濟南市三生空間時空格局變化特征分析

解 磊,孫勝卓,畢梅楨,朱曉偉

(山東省國土空間生態修復中心，山東 濟南 250014)

1 引言

國土空間是經濟社會發展的載體，也是人類生存和發展的支撐，其格局和功能的演變是人地不斷互動的結果。國外學者無明確的提出“三生功能”或者“三生空間”概念，對比來看，與土地利用多功能研究有異曲同工之處。三生空間概念是黨的“十八大”在闡述生態文明建設發展要義時，從戰略高度、用通俗易懂的語言提出的。中共十八屆三中全會、2013 年中央城鎮化工作會議以及 2015年中央城市工作會議均提出，應該劃定生產、生活、生態空間開發管制邊界，促進三生空間優化。由于三生空間之間的關系不是完全獨立的，而是相互制約、相互聯系的，使得整個系統動態并且復雜，需要對其長時間序列的時空格局變化特征進行深入分析，這也是國土空間布局優化的基礎和關鍵。

近年來，有關三生空間的研究成為眾多學者討論的重點，以往研究多集中于三生空間的分類[1,2]、三生空間的功能識別[3，4]以及三生空間的結構優化[5,6]等方面，這些研究在一定程度上對分析和跟蹤不同區域三生空間的格局變化具有重要意義。當前，區域三生空間的功能識別主要有兩種：一種是定性識別三生空間，將土地利用數據進行分類與合并，按照一定的標準來劃分三生空間；另一種是量化評價空間單元，例如建立空間價值核算函數[7]，構建生產、生活、生態空間質量指數[8]。前者與土地利用現狀分類的銜接，基于功能將各類型用地劃入不同空間尺度，可提高三生空間劃定的可操作性與現實應用價值，后者具有地域針對性和評價體系綜合性[2]的優勢，但在多主體融合和多尺度集成表達上考慮不足。然而，當前中國存在多種用地分類標準，區域三生空間分類需結合應用需求與多部門用地分類進行對接[9,10]。三生空間分類標準體系的建立和運用是當前我國國土資源規劃和生態文明建設面臨的重要研究課題。考慮到不同區域經濟發展水平和發展戰略目標不同，因地制宜選擇適合研究區域的分類體系和評價體系尤為重要性。高莎[11]針對鄭州市三生空間時空演化進行了分析，賀忠發[12]通過研究拜城縣土地利用變化來分析三生空間時空變化格局，馬世發等[13]基于三生空間優化的視角下，提出了國土空間的綜合分區理論框架，王成等[14]則在三生空間功能耦合協調的視角下分析其時空特征與格局演化。總而言之，三生空間的研究是目前國土空間規劃背景下城市發展優化的重要基礎[15,16]，目前的研究對于時空變化的特點和影響因子的分析較為淺顯，分析好三生空間時空演變是關乎今后如何處理土地資源類型合理配置實現可持續發展的前提。

山東省人民政府于2022年2月15號，發布了《山東省黃河流域生態保護和高質量發展規劃》，其中提出了改善黃河生態環境、改善生態環境、改善生態環境的空間布局，堅持生態優先、綠色發展。同時，《山東省土地利用總體規劃》明確了“金山銀山”的概念，優化生產、生活、生態空間的發展與保護模式，實施最嚴格的生態保護體系。在此背景下，濟南市作為黃河流域發展的重要城市，通過對其三生空間的長時間序列變化分析，及早發現和認知三生空間的矛盾，為國土資源的合理利用和高質量發展提供科學的理論基礎，研究結果同時可為其他城市土地資源開發提供借鑒與指導。

2 研究區及數據來源

2.1 研究區概況

濟南市位于山東省西北部，北緯36°40′、東經116°57′。在地勢上，濟南市南臨泰山，黃河自西南向東北貫穿全城，南高北低濟南素有泉城的美譽，下轄10個區、2個縣，總面積10244.45 km2。2021年，濟南市常住人口為920萬人，地區生產總值11432.22億元。與中國其他大中型城市相比，濟南城市化和經濟發展迅速，建設用地占用耕地現象屢見不鮮，生產、生活、生態空間用地矛盾日益突出，對“三生”空間時空格局變化的研究顯得十分迫切和必要。

2.2 數據來源

本文所需實驗數據集包含行政區劃數據以及2005年、2010、2015以及2020年4個年份的土地利用數據以支持長時間序列分析，其中，行政區劃數據來源于國家基礎地理信息數據庫；土地利用數據來自中國科學院地理科學與資源研究所資源環境數據云平臺共享(http://www.resdc.cn/DOI)，該數據集分類體系包括耕地、林地、水域、草地、未利用地和建設用地等6個一級分類，25個二級地類，空間分辨率為30 m。

3 研究方法

3.1 三生空間劃分體系

三生空間的準確劃分是研究其動態變化的基礎，本研究基于30 m分辨率土地利用數據，參照已有研究[17]，首先將三生空間再次細分，生產空間劃分為農業生產、工礦生產兩類，生活空間劃分為城鎮生活于農村生活兩類，生態空間劃分為綠被生態、水域生態、其他生態三類。對接城市用地分類體系，構建最終三生空間分類體系(表1)。

表1 三生空間分類體系

3.2 空間自相關分析

為了測算三生空間變化的動態性，引入動態度指數，并利用空間自相關方法量化三生空間動態度變化的空間格局[18,19]。空間自相關分析的目的是確定某一變量是否在空間上相關，其相關程度如何。其量化的關鍵指標是Moran's I指數，其計算公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，ΔV為三生空間變化動態度，Va和Vb分別表示三生空間類型在研究初期和末期的面積(km2)；T為研究的時間跨度(年)。yi是觀察點i的屬性值。Moran's I的取值范圍為-1～1，當I> 0時，表示某個區域與其周邊區域呈正相關，且趨向于空間集聚，反之，則表示該區域趨向于空間分散。當I=0 時，說明給定區域與其周圍區域之間沒有空間校正。但是為了進一步觀察空間中樣本觀察值的局部集聚情況，并排除空間過程的潛在不穩定性，就引入局部Moran's I，公式如下：

(3)

局部Moran's I將空間關聯模式分為4種類型，并與莫蘭散點圖中的4個象限相對應。分別為高高聚類、高低聚類、低低聚類以及低高聚類。

3.3 標準差橢圓

標準差橢圓算法可通過創建標準差橢圓來匯總三生空間的空間特征，包含中心趨勢、離散和方向趨勢[20,21]。在ArcGIS平臺中，使用方向分布工具進行標準差橢圓的可視化。

(4)

(5)

(6)

4 實驗結果及分析

4.1 三生空間分類結果

宏觀上，濟南市三生空間的空間分布沒有較大的變化(表2)。其中，生產空間占地面積最廣，主要分布于濟南市的北部；生態空間次之，生態空間分布主要位于南部山區，這一區域內以丘陵山地為主，地表覆蓋類型以林草地為主，形成了濟南市的生態屏障；生產空間占地面積最小，主要分布于建成區，其中，以濟南市中東部中心城區最為密集，形成了被生產空間包圍的態勢。

表2 2005～2020年濟南市三生空間面積統計結果 km2

4.2 長時間序列三生空間時空格局分析

4.2.1 時間變化特征

如表3所示，在2005～2020年，三生空間在整體空間分布格局上沒有較大變化，但在長時間幅度上，每種空間類型的占地面積變化較大。其中，生產空間的變化幅度最大，減少了666.67 km2，并且在15年中是持續性減少，與之相反，生活空間的面積則呈現持續性增大的趨勢，并在2020年共增加了577.24 km2，生態空間的變化與政策調整等息息相關，在前10年，生態空間的面積均呈現增加的趨勢，共增加了132.62 km2，在2015～2020年，隨著城市化進程的不斷加快，生態用地的面積減少43.18 km2，但從15年長時間跨度而言，生態空間的面積仍然增加了89.44 km2。

表3 2005～2020年濟南市三生空間變化幅度結果 km2

4.2.2 空間變化特征

如表4所示，以2005～2020年動態變化度分析濟南市三生空間的空間變化特征，其中，生產空間與生活空間均呈現顯著空間自相關特性，其中，生產空間主要城鄉空間負相關，在濟南市的中部形成了區域性的低低聚類區，這意味著濟南市中部的空間類型在15年變化極小，并且形成了區域性的低值中心，生活空間則在濟南市東部形成了高高聚類區，覆蓋鄉鎮較多，面積較大，這一區域與濟南市的“東進”策略相一致，表明該區域是生活空間變化最為劇烈的區域，在西部老城區，同樣存在小面積的高高聚類、低低聚類以及高低聚類，這與老城區的逐步改造以及在升級有較大關系。生態空間由于受政策法規等原因的管控，整體的變化不大，同樣在空間上幾乎不具有空間自相關特性，僅在濟南市最北部形成了小區域的高高聚類中心。

表4 2005～2020年濟南市三生空間動態變化度聚類個數 個

標準差橢圓分析結果如表5所示，整體的三生空間中心點的位置都在較小變化幅度上有所變化。生產空間的分布趨勢主要為西北-東南方向，中心點位于濟南市南部的歷城區，生活空間呈現南-北分布趨勢，這與濟南市的行政區劃以及建成區的分布區域有關，其中心點同樣位于歷城區，生態空間的變化最大，逐漸由西北-東南方向分布向東-西方向分布轉變的趨勢。中心點分布于萊蕪區。

表5 2005～2020年濟南市三生空間變化幅度結果 km2

從中心點的變化分析濟南市三生空間的未來變化趨勢。如圖1所示，對于生態空間而言，在東西方向上，整體呈現東移的態勢，在南北方向上，2005～2015年向顯著北移的趨勢，但在2015年后，整體的生態空間又南移至接近2005年水平，對于生活空間而言，在東西方向上，變化極小，幾乎沒有變動，在南北方向上，可以看出以較慢的態勢逐漸北移，對于生產空間而言，在東西方向上，中心點呈現微小西移的態勢，在南北方向上，2015年前變化不大，2015年后顯著北移趨勢，推測其原因與黃河北岸的規劃開發有較大關系。

圖1 濟南市三生空間中心點經緯度變化分析

4.3 布局優化策略

提高生產空間的生產效率：生產空間在濟南市占有最大的國土面積，生產效率的提高對于促進生產空間協調發展極為重要，在生產過程中，應當積極引導生產土地的分級劃分，以適應濟南市職住平衡的要求，提高生產要素在空間上的配置效率；城市東部區主要定位為高新產業區，南部區依托生態空間、鼓勵高科技農業的發展，嚴禁非農化、非糧化，在保障農業生產的同時，發揮其生態功能。提高整體的生產空間生產效率。

塑造生活空間高生活品質：高品質生活對各類城市空間的合理配置提出了新的要求，濟南市應堅持“東強、西興、南美、北起、中優”的發展格局規劃，發展“銜山擁泉、山水共融”的發展策略，加強以經十路為城市軸線，彰顯人文精神，打造城市特有的風貌特色，合理規劃和引導緊湊連續的多中心城市空間結構，從而塑造高品質的生活空間。

保護生態空間：在城市的生態空間發展方面，始終要堅持以人為中心，保障生態空間的數量和合理分布。推進山水林田湖草的生態保護修復，特鄙視對于生態脆弱地區的保護和生態修復要引起重視。在城市發展與擴張過程中，要堅守三區三線的有關規定，從而保證人與自然的協調發展。

5 結語

(1)2005～2020年的濟南市三生空間在整體上空間格局上變化不大，生產空間廣泛的分布在整個研究區，生態空間主要分布在南部山區，主要以林草地覆蓋為主，生活空間最為密集的區域為中西部核心城區。

(2)2005～2020年間，三生空間的面積發生較大變化，其中，生產空間以5年為間隔，持續性的減少，在15年里共減少了666.67 km2，生活空間則相反，持續增加了577.24 km2，生態空間在前10年有增加的趨勢，近五年來，隨著城市化的快速推進，面積有所減少，但從全時間序列來看，仍然增加了89.44 km2。

(3)為打造濟南都市圈的核心城市地位，濟南市需要圍繞生產、生活、生態三大空間布局，在國土空間規劃中，發揮已有高質量發展態勢，發展過程嚴格遵守三區三線的有關規定，一方面，提高生產空間的生產效率；另一方面，塑造生活空間的高生活品質，最重要的，是保護生態環境。