安徽省人口和土地城市化耦合協(xié)調過程與影響因素

謝 毅，趙明松*，王璇璇

(1. 安徽理工大學空間信息與測繪工程學院，淮南 232001; 2. 礦山采動災害空天地協(xié)同監(jiān)測與預警安徽省教育廳重點實驗室，淮南 232001; 3. 礦區(qū)環(huán)境與災害協(xié)同監(jiān)測煤炭行業(yè)工程研究中心，淮南 232001)

改革開放以來，中國城市化進入快速發(fā)展階段[1]?，F(xiàn)階段常住人口城市化率雖然超過50%，但與戶籍人口城市化之間仍有超過10%的缺口。城市化過程中存在城市建成區(qū)不斷粗放外溢[2-3]、農村遷移人口市民化緩慢[3]等土地和人口發(fā)展不協(xié)調現(xiàn)象，以及城市土地盲目擴張的導致的生態(tài)環(huán)境問題[4]。人口城市化和土地城市化之間是否協(xié)調，對于實現(xiàn)新型城鎮(zhèn)化目標、城鄉(xiāng)融合發(fā)展和鄉(xiāng)村振興至關重要。

目前，學者們對人口城市化和土地城市化關系展開了廣泛研究。研究范圍涉及國家、區(qū)域/流域、省、市等空間尺度。研究內容包括：城市化對人口和土地承載力的影響[5];人口城鎮(zhèn)化和土地城鎮(zhèn)化發(fā)展的耦合特征及其驅動機制[6]；城市群人口城鎮(zhèn)化和土地城鎮(zhèn)化的非均衡性和空間異質性以及耦合關系[7]；土地城鎮(zhèn)化與人口城鎮(zhèn)化增長速度協(xié)調性[8]、耦合發(fā)展的作用關系和程度[9]、耦合機制以及協(xié)調和失調程度[10]等方面。研究方法和指標涉及地理加權回歸[11]、耦合協(xié)調模型[2]、重心模型[12-13]、彈性系數(shù)[14]等?，F(xiàn)有研究指標數(shù)據(jù)及因子指標數(shù)據(jù)多基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，雖然有著比較明確的定量內涵，但在精細尺度上缺乏清晰的空間特征，同時也存在更新周期長以及統(tǒng)計口徑差異導致的標準化困難等問題。

目前關于驅動機制識別方面的研究多采用相關性分析、多元回歸分析、主成分分析等方法[7]。相較于這些傳統(tǒng)方法，地理探測器彌補了其在分異過程和因子交互作用方面的不足。目前安徽省人口和土地城市化缺乏長時間序列的研究，對兩者耦合態(tài)勢及其內在驅動機制方面的研究尚未深入。鑒于此，現(xiàn)以安徽省77個市、縣為研究對象，綜合利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)和土地利用遙感數(shù)等多元數(shù)據(jù)測算了2000—2016年人口城市化和土地城市化速率、耦合度指數(shù)和協(xié)調度指數(shù)。借助地理探測器對兩者的耦合驅動因素進行了分析。以期為安徽省推進新型城鎮(zhèn)化、城市規(guī)劃等提供理論指導和實證依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

安徽省(114°54′E～119°37′E，29°41′N～34°38′N)位于中國華東地區(qū)，地處長江淮河中下游，下轄16個地級市，總面積14.01萬km2，是長三角的重要組成部分。從南到北可將安徽省分為皖南丘陵地區(qū)、皖西大別山區(qū)、沿江平原、江淮丘陵崗地、淮河中游平原5個地理區(qū)域，如圖1所示。全省處于亞熱帶向溫帶過渡帶，年均氣溫14～16℃，年均降雨800～1800mm。截至2016年底常住人口6143.6萬人，國內生產總值(gross domestic product, GDP) 24408億元，人均GDP 39561元。

圖 1 安徽省地形圖Fig.1 Topographic map of Anhui Province

圖 2 地理因子分級Fig.2 Geographical factor grades

1.2 數(shù)據(jù)來源

城市建設用地數(shù)據(jù)來源于清華大學地表覆蓋數(shù)據(jù)集中1978—2017年基于遙感反演的城市建成區(qū)變化數(shù)據(jù)FROM-GLC(http://data.ess.tsinghua.e-du.cn/urbanChina.html)，數(shù)據(jù)分辨率為30m[15]。社會經濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《安徽省統(tǒng)計年鑒》(2001—2017年)、《中國縣域統(tǒng)計年鑒(縣市卷)》(2001—2017年)。行政區(qū)劃及道路矢量數(shù)據(jù)來源于國家基礎地理信息中心(http://www.ngcc.cn)。由于研究年限內涉及行政區(qū)劃調整以及部分統(tǒng)計指標未對單個市轄區(qū)進行單獨統(tǒng)計，最終以2015年的行政區(qū)劃為準通過轄區(qū)合并等操作，最終確定為包括各地、縣級市轄區(qū)和縣在內的77個研究單元。選取的影響因素指標(表 1)包括：土地城市化率(X1)、人口(戶籍人口)城市化率(X2)、人口密度(X3)、地區(qū)生產總值(X4)、地區(qū)規(guī)模以上工業(yè)總產值(X5)、地均新增固定資產(X6)、第三產業(yè)占比(X7)、每萬人醫(yī)療床位數(shù)(X8)、平均高程(X9)、平均坡度(X10)、到主要道路(國道、省道、高速)的距離(X11)。

1.3 數(shù)據(jù)預處理

由于自變量為數(shù)值量，進行地理探測前需要進行數(shù)據(jù)離散化處理。有研究表明在ArcGIS中運用百分位數(shù)值分類方法可以獲得較大的解釋力，離散化結果較好[16]。

表 1 人口和土地城市化影響因素指標Table1 Factors affecting population and land urbanization

對于社會經濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)鏈接到研究區(qū)矢量屬性數(shù)據(jù)表中，運用百分位數(shù)值分類方法將數(shù)值量按20%、40%、60%和80%分位數(shù)間隔轉換成5個類型量。對于高程、坡度、到主干道的距離等柵格數(shù)據(jù)，也運用百分位數(shù)值法分為五級，級別越大表示其得分越高，越有利于城市化發(fā)展，具體結果如圖 2所示。利用統(tǒng)計分析工具提取每個研究單元的各地理因子平均值，通過四舍五入取整的方式獲得各市縣的離散化結果。

圖 3 交互作用示意圖[21]Fig.3 Interaction diagram[21]

2 研究方法

2.1 人口城市化和土地城市化速率協(xié)調模型

通常情況下，人口城市化和土地城市化之間的增長速率存在差距。因此非農業(yè)人口和城市建設用地的增長是不同步的，只要非農人口和建成區(qū)的增長在一定范圍內，經濟社會將繼續(xù)發(fā)展[17]。人口城市化和土地城市化速率計算公式為

(1)

(2)

式中：P和A分別為人口和土地城市化速率；Pn+1和An+1分別為第n+1年城鎮(zhèn)非農業(yè)人口和建設用地面積；Pn和An分別為第n年城鎮(zhèn)非農業(yè)人口和建設用地面積。

人口城市化速率和土地城市化速率協(xié)調度(Dr)計算公式

(3)

建立人口和土地城市化速率的協(xié)調模型，并劃分協(xié)調類型，如表 2所示。

表 2 人口和土地城市化速率協(xié)調類型Table2 The coordination type of population and land urbanization rate

2.2 耦合協(xié)調模型

耦合指的是兩個或兩個以上系統(tǒng)通過各種作用相互影響的現(xiàn)象。參考文獻[2，18]研究，借鑒物理學中的容量耦合模型，引入耦合協(xié)調度概念。采用耦合協(xié)調度來表征土地城市化和人口城市化之間的影響強度。其中耦合度函數(shù)為

(4)

式(4)中：LUR為土地城市化率；PUR為人口土地城市化率。

耦合度模型反映了人口城市化和土地城市化之間的耦合程度，但是難以體現(xiàn)人口和土地各自系統(tǒng)的發(fā)展水平[19]，如人口和土地城市化水平均很低時耦合度也很高。因此加入?yún)f(xié)調度和發(fā)展度來構建耦合協(xié)調模型，其中協(xié)調度函數(shù)為

(5)

發(fā)展度公式為

T=αLUR+βPUR

(6)

式中：α和β分別為土地城市化和人口城市化的權重值，這里認為土地城市化和人口城市化同等重要，所以α和β都取0.5。

2.3 地理探測器

地理探測器是由Wang等[20-21]提出的用于探測空間分異性，揭示其背后驅動力的一組統(tǒng)計學方法。其核心是假設了自變量對因變量的影響程度和他們的空間分布應該具有相似性，其計算公式為

(7)

交互作用探測用于識別兩個變量因子共同作用時是否會增強或者削弱對于因變量的解釋力，或這些因子對因變量的影響是相互獨立的。兩個因子之間的關系、判斷依據(jù)和作用類型如圖 3所示。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

首先計算人口城市化和土地城市化速率，通過速率協(xié)調模型計算兩者之間的協(xié)調度指數(shù)(Dr)、劃分協(xié)調類型，據(jù)此分析安徽省人口和土地城鎮(zhèn)化速率協(xié)調類型及特征。利用耦合協(xié)調模型計算2000—2016年不同階段的人口城市化和土地城市化之間的耦合度(C)、協(xié)調度(D)，并進行耦合階段和協(xié)調類型劃分，分析兩者之間的耦合協(xié)調特征及其時空演化趨勢。最后將預處理后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)導入Geodetector軟件，探測各因子以及各因子之間的交互作用對人口和土地城市化耦合度的影響程度。制圖和數(shù)據(jù)分析在ArcGIS10.4和OriginPro2017中完成。

3 結果分析

3.1 人口與土地城市化速率協(xié)調分析

安徽省人口城市化速率總體呈波動下降趨勢，土地城市化速率總體呈波動上升趨勢(圖4)。2014年人口城市化出現(xiàn)負增長，城鎮(zhèn)戶籍人口遷出數(shù)量大于增長數(shù)量。2002—2014年土地城市化速率均大于人口城市化速率，城市化特征為人口滯后型。2012年后受中國經濟增速放緩等大環(huán)境影響，安徽省土地城市化速率有所下降。2015年人口城市化速率有較大增長，可能的原因為國家相繼出臺新型城鎮(zhèn)化政策，如2014年國家提出以“三個一億人”為目標的新型城鎮(zhèn)化。即一是要促進一億人農業(yè)轉移人口落戶城鎮(zhèn)；二是引導一億人在中西部地區(qū)就近城鎮(zhèn)化；三是改造約一億人居住的城市棚戶區(qū)和城中村[22]。2015年后安徽省人口城市化速率超過土地城市化速率，城鎮(zhèn)戶籍人口較2014年增長了342.8萬人，城鎮(zhèn)人口比重22.69%上升至27.58%。合肥市、安慶市、亳州市、阜陽市、淮南市城鎮(zhèn)人口增長均超過30萬人，城市化特征表現(xiàn)為土地城市化滯后型。

圖 4 安徽省人口和土地城市化速率Fig.4 Urbanization rate of population and land in Anhui Province

圖 5 2000—2016年安徽人口和土地城市化耦合協(xié)調演變趨勢Fig.5 Coordinated evolution of population and land urbanization in Anhui Province from 2000 to 2016

表 3 2001—2016年安徽省人口與土地城市化速率協(xié)調度Table 3 The coordinated degree of population and land urbanization rate from 2001 to 2016 in Anhui Province

全省16個地級市人口城市化速率與土地城市化速率的協(xié)調程度如表 3所示，大部分地區(qū)的人口和土地城市化速率不協(xié)調現(xiàn)象出現(xiàn)在2009—2014年。這些年間安徽省土地城市化速率和人口城市化速率差距進一步拉大，安徽省城市化特征表現(xiàn)為人口城市化滯后型。2015年后個別市仍為不協(xié)調類型，如黃山市受地形條件限制，土地城市化進程受限，為土地城市化滯后型，其他城市均為基本協(xié)調型或高度協(xié)調型。

3.2 人口和土地城市化耦合協(xié)調關系分析

2000—2016年間安徽省人口和土地城市化耦合度和協(xié)調度總體保持上升趨勢(圖 5)，耦合度水平和協(xié)調度水平分別由2000年的0.45和0.22提升到2016年的0.62和0.32。2008年左右迎來較為快速的增長，其耦合度在2014年之后稍微有回落。由于人口城市化速度加快，而土地城市化仍然維持在原始水平從而導致耦合程度降低。雖然多年間人口城市化和土地城市化協(xié)調程度一直在保持穩(wěn)定增長，但增長幅度仍較低，在2015年之前均維持在0.3以下的低度協(xié)調水平。

圖 6 安徽省人口和土地城市化耦合類型空間分布Fig.6 Spatial distribution of the coupling type of population and land urbanization in Anhui Province

圖 7 安徽省人口和土地城市化協(xié)調類型空間分布Fig.7 Spatial distribution of population and land urbanization coordination types in Anhui Province

參考現(xiàn)有研究[23-24]，結合自身數(shù)據(jù)分布將耦合協(xié)調類型劃分為如下類型(圖 6、圖 7)。2000—2016年安徽省大部分城市耦合度和協(xié)調度均有較為明顯的增長。2000年安徽省半數(shù)以上城市人口城市化和土地城市化仍處于低水平耦合階段和拮抗階段，表明這一時期各城市人口和土地城市化之間耦合程度不高。隨著城鎮(zhèn)化的進一步發(fā)展人口城市化和土地城市化均呈上升趨勢，對兩者的耦合度的發(fā)展產生了正向影響。2016年安徽省人口和土地城市化耦合發(fā)展階段主要為磨合階段。從空間分布上來看，皖南人口和土地耦合發(fā)展程度要弱于皖中和皖北，地級市轄區(qū)普遍要好于縣級市和縣。處于高水平耦合階段的城市多集中于合肥市及周邊縣、蕪湖市和馬鞍山市周邊、阜陽市及周邊縣、蚌埠市和淮北市等經濟發(fā)展程度相對較好的區(qū)域。同時這些地區(qū)的人口和土地城市化水平也相對較高，這即一般認為的經濟發(fā)展是城市土地擴張，人口增長的重要的驅動因素之一。結合海拔高度和平均坡度等自然條件來看，人口和土地城市化耦合發(fā)展程度較低的城市多集中于皖南丘陵山地區(qū)和皖西丘陵山地區(qū)等區(qū)域。由于受地形條件限制土地城市化水平較低，土地城市化長期落后于人口城市化從而導致二者耦合發(fā)展程度較低。

圖 8 因子探測結果Fig.8 Factor detection results

全省人口城市化和土地城市化協(xié)調度總體上仍處于較低水平，2016年仍有將近2/3的城市處于低度協(xié)調類型。從空間分布上來看，與人口和土地城市化耦合類型相類似，皖南低于皖中和皖北，皖南丘陵山地區(qū)和皖西丘陵山地區(qū)多為低度協(xié)調類型。而高度協(xié)調類型多集中于滁州、合肥、蕪湖、馬鞍山等長江三角洲城市群地區(qū)的市縣。安徽省人口和土地城市化協(xié)調程度差距明顯，2016年合肥市協(xié)調度已經達到0.79的高度協(xié)調水平，而安徽省仍有1/10的城市處于不足0.2的嚴重不協(xié)調水平。2000—2006年安徽省人口和土地城市化協(xié)調程度基本沒有變化，增長幅度最大的為蕪湖市轄區(qū)，僅由2000年0.46增長到2006年0.51，協(xié)調類型由中度協(xié)調變?yōu)楦叨葏f(xié)調。2006—2012年協(xié)調類型主要的變化為低度協(xié)調Ⅱ轉變?yōu)榈投葏f(xié)調Ⅰ，2012—2016年主要的變化為低度協(xié)調I轉變?yōu)橹卸葏f(xié)調。據(jù)此可以將安徽省人口和土地城市化協(xié)調類型演變時期大致分為：2006—2012年為嚴重不協(xié)調-輕度不協(xié)調過渡期；2012—2016年為輕度不協(xié)調-基本協(xié)調過渡期。

3.3 耦合驅動因素分析

人口城市化和土地城市化耦合發(fā)展和城市化水平密切相關。土地城市化是城市經濟發(fā)展、人口聚集和功能變化的結果，同時也會受到地形因子的限制。人口城市化以及人口聚集也受城市的公共服務水平、城市發(fā)展?jié)摿Φ纫蛩赜绊?。利用?7)計算表 1中各要素對人口城市化和土地城市化耦合發(fā)展程度的影響力。因子探測結果(q值)如圖 8 所示，除每萬人醫(yī)療床位數(shù)、到主要道路的距離、第三產業(yè)占比以外其余因子均達到95%的顯著性水平(P<0.05)。其中影響力較大的依次為土地城市化率(0.713)、人口密度(0.613)、平均坡度(0.549)和平均高程(0.455)。安徽省地形相對條件復雜，城市化發(fā)展一定程度上受制于當?shù)氐淖匀坏乩項l件。第三產業(yè)占比和每萬人醫(yī)療床位數(shù)的q統(tǒng)計值在0.1左右，即現(xiàn)階段服務業(yè)發(fā)展和公共服務水平對人口和土地城市化耦合度影響較弱。地區(qū)生產總值(0.422)、地均規(guī)模以上工業(yè)總產值(0.329)和地均新增固定資產(0.303)q統(tǒng)計值均小于0.5，說明經濟對于人口和土地城市化耦合發(fā)展程度有一定影響但不是決定兩者耦合發(fā)展的主要因素。人口城市化雖然通過了顯著性水平的檢驗，但對人口城市化和土地城市化耦合度影響程度有限。反映了現(xiàn)階段安徽省城市化發(fā)展對于人口數(shù)量依賴程度相對減弱，即城市人口增長過程也要從高速度增長向高質量增長轉變，同時要促進人口多元化發(fā)展。

交互作用探測結果(表 4)顯示，各因子兩兩之間的交互作用均為增強作用。除第三產業(yè)占比和每萬人醫(yī)療床位數(shù)外其他變量之間的交互作用均為雙因子增強。每萬人醫(yī)療床位數(shù)與土地城市化、人口密度交互作用為雙因子增強。人口城市化、第三產業(yè)占比與其他變量之間的交互作用也均為雙因子增強。每萬人醫(yī)療床位數(shù)與到主要道路距離、第三產業(yè)占比和人口城市化率之間的交互作用為非線性增強。第三產業(yè)占比和每百萬人醫(yī)療床位數(shù)雖然本身對于城市化耦合發(fā)展影響程度較弱，但其與其他因子的增強作用較為明顯?？梢酝ㄟ^發(fā)展社會服務業(yè)和公共服務水平，達到增強其他因子對于人口和土地城市化耦合程度的影響，從而提高其耦合作用程度。這說明人口城市化和土地城市化耦合系統(tǒng)的形成，各因子并不是單獨起作用，而是和其他因子共同起作用影響著系統(tǒng)的發(fā)展。土地城市化和人口城市化兩個因子的交互作用q統(tǒng)計值在所有交互作用中最高為0.896，土地城市化與人口密度，GDP、每萬人醫(yī)療床位數(shù)的交互作用q統(tǒng)計值均大于0.8，社會經濟因子與土地城市化之間的交互作用要大于自然地理因子。土地城市化和人口密度與對應的社會經濟因子之間的交互作用q統(tǒng)計值基本都在0.75以上，對于兩者的耦合發(fā)展起著主導作用。

表 4 交互作用探測結果Table4 Interaction detection results

4 結論

利用耦合協(xié)調模型和地理探測器選取11個相關因子對安徽省2000—2016年人口和土地城市化速率、耦合協(xié)調程度及其影響因素進行了分析，得到如下主要結論。

(1)安徽省人口城市化速率總體呈波動下降趨勢，土地城市化速率總體呈波動上升趨勢，人口和土地城市化速率不協(xié)調現(xiàn)象出現(xiàn)在2009—2014年，主要的城市化特征為人口城市化滯后型。2000—2016年人口城市化和土地城市化耦合協(xié)調關系整體向好但增長緩慢，耦合度和協(xié)調度年均增長率分別為1.76%和2.35%，其中人口和土地城市化協(xié)調度水平仍較低。

(2)安徽省人口和土地城市化耦合協(xié)調發(fā)展空間差異較為明顯，皖南要低于皖中和皖北，山地丘陵區(qū)要低于平原區(qū)，地級市轄區(qū)要好于縣級市和縣。高耦合水平區(qū)域主要集中于合肥、蕪湖、馬鞍山、阜陽等地，而協(xié)調程度較高的區(qū)域主要集中于滁州、合肥、蕪湖、馬鞍山等長三角城市群地區(qū)的市縣。

(3)對人口城市化和土地城市化耦合發(fā)展影響較大的因子依次為：土地城市化率、人口密度和平均坡度。經濟影響人口城市化和土地城市化耦合程度，但不是主導因素；地形條件在一定程度限制人口城市化率對耦合程度影響較弱。11個因子之間的交互作用均為增強作用，其中人口城市化率和土地城市化率之間的交互作用最強為0.896，土地城市化和人口密度與相應的社會經濟因子之間的交互作用對人口和土地城市化耦合發(fā)展起著主導作用。