基于网格地理空间分析的黑龙江粮食主产区“生产-生活-生态”空间时空动态与耦合协调性量化研究

本综述系统量化了黑龙江粮食主产区2000–2020年间生产-生活-生态（PLE）空间的时空动态与耦合协调性。研究构建了基于土地利用的PLE功能分类-评价体系，综合运用空间分析、转移矩阵、耦合协调度模型及重心迁移方法，揭示了该区域PLE空间以生态空间换取生产空间扩张的核心冲突，并识别出生产-生活功能协调薄弱等结构性失衡问题。研究成果为践行国家“大食物观”战略、优化国土空间治理及促进区域可持续发展提供了科学依据与决策参考。

　　

引言

全球粮食安全是人类社会可持续发展的基石，而主要粮食产区（粮食带）是保障这一安全的稳定器。中国作为世界主要的粮食生产和消费国，其粮食主产区的空间治理实践为全球类似区域提供了宝贵参考。黑龙江省作为中国核心粮食主产区，其生产-生活-生态（Production-Living-Ecological, PLE）空间的演变与国家粮食安全息息相关，并为探索全球高强度农业区的土地利用转型与功能协调提供了典型案例。近年来，在社会经济快速发展和城市化加速的驱动下，粮食主产区PLE空间之间的矛盾日益突出。优化PLE空间配置、平衡其生产、生活与生态功能，成为促进粮食主产区可持续发展的关键策略。

研究框架与研究区概况

本研究选取中国战略性粮食主产区黑龙江省为案例区。该省位于中国东北部，总面积47.3万平方公里，地形多样，包括松嫩平原、三江平原以及大小兴安岭等，黑龙江、松花江等主要河流和兴凯湖、镜泊湖等湖泊为农业发展提供了优越的自然禀赋。2023年，全省粮食总产量达7788.2万吨，占全国总产量的11%，水稻、玉米和大豆是其主要作物。迅猛的社会经济发展和城市化迫使该地区在持续粮食生产的同时，面临生产空间扩大、生活空间增加和生态空间缩小的复杂冲突，这些矛盾加剧了资源利用效率与生态完整性之间的失衡。

研究方法与数据来源

研究采用了资源与环境科学数据中心（RESDC）提供的2000、2010和2020年30米分辨率的土地利用遥感数据。所有空间数据统一投影至WGS 1984 Albers等面积圆锥投影，数据处理与分析使用ArcGIS 10.4和Origin 9.1软件完成。

在研究方法上，本研究首先构建了适用于粮食主产区的PLE功能分类与评价体系。基于功能差异，将土地划分为生产（如耕地、工矿农业操作区）、生活（城乡居住区）和生态用地（森林、草地、湿地、水体）。借鉴前人研究并针对黑龙江特点，对每类土地按功能强度进行6级评分（5分至0分），主导功能依据最高分（若同分则依据主导物理属性）确定。评分优先考虑主导土地利用功能的强度和不可替代性，例如，水田因其单位面积最高产量和资本/劳动力投入而获得5分，旱地因其核心生产区地位但平均单产稳定性比水田低10-20%而获4分；城市区域因人口密集和基础设施完善而获5分；森林因提供不可替代的水源涵养、生物多样性保护及碳汇服务而获5分。最终对功能得分进行归一化处理，以利于跨空间和跨类别比较。

其次，研究运用了多种空间分析技术。通过ArcGIS 10.4构建了3公里分辨率的网格单元，对PLE功能进行空间叠置和极差标准化制图。采用莫兰指数（Moran’s I）度量PLE功能的空间自相关性，以量化其集聚特征和时序趋势，并利用局部空间关联指标（LISA）识别高-高（HH）和低-低（LL）集聚区，揭示PLE空间分布格局与演变轨迹。

第三，研究引入了土地利用转移矩阵来定量分析2000–2010年和2010–2020年两个时段内，黑龙江省不同地类之间的转移方向与幅度，精确描述了PLE空间格局随时间的演化过程。

第四，也是本研究的核心方法，即构建了PLE空间的耦合协调模型。该模型包含一个综合的PLE耦合协调模型和三个两两配对的子模型。

综合模型通过耦合度C（公式2）量化生产、生活、生态功能间的相互作用强度，通过综合协调指数T（公式3）反映PLE系统的整体协同发展水平（权重系数α, β, γ基于粮食生产系统功能等价性原则均赋值为1/3），最终计算耦合协调度D（公式4）来评估系统协同状态。D值被划分为五个明确等级：[0, 0.2) 严重失调，[0.2, 0.5) 轻度协调，[0.5, 0.6) 中度协调，[0.6, 0.8) 高度协调，[0.8, 1.0] 优质协调。

为剖析功能对之间的微妙相互作用，研究还建立了专门的两两耦合框架：生产-生态模型权重设为α=0.55, γ=0.45；生产-生活模型采用平衡权重α=0.5, β=0.5；生活-生态模型权重为β=0.55, γ=0.45。这些针对性 formulation 克服了聚合模型的局限性，捕捉了粮食生产系统中至关重要的不对称子系统动态。

最后，研究创新性地以耦合协调度D值作为空间单元的质量属性，采用重心模型（公式5, 6）计算了2000、2010和2020年的耦合协调重心坐标，追踪了系统功能协同的时空位移路径，绘制了综合协调状态的迁移轨迹。

结果与分析

PLE空间的时空演变特征

时间变化上，生产空间呈现持续扩张趋势，面积从2000年的160,284.43 km2增至2020年的163,910.28 km2，净增3,625.85 km2。生活空间则呈现“先升后降”的波动趋势，从2000年的8,570.38 km2增至2010年的9,239.48 km2，后降至2020年的8,930.86 km2，20年间净增360.48 km2。生态空间则持续衰退，从2000年的283,546.01 km2减少至2020年的279,530.40 km2，净减少4,015.61 km2。相应的功能评分也发生变化：土地的生产功能评分从1.17×10⁶升至1.19×10⁶，生活功能评分从4.33×10⁴升至4.58×10⁴，生态功能评分则从1.85×10⁶轻微下降至1.84×10⁶。

空间变化上，高值生产功能区主要集中在松嫩平原和三江平原这两个核心产粮区，其空间集聚在20年间保持稳定，但城市扩张导致外围区域功能略有减弱。生活功能空间以哈尔滨、齐齐哈尔、大庆等中心城市为核心向外辐射状扩张，西部地区因经济发展和人口分布显示出比东部更快的扩张速度和更优的功能性。生态功能空间则集中分布于大兴安岭、小兴安岭和完达山等生态调节能力强的地区，整体格局稳定，但中心城市外围出现侵占和功能退化。总结而言，黑龙江PLE系统空间动态揭示了三个并存的过程：生产空间在农业核心区的 consolidation，生活空间在城市化压力下由城市中心向外扩张，以及生态空间在开发区附近的显著碎片化。

PLE空间的空间集聚特征分析

莫兰指数和LISA聚类分析表明，2000-2020年间黑龙江省PLE空间存在显著的空间集聚性，但不同功能空间的集聚强度及其演变轨迹存在较大差异。

生产空间的莫兰指数波动相对较小，从2000年的0.754439升至2010年的0.756683，后略降至2020年的0.750819，表明其空间集聚性保持强劲但随时间有微弱减弱。高值集聚区（H-H区）主要位于松嫩平原和三江平原，这些地区农业资源丰富、机械化耕作先进，是黑龙江主要的粮食生产中心。低值集聚区（L-L区）则集中于北部大兴安岭和南部湿地边缘区，这些地区地理条件恶劣、生态保护规定严格，生产功能相对不明显。

生活空间的集聚模式演变更为一致，其莫兰指数从2000年的0.530564持续上升至2020年的0.558534，表明空间集中度呈逐步上升趋势，适度增强。高值集聚区（H-H区）主要集中在哈尔滨、齐齐哈尔、大庆等主要城市中心及其邻近地区，凸显了城市化对生活空间发展的加剧影响。城市扩张边缘区呈现高-低集聚（H-L区），而生活空间功能较弱的农村地区则表现为低值集聚（L-L区）。

生态空间的莫兰指数则从2000年的0.730692先升至2010年的0.732309，后降至2020年的0.714170，表明其空间集聚性有减弱和分散化的趋势。高值集聚区（H-H区）主要位于大兴安岭、小兴安岭和三江平原内的指定湿地保护区，这得益于严格的生态保护政策和有利的自然地形。相反，低值集聚区（L-L区）出现在集约化耕作的松嫩平原和城市扩张区域，反映了生活和生产活动侵占对生态空间造成的巨大压力，导致生态连通性降低。

PLE空间土地利用结构转型分析

2000至2020年间，黑龙江省生产-生活-生态（PLE）空间结构发生了显著动态变化，生产、生活与生态空间之间的功能流动呈现出不同的趋势和空间分布特征。

土地用途数据分析表明，生产空间持续扩张，主要集中在农业开发强度高的地区，如哈尔滨、齐齐哈尔周边的核心农业区以及三江平原。生产空间的扩张主要来源于生态空间的转化，这一现象在松嫩平原中部和三江平原东南部尤为明显，表现为耕地的连片扩张。这反映了农业功能增强和城市发展对生产空间的双重驱动。

然而，生活空间则呈现先扩张后收缩的趋势。其空间扩张集中在哈尔滨、大庆、佳木斯等城市及其周边地区。生活空间的扩张主要源于生态空间的转移，这一趋势在2000至2010年间更为明显，表现为城市周边生态用地逐渐被生活和建设用地所取代。

生态空间的变化最为显著，20年间净减少4015.61 km2。生态空间流出的区域主要集中于农业开发强度高和城市扩张的区域，特别是松嫩平原中南部和三江平原东部。在这些地区，湿地、森林等生态功能用地向生产空间（如耕地）和生活空间（如城乡建设用地）的转化十分明显。生态空间向生产和生活空间的转化在两个阶段均有发生，但在2010至2020年间更为显著，表明政策干预效果有限，生态空间持续承压。

从时空特征来看，2000至2020年间，黑龙江省“三生空间”结构经历了从生态功能向生产和生活功能的持续演变。具体而言，2000–2010年间的结构变化相对平缓，以生态空间向生活空间的转移为主导；而在2010–2020年间，生态空间向生产空间的转移速度加快，同时生活空间呈现出收缩与向外扩张并存的复杂格局。这一趋势主要由区域经济发展、城市化进程和农业扩张等多重因素驱动，反映了“三生空间”重构过程中生态空间被挤压的长期风险。

PLE空间耦合协调度分析

整体耦合协调度的时空演变

基于2000年至2020年间各地理网格内生产-生活-生态空间功能的评估分析，黑龙江省PLE空间的耦合协调度呈现出明显的空间分异特征。

从整体来看，高协调度区域主要集中在松嫩平原中南部和三江平原。这些地区以农业为主，生产空间占主导地位，密集的农业活动与基础设施完善的集中生活空间并存，形成了高度融合的生产-生活空间格局。

中度和轻度协调区域广泛分布于全省大部分地区，是黑龙江省耦合协调度的主导类型。相比之下，低协调甚至失调区域主要位于北部大兴安岭、小兴安岭和东南部完达山地区。这些区域生态空间占主导，生产和生活空间明显不足，导致生产-生活-生态空间融合性较差，整体协调水平较低。

从时间演变来看，2000年至2020年间，黑龙江省PLE空间耦合协调度总体呈现缓慢上升趋势，协调水平逐步改善。2000年至2010年间，中度和高度协调区域逐渐增加，协调格局相对稳定。2010年至2020年间，改善趋势更为明显，特别是在松嫩平原和三江平原等农业区域，高度协调区域进一步扩大。同时，以生态功能为主的北部和东部地区协调水平相对稳定，未出现显著波动。这表明生态优势区内生产-生活-生态空间的融合相对滞后。

PLE功能两两耦合协调度演变特征

为进一步阐明生产-生活-生态空间功能间的耦合协调关系，本研究分析了生产-生活、生产-生态和生活-生态三组两两耦合协调度的演变特征。

生产-生活空间耦合协调度总体水平最低，2000年至2020年间主要集中于低水平区间（0–0.2和0.2–0.4）。尽管2010年和2020年高水平区间略有增加，但整体变化有限。这表明生活与生产功能之间的空间整合仍然薄弱，亟需加强其空间协调性。

生产-生态空间耦合协调度最高，主要处于0.6–0.8和0.8–1.0的区间。这表明黑龙江省农业生产力与生态保护之间的协同效应稳步增强，逐步形成了生态农业模式。

生活-生态空间耦合协调度处于中等水平。虽然2000年其主要处于低水平区间，但到2020年高水平区间已有所增加。总体而言，其耦合协调度仍然较低，反映了城乡生活功能与生态功能需要进一步的空间整合，以改善绿色生活环境。

黑龙江省生产-生活-生态空间的两两耦合协调关系表现出显著的结构性差异。最高的生产-生态耦合协调度反映了农业生产与生态保护之间强大的协同作用，是粮食主产区这些空间高效整合的核心驱动力。生活-生态空间耦合协调度主要处于较低水平，表明城乡生活功能和生态空间需要逐步实现协调共存。生产-生活空间耦合协调度保持相对较低水平，其特点是空间功能整合薄弱，凸显了优化土地利用结构、改善基础设施以进一步促进其协调空间发展的迫切需求。

PLE空间耦合协调度重心迁移趋势

为了进一步量化和动态化生产-生活-生态空间的空间协同效应，本研究采用了耦合协调度的重心迁移模型。分析了2000年至2020年间黑龙江省该协调重心的时序演变。结果显示，整体重心的演变呈现出阶段性特征，表现为先向北迁移，随后向南移动的格局。

2000年至2010年间，耦合协调度重心从（127°38’6”E, 46°50’10”N）迁移至（127°41’5”E, 46°54’22”N）。这代表整体向东北方向位移约8.64公里，年均0.86公里。这一移动表明在此期间北部区域的耦合协调度显著增强。这种改善可能源于生态保护政策的初步成效以及生态功能优势区的持续稳定。

随后，从2010年到2020年，重心向西南方向回退至（127°38’41”E, 46°51’58”N），迁移距离约为5.38公里。此次迁移幅度明显小于前一时期。这表明尽管松嫩平原等南部农区的协调度有所改善，但北部区域对重心位置的主导影响依然存在。

总之，重心的迁移轨迹说明了一个动态过程：生产-生活-生态空间的耦合协调格局首先由南向北优化，随后进行了轻微的南向调整。这一演变反映了黑龙江省在应对生态保护、农业发展和城市化的进程中，区域协调性的变化。此外，这一趋势 underscores 生产与生态空间之间的空间竞争仍然是增强整体耦合协调的一个关键制约因素。

讨论

本研究揭示了黑龙江省“生产-生活-生态空间”（PLES）演变中内在的深刻权衡。虽然先前的研究主要强调了粮食主产区生产空间的扩张趋势，但本研究通过精细划分土地利用转移路径，进一步证明这种扩张主要是以核心农业区（特别是松嫩平原和三江平原）的生态空间为代价的。这一发现将宏观的国家粮食安全战略与微观的土地利用变化直接联系起来，明确指出了地方实践中普遍存在的“以生态空间换生产空间”的模式。尽管该模式在短期内有效支撑了粮食产量，但我们的耦合协调度分析也警告，它正在削弱区域生态系统的长期恢复力，这是本研究识别的区域可持续发展的核心风险。

上述生产与生态之间的紧张关系根植于传统的“唯谷物观”。相比之下，中国政府提出的“大食物观”提供了一个新颖的理论视角和解决方案。该方法的精髓在于超越将“食物”等同于“谷物”的传统概念，将食物来源从单纯依靠耕地扩展到整个国土空间（包括森林、草原和水体），从而构建多元化的食物供给体系。这一理论恰当地解释了本研究发现的一个关键问题：黑龙江省“生产”与“生活”功能之间的耦合持续欠佳，很大程度上是由于生产功能过度固着于耕地，而广阔生态空间（如林地、湿地）中蕴含的巨大经济潜力尚未被充分挖掘。这深刻揭示了过度依赖单一土地类型（耕地）的产出，不仅侵占了生态空间，而且被证明无法有效驱动农村地区的多元化发展和提升居民福祉。

本研究的结果也与现有研究进行了有效对话并推进了其发展。例如，尽管有研究注意到区域农用地和林地的景观破碎化加剧，但本研究从功能耦合的角度，揭示了这种空间破碎化的深层功能根源——即土地功能单一化导致的协同效应缺乏。同时，有研究强调未来土地生境质量的改善依赖于严格的生态保护。本研究为此观点提供了一个重要的补充：单纯依靠“被动保护”可能难以为继；更需要注重以“大食物观”为指导的“主动整合”，通过发展生态友好型产业，将生态优势内生性地转化为经济效益，从而从根本上缓解保护与发展之间的长期冲突。这种从“保护”到“整合”的范式转变，是本研究试图在理论和政策层面倡导的核心理念。

基于前述讨论，优化黑龙江省“生产-生活-生态空间”（PLES）格局需要一套结合区域特色与全球视野的系统性策略。在区域层面，应实施差异化的空间治理。在生产和生态冲突尖锐的松嫩平原，需要建立一体化的“农田-生态廊道”系统，并将生态补偿机制与粮食主产区激励政策挂钩。在生产-生活协调薄弱的农村地区，除了运用“多元化食物体系”理念引导产业发展、培育生态农业、林下经济、乡村旅游等新业态外，进一步优化土地利用结构至关重要。此优化应优先促进农业经营者的适度规模发展，以实现生产与生活功能的就地融合。此处的“规模发展”特指实现“功能的适度规模”。其运作逻辑通过三种机制实现：1) 提升生产效率与专业化：将碎片化农田整合成相对集中的经营单元，可显著提高土地利用效率，为采用先进农业机械和推广高效生产技术奠定基础；2) 增强生计支撑能力：经营规模的适度扩大能产生更强的经济集聚效应，为农村道路、供水、网络等基础设施和教育、医疗等公共服务积累更多资金；3) 促进生产与生活空间的协同整合：一旦农业生产达到一定规模且效率提升，其剩余产品、副产品或产生的生态系统服务（如环境友好型耕作实践）便能更有效地转化为经济收入和改善农村居民生计的资源。

更重要的是，黑龙江的案例为全球其他面临类似农业扩张与生态退化压力的主要粮食产区（如美国玉米带或巴西塞拉多草原）提供了普遍的政策启示。核心在于将土地利用从“单一功能最大化”转向“多功能协同优化”。全球适用的策略包括：1) 实施基于自然的解决方案（NbS），将生态基础设施嵌入农业景观中以增强系统韧性；2) 建立能够核算生态系统服务价值（ESV）的政策框架，使生态保护的贡献在经济决策中“可见”；3) 推广多元化食物系统，以应对全球气候变化和市场波动的双重风险。这些策略共同指向一个可持续的未来：在保障全球粮食供应的同时，维护关键农业区域的生态健康与社区繁荣。

需要指出的是，尽管本研究基于30米分辨率遥感数据揭示的宏观趋势和空间格局是清晰的，但该分辨率可能在一定程度上掩盖了微观尺度的土地功能变异和动态变化。未来研究可通过整合更高分辨率数据或实地调查，进一步细化对村域层面功能演变与协同优化机制的理解。

结论

本研究系统阐述了2000–2020年间中国代表性粮食主产区——黑龙江省“生产-生活-生态空间”（PLES）的时空演变规律与耦合协调特征。主要结论归纳如下：

1. 1.
   格局演变与内在权衡：生产空间持续扩张，其代价是关键生态空间的萎缩，加剧了二者之间的功能张力。与此同时，生活空间围绕中心城市呈现明显的飞地式增长，与广阔的生产区空间整合不足。
2. 2.
   功能耦合与结构失衡：PLES耦合协调水平存在显著的结构性差异，表现为相对较高的生产-生态协调与持续较低的生产-生活协调并存。这种结构失衡构成了区域整体发展的根本性制约。
3. 3.
   重心迁移与动态转型：耦合协调重心的迁移轨迹——先北移后南迁——清晰地证明了区域发展动力发生了历史性转型，从生态保护优先转向农业生产主导。
   本研究的核心贡献在于定量揭示了国家粮食安全战略下地方系统内存在的深刻空间功能权衡，并创新性地应用“大食物观”概念作为调和PLES冲突的理论框架。我们的发现强调了对粮食主产区土地政策进行范式转变的紧迫性：从单一的产量最大化导向，转向协同协调生产、生计与生态功能的综合治理模式。此项研究不仅对中国的国土空间规划具有重要的实践意义，也为全球面临类似挑战的农业区域实现可持续发展目标提供了宝贵的经验借鉴。