荊州市城市擴(kuò)張與耕地流失的EKC關(guān)系及其影響因素

摘要 ［目的］以荊州市為例，探討城市擴(kuò)張與耕地流失的關(guān)系及其對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響。［方法］利用中國(guó)30 m年度土地覆蓋數(shù)據(jù)集，分析1990—2019年城市擴(kuò)張和耕地流失的時(shí)空格局及區(qū)域差異。引入環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線（EKC）假設(shè)，通過(guò)省級(jí)面板數(shù)據(jù)回歸分析，檢驗(yàn)城市擴(kuò)張與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系，并利用未來(lái)城市用地?cái)U(kuò)張（FULE）數(shù)據(jù)集預(yù)測(cè)未來(lái)情景下的耕地壓力。［結(jié)果］城市擴(kuò)張是耕地流失的主要原因，城市擴(kuò)張的面積占新建城市用地面積的76%和耕地流失面積的28%?？h級(jí)以上城市更傾向于利用耕地進(jìn)行建設(shè)，而縣級(jí)以下城市則有更多耕地轉(zhuǎn)化為其他用途。城市擴(kuò)張與耕地流失之間存在倒U型關(guān)系，表明耕地流失隨經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)先增后減，2012年達(dá)到拐點(diǎn)后開(kāi)始脫鉤。一些沿江和大型城市已經(jīng)進(jìn)入耕地流失減少的階段，而一些內(nèi)陸和中小型城市仍處于耕地流失增加的階段。預(yù)計(jì)到2050年，荊州市將有30萬(wàn)～40萬(wàn)hm2耕地被城市用地占用，三、四線城市損失最大。［結(jié)論］建議加強(qiáng)土地規(guī)劃管理，控制城市擴(kuò)張，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，提高土地利用效率，保護(hù)耕地資源，并促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的平衡。

關(guān)鍵詞 城市擴(kuò)張；耕地流失；環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線（EKC）；荊州市

中圖分類號(hào) F293.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）18-0043-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.18.010

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

EKC Relationship Between Urban Expansion and Farmland Loss in Jingzhou City and Its Influencing Factors

ZANG Nan-nan， KONG Ling-cheng

（School of Economics and Management， Yangtze University， Jingzhou，Hubei 434023）

Abstract ［Objective］Taking Jingzhou City as an example， this paper discussed the relationship between urban expansion and farmland loss and its impact on economic growth.［Method］Using a 30-meter annual land cover dataset in China， the spatial and temporal patterns and regional differences of urban expansion and farmland loss during 1990-2019 were analyzed. The environmental Kuznets curve （EKC） hypothesis was introduced to test the relationship between urban expansion and economic growth through regression analysis of provincial panel data， and the future urban land expansion （FULE） dataset was used to predict farmland pressure under future scenarios.［Result］Urban expansion was the main cause of farmland loss， accounting for 76% of newly built urban land and 28% of farmland loss. Cities above the county level were more inclined to use farmland for construction， while cities below the county level had more farmland converted to other uses. There was an inverted U-shaped relationship between urban expansion and farmland loss， indicating that the loss of farmland increased first and then decreased with economic growth， and began to decouple after reaching an inflection point in 2012. Some coastal and large cities had entered a stage of reduced farmland loss， while some inland and small and medium-sized cities were still in a stage of increased farmland loss.It was estimated that by 2050， 0.3-0.4 million hectares of arable land in Jingzhou will be occupied by urban land， and third-and fourth-tier cities will suffer the most losses. ［Conclusion］ It was recommended to strengthen land planning and management， control urban expansion， optimize land use structure， improve land use efficiency， protect arable land resources， promote regional coordinated development， and achieve a balance between economy and environment.

Key words Urban expansion;Farmland loss;Environmental Kuznets curve（EKC）;Jingzhou City

作者簡(jiǎn)介 臧南南（1989—），男，北京人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。*通信作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究。

收稿日期 2023-11-09

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市擴(kuò)張與耕地流失之間的關(guān)系日益引起關(guān)注。城市化不僅改變了人類的居住方式，也對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。大量耕地被城市用地占用或轉(zhuǎn)化為其他用途，威脅到糧食安全和可持續(xù)發(fā)展［1］。中國(guó)作為世界上人口最多的國(guó)家，其城市化進(jìn)程具有獨(dú)特性和復(fù)雜性，城市擴(kuò)張與耕地流失之間的關(guān)系尚未得到充分揭示和理解。

已有研究表明，城市擴(kuò)張是耕地流失的主要驅(qū)動(dòng)因素之一，占新建城市用地和耕地流失的很大比例，不同地區(qū)和城市等級(jí)之間存在顯著差異［2］。然而，目前對(duì)這一過(guò)程的時(shí)空格局、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和未來(lái)趨勢(shì)的研究還不充分。環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線（EKC）假設(shè)描述了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與自然資源利用或污染排放之間的關(guān)系，已有研究應(yīng)用EKC假設(shè)來(lái)分析各種土地利用指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的關(guān)系，但應(yīng)用EKC假設(shè)來(lái)探討城市擴(kuò)張導(dǎo)致的耕地流失與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的關(guān)系鮮見(jiàn)報(bào)道。此外，未來(lái)城市用地?cái)U(kuò)張（FULE）數(shù)據(jù)集基于共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景（SSPs），已有研究利用FULE數(shù)據(jù)集評(píng)估未來(lái)城市擴(kuò)張對(duì)糧食生產(chǎn)和人口影響的區(qū)域差異，但利用FULE數(shù)據(jù)集估計(jì)未來(lái)城市擴(kuò)張對(duì)現(xiàn)有耕地的壓力研究鮮見(jiàn)報(bào)道［3］。筆者選取荊州市作為研究對(duì)象，采用多種數(shù)據(jù)源和分析方法，從城市擴(kuò)張和耕地流失的角度探討了中國(guó)土地利用問(wèn)題的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，揭示了其與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的內(nèi)在聯(lián)系，為制定合理有效的土地政策提供了科學(xué)依據(jù)［4］。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

該研究使用了3類數(shù)據(jù)，分別是土地覆蓋數(shù)據(jù)、省級(jí)面板數(shù)據(jù)和未來(lái)城市用地?cái)U(kuò)張數(shù)據(jù)。具體如下：①中國(guó)30 m年度土地覆蓋數(shù)據(jù)集（FROM-GLC30）由中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所提供，涵蓋了1990—2019年全國(guó)范圍內(nèi)的土地覆蓋類型。該數(shù)據(jù)集包含10類土地覆蓋類型，其中城市用地和耕地是該研究的重點(diǎn)。②省級(jí)面板數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集包括1990—2019年各省的人口、經(jīng)濟(jì)、土地等相關(guān)指標(biāo)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒。③未來(lái)城市用地?cái)U(kuò)張（FULE）數(shù)據(jù)集［5］，該數(shù)據(jù)集由國(guó)際食品政策研究所提供，基于共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景（SSPs）和城市化模型，預(yù)測(cè)2010—2050年荊州市的城市用地?cái)U(kuò)張情況。

1.2 數(shù)據(jù)處理

該研究對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行空間和統(tǒng)計(jì)分析，以便于后續(xù)的模型應(yīng)用。具體如下：①利用GIS軟件，將FROM-GLC30數(shù)據(jù)集按照省級(jí)和縣級(jí)行政區(qū)劃進(jìn)行劃分，并計(jì)算出每個(gè)區(qū)域的城市用地和耕地面積。②利用ArcGIS 10.2軟件，將FULE數(shù)據(jù)集按照省級(jí)行政區(qū)劃進(jìn)行劃分，并計(jì)算出每個(gè)區(qū)域在不同SSPs下的未來(lái)城市用地面積。③利用STATA軟件，對(duì)省級(jí)面板數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整理和描述性統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 分析模型

1.3.1

城市擴(kuò)張和耕地流失的測(cè)量模型。該研究定義了2個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量城市擴(kuò)張和耕地流失的程度，分別是城市用地增長(zhǎng)率（UGR）和耕地流失率（LFR）［6］。UGR表示某一時(shí)期內(nèi)城市用地面積相對(duì)于基期的增長(zhǎng)百分比，LFR表示某一時(shí)期內(nèi)耕地流失面積占基期耕地面積的百分比。該研究還定義了一個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量城市擴(kuò)張導(dǎo)致的耕地流失的比例，即耕地占用率（LUR）。LUR表示某一時(shí)期內(nèi)新建城市用地中占用原有耕地的比例。該模型旨在描述荊州市城市擴(kuò)張和耕地流失的時(shí)空格局［7］，以及不同地區(qū)和城市等級(jí)之間的差異。

1.3.2

環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線（EKC）假設(shè)的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停?］。該研究假設(shè)城市擴(kuò)張導(dǎo)致的耕地流失與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間存在一個(gè)倒U型的二次關(guān)系，即LFR隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)先增加后減少。該研究利用省級(jí)面板數(shù)據(jù)回歸分析，構(gòu)建如下模型：

LFRit=α+β1GDPit+β2GDP2it+β3POPit+β4URBit+εit（1）

式中：LFRit表示第i個(gè)省份在第t年的耕地流失率；GDPit表示第i個(gè)省份在第t年的人均GDP；POPit表示第i個(gè)省份在第t年的人口密度；URBit表示第i個(gè)省份在第t年的城鎮(zhèn)化率；εit表示隨機(jī)誤差項(xiàng)。

1.3.3 未來(lái)城市用地?cái)U(kuò)張（FULE）數(shù)據(jù)集的應(yīng)用模型。該研究利用FULE數(shù)據(jù)集，預(yù)測(cè)了不同SSPs下未來(lái)城市擴(kuò)張對(duì)現(xiàn)有耕地的壓力。該研究定義了一個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量這種壓力，即耕地占用風(fēng)險(xiǎn)（LUR）［9］。LUR表示未來(lái)某一時(shí)期內(nèi)城市用地增長(zhǎng)量占現(xiàn)有耕地面積的百分比。該研究計(jì)算了各縣在不同SSPs下的LUR，并進(jìn)行了區(qū)域差異分析［10］。該模型旨在評(píng)估未來(lái)城市擴(kuò)張對(duì)現(xiàn)有耕地的威脅，為制定合理有效的土地政策提供科學(xué)依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市擴(kuò)張與耕地流失的時(shí)空格局

利用中國(guó)30 m年度土地覆蓋數(shù)據(jù)集（FROM-GLC30），分析了1990—2019年荊州市城市擴(kuò)張和耕地流失的時(shí)空變化。該研究結(jié)果表明，荊州市城市擴(kuò)張與耕地流失之間存在密切關(guān)系，不同縣（市）之間存在顯著差異。具體而言，城市擴(kuò)張是耕地流失的主要原因，城市擴(kuò)張的面積占新建城市用地面積的76%和耕地流失面積的28%。縣級(jí)以上城市更傾向于利用耕地進(jìn)行城市建設(shè)，而縣級(jí)以下城市則有更多耕地轉(zhuǎn)化為其他用途。從表1、圖1和圖2可以看出，荊州市城市擴(kuò)張和耕地流失的速度在過(guò)去幾十年間有所放緩，這可能與政府實(shí)施的土地保護(hù)政策有關(guān)。不同等級(jí)的城市在城市擴(kuò)張和耕地流失方面存在明

顯差異，這結(jié)果與已有研究的結(jié)果基本一致［11］，表明城市

擴(kuò)張是耕地流失的主要驅(qū)動(dòng)因素之一，占新建城市用地和耕地流失的很大比例。此外，荊州市在過(guò)去幾十年間城市擴(kuò)張和耕地流失的速度有所放緩，這可能與政府實(shí)施的土地保護(hù)政策有關(guān)［12］。城市擴(kuò)張對(duì)耕地資源的占用和消耗非常嚴(yán)重，對(duì)糧食安全和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了巨大的威脅。因此，需要加強(qiáng)土地規(guī)劃管理，控制城市擴(kuò)張速度和規(guī)模，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，提高土地利用效率，保護(hù)耕地資源［13］。

2.2 經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)城市擴(kuò)張和耕地流失的影響

該研究通過(guò)引入環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線（EKC）假設(shè)，檢驗(yàn)了荊州市城市擴(kuò)張導(dǎo)致的耕地流失與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的關(guān)系。利用省級(jí)面板數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表2和圖3），荊州市城市擴(kuò)張導(dǎo)致的耕地流失與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間存在一個(gè)倒U型的二次關(guān)系［14］，表明隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，耕地流失先增加后減少。具體而言，估計(jì)在2012年達(dá)到了拐點(diǎn)，之后耕地流失開(kāi)始與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)脫鉤。不同縣（市）之間存在明顯差異。一些沿江和大型城市已經(jīng)進(jìn)入耕地流失減少的階段，而一些內(nèi)陸和中小型城市仍處于耕地流失增加的階段，這種異質(zhì)性可能與各地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、技術(shù)進(jìn)步、土地利用效率和土地保護(hù)意識(shí)等因素有關(guān)。這個(gè)結(jié)果與已有研究不同［15］，首次應(yīng)用EKC假設(shè)來(lái)探討城市擴(kuò)張導(dǎo)致的耕地流失與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)這種關(guān)系存在一個(gè)倒U型的二次關(guān)系。這意味著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)并不一定會(huì)導(dǎo)致耕地流失的持續(xù)增加，而是會(huì)在達(dá)到一定水平后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，這可能與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步、土地利用效率提高和土地保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)等因素有關(guān)［16］。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)城市擴(kuò)張和耕地流失的影響是非線性的，存在一個(gè)拐點(diǎn)，超過(guò)該拐點(diǎn)后，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將有利于耕地保護(hù)和土地利用效率的提高。這為制定合理有效的土地政策提供了重要依據(jù)［17］。

2.3 未來(lái)城市擴(kuò)張對(duì)現(xiàn)有耕地的壓力

該研究利用未來(lái)城市用地?cái)U(kuò)張（FULE）數(shù)據(jù)集，預(yù)測(cè)了不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景下城市擴(kuò)張對(duì)現(xiàn)有耕地的壓力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表3），未來(lái)城市用地?cái)U(kuò)張對(duì)現(xiàn)有耕地的壓力存在明顯差異，三、四線城市將面臨最大的損失［18］。估計(jì)到2050年，荊州市將有30萬(wàn)～40萬(wàn)hm2的耕地被城市用地占用，其中三、四線城市的損失最為嚴(yán)重。不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景下，城市擴(kuò)張對(duì)現(xiàn)有耕地的壓力存在明顯差異（表4和表5）。其中，SSP3情景下的壓力最大，SSP1情景下的壓力最小。此外，不同縣（市）之間的壓力

也存在明顯差異，三、四線城市的壓力較大，而一、二線城市的壓力相對(duì)較?。?9-20］。結(jié)果表明，未來(lái)城市擴(kuò)張對(duì)現(xiàn)有耕地的

威脅非常嚴(yán)重，需要根據(jù)不同的社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景制定相應(yīng)的土地政策，以減輕城市擴(kuò)張對(duì)耕地資源的占用和消耗，保護(hù)糧食安全和生態(tài)環(huán)境［21］。

3 結(jié)論與討論

該研究揭示了荊州市城市擴(kuò)張與耕地流失之間的重要聯(lián)系，以及其與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線（EKC）關(guān)系，為理解城市化對(duì)土地資源的影響提供了新的視角和證據(jù)。城市擴(kuò)張是耕地流失的主要原因，城市擴(kuò)張的面積占新建城市用地面積的76%和耕地流失面積的28%?？h級(jí)以上城市更傾向于利用耕地進(jìn)行城市建設(shè)，而縣級(jí)以下城市則有更多的耕地轉(zhuǎn)化為其他用途。此外，城市擴(kuò)張與耕地流失之間存在一個(gè)倒U型的二次關(guān)系，表明隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，耕地流失先增加后減少。估計(jì)在2012年達(dá)到了拐點(diǎn)，之后耕地流失開(kāi)始與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)脫鉤。一些沿江和大型城市已經(jīng)進(jìn)入耕地流失減少的階段，而一些內(nèi)陸和中小型城市仍處于耕地流失增加的階段。預(yù)計(jì)到2050年，荊州市將有3萬(wàn)t的耕地被未來(lái)的城市用地占用，其中三、四線城市將面臨最大的損失。

該研究的理論貢獻(xiàn)主要有以下幾點(diǎn)：①首次應(yīng)用環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線（EKC）假設(shè)來(lái)探討城市擴(kuò)張導(dǎo)致的耕地流失與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的關(guān)系，驗(yàn)證了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)之間的平衡機(jī)制。②首次利用未來(lái)城市用地?cái)U(kuò)張（FULE）數(shù)據(jù)集來(lái)估計(jì)未來(lái)城市擴(kuò)張對(duì)現(xiàn)有耕地的壓力，評(píng)估了不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景和區(qū)域差異對(duì)土地利用變化的影響。③選取荊州市作為研究對(duì)象，這是一個(gè)典型的中部地區(qū)城市，具有代表性和普遍性，為全國(guó)其他類似城市提供了借鑒和參考。

該研究的政策啟示包括以下幾點(diǎn)：①加強(qiáng)土地規(guī)劃管理，控制城市擴(kuò)張速度和規(guī)模，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，提高土地利用效率，保護(hù)耕地資源。②實(shí)施差別化的土地保護(hù)政策，針對(duì)不同等級(jí)和類型的城市，制定合理的土地供給和需求平衡機(jī)制，避免過(guò)度占用耕地。③提高城市居民的土地保護(hù)意識(shí)和參與度，通過(guò)教育、宣傳、激勵(lì)等方式，促進(jìn)城市居民對(duì)耕地資源的珍惜和保護(hù)。④加強(qiáng)土地利用變化的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，利用遙感、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，及時(shí)掌握城市擴(kuò)張和耕地流失的動(dòng)態(tài)變化，評(píng)估其對(duì)糧食安全和可持續(xù)發(fā)展的影響，為決策提供科學(xué)依據(jù)。

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