顧及空間交互的城市群空間擴張驅動因子分析

賀申泰，周泊遠，楊衛軍，郭 亮

（1.湖北民族大學科技學院 建筑與設計學院，湖北 恩施 445000；2.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

新中國成立以來，城鎮化經歷了復雜曲折的發展歷程，城鎮人口從1978年的1.72億激增至2018年的8.31億，建設用地面積從1981年的6 720 km2增至2017年的55 155.5 km2[1]。城鎮化為社會經濟帶來強勁增長動力的同時，也加速了資源消耗和生態退化[2]；建設用地擴張侵占了大量耕地和生態用地，僅2000－2010年全國耕地面積就減少了3.7萬km2[3]，人均建設用地面積由1981年的46.67m2增至2014年的129.57m2[4]，暴露出浪費嚴重、利用低效等問題；另外低效粗放的擴張方式往往會造成多種生態環境問題，導致生態系統日趨脆弱[5]。

學術界對城市擴張驅動機制進行了深入討論，驅動因子可分為自然、社會經濟、交通區位和政策4個類別[6]。隨著我國城鎮化逐步走向城市協同發展階段，國家新型城鎮化建設逐漸聚焦于城市群這一主體[7-8]，城市群視角在協調城鎮化發展與資源環境的關系上更具現勢性[9]。研究方法從主成分分析、相關性分析到Logistic回歸、地理加權回歸等回歸方法[10-11]，大量數學模型被引入城市擴張驅動機制研究中，但對針對城市擴張的多尺度分析方法的探討仍存在不足。

因此，顧及城市協同發展的深化、空間交互作用的不斷增強，本文引入了多層線性回歸模型的研究方法，在考慮城市群空間擴張個體效應的同時加入了組織效應的考量，更科學全面地探索其擴張過程的內在機理，以期為協調城市開發建設、耕地與生態保護、促進城鎮化健康發展提供支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況與數據來源

基于數據的可獲取性，本文根據《2016年中國城市群發展報告》[12]，選取京津冀、長三角、長江中游、珠三角、成渝、海峽西岸、中原、晉中、關中、山東半島、哈長以及遼中南等12個主要城市群作為研究區；并根據地理區位劃分為沿海和內陸城市群，其中遼中南、京津冀、山東半島、長三角、海峽西岸以及珠三角6個城市群為沿海城市群，其余為內陸城市群。

研究數據涵蓋了土地利用數據和相關社會經濟數據，其中土地利用數據的空間分辨率為30 m×30 m；社會經濟數據包括2005年和2015年全國主要城市群的多項社會經濟指標。

1.2 研究方法

當模型自變量存在多層次的嵌套關系時，常用多層線性回歸模型（HLM）進行研究。HLM能將樣本數據的個體效應和組間效應同時納入考量[7]。本文構建了城市群空間擴張驅動機制的HLM，多尺度地探索了城市發展的社會經濟因子和空間交互因子對城市群建設用地變化的影響（圖1）。

1.2.1 指標體系

城市土地利用是復雜的地理過程[13]，呂曉[14]等指出自然條件對城市擴張具有一定限制作用，而經濟總量、產業結構等社會經濟因素則具有較強的社會屬性和較弱的空間屬性，能直接或間接地影響城市擴張進程；周燁[15]則認為，在較短的時間維度上，自然地理因素對城市擴張進程的影響是有限的，而社會人文因素發揮著更大作用。

綜合多項研究成果，本文在城市尺度上選擇人口規模、經濟發展、政府服務和城鎮發展4個層面構建城市群空間擴張驅動因子指標體系。財政赤字率（財政赤字額與財政收入的比值）反映政府對社會經濟建設的投入水平，城鎮化率、建設用地利用率（單位建設用地上二三產業產值）和城市區位則表達城鎮化水平，城市區位是城市戰略地位的虛擬變量，將省會、直轄市、沿海開放城市、經濟特區城市以及國家級新區城市的區位值設定為1，其他城市為0。城市群空間聯系的增強往往加劇了社會經濟活動，本文在城市群尺度上選取經濟聯系吸引力和外向功能輻射力作為反映城市間空間聯系和相互作用的指標（表1）。

圖1 多層次城市群擴張影響機制研究框架

表1 城市群建設用地變化影響因素指標體系

1）經濟聯系吸引力。本文借助引力模型來表達城市間的經濟聯系，即

式中，Ej為城市j的經濟聯系吸引力值；Eij為城市i、j的經濟聯系強度；Pi、Pj為兩城的非農人口；Gi、Gj為兩城的二三產業GDP之和；Dij為城市間的歐式距離。

2）外向功能輻射力。各城市間的人口、信息、資金、物資、技術等空間流在城市外向功能作用下進行著頻繁、雙向或多向的流動，這些空間上的轉移即為城市流。城市流強度則是城市流的量化表現[16]，公式為：

式中，Fi、Ni分別為城市i的城市流強度和功能效率，以從業人員人均GDP表征功能效率；Eij為城市i部門j的外向功能量；Ei為m個部門的總外向功能量；Gij、Gi、Gj、G分別為城市i部門j的從業人員數、城市i的從業人員數、全國部門j的從業人員數以及全國從業人員總數；Lqij為城市i部門j的區位熵，若Lqij＞1，則說明城市i部門j屬于全國范圍內的外向服務部門。

1.2.2 HLM

HLM本身是嵌套結構，首先基于第一層解釋變量構建方程，再以截距和斜率為下一層次方程的因變量。本文從城市、城市群兩個尺度選取空間擴張的驅動因子構建完整條件模型，則有：

式中，Level-1為城市尺度方程；Level-2為加入城市群尺度驅動因子的方程；xij、w0j為第一層和第二層的特征變量；β0j為Level-1方程的截距；rij、y00、u0j均為隨機誤差項。

1.2.3 模型有效性檢驗

有效性檢驗包括組間系數檢驗和回歸方程解釋能力檢驗，可構建零模型和半條件模型來驗證完整模型的有效性。

1）零模型，即方程中不設自變量，僅討論因變量數據的自身層次性。計算零模型中的組間系數，可了解數據的層次性與因變量之間的關聯強度。當組間系數≥0.059時，可認為因變量所具有的尺度效應不可忽視；而當組間系數≥0.138時，則可認為因變量與組間關聯高度相關，必須考慮層次效應，則有：

式中，β0j為Level-1方程的截距；rij、y00、u0j均為隨機誤差項。

2）半條件模型，即僅在單一層次設置自變量，對比其與完整模型結果中方差解釋占比、自變量顯著性等的差異，可進一步驗證完整模型合理性，即

式中，x0j為Level-2的特征變量；β0j為Level-1方程的截距；rij、y00、u0j均為隨機誤差項。

2 研究結果與分析

2005年我國主要城市群建設用地總面積約為100 799.34 km2，占研究區總面積的5.67%；而2015年這一數據增長為7.26%，建設用地總面積為129 091.96 km2，10 a間城市建設用地快速擴張了28 292.62 km2。截至2015年，京津冀和山東半島城市群建設用地面積已超過20 000 km2。從建設用地變化量來看，2005－2015年長三角和京津冀城市群增長了超過6 000 km2的建設用地，而關中、海峽西岸城市群僅增長近1 000 km2的建設用地。

對比各城市群土地利用結構可知，2015年京津冀、珠三角、長三角、山東半島以及中原城市群建設用地占行政區總面積的比例均超過10%，其中山東半島城市群高達18.16%，土地城鎮化水平較高；而長江中游、成渝、哈長以及關中城市群建設用地占比較低，不及5%，如圖2所示。

圖2 2005－2015年主要城市群建設用地面積

2.1 城市群擴張影響機制尺度分異

本文顧及土地利用數據嵌套結構以及城市群空間交互作用，構建了包含零模型、半條件模型以及完整模型的全國主要城市群建設用地變化HLM，以探討建設用地變化影響因子在城市和城市群雙重尺度上的驅動作用。模型輸出結果包括隨機效應方差估計值、模型擬合程度以及固定效應估計值3個部分。

由零模型結果可知，組間系數為0.508，遠大于0.138，說明全國主要城市群建設用地變化存在明顯的尺度效應，建設用地變化量與城市群尺度存在高度關聯關系。由半條件模型結果可知，若僅以城市尺度作為自變量，85.98%的建設用地變化可被解釋變量所解釋，且城鎮人口規模、第一產業GDP、第二產業GDP、外商投資、財政赤字率、產業結構調整、建設用地利用率和城市區位8個影響因子通過了顯著性檢驗。在添加了城市群尺度兩個空間交互因子的完整模型中，解釋變量占比提高至87.00%，隨機效應方差出現了一定程度的消減，除上述8個影響因子外，城市群尺度的經濟聯系吸引力和外向功能輻射力也通過了顯著性檢驗。由完整模型結果可知，城市群建設用地變化驅動因子是多方面的，在人口、經濟、政府服務、城鎮化水平與城市群空間聯系上均有反映，其中城市尺度的城鎮人口規模、第一二產業GDP、產業結構調整、城市區位等5個指標與城市群建設用地變化呈正相關關系，外商投資、財政赤字率、建設用地利用率等3個指標與城市群建設用地變化呈顯著負相關關系；城市群尺度的經濟聯系吸引力與建設用地變化呈正相關關系，而外向功能輻射力則與之呈顯著負相關關系。

表2 全國城市群建設用地變化HLM結果

2.2 研究結果分析

隨著城鎮化進入新的發展階段，城市間的協同發展關系增加了城市空間擴張過程的復雜性。零模型結果表明城市建設用地變化存在尺度效應，與半條件模型相比，完整模型結果中的解釋變量占比得到了提升，隨機效應方差得到了消減，顯著的解釋變量個數也得到了增加，說明本文采用HLM方法討論城市群建設用地變化影響機制問題具有合理性和有效性。

在城市尺度上，城市建設用地增加的正向驅動因素較多，如城鎮人口增長將導致建設用地面積的增加，城鎮人口催生的住房、基礎設施等需求都是開發城市建設用地的動因；經濟產值的增加將刺激建設用地的增加，相關產業的經濟發展離不開建設用地的基礎條件支撐；產業結構的優化調整必然導致建設用地的增加，產業發展涉及的住宅用地、商服用地、公共設施等都是建設用地增加的直接刺激；城市區位條件同樣是刺激建設用地擴張的一大動因，戰略地位直接關系到城市的長遠發展，良好的區位條件和政策傾向促進其城鎮化水平進一步提升。另一方面，城市建設用地的增加也存在一些負向的阻力，如隨著經濟全球化的日漸深入，世界經濟對我國的城鎮化質量、營商環境等提出了更高的要求，在注重城市開發與生態用地、耕地平衡的同時也在一定程度上抑制了建設用地的快速擴張；財政赤字的增長也限制了建設用地的增加；此外城市用地集約利用也是有效減少建設用地增加的手段。

城市群尺度的兩個空間交互作用影響因子均對城市群建設用地變化產生了顯著影響，其中經濟聯系吸引力對建設用地增加有正向驅動作用，而外向功能輻射力的增加則會給城市擴張帶來阻力。區域間經濟聯系的增強對城市間交通、通信等基礎設施建設提出了更高的要求，空間上經濟活動的往來在一定程度上促進了城市建設用地的擴張；隨著區域中勞動力和產業等要素的空間集聚，處于城市流流入水平的城市往往建設用地的利用率更高，土地的集約利用有效緩解了建設用地擴張的巨大需求，促進了用地格局的穩定。同時，多數處于城市流流出水平的城市擴張需求有限，且可能更多地承擔起了區域內耕地保護的任務，交互作用下的土地流轉使得這一部分城市的建設用地增長受到了限制。

3 結 語

本文構建了城市群HLM，探討了城市群空間擴張的內在機理。研究結果表明，在城市尺度上，人口規模與經濟發展因素能刺激建設用地面積的增加，城市區位條件和戰略地位也是城鎮化水平提升的正向因素；而政府財政赤字的增加往往對建設用地擴張造成阻礙。城市群尺度的兩個空間交互作用影響因子均對城市群建設用地變化產生了顯著影響，其中經濟聯系吸引力對建設用地增加有正向驅動作用，而外向功能輻射力的增加則會給城市擴張來帶阻力。

新時期的社會發展對土地利用格局提出了新的要求，本文研究表明城市進入協同發展階段后，建設用地擴張在不同尺度有著或促進或抑制的影響因素，深刻認識當下建設用地增長的多尺度驅動機制，對協調平衡經濟發展與國土安全具有重大意義。