河北雄安新區“三生空間”人地系統及耦合協調度探究

李 奕 淇,蔣 衛 國,2,3*,鄧 雅 文,3

(1.北京師范大學地理科學學部,北京 100875;2.北京師范大學地理科學學部遙感科學國家重點實驗室,北京 100875;3.北京師范大學地理科學學部環境遙感與數字城市北京市重點實驗室,北京 100875)

0 引言

河北雄安新區是繼深圳經濟特區和上海浦東新區之后又一具有全國意義的新區,《河北雄安新區規劃綱要》指出“構建科學合理空間布局”,體現“三生”空間協調、人地和諧共融的城市發展理念[1],人地耦合協調的發展理念始終貫穿河北雄安新區規劃建設[2]。隨著新區土地開發利用程度加深,如何兼顧人地系統、統籌“三生空間”耦合協調發展成為重要挑戰。人地耦合是指人與自然兩大系統間的動態關聯、相互作用和反饋[3,4],國外對人地關系的理解先后經歷了地理環境決定論、或然論、協調論等階段[5],Garver提出構建以人地關系為核心的法律或治理體系[6]。20世紀80年代起,國內學者將人地關系引入地理學研究,內涵不斷豐富。例如:吳傳鈞[5]提出“人地關系地域系統”;史培軍等[7]提出“人—地協同”,將傳統文化中“天人合一”理論與地理系統論相聯系;趙文武等[8]探討了人地系統耦合視角下生態系統服務的評估模型與影響因子;薛冰等探討了POI大數據對人地系統研究的貢獻[9]。目前,人地系統理論已廣泛應用于經濟發展[10]、城鎮化水平[11]、環境質量[12]以及地質生態環境[13]等方面?！叭臻g”是對生產、生活和生態3類空間的總稱,涵蓋了人類系統與自然系統交互的空間范圍[14,15],是人地關系理論在區域規劃中的重要創新和發展,國內有關“三生空間”的研究主要包括分類識別[16]、空間格局分析[17]、動態演變[18]、空間優化[19,20]等,“三生空間”評估體系逐漸豐富,不僅關注空間基本屬性和功能[21],也將可持續發展[22]、空間共生[23]、“類型—強度—聯系”[24]等理論融入其中,也有學者以“三生空間”為視角,對城市綜合承載力[25]、土地轉型的生態效應[26]等進行定量評估。

綜上,目前關于人地系統與“三生空間”的研究已較成熟,也有學者將二者結合,對“三生空間”不同子系統間的耦合協調關系進行探究[27],但整體上看,從三生空間視角探究人地系統耦合協調度并分析其對應關系的研究仍顯不足。同時,已有研究多從縣、市尺度評價分析,較少能反映區域內部人地系統狀況的空間分異。在重視空間功能分區、追求可持續發展的理念下,人地系統與“三生空間”的對應關系也值得探索[28]。鑒于此,本文將人地系統評估框架與“三生空間”相結合,從多空間尺度定量分析2010—2020年河北雄安新區人地系統耦合協調度與“三生空間”配置演化的對應關系,以期豐富人地系統評價體系,為區域人地發展和空間優化戰略提供借鑒和啟示。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

河北雄安新區地處北京、天津、保定腹地,區位優勢明顯,規劃范圍涉及河北省雄縣、容城、安新3縣及周邊部分區域(圖1),截至2019年10月,雄縣轄8鎮、4鄉(含托管2鎮、1鄉),安新縣轄9鎮、4鄉(含托管1鄉),容城縣轄5鎮、3鄉,土地總面積1 560 km2。2020年河北雄安新區常住人口約為120萬人,2019年GDP約為215億元,承接北京市非首都功能的定位使新區在經濟、產業、人口等方面面臨巨大的發展機遇。土地利用方面呈現“六田、二建、一水、半分林”的特征,為規劃建設水城交融的田園城市創造了基礎條件。河北雄安新區在京津冀一體化發展的大背景下,肩負新的歷史使命和時代挑戰,亟須通過合理評估人地系統,實現城市高質量可持續發展。

1.2 數據來源

本研究數據包括社會經濟數據、土地覆蓋數據、醫療服務設施POI數據等(表1),所有數據統一為GCS_WGS_1984地理坐標系,空間分辨率均重采樣至1 km,并進行正向化、極差標準化(式(1))等預處理,數據指標包括極大型指標(又稱效益型指標,數值越大越優)和極小型指標(又稱成本型指標,數值越小越優)。

(1)

2 研究方法

本研究將人地系統理論與“三生空間”理論相結合,研究人地系統耦合協調狀況的動態變化。其中,生活空間主要是人類活動空間,以“人”系統占主導地位,包括農田、水田、旱地等農業生產用地;根據河北雄安新區土地利用主體功能[29]和新區實際發展狀況,生產空間主要指農業生產空間,是受自然條件約束、人地相互作用的空間,包括居民點、城鄉基礎設施等建設用地;生態空間則以“地”系統占主導地位,包括林地、草地、濕地和水體等生態用地。綜上,本研究從生活和生產空間選取“人”系統的評價指標,從生態和生產空間選取“地”系統的評價指標,從而對2010—2020年河北雄安新區“三生空間”變化、人地系統得分以及二者耦合協調度進行分析(圖2)。

圖2 研究技術路線Fig.2 Research technical route

2.1 基于“三生空間”視角的人地系統評價

參考已有人地系統評價研究[30],同時結合“三生空間”視角,選擇人口密度、建筑用地占比、GDP、夜間燈光指數、醫療設施POI、居民地POI、道路密度和坡度作為“人”系統評價指標,體現人口、經濟和社會發展3個層面;選擇農田生產潛力、耕地面積占比、濕地水體占比、林草地占比、NDVI、PM2.5濃度、河網密度和凈初級生產力(NPP)為“地”系統評價指標,體現土地資源承載力、土地資源壓力和環境保護3個層面(表2),并采用熵權法計算各指標權重。

表2 人地系統評價指標Table 2 Evaluation index of human-land system

2.2 人地系統耦合協調度計算

本文利用耦合協調度模型分析人地系統相互作用程度,耦合在地理學研究中常用于表現人地系統間相互影響、依賴、反饋而趨于協調統一的非線性復雜交互關系[31]。計算公式為:

(2)

式中:C為耦合度,取值范圍為[0,1],數值越接近1,表明系統耦合程度越強;A、B分別為“人”“地”系統得分,L為協調指數,α、β分別為“人”“地”系統的權重,從“三生空間”角度分析,“人”“地”系統對河北雄安新區發展具有同等作用,故α=β=0.5;D為耦合協調度,根據文獻[32]將耦合協調度分成不同等級(表3)。

表3 耦合協調度等級劃分Table 3 Classification of coupling coordination degree

3 結果分析

3.1 “三生空間”交互演化特征

由圖3可知,以農田為代表的生產空間占比始終較高,在區域中作為“基底”存在,體現河北雄安新區開發程度較低、發展潛力巨大;生活空間與規劃區范圍大致重合,呈點狀、放射狀分布,隨時間推移集聚區數量增多、面積變大,各集聚區之間的聯系增強;生態空間則以白洋淀區域為中心分布,在邊緣處與另外兩類空間相互作用,用地類型不斷轉化,體現人類活動與自然環境的交互,在白洋淀內零星分布有建筑區,可能為旅游景點、文化館、科研院所等。綜合看,研究區生產空間面積縮減(占比由75%降至71%)、生活空間和生態空間呈擴張趨勢,占比分別由2010年的11%和14%提升至2020年的13%和16%,體現新發展理念下白洋淀生態修復、生態環境建設的成果。

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

3.2 人地系統評價與耦合協調度分析

本文以2010年、2015年和2020年3個時間節點對河北雄安新區“人”“地”系統進行評價,“人”系統得分越高,說明人口、經濟、社會發展狀況越好;“地”系統得分越高,說明土地資源承載力越高、環境保護狀況越好。由圖4可知:①2010—2020年河北雄安新區“人”系統評價得分整體提升,經濟社會水平明顯提升,人民生活水平明顯改善;區域北部“人”系統得分提升幅度較大,南部提升相對較小,高值區位于安新鎮等多個城鎮,分布較離散,整體北高南低。②2010—2015年“地”系統得分整體下降,主要集中在白洋淀水域等生態敏感區,部分地區在2010—2020年得分先降后升,說明在資源環境利用和保護方面取得了一定成果,但仍需進一步優化。“地”系統整體以白洋淀水域為高值區,向外呈逐級遞減趨勢,得分普遍高于“人”系統,體現河北雄安新區自然條件優越、發展潛力大的現狀。③2010—2020年河北雄安新區耦合協調度變化較小,以北部規劃區及周邊地區為高值區,大部分地區呈逐年提升趨勢,尤其對于“人”系統得分較高的地區,說明隨著河北雄安新區的建設發展,區域內自然要素與社會經濟要素聯系日益緊密,呈現出人地發展相互促進、日益協調的趨勢;耦合度較低區域主要為南部的生態敏感區,這些地區以生態空間為主導,脆弱性較強,但耦合協調度仍有所提升,說明生態保護工程取得一定成效。

圖4 2010—2020年河北雄安新區人地系統評價得分及耦合協調度變化Fig.4 Changes in coupling coordination degree and human-land system in Xiong′an New Area from 2010 to 2020

3.3 區域尺度上人地耦合與“三生空間”的關系

從多空間尺度對“三生空間”及人地系統耦合協調狀況進行分析,有助于從不同區劃尺度了解河北雄安新區發展的空間分異,深入挖掘不同地區的資源潛力、發展優勢和問題,從而科學合理地規劃和分配資源,推進區域人地協調發展。從各鄉鎮耦合協調度空間分布(圖5)可知,河北雄安新區大部分鄉鎮耦合協調度有所提升,“優質協調”鄉鎮由2010年的5個增至2020年的17個,在人地和諧發展方面取得了明顯進展。耦合協調度較高的鄉鎮主要分布在容城縣、雄縣北部,這些區域經濟發展較好、“人”系統得分較高,同時也是規劃區所在,展現出規劃區的發展潛力;耦合協調度較低地區(如圓頭鄉及周邊鄉鎮)基本位于白洋淀區,屬于生態敏感區,在制定發展規劃時,需要考慮其生態條件,因地制宜協調發展定位與發展路徑,發揮生態優勢,避免過度開發。

圖5 2010—2020年河北雄安新區各鄉鎮耦合協調度Fig.5 Coupling coordination degree of townships in Xiong′an New Area from 2010 to 2020

進一步分析雄縣、容城縣、安新縣以及規劃區的“人”“地”系統評價得分,并與同時間段“三生空間”比例及演化趨勢對比分析(圖6、表4)。研究區均呈現出人類社會系統發展、自然生態系統衰退的變化趨勢,體現經濟發展對生態環境的壓力和挑戰,“三生空間”變化狀況與“人”“地”系統評價得分具有較強的對應關系。安新縣“人”系統得分較低、“地”系統得分較高,相應生態空間在研究區中占比最高、恢復效率高,體現安新縣坐擁白洋淀的生態優勢以及“北城南淀”的發展定位;容城縣“人”系統得分較高,“地”系統得分較低,對應生活空間占比較高,生產空間不斷開發為生活、生態空間;雄縣介于二者之間,“三生空間”配比均衡,耕地大量轉為建設用地及生態保護用地,用地類型趨于多元化;規劃區主要位于容城縣內,無論在人地系統交互還是“三生空間”演化方面均與容城縣相近。

表4 河北雄安新區各縣及規劃區“三生空間”占比Table 4 Proportion of "production-living-ecological spaces" in counties and planning area of Xiong′an New Area 單位:%

圖6 河北雄安新區各縣及規劃區人地系統評分Fig.6 Human-land system score of counties and planning area in Xiong′an New Area

由表5可知,4個區域的人地系統耦合協調度均呈現不同程度的提升,反映河北雄安新區經濟發展與自然環境保護的協同互促。具體看,容城縣體現出較好的耦合協調水平,并在2020年實現了優質協調,說明該縣在人地系統平衡與人地和諧方面具有較強優勢,是新區建設的重要支撐點;2010—2020年雄縣耦合協調度從0.820增至0.897,增幅最高,具有較大的潛力和發展空間;安新縣的耦合協調度相對較低,但增長快速、發展潛力大,體現該縣在人地系統改善與優化方面取得了顯著成果;2010—2020年規劃區由良好協調轉為優質協調,體現新區在兼顧經濟發展與生態保護以及構建藍綠交織、水城共融的現代化城市方面做出有效探索。

表5 河北雄安新區各縣與規劃區耦合協調狀況Table 5 Coupling coordination status of counties and planning area in Xiong′an New Area

4 結論與討論

本研究基于“三生空間”視角構建人地系統評價指標體系,利用耦合協調度模型分析2010—2020年河北雄安新區人地系統耦合協調度時空演變,同時在縣級、鄉鎮級尺度上探究人地耦合與“三生空間”

演化的對應關系。主要結論如下:①2010—2020年河北雄安新區以農田為代表的生產空間面積占比較大且逐年降低,不斷轉化為生產和生態空間,大部分地區“人”系統得分提升,“地”系統得分稍有下降,人地系統耦合協調度均呈現上升趨勢,體現經濟發展與自然環境保護的協同互促。②新區北部經濟發展狀況較好,耦合協調度高,南部屬于生態敏感區,耦合協調度較低,需要因地制宜協調發展定位與發展路徑,發揮生態優勢,避免過度開發。③人地系統耦合協調與“三生空間”比例及演化趨勢具有較強對應關系,反映出各區域的自然本底和人類活動特征。

對比已有研究成果,本文的創新點和貢獻主要體現在:①從“三生空間”角度選取人地系統評價指標,拓展了人地系統耦合協調評價的研究內容;②將人地系統分析與“三生空間”分析相結合,探究二者在不同尺度空間上的對應關系;③從區域、縣、鄉鎮和規劃區進行多空間尺度的定量分析,為河北雄安新區發展規劃及相關政策制定提供重要支持。本文仍存在如下不足:①在人地系統耦合協調度分析上,僅選擇2010年、2015年及2020年3個時間節點,未能更精細地反映河北雄安新區人地系統的逐年變化趨勢;②未涉及人地系統與“三生空間”的作用機理,有待后續深入研究。