城鎮擴張占用耕地時空格局及利用效率研究
——以成都都市圈為例

張之鳳, 唐玉萍, 潘洪義, 馬紅菊

（1.四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室/地理與資源科學學院, 成都 610066；2.四川省農業農村廳農業生態資源保護中心, 成都 610041）

隨著城鎮化進程的推進, 城鎮規模不斷擴張, 出現耕地持續被占用的現象, 而城鎮周邊一般耕地質量相對較高, 往往會引起耕地數量和質量的雙降低。新冠肺炎疫情后糧食安全關注度增加, 但當下區域經濟高質量發展目標實現缺乏堅實的后備力量, 因此, 城鎮擴張占用耕地的效率引起了學者的關注[1, 2］。2016 年4 月, 國務院批準《成渝城市群發展規劃》, 強調打造以成都為核心具有國際影響力的現代化都市圈, 其中, 成都都市圈成為主體區域, 成為成渝地區雙城經濟圈戰略高地[3-5］。隨著該規劃的落實必然會加快相應的城鎮化進程, 在此期間, 實現農業和二三產業的有效銜接, 推進現代農業產業的轉型升級, 提高城鎮擴張占用耕地的效率, 促使投入產出達到有效均衡, 推動成都都市圈產業協同發展。

改革開放后, 城鎮快速擴張給當時以農業為主的中國經濟帶來一些負面影響, 學者從定性層面上對城鎮擴張占用耕地的問題以及應對政策進行探討, 而對區域數量增減和變化率定量分析的研究深度較淺[6-8］。20 世紀90 年代后國內市場經濟快速發展, 城鎮擴張占用耕地力度大小與地方經濟繁榮程度密切相關, 退耦模型、相關度、脫鉤模型、聯立方程模型等剖析二者之間關系的方法得以運用, 深入模型定量研究初現端倪[9-12］。隨著遙感技術、ArcGIS軟件平臺等的廣泛應用, 時空兩維度變動成為當前主要研究尺度, 空間相關性、冷熱點分析、空間加權矩陣等研究方法成為其時空變動的主要表達形式[13-15］。同時為了更有針對性地解決不同區域城鎮擴張占用耕地產生的問題, 多位學者采用主成分分析、匯合OLS、地理探測器等統計模型方法定量探討驅動城鎮化占用大量耕地的因素[15-17］。近年來, 部分學者開始利用時空配置效率和綜合效率分析被占用耕地的利用程度, 以便緩解當下經濟發展與資源保護的雙重壓力[17, 18］。

在現有城鎮擴張占用耕地方向研究中, 采用象限法來分析占用方向變動的研究相對較少, 一般從綜合效率分析其經濟效益, 未能考慮不同區域產生的規模和技術效率差異, 對其經濟效益進行聯立分析的鮮有報道。因此, 本研究在刻畫4 時段成都都市圈城鎮擴張占用耕地現狀強度、貢獻度指數的基礎上, 采取劃分象限區的等扇形分析法, 有效地揭示了研究區近20 年城鎮擴張占用耕地的方向變動, 再從多投入角度構建BCC 模型, 計算4 時段綜合、規模、技術效率, 分析被占用耕地的經濟產出效益, 以期在實現同城化區域經濟高質量發展的同時, 能夠為提高城鎮擴張占用耕地的效率、減少耕地資源的浪費、保障糧食安全提供參考依據。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

成都都市圈地處四川省東南部（102°54′—105°41′E, 29°24′—31°42′N）, 包括成都市、德陽市、眉山市、資陽市下轄的35 個縣（市、區）, 隸屬成渝地區雙城經濟圈西部重要節點, 位于 “一帶一路” 和西部大開發戰略主要核心區域。其地勢西高東低, 兩山夾平原, 平原廣布。位于亞熱帶濕潤季風氣候區, 雨熱同期, 夏季炎熱多暴雨。地處長江上游水系, 河網密布, 以岷江、沱江水系為主。紫色土、水稻土覆蓋較廣, 土質較好, 風化度低。2019 年底, 地區生產總值達22 352.04 億元, 一二三產業結構比為5.5:33.4:61.1。區域內常住總人口2 564 萬人, 城鎮化率達65.5%。以漢族為主, 部分藏族、羌族, 西南客家群體多聚集在洛帶片區, 含道教圣山青城山、都江堰水利工程、寬窄巷子等多個自然與人文景區, 第三產業發達。

1.2 數據來源與處理

各期30 m 分辨率的土地利用數據和行政邊界矢量來源于中國科學院資源與環境數據中心；投入產出指標基礎統計數據來源于四川省統計年鑒及各市統計年鑒。基于近19 年成都都市圈土地利用現狀, 單獨提取2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2015 年、2015—2018 年的城鎮建設用地及耕地柵格數據, 運用ArcGIS 疊加得到其城鎮擴張占用耕地數據并進行分區統計；根據統計年鑒中各縣（市、區）的社會固定資產投資、二三產業從業人數、社會消費零售品銷售總額、財政收入指標計算4 時段增量, 再與新增建設用地中耕地所占比例相乘后, 采用極值標準化方法構建含有土地投入、資本投入等多角度的效率評價數據集。

1.3 研究方法

1.3.1 城鎮擴張占用耕地測度 運用擴張速度（V）、貢獻度指數（I）[19］, 分析各時段內每年城鎮擴張占用耕地的面積, 并確定新增城鎮建設用地中耕地對城鎮化貢獻的面積比重, 剖析城鎮擴張與耕地轉換之間關系, 計算公式如下：

式中, Δi為時間差,Si為某個時段新增城鎮擴張占用的耕地面積,Ci是某個時間段內新增城鎮建設用地面積。

1.3.2 等扇形分析法 以研究區幾何中心為原點, 基于ArcGIS 平臺構建象限坐標, 將研究區劃分為16 個象限區, 分別用區域所在方向的字母表示。將其與研究時段內城鎮擴張信息進行聯立, 以獲取各時段不同方位城鎮擴張占用耕地的方向變動, 從而進一步刻畫被占用耕地的空間格局。

1.3.3 BCC 模型 BCC 模型是學者在考量實際經濟運行的情況下, 由原來DEA 投入產出模型進行改進, 通過在聚合輸入或輸出時引入一個常數, 使生產邊界從原點移開[20, 21］, 更加符合經濟發展的規律, 計算公式如下：

式中,s.t.為約束條件, minθB為目標函數,θB為投入產出相對有效程度,X和Y分別為某個縣（市、區）的某項投入指標值和產出指標值,X0、Y0分別為當前決策單元的投入值和產出值。

結合數據可得性和代表性[17］, 完成投入產出指標體系構建（表1）。

表1 投入產出指標體系

2 結果與分析

2.1 城鎮擴張占用耕地擴張分析

2.1.1 城鎮擴張占用耕地時間變動分析 經過Arc-GIS 10.2 軟件將2000、2005、2010、2015、2018 年5 年節點的耕地和城鎮建設用地進行疊加分析, 獲取4時段城鎮擴張占用耕地的數據, 經過式（1）和式（2）計算得到各時段擴張速度、貢獻度指數（表2）。

表2 2000—2018 年城鎮擴張占用耕地擴張變動

2000—2018 年, 成都都市圈城鎮擴張占用耕地面積呈先增后減態勢。其中, 2000—2005、2005—2010 年2 個時段占用耕地面積逐步增加, 之后在2010—2015 年迅速減少, 2015—2018 年有小幅增加；擴張速度與占用耕地面積走勢相同；貢獻度指數整體呈下降趨勢, 前3 個時段占用耕地面積小幅度遞減, 2015—2018 年陡降。該走勢與近年來中國城鎮化在2015 年后開始內涵式發展, 研究區域在政策支持下城鎮擴張面積雖有增加, 但耕地保護政策越發嚴格密切相關。

2.1.2 城鎮擴張占用耕地空間變化分析 為了增加研究區域近20 年城鎮擴張占用耕地的直觀性, 利用GIS 平臺進行分區統計, 獲取35 個縣（市、區）4 時段城鎮建設用地擴張占用耕地的空間變動（圖2）。

圖2 2000—2018 年4 時段占用耕地雷達圖

2000—2018 年, 研究區35 個縣（市、區）中金牛區、武侯區、龍泉驛區、新都區、溫江區、雙流區、郫都區、旌陽區等城鎮擴張占用耕地范圍較大。武侯區、雙流區、郫都區占用耕地面積超過40 km2, 其次, 彭州市、成華區、青白江區、都江堰市、彭州市、崇州市、廣漢市占用耕地面積超過10 km2。2000—2005 年, 武侯區、郫都區城鎮擴張占用耕地面積最多；2005—2010 年以雙流區最突出, 而這2 個時段成都市的武侯區、成華區、龍泉驛區、新都區、溫江區、郫都區城鎮擴張迅速, 占用了較多耕地；2010—2015 年城鎮擴張占用耕地面積明顯減少, 各縣（市、區）新增均不超過10 km2。成都市老主城區占用耕地面積減小, 而青白江區、雙流區在2010—2015 年占用耕地面積最多, 2015—2018 年雙流區、龍泉驛區為占用耕地主要區域, 其他縣（市、區）占用耕地相比前幾個時間段明顯減小。

2.2 城鎮擴張占用耕地方向分析

利用GIS 平臺構建211 km 為半徑的緩沖區, 將研究區域等分為16 部分, 展現各方位城鎮擴張占用耕地方向變動（圖3）。

圖3 2000—2018 年城鎮擴張占用耕地方向變動

2000—2018 年研究區整體城鎮擴張占用耕地重心集中在成都市主城區域內部遷移, 其中, 前2 個時段由西部往北部移動, 之后由南部向東部遷徙。2000—2005 年, 西部、西北部的縣（市、區）城鎮擴張占用耕地面積較多。成都市在該時段強調發展西部, 大力完善區域交通體系, 增加西部交通通達度, 為西部區域城鎮化提供基礎條件；2005—2010 年集中在北部、東北部、西北部, 該時段北部區域工業化進程加快, 以青白江區的物流業和新都區制造業快速發展區為典型。什邡市、綿竹市由于2008 年汶川大地震后受損嚴重, 為了盡快恢復區域經濟發展, 同時考慮區域地質條件特殊性, 在耕地富集平原地區占用耕地, 保障和改善民生居住環境, 房地產迎來新一波發展潮；2010—2015 年開拓方向主要集中南部、東南部, 東北偏東方向也有部分耕地被占用, 成都市為分散中心城市壓力, 不斷往南部雙流區開拓衛星城, 占用了大量耕地。眉山市作為成都市南沿城市, 迎來了新的發展機遇, 但發展還較緩慢, 此時廣漢市、青白江區運輸業、技術園區逐步引進, 其占用耕地面積小幅增加；2015—2018 年, 城鎮擴張占用耕地力度大的區域集中在東部、東南部、南部, 其中, 龍泉驛區、雙流區成為該時段加快東進、南拓的重要節點區域[22］, 多類新城策略推動成都東南部城鎮擴張。

2.3 城鎮擴張占用耕地效率分析

2.3.1 不同效率時序差異分析 利用DEAP 2.1 軟件計算得到2000—2018 年成都都市圈4 時段占用耕地綜合效率、技術效率及規模效率。

從圖4 可知, 2000—2018 年成都都市圈城鎮擴張占用耕地綜合效率、技術效率、規模效率整體均呈先降低后上升趨勢。就綜合效率而言, 2000—2005年比2010—2015 年效率降低了11.9%, 而后回升至0.950。這是因為2015 年成渝政策加快實施后, 簡陽市、樂至縣等部分較落后縣（市、區）前期荒置的被占用耕地區在此時段開始大量運轉利用, 在政策吸引下城市周圍村莊勞動力回流, 土地綜合效益增加。

圖4 2000—2018 年效率時序變化

技術效率在前3 個時段內呈逐段下降后上升的趨勢, 最低達到0.857。前2 時段差距甚微, 可能是由于2000—2010 年國內房地產為快速發展的黃金時期, 2008 年汶川地震后, 地方獲得大量外部投資幫扶, 同時加上當地民眾消費觀念的改變, 推動了地區經濟快速恢復, 尤其是綿竹市、什邡市、都江堰市等受災嚴重區域, 吸引了外資和區域創新發展要素、技術的匯入。2010 年后地產發展受到控制, 東坡區、綿竹市、樂至縣等部分縣（市、區）在土地運轉管理機制和技術創新方面投入減少, 技術效率得以制約。2015 年受政策驅使, 區域迎來新發展機遇, 吸引外資、技術和人才涌入, 為地區技術效率提升提供后備力量。

規模效率在2005—2010 年達到最低, 前2 時段相差0.067, 而后逐段上升。2008 年地震造成大量城鎮擴張占用耕地區房屋坍塌, 大片城鎮嚴重受損, 2010 年后為控制地產投機, 政府對樓地購置的條件進行限制, 同時企業為降低成本和減少對新耕地的渴求, 原已占用耕地荒置區域在該時段成為重點發展對象, 規模效率提高。2015 年后, 糧食安全與耕地保護理念與政策逐步落實在實踐上, 成渝城市群的政策出臺又促進了地區的城鎮化, 二者共同作用下致使規模效率小幅增加。

2.3.2 綜合效率空間差異分析 為了更直觀地感知其利用效率空間變化, 參考已有研究成果[23, 24］, 將城鎮擴張占用耕地的綜合效率值劃分為高效區（TE=1）、較高效區（0.8≤TE＜1）、低效區（0.5≤TE＜0.8）, 對各時段35 個縣（市、區）綜合利用效率進行可視化表達（圖5）。

圖5 2000—2018 年城鎮擴張占用耕地綜合效率空間分異

高效區整體由中西部往東南遷移, 數量先增后減, 與城鎮擴張占用耕地增量變動總體趨勢一致。2000—2005 年, 除錦江區、青羊區、金牛區、武侯區外, 彭州市、什邡市、綿竹市等7 個縣（市、區）均達到DEA 有效, 其中, 什邡市、綿竹市憑借相對較少的土地、勞動力投入, 在該時段生產總值、財政收入、銷售總額產出較高；2005—2010 年, 主城區內青羊區效率較低, 成華區、龍泉驛區、青白江區等11 個縣（市、區）DEA 的值為1。多為受地震影響較弱區域, 經濟效益比西部、北部震區高；2010—2015 年, 雁江區、中江縣等8 個縣（市、區）綜合效率最優。成都市龍泉驛區等投入產出比相當, 仁壽縣、中江縣能在較低勞動力、土地投入下獲取較高的資本產出, 而雁江區高投入高產出, 均達到預期效果；2015—2018 年, 資陽市整體達到DEA 有效。雁江區在該時段土地勞動力、資金投入產出都高, 錦江區等4 個縣（市、區）在土地和資本投入較小情況下產出較多, 效率高。

較高效區呈先減少后增加趨勢, 2005—2010 年和2010—2015 年2 時段內集中在東北到西南方向布局。2000—2005 年, 區域除郫都區和原高效區外, 多在較高效的情形下有高產出, 獲取經濟效益較高；但2005—2015 年受自然災害影響, 較高效區逐段減少。該時段內區域經濟仍在恢復, 2010 年后只有新津區、羅江區等6 個縣（市、區）因為投入產出差距不大效率較高, 加之控制地產熱以及保護生態環境, 土地投入逐步減少, 勞動力、資本投入較多, 經濟效益也較高, 但仍有規模報酬遞減趨勢制約其達到最優。2015 年后伴隨地區經濟快速發展, 城鎮化轉向內部填充為主, 地區被占用耕地經濟效益得到有效提升。

低效區集中在西部區域, 數量變化則與較高效區相反, 先增后減。其中, 2005—2010 年和2010—2015 年2 時段內數量較多, 是因為2008 年地震造成西北部綿竹市、什邡市、都江堰市等經濟損失嚴重, 同時地方投入大量資金、人力推動經濟復蘇, 但恢復過程較慢。南部青神縣、蒲江縣、安岳縣等地政府投入力度雖大, 但距離主城較遠, 產出較少；2000—2005 年郫都區投入較高, 但當時其距離主城較遠, 地理位置優越性還不突出, 資本產出相對較少；2015年后, 成渝城市群聯動發展, 經濟發展迎來新機遇, 區域效益整體提升, 但洪雅縣由于位置偏且地形險, 近年來瓦屋山等景區開發助推該地區經濟產業結構更新, 但整體效率仍然較低。

3 小結與討論

3.1 小結

本研究基于GIS 平臺獲取成都都市圈2000—2018 年4 時段城鎮擴張占用耕地數據, 在此基礎上分析區域強度和貢獻度指數、方向及利用效率。

1）研究區域城鎮擴張占用耕地整體強度呈現先增強后減弱的趨勢。整體占用耕地面積470.528 km2, 4 時段在2005—2010 年擴張速度達到最大, 為41.383 km2/年, 2010—2015年減至最小, 為4.198 km2/年。貢獻度指數在2000—2005 年呈下降趨勢。

2）研究區域城鎮擴張占用耕地重心整體由西部、北部往東部、南部遷移, 后期主要集中在龍泉驛區、雙流區等新興縣（市、區）。

3）在研究區域效率時序變化上, 綜合效率、技術效率、規模效率整體呈現先下降后上升趨勢。在空間變化上, 綜合效率高效區由中西部往東南部集中, 數量先增后減；而較高效區在首尾兩時段覆蓋廣, 中間兩時段主要在東北到西南方向分布；低效區多位于西部, 數量先增后減。

3.2 討論

2000—2018 年成都都市圈城鎮擴張占用耕地面積呈現先增長后減少趨勢, 符合中國2000 年后城鎮化加速和2015 年轉向內涵式發展的城鎮化規律。整體向東部和南部方向演進, 但其城鎮擴張占用耕地高效區減少, 與已有研究結果較為一致[17］。主要存在某些區域由于自身經濟實力弱、資本和人才投入還較少、部分區域存在占用地閑置乃至荒廢等問題。為有效提高其經濟效益, 高效區應當繼續保持當下資本和人力投入, 同時利用完善交通體系, 為周圍地區發展鋪設基礎條件[25］；較高效區要抓住發展機遇, 利用資本和政策進行技術更新。同時保持與中心城市的耕地占補平衡機制同步, 實現二者的有效聯動；低效區應該充分挖掘自身產業特色, 延長產業結構鏈, 保障被占用耕地能夠有充足后備條件支持其發展。

同時本研究也有不足之處, 在產出指標選取時, 由于2010 年后個別縣（市、區）農業機械投入數據獲取困難, 城鎮擴張占用耕地的技術投入無法有效顯現, 在產出上未能考慮生態環境指標, 具有一定的局限性。因而, 下一步應該通過其他途徑或者尋找有效替代數據, 分析技術投入對于當下占用耕地經濟效益的作用。為了追尋經濟高質量的發展和優先保護生態環境, 計量占用耕地產生的經濟效益和生態效益并進行二者之間的耦合關聯將是主要改進方向。