西安都市圈城市擴張時空演變及其影響因素研究

摘要：我國城市化快速發(fā)展的背景下，城市用地受到多種因素的影響，在時間和空間上都呈現出不同的演化特征。本文以西安都市圈為例，構建土地利用轉移矩陣，對西安都市圈2000 年、2010 年和2020 年的城市擴張進行研究，刻畫西安都市圈城市擴張時序與空間的演變特征。在此基礎上，采用地理探測器，對西安都市圈城市空間格局演化的影響因素進行分析。研究結果表明：（1）西安都市圈核心區(qū)城市建成區(qū)在30 年間，一直處于加速拓展趨勢，在2010 年之后，拓展速度不斷加快；而拓展強度卻先降后升，1990—2000 年期間，拓展強度超過100%，此時是加速拓展時期，由于城市建成區(qū)面積在前期已經達到較大基數，城市擴展速度在2000 年之后逐漸回落，2010—2020 年期間拓展強度緩慢提升。（2）西安都市圈核心區(qū)的空間擴展有明顯的階段性特征：跳躍擴展階段（2001—2005 年）、圈層填充階段（2006—2010 年）、全面拓展階段（2011—2015 年）、向西跨越階段（2016—2020 年）。（3）地理探測器單因子探測分析結果顯示，地方財政一般預算收入與城鄉(xiāng)居民收入差距指數對城鄉(xiāng)工礦建設用地占比的交互解釋度最大，為0.677；地方財政一般預算收入與其他因子的交互解釋度最大，均大于0.45；農林牧漁業(yè)總產值次之，均大于0.35。城鄉(xiāng)工礦建設用地占比主要受到地方財政一般預算收入、農林牧漁業(yè)總產值與其他因子共同推動。本文為研究西安都市圈城市空間格局的演變過程，揭示城市土地利用空間格局的影響機制提供理論依據。

關鍵詞：城市擴張；時空演變；影響因素；地理探測器；西安都市圈

中圖分類號：F293.22 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）03-0099-06

2019 年2 月19 日，《國家發(fā)展改革委關于培育發(fā)展現代化都市圈的指導意見》印發(fā)，其中明確指出，要大力培育和發(fā)展現代化都市圈，并在2035 年基本建成一批有國際影響的大都市區(qū)[1]。我國城市化進程中，以城市群、大都市區(qū)為代表的新型城鎮(zhèn)化主體，已成為支撐國家經濟增長，推動區(qū)域協調發(fā)展，培育區(qū)域競爭新優(yōu)勢的關鍵。大都市區(qū)是以超大城市或具有較強輻射帶動作用的大城市為核心，以1 小時通勤半徑為中心的新型城市化空間形態(tài)。因此對都市圈進行土地利用研究是促進國家現代化都市圈發(fā)展的重要途徑。

目前，土地利用研究大多集中在兩個領域：一是土地利用評價。關于土地利用的評價思路有兩種，第一種是構建社會、經濟、生態(tài)和綜合方面的評價指標體系，以調查統(tǒng)計數據為支撐，對土地利用狀況進行評價[2-3]。二是以土地利用類型和結構作為土地利用功能的分類基礎，借助遙感等技術手段，對不同時空格局進行分析[4-5]。在土地利用功能評價中，通常采用熵值法，主成分分析等[6]。土地利用的評價內容多維復雜化趨勢明顯，且時空演變機制分析受到較多關注，土地利用時空演變機制相關研究主要包括政策導向、經濟發(fā)展、人口增長、技術進步等多種因素，共同作用于土地利用系統(tǒng)，促進土地利用類型和空間格局變化[7-9]。同時，土地利用評估也開始從靜態(tài)到動態(tài)模擬轉型[10-13]。綜上所述，本文以西安都市圈為研究區(qū)，利用城市擴張與速率指數等方法，研究西安都市圈城市擴張的演變過程，采用地理探測器，揭示城市空間格局的影響機制，以期為西安都市圈可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

西安都市圈，范圍主要包括西安市全域（含西咸新區(qū)），咸陽市秦都區(qū)、渭城區(qū)、興平市、三原縣、涇陽縣、禮泉縣、乾縣、武功縣，銅川市耀州區(qū)，渭南市臨渭區(qū)、華州區(qū)、富平縣，楊凌示范區(qū)，行政范圍如圖1 所示。面積2.06 萬km2，2020 年底常住人口1802 萬人，地區(qū)生產總值約1.3 萬億元。截至2021 年年底，西安市有135個街道、37 個鎮(zhèn)、1325 個社區(qū)和1926 個行政村（以上數字均含西咸新區(qū)），有7 個國家級開發(fā)區(qū)（西安高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)、西安經濟技術開發(fā)區(qū)、西安曲江新區(qū)、西安浐灞生態(tài)區(qū)、西安閻良國家航空高技術產業(yè)基地、西安國家民用航天產業(yè)基地、西安國際港務區(qū)），并代管一個國家級新區(qū)，即西咸新區(qū)，總面積10752 km2，是我國中西部及內陸地區(qū)的文化中心、金融中心、教育中心、交通樞紐。《關中平原城市群發(fā)展規(guī)劃》對西安的定位是：國家中心城市，西部地區(qū)重要的經濟中心、對外交往中心、絲路科創(chuàng)中心、絲路文化高地、內陸開放高地、國家綜合交通樞紐。2022 年，年末全市常住人口1299.59 萬人。2022 年，全年地區(qū)生產總值（初步核算）11486.51 億元，按可比價格計算，比上年增長4.4%。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 城市擴展強度與速率指數

城市用地擴展的時序特征，一般采用擴展強度指數UEII（Urban Expansion Intensity Index）和擴展速率指數UERI（Urban Expansion Rate Index）來表征，分別代表著城市建成區(qū)的擴展強弱與擴展快慢[1 4-16]。其中，城市擴展強度指數、城市擴展速率指數分別如式（1）、式（2）：

2.1.2 地理探測器

地理探測器是一組探測地理空間分層異質性及其背后驅動力的統(tǒng)計學方法[17]，因其在處理混合類型數據時受到的前提制約較少，故廣泛應用于自然科學和經濟社會的影響因素研究中。該模型由分異及因子探測、交互作用探測、風險區(qū)探測和生態(tài)探測4 個模塊構成，本文主要應用分異及因子探測器和交互作用探測器。

（1）分異及因子探測：用于探測某地理因素Y 的空間分異性和某因子X 是否是形成該因素空間分異的驅動力，以及此因子的解釋力度q。為保障地理探測器模型的正常運轉，利用SPSS 中K 均值聚類法、分位數法等將數值型變量轉變?yōu)殡x散型變量。具體模型為：

（2）交互作用探測：識別不同因子Xi 疊加后的交互作用，即評估因子X1 和X2 共同作用時對因變量Y 解釋力的影響強弱及是否相互獨立，交互作用判據如表1 所示。

2.2 數據來源

2.2.1 空間數據

通過國家地理數據云網站分別獲取2000 年、2010 年、2020 年3 期Landsat ETM/OLI8 影像（成像時間為每年的6～9 月，空間分辨率為30 m）。利用遙感和地理信息軟件對3 期Landsat 遙感圖像采用三角網格法，通過雙線性內插進行幾何校正，校正精度優(yōu)于1 個像元，即30 m；進而在預處理的基礎上，采用監(jiān)督分類中的最大似然法和人機交互目視解譯法對城區(qū)建筑進行分類；然后利用空間分析模塊進行中心城區(qū)邊界提取，得到3 期柵格圖像，結合行政區(qū)劃、同期土地利用現狀數據將柵格圖像矢量化，獲得3 期中心城區(qū)邊界圖；最后，利用疊置分析功能對3 期影像進行疊加分析處理。

2.2.2 社會經濟數據

利用2001—2021 年《陜西省統(tǒng)計年鑒》和《西安市統(tǒng)計年鑒》中的人口、地區(qū)生產總值、人均消費等相關數據，并對相關缺失數據基于統(tǒng)計學原理進行缺失值處理。

3 研究結果

3.1 西安都市圈城市擴張時空特征

3.1.1 時序特征

1990 年、2000 年、2010 年、2020 年的西安都市圈核心區(qū)的城市建成區(qū)面積詳見表2。總體而言，西安都市圈核心區(qū)城市建成區(qū)在30 年間，一直處于加速拓展趨勢，在2010 年之后，拓展速度不斷加快；而拓展強度卻先降后升，1990—2000 年期間，拓展強度超過100%，此時是加速拓展時期，由于城市建成區(qū)面積在前期已經達到較大基數，城市擴展速度在2000 年之后逐漸回落，2010—2020 年期間拓展強度緩慢提升。

3.1.2 空間特征

城市擴展強度和擴展速度能較好地反映城市擴展的時序特征，但擴展模式缺乏直觀的反映。目前被國內學者廣泛認同的是城市空間擴展模式主要有4 種，分別是由內而外的外延型圈層擴展模式，沿主要交通軸線的帶狀擴展模式，跳躍擴展模式以及填充擴展模式。（1）圈層擴展模式多發(fā)生在平原或盆地地區(qū)，一般以主城區(qū)為核心，隨著經濟社會發(fā)展逐年向外圍分層擴展，單一的圈層擴展呈現出來的通常是圓環(huán)套圓環(huán)的“攤大餅”式發(fā)展。（2）沿交通主軸擴展模式多受城市地形的影響，城市沿河谷或山谷蔓延擴展，或是沿城市主要對外交通干線分布，由于交通干道帶動形成發(fā)展廊道。（3）跳躍擴展模式，一般出現在中心城市周圍的衛(wèi)星城或主城區(qū)附近的開發(fā)區(qū)、大學園區(qū)等功能組團，一般具有鮮明的政策導向性，城市形態(tài)初期呈現不連續(xù)的點式或點軸式分布。（4）填充式擴展模式，一般出現在連接老城與新城的空白地帶，城中村改造也是另一種填充擴展模式表現形式。

任何一個都市圈的發(fā)育成長，都是中心城市不斷擴張、與周邊城市逐步相連實現一體化的過程。就西安而言，在未形成西安都市圈之前，其中心城區(qū)實際只有以鐘樓為核心的西安城六區(qū)。1985 年西安主城區(qū)城市半徑才5 km 左右，西安、咸陽兩市相距約15 km，直到最近5 年，西安市主城區(qū)東南方向擴展到15 km，西南方向擴展到約20 km，東北方向擴展到約25 km，向西擴展最終與咸陽市主城區(qū)相連，最終向西半徑達到30 km，使城市重心逐步西移，最終在西咸新區(qū)的連接下與咸陽市主城區(qū)融為一體，共同構成西安都市圈的中心城區(qū)（圖2）。結合2000 年以來西安及咸陽市城市建設歷史，可以總結出西安都市圈核心區(qū)的擴展有明顯的階段性特征：

（1）跳躍擴展階段（2001—2005 年）

該階段在傳統(tǒng)圈層擴展模式的基礎上，出現明顯的跳躍式擴展形態(tài)。圈層式擴展得益于二環(huán)全線貫通帶來的城市自然擴展，以及城北經開區(qū)、城東南的曲江新區(qū)的發(fā)展，特別是大唐芙蓉園和南湖景區(qū)建設所帶來的高端生活區(qū)的火爆，使“曲江模式”成為城市開發(fā)的經典案例；跳躍式擴展主要體現在城南的長安大學城，此階段以西北大學、西安外國語大學、西北政法大學、陜西師范大學等為代表的長安郭杜大學城開始大規(guī)模建。

（2）圈層填充階段（2006—2010 年）

該階段西安城市擴展以填充式和圈層式為主，西安三環(huán)路全線貫通，西安城市南部和北部邊界已突破三環(huán)向外延伸。老城區(qū)內部則加速棚戶區(qū)拆遷和城中村改造，極大地推動了城市更新，盤活了低效城市用地。在城郊地區(qū)，長安通訊產業(yè)園、草堂科技產業(yè)基地在高新區(qū)建成，曲江新區(qū)一期基本成型，航天城建設也初具規(guī)模。

（3）全面拓展階段（2011—2015 年）

該階段西安中心城區(qū)擴展進入高峰，城市擴展的四種模式在西安城市建設發(fā)展中都有不同程度呈現。西安軌道交通建設進入爆發(fā)期，地鐵2 號線和1 號線在2011 年2013 年先后建成通車，一縱一橫兩條主軸線有效縮短了城市內部通勤距離，3 號線、4 號線、5 號線相繼開工，城市沿地鐵線形成了鮮明的商業(yè)走廊。2011 年，高鐵西安北站建成投運、西安市政府北遷，兩個重大城市功能板塊極大地帶動了城北地區(qū)的快速發(fā)展，長達半年的西安世園會顯著提高了浐灞生態(tài)區(qū)的基礎設施水平和社會知名度，帶動了東北郊的發(fā)展。2014 年1 月，國務院正式批復設立西咸新區(qū)，范圍涉及西安、咸陽兩市所轄7 縣（區(qū)）23 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道辦事處，規(guī)劃控制面積882 km2。在這一國家利好政策帶動下，西咸一體化邁出實質性步伐，西安和咸陽兩市城市擴展加快相向而行。

（4）向西跨越階段（2016—2020 年）

該階段隨著2017 年西咸新區(qū)劃歸西安代管，西咸一體化有了更實質性動作，西安市將部分高校、科研院所和企業(yè)搬遷到西咸新區(qū)，世紀大道、灃河大橋等道路兩側的農業(yè)用地迅速轉變?yōu)榻ㄔO用地。西安、咸陽兩市的空間距離不斷縮短，甚至大部分已結為一體，西安新中心加速形成，標志著西安都市圈的核心區(qū)終于從西安主城區(qū)擴大到咸陽市主城區(qū)和西咸新區(qū)。

3.2 西安都市圈城市擴張影響因素

3.2.1 西安都市圈城市擴張影響因素指標確定

土地利用時空演變受多種因素的綜合作用，由于其影響因素眾多，現有的研究多從自然、社會、經濟三個層面，選擇不同的視角與因素開展研究。而作為都市圈的研究，其自身也是一項復雜而綜合性的工作。短期之內的土地利用變化往往是基于人為因素所影響，社會經濟對其形成較大作用。因此，本文從社會經濟因素中共選取7 個驅動因子來探究西安都市圈土地利用時空演變的影響因素。由于城鎮(zhèn)用地變化是影響土地利用類型變化的重要因素，故本文用城鄉(xiāng)工礦建設用地變化情況作為土地變化的表征指標（表3）。

3.2.2 西安都市圈城市擴張影響因素分析

土地利用類型的轉化通常伴隨著經濟因素的影響而不斷改變。伴隨著西部地區(qū)的整體發(fā)展，自2000 年以來，西安都市圈城鄉(xiāng)工礦居民用地的面積在不斷增加。經濟發(fā)展引發(fā)的“增人增地”是常見的社會現象，因此，在討論西安都市圈土地利用變化的時空演變過程中經濟因素便具有重要價值。刺激西安都市圈城鎮(zhèn)用地不斷擴張的內生動力就是西安市及周邊核心城市的發(fā)展和經濟的增長。

單因子探測分析。本文以城鄉(xiāng)工礦建設用地占比作為地理探測器的因變量Y，以7 個驅動因子作為自變量Xi（i＝ 1，2，…，7），應用地理探測器對各因子的驅動貢獻率和交互作用進行定量分析，探究西安都市圈城市擴張的主導驅動因子和各因子之間的交互作用類型。由于地理探測器探測驅動因子時，類型變量優(yōu)于連續(xù)型變量，而對于順序量、比值量或間隔量，需要將自變量進行適當的離散化，因此，本文用K-Means、分位數法等將各因子指標進行離散化處理，便于將數據在地理探測器中進行分析。

根據公式2，計算得到各因子對城鄉(xiāng)工礦建設用地占比的解釋度q（表4）。其中，地方財政一般預算收入（X4）和人均地方財政一般預算（X7）在1% 置信水平下顯著相關，而其余因子均通過5% 置信水平的假設性檢驗。

地占比的解釋度排序為：地方財政一般預算收入（X4）> 人均地方財政一般預算支出（X7）> 人均地區(qū)生產總值（X2）> 全社會固定資產投資（X3）> 城鄉(xiāng)居民收入差距指數（X5）> 農林牧漁業(yè)總產值（X1）> 萬人擁有中小學教師數（X6），影響顯著。地方財政一般預算收入（X4）對研究區(qū)城鄉(xiāng)工礦建設用地占比影響最顯著，高達44.9%；人均地方財政一般預算支出（X7）次之，解釋度為19.7%；人均地區(qū)生產總值（X2）位列第三，解釋度為19.5%；全社會固定資產投資（X3）位列第四，解釋度為19.2%。這些因子是主要驅動因子，其原因在于經濟發(fā)達、交通通達地區(qū)的工業(yè)化、城鎮(zhèn)化水平較高，其城鎮(zhèn)用地面積也隨之增多。在城市不斷城鎮(zhèn)化的過程中，城鄉(xiāng)居民收入差距也在不斷縮小，而農業(yè)是地區(qū)發(fā)展的重要基礎，農業(yè)在不斷發(fā)展，其所產生的總產值也隨之提升。除萬人擁有中小學教師數（X6）以外，其余因子的解釋度均超10%。

政府決策也在一定程度上影響了除城鎮(zhèn)用地外，其他土地類型的轉變。政府的決策如何影響都市圈土地使用的空間結構變化，主要反映在兩個層面上：首先是都市圈內各城市之間的和諧統(tǒng)一發(fā)展。中心城市通常會獲得政府的政策扶持，因此它的產業(yè)發(fā)展和人才集聚都一般由于附近其他城鎮(zhèn)，這些政策扶持會進一步強化都市圈的中心城市核心地位。為了確保都市圈行政規(guī)劃中的城市能夠和諧發(fā)展，通常會在產業(yè)合作、基礎設施的共同建設、公共服務的共享等領域建立合作機制，從而加強中心城市與其鄰近城市之間的聯系。這些在西安都市圈的建設三年行動計劃當中都有體現，比如西安都市圈的協同創(chuàng)新體系要更具活力，創(chuàng)新型現代產業(yè)體系更加完善等。二是中心城市內部的政策調整和政府的指導作用。為了調整都市區(qū)的整體空間布局，政府采用了行政區(qū)域的重新劃分、行政中心的遷移、大學城的建設以及產業(yè)政策的引導等多種策略。如西咸一體化政策，相關城六區(qū)及其他區(qū)的購房限購政策等。還有發(fā)展規(guī)劃當中的要推進公共服務標準化和便利化，推進文體服務，共建共享，加強都市圈醫(yī)療衛(wèi)生服務合作等，都是增強中心城市內部的政策調控和政府引導。

交互因子探測分析。研究區(qū)城鄉(xiāng)工礦建設用地占比驅動因子的交互探測結果如表5 所示，結果表明各因子間交互作用對城鄉(xiāng)工礦建設用地占比的解釋力均大于單因子作用，且均呈非線性增強和雙因子增強效應。因此，研究區(qū)城鄉(xiāng)工礦建設用地由各因子相互作用形成的。

研究區(qū)城鄉(xiāng)工礦建設用地占比驅動因子的交互探測結果如表5 所示。地方財政一般預算收入與城鄉(xiāng)居民收入差距指數（X4 ∩ X5）對城鄉(xiāng)工礦建設用地占比的交互解釋度最大，為0.677；地方財政一般預算收入（X4）各與其他因子的交互解釋度最大，均大于0.45。農林牧漁業(yè)總產值（X1）次之，均大于0.35。這表明城鄉(xiāng)工礦建設用地占比主要受到地方財政一般預算收入、農林牧漁業(yè)總產值與其他因子共同推動。

4 研究結論

本文以西安都市圈為例，構建土地利用轉移矩陣，對西安都市圈2000 年、2010 年和2020 年的土地利用類型結構與變化進行研究，刻畫西安都市圈各類土地利用類型的時序與空間的演變特征。在此基礎上，采用地理探測器，對西安都市圈用地空間格局演化的影響因素進行分析。根據本文研究得出以下結論：

（1）西安都市圈核心區(qū)城市建成區(qū)在30 年間，一直處于加速拓展趨勢，在2010 年之后，拓展速度不斷加快；而拓展強度卻先降后升，1990—2000 年期間，拓展強度超過100%，此時是加速拓展時期，由于城市建成區(qū)面積在前期已經達到較大基數，城市擴展速度在2000 年之后逐漸回落，2010—2020 年期間拓展強度緩慢提升。

（2）西安都市圈城市擴張空間特征表明，西安都市圈核心區(qū)的擴展有明顯的階段性特征：跳躍擴展階段（2001—2005 年）、圈層填充階段（2006—2010 年）、全面拓展階段（2011—2015 年）、向西跨越階段（2016—2020 年）。

（3）地理探測器單因子探測分析結果顯示，地方財政一般預算收入與城鄉(xiāng)居民收入差距指數（X4 ∩ X5）對城鄉(xiāng)工礦建設用地占比的交互解釋度最大，為0.677；地方財政一般預算收入（X4）各與其他因子的交互解釋度最大，均大于0.45。農林牧漁業(yè)總產值（X1）次之，均大于0.35。城鄉(xiāng)工礦建設用地占比主要受到地方財政一般預算收入、農林牧漁業(yè)總產值與其他因子共同推動。

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