城市化水平与耕地产能的时空耦合分析

——以浙江省68县市为例

王华1 李武艳2

（1．浙江财经大学东方学院，浙江 海宁314008;2．浙江财经大学，浙江 杭州310000）。

摘要：本文以经济发达地区浙江省为例，运用空间自相关模型、耦合协调度模型探讨2004年和2011年浙江省城市化水平与耕地产能之间的关系。结果表明：（1）浙江省城市化与耕地产能均呈现浙北较高，浙中及沿海县市次之，浙西南地区最低的格局。（2）浙江省县市级城市化存在显著的正向空间自相关关系，表现出空间集聚；县市级耕地产能也存在显著的正向空间自相关关系，表现出空间集聚。（3）浙江省县市级城市化与耕地产能之间存在正向空间相关关系。随着时间变化城市化与耕地产能的空间相关性提高。（4）浙江省县市级城市化与耕地实际产能的协调性较好，尤其是浙东南地区。研究结果可为优化经济发展与耕地资源保护提供新思路，能够为土地整理和推进城市化发展提供对策建议。

关键词：城市化；耕地产能；空间关系；浙江省

一、引言

耕地资源是人类赖以生存和发展的基础和条件，是国家粮食安全、经济发展和社会稳定的最根本保证。城市化是国家经济社会发展水平的重要标志，是实现现代化的必要途径。城市化过程中必然会占用大量耕地资源，城市化的快速推进造成耕地面积的减少已经成为不争的事实和难以逆转的趋势，但城市化水平的提高导致对农产品需求日益增加，致使城市化与耕地利用之间形成了强烈的矛盾，因此保证城市化与耕地产能协调是目前保证粮食安全的重要措施。从1978年到2015年，浙江省耕地面积在缓慢减少，而浙江省城市化水平由14.05%提高到65.80%，年平均增长1.4个百分点，从1999年至2005年浙江省城市化增速较快，年平均增长2.23个百分点，2015年高于全国城市化平均水平9.70个百分点。不仅如此，从1990年开始，浙江省城市化水平始终高于全国城市化水平。城市化进程仍在不断加快，这要求我们处理好城市化与耕地产能之间的关系，重视城市化对耕地产能的影响，在耕地面积逐渐减少的趋势背景下，协调粮食安全与城市化之间的关系，提高耕地资源利用效率，实现区域均衡增产，保障新型城市化建设与粮食安全战略协调发展，为制定县域城市化演进与耕地保护政策提供参考，有序推进新型城市化建设。

18世纪工业革命以后，城镇人口剧增，人们开始关注粮食问题，进一步关注耕地资源问题。1898年，英国学者E.Howard的《田园城市》表达出人类对保护城市生态环境的渴望；1962年美国学者R.Carson写了《寂静的春天》;1972年联合国教科文组织制定了“人与生物圈（MAB）”的研究计划，号召人类更加关注人与环境的关系。1990年，国外开始着重关注城市可持续发展及其生态环境评价，如Wackemagel和Rees的生态足迹法[1]、Odum的能值分析理论[2]。国外更多的是侧重土地退化成因及对策研究[3][4]。研究城市化与耕地资源领域类相关理论涉及经济学、生态学、地理学、环境科学与系统科学等学科，说明耕地资源具有有限性和稀缺性[5]。

20世纪70年代前后，国内学者开始积极探讨城市化与耕地以及生态环境的关系，呼吁全球关注中国的生态环境问题。国内学者对城市化与耕地资源领域的研究集中在以下几个方面：城市化对耕地数量的影响[6][7]；城市化对耕地质量的影响[8]；城市化水平与耕地压力的关系[9]；城市化水平与耕地资源生态服务价值的关系，也有少数人研究城市化对耕地占补平衡制度的影响[10]。研究方法中定量研究方法较多，多数采用长时间序列数据与截面时间数据结合回归分析等数学方法，拟合出对数线性方程、指数方程、一元二次线性方程以及多元线性方程等数学关系式，或者基于经济学边际理论[11]，采用相关分析方法、最佳拟合优度、协调度模型[12]以及回归分析模型[13]等探讨耕地资源变化与城市化进程之间的联系。城市化对耕地的影响，仍是地理学、经济学、环境学等方面学者关注的热点，并呈现以下特点：参与研究的学科更多，更加融合；研究内容更广，更加综合；更多研究理论被利用；多种研究方法被运用。城市化水平和耕地资源领域的研究向全面、系统方向发展，尤其是其方式、强度、机理及其发展规律。而关于城市化水平与耕地产能的空间关系的研究则相对较少。

二、数据来源及研究方法

（一）研究区及数据来源

浙江省属于经济发达地区长三角的重要区域。全省属于亚热带季风气候，雨热同期。全省地形地貌复杂多样，地市西南高，东北低，西南是山地，中部是丘陵和盆地，东北是平原。全省陆域面积10.54万平方公里，其中山地和丘陵占比最大，为70.4%。根据土地二调结果，全省人均耕地0.56亩，远低于全国人均耕地面积，故浙江省呈现出人地矛盾突出，耕地资源不足的现状。

基于统计数据的可获取性，本文以浙江省68个县市为基本单元。本研究城市化评价涉及12个指标，数据来源于2005和2012年浙江省统计年鉴以及各县市统计年鉴。本研究耕地产能主要数据来源于浙江省农用地分等调查结果，理论单产和可实现单产核算基于基础数据建立产能模型；实际单产以及影响因素的数据采用2005和2012年浙江省各市县统计年鉴耕地质量相关数据。

（二）耕地产能核算方法

浙江省耕地产能核算以分等成果为基础，依据耕地自然质量等指数、利用等指数分别核算理论产能和可实现产能，以县市行政区为研究单元，建立抽样单元耕地实际标准量和自然等指数、利用等指数的函数回归模型。理论产能的核算模型为：

式中，y＇为指定作物理论标准粮单产；Ri为分等单元自然质量等指数；a、b为回归系数值。

可实现产能核算模型为：

式中，y″为指定作物标准粮现实单产；Yi为分等单元利用等指数；c、d为回归系数值。

按式（1）、（2）求得各分等单元的年均理论单产和可实现单产，依据各个县域耕地分等单元面积进行加权平均，从而获取县域理论单产和可实现单产。实际单产是通过标准量换算系数计算出标准粮食产量。

（三）城市化评价方法

城市化评价从人口、经济、空间和社会四个角度选取了12个评价指标，分别是：非乡村人口比重、二三产业人口比重、人口密度、人均GDP、二三产业产值比重、人均财政收入、城镇密度、公路里程密度、城乡一体化程度、人均社会消费品总额、每万人中等职业学校及以上学历学生人数和每万人拥有医生数量。首先对数据进行标准化；其次用熵值法和主成分分析法分别计算指标权重；最后采取平均法求取综合权重，即得到城市化综合指标权重。

（四）空间自相关指数

本文采用空间自相关分析法[14]来分析城市化水平和耕地产能之间的空间相关性。该方法中的全局Moran's I指数的表达式如下：

式中，N为研究对象的数目，Xi 为观测值，为Xi的平均值。W（i, j）为实体空间连接矩阵，属于二值（0,1）空间权重矩阵。因为浙江省有些县市是完全独立分布的，因此本文空间权重采用了基于距离关系的方法，预先设定距离阈值L，若空间单元之间的距离小于或等于L，则Wij=1，否则Wij=0。

（五）耦合协调度

城市化和耕地产能之间存在一定的相关性，因此本文把城市化与耕地产能作为相互耦合的两个系统，用浙江省68个县市州面板数据，探索二者之间的协调关系。借用已有协调性分析成果[15]，本文的协调度模型为：

式中，X和Y分别为城市化水平和耕地实际单产的变化速度，Cxy为二者的协调度，Cxy的取值范围为[-1.414,1.414]。协调度的类型和特征为：Cxy=1.414表示协调；1.2≤Cxy＜1.414表示较协调；1.0≤Cxy＜1.2表示基本协调；0.8≤Cxy＜1.0表示调和；0.5≤Cxy＜0.8表示基本调和；0≤Cxy＜0.5表示勉强调和；-1.414≤Cxy＜0表示不协调。

三、数据分析

（一）耕地产能核算

在浙江省农用地分等成果的基础上，利用理论产能计算模型、可实现产能计算模型以及实际单产计算出2004年和2011年68个县市的理论产能、可实现产能和实际产能，表1仅列出各市市区的三类产能。

（二）城镇化评价

城市化评价根据选取的12个评价指标，通过数据标准化、熵值法和主成分分析法计算权重，再计算出综合权重（见表2）。

2004年到2014年的地级市城市化综合水平如图1所示。首先进行数据标准化，其次采用熵值法和主成分分析法分别计算指标权重；最后采取平均法求取综合权重，即得到城市化综合指标权重。

四、结果分析

（一）浙江省耕地产能时空演变格局

2004年至2011年浙江省耕地理论单产和可实现单产均有所下降，实际单产提升较大。浙江省耕地产能较高的地区主要分布在浙北（见表1）。随着时间变化，产能较低的地区有所变化。2004年浙江省理论产能低的地区主要位于浙西北安吉、磐安以及浙南泰顺等县市，其中安吉县理论产能最低，为13970kg/hm2；可实现产能低的地区位于浙南丽水以及浙东沿海宁海、三门县等地区，其中三门县最低，为13132kg/hm2；实际产能低的地区主要位于浙东南温州以及台州部分县市，其中温岭市最低，为6077kg/hm2。2011年理论产能低的地区向浙中集中，其中缙云县理论产能最低，为14572kg/hm2;2011年可实现产能低的地区空间分布没有明显变化，主要集中在浙南以及浙东沿海台州地区，其中丽水市区可实现产能最低，为12790kg/hm2;2011年浙江省耕地实际产能有所提升，耕地产能低的地区大幅减少，其中最低的地区为磐安县，为7645 kg/hm2。

（二）浙江省城市化时空演变格局

本文将城市化水平（purban）进程划分为：起步阶段（purban≤30%）、中期阶段（30%＜purban≤60%）、后期阶段（60%＜purban≤80%）和终期阶段（purban＞80%）。2004年浙江省县域城市化率整体偏低。86.96%的县域城市化处于起步阶段，13.04%的县域城市化处于中期阶段。城市化率最高的县市为杭州市区，城市化率为0.49，城市化率最低的县市为松阳县，城市化率为0.05。城市化率相对较高的区域分布在浙北地区和东南沿海地区的几个市区，城市化率在0.3以上；在城市化起步阶段的地区中，城市化相对较高的地区仍旧分布在浙北地区和浙西南沿海地区，浙中的金华市和义乌市的城市化率也较高。2011年68个县市中有3个地区进入城市化后期阶段，分别是杭州市区、绍兴市区和宁波市区，城市化率分别为0.66、0.65和0.61。33.33%的县市城市化水平处于中期阶段，62.32%的县市城市化水平处于起步阶段，比2004年降低了24.64个百分点。与2008年相比，2011年海盐县和洞头县等六县市从城市化起步阶段进入城市化中期阶段。2011年城市化率最高的县市为杭州市区，城市化率为0.66，城市化率最低的县市为庆元县、淳安县、景宁县，城市化率均为0.13。

（三）浙江省城市化与耕地产能的空间关系

1．城市化的空间自相关性分析

2004年综合城市化的Moran's I指数为0.4603，表明具有较强的空间自相关性。城市化率存在显著的正向空间自相关性，且表现出空间集聚性。通过分析空间集聚性（见表3），可以看出属于显著高-高类型的县市有10个，属于显著低-低类型的县市有8个，属于显著高-低类型和低-高类型的县市分别有1个，其他县市均不显著。2011年综合城市化的Moran's I指数为0.4560，与2004年相比表明具有较弱的空间自相关性。经过空间集聚性分析，属于显著高-高类型和低-低类型的县市个数分别为13和11，属于显著高-低类型的县市有1个，其他县市均不显著。对比2004年和2011年空间集聚性（见表3），显著高-高类型主要分布在浙北地区，2011年高-高类型在2004年的基础上退去了浙东沿海的乐清市，增加了浙北嘉善、平湖等4县市，浙北集聚性更加明显；2004年显著低-低类型主要分布在浙西南地区，2011年低-低类型增加了江山、文成、泰顺3县市，浙西南集聚性更加明显。浙北杭州湾地区属于浙江省经济发达地区，城市化水平处于后期阶段，经济发展具有一定的区域效应，因此空间自相关性变化不大，而空间集聚性更强。

2．耕地产能的空间自相关性分析

浙江省理论产能、可实现产能和实际产能均表现出显著的正向空间自相关性（见表4）。2004年和2011年可实现单产的全局空间自相关指数Moran's I值分别为0.7477和0.7217，在三类产能中具有最高的空间自相关性。2011年三类产能的空间自相关性均低于2004年，这表明随着时间的变化粮食产量与空间的关系有一定减弱。理论产能的空间自相关性较高主要是因为考虑了耕地的自然属性、地区耕作制度、光温降水，而可实现产能在理论产能相关因素的基础上考虑了耕地利用方式以及政策引导，因此具有较高的空间自相关性。

耕地实际产能更多地受到地区农业发展水平以及社会经济发展水平的影响，农业技术发达、农业投入高的地区耕地实际产能提高，同时经济快速发展的地区的粮食需求增大，浙北平原区历来属于浙江省经济发达地区，农业发展水平高，耕地实际产能高，台州、温州等地近年来经济发展迅速，沿海丘陵、平原的农业投入较大，耕地实际产能提升较快。因此相对理论产能和可实现产能，实际产能的空间自相关略小。此外，随着时间的变化三种类型耕地产能的空间自相关性均有所减弱，耕地产能的地区依耐性略有降低，其结果与地区政策、产业导向有关。

3．城市化与耕地产能的空间相关性

浙江省城市化与耕地产能存在正向空间相关性（见表5）。2011年的城市化与三类耕地产能的空间相关性比2004年要高。2004年城市化与可实现单产的空间相关性最高（Moran's I 值为0.4828）,2004年城市化与实际单产的空间相关性最低（Moran's I值为0.2972）。2011年城市化与可实现单产的空间相关性最高（Moran's I值为0.5114）,2011年城市化与实际单产的空间相关性最低（Moran's I值为0.3458）。

城市化与耕地产能在不同时期的空间相关性有差异。由表6可知，2004年城市化与实际单产的高-高地区主要分布在浙北杭州、德清、湖州等9县市，2011年该类型在原来基础上增加了绍兴市区和长兴县。2004年低-低区主要集中在浙东沿海地区宁海、临海、三门和浙南的泰顺、文成等9县市，2011年该区浙东沿海三门退去，增添了象山和仙居，浙南的景宁、文成和泰顺3县市退去。2004年低-高区集中在浙北的长兴、安吉、临安3县市，2011年长兴和临安2县市退去，增添了桐庐县。2004年高-低区集中的东南沿海的台州、温岭、瑞安等5县市，2011年该区除了瑞安市其余4县市均退去。总体上看，浙江省城市化与耕地产能呈现空间正相关性，且随着时间推移关联性增强，在空间上呈现出高-高地区在浙北集中，低-低地区在浙东集中。

（四）浙江省城市化与耕地产能的协调耦合性分析

2004—2011年浙江省城市化与耕地实际单产之间的关系主要有较协调、基本协调、调和和基本调和四种关系（见表7）。68县市中25县市属于较协调类型，大部分分布在浙东南地区，这些县市的城市化发展速度和耕地产能变化接近均衡，是浙江省城市化与耕地产能协调性最好的区域；31县市中的基本协调类型分布最广，分布在浙西南、浙中及浙北等县市，该区域中县市的城市化发展水平略高于耕地产能变化，二者是较理想的基本协调状态；10县市处于调和状态，较为零散地分布在浙中到浙北边界，该10县市的耕地实际单产都有所减少，但仍然保持在承载力的阈值内；浙北的平湖市和海盐县耕地实际单产减少较多，基本保持在承载力的阈值内，处于基本调和状态。浙江省没有城市化与耕地产能不协调的状态。

通过总结发现浙江省城市化与耕地产能的协调性较好的区域呈现出耕地产能较低且城市化水平较低，此外人均GDP相对较低、公路里程密度较低、城乡一体化程度较低、医疗设施及教育水平都相对较低，地处山区机耕面积较少，且种植结构单一。浙江省城市化与耕地产能的协调性较差的区域呈现出耕地产能很高，实际单产排名在68县市的25%以前，且城市化水平处于中期阶段。因此在日益加快城市化的脚步下需要思考与耕地产能的协调性问题。

五、结论与讨论

综合以上分析，本文得出如下结论：（1）浙北城市化水平较高，浙中及沿海县市次之，浙西南地区最低；呈现出以地级市市区为中心向四周散发的态势。浙江省耕地理论产能和可实现产能均表现出浙北高，浙中次之、浙西北和浙南低的格局，耕地实际产能呈现出由浙东北向南递减的空间分布格局。（2）浙江省县市级城市化存在显著的正向空间自相关关系，表现出空间集聚；县市级耕地产能也存在显著的正向空间自相关关系，表现出空间集聚。（3）浙江省县市级城市化与耕地产能之间存在正向空间相关关系。随着时间变化，城市化的空间自相关性降低；耕地产能的空间自相关性也降低；城市化与耕地产能的空间相关性提高。（4）浙江省县市城市化与耕地实际产能的协调性较好，没有不协调的县市。浙东南地区的协调性较好，浙北尤其是平湖市和海盐县处于调和状态。

我国城市化的脚步在逐渐加快，随着城市范围的不断扩张，用地类型发生变化，耕地资源数量受到影响，耕地产能属于耕地资源的重要方面。首先，制定城市化发展决策和耕地保护决策应注重区域影响力。要打破行政区划的界限，按照经济区划和耕地资源的客观规律，实现耕地的规模化经营，促进城市化水平与耕地产能协调发展。其次，探索城镇空间分布和研究城镇规模结构时应考虑耕地资源的协调性和承载力。最后，城镇化发展要与农业现代化同步，稳固农业根基，严守耕地保护红线，稳定粮食播种面积，确保粮食产量。因此，研究城市化与耕地产能之间的关系可为优化经济发展与耕地资源保护提供新思路，能够为土地整理和推进城市化发展提供对策建议，有助于实现可持续发展。

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