基于地理探测器的山东省土地城镇化时空演变及驱动因素
时间：2022-12-06 14:15:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘庆果，张煊赟，莫钧雄，孙丕苓，3
（1.曲阜师范大学 地理与旅游学院，山东 日照 276826；
2.重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 401331；
3.日照市国土空间规划与生态建设重点实验室，山东 日照 276826）
城镇化是伴随工业化发展，非农产业在城镇集聚和农村人口向城镇集中的自然历史过程，是人类社会发展的客观趋势，是国家现代化的重要标志。其中，土地城镇化是推动城市迈向现代化发展的空间载体［1］。改革开放以来，区域土地城镇化持续超前发展和无序蔓延，国土空间格局发生了剧烈变化，主要表现为建设空间持续快速扩张，自然生态空间不断萎缩，农业耕作空间格局不断发生重构［2］。进入21 世纪，我国工业化和城镇化进程加快，城镇建设用地快速扩张，城镇人口增加了近3.73 亿人，人口城镇化率提高到59.58%。城镇化作为土地利用变化的重要表现形式，推动农村人口向城镇地区集聚［3-5］。因此，厘清土地城镇化时空格局及驱动因素对促进我国新型城镇化建设具有重要意义。
目前，学术界对土地城镇化开展了大量研究，并取得了丰富的研究成果。众多学者基于不同的学科背景，从不同视角开展了土地城镇化研究，相关研究主要集中于土地城镇化水平测度［3，6-9］、土地城镇化时空格局变化及驱动因素［10-14］，以及土地城镇化与人口［15-19］、经济［20，21］、环境［22-25］等要素的耦 合协调关系等方面，研究尺度涵盖国家、区域、省域、市域、县域 等行政 单 元［1，5，7，18，26］。由 于 县 域 是 土 地 利 用 和管理最直接的操作层，是我国土地资源利用、管理和规划的最佳尺度，县域单元成为土地城镇化研究重点关注的研究尺度［27］。已有的土地城镇化研究主要采用综合指数法、面积比例法、探索性空间数据分析、相关分析、主成分分析、偏最小二乘法、空间回归、地理加权回归、耦合协调模型等方法模型进行土地城 镇 化 水 平 测 度 及 影 响 因 素 分 析［1，14，21，28，29］。其中，综合指数法、面积比例法、相关分析、主成分分析等方法操作较为简单，应用较为广泛。研究热点区涵盖长三角地区、东北地区、中部地区和环渤海地区等经济发展较好的地区。如：王富喜［16］综合运用加权求和法、弹性系数法和耦合协调度模型对山东半岛城市群人口—土地城镇化质量进行了测度与协调发展研究；
张凯煌等［14］运用熵值法和多层线性模型剖析了中国城市土地城镇化及多层级影响因素；
杨喜等［1］基于探索性空间数据分析法分析了我国中部地区土地城镇化时空特征及影响因素；
俞振宁等［28］运用ESDA—GWR方法探究了浙江省土地城镇化空间特征及影响因素问题。综上，土地城镇化时空变化的影响因素研究大多以线性分析和相关分析为主，而对土地城镇化时空变化影响因素的空间信息关注相对较少。
本文以山东省为例，运用全局自相关分析和地理探测器模型探讨了2000—2020 年山东省土地城镇化时空格局演变及驱动因素，以期为该省新型城镇化建设提供参考。
山东位于我国黄河下游的华北平原地区，地处34°22′—38°24′N、114°47′—122°42′E之间，东临渤海、黄海，与朝鲜半岛、日本列岛隔海相望，自北向南与河北、河南、安徽、江苏等省份毗邻，下辖17 个地市，包括137 个县（市、区），土地总面积156367.73km2（图1）。境内地势中部高、四周低，西南和西北部为低洼平坦，东部和东南部为缓丘起伏。全区地处温带季风气候区，年平均降水量为550—950mm，年均气温为11—14℃，雨热同期，是我国重要的农业生产基地。2020 年底，山东省总人口为10152.70 万人，实现GDP 73129 亿元。
图1 山东省研究区位Figure 1 Location of Shandong Province
2.1 数据来源与处理
本文采用的数据主要包括城镇建设用地和社会经济数据。其中：城镇建设用地（含城市用地、建制镇用地）通过地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）平台的2000 年、2010 年、2018 年Landsat TM/OLI遥感影像获取，Kappa系数超过0.80，能够满足研究的需要；
社会经济数据主要来源于对应年份的《中国县域统计年鉴》《山东省统计年鉴》和各地市统计年鉴、社会经济统计公报等，部分缺失数据采用邻近年份数据代替。为保持统计口径的一致性，对GDP、社会固定资产投资，社会消费品零售总额，第二、三产业产值，财政收入，财政支出，实际利用外商投资，出口额等进行平滑处理，以消除价格因素的影响，确保数据的可比性［20］。考虑到山东省行政区划的变迁，需要进行行政区域调整处理。本文以2018 年山东省县域行政区划为基础，对研究期内山东省行政区划进行调整。
2.2 研究方法
土地城镇化水平测度：运用县域城镇建设用地面积与县域总面积的比值表征土地城镇化水平。计算公式为［3］：
式中：LU 表示土地城镇化水平；
Su表示城镇建设用地面积；
Sa表示总面积。
空间自相关分析：空间自相关分析是检验某一空间要素或某一空间要素属性值的空间分布状况与其临近空间区域之间关联程度的方法。本文运用全局空间自相关分析方法（Global Moran′s I 指数）检验山东省县域土地城镇化水平在空间上是否聚集。计算公式为［28，29］：
式中：n 为山东省县区数量；
Xi与Xj分别表示县区i、j 的土地城镇化水平；
Wij为空间权重矩阵；
S2为土地城镇化水平的方差。Moran′s I 的取值范围为［-1，1］。若值为正，表明山东省县区土地城镇化呈现空间聚集；
若值为负，表明土地城镇化呈离散分布；
若值为0，则为随机分布。
采用局部空间自相关识别山东省土地城镇化的空间依赖性和异质性，计算公式为［30］：
影响因子指标选取：土地城镇化水平的空间格局及演变受到地理区位、社会经济因素和政策因素的综合影响。鉴于区域政策体制数据难以量化，参考已有研究［1，7，18，28，29］，结合土地城镇化发展实际，从地理区位、社会因素、经济因素等方面选择山东省县域土地城镇化时空差异的解释因子（表1）。本文以土地城镇化率为因变量，选取距最近地市中心距离、距最近交通道路距离表征地理区位条件；
社会因素方面，选择城镇人口密度表征人口规模；
经济因素方面，以人均GDP、地均固定资产投资额、人均社会消费品零售额表征经济发展水平，以第二、三产业比重表征区域产业结构，以地均地方财政收入、地均地方财政支出表征政府调控能力，以地均工业产值表征工业化水平，以地均外商投资、地均出口额表征开放水平。
表1 土地城镇化的驱动因素及其指标体系Table 1 Driving factor and its index system of land urbanization
（续表1）
地理探测器模型：运用地理探测器的因子探测和交互作用探测模块探测山东省县域土地城镇化的空间分异特性，并探测各驱动因素对土地城镇化空间分异的影响程度及各因子交互作用的影响程度。计算公式为［30，31］：
式中：q 为土地城镇化时空格局变化的决定力指标，取值范围为［0，1］，q 值越大，表明驱动因子对土地城镇化时空格局变化的影响程度越大；
h 为驱动因子的分类数；
N 为县域单元数；
σ2为各县域单元土地城镇化率的方差。交互探测类型可分为双因子增强、线性增强、非线性减弱、单因子非线性减弱和独立5 类。
3.1 时空变化特征
根据山东省县域土城镇化水平的综合测度结果，运用ArcGIS自然断裂点法将其划分高、较高、中等、较低、低5 个等级（图2）。2000—2020 年，山东省土地城镇化水平的等级分布呈现两极占比低而中间占比高的格局，不同等级城镇化水平差异显著。2000 年，山东省土地城镇化水平总体处于较低水平，土地城镇化处于高水平等级的县区占全省县区总数的5.11%，空间分布较为分散，主要分布于青岛市南区、市北区、李沧区和烟台芝罘区、济南历下区、潍坊奎文区、淄博张店区等地；
处于较高水平等级的县区占13.14%，主要分布于济南、淄博、潍坊、临沂、济宁、聊城等地市的市区和周边县域；
处于低水平等级的县区趋于山区、省域与市域边缘分布，主要分布泰沂山区、沂蒙山区、半岛丘陵地区和黄河三角洲地区。2010 年山东省土地城镇化水平得到一定程度的提高，土地城镇化高水平区向南部市区扩展，临沂罗庄区跃居高水平等级；
较高水平区向西北部扩展，城阳区、莱山区、环翠区、滨城区、高唐县等县区分别由中等水平提高到较高水平；
较低水平及以下等级区范围大幅缩减，呈现趋于沂蒙山区、半岛丘陵、黄河三角洲地区集中分布的态势。2020 年，山东省土地城镇化水平得到大幅提升，处于高水平等级的县区数量增加到19 个，高水平区向西北部、南部扩展，德州德城区、枣庄市中区和临沂河东区、兰山区等11 个地市辖区跃升高水平等级。较高水平区在聊城境内、济宁—菏泽和济南—淄博—东营交界地区集中连片分布；
较低及以下水平等级范围大幅缩减；
低水平区则趋于省域边缘和沂蒙山区集中分布。
图2 2000—2020 年山东省土地城镇化水平空间分布Figure 2 Spatial distribution of land urbanization in Shandng Province，2000—2020
3.2 时空格局演变特征
本文基于GeoDa095i软件计算出山东土地城镇化的Moran′s I 指数及检验结果。山东省土地城镇化全局空间自相关检验结果通过了显著性检验（Z >1.96，P ＜0.01），表明该省土地城镇化水平存在明显的空间关联性。2000—2020 年Moran′s I 指数由0.455 减小到0.320，呈下降趋势，表明山东省土地城镇化空间集聚态势逐渐减弱。
本文运用局部空间自相关模块计算2000—2020年山东省土地城镇化局域G*i指数，并绘制研究区土地城镇化水平空间集聚图（图3）。从图3 可见，2000—2020 年山东省土地城镇化空间极化现象显著，高—高集聚区不断扩展，并由青岛市区转至济南市区；
低—低集聚区持续收缩，趋于沂蒙山区和半岛丘陵地区集中分布。2000 年，土地城镇化高—高、高—低集聚区趋于市区分布，其中：高—高集聚区分布于青岛城阳区，高—低集聚区分布于环翠区和泰山区，低—低集聚区趋于沂蒙山区、半岛丘陵地区和黄河三角洲集中分布。2020 年，土地城镇化高值集聚区分布于济南市中区、天桥区和历城区，低值区分别于沂蒙山区、半岛丘陵地区形成两大低低集聚区，涵盖平邑县、蒙阴县、沂水县、沂源县、莱西市、海阳市、乳山市、栖霞市等17 县市，其他低—低集聚区零散分布于市域边缘的台儿庄区、临邑县和河口区。
图3 2000—2020 年山东省土地城镇化空间集聚Figure 3 Spatial pattern of land urbanization in Shandong Province，2000-2020
3.3 驱动因素分析
因子探测结果：本文运用地理探测器模型识别 山东省土地城镇化时空分异的关键影响因子，结果如表2 所示。从表2 可见，地理区位条件、社会因素、经济因素等方面的因子共同影响了山东省土地城镇化的时空分异特征。2000 年，各解释变量中地均固定资产投资的影响力居首位，表明固定资产投资是促进土地城镇化时空分异的主要驱动力。城镇人口密度、地均地方财政收入和地均地方财政支出分列第二、三、四位，其q 值分别为0.377、0.338、0.313，超过0.3 且通过1%显著性水平检验，表明人口规模与政府调控能力对土地城镇化时空分异具有重要驱动作用。此外，距最近地市距离，第二、三产业比重，地均外商投资，地均出口额，人均GDP，地均工业产值的q 值分别为0.295、0.272、0.250、0.189、0.164、0.116，通过1%显著性水平检验，表明经济区位、产业结构、开放水平、居民收入水平和工业发展水平对土地城镇化时空分异具有一定影响。地均社会消费品零售额和距最近交通道路距离解释能力较弱，未通过显著性检验。2010 年，各解释变量中城镇人口密度的影响力跃居首位，其 q 值提升至0.512。地均地方财政支出、地均固定资产投资额、地均地方财政收入分居第二、三、四位，其q 值分别为0.427、0.390、0.389，通过1%显著性水平检验，表明随着政府调控能力的增强和投资水平的提高，促进了城镇建设用地的快速扩张。此外，距最近地市距离，第二、三产业比重，地均外商投资额，地均出口额，地均工业产值，人均社会消费品零售额等解释变量通过1%显著性水平检验，而距最近交通道路距离解释能力较弱，未通过显著性检验。2020 年各解释变量中城镇人口密度的影响强度大于其他解释变量，其q 值提升至0.583。随着城镇化进程中教育、医疗等公共服务设施的完善，吸引了大量乡村人口流向城市，以寻求更好的就业、教育和医疗服务，人口规模的增长带动了城镇扩张。第二、三产业比重，地均地方财政收入，人均社会消费品零售额的影响力度跃居第二至四位，其q 值分别为0.532、0.526、0.468，通过1%显著性水平检验，表明产业结构升级、政府调控能力提升和居民消费水平提高是拉动城镇化进程的重要动力。距最近地市距离、地均地方财政支出、地均出口额、地均固定资产投资额、地均外商投资、地均工业产值等驱动因子通过了1%显著性水平检验，距最近地市距离、人均社会消费品零售额、地均出口额的影响强度增长较快，表明近10年山东省城市辐射带动、居民消费与出口拉动对促进土地城镇化水平提升作用显著。
表2 山东省土地城镇化时空分异的驱动因素探测结果Table 2 Detection results of driving factors of land urbanization spatial- temporal differentiation in Shandong Province
总体来看：2000—2020 年人口规模与政府调控能力是影响土地城镇化的主要驱动因子，城镇人口数量增长对城镇居住、商服、基础设施等用地需求的增加带动了城镇用地持续扩张；
经济发展水平与产业结构对土地城镇化的影响程度不断增强，消费是拉动经济增长的主要动力；
地均固定资产投资额对土地城镇化的影响强度逐渐下降，表明山东省土地城镇化对投资的依赖程度有所降低。
交互探测结果：山东省土地城镇化时空分异的驱动因子交互探测结果如表3 显示，驱动因子交互作用呈现双因子增强和非线性增强效应。2000 年，驱动因子交互表现为双因子增强关系的占48.48%。城镇人口密度∩人均社会消费品零售额交互影响最强，q 值为0.865；
人均GDP∩地均固定资产投资、人均社会消费品零售额∩地均地方财政收入交互影响较强，q值分别为0.854、0.850。此外，人均GDP 与产业结构、政府调控能力、工业发展水平方面因子的交互影响程度均达到0.8 以上，表明双因子交互作用对土地城镇化时空分异的影响程度增强。2010年，驱动因子交互作用呈双因子增强关系的占80.30%。城镇人口密度∩地均地方财政支出交互影响最强，q 值为0.710；
城镇人口密度∩地均外商投资、距最近交通道路距离∩城镇人口密度交互影响较强，q 值分别为0.672、0.638，表明城镇人口规模与外商投资水平、交通区位条件的协同作用有助于促进土地城镇化水平的提升。2020 年，驱动因子交互作用呈双因子增强关系的占74.24%。城镇人口密度∩地均出口额、城镇人口密度∩人均社会消费品零售额的交互影响最强，q 值分别为0.824、0.814，表明这一时期城镇人口规模与外向型经济发展、居民消费水平的协同作用是区域经济发展的重要驱动力，推动城镇建设用地扩张。综上，2000—2020年驱动因子两两交互对土地城镇化时空分异呈现双因子增强和非线性增强效应。
表3 驱动因子交互作用探测结果Table 3 Interaction detection results of natural factors
本文基于遥感监测、社会统计等多源数据，运用空间自相关分析和地理探测器模型分析了2000—2020年山东省土地城镇化时空格局演变及驱动因素，主要结论如下：①2000—2020 年，山东省土地城镇化总体处于中等和较低水平，高水平和低水平等级的县区占比较低，较高水平和中等水平、较低水平等级的县区占比较高。期间：山东省县域土地城镇化水平差异扩大，极化显象显著。其中：高水平县区数量比例增大，呈现向西北部、南部市区扩展的态势，集中分布于青岛、潍坊、淄博、济南、临沂等地市的市区；
较高水平由西南向东北扩展，趋于市区周边和交通沿线地区分布，集中分布于聊城、菏泽、济宁境内和济南、淄博、东营交界地区；
较低及以下水平等级范围大幅缩减，相关县区趋于沂蒙山区、半岛丘陵地区和黄河三角洲沿海地区集中分布。②2000—2020年，山东省县域土地城镇化水平空间集聚特征显著。局部空间格局特征以低—低集聚为主，以高—低集聚和低—高集聚为辅，其演变特征表现为高—高集聚区不断扩展，并由青岛市区转至济南市区；
低—低集聚区持续收缩，趋于沂蒙山区和半岛丘陵地区集中分布，涵盖平邑县、蒙阴县、沂水县、沂源县、莱西市、海阳市、乳山市、栖霞市等县市。③山东省土地城镇化水平受地理位置、人口规模、经济发展水平、政府调控能力、工业发展水平、开放水平等因素的共同影响，城镇人口密度，地均地方财政收入，地均固定资产投资额，地均地方财政支出，第二、三产业比重，距最近地市距离，地均出口额，地均外商投资，人均社会消费品零售额，地均工业产值和人均GDP是影响土地城镇化水平的重要驱动因子。地理区位、人口规模、产业结构、政府调控能力、工业发展水平、开放水平等因素对土地城镇化空间分异的影响增强，人均GDP 和地均固定资产投资的影响减弱。各驱动因子的交互作用对土地城镇化时空分异呈现双因子增强和非线性增强效应。
本文基于县域尺度，运用GIS 空间分析和地理探测器模型探讨了2000—2020 年山东省土地城镇化时空格局演变特征及影响因素，有助于厘清快速城镇化背景下区域城镇土地利用的变化趋势及动力机制。运用地理探测器模型探究土地城镇化时空分异的驱动因素，可以有效探究土地城镇化驱动因素之间的相互作用机理。从县域城镇面积和人口规模的影响来看，山东省土地城镇化水平在未来一定时间内仍将持续提高。随着生态文明建设与粮食安全保障战略的实施，资源环境约束日益增大，山东省土地城镇化建设应合理引导人口集聚，严格控制土地增量，盘活土地存量，实现集约化和紧凑化发展道路。经济基础较好的县区应加强存量土地探潜，推进城镇化建设由增量扩张向存量发展转变；
经济基础较薄弱的县区应充分利用地方资源禀赋，培育特色优势产业，推进产业结构升级。本研究尚存着不足，有待进一步完善。鉴于数据的可获得性和操作性，进行土地城镇化驱动因素分析时仅选取地均地方财政收入与支出表征财政发展变化对土地城镇化水平的影响也是值得深入探讨的问题。
