基于Pearson相關系數的西部城市群土地演變與社會經濟發展研究

楊豐瑋，崔秀萍，2，趙冰潔，劉 宇

（1.內蒙古財經大學資源與環境經濟學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.祖國北疆資源利用與環境保護協調發展院士專家工作站，內蒙古 呼和浩特 010051）

城市群是在城鎮化水平較高的特定地域空間內，由若干個集中分布的級別不等的城市及其腹地通過空間聯動而形成的城市-區域系統。西部城市群作為西部大開發戰略實施的重要單元載體，在集聚資源要素和推動區域有序協同發展等方面發揮著主導作用[1-2]。

土地資源作為人們賴以生存和延續生命的基石，其利用狀況評價是判定城市群整體承載力的一個關鍵因素。近年來隨著城鎮化進程的不斷加快，人地矛盾日益凸顯，關于土地演變與社會經濟發展相關性的研究成果[3-9]層出不窮。例如，湯琦等[10]針對云貴高原湖濱地區土地利用無序擴張的問題，構建了共享社會經濟路徑下的土地利用變化模擬；何蕾等[11]基于環境庫茲涅茨曲線模型，發現江蘇沿海地帶的經濟發展、農業和農村經濟改革，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 個城市的土地利用結構與社會經濟結構先后進行典型相關分析，為不同區域制定差別化的土地利用規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變化與社會經濟發展間的耦合關系。總體來看，相關研究內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。然而以往研究多側重于小區域范圍內或針對某一地域特色進行單一分析，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變化與社會經濟發展的相關性規律。

本文以土地利用演變數據為基礎，對西部城市群中景觀異質性顯著的成渝、關中平原城市群進行對比研究，挖掘識別其土地利用演變與社會經濟發展的相關程度及現存問題，從區域層面考慮社會經濟與土地利用關系的發展，整合資源優勢以提高西部城市群的綜合實力水平。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

成渝城市群以重慶、成都為中心，轄域內包含27 個區（縣）、15 個市，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]。關中平原城市群以西安為中心，區域覆蓋陜西省的58 個市轄區和縣級單位、甘肅省13 個縣級行政單位及山西省19個市縣，總面積約10.7×104km2，人口3865 萬。由于地勢起伏較大，氣候屬暖溫帶大陸性季風型，居民點和農耕地多分布于東部和中部地區的平原地區[17]。作為西部地區綜合實力排名前兩位的城市群，二者都從城鎮化不斷向前推進的過程中受益，但由于驅動因子不同，其土地開發方向差異明顯，開發中面臨的問題也各具特色。

1.2 數據來源與處理

1.2.1 土地利用數據來源

土地利用數據來自中國土地利用現狀遙感監測數據庫，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據源。根據《中國土地利用/土地覆蓋遙感監測數據分類系統》中的一級分類標準，運用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年研究區的土地利用演變數據。

1.2.2 社會經濟因子的選擇

通過查閱整理相關統計年鑒[18-22]，選取了研究區1995—2018年10 個社會經濟發展的代表性指標（表1）進行Pearson 相關性分析和線性擬合。10 個變量中，除了產業結構指標，其余指標均呈現整體上漲趨勢，其中，成渝城市群和關中平原城市群的國內生產總值（gross domestic product，GDP）與產業結構變動情況如圖1和圖2所示。

圖1 成渝城市群GDP 與產業結構變動

圖2 關中平原城市群GDP 與產業結構變動

表1 研究區社會經濟發展水平指標

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地利用動態度

某個研究區的土地利用變動速率通常用土地利用的動態度K來表示，作為一個相對值，其大小不僅與土地利用的變化面積有關，還與基期數值有關。具體模型為：

式中，Ua表示某一土地類型的研究期初數量，Ub表示某一土地類型的研究期末數量；T表示研究期間變化的時間間隔。當某單一土地利用動態指數為正時，表明研究期內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 相關性分析

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

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

1.3.3 線性回歸分析

為探究研究區1995—2018年土地利用和社會經濟發展之間的具體耦合關系[24]，選取表1中反映的社會發展水平、經濟發展水平、產業結構分布、社會保障水平4 類相關因素的10 個潛在相關表征因子X1-X10，將耕地、林地、草地、水域、建設用地、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 相關性分析結果，將其中顯著相關的變量分別進行線性回歸擬合。

紅河州建水（個舊）至元陽高速公路項目紅河特大橋是項目的控制性工程，全橋孔跨布置：7×40m預應力混凝土T梁+6×50m鋼混組合梁+700m懸索橋+2×40m預應力混凝土T梁，全長1366m。元陽側主塔基礎為分離式承臺，中間采用系梁連接，左右幅承臺下各設置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 結果與分析

2.1 土地利用動態度分析

本文通過計算成渝城市群與關中平原城市群1995—2018年的單一土地利用動態度，以揭示其20 余年間的土地演變速率。將原始數據代入動態度模型，計算結果見表2和表3。

表2 成渝城市群土地利用演變

表3 關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，動態度為-0.383%。水域、建設用地，以及未利用地的面積則呈現正向變動，其中建設用地高速擴張，未利用地緊隨其后，二者的動態度分別為5.764%和2.951%，與成渝城市群城鎮化發展狀況基本相符。與成渝城市群情況類似，關中平原城市群（表3）的建設用地同樣呈高速擴張，23年間由3991.661 km2增加到5622.058 km2，動態度為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，在此期間區域內積極落實西部大開發政策；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，可將其視為內澇災害風險加重的預警信號[25]。

2.2 土地利用演變與社會經濟相關性分析

相關研究表明，區域土地利用變化和社會經濟發展具有明顯的互動關系[26]，為揭示其具體影響方向與程度，對研究區1995—2018年土地利用類型面積的大小與前述10個因子的存量做相關性分析，結果如表4和表5所示。表中括號外的數字表示地類面積演變與各社會經濟指標的相關系數，括號內為顯著性水平。本研究取P值小于0.05 的顯著性水平為臨界，在此基礎上選擇影響顯著的變量建立“最優”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(X1)變量顯著負相關，二者相關系數是-0.999，這表明人口的逐年遞增與耕地面積的縮減關系密切；水域面積與農林牧漁業總值(X3)、第三產業占比(X7) 的相關系數分別為0.969 和0.998，且顯著性均在0.05 范圍內（表4）。結合表2呈現的土地利用面積演變結果，成渝城市群水域的擴張離不開農林牧副漁的產出增長和產業結構的更新換代。由此印證了經濟的發展極大地驅動了土地面積的演變，反之水域面積的增加也必將進一步帶動相關產業的發展。在相關性分析結果基礎上，運用SPSS27.0 進行回歸分析，為剔除共線性影響，將各顯著相關的變量分別進行線性擬合，得到如下具體公式，括號內分別是擬合優度R2與顯著性水平：

表4 成渝城市群土地利用演變與社會經濟相關系數

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)

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

表5 關中平原城市群土地利用演變與社會經濟相關系數

本研究中，只有全社會固定資產投資（X8）與未利用土地的變動顯著相關，二者的相關系數為-0.998，未利用地面積隨著固定資產投資的增長而縮減，說明區域內的固定資產投資為未利用地的開發提供了有力的資金支持。草地和未利用地與其顯著相關變量的回歸公式如下，括號內分別是擬合優度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 結論

3.1 快速城鎮化與生態風險防范

在6 類土地利用類型中，兩大城市群區域內的建設用地動態度皆為最大，表明西部地區的兩大人口密集區城鎮化效果顯著。但與此同時，快速的城市擴張導致的城市“過度硬化”往往會加大區域高溫熱浪風險，加之關中平原城市群地區水域面積急劇縮減，近年來當地已多次發生洪澇災害。下墊面類型和結構是造成熱環境空間分布差異的主要原因，在城市群規劃中應當合理增加綠地和水體景觀以降低熱島效應，同時在關中平原城市群地區應著重加強水利工程建設，提高抵御洪澇災害風險韌性。

3.2 土地利用演變與社會經濟發展高度相關

成渝城市群和關中平原城市群作為西部發展活力指數較大、開放程度較高的地區，其社會經濟發展與土地利用演變的關系十分緊密。人口數量的激增與成渝城市群的耕地面積縮減顯著相關，并對關中平原城市群的草地退化產生了極大影響。成渝城市群的水域面積與相關產業經濟指標協同增長，根據“最優”回歸方程，相關產值每增加1 個單位，水域面積就會擴大0.048 個單位，反之亦成立，二者之間的良性互動機制已逐漸成熟。此外，全社會固定資產投資的穩步增長有力地促進了關中平原城市群未利用地的開發。

兩大區域間由于土地利用的本底差異，社會經濟發展過程中對各地類的需求及開發特點也不盡相同。因而在土地管理工作中推行地區間差別化的用途管制政策，以土地利用結構調整的合理規劃來引導社會經濟的發展方向，不僅有利于充分發揮地域優勢，也有助于因地制宜地構建生態與社會經濟的均衡發展局面。