京津冀城市群空間擴張及其經濟溢出效應

別小娟,孫 濤,孫然好,王繼斌,張廷斌,陳利頂,3,*

1 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 成都理工大學旅游與城鄉規劃學院,成都 610059 3 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049 4 成都理工大學地球科學學院,成都 610059

改革開放以來,中國經濟經歷了30多年的快速增長。經濟增長推動了城市的高速發展,城市常住人口持續增長,城市空間不斷擴張,城市用地的增速遠大于人口增加的速度[1]。在城鎮化的過程中,由于受到社會、經濟、地理環境、歷史等因素的影響,不同的城市有不同的擴張模式,而不同的空間擴張模式反過來也會影響城市經濟的發展[2-3]。在城市擴張研究中,利用多期歷史數據進行城市空間變化的時空特征研究[4-8],分析城市擴張的驅動因素[9-13],其中GDP增長是城市擴張的重要驅動因素[14]。近年來,城鎮化和城市擴張成為部分地區經濟的增長源[15],持續的城市擴張又對社會經濟等[16-21]產生了深遠的影響。有學者研究了經濟因素對城市空間形態的影響[22- 26],在經濟模式或政策的變化的背景下,為了適應新時期經濟發展的需要,城市空間的結構和形態也做出了相應的調整。2014年何楊[27]運用數據包絡分析研究了城市經濟效率受城市規模和形態影響的規律,發現城市的規模效率、城市緊湊度對純技術效率有正向影響。

在開放的市場經濟體系中,城市經濟增長不只依靠其自身基礎,還要受到周邊城市的影響。相鄰城市之間的生產要素、經濟活動在空間上流動不斷增強,區域經濟活動的空間關聯,對區域經濟產生重要影響,這種影響,在經濟學上稱之為溢出。經濟溢出包括知識溢出、增長溢出、環境溢出等,具有可正可負的性質[28]。對于區域經濟關聯的研究更多集中在增長溢出的探討,前人的研究中應用了修正的Conley-Ligon模型[29]、協方差統計模型[30]、Mundell-Fleming模型[31]、空間誤差模型和地理加權回歸模型[32]、空間數據分析工具[33]等方法對全國、區域或城市群在城市、縣級尺度上,探討經濟發展過程中溢出效應的空間分布特征,在計算溢出效應時,更多考慮的是經濟(GDP)規模。Capello[34]在研究中指出增長溢出(growth spillovers),是反映一個地方(區域、城市、區縣)經濟的動態通過貿易聯系和市場關系影響鄰近地區經濟增長的情況。Capello通過對歐洲各地區之間經濟溢出的研究,發現空間溢出強度主要取決于空間距離,和每個區域對外部增長機會的認知接受度。利用Capello模型不僅可以計算各城市“給出”和“獲得”的溢出效應,還可以反映各地區間溢出效應強度的年際變化趨勢。

在城鎮化的過程中,城市建成區范圍不斷增加,同一地區城市群中不同規模、不同定位的城市呈現出不同的擴張模式。不同擴張模式的城市,經濟增長溢出效應是否存在差異,城市間溢出效應的空間分布特征如何？我們選取京津冀城市群作為研究對象,首先根據1984—2015年各城市擴張特征將城市進行分類,然后利用Capello經濟增長溢出模型,計算各城市經濟增長溢出強度,分析不同擴張模式城市間經濟增長溢出強度的變化特征,區分不同城市擴張模式對區域經濟的影響。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況與數據來源

京津冀城市群是我國北方經濟的重要核心區,包括北京市、天津市和河北省的石家莊、保定、廊坊、唐山、秦皇島、張家口、承德、滄州、衡水、邢臺和邯鄲11個地級市。城市群位于環渤海地區,是我國人口和城鎮分布集中,經濟、交通、產業最為發達的地區之一。2015年京津冀地區總GDP占全國GDP的10.01%,人口占全國總人口的7.8%。研究區總面積約21.6×104km2,13個城市中有2個城區常住人口超過500萬的特大城市,為城市群的核心;超過100萬的大型城市有3個,其他均為常住人口小于100萬的中小城市。

研究采用的城市邊界信息來自于京津冀地區生態十年遙感地表覆被分類數據,從中提取了1984年、1990年、2000年、2010年的城市建設用地信息,2015年的城市建設用地信息是利用OLI數據,根據歸一化建筑指數[35]獲得城市建成區信息,制作城市空間擴張特征圖(圖1)。經濟增長溢出效應強度計算需要的GDP數據來自1984—2015年北京市、天津市和河北省統計年鑒,并按基于1952年的GDP平減指數換算為不變價GDP,進而計算GDP增長率;城市間距離數據來自全國電子交通數據庫(2015年部分數據來自百度地圖)。

1.2 研究方法

1.2.1 Boyce-Clark形狀指數

基于放射半徑的Boyce-Clark形狀指數[36],是將城市形狀與標準圓進行比較,得到一個相對指數。這種指數是以城市邊界的重心(幾何中心、城市范圍的人口中心或經濟中心等)為原點,向周邊放射出若干條半徑,衡量各方向半徑與平均半徑之間的差異,其表達式為:

(1)

式中,SBC為形狀指數;ri為城市重心到邊界的半徑長度;n為放射半徑的數量。根據城市邊界形狀的復雜程度設置不同的半徑數量,n越大,SBC精度越高。城市邊界形狀不同,SBC的值也不同,圓形的SBC值為0,正多邊形、矩形、星形、長條矩形的SBC值依次變大。該方法直觀形象,能夠反映城市空間形態的一般特征,且具有較強的可比性。

1.2.2 Capello模型

Capello[34]將空間溢出效應劃分為知識溢出、產業溢出和增長溢出,并界定了它們的內在屬性、適用尺度和預期效果,認為它們都是區域空間相互作用的具體表現,并最終形成了區域間的經濟增長溢出根據Capello提出的增長溢出效應模型,按下面公式進行計算:

城市得到的增長溢出效應強度:

(2)

式中,ΔYjt為第t年城市j的GDP增長率,j為除了r外的所有相鄰城市;drj為第t年城市r和j之間的最高等級公路距離,以km為單位;n為相鄰城市的數量,n=12;wjt為權重,用第t年城市j在城市群中GDP總量的比重來衡量。

城市給出的增長溢出效應強度:

(3)

式中,ΔYrt為第t年城市r的GDP增長率;wrt為權重,用第t年城市r在城市群中GDP總量的比重來衡量;drj和n同公式(2)。

從公式中可以看出,增長溢出效應強度與3個因素有關:空間因素(距離),驅動因素(城市經濟增長率)和規模因素(相鄰城市經濟規模,權重)。該方法最初應用于歐洲(不包括俄羅斯)各地區間經濟增長溢出效應的評價,為區域內聚集經濟的存在提供了一個非常有用的模型。在評估的過程中,增長溢出效應強度具有非常重要的解釋力,增加了溢出變量的解釋力,凸顯了區域經濟發展的一些趨勢。

2 結果與分析

2.1 京津冀地區城市空間擴張特征

根據Boyce-Clark形狀指數的公式(公式1)計算京津冀城市群13個城市1984—2015年的SBC值,結果如表1所示。各城市空間擴張形態是動態變化的,形狀指數越大,城市空間形態越趨向于條帶狀;形狀指數越小,城市空間形態越趨向于圓形或正多邊形。根據表1將13個城市分為兩組:北京、保定、廊坊、滄州、衡水、邢臺和廊坊7個城市的形狀指數值整體偏低,2000年以后形狀指數大都小于30。其中北京由于西部受地形影響外,其他各方向均有不同程度擴張(圖1),形狀指數逐漸減小,趨向圓形,城市擴張類型為環狀擴張;其他6個城市,位于平原區,各城市擴張主要向著1—3個方向擴張,形狀指數多在15—25之間,城市形狀介于圓形和星形之間,擴張類型為扇狀擴張;天津、石家莊、唐山、秦皇島、張家口和承德6個城市的形狀指數逐漸增大,且在2000年以后形狀指數大于30,其城市邊界的空間形狀為條帶狀,城市擴張類型為軸向擴張型。

表1 京津冀城市群城市形狀指數

環狀擴張:主要為北京市。作為國家政治中心和文化中心的獨特地位,其經濟發展速度超過全國平均水平,快速的經濟增長,使北京具有強勁的集聚效應,建成區的范圍不斷擴大。

扇狀擴張:保定市、邯鄲市、衡水市、廊坊市、邢臺市、滄州市。城市擴張一般只有一個主增長方向,主增長方向沿城際高速或國道快速擴張,其余方向擴張較慢;2000年以后擴張速度較快,且出現新的增長方向。其中,廊坊市位于北京和天津之間,受兩個城市吸引,沿西北-東南方向擴張。1992年廊坊經濟技術開發區成立后,廊坊原主城區開始快速向著開發區方向發展,由此導致城市形狀指數從2000年開始變大,超過30,但廊坊市同時有3個擴張方向,因此屬于扇狀擴張。

軸向擴張:天津市、石家莊市、秦皇島市、承德市、張家口市和唐山市。天津市1990年以后,由于主城區和濱海新區雙核心共同擴張,逐漸連片發展成城市擴張軸,并向著北京方向沿G103國道延伸,逐漸與天津市武清區相連;在大港-塘沽-漢沽方向也有擴張,但速度比主要軸線慢;石家莊市2000年前沿正太鐵路呈帶狀擴張,2000年后向北沿京石高速逐漸延伸,但相對較為零散,仍以東西向帶狀擴張為主;承德市和張家口市發展受地形限制,沿山谷有限空間呈帶狀擴張。秦皇島市西北為丘陵區,東南濱臨渤海,沿海濱平坦地區帶狀發展。唐山市在七灤線、津山線圍合中發展;在唐山市外圍形成的唐津高速和長深高速(2003年通車)將對未來唐山城市形態產生影響。其中張家口、承德和秦皇島主要受地形影響,城市主要沿山谷有限空間擴張;石家莊和唐山市沿交通線路形成擴張軸,天津受濱海新區開發使主城區呈帶狀擴張,2000年以后在其他方向上也有不同程度的擴張。

從京津冀地區13個城市擴張的時空特征看,在30年的發展中,城市空間的擴張模式是相對穩定的。盡管受到交通、經濟開發等因素影響,部分城市有了新的增長方向(如廊坊),但城市的基本擴張特征沒有發生根本性的改變,如從軸向擴張轉變為扇狀擴張,各城市均在原有模式的基礎上向外擴張。

2.2 京津冀地區城市經濟增長溢出效應分析

根據Capello模型,分別計算1985—2015年京津冀地區13個城市空間溢出效應。從公式(2)和(3)可以看出,增長溢出效應與城市間距離呈負相關,與GDP增長率和GDP權重呈正相關。如表2所示,北京和天津作為城市群的核心城市,貢獻了最高的給出空間溢出效應,平均給出增長溢出效應分別為1724.2和1111.7,其次為石家莊和唐山,保定、廊坊、滄州、邢臺和邯鄲為第三梯隊,最低的為秦皇島、張家口、承德和衡水。得到溢出效應最高的為廊坊,其次為天津、滄州、保定和唐山,其他為第三梯隊。

圖1 1984—2015年城市擴張特征圖/kmFig.1 The direction characteristic of urban expansion in 1984—2015N:北,north;NNE:北北東,north-northeast;NE,北東,north-east;ENE,東北東,east-northeast;E:東,east;ESE:東南東,east-southeast;SE:南東,southeast;SSE:南南東,south-southeast;S:南,south;SSW:南南西,south-southwest;SW:南西,south-west;WSW:西南西,west-southwest;W:西,west;WNW:西北西,west-northwest;NW:北西,north-west;NNW:北北西,north-northwest

GDP為不變價GDP

按照前面所做的城市擴張形態分類,環狀擴張(北京)、軸向擴張(天津、石家莊、唐山、秦皇島、張家口和承德)和扇狀擴張(保定、廊坊、滄州、衡水、邢臺和邯鄲),分別分析1985—2015年各種擴張形態城市間的空間溢出效應變化規律。扇狀擴張城市和軸向擴張城市給出和得到的總空間溢出效應相差較大,扇狀擴張城市得到的總溢出效應遠高于軸向擴張城市(圖2a),軸向擴張城市給出的總溢出效應遠高于扇狀擴張城市(圖2a)。作為京津冀地區城市群的核心城市,北京和天津之間的增長溢出效應遠高于其他城市,2008年之前北京給出的增長溢出效應高于天津給出的,2008年以后震蕩明顯(圖2c)。從圖2a、b、c中均可以看出,城市間的增長溢出效應除1989、2013年和2014年降低外,城市之間給出和得到的空間溢出效應整體趨勢增強,城市之間的聯系和增長溢出效應逐步得到加強。

圖2 1985—2015年各類型城市間增長溢出效應年際變化Fig.2 Annual change of growth spillovers between various cities in 1985—2015

軸向擴張城市包括了城市群的核心城市之一天津,使得軸向擴張城市經濟總規模遠大于扇狀城市。為了避免經濟規模對軸向擴張城市與扇狀擴張城市之間經濟增長溢出效應的影響,將天津市單獨分析,其他的5個軸向擴張城市經濟規模與6個扇狀擴張城市經濟規模相當,這樣更具可比性。圖2d—i描述的軸向擴張城市和扇狀擴張城市,為了避免城市數量不同帶來的溢出效應影響,取經濟增長溢出效應的平均值。

從交通距離上來講,軸向擴張城市距核心城市北京和天津更近,但從圖2d、e中可以看出,軸向擴張城市從北京和天津得到的增長溢出效應均低于扇狀擴張城市。從兩者之間強度的差異上看,從北京得到的空間效應在2007年前差別較大,2007年以后變小;從天津得到的空間效應2005年以前,強度差異較為穩定,2005—2008年,軸向擴張城市和扇狀擴張城市較為接近,2008年以后變化較大。軸向擴張城市、扇狀擴張城市給出北京和天津的增長溢出效應年際變化差異較大(圖2f、g),沒有明顯的規律。1996—2003年北京和天津從軸向擴張城市和扇狀擴張城市得到的增長溢出效應強度相反,北京從扇狀擴張城市得到的多,天津從帶狀擴張城市得到的多。其他年份,北京和天津得到的溢出效應特征較一致。

從圖2h中可以看出,扇狀擴張城市從軸向擴張城市得到的溢出效應在各個年份均高于軸向擴張城市從扇狀擴張城市得到的增長溢出效應;2012年以前,除了2005年兩者之間較為接近,兩者之間差異大,強度差在3.9—17.1之間;2012—2015年強度差異變小。圖2i表明了不同擴張模式城市之間增長溢出的變化特征,軸向擴張城市之間的增長溢出效應在2007年前,強度低于扇狀擴張城市之間的空間溢出效應,2007年后,兩者強度交替震蕩,且強度差異變小。

圖3 1985—2015年城市間凈增長溢出效應年際變化Fig.3 Annual change of net growth spillovers between cities in 1985—2015

圖4 1985—2015年京津冀城市群地區城市間經濟增長溢出效應分布圖Fig.4 The spatial pattern of growth spillover effects in the Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration in 1985—2015

為了進一步分析各城市增長溢出效應的變化,將城市給出的增長溢出效應強度減去得到的增長溢出效應強度,得到該城市年凈增長溢出。從圖3可以看出,北京和天津作為城市群的核心城市,凈增長溢出效應多表現為正值,給出的增長溢出大于得到的增長溢出,反映了核心城市對區域經濟的輻射帶動作用。天津的凈增長溢出效應1988、1989和1991年為負值,1988和1989年是由于天津GDP增長率降低,1991年天津GDP增長率低于地區平均增長率。北京和天津從1985—2015年,凈增長溢出呈上升趨勢,且天津增長趨勢略高于北京,是由于2008年以后天津GDP占京津冀地區GDP總量的比重略有增加,而北京的GDP占比基本是穩定的。唐山作為原京津唐工業基地的核心城市之一,石家莊作為河北省的省會,在1992年之前,給出的凈增長溢出效應與天津相當,而此后逐年下降,兩個城市的下降趨勢基本一致。2010年以后石家莊凈增長溢出效應保持為正值,反映了石家莊在近年來對區域經濟的輻射帶動作用在增強,而唐山的凈增長溢出效應近幾年轉變為負值,區域輻射帶動作用在減弱。圖3反映了扇狀擴張城市和軸向城市凈增長溢出的年際變化,兩類城市增長趨勢基本一致,城市經濟發展受區域經濟環境的影響較大。扇狀擴張城市的凈增長溢出效應強度遠高于軸向擴張城市,但扇狀擴張城市受經濟環境的影響更大,1989年由于地區經濟增長率下降,2015年由于天津GDP增長率下降的影響,這兩年凈增長溢出有明顯的下降,而軸向擴張城市在這兩個時間點凈增長溢出反而有所上升。

從以上城市得到的凈溢出效應可以看出,扇狀擴張城市整體高于軸向擴張城市,相應的軸向擴張城市給出的增長溢出高于扇狀擴張城市,反映扇狀擴張城市相對更容易從區域經濟增長中獲得收益。扇狀擴張城市保留了環狀城市從中心向外圍擴展的模式,當人口增長沿著交通線路(保定、滄州等)或城市周邊規劃新的開發區(廊坊)外遷,逐漸形成了扇狀擴張模式。廊坊、保定、滄州、衡水、邢臺、邯鄲6個扇狀擴張城市分布在平原區,城市擴張較少受到地形條件限制,城市沿交通線或開發區向著周邊城市或區域核心城市快速擴張,有利于經濟增長的“流動”。軸向擴張城市有較好的生態優勢、空間通透,但隨著城市擴張到一定規模,空間尺度變大、結構松散使得過長的軸向擴張超過了由基礎設施服務支撐的“最佳經濟規模”的承載力,城市空間的經濟績效會隨著規模與空間尺度的增長而衰減,降低了規模經濟的集聚效應[37]。張家口、承德、秦皇島、天津、石家莊和唐山主要沿軸線向兩端擴張,制約了城市空間的集聚發展,空間集聚效益是城市增長的原動力[37];石家莊、唐山和天津這3個城市位于平原區,在主要軸線擴張的基礎上,較易形成圈層蔓延,2000年以后在其他方向上也有不同程度的擴張,隨著城市形態的改變,城市的集聚效益也會隨之提高。城市經濟的發展是多種因素綜合作用的結果,城市擴張形態只是其中的一個影響因素,僅就扇狀擴張和軸向擴張兩種擴張形態對增長溢出效應的影響來說,扇狀擴張比軸向擴張更有利于經濟增長的溢出。

2.3 京津冀城市群地區城市經濟溢出效應空間分布

將1985—2015年城市間的增長溢出效應,根據強度逐年累加,得到城市間增長溢出效應強度總和,并形成綜合增長溢出效應分布圖,如圖4所示。京津冀城市群地區已形成北京、天津、唐山和廊坊組成的核心區,石家莊、保定、滄州得益于地理位置優勢,得到核心城市的增長溢出效應較強。城市群之間的經濟增長溢出薄弱環節在邊緣地區,北部為張家口、承德和秦皇島,南部為衡水和邢臺,與其他城市之間的增長溢出效應較弱,尤其是衡水,相較邢臺、邯鄲等城市,到核心城市和次級核心區的距離較近,但得到的增長溢出效應較少。為了加強城市群地區城市之間的聯系和交流,提高城市群整體的競爭力,除了繼續保持核心區持續穩定發展外,聯系核心區域和城市群南部的衡水市需要得到政策和投資方面的重點關注;同時,邊緣城市張家口、承德、秦皇島、邢臺和邯鄲要進一步加快發展,并加強與城市群核心城市和周邊城市的聯系。

3 結論

本文利用Boyce-Clark形狀指數,將京津冀城市群13個城市劃分為環狀擴張、扇狀擴張和軸向擴張三種類型,并基于Capello模型分析了1985—2015年城市間經濟增長溢出效應的變化,反映了不同擴張類型城市間溢出效應變化的規律。30年間,京津冀城市群城市間增長溢出效應主要呈增加的趨勢,北京和天津作為城市群的核心城市,貢獻了主要的經濟增長溢出效應,扇狀擴張城市比軸向擴張城市更有利于獲得經濟增長溢出。結果表明,利用Capello模型評價城市間經濟溢出效應是可行的,能夠反映經濟增長溢出的年際變化。

研究也發現,京津冀城市群城市經濟增長溢出效應,從1985年到2015年呈增長的趨勢,隨著交通條件的改善,城市間距離縮短有利于經濟增長的溢出。但從圖3可以看出,2003年以后,核心城市給出的溢出效應和非核心城市得到的溢出效應均呈下降的趨勢,溢出效應下降則主要與GDP有關,其中GDP規模和GDP增長率對溢出效應的貢獻,有待進一步深入研究。另外,研究中城市距離以當年城市間最高等級公路距離(以km為單位)為準,沒有考慮當前部分城市間(北京和天津)有高鐵等更快速的交通工具,今后可考慮采用城市間通勤時間來反映城市距離。