何媛婷，王石英，袁再健*，鄭明國，黃斌，梁晨

1. 四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610066；2. 廣東省科學(xué)院，廣東 廣州 510070；3. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室/廣東省面源污染防治技術(shù)工程中心，廣東 廣州 510650；4. 華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展發(fā)生了巨大的變化，農(nóng)用地面積持續(xù)減少，建設(shè)用地持續(xù)增加，其中珠江三角洲地區(qū)的表現(xiàn)尤為顯著（劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2014；劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2018）。1979—2009年，珠江三角洲城市化快速發(fā)展，建設(shè)用地擴(kuò)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(shè)用地呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（薛俊菲等，2012；黃瀅冰等，2017），其次是林地（徐進(jìn)勇等，2015；施利鋒等，2015）。近年來，許多學(xué)者就城市化引起的土地利用變化在經(jīng)濟(jì)、政策、人口、生態(tài)、環(huán)境等方面開展了廣泛而深入的研究。研究表明，城市化進(jìn)程中社會經(jīng)濟(jì)和政策變革是促進(jìn)城市土地利用變化的重要驅(qū)動因素（牟鳳云等，2007），城市化快速發(fā)展導(dǎo)致虹吸效應(yīng)，促使城市空間加速擴(kuò)展（藺雪芹等，2015），城市擴(kuò)展改變生態(tài)用地空間格局，對生態(tài)帶來負(fù)面影響（張騫等，2017），城市氣候和環(huán)境與土地利用變化密切相關(guān)，植被覆蓋區(qū)域與高溫呈負(fù)相關(guān)而與裸地則呈正相關(guān)（Xiong et al.，2012），基于土地利用與城市化相關(guān)性可以預(yù)測人口的增長（Liu et al.，2016），根據(jù)土地利用變化趨勢可預(yù)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(fā)展一直是人們所關(guān)注的焦點。城市化與土地利用變化之間存在密切的相關(guān)性，不同城市群建設(shè)用地動態(tài)程度（Cao，2014）及城市化對不同階段土地利用轉(zhuǎn)型的驅(qū)動因子（戈大專等，2018）存在差異；根據(jù)土地利用的驅(qū)動因素研究各類土地類型的動態(tài)變化和轉(zhuǎn)換過程（Yang et al.，2018），城市化進(jìn)程是城市發(fā)展過程中不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，城市迅速發(fā)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(guān)系，對土地利用變化的影響因素進(jìn)行比較，分析土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換以及其對城市化發(fā)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(jìn)行城市群間的對比及共性研究?；诖耍谋疽灾榻侵尥恋乩脭?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對2000、2005、2010、2015年4個時期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先，對珠江三角洲土地利用變化的趨勢進(jìn)行整體分析，其次，細(xì)化到各市進(jìn)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(guān)系，揭示各土地類型對城市化發(fā)展的敏感度，以期為珠江三角洲地區(qū)土地資源規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1.1 研究區(qū)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(nèi)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(fēng)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(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展最具活力的地區(qū)之一。

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

1.1.2 數(shù)據(jù)來源

本文高程數(shù)據(jù)（DEM，30 m×30 m）下載于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）；2000、2005、2010、2015年土地利用30 m柵格分類數(shù)據(jù)來源于于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn）土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，該分類系統(tǒng)從土地利用類型遙感監(jiān)測實用操作性出發(fā)，緊密結(jié)合全國縣級土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，在適用性方面具有其重要的現(xiàn)實意義（徐新良等，2012）；城市化水平計算數(shù)據(jù)來源于廣東省統(tǒng)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(tài)度”用土地利用在一段時期內(nèi)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(yīng)的某類土地利用類型變化速率。正值代表土地面積增加，負(fù)值反之，動態(tài)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(nèi)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(luò)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(luò)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(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，城市人口增多，根據(jù)實際情況，本文采用非農(nóng)業(yè)人口占比（P1）與非農(nóng)產(chǎn)值占總經(jīng)濟(jì)的比重（P2）的綜合指標(biāo)，對研究區(qū)的城市化水平進(jìn)行測算。P1和P2的權(quán)重分別為0.8、0.2，采用加權(quán)平均法得到城市化發(fā)展水平P（魯春陽等，2010）。

根據(jù)表1的判斷標(biāo)準(zhǔn)，可以分析研究區(qū)不同時間段的發(fā)展階段（陳永林等，2015）。

1.2.3 最大信息系數(shù)

最大信息系數(shù)（Maximum information coefficient，MIC）可以衡量雙變量之間的相關(guān)程度，與一般相關(guān)系數(shù)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(guān)關(guān)系（Zhang et al.，2014），MIC可由以下公式計算得出（David et al.，2011）：

表1 發(fā)展階段判斷標(biāo)準(zhǔn)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(lián)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(shù)據(jù)點數(shù)量，nx，ny分別是x軸、y軸各區(qū)的箱子數(shù)目。MIC值域為[0, 1]，當(dāng)變量MIC趨于1說明兩者之間存在相關(guān)性，MIC趨于0則兩者互相獨立。

1.2.4 彈性系數(shù)

彈性概念只要兩個變量之間存在函數(shù)關(guān)系，則可以用彈性系數(shù)來表示因變量對自變量變化的反應(yīng)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(shù)。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(shù)進(jìn)行絕對值處理，更易于比較說明，彈性系數(shù)無量綱，通過X（城市化水平）與Y（各土地類型）之間彈性系數(shù)大小反映土地利用變化對城市化水平發(fā)展的敏感度，土地利用類型的城市化彈性系數(shù)越大敏感度越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 珠江三角洲土地利用變化特征分析

根據(jù)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，耕地面積持續(xù)減少，建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，林地、草地、水體和未利用地面積變化不大；建設(shè)用地主要集中在珠三角中部地區(qū)，耕地主要分布于建設(shè)用地周邊，多數(shù)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(jié)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(tài)度Table 2 The proportion of land use types and Land use dynamics in the Pearl River Delta from 2000 to 2015 %

根據(jù)3個時段土地利用的動態(tài)度（表2）可知，建設(shè)用地在 2005—2010年期間變化程度大，擴(kuò)張速度快，另外2個時段建設(shè)用地的動態(tài)度相對保持緩慢增長狀態(tài)；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(yuǎn)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(shè)用地與耕地的變化成負(fù)相關(guān)，城市發(fā)展意味著人口的增多，促使建設(shè)用地的擴(kuò)張，導(dǎo)致其他類型的土地被侵占，在 2010—2015年期間建設(shè)用地的擴(kuò)張速率有效的得到控制，在此期間城市對未利用地的開發(fā)使用力度也得到提升。

從土地利用類型來看，建設(shè)用地占用最多的土地類型是耕地，林地次之，轉(zhuǎn)移面積逐年減少。利用 ArcGIS統(tǒng)計出珠三角不同時段的土地利用轉(zhuǎn)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(fā)生類型轉(zhuǎn)換的數(shù)量，變化率是土地類型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。建設(shè)用地變化是城市化發(fā)展最直觀的表現(xiàn)，珠三角在2005—2010年期間建設(shè)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(shè)用地最一致的土地類型，2000—2015年期間，耕地是建設(shè)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(fā)展進(jìn)程中，2005—2010年期間城市發(fā)展迅猛，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人口的增長可能是城市加速擴(kuò)張的重要因素；城市前期發(fā)展進(jìn)程中建設(shè)用地的擴(kuò)張最先占用周邊的耕地，在 2010年后建設(shè)用地擴(kuò)張速率減緩，耕地的占用得到控制，城市更加理性化的發(fā)展。

2.2 城市化與土地利用變化之間的關(guān)系

2.2.1 城市化水平與土地利用的相關(guān)性

從整體分析了珠三角地區(qū)土地利用變化情況，對珠三角土地利用變化進(jìn)行全面了解，將繼續(xù)對珠三角各市的城市化水平與土地利用變化進(jìn)行深入剖析。根據(jù)城市化水平的發(fā)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(jīng)濟(jì)高速增長的發(fā)展階段，步入2005—2010年期間大部分城市進(jìn)入穩(wěn)健發(fā)展?fàn)顟B(tài)，深圳、佛山、江門仍舊保持城市的快速發(fā)展，跨入2010年珠三角整體步入高質(zhì)量發(fā)展階段。

建設(shè)用地的變化是發(fā)展中國家一個城市發(fā)展水平的體現(xiàn)，根據(jù)珠三角整體土地利用變化已知建設(shè)用地在 2005—2010年期間變化率最大，城市化發(fā)展水平在 2000—2005年期間漲幅最顯著，在2005—2010年期間延續(xù)增長形勢，由于珠三角9市城市發(fā)展水平參差不齊，因此需要分門別類的對珠三角不同發(fā)展階段的城市，細(xì)致性的進(jìn)行城市化水平與土地利用變化的相關(guān)性分析。將各類土地類型與不同發(fā)展水平的城市逐一應(yīng)用式（4）計算兩者的相關(guān)性，分析結(jié)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(guān)性整體偏低，MIC值大于0.7的僅有建設(shè)用地、耕地和林地；B類城市建設(shè)用地、耕地和林地的MIC值大于0.9；C類城市建設(shè)用地和林地與城市化水平相關(guān)性相對較高，MIC值大于0.8。建設(shè)用地與城市化水平相關(guān)性最強，未利用地與城市化水平相關(guān)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(guān)性最強的 3類土地類型依次為草地＞耕地＞建設(shè)用地，耕地＞建設(shè)用地＞草地，建設(shè)用地＞林地＞耕地。

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

2.2.2 城市化水平發(fā)展過程各類土地利用敏感度

城市化水平發(fā)展導(dǎo)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(yīng)存在差異，土地利用變化與城市化水平的相關(guān)性只能說明它們之間存在關(guān)聯(lián)性，需要進(jìn)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(jù)所屬城市類型相關(guān)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(shù)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(fā)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(yōu)越的地理、交通條件在珠三角城市群中經(jīng)濟(jì)地位首屈一指，城市飛速發(fā)展的同時經(jīng)濟(jì)圈發(fā)展已經(jīng)趨向成熟，其中珠海較為特殊，在土地利用變化對城市化發(fā)展的敏感度達(dá)最低點前耕地敏感度最大，最低點后建設(shè)用地敏感度最大，草地最弱；廣州、深圳、佛山隨城市化發(fā)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(shè)用地敏感度相差不大，佛山的耕地、建設(shè)用地的敏感度小且先降低再增加。

B類城市屬于經(jīng)濟(jì)高速增長的代表城市，其中建設(shè)用地對城市化發(fā)展敏感度先降低后增加，耕地在城市跨入后期穩(wěn)定階段前的一段時期敏感度最低，城市進(jìn)入后期穩(wěn)定階段耕地對城市化發(fā)展敏感度逐漸增強，東莞草地對城市化水平發(fā)展敏感度先降低后增加再次重復(fù)，城市進(jìn)入后期穩(wěn)定階段敏感度持續(xù)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(wěn)定階段敏感度持續(xù)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(shè)用地對城市化發(fā)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(shè)用地、耕地的敏感度持續(xù)增加，江門建設(shè)用地和耕地敏感度先降低后增加在重復(fù)，林地對城市化水平的敏感度先減弱后增強?；葜莸母貙Τ鞘谢降拿舾卸戎饾u增大，城市化水平敏感度經(jīng)歷第一次低谷再次到達(dá)高峰值之前，林地對城市化水平敏感度高于建設(shè)用地，在此之后，建設(shè)用地對城市化水平敏感度持續(xù)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(shè)用地對城市化水平的敏感度偏高，佛山建設(shè)用地的變化對城市化水平發(fā)展幾乎沒有響應(yīng)，相較于其它3市佛山主要以民營經(jīng)濟(jì)為主，這一特殊情況可能與當(dāng)?shù)卣呋蚪?jīng)濟(jì)發(fā)展模式有關(guān)；B類城市中建設(shè)用地對城市化水平的敏感度高，東莞、中山的建設(shè)用地對城市化發(fā)展的響應(yīng)程度幾乎一致；C類城市建設(shè)用地對城市化水平的敏感度高，江門、肇慶、惠州的建設(shè)用地的變化對城市化發(fā)展的一直保持積極的響應(yīng)狀態(tài)；三類城市中B類城市建設(shè)用地與城市化水平相關(guān)性是最密切的，同時B類城市也是城市發(fā)展成長速度最快的，建設(shè)用地也是城市加速擴(kuò)張中最直接的結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）2000—2015年期間，珠三角土地利用類型發(fā)生明顯變化。從數(shù)量上看，建設(shè)用地增加1.75%，耕地減少2.66%，其他土地類型變化幅度??；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(shè)用地在2005—2015年期間擴(kuò)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(fā)，在2005—2010年期間，建設(shè)用地拓展力度大，土地利用動態(tài)度為4.21%；從變化的類型來看，建設(shè)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(xù)發(fā)展原則，占用耕地和林地的同時給予補給。

（2）不同發(fā)展階段城市的土地利用變化對城市化水平發(fā)展的響應(yīng)存在差異，其中建設(shè)用地是與城市化水平關(guān)系最密切的土地類型，其次是耕地。A類城市的耕地和建設(shè)用地變化與城市化水平相關(guān)性是三類城市中最弱的，表明城市發(fā)展成熟穩(wěn)定，城市建設(shè)受到當(dāng)?shù)貢r效性政策的影響和控制，更加重視城市可持續(xù)發(fā)展，對農(nóng)用地采取保護(hù)措施，未利用地的開發(fā)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(shè)用地受城市化發(fā)展影響大且敏感度持續(xù)增強，城市化進(jìn)程的加快，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和人口的快速增長，導(dǎo)致土地需求的逐步擴(kuò)大，建設(shè)用地的快速擴(kuò)張，在城市化水平最大階段時敏感度達(dá)到峰值，說明城市化發(fā)展是影響建設(shè)用地和耕地的關(guān)鍵因素；C類城市，建設(shè)用地逐年平緩增長，耕地緩慢減少，城市發(fā)展速度相對A、B類城市緩慢。

（3）建設(shè)用地的變化是最能反應(yīng)城市發(fā)展實況的外在表現(xiàn)形態(tài)，城市化發(fā)展水平越優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)增長越迅速，人口的虹吸效應(yīng)可能越嚴(yán)重，城市擴(kuò)張最先占用周邊耕地以及草地。發(fā)展中國家在城市發(fā)展經(jīng)濟(jì)攀升的進(jìn)程中都面臨著共同的土地利用問題，城市外擴(kuò)占用耕地，“不健康”的城市發(fā)展，存在許多隱患。珠三角城市群經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，2010年后城市發(fā)展得到控制，城市擴(kuò)張大幅度減緩，在經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長、城市化快速發(fā)展的背景下，城市擴(kuò)張速率減緩，說明政府對生態(tài)紅線的保護(hù)措施力度加大，城市用地受到了政府的干預(yù)和政策的保護(hù)，出臺了一系列城市發(fā)展用地與農(nóng)地利用、保護(hù)的相關(guān)政策，通過土地利用變化對珠三角城市化發(fā)展的響應(yīng)實情來看，珠三角受政策監(jiān)管城市與生態(tài)保持和諧的可持續(xù)理性化的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，但珠三角城市仍不斷成長經(jīng)濟(jì)持續(xù)攀升，現(xiàn)有的相關(guān)政策在未來城市負(fù)荷量達(dá)到臨界狀態(tài)時可能失效，需要及時的因?qū)嵵埔?、集約化發(fā)展，因此未來應(yīng)持續(xù)關(guān)注土地利用變化對珠三角城市化發(fā)展的響應(yīng)。本文主要分析了土地利用變化與城市化發(fā)展的關(guān)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(fā)展的敏感度，對于廣州、深圳、珠海、佛山這類耕地和建設(shè)用地與城市化水平相關(guān)性較弱的城市，將對主要影響因素進(jìn)行深入分析。