空間交互視角下中國(guó)城市群耕地變化影響因素分析

劉殿鋒，周泊遠(yuǎn)，何建華，孔雪松，劉耀林

空間交互視角下中國(guó)城市群耕地變化影響因素分析

劉殿鋒，周泊遠(yuǎn)，何建華※，孔雪松，劉耀林

（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079）

城鎮(zhèn)化發(fā)展對(duì)耕地變化的影響因素是中國(guó)長(zhǎng)期關(guān)注的熱點(diǎn)問題。傳統(tǒng)研究較多關(guān)注城市個(gè)體增長(zhǎng)與耕地非農(nóng)轉(zhuǎn)換間的關(guān)系，鮮有關(guān)于城市空間聯(lián)系及協(xié)同發(fā)展視角下耕地變化影響因素的研究，而隨著城市空間交互作用的加強(qiáng)，人口集聚、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等催生出的多元用地需求激化了其與耕地保護(hù)間的復(fù)雜用地矛盾。城市群是中國(guó)當(dāng)下新型城鎮(zhèn)化的主體，從城市群視角探討耕地變化的影響機(jī)制更具前瞻性和現(xiàn)勢(shì)性。該文采用引力模型與城市流強(qiáng)度模型對(duì)城市群空間聯(lián)系進(jìn)行度量，從城市與城市群雙重尺度出發(fā)，構(gòu)建了耕地非農(nóng)轉(zhuǎn)換影響因素的多層線性回歸分析模型，探索2005—2015年間全國(guó)主要城市群耕地變化的影響因素及區(qū)域分異特征。結(jié)果表明，城市群耕地?cái)?shù)量變化的尺度效應(yīng)和地區(qū)分異特征顯著。在城市尺度上，耕地變化與農(nóng)業(yè)人口、工業(yè)經(jīng)濟(jì)及農(nóng)業(yè)科技均呈正相關(guān)關(guān)系，與城鎮(zhèn)化背景下建設(shè)用地?cái)U(kuò)張、經(jīng)濟(jì)全球化帶來(lái)的外資增長(zhǎng)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；城市群尺度空間聯(lián)系指標(biāo)均與耕地面積變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。區(qū)域差異體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)人口、城鎮(zhèn)人口規(guī)模等級(jí)、建設(shè)用地面積對(duì)內(nèi)陸城市群耕地面積變化影響較大，而工業(yè)化、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平在沿海有著更大推動(dòng)作用；城市群空間經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的影響在沿海地區(qū)較明顯，外向功能作用力則在內(nèi)陸有所體現(xiàn)。與零模型、半條件模型的對(duì)比分析表明，多層線性回歸用于城市群耕地變化影響因素研究具有有效性，同時(shí)也揭示了不同尺度因素對(duì)耕地變化的影響機(jī)制，從而為國(guó)土空間開發(fā)戰(zhàn)略下城市群發(fā)展與耕地保護(hù)提供有力的決策支持。

土地利用；模型；城市群；耕地；多層線性回歸；空間聯(lián)系

0 引 言

耕地資源是基礎(chǔ)性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，在保障糧食和生態(tài)安全、穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)社會(huì)秩序等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。中國(guó)耕地資源緊缺，同時(shí)在粗放經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段中普遍存在的建設(shè)占用、退化和污染嚴(yán)重、占優(yōu)補(bǔ)劣等問題的影響下[2]，有效耕地資源承受著巨大的需求壓力，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)發(fā)展與耕地保護(hù)之間沖突日益增強(qiáng)，嚴(yán)重影響著中國(guó)城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展。在此背景下中國(guó)耕地保護(hù)政策體系加快了建設(shè)和完善的步伐。改革開放初期，國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《關(guān)于制止農(nóng)村建房侵占耕地的緊急通知》，耕地保護(hù)問題開始得到重視?！吨腥A人民共和國(guó)土地管理法》的出臺(tái)標(biāo)志著耕地保護(hù)進(jìn)入法制軌道階段。《基本農(nóng)田保護(hù)條例》拉開了全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施以耕地保護(hù)為目標(biāo)的基本農(nóng)田保護(hù)制度的序幕，隨著《土地管理法》的幾次修訂，土地用途管制、耕地占補(bǔ)平衡、耕地保護(hù)目標(biāo)責(zé)任制等相關(guān)政策逐漸推行開來(lái)[3]。21世紀(jì)以來(lái)若干中央1號(hào)文件都進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了耕地保護(hù)的重要性，耕地保護(hù)政策體系趨于完善，尤其在國(guó)土空間規(guī)劃戰(zhàn)略實(shí)施背景下，為了構(gòu)建山水林田湖草生命共同體，開展質(zhì)量、數(shù)量、生態(tài)“三位一體”的耕地保護(hù)措施與政策保障體系研究勢(shì)在必行[4]。

城鎮(zhèn)化發(fā)展是耕地?cái)?shù)量與質(zhì)量變化的主要影響因素之一，不同城鎮(zhèn)化發(fā)展階段形成了各異的耕地變化特征[5]。早期工業(yè)化粗放擴(kuò)張、中期集約化轉(zhuǎn)變、后期協(xié)同化發(fā)展均將導(dǎo)致不同的耕地變化表現(xiàn)形式。城鎮(zhèn)化初期隨著人口、勞動(dòng)力、資金、技術(shù)、信息等的流動(dòng)和集聚，集聚效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)逐步催化社會(huì)對(duì)非農(nóng)化耕地資源的用地需求，而粗放擴(kuò)張的發(fā)展模式帶來(lái)耕地非農(nóng)化需求的畸形增長(zhǎng)、建設(shè)用地空置與利用低效，使得城鎮(zhèn)化與耕地保護(hù)間的用地矛盾日漸激化，大量耕地資源被直接或間接擠占，嚴(yán)重威脅了糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定。中期隨著土地集約利用效率的提高和耕地保護(hù)法律法規(guī)的完善，耕地非農(nóng)化的需求逐漸得到抑制和管控，但耕地保護(hù)形勢(shì)依然嚴(yán)峻[6-9]。城市協(xié)同發(fā)展的建設(shè)目標(biāo)在于解決單個(gè)城市的發(fā)展弊病，平衡發(fā)展速度和發(fā)展質(zhì)量，提高綜合效益，實(shí)現(xiàn)耕地保護(hù)、城市發(fā)展和生態(tài)治理的三線協(xié)同[10]。城鎮(zhèn)化各階段的發(fā)展模式均將導(dǎo)致不同的耕地變化表現(xiàn)，探索新時(shí)期背景下耕地變化影響機(jī)制，科學(xué)協(xié)調(diào)耕地保護(hù)與城鎮(zhèn)化發(fā)展間的關(guān)系，將有助于政府科學(xué)合理的分配土地資源，有效推行耕地保護(hù)政策，解決耕地問題[11]。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量探討了快速城鎮(zhèn)化過程中耕地變化影響機(jī)制[12-20]。研究表明，耕地資源變化與海拔、坡度、地貌、人均GDP、道路、社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合發(fā)展水平（經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口發(fā)展、城市化和工業(yè)化水平）、農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新與農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、空間可達(dá)性、交通發(fā)展水平、耕地保護(hù)政策和生態(tài)保護(hù)政策等諸多因素之間存在內(nèi)在聯(lián)系[12-13]。其中，城鎮(zhèn)化進(jìn)程帶來(lái)的自然、人口遷移、社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)提升、技術(shù)進(jìn)步以及政策變化對(duì)耕地非農(nóng)轉(zhuǎn)換起到至關(guān)重要的影響作用[14]。研究同時(shí)揭示了耕地變化及其影響作用在沿海地區(qū)[15]、農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)[16]、城市群、省市域行政區(qū)以及全國(guó)范圍存在空間分異與多尺度性特征[17-18]?，F(xiàn)有城鎮(zhèn)化與耕地變化研究成果雖較豐富，但多集中在城鎮(zhèn)化粗放擴(kuò)張與集約化轉(zhuǎn)變階段，主要關(guān)注獨(dú)立城市或者區(qū)域內(nèi)城市個(gè)體的耕地變化機(jī)理[19-22]，而鮮有針對(duì)城市協(xié)同發(fā)展（城市群或城市圈）如何影響耕地非農(nóng)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行討論。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及城市之間聯(lián)系日益增強(qiáng)，城市群已經(jīng)成為未來(lái)區(qū)域發(fā)展最具活力的增長(zhǎng)極點(diǎn)和國(guó)家新型城鎮(zhèn)化的主體形態(tài)，具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位[23]。城市群的復(fù)雜性、層次性與協(xié)同性將從多重角度影響耕地變化[10,24]，因此在考慮城市發(fā)展個(gè)體效應(yīng)基礎(chǔ)上，從城市群視角探討耕地變化的規(guī)律和機(jī)制以期有效協(xié)調(diào)城鎮(zhèn)化發(fā)展與耕地保護(hù)之間關(guān)系頗具現(xiàn)勢(shì)性和實(shí)用價(jià)值。在耕地轉(zhuǎn)換影響因素分析方法方面，現(xiàn)有研究呈現(xiàn)出從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從關(guān)聯(lián)分析到機(jī)理解釋的發(fā)展趨勢(shì)[25-28]。傳統(tǒng)相關(guān)性分析、主成分分析、因子分析方法逐漸被回歸分析、聚類分析取代，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等自適應(yīng)智能方法亦逐步被用于耕地變化的影響機(jī)制研究中，但針對(duì)耕地變化的多尺度分析方法的研究仍有較大空間。

針對(duì)當(dāng)前研究存在的不足，本文從城市與城市群雙重尺度出發(fā)，以全國(guó)主要城市群中各城市2005—2015間耕地變化為研究對(duì)象，通過構(gòu)建多層回歸模型，探索城市自身發(fā)展和區(qū)域協(xié)同作用對(duì)耕地非農(nóng)化轉(zhuǎn)換的影響機(jī)制，以期為協(xié)調(diào)新時(shí)期城鎮(zhèn)化與耕地保護(hù)、科學(xué)編制國(guó)土空間規(guī)劃提供支撐。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

根據(jù)2016年中國(guó)城市群發(fā)展報(bào)告研究成果[29]，在綜合考慮數(shù)據(jù)完備性基礎(chǔ)上，本文選定長(zhǎng)江三角洲城市群、珠江三角洲城市群、京津冀城市群、長(zhǎng)江中游城市群、成渝城市群、遼中南城市群、山東半島城市群、海峽西岸城市群、哈長(zhǎng)城市群、中原城市群、關(guān)中城市群和晉中城市群共12個(gè)城市群為研究區(qū)域，又根據(jù)各城市群地理位置將其分為沿海城市群和內(nèi)陸城市群，其中沿海城市群包括遼中南城市群、京津冀城市群、山東半島城市群、長(zhǎng)江三角洲城市群、海峽西岸城市群以及珠江三角洲城市群，內(nèi)陸城市群則包含研究區(qū)剩余城市群（圖1）。

圖1 中國(guó)主要城市群空間位置分布

研究區(qū)總面積178萬(wàn)km2，約占全國(guó)總國(guó)土面積的18.5%。土地上集中了全國(guó)56.5%的人口，截止2015年底GDP現(xiàn)價(jià)總量高達(dá)52.4萬(wàn)億，占全國(guó)經(jīng)濟(jì)總量73%，2005－2015年，研究區(qū)經(jīng)濟(jì)總量快速增長(zhǎng)2.6倍，城市化率從2005年的37.6%大幅提升到了2015年的55.0%。由此見得，城市群是中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的主要陣地，是最具發(fā)展活力和潛力的地區(qū)，主導(dǎo)著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。然而在耕地資源形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻的背景下，研究區(qū)在2005－2015年10a間耕地面積銳減17 572.8 km2，耕地保護(hù)迫在眉睫，探求研究區(qū)耕地變化影響機(jī)制是尤為必要的。

研究數(shù)據(jù)主要包括2005年和2015年全國(guó)主要城市群耕地面積數(shù)據(jù)以及各城市的多指標(biāo)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，包含人口、經(jīng)濟(jì)、科教、農(nóng)業(yè)發(fā)展等多個(gè)方面。其中，耕地面積數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=184），提取自其中基于Landsat8遙感影像人工目視解譯生成的土地利用數(shù)據(jù)（圖2）；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來(lái)自于2006年和2016年的《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒》以及相應(yīng)區(qū)域的地方統(tǒng)計(jì)年鑒，利用EXCEL對(duì)缺失數(shù)據(jù)采取線性插值等方法進(jìn)行了補(bǔ)充，并通過歸一化處理消除了其中量級(jí)及量綱的影響。

圖2 2005年全國(guó)土地利用分布

2 研究方法

耕地資源非農(nóng)化轉(zhuǎn)化受到城市個(gè)體發(fā)展、區(qū)域協(xié)同發(fā)展雙重尺度的影響。城市個(gè)體與協(xié)同發(fā)展的不可分割性決定了耕地影響因素在雙重尺度上存在一定的嵌套關(guān)系。雙重影響作用以及尺度嵌套效應(yīng)進(jìn)一步增加了耕地變化影響因素分析的難度。多層線性模型（HLM，hierarchical linear models）是用于解決具有嵌套特點(diǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法，它先在第一層解釋變量基礎(chǔ)上建立回歸方程，再將該方程中的斜率和截距作為第二層解釋變量的因變量，建立第二層回歸模型。多層線性模型通過定義不同尺度的回歸模型，考慮到了組織效應(yīng)對(duì)個(gè)體的影響，相較傳統(tǒng)回歸能更有效地估計(jì)回歸系數(shù)，是解決多尺度研究問題的合理統(tǒng)計(jì)方法[30]。

本研究構(gòu)建了耕地變化影響因素的多層線性回歸模型，從城市、城市群兩個(gè)空間尺度出發(fā)，探索城市發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子和城市協(xié)同發(fā)展的空間交互因子對(duì)城市群耕地非農(nóng)化的影響（圖3）。

圖3 研究框架

2.1 模型構(gòu)建

多層線性回歸模型是針對(duì)自變量存在多層次嵌套關(guān)系的問題進(jìn)行回歸建模分析的方法，它考慮到數(shù)據(jù)分層的特點(diǎn)，在有效估計(jì)回歸系數(shù)的同時(shí)揭示了組織效應(yīng)對(duì)個(gè)體的影響。本研究從城市、城市群兩個(gè)層次選取影響耕地變化的影響因素，構(gòu)建能夠分析各層次自變量對(duì)因變量影響的完整條件模型[31]。

式中x、0j為第一層和第二層的特征變量；r、00、0j均為隨機(jī)誤差項(xiàng)。

耕地利用作為人類改造自然的活動(dòng)，受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)律的制約，現(xiàn)有關(guān)于耕地變化的影響因子主要包括人口類指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)類指標(biāo)、生活類指標(biāo)、技術(shù)類指標(biāo)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)類等類別[32-34]，充分挖掘這些因子與耕地變化的內(nèi)在聯(lián)系能夠?yàn)橹袊?guó)制定耕地保護(hù)政策、平衡開發(fā)與保護(hù)的關(guān)系提供支持作用。本研究在城市尺度從人口、經(jīng)濟(jì)、科教、農(nóng)業(yè)發(fā)展以及城鎮(zhèn)發(fā)展5個(gè)方面構(gòu)建影響因素體系[35-37]。人口增長(zhǎng)必然導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品需求增加，進(jìn)而催生耕地非農(nóng)化需求，此外人口結(jié)構(gòu)的改變也是耕地變化的重要因素，本研究選取城鎮(zhèn)人口規(guī)模等級(jí)和農(nóng)業(yè)人口規(guī)模來(lái)表征人口因素；經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是耕地變化的主要外部動(dòng)力之一，不同層次的發(fā)展水平主導(dǎo)著不同程度的耕地需求，本研究將三次產(chǎn)業(yè)GDP作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的表征，同時(shí)借用外商投資水平來(lái)代表各城市受經(jīng)濟(jì)全球化的影響；科技水平關(guān)系到土地利用效率，而教育水平則影響著耕地政策的制定和實(shí)施，本研究利用財(cái)政支出中科學(xué)事業(yè)和教育事業(yè)費(fèi)用支出的比重來(lái)代表城市科教水平；農(nóng)業(yè)發(fā)展水平是耕地變化的另一大誘因，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)直接影響著耕地變化的進(jìn)程；其他用地類型對(duì)耕地資源直接或間接的侵占是中國(guó)耕地資源緊缺的關(guān)鍵，而這其中又以城鎮(zhèn)建設(shè)用地的占用為主，因此本研究將城鎮(zhèn)建設(shè)用地和城鎮(zhèn)化水平分別納入指標(biāo)體系來(lái)反映城鎮(zhèn)發(fā)展水平。

城市群空間交互、協(xié)同發(fā)展往往帶來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的加劇，其集聚效應(yīng)勢(shì)必導(dǎo)致城鎮(zhèn)擴(kuò)張，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整也會(huì)造成耕地向其他用地類型的轉(zhuǎn)化?；诖?，我們?cè)诔鞘腥撼叨壬线x擇了經(jīng)濟(jì)聯(lián)系總引力、外向功能作用力作為表征城市間空間相互作用和空間聯(lián)系的指標(biāo)[10,38]，其中經(jīng)濟(jì)聯(lián)系總引力是城市群空間經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的度量，借用引力模型來(lái)代表；而外向功能作用力是指城市中具有外向服務(wù)功能的部門所產(chǎn)生的輻射影響，是人流、物流、資金流、技術(shù)流、信息流等空間流在集聚與擴(kuò)散作用下的表現(xiàn)，其中有形的人流和物流對(duì)城市發(fā)展的影響最為直接，所以本研究借用城市流模型來(lái)表征外向功能作用力（表1）。

表1 城市群耕地變化影響因素指標(biāo)體系

其中城市尺度社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)根據(jù)相關(guān)年鑒數(shù)據(jù)進(jìn)行量化和處理，城市群空間聯(lián)系指標(biāo)采用以下方式進(jìn)行量化計(jì)算。

1）經(jīng)濟(jì)聯(lián)系總引力。經(jīng)濟(jì)聯(lián)系是城市群空間聯(lián)系的重要組成部分，表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)實(shí)體在區(qū)域間的相互作用，本研究利用引力模型對(duì)城市群空間經(jīng)濟(jì)聯(lián)系進(jìn)行測(cè)度，首先計(jì)算兩兩城市間的作用力得到經(jīng)濟(jì)聯(lián)系強(qiáng)度值，再計(jì)算各個(gè)城市對(duì)外經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的總強(qiáng)度，公式[38]如下：

式中E為城市對(duì)外經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的總強(qiáng)度值；E表示兩城經(jīng)濟(jì)聯(lián)系強(qiáng)度；P、P分別為城和城的非農(nóng)人口數(shù)；G、G分別表示兩城的二三產(chǎn)業(yè)GDP之和；D為兩城間的距離。

2）外向功能作用力。包括人流、物流、資金流、技術(shù)流、信息流等在城市群區(qū)域內(nèi)雙向或多向的空間流動(dòng)是城市群內(nèi)集聚與輻射功能作用的產(chǎn)物，城市流強(qiáng)度則是區(qū)域內(nèi)各城市外向功能所產(chǎn)生的影響量，能夠反映城市對(duì)外聯(lián)系與輻射的能力，缺少要素優(yōu)勢(shì)、以服務(wù)輸入為主的城市具有負(fù)向的城市流強(qiáng)度，即城市流流出的大小；而區(qū)域內(nèi)要素集聚和吸引作用較強(qiáng)、處于支配地位的城市則具有正向的城市流強(qiáng)度，即城市流流入的大小[38]。本研究借助城市流強(qiáng)度來(lái)量化城市的外向功能作用強(qiáng)度，通過區(qū)位熵衡量城市外向服務(wù)部門，然后計(jì)算區(qū)域內(nèi)各城市外向功能量，最后計(jì)算城市流強(qiáng)度，公式如下

其中=1，2，…，；=1，2，…，。

式中F指代的是城市的城市流強(qiáng)度；N指代城市的功能效率，用從業(yè)人員人均GDP來(lái)表示；E表示城市部門的外向功能量，E則表示城市個(gè)部門總的外向功能量。Lq表示城市部門從業(yè)人員區(qū)位熵，G、G、G、分別表示城市部門的從業(yè)人員數(shù)量、城市從業(yè)人員總數(shù)、全國(guó)部門從業(yè)人員數(shù)量以及全國(guó)從業(yè)人員總數(shù)。若Lq＞1則說明城市中部門在全國(guó)屬于專業(yè)化部門，存在對(duì)外服務(wù)功能，則可將該部門視為外向服務(wù)部門。

2.2 模型驗(yàn)證

本文通過構(gòu)建零模型和半條件模型驗(yàn)證上述完整條件模型的有效性[39]。

2.2.1 零模型

零模型是多層回歸的基礎(chǔ)，是在不同層次均不設(shè)置自變量的回歸模型。驗(yàn)證多層線性回歸模型的有效性，首先需要計(jì)算零模型中組內(nèi)相關(guān)系數(shù)，當(dāng)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)達(dá)到一定水準(zhǔn)才能體現(xiàn)不同層次和因變量間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度。構(gòu)建零模型目的在于將城市群耕地變化的總體方差在所選的兩個(gè)層次上進(jìn)行分解，來(lái)探討進(jìn)行分層建模的必要性，公式如下：

零模型結(jié)果中，組內(nèi)相關(guān)系數(shù)≥0.059時(shí)可認(rèn)為因變量的尺度差異是不可忽視的，而當(dāng)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)≥0.138時(shí)即可視為因變量與組間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度呈高度關(guān)聯(lián)，所以必須將層次效應(yīng)考慮到回歸模型之中[40]。

2.2.2 半條件模型

半條件模型是指僅在某一層次設(shè)置自變量的回歸模型。不同模型計(jì)算出的結(jié)果往往存在解釋能力的差異，通過半條件模型和完整條件模型計(jì)算結(jié)果中自變量顯著性以及方差解釋比例的差異對(duì)比可以進(jìn)一步體現(xiàn)出建立多層回歸模型的合理性。為了驗(yàn)證城市群尺度因素的影響，本文僅在城市尺度構(gòu)建半條件模型來(lái)驗(yàn)證完整模型有效性。具體公式如下：

結(jié)合零模型的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)結(jié)果和半條件模型與完整模型解釋能力對(duì)比的結(jié)果可以判定多層回歸模型中該完整模型的有效性。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市群耕地變化時(shí)空特征

截至2015年底，全國(guó)主要城市群耕地面積約為76.9萬(wàn)km2，占土地總面積43.2%。從耕地面積總量上看，哈長(zhǎng)城市群、成渝城市群和長(zhǎng)江中游城市群耕地面積都在10萬(wàn)km2以上，其中哈長(zhǎng)城市群2015年耕地面積高達(dá)14.8萬(wàn)km2，而東南沿海地區(qū)的海峽西岸城市群、珠江三角洲城市群耕地面積均不到2萬(wàn)km2（表2）。從耕地面積變化量來(lái)看，2005—2015十年間，除哈長(zhǎng)城市群耕地面積增長(zhǎng)3 485.5 km2外，其他各城市群均出現(xiàn)不同水平的減少，其中長(zhǎng)江三角洲城市群耕地面積減少了9.4%，約4 979.77 km2，關(guān)中城市群和晉中城市群減少了近6%耕地資源。

土地利用結(jié)構(gòu)方面，中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)范圍內(nèi)城市群耕地面積占總面積比例較高，而東南沿海地區(qū)各城市群占比較低，其中2015年中原城市群和山東半島城市群耕地面積占比高達(dá)六成，而珠江三角洲城市群和海峽西岸城市群耕地面積占比最少，分別為22.2%和21.0%（表2）。

表2 2005年、2015年主要城市群耕地面積

3.2 多尺度城市群耕地變化影響因素

本研究構(gòu)建了全國(guó)主要城市群耕地變化的多層回歸模型來(lái)探討城市和城市群兩個(gè)尺度上各指標(biāo)對(duì)城市群耕地面積變化的影響機(jī)制，輸出結(jié)果見下表（表3）。結(jié)果由固定效應(yīng)估計(jì)值、隨機(jī)效應(yīng)方差估計(jì)值、模型擬合程度三部分組成。

零模型結(jié)果顯示組內(nèi)相關(guān)系數(shù)為0.172，大于0.138，即耕地變化與樣本的城市群尺度之間呈高度關(guān)聯(lián)。半條件模型結(jié)果顯示僅添加城市尺度社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子作為自變量時(shí)，耕地變化51.3%可被解釋變量所解釋，且模型固定效應(yīng)顯示僅有農(nóng)業(yè)人口規(guī)模、建設(shè)用地面積、城鎮(zhèn)人口規(guī)模等級(jí)、糧食產(chǎn)量四個(gè)指標(biāo)通過了顯著性檢驗(yàn)。完整模型結(jié)果顯示，在添加城市群尺度的兩個(gè)空間交互指標(biāo)后，模型解釋變量占比提高到了54.5%，隨機(jī)效應(yīng)方差也得到消減，包含農(nóng)業(yè)人口規(guī)模、建設(shè)用地面積、城鎮(zhèn)人口規(guī)模等級(jí)、第二產(chǎn)業(yè)GDP、科學(xué)事業(yè)費(fèi)支出占比和外向功能作用力在內(nèi)的6個(gè)解釋變量通過了顯著性檢驗(yàn)。

表3 全國(guó)城市群耕地變化多層回歸模型結(jié)果

注：***表示顯著性水平為<0.01；**表示<0.05；*表示<0.1，下同。

Note: Statistical significance at the 10%, 5% and 1% level is denoted by*,**and***, respectively, the same below.

從完整模型結(jié)果來(lái)看，影響城市群耕地變化的因素是多方面的，主要集中在人口、經(jīng)濟(jì)、科教、城鄉(xiāng)差異以及城市群空間聯(lián)系上。其中，城市尺度的農(nóng)業(yè)人口規(guī)模、第二產(chǎn)業(yè)GDP、科學(xué)事業(yè)費(fèi)支出占比、糧食產(chǎn)量與耕地變化呈顯著正相關(guān)，城鎮(zhèn)人口規(guī)模等級(jí)、建設(shè)用地面積則與耕地變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；城市群尺度的外向功能作用力和耕地變化呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.3 城市群耕地變化影響因素地域差異

將城市群從地域上區(qū)分為沿海城市群和內(nèi)陸城市群并分別進(jìn)行多層回歸分析，結(jié)果如下（表4、表5）。結(jié)果顯示兩個(gè)模型中零模型組內(nèi)相關(guān)系數(shù)分別為0.158和0.228，即兩個(gè)模型中樣本的耕地變化與城市群尺度呈高度關(guān)聯(lián)。半條件模型中解釋變量占比分別為52.8%和72.5%，且通過顯著性檢驗(yàn)的解釋變量數(shù)量有限。完整模型的結(jié)果中，兩個(gè)模型解釋變量占比均得到了提高，隨機(jī)效應(yīng)方差也都得到消減，說明城市群尺度空間交互因子的加入提高了模型的解釋能力，其中通過顯著性檢驗(yàn)的沿海城市群耕地變化影響因子包含農(nóng)業(yè)人口規(guī)模、第二產(chǎn)業(yè)GDP、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、建設(shè)用地面積以及經(jīng)濟(jì)聯(lián)系強(qiáng)度，內(nèi)陸城市群的影響因子則包括農(nóng)業(yè)人口規(guī)模、城鎮(zhèn)人口規(guī)模等級(jí)、建設(shè)用地面積、糧食產(chǎn)量以及外向功能作用力。

表4 沿海城市群耕地變化多層回歸模型結(jié)果

表5 內(nèi)陸城市群耕地變化多層回歸模型結(jié)果

從完整模型結(jié)果來(lái)看，不論是沿海城市群還是內(nèi)陸城市群，城市尺度的農(nóng)業(yè)人口規(guī)模、建設(shè)用地面積對(duì)其耕地變化都是顯著影響因子，其中農(nóng)業(yè)人口規(guī)模與耕地變化均呈顯著正相關(guān)，而建設(shè)用地面積與耕地變化則呈顯著負(fù)相關(guān)。此外第二產(chǎn)業(yè)GDP、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力與沿海城市群耕地變化呈顯著正相關(guān)關(guān)系，糧食產(chǎn)量與內(nèi)陸城市群耕地變化呈正相關(guān)關(guān)系，城鎮(zhèn)人口規(guī)模等級(jí)與內(nèi)陸城市群耕地變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。另一方面，城市群尺度空間聯(lián)系指標(biāo)中，空間經(jīng)濟(jì)聯(lián)系總引力與沿海城市群耕地變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，外向功能作用力與內(nèi)陸城市群耕地變化也呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.4 討 論

城市化發(fā)展與耕地變化之間關(guān)系一直以來(lái)都是熱點(diǎn)問題，城市協(xié)同發(fā)展則增加了二者關(guān)系的復(fù)雜性。上述零模型結(jié)果揭示了耕地變化在城市群尺度上的高強(qiáng)度關(guān)聯(lián)關(guān)系，表明了耕地變化影響因素的多層次性特征。同時(shí)，與半條件模型結(jié)果對(duì)比，完整模型中解釋變量占比顯著提高，固定效應(yīng)中通過顯著性檢驗(yàn)的解釋變量個(gè)數(shù)增加，且隨機(jī)效應(yīng)方差明顯下降，進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究所采用的多層回歸模型在討論城市群耕地變化影響機(jī)制方面的合理有效性。

從城市尺度上看，農(nóng)業(yè)人口增多、城鎮(zhèn)人口規(guī)模等級(jí)提升以及第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展會(huì)導(dǎo)致耕地面積的增加，說明當(dāng)前人口增長(zhǎng)對(duì)耕地資源需求較大，同時(shí)工業(yè)化進(jìn)程顯著轉(zhuǎn)變了工業(yè)用地模式和農(nóng)業(yè)發(fā)展模式[35]。建設(shè)用地快速擴(kuò)張依然是耕地面積銳減、土地利用矛盾增強(qiáng)的主因，經(jīng)濟(jì)全球化和外商投資增加是建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的催化劑，進(jìn)一步催生耕地非農(nóng)化需求，激化了城鎮(zhèn)化與耕地保護(hù)二者之間的矛盾[34]。相反，增加科教投入，提升科技服務(wù)能力能夠增強(qiáng)勞動(dòng)力耕地保護(hù)意識(shí)，發(fā)展集約化土地利用技術(shù)，大幅降低耕地資源供需矛盾[36]。城市尺度影響因素呈現(xiàn)出顯著的地域差異，沿海地區(qū)城市群耕地變化與人口、經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平等因子相關(guān)，內(nèi)陸城市群則同時(shí)還受到上一年糧食產(chǎn)量的影響。

城市群尺度上，外向功能作用力對(duì)耕地變化存在負(fù)向影響，并且不同水平、不同區(qū)域外向功能對(duì)耕地變化的影響存在顯著差異。外向功能作用的增強(qiáng)對(duì)具有負(fù)向城市流強(qiáng)度的城市的耕地面積變化有著積極影響，相關(guān)系數(shù)為0.318（圖4a），而與具有正向城市流強(qiáng)度的城市耕地面積變化呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.602（圖4b）。這說明區(qū)域內(nèi)處于交互作用中城市流流入地位的發(fā)達(dá)城市由于城市化、工業(yè)化進(jìn)程較快，耕地的非農(nóng)化需求巨大，以城鎮(zhèn)用地為物質(zhì)基礎(chǔ)的城市化發(fā)展直接擠占了作為糧食保障的耕地資源；而城市化進(jìn)程較慢的城市一方面耕地非農(nóng)化需求有限，另一方面也可能承擔(dān)起了城市群耕地保護(hù)的任務(wù)，交互作用下的土地流轉(zhuǎn)使得耕地存量和質(zhì)量得以提高[10,37-38]。

從地域分異角度看，不論是沿海城市群還是內(nèi)陸城市群，城市群中處于不同外向作用水平的城市，其城市流強(qiáng)度與耕地面積變化間均呈現(xiàn)出與全國(guó)范圍一致的規(guī)律，即城市流流出水平的城市耕地保護(hù)受到空間交互作用的增強(qiáng)的積極影響，而城市流流入水平的城市則會(huì)隨著城市空間交互作用的加強(qiáng)加速耕地資源消耗。不同之處在于對(duì)沿海城市群城市流流出水平的城市而言，其外向作用水平與耕地面積變化間的相關(guān)系數(shù)為0.411（圖4c）高于內(nèi)陸城市群的0.337（圖4e）；對(duì)沿海城市群城市流流入水平的城市而言，其外向作用功能與耕地面積變化間的相關(guān)系數(shù)為-0.516（圖4d）小于內(nèi)陸城市群的-0.896（圖4f）。沿海城市群在土地流轉(zhuǎn)、占補(bǔ)平衡等政策法規(guī)的制定和執(zhí)行上優(yōu)于內(nèi)陸城市群，有效地抑制了耕地非農(nóng)化需求的增長(zhǎng)。同時(shí)，沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)水平相對(duì)發(fā)達(dá)，有助于提高土地利用集約效率，從而有效減少耕地非農(nóng)化需求[15,34]。

中國(guó)前中期快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程在城市擴(kuò)張的同時(shí)消耗和占用了大量耕地資源，隨著各地區(qū)城鎮(zhèn)化向協(xié)同發(fā)展階段的邁進(jìn)或深入，切實(shí)保護(hù)耕地資源成為新時(shí)期國(guó)土空間開發(fā)的重點(diǎn)。推行國(guó)土空間開發(fā)戰(zhàn)略旨在統(tǒng)一管控空間資源，不僅關(guān)系到資源開發(fā)與利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還關(guān)系到國(guó)土安全與競(jìng)爭(zhēng)力。本研究結(jié)果表明城市交互作用的增強(qiáng)沒有能夠有效抑制耕地面積減少，且城市群中處于不同外向服務(wù)水平的城市耕地面積變化呈現(xiàn)明顯差異，這一結(jié)論在平衡城鎮(zhèn)化空間格局、耕地空間與糧食安全等問題上具有重要意義，有助于重新認(rèn)識(shí)耕地保護(hù)在城市協(xié)同發(fā)展進(jìn)程中的位置和重心。

圖4 城市群外向功能作用力對(duì)耕地面積變化影響分析

4 結(jié) 論

本研究通過構(gòu)建3個(gè)城市群耕地面積變化多層回歸模型，探討了主要城市群耕地變化影響機(jī)制的尺度效應(yīng)和地區(qū)分異。結(jié)果表明，全國(guó)主要城市群2005－2015十年間耕地面積銳減17 572.8km2，耕地保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻。城市尺度上，農(nóng)業(yè)人口的增長(zhǎng)等會(huì)促進(jìn)耕地增加，而建設(shè)用地?cái)U(kuò)張等和耕地面積增長(zhǎng)則有一定沖突。城市群尺度上空間交互因子均與耕地面積變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明粗放擴(kuò)張下交互作用的增強(qiáng)無(wú)益于耕地保護(hù)。影響因子同時(shí)存在區(qū)域差異，人口因子、建設(shè)用地面積對(duì)內(nèi)陸城市群影響較大，而工業(yè)化、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平在沿海有著更大推動(dòng)作用，此外城市群經(jīng)濟(jì)聯(lián)系總引力的影響體現(xiàn)在沿海地區(qū)，外向功能作用力則在內(nèi)陸有明顯影響。沿海城市群空間交互對(duì)耕地保護(hù)的積極作用大于發(fā)展相對(duì)落后的內(nèi)陸城市群，且消極影響也小于內(nèi)陸城市群。

城市空間交互作用增強(qiáng)的同時(shí)也給耕地保護(hù)帶來(lái)了一定的阻力和威脅。合理控制工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程，聚焦影響機(jī)制的尺度與地區(qū)差異，完善政策法規(guī)，修正粗放擴(kuò)張模式，提高土地利用效率等，是促進(jìn)城市群健康發(fā)展，推行耕地保護(hù)、緩解用地矛盾的關(guān)鍵思路。本文從城市協(xié)同發(fā)展視角出發(fā)，考慮了耕地變化的尺度效應(yīng)，從研究視角和研究方法兩方面拓展了空間交互作用下城市群耕地變化內(nèi)在機(jī)理的研究，基于交通網(wǎng)絡(luò)的空間運(yùn)輸聯(lián)系、生態(tài)政策因素等對(duì)于城市群耕地變化的影響有待進(jìn)一步深入。

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Analysis of influencing factors of cultivated land change in Chinese urban agglomerations considering spatially inter-city interactions

Liu Dianfeng, Zhou Boyuan, He Jianhua※, Kong Xuesong, Liu Yaolin

(430079,)

As the basic means of agricultural production, cultivated land plays an irreplaceable role in ensuring food security and promoting social and economic development. With the enhancement of urban interactions in space, the land use conflicts between urban development and agricultural protection have been intensified due to the diversified land demands caused by population agglomeration, industrial restructuring and infrastructure construction. Exploring the impacts of urbanization on cultivated land change has become a hot issue in China at present. Most of current studies have paid increasing attentions to the relationship between the growth of individual cities and cultivated land occupation, and few of them attempted to reveal the driving factors of cultivated land change from the perspective of spatial interaction of cities. Urban agglomeration is the main form of new urbanization in China. It is crucial to identify the distribution of cultivated land change and its driving factors from the perspective of urban agglomeration. In this paper, we measured the spatial connection of urban agglomerations based on the gravity equation and the urban flow intensity model, and then explored influencing factors of cultivated land conversion at the scales of individual cities and urban agglomerations during the period of 2005-2015 using a multilevel linear regression model. The research results show that the area of cultivated land in the major urban agglomerations has dropped sharply by 17 572.8 square kilometers in the decade from 2005 to 2015. The situation of cultivated land protection is grim. Then it shows significant scale effects and regional heterogeneity of cultivated land change in urban agglomerations. At the urban scale, the change of cultivated land is positively correlated with agricultural population, industrial economy and agricultural science & technology development, whereas negatively correlated with the growth of foreign investment and the expansion of construction land. At the scale of urban agglomeration, both indicators of spatial connection have a negative correlation with cultivated land change. Moreover, remarkable regional differences of influencing factors of cultivated land change exist between coastal and inland China. Comparing the regional differentiation of the degree of influence of outward functional forces, it can be found that the spatial interaction of coastal urban agglomerations has a more positive effect on the protection of cultivated land than the inland urban agglomerations with relatively backward development, and the negative impact is also smaller than that of inland urban agglomerations. The comparison with other models verified the effectiveness of the multilevel linear regression approach to reveal the influencing mechanism of cultivated land change on different scales. And the result of null model has proved the necessity and rationality in the research perspective of spatial interactions between cities. As a word, the strengthening of spatial interaction in urban agglomerations under rough development will obstruct the protection of cultivated land. In this case, controlling industrialization and urbanization reasonably, concerning the scale effects and regional heterogeneity, improving laws and regulations, correcting the rough development path, and improving land use efficiency might be the critical roads to relieve conflicts between development of urban agglomerations and protection of cultivated land.

land use; models; agglomeration; cultivated land; hierarchical linear models; spatial interactions

2019-05-18

2019-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41771429 & 41871301）

劉殿鋒，副教授，博士，主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源可持續(xù)利用、土地利用生態(tài)效應(yīng)與優(yōu)化決策。Email：liudianfeng@whu.edu.cn

何建華，教授，博士，主要研究方向?yàn)槌鞘腥喊l(fā)展與土地利用、區(qū)域景觀生態(tài)格局與效應(yīng)分析。Email：hjianh@whu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.031

F301.2

A

1002-6819(2019)-16-0274-10

劉殿鋒，周泊遠(yuǎn)，何建華，孔雪松，劉耀林.空間交互視角下中國(guó)城市群耕地變化影響因素分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(16)：274－283. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.031 http://www.tcsae.org

Liu Dianfeng, Zhou Boyuan, He Jianhua, Kong Xuesong, Liu Yaolin. Analysis of influencing factors of cultivated land change in Chinese urban agglomerations considering spatially inter-city interactions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 274－283. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.031 http://www.tcsae.org