基于STIRPAT模型的昌吉市建设用地空间布局及社会经济驱动力分析

段建峰+高敏华

摘要：隨着城乡建设用地空间扩展与土地资源局限性矛盾的日益突出，开展城乡建设用地布局优化研究显得极为重要。针对新疆昌吉市建设用地扩展现状，利用建设用地审批矢量数据，运用GIS统计分析功能和空间分析功能，对昌吉市建设用地扩展数量特点及空间分布特征进行分析，并在此基础上利用STIRPAT模型对建设用地扩展的社会经济驱动因子进行定量分析。结果表明，①昌吉市建设用地扩展速度与强度在2010-2011年呈现增加趋势，2011-2015年呈现下降趋势；②建设用地扩展的空间分析得出，四、五、六及十方向扇区建设用地发展指向性较突出，表明建设用地发展空间布局的区域指向性特征较明显；③国内生产总值是建设用地扩展的最主要驱动因子，全社会固定资产投资、城镇人均可支配收入、农牧民人均纯收入、第二产业贡献率与建设用地的扩展也有明显的相关性。研究表明，采用等扇分析方法与STIRPAT评价模型可以清晰刻画出不同扇区建设用地变化规律及其与各驱动因子间相互契合程度，对未来较好地实现土地资源集约优化利用和经济可持续发展有一定的指导意义。

关键词：建设用地；空间布局；STIRPAT模型；驱动因子；昌吉市

中图分类号：F301.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）17-3391-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.17.050

Spatial Distribution of Construction Land in Changji and Analysis of Socio-economic Driving Force——Based on STIRPAT Model

DUAN Jian-feng， GAO Min-hua

（Xinjiang University， College of Resource and Environment Science/Key Laboratory of Oasis Ecology， Urumqi 830046，China）

Abstract： With increasingly prominent contradiction between the spatial expansion of urban-rural construction land and the limitation of land resources， the layout optimization of urban-rural construction land is extremely important. According to the present expansion situation of urban-rural construction land in Changji city of Xinjiang， with application of the construction land approval vector data， and using the statistical analysis and spatial analysis function of GIS， the quantity characteristics and spatial distribution features of construction land expansion in Changji were analyzed， and on this basis an quantitative analysis was made on the socio-economic driving forces of the construction land expansion with STIRPAT model. The results showed that： ①the expansion speed and strength of construction land in Changji city increased in 2010-2011 and decreased in 2011-2015. ②the spatial analysis of construction land expansion concluded that the construction land in four， five， six and 10 sectors had prominent development directivity， indicating obvious regional directional features for developing spatial layout of construction land. ③GDP was the main driver of construction land expansion， the total fixed asset investment， urban per capita disposable income， per capita net income of farmers and herdsmen， contribution rate of the second industry had significant correlation with the construction land expansion. Studies concluded that the use of fans analytical method and STIRPAT evaluation model clearly depicted the mutual matching degree between the variation rule of construction land in different sectors and each driving force， the conclusion would be instructive for better realizing the intensified and optimized use of land resources， and the economic sustainable development.endprint

Key words： construction land； spatial layout； stochastic impacts by regression on population，affluence and technology model； driver； Changji city

中国正处于经济快速发展、城市化、工业化高速推进时期，城市化和工业化的发展对城市建设用地的扩张起着刚性制约作用，农用地与建设用地的消长矛盾日渐突出[1-3]。因此，研究城市建设用地的空间发展布局、优化建设用地结构，对于土地集约优化利用和促进城市经济的可持续发展，具有十分重要的意义。

目前，国内学者对城市建设用地空间扩展特征及驱动因素研究，主要利用RS技术对遥感影像进行解译，运用GIS软件强大的空间数据处理功能对解译数据进行处理，以厦门、辽宁、池州、重庆等城市为研究区开展了城市扩展的时空特征研究，并结合各个城市的社会经济发展状态对其驱动力进行分析[4-7]；还有一些学者运用景观生态学斑块理论分析了土地利用布局情况，也从另一方面推动了城镇建设用地扩展的研究[8]。自2005年乌昌一体化以来，乌昌两地经济得到蓬勃发展，伴随着经济快速增长的同时，社会经济发展对土地资源的需求量也在进一步加大，土地资源的供给与需求矛盾日益突出[9]。因此，建设用地空间扩展研究成为城市发展规划的重要研究内容[10-13]。本研究基于新疆昌吉市建设用地审批台账及相应矢量数据，利用GIS空间分析功能，对昌吉市2010-2015年建设用地空间扩展数量及空间变异特征进行分析，并在此基础上利用STIRPAT模型对建设用地扩展的社会经济驱动因子进行定量分析，旨在为昌吉市建设用地发展提供科学依据，为城市建设与发展政策的制定提供科学参考。

1 研究区概况

昌吉市地处亚欧大陆中心的天山北麓、准噶尔盆地南缘，整个地势为南高北低，呈阶梯状，属中温带区，为典型的大陆性干旱气候。东邻乌鲁木齐市，西毗呼图壁县，南与新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县相接，北与新疆塔城地区和布克赛尔县、阿勒泰地区福海县接壤。南北长260 km，东西宽30 km，地理位置处于东经86°56′15″-87°33′45″，北纬43°50′00″-44°25′00″（图1）。昌吉市下辖8镇、2乡、6个街道办事处和1个国家级高新技术产业开发区、1个国家级农业科技园区，境内有新疆生产建设兵团农六师所辖103团、105团、军户农场、共青团农场、农十二师所辖的104团。土地总面积722 710.24 hm2，截至2015年末常住人口达到37.14万人。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究选取的数据包括2010-2015年昌吉市历年审批的建设用地矢量图斑及属性，均来自昌吉市国土资源局，数据真实可靠。社会经济数据来自昌吉市国民经济和社会发展统计公报。

2.2 研究方法

为全面反映昌吉市建设用地扩展的时空特征，选择等扇分析方法，以建设用地扩展速度、强度指数来反映2010-2015年昌吉市空间扩展特征。同时选取一定社会经济数据作为影响因子，运用STIRPAT模型构建昌吉市建设用地扩展驱动因子计量模型，基于构建的模型对昌吉市建设用地扩展的驱动因素进行定量分析。

2.2.1 等扇分析方法 为分析城市建设用地扩展的各向异性，采用等扇分析法。即以研究区的中心为圆心，选取适当半径将研究区划分成若干规则扇形区域，与2010-2015各年审批建设用地矢量图斑进行GIS叠加，统计落在各个扇区内的图斑面积。

2.2.2 建设用地扩展速度、强度指数 为全面度量建设用地空间扩展变化，选取建设用地扩展速度、强度指数进行定量分析，扩展速度、强度指数用于分析和描述研究区建设用地扩展状态，能够比较每年在不同方位建设用地扩展的强弱、快慢和趋势[14，15]。扩展速度指数与强度指数的表达式分别为：

式中，V表示建设用地扩展速度指数；R表示建设用地扩展强度指数；Sa、Sb分别表示a、b时期建设用地总面积；T表示a到b时段的时间跨度。

2.2.3 STIRPAT随机回归模型 STIRPAT随机回归模型是多变量非线性模型，具体形式为：

I=aPbAcTde （3）

式中，I表示环境压力，P、A、T分別代表人口数量、富裕度和技术；b、c、d分别为人口数量、富裕度和技术等驱动因素的指数；a为模型系数；e为模型误差项；该模型是定量分析人文驱动因素对环境压力影响程度的重要方法，基于具体问题被广泛应用在各个领域[16-18]。借鉴前人的研究，选取国内生产总值、总人口数、社会固定资产投资、农牧民人均纯收入、城镇人均可支配收入、第二产业贡献率、第三产业贡献率、城市化率作为驱动因子，构建定量分析昌吉市建设用地扩张驱动因素的计量模型，公式为：

公式（4）中，Y表示建设用地面积，a为常数，D为国内生产总值，P为总人口数，I为社会固定资产投资，R为农牧民人均纯收入，U为城镇人均可支配收入，S为第二产业贡献率，T为第三产业贡献率，C为城市化率，e为模型随机项，b1-b8为各驱动因素弹性系数。在实际应用中为了较好地解决异方差性和多重共线性问题，对公式（4）等式两边取对数，即为公式（5）。

3 建设用地扩展的变化特征

3.1 数量特征

由图2可以看出，2010年昌吉市建设用地面积为19 555.39 hm2，到2015年建设用地增加到24 359.69 hm2，建设用地共增加4 804.30 hm2，总体上昌吉市建设用地面积在持续增加，而建设用地扩展速度、扩展强度则是呈现先增加后减少的趋势。2010-2011年昌吉市建设用地扩展速度、强度呈增加趋势，建设用地总量大幅增加，1年内共增加建设用地1 552.25 hm2，占5年总增量的45.66%（扩展贡献率），属于建设用地快速扩展阶段。2011-2015年昌吉市建设用地扩展速度、强度呈下降趋势，表现在建设用地增加量呈下降趋势，其中2011-2012年增加了1 365.52 hm2，2012-2013年增加了865.49 hm2，2013-2014年增加了659.45 hm2，2014-2015年增加了361.59 hm2， 4年内共增加建设用地3 252.05 hm2，占5年总增量的54.34%（扩展贡献率），属于建设用地缓慢扩展阶段。endprint

3.2 空间特征

为了更好地分析昌吉市建设用地扩展的空间分布特征，本研究采用等扇分析方法，以2009年建设用地矢量图为基础，利用ArcGIS软件空间分析功能计算出建设用地包络矩形的中心，将该中心作为扇形的原点，建立12个等扇区，并将该扇区图层与建设用地矢量图层进行叠置分析，按年份统计落入各扇区内的建设用地面积，利用城市建设用地扩展强度公式计算出建设用地扩展强度指数，具体见表1。

由图3b可以看出，2010-2015年，昌吉市建设用地面积有2个相对明显峰值，分别出现在扇区六、扇区十，且在图3a上2个区明显向外围突出。12个扇区建设用地面积表现出以下特征：①2010-2011年，扇区一至扇区四建设用地面积整体表现为平稳增长趋势，在扇区四形成波峰。扇区五建设用地面积有下降趋势，扇区六建设用地面积有快速增加趋势，扇区七至扇区十二建设用地面积呈先下降后平稳趋势。②2012-2013年，扇区一至扇区五建设用地面积整体为平稳增长，在扇区五形成波峰。扇区六至扇区七建设用地面积呈快速下降趋势。扇区八至扇区十二建设用地面积呈现先增加后减少的趋势，并在扇区十形成小波峰。③2014-2015年，各个扇区建设用地面积变化趋势与2012-2013年大致相同，不同之处在于变化的趋势强于前两年。

3.2.1 指向特征突出 昌吉市建设用地扩展空间指向性特征明显，从建设用地面积扇区图来看，建设用地面积在扇区四、扇区六、扇区十上比较突出，而在其他扇区建设用地面积表现得不是特别突出。

扇区四近五年建设用地增量为828.99 hm2，扇区五近五年建设用地增量为808.20 hm2，扇区六近五年建设用地增量为1 547.30 hm2，3个扇区建设用地面积增量占总增量的53.21%。指向突出原因在于扇区四、扇区五、扇区六正对乌鲁木齐方向，受区域经济影响，昌吉市建设用地空间发展在此区域指向特征突出；此外昌吉市中心处于扇区五，中心城区建设用地面积每年都在发生变化，建设用地面积也受此因素影响。扇区十近五年建设用地面积增量为1 095.95 hm2，占总增量的18.31%，指向突出原因在于此区与呼图壁县相邻，区域经济对该区建设用地空间分布产生一定影响。

3.2.2 圈层式发展特征突出 昌吉市建设用地扩展圈层式发展特征也较明显，围绕特定扇区指向呈圈层式发展，在扇区图上表现出以特定方向为轴向建设用地面积逐年呈现递推增长趋势，而其他扇区建设用地圈层式发展则表现的不明显。

从昌吉市建设用地扇区面积图上可以看出，扇区四、扇区五、扇区六近五年建设用地面积呈圈层式逐年递增，扇区四年平均增长151.83 hm2，扇区五年平均增长108.27 hm2，扇区六年平均增长299.80 hm2，由此可见扇区六平均增长最高，扇区图上表现为圈层间隙较大，圈层式发展较明显。扇区五年平均增长较低，扇区图上表现为圈层间隙较小，圈层式发展较扇区六不明显。由于扇区四、扇区五、扇区六在空间上相邻，所以扇区图上圈层式发展在空间上表现得较为连续，特点也更为突出。扇区十年平均增长210.56 hm2，其中2010-2013年平均增长350.69 hm2，2014-2015年平均增长0.37 hm2，在扇区图上表现为前三年圈层间隙较大，后两年圈层间隙不明显的特点。其他扇区的年平均增长值都较低，在扇区图上表现为圈层间隙较小，但总体上也是呈现圈层式发展的趋势。

4 建设用地扩展驱动因素分析

城市建设用地的扩展受自然与人文双重因素的制约，自然因素对建设用地扩展的影响相对比较稳定，而人文因素对建设用地扩张的影响比较灵活多变，并成为许多学者主要的研究方向。在分析昌吉市建设用地空间分布的基本情况下，借鉴已有指标选择方案[16]，选取国内生产总值、总人口数、全社会固定资产投资、城镇人均可支配收入、农牧民人均纯收入、第二产业贡献率、第三产业贡献率、城市化率作为昌吉市建设用地扩展驱动因素。以上驱动因素数据均来自2010-2015年昌吉市國民经济和社会发展统计公报。借鉴STIRPAT模型，结合本研究选取的驱动因子，构建定量分析昌吉市建设用地扩展驱动因子计量模型，结果见表2。

4.1 驱动因子相关性分析

根据选取的驱动因素生产总值、总人口数、全社会固定资产投资、城镇人均可支配收入、农牧民人均纯收入、第二产业贡献率、第三产业贡献率、城市化率，将数据利用SPSS 19.0软件进行相关性分析，得到各驱动因素与建设用地总面积之间相关系数及显著性关系（表3）。从表3可以看出，在备选驱动因子中，国内生产总值（D）、全社会固定资产投资（I）、城镇人均可支配收入（R）、农牧民人均纯收入（U）、第二产业贡献率（S）与城市建设用地面积（Y）具有较高的相关性，且显著性水平在1%以下。而总人口数（P）、第三产业贡献率（T）、城市化率（C）与建设用地面积（Y）相关系数不高，甚至表现出负相关，显著性水平高于1%，故剔除。备选的国内生产总值、全社会固定资产投资、城镇人均可支配收入、农牧民人均纯收入、第二产业贡献率可作为建设用地扩展驱动因子。

4.2 驱动因子边际贡献测度

为了数据之间具有可比性，对驱动因子进行标准化处理，得到ZD、ZI、ZU、ZR、ZS，将标准化处理后的数据运用主成分分析法得到相关系数及显著水平矩阵（表4）。

对驱动因素国内生产总值（ZD）、全社会固定资产投资（ZI）、城镇人均可支配收入（ZU）、农牧民人均纯收入（ZR）、第二产业贡献率（ZS）进行分析与筛选可知，可提取一个主成分，以F1（综合变量）来表示，该主成分可解释原变量的95.935%，且显著性水平Sig<0.01。由提取的主成分系数建立综合变量F1与其他5个驱动因子的关系，得到：

F1=0.999ZD+0.987ZI+0.994ZU+0.992ZR+0.923ZSendprint

（6）

根据式（6），将建设用地扩展面积作为因变量，F1作为解释变量，运用最小二乘法进行回归拟合。由表5可知，r2为0.939，f值为61.768，t检验的Sig<0.01，说明拟合度很好。可得综合变量F1与因变量ZY之间的方程式：

ZY=0.969F1 （7）

ZY=0.968ZD+0.956ZI+0.963ZU+0.961ZR+0.894

ZS+β （8）

由式（8）可得到昌吉市建设用地扩展驱动因子计量模型：

Y=aD0.968I0.956U0.963R0.961S0.894e （9）

4.3 结果与分析

4.3.1 影响因素定性分析 由驱动因子弹性指数可以看出，国内生产总值对城市建设用地扩展影响最大，昌吉市2015年国内生产总值较2010年增长212.33亿元，增长幅度是2010年国内生产总值的1.19倍，国内生产总值的迅速增加直接推动了建设用地的扩展。

大型工业园区及高科技产业园区的发展奠定了昌吉市建设用地空间形态基础。截至2015年末，大型八钢工业园区、闽昌工业园区，榆树沟高新技术产业园区、国家农业科技园区的落地直接影响着昌吉市建设用地的扩展方向和空间形态的演化。

4.3.2 影响因素定量分析 昌吉市2010-2015年城市建设用地扩展的驱动因子国内生产总值、全社会固定资产投资、城镇人均可支配收入、农牧民人均纯收入、第二产业贡献率弹性指数分别为0.968、0.956、0.963、0.961、0.894，表示当国内生产总值每增加1%时建设用地面积将增加0.968%，当全社会固定资产投资每增加1%时建设用地面积将增加0.956%，当城镇人均可支配收入每增加1%时建设用地面积将增加0.963%，当农牧民纯收入每增加1%时建设用地面积将增加0.961%，当第二产业贡献率每增加1%时建设用地面积将增加0.894%。

5 结论

以昌吉市2010-2015年建设用地审批矢量数据及社会经济发展统计数据为基础，依据等扇分析法对昌吉市近5年来建设用地扩展进行数量变化测度与空间布局分析。基于STIRPAT模型构建昌吉市建设用地扩展驱动因子计量模型，得出如下结论。

1）昌吉市建设用地发展布局特点表现在数量变化和空间分布两方面。

数量变化特点表现在2010-2015年昌吉市建设用地扩展数量特征为总面积呈增加趋势，而建设用地扩展速度、扩展强度则是呈现先增加后减少的趋势。2010-2011年建设用地的扩展速度与扩展强度占5年总增量的45.66%，属于快速发展阶段；2011-2015年建设用地的扩展速度与扩展强度占5年总增量的54.34%，属于缓慢扩展阶段。

空间分布特征表现在2010-2015年昌吉市建设用地扩展空间特征为扩展指向性和圈层式发展，受区域经济的影响，建设用地扩展指向性表现在扇区四、扇区六、扇区十方向建设用地面积扩展速度快，其他扇区建设用地面积扩展速度比较缓慢。圈层式发展依附于指向性，具体表现在指向性突出的区域圈层式发展也较明显，反之，则不明显。

2）研究选取的对昌吉市建设用地扩展的驱动因子有国内生产总值、全社会固定资产投资、城镇人均可支配收入、农牧民人均纯收入、第二产业贡献率。当国内生产总值、全社会固定资产投资、城镇人均可支配收入、农牧民人均纯收入、第二产业贡献率，这些驱动因子每增加1%时，建设用地面积将分别扩展0.968%、0.956%、0.963%、0.961%、0.894%。由于昌吉市近5年里每年人口数量、第三产业贡献率与建设用地面积相关性不大，甚至表现出负相关，故沒有对建设用地的扩展产生一定的正面促进作用。此外，城市化率的指标是以人口数量来度量的，而昌吉市人口数量并未表现出明显的增长特点，所以无法得到人口与建设用地扩张之间的直接驱动关系。

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