内,无论在人地系统交互还是“三生空间”演化方面均与容城县相近。

表4 河北雄安新区各县及规划区“三生空间”占比Table 4 Proportion of "production-living-ecological spaces" in counties and planning area of Xiong′an New Area 单位:%

图6 河北雄安新区各县及规划区人地系统评分Fig.6 Human-land system score of counties and planning area in Xiong′an New Area

由表5可知,4个区域的人地系统耦合协调度均呈现不同程度的提升,反映河北雄安新区经济发展与自然环境保护的协同互促。具体看,容城县体现出较好的耦合协调水平,并在2020年实现了优质协调,说明该县在人地系统平衡与人地和谐方面具有较强优势,是新区建设的重要支撑点;2010—2020年雄县耦合协调度从0.820增至0.897,增幅最高,具有较大的潜力和发展空间;安新县的耦合协调度相对较低,但增长快速、发展潜力大,体现该县在人地系统改善与优化方面取得了显著成果;2010—2020年规划区由良好协调转为优质协调,体现新区在兼顾经济发展与生态保护以及构建蓝绿交织、水城共融的现代化城市方面做出有效探索。

表5 河北雄安新区各县与规划区耦合协调状况Table 5 Coupling coordination status of counties and planning area in Xiong′an New Area

4 结论与讨论

本研究基于“三生空间”视角构建人地系统评价指标体系,利用耦合协调度模型分析2010—2020年河北雄安新区人地系统耦合协调度时空演变,同时在县级、乡镇级尺度上探究人地耦合与“三生空间”

演化的对应关系。主要结论如下:①2010—2020年河北雄安新区以农田为代表的生产空间面积占比较大且逐年降低,不断转化为生产和生态空间,大部分地区“人”系统得分提升,“地”系统得分稍有下降,人地系统耦合协调度均呈现上升趋势,体现经济发展与自然环境保护的协同互促。②新区北部经济发展状况较好,耦合协调度高,南部属于生态敏感区,耦合协调度较低,需要因地制宜协调发展定位与发展路径,发挥生态优势,避免过度开发。③人地系统耦合协调与“三生空间”比例及演化趋势具有较强对应关系,反映出各区域的自然本底和人类活动特征。

对比已有研究成果,本文的创新点和贡献主要体现在:①从“三生空间”角度选取人地系统评价指标,拓展了人地系统耦合协调评价的研究内容;②将人地系统分析与“三生空间”分析相结合,探究二者在不同尺度空间上的对应关系;③从区域、县、乡镇和规划区进行多空间尺度的定量分析,为河北雄安新区发展规划及相关政策制定提供重要支持。本文仍存在如下不足:①在人地系统耦合协调度分析上,仅选择2010年、2015年及2020年3个时间节点,未能更精细地反映河北雄安新区人地系统的逐年变化趋势;②未涉及人地系统与“三生空间”的作用机理,有待后续深入研究。