基于Pearson相關(guān)系數(shù)的西部城市群土地演變與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究

楊豐瑋，崔秀萍，2，趙冰潔，劉 宇

（1.內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.祖國北疆資源利用與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展院士專家工作站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

城市群是在城鎮(zhèn)化水平較高的特定地域空間內(nèi)，由若干個(gè)集中分布的級別不等的城市及其腹地通過空間聯(lián)動而形成的城市-區(qū)域系統(tǒng)。西部城市群作為西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施的重要單元載體，在集聚資源要素和推動區(qū)域有序協(xié)同發(fā)展等方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用[1-2]。

土地資源作為人們賴以生存和延續(xù)生命的基石，其利用狀況評價(jià)是判定城市群整體承載力的一個(gè)關(guān)鍵因素。近年來隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，人地矛盾日益凸顯，關(guān)于土地演變與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)性的研究成果[3-9]層出不窮。例如，湯琦等[10]針對云貴高原湖濱地區(qū)土地利用無序擴(kuò)張的問題，構(gòu)建了共享社會經(jīng)濟(jì)路徑下的土地利用變化模擬；何蕾等[11]基于環(huán)境庫茲涅茨曲線模型，發(fā)現(xiàn)江蘇沿海地帶的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)改革，以及國家和地方各級政策均對灘涂圍墾具有重要影響；陳紅蕾等[12]對武漢城市圈9 個(gè)城市的土地利用結(jié)構(gòu)與社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)先后進(jìn)行典型相關(guān)分析，為不同區(qū)域制定差別化的土地利用規(guī)劃和管理制度提供借鑒；楊梅煥等[13]、張蓉珍等[14]則分別以1997—2007年的陜西省和2002—2009年的西安市為對象，探究了土地利用動態(tài)變化與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的耦合關(guān)系?？傮w來看，相關(guān)研究內(nèi)容與研究成果不斷豐富完善，研究視角和研究方法也逐漸多元。然而以往研究多側(cè)重于小區(qū)域范圍內(nèi)或針對某一地域特色進(jìn)行單一分析，難以通過演繹對比整體把握城市群尺度下的土地利用動態(tài)變化與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)性規(guī)律。

本文以土地利用演變數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對西部城市群中景觀異質(zhì)性顯著的成渝、關(guān)中平原城市群進(jìn)行對比研究，挖掘識別其土地利用演變與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)程度及現(xiàn)存問題，從區(qū)域?qū)用婵紤]社會經(jīng)濟(jì)與土地利用關(guān)系的發(fā)展，整合資源優(yōu)勢以提高西部城市群的綜合實(shí)力水平。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

成渝城市群以重慶、成都為中心，轄域內(nèi)包含27 個(gè)區(qū)（縣）、15 個(gè)市，總面積約18.5×104km2，人口9500 萬[15]。由于地處四川盆地的核心地帶，得天獨(dú)厚的暖濕氣候使其擁有多種多樣的動植物資源，是全球罕見的物種基因庫之一[16]。關(guān)中平原城市群以西安為中心，區(qū)域覆蓋陜西省的58 個(gè)市轄區(qū)和縣級單位、甘肅省13 個(gè)縣級行政單位及山西省19個(gè)市縣，總面積約10.7×104km2，人口3865 萬。由于地勢起伏較大，氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)型，居民點(diǎn)和農(nóng)耕地多分布于東部和中部地區(qū)的平原地區(qū)[17]。作為西部地區(qū)綜合實(shí)力排名前兩位的城市群，二者都從城鎮(zhèn)化不斷向前推進(jìn)的過程中受益，但由于驅(qū)動因子不同，其土地開發(fā)方向差異明顯，開發(fā)中面臨的問題也各具特色。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 土地利用數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來自中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，分別提取1995年、2008年、2018年三期分辨率為30 m×30 m 的土地利用遙感影像為數(shù)據(jù)源。根據(jù)《中國土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)》中的一級分類標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用ArcGIS10.8 軟件的“重分類”工具將兩大城市群的土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6 類，再將三期影像通過空間疊加分析，提取得到1995—2018年研究區(qū)的土地利用演變數(shù)據(jù)。

1.2.2 社會經(jīng)濟(jì)因子的選擇

通過查閱整理相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒[18-22]，選取了研究區(qū)1995—2018年10 個(gè)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的代表性指標(biāo)（表1）進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析和線性擬合。10 個(gè)變量中，除了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)指標(biāo)，其余指標(biāo)均呈現(xiàn)整體上漲趨勢，其中，成渝城市群和關(guān)中平原城市群的國內(nèi)生產(chǎn)總值（gross domestic product，GDP）與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動情況如圖1和圖2所示。

圖1 成渝城市群GDP 與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動

圖2 關(guān)中平原城市群GDP 與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動

表1 研究區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平指標(biāo)

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地利用動態(tài)度

某個(gè)研究區(qū)的土地利用變動速率通常用土地利用的動態(tài)度K來表示，作為一個(gè)相對值，其大小不僅與土地利用的變化面積有關(guān)，還與基期數(shù)值有關(guān)。具體模型為：

式中，Ua表示某一土地類型的研究期初數(shù)量，Ub表示某一土地類型的研究期末數(shù)量；T表示研究期間變化的時(shí)間間隔。當(dāng)某單一土地利用動態(tài)指數(shù)為正時(shí)，表明研究期內(nèi)該類土地利用面積增加，反之則表明縮減，變動速度由K的絕對值大小表示。

1.3.2 Pearson 相關(guān)性分析

Pearson 相關(guān)性分析是一種簡單的衡量反映特征和響應(yīng)之間關(guān)系的方法，二者線性相關(guān)的方向與程度用Pearson 相關(guān)系數(shù)[23]的正負(fù)與絕對值大小表示。

式中，rp即Pearson 相關(guān)系數(shù)，取值區(qū)間為[-1，1]，絕對值越大表明相關(guān)性越強(qiáng)；xi和yi分別為兩個(gè)變量的樣本觀測值，二者對應(yīng)的平均值則由和表示；n為樣本觀測量。此外，相關(guān)性還受制于顯著性，顯著性小于0.05 時(shí)為顯著相關(guān)，小于0.01 時(shí)為極顯著相關(guān)。

1.3.3 線性回歸分析

為探究研究區(qū)1995—2018年土地利用和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的具體耦合關(guān)系[24]，選取表1中反映的社會發(fā)展水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分布、社會保障水平4 類相關(guān)因素的10 個(gè)潛在相關(guān)表征因子X1-X10，將耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積大小分別用變量Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6表示，基于Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果，將其中顯著相關(guān)的變量分別進(jìn)行線性回歸擬合。

紅河州建水（個(gè)舊）至元陽高速公路項(xiàng)目紅河特大橋是項(xiàng)目的控制性工程，全橋孔跨布置：7×40m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+6×50m鋼混組合梁+700m懸索橋+2×40m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，全長1366m。元陽側(cè)主塔基礎(chǔ)為分離式承臺，中間采用系梁連接，左右幅承臺下各設(shè)置9根φ2.8m灌注樁，單根樁長40m，共720m，按照九宮格形式居中布置，橫向間距6m，縱向間距6.5m。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用動態(tài)度分析

本文通過計(jì)算成渝城市群與關(guān)中平原城市群1995—2018年的單一土地利用動態(tài)度，以揭示其20 余年間的土地演變速率。將原始數(shù)據(jù)代入動態(tài)度模型，計(jì)算結(jié)果見表2和表3。

表2 成渝城市群土地利用演變

表3 關(guān)中平原城市群土地利用演變

由表2可知，1995—2018年，成渝城市群的耕地、林地、草地面積均有縮減，且草地的減速最快，動態(tài)度為-0.383%。水域、建設(shè)用地，以及未利用地的面積則呈現(xiàn)正向變動，其中建設(shè)用地高速擴(kuò)張，未利用地緊隨其后，二者的動態(tài)度分別為5.764%和2.951%，與成渝城市群城鎮(zhèn)化發(fā)展?fàn)顩r基本相符。與成渝城市群情況類似，關(guān)中平原城市群（表3）的建設(shè)用地同樣呈高速擴(kuò)張，23年間由3991.661 km2增加到5622.058 km2，動態(tài)度為1.776%，林地面積小幅上漲；其余地類均有不同程度的縮減，未利用地減速最快，水域次之。未利用地的急劇縮減表明，在此期間區(qū)域內(nèi)積極落實(shí)西部大開發(fā)政策；但水域面積的緊縮意味著城市群整體排水泄洪能力的下降，可將其視為內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加重的預(yù)警信號[25]。

2.2 土地利用演變與社會經(jīng)濟(jì)相關(guān)性分析

相關(guān)研究表明，區(qū)域土地利用變化和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有明顯的互動關(guān)系[26]，為揭示其具體影響方向與程度，對研究區(qū)1995—2018年土地利用類型面積的大小與前述10個(gè)因子的存量做相關(guān)性分析，結(jié)果如表4和表5所示。表中括號外的數(shù)字表示地類面積演變與各社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)，括號內(nèi)為顯著性水平。本研究取P值小于0.05 的顯著性水平為臨界，在此基礎(chǔ)上選擇影響顯著的變量建立“最優(yōu)”回歸方程。

2.2.1 成渝城市群

成渝城市群的耕地變動與常住人口數(shù)(X1)變量顯著負(fù)相關(guān)，二者相關(guān)系數(shù)是-0.999，這表明人口的逐年遞增與耕地面積的縮減關(guān)系密切；水域面積與農(nóng)林牧漁業(yè)總值(X3)、第三產(chǎn)業(yè)占比(X7) 的相關(guān)系數(shù)分別為0.969 和0.998，且顯著性均在0.05 范圍內(nèi)（表4）。結(jié)合表2呈現(xiàn)的土地利用面積演變結(jié)果，成渝城市群水域的擴(kuò)張離不開農(nóng)林牧副漁的產(chǎn)出增長和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代。由此印證了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展極大地驅(qū)動了土地面積的演變，反之水域面積的增加也必將進(jìn)一步帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在相關(guān)性分析結(jié)果基礎(chǔ)上，運(yùn)用SPSS27.0 進(jìn)行回歸分析，為剔除共線性影響，將各顯著相關(guān)的變量分別進(jìn)行線性擬合，得到如下具體公式，括號內(nèi)分別是擬合優(yōu)度R2與顯著性水平：

表4 成渝城市群土地利用演變與社會經(jīng)濟(jì)相關(guān)系數(shù)

Y1=-1.816X1+134807.281（R2=0.998，0.05 水平顯著)

Y4=0.048X3+2726.843（R2=0.938，0.05 水平顯著）

Y4=17.409X7+2208.212（R2=0.996，0.05 水平顯著)

關(guān)中平原城市群的草地演變與變量常住人口數(shù)（X1）、第一產(chǎn)業(yè)占比（X5）、糧食產(chǎn)量（X9）極顯著相關(guān)（表5）。人口數(shù)量的激增意味著急需擴(kuò)張建設(shè)用地以提高人口承載力，草地作為關(guān)中平原城市群地區(qū)占比第二位的土地利用類型，不可避免地成為快速城鎮(zhèn)化的犧牲品。其次，作為畜牧業(yè)的產(chǎn)值來源，草地的縮減與一產(chǎn)比重下降息息相關(guān)。此外，近年來隨著耕地保護(hù)紅線的劃定，草地成為區(qū)域內(nèi)耕地的主要流入源，間接導(dǎo)致了草地面積與糧食產(chǎn)量的反向變動關(guān)系。

表5 關(guān)中平原城市群土地利用演變與社會經(jīng)濟(jì)相關(guān)系數(shù)

本研究中，只有全社會固定資產(chǎn)投資（X8）與未利用土地的變動顯著相關(guān)，二者的相關(guān)系數(shù)為-0.998，未利用地面積隨著固定資產(chǎn)投資的增長而縮減，說明區(qū)域內(nèi)的固定資產(chǎn)投資為未利用地的開發(fā)提供了有力的資金支持。草地和未利用地與其顯著相關(guān)變量的回歸公式如下，括號內(nèi)分別是擬合優(yōu)度R2與顯著性水平：

Y3=-2.757X1+39146.240（R2=0.998，0.01 水平顯著）

Y3=129.392X5+27264.418（R2=0.956，0.01 水平顯著）

Y3=-4.519X9+35036.504（R2=0.908，0.01 水平顯著）

Y6=-0.002X8+156.072（R2=0.996，0.05 水平顯著）

3 結(jié)論

3.1 快速城鎮(zhèn)化與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防范

在6 類土地利用類型中，兩大城市群區(qū)域內(nèi)的建設(shè)用地動態(tài)度皆為最大，表明西部地區(qū)的兩大人口密集區(qū)城鎮(zhèn)化效果顯著。但與此同時(shí)，快速的城市擴(kuò)張導(dǎo)致的城市“過度硬化”往往會加大區(qū)域高溫?zé)崂孙L(fēng)險(xiǎn)，加之關(guān)中平原城市群地區(qū)水域面積急劇縮減，近年來當(dāng)?shù)匾讯啻伟l(fā)生洪澇災(zāi)害。下墊面類型和結(jié)構(gòu)是造成熱環(huán)境空間分布差異的主要原因，在城市群規(guī)劃中應(yīng)當(dāng)合理增加綠地和水體景觀以降低熱島效應(yīng)，同時(shí)在關(guān)中平原城市群地區(qū)應(yīng)著重加強(qiáng)水利工程建設(shè)，提高抵御洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)韌性。

3.2 土地利用演變與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展高度相關(guān)

成渝城市群和關(guān)中平原城市群作為西部發(fā)展活力指數(shù)較大、開放程度較高的地區(qū)，其社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地利用演變的關(guān)系十分緊密。人口數(shù)量的激增與成渝城市群的耕地面積縮減顯著相關(guān)，并對關(guān)中平原城市群的草地退化產(chǎn)生了極大影響。成渝城市群的水域面積與相關(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)協(xié)同增長，根據(jù)“最優(yōu)”回歸方程，相關(guān)產(chǎn)值每增加1 個(gè)單位，水域面積就會擴(kuò)大0.048 個(gè)單位，反之亦成立，二者之間的良性互動機(jī)制已逐漸成熟。此外，全社會固定資產(chǎn)投資的穩(wěn)步增長有力地促進(jìn)了關(guān)中平原城市群未利用地的開發(fā)。

兩大區(qū)域間由于土地利用的本底差異，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中對各地類的需求及開發(fā)特點(diǎn)也不盡相同。因而在土地管理工作中推行地區(qū)間差別化的用途管制政策，以土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整的合理規(guī)劃來引導(dǎo)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向，不僅有利于充分發(fā)揮地域優(yōu)勢，也有助于因地制宜地構(gòu)建生態(tài)與社會經(jīng)濟(jì)的均衡發(fā)展局面。