鄭新奇 薛春璐 王 偉 杜 娟
(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院,北京100083;2.中央財經大學政府管理學院,北京100081;3.黃河水利委員會山東黃河河務局,山東濟南250011)
中國城市用地增長極限規模測算
鄭新奇1薛春璐1王 偉2杜 娟3
(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院,北京100083;2.中央財經大學政府管理學院,北京100081;3.黃河水利委員會山東黃河河務局,山東濟南250011)
快速城市化出現的城市建設用地擴張問題,受到人們廣泛關注,借鑒發達國家經驗,我國需要測算一個極限區間值進行自上而下的總量控制,以促進最嚴格耕地保護制度和節約用地制度的落實。但是如何測算這個極限規模一直沒有得到很好解決。本文提出了一個常規方法組合和關鍵指標相結合的技術思路來嘗試解決這個問題。研究首先對城市用地擴展規模的影響因子進行了分析,討論了城市人口數量和GDP分別與建成區面積相關性,確定了城市人口數量對建成區面積影響更大;在此基礎上,采用邏輯斯蒂模型,依據我國1950-2010年經濟數據,對城市化水平進行預測;用自回歸分布滯后模型,依據1951-2010年全國人口數據對未來人口規模進行預測,并分為三個方案對結果進行了討論;最后按照城市用地分類與規劃建設用地標準,以節約集約用地為原則,將人均城市用地規模取值控制在65.0-115.0 m2,計算城市用地擴展極限規模。結果表明,到2045年,中國的城市化預測水平為79.99%,在中國人口增長控制較好的情況下,人口規模將達到14.97億人,城市用地擴展規模為77 857.38-137 747.70 km2;若中國人口達到有關研究的預測峰值16億人,中國城市化水平穩定在80%,城市用地擴展極限規模將會是83 200.00-147 200.00 km2。綜合以上分析,未來我國的城市建設用地總量應在7.8萬km2到14.7萬km2之間。
城市用地規模;擴展極限;城市化;人口預測
改革開放以來,隨著城鎮數量和規模迅速增加,我國城市用地規模逐步增大。有關資料顯示,2000年以來,我國的城鎮化取得了巨大進展。城鎮化率從當時的36.2%,提高到2010年的47.5%,年均提高1.13個百分點,而城鎮人口增加了26%,這意味著,我國土地城鎮化的速度比人口城鎮化的速度基本快了一倍。1993-2010年間,中國城市建成區大致以每年1 332 km2的速度遞增,建成區面積擴張了1.3倍,年均增長率5.05%。城市對土地的需求,是實現城市經濟和社會發展目標的需求。但是在其發展過程中不可避免地出現了各種土地利用問題:如外延粗放式的城市用地增長,耕地減少過多過快,耕地總量動態平衡未能完全實現,只能在一定時期內發揮作用[1];農用地與非農用地之間的矛盾日益突出,工業化、城市化過程中的非農建設用地占用耕地的比例過高,工業用地和生產用地偏高,導致土地利用結構和布局不合理;工業化和城市化引起的環境污染,致使生態環境惡化,土地質量和景觀價值下降;很多地區在利用土地批租和規劃權限,通過大規模建設新城區、開發區等方式推行跨越式城市發展戰略,加快城市建設用地擴展。針對城市發展出現的城鄉建設用地擴張問題,應該給城鎮化發展設定一個用地極限,就是劃定城市擴展邊界。城市擴展邊界是土地利用規劃中分隔城市與農村地區的界限[2]。城市擴展邊界可作為地方政府的規劃工具,制約城市固定區域的發展[3]。通常,在高度發展區域需要劃定城市增長邊界,如沿美國西海岸大都市區。城市擴展邊界可作為一種有效的手段和開放空間工具來維護大城市周邊,以確保土地的有效利用[4]。1970-1990年,美國“精明增長”運動時期,出臺“增加公共設施條例”政策,鼓勵在本地內聚式發展,利用“城市綠帶”來限制城市蔓延和保護開放空間,確定城市增長邊界,確保城市用地增長避開需要保護的區域,抑制和糾正城市蔓延趨勢[5-6]。美國俄勒岡州在上世紀70年代初為其所有的大城市劃定了擴展的邊界,是最為著名的“城市擴展邊界”模式,該州規定禁止超過劃定的邊界新建居民區和公共交通系統,成功限制了城市的無限制擴展,提高了現有城市土地的利用效率[7-8]。城市擴展邊界在加拿大被作為一種區域規劃工具,在一些大都市區,如多倫多、渥太華和安大略省,設立城市擴展邊界來限制城市增長,進而保護綠地[9]。在20世紀70年代,不列顛哥倫比亞省制定農業土地儲備計劃,其中包括城市擴展邊界劃定的內容,目的是為了保護農場土地不被轉換為城市[10]。國內對城市擴展邊界的研究尚處于起步階段[11]。劉海龍[12]對美國“城市增長邊界”的概念及相關內容進行了介紹與評述,然后針對我國城市規劃現狀中的一些問題進行了分析,提出關于城市空間發展的建議。俞孔堅[13]以“反規劃”理念提出城市生態基礎設施建設的景觀安全格局方法,并通過EI的構建來制定城市擴展邊界。何春陽等[14]在利用數學模型定量確定建設用地擴展邊界內建設用地總量的基礎上,以北京市為例,充分發揮GIS強大的空間分析功能,綜合考慮區域環境敏感性和建設用地適宜性,定量地確定區域建設用地擴展邊界,具有一定的可靠性和應用前景。李效順等[15]用極限計量的方法,通過構建邊際模型,計量建設用地增長的極限時點,剖析了時空變化規律。劉云剛等[16]以快速城市化進程中的部分確定性信息為基礎,從目標入手創建了一種目標導向的、多尺度的城市建設用地規模預測方法。國務院研究室副主任黃守宏認為,要以城市人口預測與經濟總量預測為前提,對城市的功能、空間等做出合理的整體規劃,對現有的各類開發區進行升級和調整,提高使用效率和產出率。胡存智[17]在“十二五”城鎮化發展戰略規劃高層論壇上的發言提出“城鎮的發展規模往往不照人為的安排而控制”,“因此我們需要把一個城市發展的‘天花板’設定在一定的規模和范圍上用地”。本研究在總結國內外研究的基礎上,考慮了中國人口規模、GDP與建成區面積的關系,尋找其相關性,然后建立數學模型分別對中國人口和城市化水平進行合理預測,結合城市人均建設用地標準,測算出中國城市用地擴展極限總規模,并分3個方案進行了討論。研究目的在于找到一個合理的方法測算中國城市最大范圍,為確定用地界限提供參考依據,提高現有城市用地的利用效率和集約度,不再無限制的占用農用地,緩和土地供需矛盾,保護土地資源,維護生態環境平衡,對土地利用規劃和城市規劃起到一定的指導作用,實現城市可持續良性發展。
本研究區域是除中國臺灣、香港和澳門地區之外的全國范圍。其中東部地區包括北京、天津、河北、遼寧、山東、上海、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西和海南12個省、直轄市、自治區;中部地區包括山西、吉林、黑龍江、內蒙古、安徽、江西、河南、湖北和湖南等9個省、自治區;其余為西部地區,包括陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆、四川、重慶、云南、貴州和西藏10個省、直轄市、自治區[18]。研究所涉及的人口數據、社會經濟數據和土地面積數據來源于《中國統計年鑒》和《中國城市統計年鑒》。為使模型選擇數據統計口徑一致,我們分析了這些數據的統計口徑。其中GDP采用歷年年末數據,并將其轉換成基期不變價。人口數和建成區土地面積采用年末數據。2010年全國城市市區人口為38 149.3萬人,市區建成區面積達到30 138 km2,市區人均建成區面積為79.00 m2/人。研究依照城市用地分類與規劃建設用地標準中的規劃人均城市建設用地標準部分確定規劃人均建設用地指標,進而測算城市用地極限規模[19]。
城市建設用地總量是對城市用地規模的直接反映。通過文獻和實際情況分析,城市固定資產投資的增長和三產結構的變化都是由經濟的增長引起的,為了避免多選指標可能存在的指標之間的非獨立性或包含性,排除具有自相關性的驅動因子,城市用地擴展的主要影響因子應該是人口的增長和社會經濟的發展[20-21]。我們認為這里的社會經濟發展的關鍵指標就是GDP。這樣實際上就將城市化用地擴展的關鍵影響因素縮減到三個:人口、GDP和用地。人口通過城市化水平反映到城市用地上,城市建設用地總量則通過人均建設用地量來測算。于是計算城市建設用地極限規模,就成了對這三指標的關系分析和數量計算。本研究首先對人口和GDP與建成區面積之間的相關性進行分析;然后采用Logistic模型預測全國城市化水平,考察未來哪年能達到飽和城市化;接著用自回歸分布滯后模型對中國人口進行預測,得到飽和城市化那年的人口數;最后依據預測數據計算中國城市用地擴展極限規模。中國城市用地擴展極限規模的基本計算模型為:

其中,S為全國城市建設用地規模,當城市化水平達到飽和狀態時就是極限規模;Yt為t年人口數量,達到總人口穩定時的動態人口總數量為極限人口;P(t)為t年城市化水平,I為人均建設用地指標。
首先考察中國城市總人口、GDP分別與建成區總面積的相關性,然后通過SPSS軟件上的偏相關分析(Partial Correlation)控制可能產生影響的變量,來研究另兩個變量之間的線性相關關系。本研究考察中國城市總人口和GDP哪個能更好的解釋城市土地的擴張。對1993-2010年中國城市總人口與建成區總面積的相關性進行分析的結果表明:中國城市總人口與建成區面積擴張呈高度線性相關,它們之間的判定系數高達0.98。對中國GDP與城市建成區總面積之間的相關性進行分析,它們之間的相關性也很高,判定系數為0.96。
做偏相關分析時,為了保證建成區土地面積和全國GDP兩個變量之間的關系是線形相關,對全國GDP取了自然對數,即ln(GDP)。
在控制ln(GDP)的情況下,城市總人口和城市建成區土地總面積偏相關系數是0.514,相關性較高。一般情況下,在0.01水平上是顯著相關。城市人口與建成區面積的顯著性為0.035,可見城市人口和城市建成區用地面積不相關的概率很低。相反,在控制城市總人口的情況下,ln(GDP)與城市建成區土地總面積偏相關系數是0.281,相關性很低。顯著性為0.274,說明城市建成區用地總面積和ln(GDP)不相關的概率很高,而城市人口比ln(GDP)能更好地解釋城市土地的擴張。因此,可以從人口規模的發展尋找突破口去測算城市用地規模。城市人口的增加對城市化和城市用地變化產生了最直接的影響[22]。
城市化是隨著經濟和社會的發展,城市用地規模不斷擴大,人們生活質量不斷提升,從而城市能夠容納更多社會生產力和居民,進而帶動整個社會經濟發展并使更多人口能夠享受城市建設和城市文明的過程[23]。城市化水平可以反應一個國家或地區社會經濟發展狀況和城市規模發展情況。本研究根據影響因子分析結果,以非農業人口占總人口的比重作為估測城市化水平的標準。中國自1950年以來的城市化水平見圖1所示,由圖1中明顯地表現出自上個世紀80年代以來,中國城市化水平在不斷提高,尤其是進入新世紀以后城市化速度加快。其中,1970年以后的人口數據是以連續年份收集的,通過各種預測方法的比較,采用Logistic預測模型擬合度較好。Logistic曲線模型為:

P(t)為城市化水平,t為年份,b0、b1為系數,u是人口上限值。
通過分析大量相關研究,發現更多人采用時間序列方法預測人口[24]。為使我們的研究結果更趨準確,我們采用以時間序列分析方法為基礎的自回歸分布滯后模型進行人口預測。自回歸分布滯后模型的一般形式為[25]:

式中:Xjt(j=1,2,…p)是外生變量。這種模型是一個或多個被解釋變量的滯后值作為解釋變量加入的分布滯后模型,稱為自回歸分布滯后模型。m和n分別表示Yt和Xjt的最大滯后期,p表示外生變量個數,μt為隨機擾動項,滿足Gauss-Markov假定條件。為使人口自回歸分布滯后模型有準確的預測功能,設外生變量的滯后期必須滿足i≥1。
本文中的外生變量有人口年出生率和人口年死亡率,分別用 Bt、Dt表示,其滯后值分別表示為 Bt-i和 Dt-i。由于人口總量序列(Yt)是非平穩時間序列,我們通過一階差分將其轉化為平穩時間序列,即用人口差分序列(△Yt)作為被解釋變量,△Yt-i作為解釋變量,則(1)式就變為:

這樣我們就用(2)式作為人口年增長量的自回歸分布滯后預測模型。由于△Yt僅依靠滯后信息,因而也被稱為“盲始”模型。通過下式:

得到人口總量序列,即計算出各年人口總量。
在(2)和(3)式中△Yt或Yt僅依靠滯后信息來預測,這樣它們就有了預測的功能。不考慮人口年增長量的滯后值作為解釋變量,只用人口年出生率的滯后值和人口年死亡率的滯后值作為解釋變量時,(2)式變為:

圖1 1950-2010年中國城市化水平變化圖Fig.1 Changes in the urbanization level in China in 1950 - 2010

為了進一步探討子集{Bt-i,Dt-i}可建立的模型,分別對 Bt-i和 Dt-i作對數變換后,使(4)式變為:

至此,可用Eviews軟件的分布滯后模型分析功能,對滯后期i進行討論,找到各項指標相對較好的一個滯后期,作為進行人口規模預測的最佳模型。
選取1970-2010年的連續數據作為樣本數據對中國的城市化水平進行預測。擬合Logistic曲線如圖2所示,分析結果見表1。

圖2 邏輯斯蒂模型預測城市化水平擬合曲線Fig.2 Fitting curve of Logistic model to predict the urbanization level

表1 模型匯總和參數估計值Tab.1 Model summary and parameter estimate
擬合得到預測模型為:

模擬結果顯示:模型對歷史數據的擬合誤差小于5%。說明模型精度高,可以用于城市化水平預測。我國在2021年城市化水平達到 59.89%;2031年達到69.23%;2045年城市化水平達到79.99%;2046年城市化水平達到80.64%。在城市化理論中,當一個地區的城市化水平達到50% 時,認為該地區初步進入城市社會;當城市化水平高于70% 時,認為該地區已經是一個成熟的城市社會,而當城市化水平達到80% 的時候,就可以認為是進入飽和城市化時期[26]。由預測結果可知,到2045年中國城市化水平即近似可達到80%。這個結果與文獻[15]的計算用地極限到達時間相吻合。
整理1951-2010年全國人口數據,采用公式(5)對數據進行擬合,結果發現當滯后期i=15時各項指標最好,其相關系數為0.985 1,整體擬合度較好。參照已有研究的人口出生率和死亡率預測結果[27-28],采用該模型對未來人口的發展進行預測,其結果見表2。
通過對全國未來人口的預測可知,到2032年人口數量開始超過15億人,2039年人口將達到15.17億人,到2050年人口將下降至在14.48億人。這與一些歐美學者的研究一致,他們認為一般在城市化的后期,城市人口密度會加速下降。當然,這可能是因為中國計劃生育政策的實施,控制了人口增長速度。有關研究預測中國人口峰值將達到16億人[29]。針對所得預測結果,本研究將分為三個方案進行討論:

表2 人口規模預測值Tab.2 Predictive value of population
方案1:預測2045年中國將近似達到完全城市化時期,此時中國人口將達到14.97億人。
方案2:2039年人口達到本預測峰值15.17億人,城市化水平達到75.76%,步入成熟的城市社會。
方案3:中國人口最終將達到最大峰值16億人,超過這個人口規模可能對中國的社會經濟發展造成嚴重不利。
按照城市用地分類與規劃建設用地標準中規劃人均城市建設用地標準的內容要求,以節約集約用地為原則,綜合考慮各方面因素的影響,將人均城市建設用地規模高限確定為115 m2/人,將低限確定為65 m2/人。據統計,2010年中國人均城市用地為59.81 m2,規劃人均城市建設用地規模最低取值為65 m2/人。因此,本研究將人均城市用地規模取值控制在65.0-115.0 m2/人之間。
在我國現行政策不變的條件下,當采用預測方案1時,在2045年,中國的城市化預測水平為79.99%,預測人口達到 14.97億人,這種情況下,城市用地規模為77 857.38-137 747.70 km2,這個結果與文獻[15]的結果基本一致;當采用預測方案2時,在2039年,中國城市化水平在75.76%,預測人口達到15.17億人,這種情況下,城市用地規模將會是74 708.16 -132 176.00 km2,就是說人口達到本研究預測的峰值時,沒有達到城市用地極限;當采用預測方案3時,中國城市化水平將穩定在80%,預測人口最大峰值為16億人,此時城市用地規模為83 200.00 -147 200.00 km2。綜合以上分析,當中國步入飽和城市化時期時,未來城市用地擴展極限規模將在77 857.38 km2以上;在人口達到峰值,人均建設用地指標最大的情況下,城市用地擴展邊界為147 200.00 km2。由上分析可以看出,未來我國的城市建設用地總量應在7.8萬km2到 14.7萬 km2之間,約占我國國土總面積的0.81% -1.53%。
《全國土地利用總體規劃綱要》中指出要保障科學發展的建設用地,嚴格控制新增建設用地規模,以需求引導和供給調節合理確定新增建設用地規模,提高存量建設用地利用強度,拓展建設用地新空間,合理安排中心城市的建設用地,提高城市綜合承載能力,促進城市人口和經濟集聚效益的發揮,加強城鎮建設用地擴展邊界控制,鼓勵城市存量用地深度開發。該規劃中指出到2020年中國建設用地規模將達到90 424 km2,其中城市建設用地占相當大的部分,到2020年中國城市建設用地規模在54 385.84 -96 221.10 km2之間,處于本研究預期的建設用地規模之內。
城市用地規模測算是比較復雜的,很多研究沒有給出一個全面、合理的具體數值。目前有關城市用地擴展的研究多是擴展模式、模型和城市規模發展動力機制的研究[30-32],而關于城市規模測算的研究不多,有的關于城市規模的研究僅從人口層面進行了討論[33];有些對城市用地水平進行研究,僅測算出城市用地達到極限的年份,最終沒有給出未來用地規模[15,34];有些研究雖然測算出了城市用地擴展規模,但只從地方層面進行了驗證[16];有的雖然從全國角度對城市用地規模進行了預測,但沒能確定城市用地規模的數值[20]。本研究從全國層面上對城市用地擴展極限規模進行了測算,并得到極限規模的合理范圍。結果表明采用成熟的計量方法,選擇關鍵指標進行極限規模測算的技術思路可行,且可推廣。
本研究選取了城市化水平和人口規模作為衡量指標,通過對中國城市化水平和人口規模進行預測,以節約集約利用為原則,結合人均城市建設用地標準,對中國城市用地擴展極限規模進行了測算,得出中國未來城市發展的規模是 77 857.38 -147 200.00 km2,約占我國國土總面積的0.81% -1.53%。研究結果表明,到2045年中國城市化水平將達到成熟期,在中國人口增長控制較好的情況下,人口規模將達到149 747.78萬人,城市用地擴展規模為77 857.38-137 747.70 km2;若中國人口達到有關研究的預測峰值16億人,城市用地擴展極限規模將會是83 200.00 -147 200.00 km2。
城市建設用地極限規模預測是一件復雜的事情,本研究只是假設目前我國現行政策不發生重大變化,也不存在不可抗拒的事件發生前提下的計算結果。如果政策發生變化,比如計劃生育政策放寬等,那將要對本研究方法進行適當調整。下一步研究是如何將這些數量指標分配到具體的城市,就是城市發展規模的空間配置與優化問題,以避免全國各城市的城市規劃面積大于國土面積笑話的出現。
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Growth of City Size in China:Estimate of the Limit Scale
ZHENG Xin-qi1 XUE Chun-lu1 WANG Wei2 DU Juan3
(1.School of Land Sciences and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.School of Goverment Administration,Central University Finance and Economic,Beijing 100081,China;3.Yellow River Shandong Bureau,Jinan Shandong 250011,China)
As urbanization grows fast,more and more people pay attention to the extending reconstruction land in cities.To draw on the experience of developed countries,China needs to measure and calculate a limit interval value for the total control from the higher level to the lower level.This helps implement the farmland protection system and land conservation system.But how to measure and calculate the limit scale has not been solved.In this paper,combination of conventional methods and key indicators is used to solve this problem.First,this paper discussed the correlation of the urban population and GDP,respectively,with the built-up area and determine the number of the urban population of the greater impact of built-up area.Then,based on China's economic data from 1950-2010 and population data from 1951-2010,the paper predicted the level of urbanization by Logistic model and the future population by autoregressive distributed lag model and discussed the results divided into three programs.Finally,the paper calculated the limit scale of the urban land expansion,based on classification of urban land use and planning standards of urban constraction land land,the principle of economical and intensive land and urban land use scale which was set between 65.0 and 115.0 m2/person.The results showed that,by 2045,the level of urbanization in China will be approximately 80%.In the case of better control of population growth,population scale will be about 1 497 000 000 and the value of limit scale of the urban land expansion will be 77 857.38 -137 747.70 km2.If the Chinese population prediction peak reaches 1 600 000 000 and the level of urbanization is stable at 80%,the value of limit scale of the urban land expansion will be 83 200.00 -147 200.00 km2.Based on the above,the predictive value of limit scale of the urban land expansion in China will be 78 226.12 -147 200.00 km2.
scale of city size;growth of limit;urbanization;population projection
F293.2
A
1002-2104(2013)08-0055-07
10.3969/j.issn.1002-2104.2013.08.009
2013-03-29
鄭新奇,教授,博導,主要研究方向為GIS開發與應用、土地評價與規劃等。
國土資源部公益性行業科研專項經費項目(編號:201111014)。
(編輯:李 琪)