基于灰色關聯分析的武漢市建設用地擴張驅動力實證研究

胡銀根，蔡國立，2，徐小峰，張 曼

（1.華中農業大學 公共管理學院，湖北 武漢430070；2.惠州市杰誠工程咨詢有限公司，廣東 惠州516008；3.上海市地質調查研究院，上海200072；4.鄂州市農村綜合產權交易所，湖北 鄂州436000）

隨著經濟發展和城市化進程的推進，大量農用地轉化為城市建設用地，面對人多地少的國情，“建設與保護”的矛盾逐漸凸顯，建設用地擴張也自然成為近年來土地利用的熱點問題。武漢市是我國中部地區發展的重要支撐點，在過去10a間，尤其是自“武漢城市圈”戰略實施以來，武漢市建成區經歷了大規模的擴張，城郊優質農田不斷被建設用地景觀所替代，這使得對建設用地擴張的驅動力進行動態研究進而尋求城市理性發展的道路變得必要而緊迫。總的來說，建設用地擴張的驅動力來自于自然、社會、經濟等多方面，從已有研究來看，經濟發展［1］、人口增長［2－4］、產業結構調整［5］和固定資產投資增長［6－7］等因素與建設用地擴張具有較高的關聯性。從驅動力的時間效應上講，地理環境作為建設用地擴張的基本條件和重要的限制因素，其效應主要體現在較長的時間尺度上；而在短期內，社會經濟和制度政策的作用更加明顯［8］。

目前對建設用地擴張驅動力的研究方法主要有兩類，一類是基于數理統計理論的多元線性回歸分析［5－6，9］和非線性的 Logistic回歸分析法［1，10］，通過逐步回歸可確保模型中只含有對因變量解釋作用顯著的自變量，而不顯著的則被排除；另一類是通過建立計量經濟模型進行分析。這兩類方法在數學上都有嚴格的規范性和完整性，但模型對樣本容量要求較高，而我國土地資源信息化起步較晚，土地利用數據并不齊全，因此很難保證模型的精度。另外，傳統的數理統計分析方法要求樣本服從某個典型的概率分布，并要求各因素之間彼此不相關，這種要求也往往難以滿足［11］。與傳統方法相比，灰色關聯分析法對樣本數據要求相對較低，也不需要樣本服從典型的分布規律，同時能有效避免系統特征數據之間的共線性問題，可在不完全信息中通過一定的數據處理找出系統各因素的關聯性，因此較適合于本研究。在借鑒已有研究的成果和不足的基礎上，本研究從社會和經濟的角度出發，以武漢市2003—2012年統計數據為基礎，分析了武漢市近10a建設用地擴張的基本態勢，并采用灰色關聯分析法探究了建設用地擴張的動力，著重分析其作用機理，以期為制定合理而有針對性的經濟社會發展政策提供參考。

1 研究區概況

1.1 武漢市經濟社會發展狀況

武漢市位于江漢平原東緣，長江與漢江交匯處，水陸交通十分便利，轄區總面積8 494.41km2，約占湖北省總面積的4.6%。作為湖北省省會，武漢市在該省經濟、社會發展中的優勢地位非常明顯，2012年該市實現GDP 8 003.82億元，占湖北省總量的40.77%。從產業結構來看，2012年武漢市三產比例為3.76∶48.35∶47.89，非農產業占絕對優勢，且近年來第二產業（主要是工業）的比例仍呈不斷擴大趨勢。

武漢市戶籍人口總量在連續多年增長后在2010年達到峰值，此后開始逐年減少，至2012年底已累計減少15.02萬人（這可能是源于獨生子女政策的持續發酵作用），而同期常住人口則增加了32.46萬人。產生這一現象的原因可能是，隨著城市化進程的加快，武漢市經濟的快速增長和大規模的城市建設產生了大量用工需求，吸引了越來越多的進城務工者。常住人口的持續增長與戶籍人口的逐漸減少形成鮮明的對比，越來越多的外來務工者來到武漢市工作和生活，但是受制于現行的戶籍政策，他們無法在這里扎根，無法公平地享受到與城市戶籍綁定的各種福利待遇。

1.2 武漢市建設用地擴張狀況

建設用地的數量方面，2007年之前武漢市建設用地規模擴張較為緩慢。根據相關統計資料，2003—2006年武漢建成區面積僅增加了6.08km2，年均增長0.61%。由圖1可以看出，“十一五”期間，尤其是2007年“十七大”之后，以武漢市為中心的“1＋8”城市圈被國務院批準為“兩型社會”綜合配套改革試驗區，成為中部崛起的重要戰略支點，武漢市建成區經歷了大規模的擴張。據《2012年武漢市國民經濟和社會發展統計公報》顯示，到2012年底，武漢市建成區面積已擴展到520.3km2，是2003年的2.4倍多。從建設用地的結構方面看，2003—2012年武漢市建設用地的擴張主要來自居住用地、工業用地、道路廣場用地和公共設施用地，4種用地分別貢獻了武漢市建設用地擴張總量的30.18%，19.95%，18.23%和10.87%。尤其需要指出的是，近年來武漢市開發區發展迅速，目前全市有3個國家級開發區，12個省級開發區，2009年各類開發區總占地面積已達211km2。另外，“十一五”時期武漢市大規模推進城市交通設施建設，截至2011年全市對外交通用地和道路廣場用地面積總計達162.69km2，占城市建設用地的22%。

圖1 武漢市2003－2012年建成區面積變化趨勢

2 研究方法

采用灰色關聯分析方法對建設用地擴張的驅動力進行定量分析，得到各驅動力指標與建設用地擴張關聯度的排序，并結合聚類分析的結果對各類因素的作用機理進行探討。灰色關聯分析的原理是根據各因素之間發展趨勢的相似或相異程度（即“灰色關聯度”）來衡量因素間的關聯程度。具體地說，就是對反映各因素變化特性的數據序列的變化趨勢進行幾何比較，幾何形狀越相似，相應序列之間的關聯度就越大，反之就越小。另外，考慮到本研究選取的驅動力因素較多，為對各個驅動力因素有更清晰直觀的認識，首先對各指標進行聚類分析，將具有相似特征的指標歸為一類，使同類對象間相似性比其他對象的相似性更強，不僅起到降維的效果，還有利于對指標進行深入分析。

3 結果與分析

3.1 變量設置

3.1.1 因變量設置 研究建設用地擴張驅動力常用的因變量有城市建設用地總面積和建成區面積兩類，但考慮到在中國城市建成區更接近于城市的實體區域［12］，因此以城市建成區面積為因變量表征城市建設用地的擴張狀況。

3.1.2 驅動因子選取 在已有研究的基礎上，結合武漢市經濟社會發展和建設用地擴張狀況，選取了10個指標對武漢市建設用地擴張的驅動力進行探討：GDP（X1），工業增加值（X2），建筑業增加值（X3），第三產業增加值（X4），全社會固定資產投資（X5），城鎮居民人均可支配收入（X6），農村居民人均純收入（X7），年末常住人口（X8），非農業人口（X9）和公路通車里程（X10）。各驅動力指標數據主要來源于歷年《武漢統計年鑒》，其中2012年數據來源于《2012年武漢市國民經濟和社會發展統計公報》。

3.2 指標聚類與說明

為更清晰直觀地認識建設用地擴張的驅動力，方便進一步研究，需要先對10個驅動力指標進行聚類分析。首先對原數據進行“均值化”處理，消除量綱的影響，然后借助SAS 9.2中的Cluster過程對10個指標進行系統聚類，聚類方法采用重心法（Centroid），樣本距離使用歐氏距離。需要說明的是，Cluster過程通常用于樣本聚類（即R型聚類），因此這里需要先對原數據矩陣進行轉置處理，轉置后的變量就處于觀測地位，這樣就可以將它們作為一個個“樣品”來進行指標聚類（即Q型聚類）。通過聚類，將10個驅動力因子分為5類：第1類包括GDP（X1）、工業增加值（X2）、建筑業增加值（X3）和第三產業增加值（X4）4個指標，反映的是宏觀經濟狀況，并體現了產業結構的組成，其中GDP是衡量一個國家或地區經濟狀況和發展水平的常用指標，一般來講經濟總量的提升會對建設用地的擴張產生一系列直接或間接的效應；工業增加值（X2）、建筑業增加值（X3）和第三產業增加值（X4）是衡量二、三產業發展水平的指標，武漢市非農產業總比重超過95%，其中工業用地在建設用地總量中占比接近30%。第2類只有全社會固定資產投資（X5）一個指標，它是形成資本的一種非常重要的方式，而資本投入的增加則是經濟發展和城市擴張的重要支撐。第3類包括城鎮居民人均可支配收入（X6）和農村居民人均純收入（X7）2個指標，分別反映城市和農村居民的收入水平，收入的增長提高了居民的消費能力，這將會拉動對社會公共服務（如交通、醫療等）用地和城市居住用地的需求。第4類包括年末常住人口（X8）和非農業人口（X9）2個指標，人口規模是土地利用總體規劃和城市總體規劃確定建設用地規模的重要依據，而且建設用地擴張的實質就在于人口增長和經濟發展對土地資源需求的增長，由于建設用地承載力是有限的，當人口規模超過現有建設用地承載力時，必然要通過建設用地擴張來緩解壓力。第5類，公路通車里程（X10）是反映城市交通狀況的重要指標，路網的完善方便了人們的出行，也促進了各種要素的流動，從而帶動沿線經濟的發展和城市景觀的改變。

3.3 灰色關聯度分析

在對各指標進行聚類后，運用灰色關聯分析法分析各因素與建設用地擴張的關聯程度，可以得到所有因素對建設用地擴張影響的大小關系，以及各類因素中的主要作用因子。另外，考慮到2007—2009年武漢市建設用地擴張速度明顯快于其他年度，將進一步從時間效應角度考察這一期間的建設用地擴張驅動力與2003—2012年間的對比關系。

3.3.1 武漢市2003—2012年建設用地擴張的灰色關聯分析。分析步驟為：

（1）設定參考序列和比較序列。

式中：X0（t）——參考序列，對應因變量指標（建成區面積）；X1（t），X2（t），…，X10（t）——10個比較序列，對應10個解釋變量指標；t——時期，本研究的時間尺度為2003—2012年，共10期。

（2）數據無量綱化處理。由于各序列中原始數據的單位不同，序列之間不具有可比性，因此要對原始數據進行無量綱化處理。采用初值化變換，即把各序列中的每一期的數值分別除以本序列的第一期的數值，從而得到一組新的序列：

式中：xi′（k）＝xi（k）／xi（2003）

（3）計算關聯系數。比較序列Xi（t）與參考序列X0（t）在k時期的關聯系數ξi（k）為：

式中：｜x0′（k）－xi′（k）｜——參考序列 X0（t）與比較序列Xi（t）在k時期取值的差的絕對值；（k）－xi′（k）｜，｜x0′（k）－x′i（k）｜——參考序列X0（t）與每一個比較序列在各期取值的差的絕對值中的最小值和最大值；ρ——分辨系數，其作用在于提高關聯系數之間的差異顯著性，在最小信息原理下，一般取ρ＝0.5［13］。經過計算得到比較序列Xi（t）與參考序列X0（t）在各個時期的關聯系數矩陣詳見表1。

表1 武漢市2003－2012年各個時期的關聯系數矩陣

（4）計算灰色關聯度。比較序列Xi（t）與參考序列X0（t）的關聯度為兩個序列10個關聯系數的算數平均數，計算公式為：

由此得到10個灰色關聯度γi，γi反映了各個比較序列在各時期中對參考序列的平均影響。γi及其排序詳見表2。

由表2可以看出，2003—2012年各驅動因素與武漢城市建設用地擴張的關聯程度由大到小依次為：公路通車里程＞農民純收入＞城市人均可支配收入＞年末常住人口＞非農業人口＞建筑業增加值＞第三產業增加值＞GDP＞工業增加值＞全社會固定資產投資。因此，與建設用地擴張最密切的因素包括公路通車里程、農民純收入、城市人均可支配收入、年末常住人口和非農業人口5個因素。

表2 研究區灰色關聯度及排序

3.3.2 武漢市2007—2009年建設用地擴張的灰色關聯分析 根據灰色關聯分析的步驟，進一步計算了2007—2009年各驅動因素與武漢城市建設用地擴張的灰色關聯度。其中灰色關聯度最大的幾項為：γ9＝0.934 0，γ8＝0.929 7，γ10＝0.805 0，即2007—2009年與建設用地擴張最密切的因素為非農業人口、年末常住人口和公路通車里程3個因素。

3.4 結果分析

結合聚類分析的結果，2003—2012年與武漢市建設用地擴張關聯性最強的是交通、收入和人口3類因素，而對2007—2009年的局部分析表明，與建設用地快速擴張相關性最強的因素是人口和交通2類因素。

（1）交通因素。在兩個時間尺度的分析中，反映城市交通狀況的公路通車里程對建設用地擴張的貢獻率都很高，表明城市交通的快速發展對武漢市建設用地擴張產生了很強的拉動作用，2012年武漢公路通車里程達13 337.01km，比2003年增長了198%，快捷的交通既方便了人們出行，也為交通沿線用地的迅速升值和開發利用提供了契機。

（2）收入因素。從灰色關聯分析結果來看，收入因素在2003—2012年對武漢市建設用地擴張的推動效應比較明顯，而在較短時間尺度上的貢獻則并不突出。在10年尺度水平上，農民純收入與城市人均可支配收入的增長與建設用地擴張的關聯度分別為0.907 6和0.903 2，分寫排在所有因素的二、三位。城市居民人均可支配收入的增長提高了市民的消費能力，對城市公共設施、住房、交通等用地的需求隨之增加。農民純收入增長與建設用地的擴張看似關系不大，但灰色關聯分析表明兩者間存在較強的關聯性，這可能有兩方面原因：一方面是統計的原因，近年來武漢市大規模城市建設產生了大量用工需求，吸引越來越多的農村勞動力涌入城市，然而城市對進城務工農民實行“經濟性接納、社會性排斥”，一紙戶籍將他們擋在了“市民”范疇之外，因此這部分務工收入仍隨農民身份被劃歸為農民收入。但實際上進城務工者一年中大部分時間留在城市中，消費、住房和公共服務資源都由城市提供，近10a間武漢市農民人均純收入年均增長13.84%，2012年達11 190.44元，是2003年的3倍多，這主要來自非農業收入的增長；另一方面，隨著收入水平的不斷提高，越來越多的農民有能力遷到城市居住，過上“城里人”的生活，從而增加對城市建設用地的需求。因此不論從哪一方面講，農民純收入的增加都會對城市建設用地的增長產生正向推動作用。

（3）人口因素。從兩個時間尺度的灰色關聯分析結果來看，人口因素對建設用地擴張的影響非常明顯。2003－2012年武漢市常住人口和非農業人口分別增長了206萬人和80.04萬人，不斷增長的人口對居住用地和公共設施用地的剛性需求成為推動建設用地擴張的主要驅動力之一。

（4）宏觀經濟、產業結構以及投資因素。不論從近10a的時間尺度看，還是從建設用地快速增長的2007—2009年看，經濟、產業和投資因素與建設用地擴張的關聯度都比較靠后，表明武漢市宏觀經濟的發展和社會投資的擴大并沒有引起城市建成區以相似的趨勢擴張。以投資狀況為例，2003—2012年武漢市全社會固定資產投資年均增長25.78%，遠快于建成區年均3.1%的擴張速度。表明隨著技術革新、勞動力素質提高和產業結構優化等，土地利用強度和集約利用水平不斷提高，從而呈現建設用地擴張的速率慢于經濟發展和投資增長的現象。

4 結論

交通條件改善、城鄉居民收入增長和人口增加是武漢市近10a建設用地擴張的主要驅動力；不同驅動因素對建設用地擴張的推動效應在不同的時間尺度上有所差異，其中人口和交通因素無論在較長時期還是在較短時期內對建設用地擴張都具有明顯的推動作用，尤其是在較短時期內對建設用地快速擴張的推動效應更明顯，而收入因素對建設用地擴張的影響主要體現在較長時期，而在較短時間內的作用效果相對不明顯；宏觀經濟和產業結構因素與建設用地擴張的關聯性相對較弱，說明科技的進步、勞動力素質的提高和產業結構的升級轉型提高了土地利用效率和集約利用水平，從而在一定程度上遏制了城市的無序擴張。

制度政策、地理環境等也是影響建設用地擴張的重要因素［14］，但二者難以量化，本研究只探討了人口和經濟因素對武漢市建設用地擴張的影響；另外，本研究是將武漢市作為一個整體進行分析，而城市結構本身具有復雜性的特點，因此本研究反映的是區域建設用地擴張的共性特征，有可能掩蓋了個別地域的特殊性。在后續的研究中，一方面要優化影響因素指標的選取，綜合考慮制度政策、地理環境等對建設用地擴張的影響；另一方面要將建設用地的空間結構納入研究范圍，充分考慮建設用地內部結構與布局對建設用地擴張的影響，探究區域內建設用地擴張的個性特征。

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