桂林市城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張及驅(qū)動因子分析

張軍民，肖麗梅，李慶改，姜 冉，李昱橋

（廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，廣西 桂林 541000）

1 引言

城市擴(kuò)張是一個地域空間過程，既顯示城市規(guī)模、形態(tài)空間拓展，也表征城市功能、作用動態(tài)演進(jìn)，本質(zhì)上是人地關(guān)系地域系統(tǒng)的空間表達(dá)，除內(nèi)在（向）的人口、要素及產(chǎn)業(yè)空間集散運動外，還包括各城鎮(zhèn)間的物質(zhì)、能量、信息交換[1-2]，其最直接的動因和表征就是城鎮(zhèn)體系土地利用變化引起的空間關(guān)系、過程、格局及效益的變化。

2012年發(fā)布的未來地球計劃（Future Earth, FE）認(rèn)為城市化過程的閾值、風(fēng)險、臨界點是城鎮(zhèn)化研究的前沿問題[3]；2013年“未來地球在中國”國際會議將“亞洲城市化對區(qū)域環(huán)境、社會影響研究”列為需要最優(yōu)先解決的重大問題；2014年國際科學(xué)聯(lián)盟發(fā)布了“未來地球2025愿景（Future Earth 2025 Vision）”將城市化與區(qū)域環(huán)境交互脅迫列為重要研究領(lǐng)域等[4]，城市空間擴(kuò)張及其協(xié)同治理等逐漸式微，全球化和信息化背景下，城市群主體地位愈加突顯，重構(gòu)城市體系功能結(jié)構(gòu)成為新的研究熱點[5]。

國內(nèi)研究以借鑒發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗解決中國現(xiàn)實問題為主，注重問題導(dǎo)向、政策引領(lǐng)及實證分析。在新經(jīng)濟(jì)地理學(xué)、時空間結(jié)構(gòu)、空間自組織等系統(tǒng)理論，及空間分析、系統(tǒng)動力學(xué)、元胞自動機(jī)、GIS集成方法等方面取得進(jìn)展，形成了“三生”空間、生態(tài)紅線、空間均衡、格局優(yōu)化等中國特色理論及方法[2，6-9]；學(xué)界和政府都認(rèn)識到在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)的背景下，中國城鎮(zhèn)化空間發(fā)展普遍存在盲目擴(kuò)張、無序漫延、低質(zhì)競爭等規(guī)模膨脹、空間失衡問題，由此帶來了一系列嚴(yán)重的社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境問題[10]。調(diào)整優(yōu)化城鎮(zhèn)體系用地結(jié)構(gòu)，推進(jìn)空間擴(kuò)張新舊動能內(nèi)涵式高質(zhì)量轉(zhuǎn)化，成為新時代縮小區(qū)域和城鄉(xiāng)發(fā)展差異、實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興和共同富裕的重要議題[11]。研究對象和范圍主要是發(fā)展成熟的發(fā)達(dá)城鎮(zhèn)群，包括京津冀、長三角、珠三角城市群[12]及武漢[13]、長株潭[14]等城市群。研究方法主要用人口、經(jīng)濟(jì)、社會、政策、生態(tài)等功能要素構(gòu)建擴(kuò)張強(qiáng)度、空間差異、等級規(guī)模等分析指標(biāo)，以社會統(tǒng)計、土地利用、遙感識別為數(shù)據(jù)驅(qū)動，以GIS空間分析、景觀格局和數(shù)理統(tǒng)計為方法原理[15]，研究城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張過程、格局及其驅(qū)動力，剖析其對區(qū)域發(fā)展和空間均衡的影響等。如用擴(kuò)張強(qiáng)度反映空間擴(kuò)張速度和方向，用緊湊度、分形維數(shù)、重心指數(shù)等反映空間形態(tài)變化等，用空間作用強(qiáng)度測度城市對腹地的輻射作用[16]，用引力模型計算空間作用關(guān)系，用空間句法模型識別空間擴(kuò)張方向及趨勢[17]；基于社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)融合的非參數(shù)建模方法，被廣泛應(yīng)用于定量識別及仿真模擬[18]。

總體上，現(xiàn)有研究主要基于城市用地擴(kuò)大和人口—土地關(guān)系變化展開，關(guān)注城市空間擴(kuò)張和邊界拓展等規(guī)模、形態(tài)屬性，著眼于特定城鎮(zhèn)群或單一城市空間聯(lián)系和交互作用的團(tuán)組特征及層級分異，對城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張的地域特征缺少一般性解釋和概括，忽視了基于區(qū)域一體化和空間一致性的實證分析，缺少對時空分異耦合協(xié)調(diào)及其驅(qū)動脅迫的機(jī)理研究，對城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張的多要素均衡、多功能協(xié)同及其空間異質(zhì)性缺少深入分析。本文基于新時代統(tǒng)籌城鄉(xiāng)一體、空間均衡協(xié)調(diào)發(fā)展理論，以桂林市及其所轄12個縣（市）為研究單元，以中心城市桂林市為核心構(gòu)建城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張分析模式，將城鎮(zhèn)化空間擴(kuò)張納入?yún)^(qū)域城鎮(zhèn)化高質(zhì)量健康發(fā)展視域。用城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長表征空間擴(kuò)張，從規(guī)模擴(kuò)大、形態(tài)分異、人地協(xié)同三個維度測度空間擴(kuò)張強(qiáng)度及其交互作用關(guān)系，并構(gòu)建人地關(guān)系協(xié)同性多元時空分析評價模式，用統(tǒng)計分析、空間插值、探索性空間分析方法模擬時空分異模式，用地理探測器分析空間擴(kuò)張驅(qū)動因子，綜合識別桂林市空間擴(kuò)張地域特征及類型分異，以期為優(yōu)化地級市城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)提供實證依據(jù)。

作為國家城鎮(zhèn)體系網(wǎng)絡(luò)的一個重要層級節(jié)點，地級市是現(xiàn)階段我國相對穩(wěn)定的行政管理單位，在統(tǒng)籌城鄉(xiāng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的現(xiàn)實職能，其所管轄的縣域是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的基本空間單元和載體[19]。因此，以地級市為核心的城鎮(zhèn)體系，是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展、優(yōu)化要素資源配置、落實鄉(xiāng)村振興政策的基本空間組織，在構(gòu)建雙循環(huán)驅(qū)動新格局的新時代，重構(gòu)地級市城鎮(zhèn)體系空間格局及功能屬性，是推進(jìn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、鄉(xiāng)村振興和共同富裕的基礎(chǔ)性工程，也是培育多元化城鎮(zhèn)群空間極化功能的重要層級。

2 研究區(qū)概況及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

桂林市位于廣西壯族自治區(qū)東北部、南嶺山系西南部、湘桂走廊南端。地理位置東經(jīng)109°36′50″～111°29′30″、北緯24°15′23″～26°23′30″之間，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為18.9 ℃，年平均降雨量1 949.5 mm，氣候高溫多雨、四季分明、雨熱同期。地處桂林—陽朔巖溶盆地北端中部，四周環(huán)山、西高東低，地形中部北部及東南部高，中部較低，以中低山丘陵地貌為主，屬典型的巖溶地貌，巖溶峰林與孤峰平原、河谷階段相間分布，平均海拔150 m，最高峰越成嶺主峰貓兒山海拔2 141.5 m，最低處平樂縣97 m，森林覆蓋率高達(dá)55.3%～78.8%。

桂林市是世界著名風(fēng)景旅游城市和歷史文化名城，毗鄰湖南省、廣東省，是桂北政治經(jīng)濟(jì)文化科教中心。全市轄6個城區(qū)和陽朔、靈川、全州、興安、永福、灌陽、龍勝、資源、平樂、恭城10個縣和荔浦市，總面積2.78萬km2，占廣西總面積的11.74%。2020年全市生產(chǎn)總值（GDP）2 130.41億元，其中第一、二、三產(chǎn)業(yè)增加值分別為484.45億元、486.48億元、1 159.47億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為22.8%、22.8%、54.5%，全市戶籍總?cè)丝?40萬人，有壯、瑤、苗、侗等十多個少數(shù)民族①數(shù)據(jù)來源于https://www.guilin.gov.cn。。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

圖1 桂林市域及城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間擴(kuò)張F(tuán)ig.1 Guilin city area and its spatial expansion of urban construction land

本文社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于歷年《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國縣（市）統(tǒng)計年鑒》、《中國城市統(tǒng)計年鑒》、《廣西統(tǒng)計年鑒》及廣西各縣（市）統(tǒng)計年鑒。2000年、2010年、2020年三期土地利用數(shù)據(jù)來源于國家自然資源部提供的30 m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)源（www.globallandcover.com）；以桂林市及其所轄11個縣域行政區(qū)為空間分析單元，提取桂林市及所轄12個市（縣）（城鎮(zhèn)體系）建設(shè)用地數(shù)據(jù)?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)來源于中國國家基礎(chǔ)地理信息中心（http://ngcc.sbsm.gov.cn）和地理空間數(shù)據(jù)云（www.gscloud.cn）。

首先將各城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積及協(xié)同要素、驅(qū)動要素等變量通過標(biāo)準(zhǔn)化處理后計算階段性變量，用階段性變量的比值計算擴(kuò)張強(qiáng)度、擴(kuò)張形態(tài)及協(xié)同性、驅(qū)動作用等分析指標(biāo)，以消除各數(shù)據(jù)計量單位及各城鎮(zhèn)規(guī)模、等級的差異，用SPSS非參數(shù)關(guān)聯(lián)方法檢驗因子的獨立性，用ArcGIS自然斷點法進(jìn)行分類識別及可視化分析，用ArcGIS反距離權(quán)重插值法研究各要素的空間分異格局，用地理探測器模型探測各要素相互作用關(guān)系及其變化規(guī)律。

高質(zhì)量城鎮(zhèn)化需要城鎮(zhèn)化空間擴(kuò)張與土地集約利用及投入產(chǎn)出水平，提高城鎮(zhèn)空間的人口、經(jīng)濟(jì)、社會密度和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，不斷提升城鎮(zhèn)空間的承載力和集約化水平。因此，選擇城鎮(zhèn)人口、生產(chǎn)總值（GDP）、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入代表人口、經(jīng)濟(jì)、社會協(xié)同因子?？紤]到桂林市域?qū)俚湫偷膸r溶地貌和丘陵地形，山多地少、植被茂密，耕地資源匱乏；圍繞保障山水林草田湖共同體的國家生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，選擇耕地面積作為生態(tài)協(xié)同因子，通過比較城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張與協(xié)同因子擴(kuò)張強(qiáng)度計算協(xié)同系數(shù)，客觀反映人地關(guān)系協(xié)調(diào)狀況（表1）。

表1 協(xié)同因子Tab.1 Synergy factors

影響城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張的因素復(fù)雜多樣，需要根據(jù)區(qū)域發(fā)展條件和階段、類型進(jìn)行綜合選擇。桂林市各城鎮(zhèn)自然環(huán)境基礎(chǔ)及土地類型結(jié)構(gòu)基本相同，都屬典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候和巖溶地貌，地勢起伏、人多地少，自然基礎(chǔ)基本相同。因此，本文主要選擇人口及社會、經(jīng)濟(jì)要素作為驅(qū)動因子。城鎮(zhèn)化率是影響城鄉(xiāng)人口遷移并推動用地擴(kuò)張的直接動因；人均GDP綜合體現(xiàn)了要素投入和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出水平，經(jīng)濟(jì)發(fā)展是推進(jìn)城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張的主要因素；第二、三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重反映了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平及其轉(zhuǎn)型升級潛力，直接影響城鎮(zhèn)土地需求能力；人均社會消費品零售總額反映了城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的市場化水平、國內(nèi)外分工職能，綜合影響城鎮(zhèn)市場發(fā)育和土地交易能力；人均耕地面積、交通網(wǎng)密度、到中心城市的距離等，都是城鎮(zhèn)擴(kuò)張的最直接的限制或影響因子。同時，為消除變量間量綱及性質(zhì)差異，變量值都取比例或人均、地均數(shù)值并經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后用于計算與分析（表2）。

表2 驅(qū)動因子Tab.2 Driving factors

2.3 研究方法

2.3.1 空間擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)

用單位時間、單位面積城鎮(zhèn)用地或變量的擴(kuò)張速率表達(dá)變量的變化強(qiáng)度：

式（1）中：SEIij為第i個城鎮(zhèn)第j個變量的空間擴(kuò)張強(qiáng)度（Spatial Expansion Intensity, SEI）；分別為變化后、變化前的變量值；Δt為研究階段。

2.3.2 形態(tài)擴(kuò)張指數(shù)

通過度量新增用地與原有用地的空間位置關(guān)系，可以直觀刻畫城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張的空間形態(tài)[10]。形態(tài)擴(kuò)張指數(shù)（Pattern Expansion Index, PEI）計算公式為：

式（2）中：PEIit為形態(tài)擴(kuò)張指數(shù)；Lit為（t-1）—t時段新增用地與原有用地的共有邊界長度Eit為新增用地的周長。據(jù)此可將用地形態(tài)擴(kuò)張分為三種類型：（1）PEI = 0為飛地型；（2） 0 ＜PEI≤0.5為漫延型；（3） 0.5 ＜PEI≤1為填充型。飛地型擴(kuò)張城鎮(zhèn)建設(shè)用地利用分散而無序，漫延型擴(kuò)張土地利用連綿而粗放，是城鎮(zhèn)化早期及加速發(fā)展階段的主要形態(tài)；填充型擴(kuò)張城鎮(zhèn)土地利用緊湊而集約，是城鎮(zhèn)化進(jìn)入成熟發(fā)展階段的主要擴(kuò)張形態(tài)。

2.3.3 協(xié)同性指數(shù)

高質(zhì)量城鎮(zhèn)化空間擴(kuò)張的目標(biāo)是提高城鎮(zhèn)用地的承載力和集約化水平。因此，用人口、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)等要素對建設(shè)用地擴(kuò)張的協(xié)同性來表征人地關(guān)系協(xié)同程度。協(xié)同性指數(shù)（Synergy Index, SI）反映了城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張與城鎮(zhèn)人口密度及社會經(jīng)濟(jì)密度變化間的對應(yīng)關(guān)系，可表征人地關(guān)系作用強(qiáng)度及其協(xié)同水平。

式（3）中：SIijt為第j個城鎮(zhèn)第i項協(xié)同因子第t年的協(xié)同指數(shù)；Xijt、Uijt分別為（t-1）—t階段的人口、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)因子及城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張強(qiáng)度。據(jù)此可將城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張的協(xié)同性分為三種類型：（1） 協(xié)同型（SI = 1）；（2） 擴(kuò)張型 （SI＞1）；（3） 收縮型（SI＜1）。高質(zhì)量城鎮(zhèn)化空間擴(kuò)張要求城鎮(zhèn)人口密度、經(jīng)濟(jì)財富、社會資本及生態(tài)質(zhì)量不斷提高，因此，SI值越大表明城鎮(zhèn)擴(kuò)張的協(xié)同性越好，城鎮(zhèn)化空間溢出效益及綜合協(xié)調(diào)能力越顯著，反之則越差。

2.3.4 反距離權(quán)重插值分析

反距離權(quán)重插值是根據(jù)空間單元的距離來估算空間點群平滑值的一種方法，待插值點的取值可用周圍若干距離內(nèi)樣點值的加權(quán)和來估算，其權(quán)重與兩點間距離成反比?？臻g任一點P的插值的計算公式定義[20]為：

式（4）中：P為待插值點P的取值；Zi為P點周圍點的屬性值；Wi為周圍點對P點的權(quán)重值；i = 1，2，…，n，為點群樣本數(shù)。用ArcGIS空間分析中的反距離權(quán)重分析方法（IDW），分別選擇感興趣屬性為計算字段求得權(quán)重，輸出柵格大小為3 km，將IDW的冪值設(shè)定為缺省值2，搜索半徑類型選擇點數(shù)15。

2.3.5 地理探測器

地理探測器主要用于探測地理要素或地理現(xiàn)象的空間分層（分類）分異性特征及規(guī)律，以解決傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)無法完成的隨尺度變化而產(chǎn)生的空間依賴性、異質(zhì)性問題。它既可以度量空間結(jié)構(gòu)的分層異質(zhì)性，也可以探測空間分異格局，估計非線性空間因果關(guān)系[21]。一般用q值來度量分異因子X在多大程度上解釋了變量Y的空間分異。

式（5）中：i為因變量Y或因子X的分層（類）數(shù)；Ni和σi分別是i內(nèi)的空間單元數(shù)和方差；N和σ分別代表研究對象的單元數(shù)和方差。q值∈［0，1］，其值越大表示兩個變量空間分布越一致，自變量X對因變量Y發(fā)生空間分異的解釋力越強(qiáng)。

3 結(jié)果及分析

3.1 空間擴(kuò)張時空分異

3.1.1 時間變化特征

2000—2020年，全桂林市城鎮(zhèn)用地面積累計增加了197.152 km2，增長了177.43%，年均增長8.87%，總體上呈逐年增長趨勢；增量最大的桂林市面積增加了96.626 km2，占面積總增量的49.01%，而恭城縣、灌陽縣面積分別減少了0.424 km2和0.226 km2。其中，2000—2010年全桂林市城鎮(zhèn)面積共增加了24.633 km2，增長了22.16%，增量最大的桂林市面積增加了10.171 km2，占面積總增量的41.32%，最小的興安縣、永?？h分別減少了0.008 km2和0.000 4 km2。2010—2020年桂林市城鎮(zhèn)面積共增加了172.632 km2，增長了133.26%，增量最大的桂林市面積增加了86.45 km2，占總增量的50.11%，最小的灌陽縣、恭城縣分別減少了1.451 km2和0.425 km2。表明近20年全桂林市建設(shè)用地面積總體上呈現(xiàn)加速增長趨勢，中心城市桂林市面積擴(kuò)張最顯著，其面積增量占總增量的比例接近50%，且呈逐年上升之勢（圖2）。

圖2 桂林市建設(shè)用地面積及擴(kuò)張強(qiáng)度變化Fig.2 Changes of construction land area and expansion intensity in Guilin City

用式（1）計算擴(kuò)張強(qiáng)度可知，近20年全桂林市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張強(qiáng)度SEI累計212.82%，其中，SEI最大的靈川縣為49.57%，其次是桂林市（42.21%），二者合計占SEI總量的43.12%，而最小的恭城縣SEI僅為-1.75%。其中，2000—2010年桂林市SEI累計達(dá)到47.22%，最大的龍勝縣為12.32%，其次為陽朔縣（12.12%），最小的永福縣為-0.01%；2010—2020年SEI累計達(dá)到165.60%，最大的靈川縣為48.05%，其次為桂林市（40.92%），合計占總SEI的53.73 %，最小的灌陽縣、恭城縣僅為-5.92 %和-1.75 %。表明桂林市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張強(qiáng)度總體上呈穩(wěn)定增長趨勢，其中毗鄰桂林市并與桂林市高度一體化的靈川縣空間擴(kuò)張迅猛，中心城市桂林市空間擴(kuò)張也較顯著，其余城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張較平穩(wěn)，城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張穩(wěn)定地向中心城市集聚、收斂的趨勢明顯。

3.1.2 時空分異格局

用式（4）對各城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張強(qiáng)度進(jìn)行插值計算得到圖3。

圖3 城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張強(qiáng)度IDW插值Fig.3 Urban spatial expansion intensity and IDW differential values

2000—2010年桂林市各城鎮(zhèn)間空間擴(kuò)張強(qiáng)度SEI均值為3.94%，標(biāo)準(zhǔn)差5.13%，極差12.33%；龍勝縣、陽朔縣、全州縣、灌陽縣4個城鎮(zhèn)SEI大于平均值，而其他8個城鎮(zhèn)均小于平均值；SEI在龍勝縣、陽朔縣形成高值中心，在全州縣、灌陽縣形成次高值區(qū)域，其余城鎮(zhèn)低值連片。2010—2020年桂林市各城鎮(zhèn)間SEI均值為13.80%，標(biāo)準(zhǔn)差16.29%，極差53.97%，均顯著大于2000—2010年；其中，靈川縣、桂林市、陽朔縣、平樂縣4個城鎮(zhèn)SEI高于均值，其余8個城鎮(zhèn)都低于均值；SEI在靈川縣、桂林市形成高值中心，旅游資源豐富的陽朔縣、龍勝縣形成次高值區(qū)域，而周邊縣城低值連片。表明桂林市空間擴(kuò)張差異明顯，空間分異不斷擴(kuò)大，高值中心由散布在外圍小城鎮(zhèn)，轉(zhuǎn)向中心城市及其周邊城鎮(zhèn)，形成以中心城鎮(zhèn)為核心、產(chǎn)業(yè)發(fā)展及城鎮(zhèn)建設(shè)一體化驅(qū)動的點—軸空間聚集模式，桂林市的空間極化作用不斷增強(qiáng)，各城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張差異不斷擴(kuò)大，建設(shè)用地擴(kuò)張的空間聚集趨勢顯著。

3.2 景觀（形態(tài)）擴(kuò)張時空分異

用式（2）計算各階段桂林市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張形態(tài)變化，得到圖4。

圖4 城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of urban spatial expansion pattern

2000—2020年，全桂林市城鎮(zhèn)形態(tài)擴(kuò)張指數(shù)PEI均值為0.17，標(biāo)準(zhǔn)差為0.21，其中，永?？h、桂林市等4個城鎮(zhèn)0＜PEI＜0.5，為漫延型擴(kuò)張；平樂縣、陽朔縣等7個城鎮(zhèn)PEI = 0，為飛地型擴(kuò)張，只有靈川縣0.5＜PEI＜1，為填充型擴(kuò)張。2000—2010年，全桂林市PEI均值0.20，標(biāo)準(zhǔn)差0.21，其中，陽朔縣、龍勝縣等5個城鎮(zhèn)為飛地型擴(kuò)張，永?？h、桂林市等6個城鎮(zhèn)為漫延型擴(kuò)張，合計占城鎮(zhèn)總數(shù)的92%；靈川縣為填充式擴(kuò)張。2010—2020年，桂林市PEI均值為0.22，標(biāo)準(zhǔn)差為0.21，其中，靈川縣、興安縣等6個城鎮(zhèn)為漫延式擴(kuò)張，龍勝縣、荔浦市等4個城鎮(zhèn)為飛地式擴(kuò)張，陽朔縣、永?？h為填充式擴(kuò)張。由此看出：近20年桂林市城鎮(zhèn)景觀始終以飛地和漫延兩種擴(kuò)張形式為主，填充式擴(kuò)張類型極少，城鎮(zhèn)用地不斷外延擴(kuò)大，空間形態(tài)缺乏緊湊，城鎮(zhèn)發(fā)展總體上處于外延式漫延擴(kuò)張階段。需要進(jìn)一步強(qiáng)化老城區(qū)改造、主城區(qū)集約、中心空間極化等內(nèi)涵擴(kuò)張，不斷提高城鎮(zhèn)空間形態(tài)的緊湊性、集中性，培育城鎮(zhèn)體系空間極化增長點和密植區(qū)，提高城鎮(zhèn)化的空間聚集強(qiáng)度。

3.3 城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張的協(xié)同性分析

用式（3）計算各協(xié)同因子與城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張的協(xié)同指數(shù)，并用專題制圖法表達(dá)其與空間擴(kuò)張的關(guān)系。

3.3.1 人口—土地協(xié)同性時空分異

2000—2020年，人口協(xié)同指數(shù)SI平均值為4.81，標(biāo)準(zhǔn)差為5.92，其中，龍勝縣、資源縣等9個城鎮(zhèn)SI＞1，占城鎮(zhèn)數(shù)量的75%，平樂縣、靈川縣、桂林市等3個城鎮(zhèn)的SI＜1，大部分城鎮(zhèn)人口增長快于土地擴(kuò)張。2000—2010年，SI平均值2.86，標(biāo)準(zhǔn)差5.43，其中龍勝縣、陽朔縣等8個城鎮(zhèn)SI＞1，占城鎮(zhèn)數(shù)量的67%，為人口增長快于土地擴(kuò)張的集約型城鎮(zhèn)；桂林市、全州縣等4個城鎮(zhèn)SI＜1，為人口增長慢于土地擴(kuò)張的漫延型城鎮(zhèn)。2010—2020年，SI平均值4.51，標(biāo)準(zhǔn)差8.40，明顯大于2000—2010年，其中，資源縣等7個城鎮(zhèn)SI＞1，占城鎮(zhèn)數(shù)量的58%多，而擴(kuò)張強(qiáng)度較大的桂林市、靈川縣SI＜1，人口協(xié)同性與空間擴(kuò)張分布倒置。表明近20年桂林市城鎮(zhèn)人口協(xié)同指數(shù)總體上呈增大趨勢，大部分城鎮(zhèn)人口增長快于土地擴(kuò)張，城鎮(zhèn)人口密度及承載力趨于提高，人口城鎮(zhèn)化效率及空間溢出效益不斷提升，但城鎮(zhèn)間協(xié)同性的空間差異不斷擴(kuò)大，桂林市土地擴(kuò)張始終快于人口增長，人口城鎮(zhèn)化效率趨于降低，中心城市集聚人口、提質(zhì)增效的極化、帶動作用不顯著（圖5）。

圖5 人口協(xié)同性時空分異Fig.5 Spatial-temporal differentiation in population synergy

3.3.2 經(jīng)濟(jì)—土地協(xié)同性

2000—2020年，桂林市經(jīng)濟(jì)協(xié)同指數(shù)SI平均值20.23，標(biāo)準(zhǔn)差43.06；其中，恭城縣、龍勝縣等11個城鎮(zhèn)SI＞1，約占城鎮(zhèn)數(shù)量的92%，靈川縣為0.86，絕大部分城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快于空間擴(kuò)張。2000—2010年，桂林市SI平均值14.12，標(biāo)準(zhǔn)差24.88，其中，恭城縣、龍勝縣、陽朔縣等10個城鎮(zhèn)協(xié)同指數(shù)＞1，約占城鎮(zhèn)總數(shù)的84%，經(jīng)濟(jì)增長顯著快于土地擴(kuò)張；而資源縣、桂林市協(xié)同指數(shù)＜1，經(jīng)濟(jì)增長滯后于土地擴(kuò)張。2010—2020年，桂林市SI平均值1.82，標(biāo)準(zhǔn)差1.60，顯著小于2000—2010年，其中，資源縣、灌陽縣等7個城鎮(zhèn)SI＞1，約占城鎮(zhèn)總數(shù)的59%，靈川縣、平樂縣等4個城鎮(zhèn)SI＜1。表明近20年桂林市城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)與土地擴(kuò)張不均衡，絕大部分城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)增長快于土地擴(kuò)張，城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)密度及土地承載力不斷提高，城鎮(zhèn)化經(jīng)濟(jì)效益及空間溢出十分明顯，城鎮(zhèn)間協(xié)同性空間差異較大，但城鎮(zhèn)擴(kuò)張的經(jīng)濟(jì)效益趨于減弱，空間差異趨于減小；桂林市協(xié)同指數(shù)小而漸微，城市擴(kuò)張強(qiáng)度與協(xié)同性分布不一致，中心城市經(jīng)濟(jì)規(guī)模集聚、輻射帶動的空間極化作用不顯著（圖6）。

圖6 經(jīng)濟(jì)協(xié)同性時空分異Fig.6 Spatial-temporal differentiation in economic synergy

3.3.3 社會—土地協(xié)同性

2000—2020年，社會協(xié)同指數(shù)SI平均值7.12，標(biāo)準(zhǔn)差11.26；龍勝縣等10個城鎮(zhèn)SI＞1，靈川縣、桂林市SI＜1，絕大部分城鎮(zhèn)社會發(fā)展快于土地擴(kuò)張。其中，2000—2010年間社會協(xié)同指數(shù)SI平均值6.76，標(biāo)準(zhǔn)差13.37；龍勝縣、陽朔縣等11個城鎮(zhèn)SI＞1，約占城鎮(zhèn)總數(shù)的92%，僅資源縣SI＜1。2010—2020年SI平均值2.02，標(biāo)準(zhǔn)差1.89；資源縣、灌陽縣等7個城鎮(zhèn)SI＞1，約占城鎮(zhèn)總數(shù)的59%，桂林市、靈川縣等5個城鎮(zhèn)SI＜1。表明桂林市絕大部分城鎮(zhèn)社會發(fā)展快于土地擴(kuò)張，城鎮(zhèn)化空間擴(kuò)張的社會效益較高，協(xié)同性空間差異較大，但增勢趨緩；桂林市社會協(xié)同指數(shù)較低且增長緩慢，擴(kuò)張強(qiáng)度與協(xié)同性分布不一致，中心城市在城鄉(xiāng)均衡發(fā)展中的集聚增長和輻射帶動作用不顯著（圖7）。

圖7 社會協(xié)同性時空分異Fig.7 Spatial-temporal differentiation in social synergy

3.3.4 生態(tài)—土地協(xié)同性

2000—2020年，生態(tài)協(xié)同指數(shù)SI平均值1.33，標(biāo)準(zhǔn)差2.26；其中龍勝縣等4個城鎮(zhèn)協(xié)同指數(shù)略＞1，資源、荔蒲市等8個城鎮(zhèn)＜1，占城鎮(zhèn)數(shù)量的67%，絕大部城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張導(dǎo)致生態(tài)質(zhì)量下降。2000—2010年SI平均值2.74，標(biāo)準(zhǔn)差5.67；其中，興安縣、永?？h等10個城鎮(zhèn)協(xié)同指數(shù)＜1，約占城鎮(zhèn)總數(shù)的74%，龍勝縣、陽朔縣＞1。2010—2020年SI平均值為0.88、標(biāo)準(zhǔn)差為0.81，顯著小于2000—2010年；其中，全州縣、荔蒲市等9個城鎮(zhèn)協(xié)同指數(shù)＜1，資源縣、灌陽縣等3個城鎮(zhèn)＞1。表明桂林市城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與土地擴(kuò)張不相協(xié)同，近20年絕大多數(shù)城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張的生態(tài)效益降低，城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境趨向退化，各城鎮(zhèn)協(xié)同性差異不大；桂林市、靈川縣等擴(kuò)張強(qiáng)度較大的城鎮(zhèn)，其協(xié)同指數(shù)均較小，中心城市空間擴(kuò)張與生態(tài)保育極不協(xié)調(diào)，城鎮(zhèn)化生態(tài)效益普遍較低，中心城市在高質(zhì)量綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型中的極化用不顯著（圖8）。

圖8 生態(tài)協(xié)同性時空分異Fig.8 Spatial-temporal differentiation in ecological synergy

3.4 驅(qū)動因子分析

（1） 主驅(qū)動因子探測。選擇2000—2010年、2010—2020年兩個階段的擴(kuò)張強(qiáng)度數(shù)據(jù)，用式（5）地理探測器計算影響桂林市SEI空間分異的各類驅(qū)動因子貢獻(xiàn)率（q值），通過比較q值大小可以識別各因子對SEI分異的重要性程度。

分析表3可以看出：2000—2010年，各因子對桂林市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張分異的影響較小、差異不大，其解釋力q值變化范圍在0.06～0.21之間；按q值從大到小排序為：第二產(chǎn)業(yè)占比、人均耕地面積、距離中心城市距離、城鎮(zhèn)化率、交通網(wǎng)密度、人均GDP、三產(chǎn)占比、人均社會商品零售總額，解釋力最強(qiáng)的第二產(chǎn)業(yè)占比q值為0.21。桂林市各城鎮(zhèn)第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展都相對滯后，其占GDP的比重小于30%，但第二產(chǎn)業(yè)對工業(yè)化水平及財政收入、居民收入、市場發(fā)育等城鎮(zhèn)化功能影響較大，其本身又有較大的用地需求，因此，第二產(chǎn)業(yè)對桂林市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張分異的解釋力最強(qiáng)；居第二位的人均耕地面積q值為0.21。桂林市各城鎮(zhèn)山多地少，人均耕地面積小于0.6畝，因此耕地面積成為城鎮(zhèn)擴(kuò)張的重要限制因子。其余各因子對擴(kuò)張強(qiáng)度空間分異的解釋力都較小。

表3 2000—2020年空間擴(kuò)張因子探測Tab.3 Spatial expansion factors detection in 2000-2020

2010—2020年，各因子對桂林市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張分異影響的解釋力q值變化范圍在0.08～0.70之間，各因子對SEI分異的空間依賴性明顯增強(qiáng)。q值由大到小排序為：人均耕地面積、人均消費品零售總額、二產(chǎn)占比、距離中心城市距離、人均GDP、城鎮(zhèn)化率、三產(chǎn)占比、交通網(wǎng)密度。人均耕地面積對SEI分異的解釋力最強(qiáng)，超過70%，上升為主要驅(qū)動因子；其次是人均消費品零售總額，其解釋力也超過50%，市場發(fā)育水平和活躍程度成為重要的驅(qū)動因子；第三位是第二產(chǎn)業(yè)占比，其對SEI分異的解釋力超過46%，仍然是主要驅(qū)動力，其余因子解釋力相對較弱。

總體上，近20年各因子對桂林市城鎮(zhèn)化SEI影響的空間依賴性弱于異質(zhì)性，但依賴性漸趨增強(qiáng)。各因子對SEI空間分異的解釋力變化具有緩慢的集聚、收斂空間轉(zhuǎn)移特征：近20年，人均耕地面積、人均消費品零售總額、第二產(chǎn)業(yè)占比等三個因素，始終是桂林市SEI空間分異的核心驅(qū)動力，其解釋力占總解釋力的比例由2000—2010年的44.76%，上升到2010—2020年的65.23%，驅(qū)動作用向這三個因子收斂的趨勢顯著；各驅(qū)動因子對空間分異的解釋力趨于增強(qiáng)，其中，增強(qiáng)最顯著的是人均消費品零售總額、人均耕地面積、人均GDP、第二產(chǎn)業(yè)占比4個因子，近10年較前10年解釋力分別增強(qiáng)了8.5、3.5、3.3、2.2倍，距中心城市距離、三產(chǎn)占比、城鎮(zhèn)化率等三個因子也分別增強(qiáng)了1.8、1.3、1.2倍，表明各驅(qū)動因子對空間分異的影響不斷增強(qiáng)。

（2）交互作用探測。探測2000—2020年各因子交互作用對城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張解釋力的影響發(fā)現(xiàn)（表4），各因子交互作用后的q值最大值為0.93，最小值為0.32，均值為0.68，方差為0.025，均大于交互作用前的q值，其中53%的交互后q值大于交互前q值之和（表中黑體數(shù)字），因子交互作用為非線性增強(qiáng)關(guān)系，47%的交互作用為線性增強(qiáng)關(guān)系。表明任何兩個變量的交互作用都使q值明顯大于單因子獨立作用，城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張?zhí)幱诙嘁亟换ピ鰪?qiáng)驅(qū)動階段。

表4 2000—2020年各因子交互作用探測Tab.4 Interaction detection by factors in 2000-2020

其中，交互增強(qiáng)作用最顯著的是第三產(chǎn)業(yè)占比與其他因子的交互關(guān)系，其交互后的q值變化在0.32～0.89之間，其中87%的交互關(guān)系是非線性增強(qiáng)；其次是第二產(chǎn)業(yè)占比與其他因子的關(guān)系，其交互后的q值變化在0.93～0.56之間，其中71%的交互關(guān)系是非線性增強(qiáng)；第三位是人均消費品零售總額與其他因子的交互增強(qiáng)，其交互后的q值變化在0.86～0.58之間，其中71%的交互關(guān)系為非線性增強(qiáng)。表明各因子交互作用對桂林市SEI空間分異的影響顯著，其增強(qiáng)作用的空間依賴性大于空間異質(zhì)性。交互增強(qiáng)作用最顯著的是第三產(chǎn)業(yè)占比，第三產(chǎn)業(yè)是桂林市各城鎮(zhèn)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，其對其他要素變化的輻射帶動作用最明顯；其次是第二產(chǎn)業(yè)占比，第二產(chǎn)業(yè)是桂林市工業(yè)化的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，其變化必然增強(qiáng)其他因子對空間擴(kuò)張的影響強(qiáng)度。城鎮(zhèn)消費水平也明顯增強(qiáng)了各要素對桂林市空間擴(kuò)張的作用關(guān)系。

4 結(jié)論及討論

4.1 結(jié)論

基于城鎮(zhèn)體系結(jié)構(gòu)理論和城鄉(xiāng)均衡發(fā)展理念，從城鎮(zhèn)空間及形態(tài)擴(kuò)張、人口、經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)與土地擴(kuò)張協(xié)同性角度，用集成空間分析方法研究了桂林市城鎮(zhèn)化空間擴(kuò)張時空分異規(guī)律，并嘗試探測其主要驅(qū)動因子及其相互關(guān)系，主要得出以下結(jié)論：（1） 近20年全桂林市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張呈穩(wěn)定增長趨勢，中心城市桂林市及其毗鄰城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張顯著，城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張差異不斷擴(kuò)大，形成以中心城鎮(zhèn)為核心、產(chǎn)業(yè)發(fā)展及城鎮(zhèn)建設(shè)一體化驅(qū)動的點—軸空間聚集模式，城鎮(zhèn)體系空間極化作用不斷增強(qiáng)。（2） 桂林市城鎮(zhèn)體系以飛地和漫延兩種擴(kuò)張形態(tài)為主，城鎮(zhèn)用地不斷漫延擴(kuò)張，形態(tài)擴(kuò)張缺乏緊湊性。（3） 大部分城鎮(zhèn)人口、經(jīng)濟(jì)、社會擴(kuò)張都快于土地擴(kuò)張，城鎮(zhèn)化空間承載力及空間溢出效益不斷提高。但這種正向協(xié)同性趨向不斷減弱，城鎮(zhèn)化擴(kuò)張強(qiáng)度與協(xié)同性分布普遍不一致，城鎮(zhèn)間協(xié)同性的空間差異不斷擴(kuò)大；桂林市人口、經(jīng)濟(jì)、社會協(xié)同性始終較低，中心城市對協(xié)同性的極化增長和輻射帶動作用不顯著。與此相反，絕大部分城鎮(zhèn)生態(tài)退化快于土地擴(kuò)張，城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張的生態(tài)效益不高。（4） 影響桂林市城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張的主要因子是人均耕地面積、人均消費品零售總額、第二產(chǎn)業(yè)占比等三個因素；各因子對空間分異的解釋力趨于增強(qiáng)，人均消費品零售總額、人均耕地面積、人均GDP、第二產(chǎn)業(yè)占比4個因子增強(qiáng)最顯著；第三產(chǎn)業(yè)占比、第二產(chǎn)業(yè)占比因子對其它因子增強(qiáng)作用的影響最大。城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張的空間異質(zhì)性強(qiáng)于依賴性，其變化特征具有空間集聚、收斂特征。

4.2 討論

以地級市為中心的城鎮(zhèn)管理體制是中國城鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)體系中的基礎(chǔ)節(jié)點，承擔(dān)著傳遞國家級城鎮(zhèn)群先進(jìn)產(chǎn)能、輻射帶動鄉(xiāng)村振興的紐帶職能，是統(tǒng)籌城鎮(zhèn)空間發(fā)展、實現(xiàn)城鄉(xiāng)共同富裕的重要載體。但現(xiàn)有研究主要集中在國家層面或發(fā)達(dá)地區(qū)城鎮(zhèn)群的空間擴(kuò)張及其分異規(guī)律，關(guān)注到地級市（域）作為行政職能和政策實施基本單元的社會職能，少有從一體化和協(xié)同性角度研究其空間擴(kuò)張規(guī)律及時空分異機(jī)理，需要豐富各級各類城鎮(zhèn)體系的研究內(nèi)涵，完善地域特色城鎮(zhèn)體系的分工協(xié)作，強(qiáng)化面向城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、鄉(xiāng)村振興、共同富裕的決策支持。

數(shù)量眾多且地域差異極大的市域城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)及分異格局遠(yuǎn)較典型城鎮(zhèn)群復(fù)雜多樣，但卻是中國新型城鎮(zhèn)化和共同富裕普遍面對的現(xiàn)實問題和政策主體，需要空間大數(shù)據(jù)支持和多學(xué)科技術(shù)手段共同解決。本文僅初步探討了巖溶地域城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張?zhí)卣?，受?shù)據(jù)來源及研究方法的限制，在指標(biāo)選擇、模型構(gòu)建及方法集成上都存在明顯的主觀性和片面性，未能挖掘并揭示出市域城鎮(zhèn)體系空間擴(kuò)張及協(xié)同發(fā)展面臨的深刻問題及內(nèi)在矛盾，更沒有觸及城鎮(zhèn)體系功能結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化配置等深層次規(guī)律，需要未來開展更深入的研究。