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  中国水土保持科学   2023, Vol. 21 Issue (6): 43-52.  DOI: 10.16843/j.sswc.2023.06.005
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引用本文 

骆海燕, 吴卓, 甘梓莹, 陈嘉怡, 何珮婷, 陈振芳. 珠三角城市群三生空间功能的耦合协调时空演变特征[J]. 中国水土保持科学, 2023, 21(6): 43-52. DOI: 10.16843/j.sswc.2023.06.005.
LUO Haiyan, WU Zhuo, GAN Ziying, CHEN Jiayi, HE Peiting, CHEN Zhenfang. Spatial-temporal evolution characteristics of coupling coordination of "production-living-ecology" space functions in the Pearl River Delta urban agglomeration[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2023, 21(6): 43-52. DOI: 10.16843/j.sswc.2023.06.005.

项目名称

广东省林业科技创新重点项目“珠三角城市群森林生态系统连通性及其优化研究”(2018KJCX013);广东省林业科技创新重点项目“粤港澳大湾区森林生态修复效果智能评估研究”(2020KJCX006); 国家自然科学基金“空间韧性视角下的森林生态系统多尺度响应与模拟研究——以珠三角国家森林城市群为例”(42171089)

第一作者简介

骆海燕(2000-), 女, 本科生。主要研究方向: 城市生态修复与土地利用变化。E-mail: Y18318585124@163.com

通信作者简介

吴卓(1988-), 男, 博士, 副教授。主要研究方向: 全球变化与区域生态响应。E-mail: wuzhuo@gzhu.edu.cn

文章历史

收稿日期：2022-08-02
修回日期：2023-03-29
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
珠三角城市群三生空间功能的耦合协调时空演变特征
骆海燕 , 吴卓 , 甘梓莹 , 陈嘉怡 , 何珮婷 , 陈振芳     
广州大学地理科学与遥感学院, 510006, 广州
收稿日期：2022-08-02; 修回日期：2023-03-29
项目名称：广东省林业科技创新重点项目“珠三角城市群森林生态系统连通性及其优化研究”(2018KJCX013);广东省林业科技创新重点项目“粤港澳大湾区森林生态修复效果智能评估研究”(2020KJCX006); 国家自然科学基金“空间韧性视角下的森林生态系统多尺度响应与模拟研究——以珠三角国家森林城市群为例”(42171089)
第一作者简介：骆海燕(2000-), 女, 本科生。主要研究方向: 城市生态修复与土地利用变化。E-mail: Y18318585124@163.com
通信作者简介：吴卓(1988-), 男, 博士, 副教授。主要研究方向: 全球变化与区域生态响应。E-mail: wuzhuo@gzhu.edu.cn
摘要：探究三生空间功能的互动关系是实现城市群社会经济与生态环境协调发展的基础。利用变异系数法和熵权法构建三生空间功能评价指标体系, 测算1999、2004、2009、2014和2019年珠三角城市群的耦合度及耦合协调度, 并分析三生空间功能的时空演变特征。结果表明: 1)珠三角城市群各市三生空间功能的相互作用越来越紧密, 表现出从磨合阶段向高耦合阶段迈进的特点; 2)各市三生空间功能的关系演变呈现整体协同发展的特征, 总体耦合协调度等级从失调向协调转变, 且南北走向的城市耦合协调度提升较为显著; 3)两两耦合协调度差异明显, “生产—生活”功能的耦合协调状况较差, 是珠三角城市群三生空间功能优化的重点方向。从三生空间视角开展城市群多功能相互关系研究有助于识别当前区域发展不平衡、不协调的问题, 为珠三角水土保持功能的整体提升和国土空间生态修复提供参考。
关键词：三生空间功能    耦合协调    时空演变    珠三角城市群    
Spatial-temporal evolution characteristics of coupling coordination of "production-living-ecology" space functions in the Pearl River Delta urban agglomeration
LUO Haiyan , WU Zhuo , GAN Ziying , CHEN Jiayi , HE Peiting , CHEN Zhenfang     
School of Geography and Remote Sensing, Guangzhou University, 510006, Guangzhou, China
Abstract: [Background] With the accelerated urbanization of the Pearl River Delta(PRD), urban and rural construction land has been expanding, resulting in a series of problems such as serious soil erosion, damage to the ecological environment, and unbalanced development of urban and rural areas. The contradiction in the utilization of "production-living-ecology" space in the PRD is prominent, but the development relationship between internal coupling and coordination is not clear. We propose to quantitatively identify the evolutionary characteristics of the spatial coupling and coordination relationship among the three living things in the PRD. [Methods] We used the coefficient of variation method and entropy weight method to construct the evaluation index system of three spatial functions. Using the coupled coordination model, we calculated the degree of coupling and the degree of coupled coordination of the three living spaces in the PRD for the year 1999, 2004, 2009, 2014 and 2019. Then, we analyzed the spatio-temporal variation characteristics based on ArcGIS software. [Results] 1) The interaction of the three spatial functions of the cities in the PRD urban agglomeration was getting closer and closer, and the number of high-coupling cities has nearly doubled, showing the characteristics of moving from the running-in stage to the high coupling stage. 2) The evolution of the relationship between three space functions showed the characteristics of overall coordinated development, and the number of imbalanced cities decreased by nearly double. These manifested the overall coupling coordination degree changing from imbalanced to coordinated. Besides, the north-south cities' coupling coordination degree increased significantly. 3) The difference between the two coupling coordination degrees was obvious, and the coupling coordination of "production-living" functions was poor, which was the key direction for the optimization of the three spatial functions for the PRD urban agglomerations. [Conclusions] By exploring the characteristics of the functional coordination evolution of the PRD in the past 20 years, this study revealed that a systematic analysis of the interaction between the multi-functional relationships of the PRD may help identify the unbalanced and uncoordinated development of ecology, production and life, so as to provide a scientific basis for the overall improvement of soil and water conservation functions and the restoration of ecology in the PRD.
Keywords: "production-living-ecology" space function    coupling coordination    spatial-temporal evolution    Pearl River Delta urban agglomeration    

随着珠三角城市化进程不断加快，城乡建设用地不断扩张，造成水土流失严重、生态环境破坏、城乡发展不均衡等一系列问题[1]。党的十八大报告明确提出“促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的总体要求，协调人类活动和生态环境之间的关系变得尤为重要。“三生”空间指具有生产、生活和生态功能用地的总称，是自然系统与社会经济系统协调耦合的产物[2-3]。但是，在国土空间管理中，三生空间的关系通常是矛盾的，空间发展不平衡。珠三角城市群作为全国最重要的经济体之一，其内部发展的不平衡更加凸显，尤其是部分地区由石漠化和城镇化导致的水土流失等生态问题日益严重。因此，以三生空间视角开展城市群多功能相互关系研究，能够更好地理解珠三角发展与生态保护之间的关系，为珠三角水土保持功能的整体提升和国土空间生态修复提供参考。

当前，三生空间的研究主要涉及三生功能的分类体系构建[4-5]、空间识别[6-7]、空间格局演变及其驱动因素[8-9]、土地利用转型[10-12]以及耦合协调关系[13-15]等方面。相关研究充分认识三生空间功能耦合协调关系有利于系统分析当前土地利用矛盾、诊断国土空间健康状况。例如，付晶莹等[16]通过探究齐齐哈尔市多尺度三生功能冲突耦合协同关系，提出针对性国土空间优化调控路径；倪维秋等[17]研究黑龙江省乡村地域三生空间功能演化与耦合协调度，为促进乡村地域三生空间协调发展提供理论依据；李玲慧等[18]研究黄河上游地区三生空间功能的演变特征及耦合协调关系，为解决三生空间发展矛盾提供差异化策略。这些研究在不同行政单元和空间尺度上开展一定探索，但是不同城镇化背景下三生空间的矛盾存在较大差异。因此，笔者利用三生空间耦合协调模型计算1999—2019年每5年珠三角城市群三生空间功能耦合度和耦合协调度，分析三生空间功能的耦合协调时空分异特征和演变规律，旨在为珠三角城市群功能协调发展提供思路。

1 研究区概况

珠江三角洲城市群(图 1)位于中国华南地区、广东省中南部(E 110°21′~115°25′，N 21°27′~24°24′)，由广州、深圳、佛山、中山、惠州、东莞、珠海、江门和肇庆等9个城市组成，覆盖面积约5.4万km2。以亚热带季风气候为主，年均降水量在1500 mm以上，年均气温为21~23 ℃。地势北高南低，山地大多分布于东北部和西北部，中部及其他沿海地区以平原为主。植被类型以亚热带常绿阔叶林为主，森林覆盖约达51.8%。2021年4月，珠三角国家森林城市群成为我国首个国家森林城市群，主要建设区域绿化覆盖率达45.95%。珠三角城市群拥有广东70%的人口，创造着全省85%的GDP，是亚太地区最具活力的经济区之一。2021年，珠江三角洲城镇人口7860.6万人，城镇化率高达87.5%，近5年人口年均增量超300万，是中国城镇化率最高的城市群。

图 1 研究区地理位置及2020年土地利用 Fig. 1 Location of the study area and land use in 2020
2 材料与方法 2.1 数据来源

三生空间生产功能数据如农林牧渔业产值、工业总产值等来源于《广东农村统计年鉴》《广东统计年鉴》(http://stats.gd.gov.cn/)以及珠三角9个城市的市统计年鉴。建成区绿化覆盖率、人均道路面积等数据来源于中华人民共和国住房和城乡建设部下的《中国城市建设年鉴》(https://www.mohurd.gov.cn/)。人均水资源数据来源于广东省水利厅发布的《广东省水资源公报》(slt.gd.gov.cn)。针对各市个别年份缺失的统计数据，由临近年份对应数据代替或采用均值法计算得到，部分人均指标数据经过计算后得出。

2.2 研究方法 2.2.1 三生空间评价指标体系的构建

参考近年来同类文献中使用频次较高的指标，并根据数据的稳定性与可获取性，最终确定为24个评价指标(表 1)。采用极差标准化[19]的方法去除数据量纲影响后，根据熵权法[20]和变异系数法[21]2种客观赋权法计算权重，再采取综合赋权法得到24个指标的综合权重，从而形成三生空间功能评价指标体系。

表 1 珠三角城市群“三生空间”评价指标体系 Tab. 1 Evaluation index system of "production-living-ecology"space in Pearl River Delta urban agglomeration
2.2.2 三生空间功能耦合协调度模型的构建

耦合是指2个及2个以上的系统在发展过程中产生相互作用、相互影响[22]。耦合度则用来描述多个系统相互影响的程度，用于研究珠三角城市群三生空间功能相互作用的过程、判断三生空间之间的发展状态，发现三生空间功能的演变规律。参考相关研究成果[23]进行三生空间功能耦合度模型的构建，具体计算为公式(1)。为进一步反映“生产—生活”“生活—生态”“生产—生态”功能两两耦合之间的相互作用关系，可演化为公式(2)~(4)，如下所示：

$ C=3\left(\frac{P_i L_i E_i}{\left(P_i+L_i+E_i\right)^3}\right)^{\frac{1}{3}} ; $ (1)
$ C_1=2\left(\frac{P_i L_i}{\left(P_i+L_i\right)^2}\right)^{\frac{1}{2}} ; $ (2)
$ C_2=2\left(\frac{L_i E_i}{\left(L_i+E_i\right)^2}\right)^{\frac{1}{2}} ; $ (3)
$ C_3=2\left(\frac{P_i E_i}{\left(P_i+E_i\right)^2}\right)^{\frac{1}{2}}。$ (4)

式中：C为耦合度，0≤C≤1；当C＝1的时候耦合度值最大，即离散程度最小，表示生产空间、生活空间、生态空间3个系统间的相关性最高，彼此间有序发展；C＝0表示离散程度最大，3个系统之间无关且彼此发展无序。i为行政界面；Pi、Li、Ei分别为生产空间综合评价值、生活空间综合评价值、生态空间综合评价值。

耦合度反映系统间相互作用的强弱，耦合协调度则用来衡量多个系统在耦合过程中协调一致的程度，体现耦合程度的好坏[24]。引入耦合协调度便于弥补耦合度不能反映各功能是相互促进还是相互制约的不足，具体公式[25-26]如下：

$ D=\sqrt{C T} ; $ (5)
$ T=\alpha P_i+\beta L_i+\gamma E_i \text { 。} $ (6)

式中：D为生活功能、生产功能、生态功能三者的耦合协调度，取值范围为[0, 1]，D值越大，耦合协调度越高，即生产空间、生活空间、生态空间3个子系统之间的协调性越好；T为协调发展综合评价指数，取值范围为[0, 1]；α、β、γ分别为生产功能、生活功能、生态功能权重，就珠三角城市群的发展而言，相对侧重生活与生产功能，故将待定系数确定为α=0.35，β=0.35，γ=0.30。同样，结合公式(5)和公式(7)~(9)可计算两两三生空间功能的耦合协调度，公式[27]如下所示：

$ T_1=\alpha P_i+\beta L_i ; $ (7)
$ T_2=\beta L_i+\gamma E_i ; $ (8)
$ T_3=\alpha P_i+\gamma E_i \text { 。} $ (9)

式中：当生产功能和生活功能进行耦合协调度测算时，α=β=0.50；当生活功能和生态功能进行耦合协调度测算时β=0.55，γ=0.45；当生产功能和生态功能进行耦合协调度测算时α=0.55，γ=0.45。参考相关文献的研究[28-29]，将耦合度及耦合协调度的类型划分为表 2所示。

表 2 耦合度及耦合协调度类型 Tab. 2 Types of coupling degree and coupling coordination degree
3 结果与分析 3.1 三生空间功能耦合度时空演变特征

珠三角城市群三生空间功能耦合度较高的城市主要处于中心地区，并呈现逐渐向外扩散的趋势(图 2)。肇庆、珠海等一直处于磨合阶段，良性共振耦合进程缓慢。部分城市的耦合度演进呈现明显波动，如江门经历先减后增，中山、惠州经历先增后减过程，表明其三生空间功能仍处于较不稳定的相互制衡的良性耦合状态。总体上珠三角城市群耦合度逐步由磨合阶段向高耦合阶段迈进，各城市三生空间之间的相互作用越来越紧密，逐渐呈现有序、协调的良性共振耦合。

图 2 1999—2019年耦合度时空分布 Fig. 2 Spatial-temporal distribution of coupling degree from 1999 to 2019
3.2 三生空间功能耦合协调度时空演变特征

耦合协调度在空间上呈现“中低周高—中高周低—北高南低”的变化特征(图 3)。1999—2004年中度失调和濒临失调的比例发生转折性变化(图 4)，中度失调和濒临失调的比例均增加10%，勉强协调的比例大幅下降；2004—2009年，中度失调的比例下降，勉强协调的比例上升。到2019年，城市的协调数量最多、失调数量最少。整体而言，1999—2019年珠三角城市群的三生空间功能耦合协调度逐步由不同层次的失调向较高层次协调演进。

图 3 1999—2019年耦合协调度时空分布 Fig. 3 Spatial-temporal distribution of coupling coordination degree from 1999 to 2019
图 4 耦合协调度比例分布 Fig. 4 Proportion distribution of coupling coordination degree
3.3 三生空间功能两两耦合协调度演变特征

通过频数分析法[30]，分组统计1999、2004、2009、2014和2019年5个时间段所占的不同耦合协调类型比例(图 5)。珠三角城市群三生空间功能的耦合协调度呈现由低值向高值演进的特征，其中“生态—生产”与“生态—生活”之间的耦合协调度由低向高演进的速度较快、提升明显，主要从中度耦合协调转变为高度耦合协调，而“生产—生活”的耦合协调度由低到高的演进速度较慢、仍以中度耦合协调为主。

图 5 两两耦合协调度演进曲线 Fig. 5 Evolution curve of pairwise coupling coordination degree
3.4 三生空间功能耦合协调度重心变化与趋势分析

从1999年到2019年珠三角城市群三生空间耦合协调度的重心整体呈现由西南往东北偏移而后折返的变化(图 6)。重心变化的结果表明，广州周围城市的生产、生活、生态空间功能逐渐走向协调。1999—2004年的重心变化较大，其他年份的重心偏移较小，也说明城市群整体三生空间功能变化由波动趋于稳定。

图 6 耦合协调度重心变化 Fig. 6 Center-of-gravity change of coupling coordination degree

珠三角各城市三生空间功能耦合协调度在空间上的分布显示(图 7)，东西方向(x轴方向)上耦合协调度由不均走向均匀，南北走向(y轴方向)的耦合协调度变化更加明显并趋于平衡。由于近20年城市群的内部经济交流不断加深、核心城市辐射范围逐渐扩大、生态文明理念的逐步落实等因素的影响，珠三角区域内部城市发展差异逐渐缩小。但2019年结果表明，南部城市如中山市、珠海市的耦合协调度仍有待提升。

图 7 1999年和2019年耦合协调度空间变化趋势(从左到右) Fig. 7 Spatial variation trend of coupling coordination degree in 1999 and 2019 (from left to right)
4 讨论

如何推动珠三角城市群高质量协同发展是当前国土空间优化调控的重点。三生功能识别及耦合协调分析可以为国土空间规划和生态修复“精准施策”提供客观依据。首先，珠三角的边缘城市如肇庆、惠州、江门、中山与广深等核心城市的三生空间功能发展差异较大，应重点关注中山、惠州、肇庆在珠三角城市群发展中的定位和对三生空间的需求，提升对整体区域的贡献度。其次，“生产—生活”方面仍以中度耦合协调为主，说明珠三角城市群生产、生活的协同发展程度相对滞后，需进一步从“生产—生活”空间关系入手解决矛盾问题。最后，珠三角城市群三生空间发展不均衡问题仍比较突出，应继续落实可持续发展理念、更加注重生态环境保护与社会生活改善，并加大珠三角核心城市的对外辐射。

本研究仍存在许多不足。由于研究时间跨度大，基础数据收集困难，部分指标数据只能用相近的指标替代。且因数据获取有限，未在城市群县域尺度下进行研究。未来可基于更细微的尺度，并结合一些如生物多样性指数、植被覆盖指数等数据代替部分统计数据。三生空间功能的耦合协调关系研究有利于促进三生空间功能协调发展，而耦合协调背后的作用机制和耦合协调发展的策略是今后研究的重要方向。

5 结论

1) 珠三角城市群各市三生空间功能的相互作用与联系越来越紧密。耦合度呈现以广佛等高耦合地区逐渐向外扩散的空间趋势，但中山、惠州、肇庆一直处于较低耦合阶段，在时间维度上呈现由磨合阶段逐步向高耦合阶段迈进的特点。

2) 珠三角城市群各市三生空间功能的关系演变呈现整体协同发展的特征。两两耦合协调度差异明显，“生态—生产”与“生态—生活”从中度耦合协调转变为高度耦合协调，但“生产—生活”仍以中度耦合协调为主，说明珠三角城市群生产、生活空间的协同发展程度相对滞后，需从“生产—生活”空间关系入手解决矛盾问题。

3) 从城市群视角探讨城市群内部三生空间的相互互动关系有利于识别珠三角城市群内部三生空间发展过程的不平衡、不协调问题，为珠三角水土保持功能的整体提升和国土空间生态修复提供参考。

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