珠江三角洲土地利用變化及其對城市化發展的響應

何媛婷，王石英，袁再健*，鄭明國，黃斌，梁晨

1. 四川師范大學地理與資源科學學院，四川 成都 610066；2. 廣東省科學院，廣東 廣州 510070；3. 廣東省生態環境技術研究所/廣東省農業環境綜合治理重點實驗室/廣東省面源污染防治技術工程中心，廣東 廣州 510650；4. 華南土壤污染控制與修復國家地方聯合工程研究中心，廣東 廣州 510650

中國城市土地利用隨著社會經濟的快速發展發生了巨大的變化，農用地面積持續減少，建設用地持續增加，其中珠江三角洲地區的表現尤為顯著（劉紀遠等，2014；劉紀遠等，2018）。1979—2009年，珠江三角洲城市化快速發展，建設用地擴張快速，在此過程中被占用最多的土地類型是耕地，耕地與建設用地呈顯著負相關關系（薛俊菲等，2012；黃瀅冰等，2017），其次是林地（徐進勇等，2015；施利鋒等，2015）。近年來，許多學者就城市化引起的土地利用變化在經濟、政策、人口、生態、環境等方面開展了廣泛而深入的研究。研究表明，城市化進程中社會經濟和政策變革是促進城市土地利用變化的重要驅動因素（牟鳳云等，2007），城市化快速發展導致虹吸效應，促使城市空間加速擴展（藺雪芹等，2015），城市擴展改變生態用地空間格局，對生態帶來負面影響（張騫等，2017），城市氣候和環境與土地利用變化密切相關，植被覆蓋區域與高溫呈負相關而與裸地則呈正相關（Xiong et al.，2012），基于土地利用與城市化相關性可以預測人口的增長（Liu et al.，2016），根據土地利用變化趨勢可預測城市未來的土地利用（Xu et al.，2016；Jiao et al.，2019），土地利用變化與城市化發展一直是人們所關注的焦點。城市化與土地利用變化之間存在密切的相關性，不同城市群建設用地動態程度（Cao，2014）及城市化對不同階段土地利用轉型的驅動因子（戈大專等，2018）存在差異；根據土地利用的驅動因素研究各類土地類型的動態變化和轉換過程（Yang et al.，2018），城市化進程是城市發展過程中不可逆轉的趨勢，城市迅速發展，伴隨著顯著的土地利用變化（Dai et al.，2018）。鑒于珠江三角洲土地利用變化與城市化水平的關系，對土地利用變化的影響因素進行比較，分析土地利用類型之間的轉換以及其對城市化發展的敏感度，對珠江三角洲的研究多是從全面性或單一性的城市分析中擇其一，不利于進行城市群間的對比及共性研究。基于此，文本以珠江三角洲土地利用數據為基礎，對2000、2005、2010、2015年4個時期的土地利用數據進行分析，首先，對珠江三角洲土地利用變化的趨勢進行整體分析，其次，細化到各市進行城市化水平分析，深入探討城市化水平與土地利用變化的關系，揭示各土地類型對城市化發展的敏感度，以期為珠江三角洲地區土地資源規劃和可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與數據來源

1.1.1 研究區概況

珠江三角洲（21°30′—24°N，112°—115°30′E）（圖1），以下簡稱珠三角，包括廣州、深圳、佛山、東莞、中山、珠海、惠州、肇慶、江門9個地級市，總面積約56000 km2。境內水系眾多，由西江、東江、北江組成，以西江為主；八口入海，自西向東依次為崖門、虎跳門、雞啼門、磨刀門、橫門、洪奇門、蕉門、虎門（陳金月，2017）；。珠三角以南亞熱帶季風氣候為主，海拔多在200 m以下，地勢平坦，高溫多雨，動植物種類繁多，經濟發達，是中國經濟發展最具活力的地區之一。

圖1 研究區所在位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the location of the study area

1.1.2 數據來源

本文高程數據（DEM，30 m×30 m）下載于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）；2000、2005、2010、2015年土地利用30 m柵格分類數據來源于于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn）土地利用現狀遙感監測數據，該分類系統從土地利用類型遙感監測實用操作性出發，緊密結合全國縣級土地利用現狀分類系統，在適用性方面具有其重要的現實意義（徐新良等，2012）；城市化水平計算數據來源于廣東省統計年鑒（2001—2016年）。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用度量方法

“土地利用動態度”用土地利用在一段時期內變化的模型加以表述（劉金花等，2012；趙健等，2001），即：

式中，Sa為初期某類土地利用類型總面積（km2）；Sb為末期某類土地利用類型總面積（km2）；T為時間段（a）；A表示與T時期對應的某類土地利用類型變化速率。正值代表土地面積增加，負值反之，動態度的絕對值代表土地利用變化的程度，值越大變化程度越大。

“土地利用變化率”用以計算某土地類型在某段時期內土地的消耗程度（汪東川等，2019），即：

式中，Lcu表示某類土地利用類型的變化率，Cij表示從i時期到j時期某類土地改變成另一類土地的面積和，Ui表示i時期土地利用類型的面積，T為i時期到j時期的研究時長，以年為單位。

1.2.2 城市化水平

珠三角第二、三產業快速發展，城市人口增多，根據實際情況，本文采用非農業人口占比（P1）與非農產值占總經濟的比重（P2）的綜合指標，對研究區的城市化水平進行測算。P1和P2的權重分別為0.8、0.2，采用加權平均法得到城市化發展水平P（魯春陽等，2010）。

根據表1的判斷標準，可以分析研究區不同時間段的發展階段（陳永林等，2015）。

1.2.3 最大信息系數

最大信息系數（Maximum information coefficient，MIC）可以衡量雙變量之間的相關程度，與一般相關系數相比，MIC不依賴于變量的分布假定，同時能夠識別更廣義的相關關系（Zhang et al.，2014），MIC可由以下公式計算得出（David et al.，2011）：

表1 發展階段判斷標準Tab.1 Criteria for judging development stages

其中，x是城市化水平，y是土地類型變化，H(x,y）是條件熵表示y對x的期望；P(x,y)為X和Y的聯合概率密度，p(x)和p(y)分別為X和Y的邊緣概率密度；n為數據點數量，nx，ny分別是x軸、y軸各區的箱子數目。MIC值域為[0, 1]，當變量MIC趨于1說明兩者之間存在相關性，MIC趨于0則兩者互相獨立。

1.2.4 彈性系數

彈性概念只要兩個變量之間存在函數關系，則可以用彈性系數來表示因變量對自變量變化的反應的敏感程度。

其中dX和dY分別是變量X和Y的變化量；e為彈性系數。彈性反映是變動的相對值，斜率是變動的絕對值，因此將彈性系數進行絕對值處理，更易于比較說明，彈性系數無量綱，通過X（城市化水平）與Y（各土地類型）之間彈性系數大小反映土地利用變化對城市化水平發展的敏感度，土地利用類型的城市化彈性系數越大敏感度越高。

2 結果與分析

2.1 珠江三角洲土地利用變化特征分析

根據4個階段的土地利用分類（圖2），計算每個時期土地類型面積的比例（表2）。結果發現，耕地面積持續減少，建設用地不斷擴張，林地、草地、水體和未利用地面積變化不大；建設用地主要集中在珠三角中部地區，耕地主要分布于建設用地周邊，多數林地分布于珠三角東西兩翼。

圖2 2000—2015年珠三角土地利用分類結果Fig. 2 Land use classification results in the Pearl River Delta from 2000 to 2015

表2 2000—2015年珠三角各類土地利用類型面積占比與土地利用動態度Table 2 The proportion of land use types and Land use dynamics in the Pearl River Delta from 2000 to 2015 %

根據3個時段土地利用的動態度（表2）可知，建設用地在 2005—2010年期間變化程度大，擴張速度快，另外2個時段建設用地的動態度相對保持緩慢增長狀態；耕地在 2005—2010年期間變化幅度最大，在此期間大量耕地被侵占；林地在2010—2015年期間縮減幅度遠大于2000—2010年的增長幅度；未利用地占地面積小，變化程度大，在2000—2010年期間面積增長幅度大，2010—2015年期間面積縮減幅度相對較小。分析表明，建設用地與耕地的變化成負相關，城市發展意味著人口的增多，促使建設用地的擴張，導致其他類型的土地被侵占，在 2010—2015年期間建設用地的擴張速率有效的得到控制，在此期間城市對未利用地的開發使用力度也得到提升。

從土地利用類型來看，建設用地占用最多的土地類型是耕地，林地次之，轉移面積逐年減少。利用 ArcGIS統計出珠三角不同時段的土地利用轉換矩陣（表3—5）。表格中行、列分別為土地利用類型初期面積和末期面積，對角線為沒有發生類型轉換的數量，變化率是土地類型轉換面積占該類型總面積的百分比。

表3 2000—2005年珠三角土地利用轉移矩陣Table 3 Land use transfer matrix in the Pearl River Delta, 2000-2005 km2

表4 2005—2010年珠三角土地利用轉移矩陣Table 4 Land use transfer matrix in the Pearl River Delta, 2005-2010 km2

表5 2010—2015年珠三角土地利用轉移矩陣Table 5 Land use transfer matrix in the Pearl River Delta, 2010-2015 km2

由上表可知，2000—2005年未利用地變化率最大，面積呈增長趨勢，主要轉化類型為耕地和林地；2005—2015年草地變化率最高，但總面積沒有太大變動，主要是與林地之間的轉換。建設用地變化是城市化發展最直觀的表現，珠三角在2005—2010年期間建設用地變化率是 3個時期最大的，其變化率分別是前后兩個時期的1倍和3倍之多，耕地的變化趨勢和變化率是與建設用地最一致的土地類型，2000—2015年期間，耕地是建設用地主要的來源地。

分析表明，從土地利用變化角度可知珠三角近15年的發展進程中，2005—2010年期間城市發展迅猛，經濟的飛速發展以及人口的增長可能是城市加速擴張的重要因素；城市前期發展進程中建設用地的擴張最先占用周邊的耕地，在 2010年后建設用地擴張速率減緩，耕地的占用得到控制，城市更加理性化的發展。

2.2 城市化與土地利用變化之間的關系

2.2.1 城市化水平與土地利用的相關性

從整體分析了珠三角地區土地利用變化情況，對珠三角土地利用變化進行全面了解，將繼續對珠三角各市的城市化水平與土地利用變化進行深入剖析。根據城市化水平的發展階段可將珠三角9市分為三類（圖3）：后期成熟階段城市（A類城市，包括深圳、廣州、珠海和佛山），中期加速階段跨入后期成熟階段的城市（B類城市，包括中山和東莞），以及中期加速階段所屬城市（C類城市，包括惠州、江門和肇慶）。

圖3 珠江三角洲的城市化水平Fig. 3 Urbanization level of the cities in Pearl River Delta

分析表明，珠三角9市是在2000—2005年期間城市處于經濟高速增長的發展階段，步入2005—2010年期間大部分城市進入穩健發展狀態，深圳、佛山、江門仍舊保持城市的快速發展，跨入2010年珠三角整體步入高質量發展階段。

建設用地的變化是發展中國家一個城市發展水平的體現，根據珠三角整體土地利用變化已知建設用地在 2005—2010年期間變化率最大，城市化發展水平在 2000—2005年期間漲幅最顯著，在2005—2010年期間延續增長形勢，由于珠三角9市城市發展水平參差不齊，因此需要分門別類的對珠三角不同發展階段的城市，細致性的進行城市化水平與土地利用變化的相關性分析。將各類土地類型與不同發展水平的城市逐一應用式（4）計算兩者的相關性，分析結果如圖4所示。

A類城市土地利用變化與城市化水平的相關性整體偏低，MIC值大于0.7的僅有建設用地、耕地和林地；B類城市建設用地、耕地和林地的MIC值大于0.9；C類城市建設用地和林地與城市化水平相關性相對較高，MIC值大于0.8。建設用地與城市化水平相關性最強，未利用地與城市化水平相關性最弱；A、B、C三類城市的城市化水平與6類土地利用變化相關性最強的 3類土地類型依次為草地＞耕地＞建設用地，耕地＞建設用地＞草地，建設用地＞林地＞耕地。

圖4 不同發展階段的城市化水平與土地利用相關性Fig. 4 The correlation between urbanization level and land use at different development stages

2.2.2 城市化水平發展過程各類土地利用敏感度

城市化水平發展導致土地利用的變化，每種土地類型對不同階段城市化水平的響應存在差異，土地利用變化與城市化水平的相關性只能說明它們之間存在關聯性，需要進一步分析兩者之間的敏感度來說明兩者之間相互作用力的大小。各市根據所屬城市類型相關性最佳的3種土地類型，運用式（5）計算并繪制了土地利用變化與城市化水平彈性系數圖（圖 5），斜率與敏感程度成正比，斜率越大則敏感度越高。

圖5 珠江三角洲城市化水平發展過程土地利用類型敏感度Fig. 5 Sensitivity of land use types in the process of urbanization level development in the Pearl River Delta

A類城市憑借優越的地理、交通條件在珠三角城市群中經濟地位首屈一指，城市飛速發展的同時經濟圈發展已經趨向成熟，其中珠海較為特殊，在土地利用變化對城市化發展的敏感度達最低點前耕地敏感度最大，最低點后建設用地敏感度最大，草地最弱；廣州、深圳、佛山隨城市化發展草地是敏感度最大的土地類型，廣州耕地敏感度最弱，深圳的耕地和建設用地敏感度相差不大，佛山的耕地、建設用地的敏感度小且先降低再增加。

B類城市屬于經濟高速增長的代表城市，其中建設用地對城市化發展敏感度先降低后增加，耕地在城市跨入后期穩定階段前的一段時期敏感度最低，城市進入后期穩定階段耕地對城市化發展敏感度逐漸增強，東莞草地對城市化水平發展敏感度先降低后增加再次重復，城市進入后期穩定階段敏感度持續增大，中山草地對城市化水平的敏感度先降低后增大，在后期穩定階段敏感度持續增加。

C類城市的城市化水平一直處于加速階段，中江門、肇慶建設用地對城市化發展的敏感度最大，增長幅度顯著，耕地次之，肇慶在此期間建設用地、耕地的敏感度持續增加，江門建設用地和耕地敏感度先降低后增加在重復，林地對城市化水平的敏感度先減弱后增強。惠州的耕地對城市化水平的敏感度逐漸增大，城市化水平敏感度經歷第一次低谷再次到達高峰值之前，林地對城市化水平敏感度高于建設用地，在此之后，建設用地對城市化水平敏感度持續增強且敏感度高于林地。

分析表明，A類城市中廣州、深圳、珠海建設用地對城市化水平的敏感度偏高，佛山建設用地的變化對城市化水平發展幾乎沒有響應，相較于其它3市佛山主要以民營經濟為主，這一特殊情況可能與當地政策或經濟發展模式有關；B類城市中建設用地對城市化水平的敏感度高，東莞、中山的建設用地對城市化發展的響應程度幾乎一致；C類城市建設用地對城市化水平的敏感度高，江門、肇慶、惠州的建設用地的變化對城市化發展的一直保持積極的響應狀態；三類城市中B類城市建設用地與城市化水平相關性是最密切的，同時B類城市也是城市發展成長速度最快的，建設用地也是城市加速擴張中最直接的結果。

3 結論

（1）2000—2015年期間，珠三角土地利用類型發生明顯變化。從數量上看，建設用地增加1.75%，耕地減少2.66%，其他土地類型變化幅度小；從變化的速率來看，2005—2010年期間，耕地的變化率最大為19.74%，建設用地在2005—2015年期間擴張速率降低近2倍，變化率從10.97%降低至5.8%；從變化的程度來看，在2000—2010年期間，耕地和林地得到集中開發，在2005—2010年期間，建設用地拓展力度大，土地利用動態度為4.21%；從變化的類型來看，建設用地的補給主要來自耕地，其次是林地；珠三角遵循城市化可持續發展原則，占用耕地和林地的同時給予補給。

（2）不同發展階段城市的土地利用變化對城市化水平發展的響應存在差異，其中建設用地是與城市化水平關系最密切的土地類型，其次是耕地。A類城市的耕地和建設用地變化與城市化水平相關性是三類城市中最弱的，表明城市發展成熟穩定，城市建設受到當地時效性政策的影響和控制，更加重視城市可持續發展，對農用地采取保護措施，未利用地的開發力度增強，對城市土地集約利用；B類城市，在城市化水平跨階段后，耕地及建設用地受城市化發展影響大且敏感度持續增強，城市化進程的加快，促進經濟和人口的快速增長，導致土地需求的逐步擴大，建設用地的快速擴張，在城市化水平最大階段時敏感度達到峰值，說明城市化發展是影響建設用地和耕地的關鍵因素；C類城市，建設用地逐年平緩增長，耕地緩慢減少，城市發展速度相對A、B類城市緩慢。

（3）建設用地的變化是最能反應城市發展實況的外在表現形態，城市化發展水平越優質經濟增長越迅速，人口的虹吸效應可能越嚴重，城市擴張最先占用周邊耕地以及草地。發展中國家在城市發展經濟攀升的進程中都面臨著共同的土地利用問題，城市外擴占用耕地，“不健康”的城市發展，存在許多隱患。珠三角城市群經濟發展已經趨于成熟，2010年后城市發展得到控制，城市擴張大幅度減緩，在經濟持續增長、城市化快速發展的背景下，城市擴張速率減緩，說明政府對生態紅線的保護措施力度加大，城市用地受到了政府的干預和政策的保護，出臺了一系列城市發展用地與農地利用、保護的相關政策，通過土地利用變化對珠三角城市化發展的響應實情來看，珠三角受政策監管城市與生態保持和諧的可持續理性化的發展狀態，但珠三角城市仍不斷成長經濟持續攀升，現有的相關政策在未來城市負荷量達到臨界狀態時可能失效，需要及時的因實制宜、集約化發展，因此未來應持續關注土地利用變化對珠三角城市化發展的響應。本文主要分析了土地利用變化與城市化發展的關系，推算出城市化水平對土地類型的影響程度及土地利用變化對城市化水平發展的敏感度，對于廣州、深圳、珠海、佛山這類耕地和建設用地與城市化水平相關性較弱的城市，將對主要影響因素進行深入分析。