2004—2016年南京市城市擴張及形態(tài)演變特征

錢志友, 符海月, 王妍, 張祎婷

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院，南京 210095)

0 引言

隨著全球化進程的加速，城市規(guī)模擴大成為各國參與國際競爭的重要內(nèi)容。中國是世界上最大的發(fā)展中國家，經(jīng)濟高速發(fā)展的同時，城鎮(zhèn)化進程大大加快，城市規(guī)模也迅速擴展[1-4]。全球經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，使得城市擴張成為城市地理學(xué)以及土地利用變化研究的熱點問題[5-9]。20世紀90年代以來，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量城市擴展相關(guān)研究，主要集中在城市擴展的時空過程探索、動力機制分析、城市擴展模型動態(tài)模擬預(yù)測以及增長控制戰(zhàn)略與對策探討[10-13]。許多學(xué)者引入擴展速度、擴展強度、緊湊度、分形維數(shù)及空間自相關(guān)指數(shù)等測度指標(biāo)，用以研究城市空間形態(tài)特征與時空演變規(guī)律[14-18]。

改革開放以來，中國城市在取得快速發(fā)展的同時，也面臨著城市建設(shè)用地過度擴張、城市“三生”(生態(tài)-生產(chǎn)-生活承受能力)空間比例失調(diào)、城鄉(xiāng)發(fā)展不協(xié)調(diào)和城市生態(tài)環(huán)境脆弱等問題，對中國城市的可持續(xù)發(fā)展造成了巨大壓力。南京市地處長江下游中部地區(qū)，作為江蘇省省會，是國家區(qū)域中心城市(華東)，長三角輻射帶動中西部地區(qū)發(fā)展的國家重要門戶城市，也是“一帶一路”戰(zhàn)略與長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略交匯的節(jié)點城市，其城市空間擴展及形態(tài)演變具有一定的典型性和代表性。南京市城市擴展問題也引起了廣大學(xué)者的關(guān)注，眾多學(xué)者定性或定量分析了南京市城市擴張的變化過程。李飛雪等[19]分析了1949—2003年南京市城市擴展特點； 喬偉峰等[20]對南京市1980—2012年由城市擴展引起的土地利用布局和結(jié)構(gòu)演化進行了研究； 徐海龍等[21]對研究區(qū)2013—2040年的城市用地空間擴展進行多情景模擬。從已有研究來看，當(dāng)前城市擴展相關(guān)研究尤其是南京市城市擴張?zhí)卣飨嚓P(guān)研究時間節(jié)點多為2010年左右，近年來演變特征揭示較少，已不能滿足當(dāng)前區(qū)域發(fā)展的要求。此外，在已有城市擴張研究中，對城市內(nèi)部用地功能演化關(guān)注較少，城市內(nèi)部各分區(qū)之間的差異難以體現(xiàn)。針對于此，本研究分析南京市城市用地擴張的動態(tài)變化，探討近年來南京市城市空間增長及其空間演變特征，以期為控制南京市建成區(qū)規(guī)模、優(yōu)化城市土地配置，提高土地利用效率提供建議和依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

南京市位于N31°14′～32°36′，E118°22′～119°14′，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年均氣溫為16 ℃，年均降雨量為1 106.5 mm。近年來，南京市經(jīng)濟發(fā)展迅速，GDP總量由2004年的1 576.33億元增長為2016年的9 720.77億元，常住人口由2004年的572.23萬人增長為2016年的823.59萬人，城鎮(zhèn)化率由31.6%增至82%。隨著南京市經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進，城市建設(shè)用地空間圍繞主城區(qū)快速向西、南和東部擴展，形成了南京市一主(主城區(qū))三副(江北、仙林、江寧)的城市格局[31]。

本研究主要采用美國Landsat系列衛(wèi)星影像(2004年、2007年、2010年、2013年和2016年)提取南京市土地利用動態(tài)變化信息，數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，USGS)網(wǎng)站，遙感數(shù)據(jù)獲取時間均為4—9月份，這個時期的遙感影像云量較少，植物容易被區(qū)分。采用監(jiān)督分類進行土地利用類型提取，最終形成建設(shè)用地、耕地、林地、水體和其他用地5種土地利用類型。研究中采用的經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)主要來源于南京市統(tǒng)計年鑒。圖1為南京市2004年、2007年、2010年、2013年和2016年土地利用類型空間分布情況。統(tǒng)計研究區(qū)各土地利用類型變化趨勢如圖2所示，圖中表明2004年南京市用地類型面積最大的是耕地，其次為林地和建設(shè)用地，面積基本持平，水體占用面積相對較少。在2004—2016年間南京市的土地利用類型呈現(xiàn)出明顯的變化，其基本趨勢是： 建設(shè)用地面積加劇擴張，耕地面積逐年減少，林地面積緩慢下降，水體面積波動減少但是變化并不顯著。

(a) 2004年(b) 2007年 (c) 2010年

(d) 2013年 (e) 2016年

圖2 南京市各土地利用類型變化趨勢

1.2 研究方法

主要引入增長速度、城市擴張強度指數(shù)和蔓延指數(shù)來揭示南京市城市擴張速度、蔓延態(tài)勢以及區(qū)域差異特征。在城市空間形態(tài)演變特征方面，采用景觀格局指數(shù)和等扇方位分析法等空間分析方法。

1)擴張強度指數(shù)。采用城市擴張強度指數(shù)對城市用地擴展的強弱程度進行描述，即

I=(Uj-Ui)/UT×100%，

(1)

式中：I為在時間i到時間j跨度內(nèi)城市擴張強度指數(shù)；Ui和Uj分別表示時間i和j時期的建設(shè)用地面積；U表示土地總面積；T表示i到j(luò)的時間變化。

2)城市蔓延指數(shù)。針對南京市城市擴張的無序蔓延情況，定義了城市蔓延指數(shù)SI[1]來測定南京市的城市蔓延情況，即

(2)

式中：SI為i到j(luò)時段內(nèi)的城市蔓延指數(shù)，為建設(shè)用地面積增速與人口增速之比；S為建設(shè)用地面積；P為常駐人口數(shù)量。

3)緊湊度指數(shù)。城市外圍輪廓形態(tài)緊湊度是反映空間斑塊完整性和聚集程度的指標(biāo)，其值介于0～1之間，值越大反映城市的斑塊越具有聚集緊湊性，反之值越小緊湊性越差。De Roo[14]提出的緊湊度計算公式為

(3)

式中：C為城市外圍緊湊度；A為研究區(qū)總面積；P′為城市輪廓周長。

4)最大斑塊指數(shù)。在景觀格局指數(shù)里最大斑塊指數(shù)是指某一類型斑塊中最大斑塊占整個景觀面積的百分比[18]，即

(4)

5)景觀分離度。景觀分離度是指某一景觀類型中不同斑塊數(shù)個體分布的分離情況，即

N=D/s，

(5)

D=0.5×(n/A)0.5，

(6)

s=Ak/A，

(7)

式中：N為景觀分離度指數(shù)；D為景觀距離指數(shù)；s為景觀面積指數(shù)；n為用地類型數(shù)量；Ak為用地類型k的面積。

6)多樣性指數(shù)。景觀多樣性指數(shù)是景觀格局指數(shù)的一種，這里定義為城市多樣性指數(shù)，是用來反映城市空間內(nèi)部形態(tài)特征的指數(shù)，即

(8)

式中：H為多樣性指數(shù)；Rk為第k種用地類型的面積在整個建設(shè)用地中的比重。

2 南京市城市空間增長特征

2.1 建成區(qū)面積變化情況

近年來南京市的城市用地增長極其迅速，表1為建成區(qū)面積變化情況。表1表明,2004年南京市城市建成區(qū)的面積為872.2 km2，占南京市全市總面積的13.2%； 到2016年，南京市城市建成區(qū)面積為1 717.4 km2，占南京市全市總面積的26.1%，比2013年增長了16%，年平均擴張速度為5.1%。整體上，2004—2016年間南京市建成區(qū)面積持續(xù)增長，城市擴張速度逐年升高。

表1 南京市建成區(qū)面積變化

2.2 城市擴張態(tài)勢

2004年以來南京市城市建成區(qū)規(guī)模一直處于高速擴張態(tài)勢，并具有一定的階段性特征。南京市城市擴張的蔓延指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明,在2004—2007年間南京市城市空間增長速度為4.6%； 而在2007—2013年期間南京市建成區(qū)規(guī)模以6.7%左右的速度高速擴張； 在2013—2016年間擴張速度有所放緩，又回落到5.1%。從城市擴張強度來看，2004—2013年間南京市城市建成區(qū)規(guī)模持續(xù)增強，最高達1.4； 從城市蔓延情況來看，在2004—2016年期間南京市的SI值均大于1，表明在此期間南京市一直處于蔓延狀態(tài)，尤其在2010—2013年這段時期內(nèi)SI值高達10.2，說明在這段時間內(nèi)，南京市建設(shè)用地迅猛擴張，存在建設(shè)用地過剩的情況； 隨著建設(shè)用地的趨緊和人口的增長，在2013—2016年這段時間內(nèi)，SI值回落到7.3，但是仍然處于高速擴張的狀態(tài)，南京市建設(shè)用地蔓延情況依舊很嚴峻。整體來看，2004—2016年間南京市擴張呈先強勢增長后緩慢擴張態(tài)勢。

表2 南京市城市蔓延指數(shù)統(tǒng)計

2.3 城市空間增長的區(qū)域差異性

雖然南京市的城市空間總體呈現(xiàn)增長狀態(tài)，但是各個行政子區(qū)域的空間增長態(tài)勢卻存在較大的差異，不同的區(qū)域增長的程度和強度都有所不同，以南京市各行政區(qū)為基本空間單元，分析南京市城市空間增長的區(qū)域差異。

2004—2016年間南京市各行政區(qū)的面積變化如表3所示。從面積占比來看，可以分為4個等級，江寧區(qū)、六合區(qū)和浦口區(qū)為面積最大的3個區(qū)，占比均在15%以上； 其次是溧水區(qū)和棲霞區(qū)面積占比在10%左右； 高淳區(qū)和雨花臺區(qū)面積占比在5%左右； 建鄴區(qū)、秦淮區(qū)、鼓樓區(qū)和玄武區(qū)建成區(qū)面積較小，比重在3%左右?？梢悦黠@看出江寧區(qū)、六合區(qū)和浦口區(qū)3個區(qū)的建成區(qū)累計面積之和占南京市建成區(qū)面積的一半以上。

表3 南京市各行政區(qū)建成區(qū)面積變化

從增長速度來看，2004—2016年間南京市各行政區(qū)的年平均增長速度如圖3所示，可以分為3個等級。其中建成區(qū)年平均增長最快的是高淳區(qū)和浦口區(qū)，分別達到10.2%和9.7%； 棲霞區(qū)、溧水區(qū)、六合區(qū)和江寧區(qū)增長速度次之，均大于5%； 雨花臺區(qū)、玄武區(qū)、建鄴區(qū)、秦淮區(qū)和鼓樓區(qū)增長速度較慢，均小于5%。

圖3 南京市各行政區(qū)建成區(qū)年均增長速度

3 南京市城市空間形態(tài)演變特征

3.1 城市空間結(jié)構(gòu)指數(shù)變化特征

2004—2016年間南京市緊湊度指數(shù)、景觀分離度和多樣性指數(shù)分別如表4所示。

表4 城市空間結(jié)構(gòu)指數(shù)

從表4可以看出，在2004—2016年期間南京市的城市外圍輪廓緊湊度遠小于1，但一直處于上升趨勢，說明南京市經(jīng)歷了一個從松散到較為緊湊的過程。其中2007年和2010年緊湊度指數(shù)分別為0.045 5和0.047 8，上升很小，表明雖然城市用地面積在擴張，但是城市各部分斑塊之間的聯(lián)系不緊密，城市形態(tài)依然較為松散，城市土地利用開發(fā)程度較低。2013—2016年間，緊湊度從0.058 5上升到0.082 1，緊湊度提高程度明顯，表明這段時間南京市的土地利用程度較高，城市之間逐漸連成片區(qū)，城市斑塊之間變得越來越集中緊湊。從南京市景觀分離度隨時間的演變態(tài)勢可以看出，南京市景觀分離度呈下降趨勢，從2004年的3.90持續(xù)下降到2016年的1.56，表明南京市建成區(qū)之間的斑塊越來越聚集，斑塊之間的距離變得越來越小。景觀分離度下降，究其原因是南京市城市建成區(qū)內(nèi)部之間的斑塊逐漸被填充、被聚集，城市土地利用程度在提高，這也和南京市緊湊度指數(shù)在某種程度上相吻合。而南京市城市空間多樣性指數(shù)呈現(xiàn)不斷增加趨勢。多樣性指數(shù)已經(jīng)由2004年的1.388增至2016年的1.578，城市多樣性不斷得到增強，表明南京市城市內(nèi)部的穩(wěn)定發(fā)展能力和抗外界干擾能力越來越強。整體上，南京市呈內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，外部輪廓趨于緊湊的趨勢。

3.2 城市發(fā)展模式及空間結(jié)構(gòu)格局

南京市中心連成片城區(qū)(最大斑塊)疊加比對如圖4所示。表5反映了南京市2004—2016年間最大斑塊指數(shù)變化情況。圖4和表5表明2004—2016年間南京市最大斑塊指數(shù)整體處于下降趨勢。2007年比2004年最大斑塊指數(shù)略微有增加，但是增長微弱，最大斑塊指數(shù)可以視為南京市主城區(qū)連成片的地區(qū)，這表明南京市城市建成區(qū)的擴張表現(xiàn)為以主城區(qū)和各區(qū)為中心的協(xié)調(diào)擴張模式，有利于南京市逐漸從單中心發(fā)展模式向多中心協(xié)調(diào)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。

圖4 南京市連成片區(qū)(最大斑塊)疊加比對

表5 最大斑塊面積和最大斑塊指數(shù)

圖5為南京市2004—2016年的城市建成區(qū)空間擴張情況。圖5顯示南京市逐漸形成“兩帶一軸”的城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)格局： 沿寧連—寧高高速走廊形成的南北方向發(fā)展軸已經(jīng)形成了連成片的建成區(qū)，擁江發(fā)展的江南江北發(fā)展帶也逐步形成了連成片的建成區(qū)。

圖5 2004—2016年南京市城市擴張空間分布

3.3 城市擴張演變的分異特征

為進一步揭示南京市城市擴張演變的分異特征，采用16方位分配法的等扇方位分析法(圖6)。

圖6 2004—2016年南京市城市形態(tài)等扇劃分結(jié)果

具體原理為： 首先，選取南京市的幾何方位中心點，選擇適當(dāng)?shù)陌霃剑蛊湔麄€包含所有城市用地范圍，以北偏東11.25°為起點，將南京市建成區(qū)分割成16個夾角和面積均相等的扇形； 然后，分別將研究區(qū)2004年、2010年和2016年的城市擴張情況疊加形成南京城市形態(tài)等扇疊加的結(jié)果； 最后，計算每個方位上的城市擴張強度，以揭示南京市城市擴張形態(tài)演變的分異特征以及每個階段的擴張主導(dǎo)方向，統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。

表6 南京市主城區(qū)各方位用地擴展強度指數(shù)統(tǒng)計

由圖6和表6可知，在2004—2010年與2010—2016年期間，南京市城市擴張的形態(tài)特征存在一定的共同點和差異性。2004—2010年期間，南京市建設(shè)用地主要在N，NNE，NE，W，NWW和NW這6個方位上擴張，集中在南京市NE和SW方位以及SE方位部分區(qū)域，縱觀幾個區(qū)域呈狹長的帶狀，并且呈現(xiàn)沿SW和NE方位擁江發(fā)展態(tài)勢，說明南京市在這段時間的擴張是以擁江的河西和有著萬達和江寧大學(xué)城的江寧擴張為主，江北浦口區(qū)的擴張次之。而在NEE，E，SEE，SE，SSE，S，SSW，SW，SWW和NNW這10個方位上擴張并不明顯。在2010—2016年期間，與2010年以前相同的是都在N和NWW方位上有一定程度的擴張，但有所不同的是在N，NW，SE和SSE方位上擴張強勁并有所加快?？梢钥闯鲈?010—2016年期間南京市擴張最快的區(qū)域是南京市北部以及東南部?？v觀N，NWW和NNW幾個方位均位于江北浦口區(qū)，這個階段表現(xiàn)為向江北浦口方向加速擴張，這也說明隨著南京市地鐵3號線和10號線過江地鐵的開通使得南京江北越來越具有吸引力。而SEE和SE方位的擴張可以明顯地看到均集中在南京祿口機場區(qū)域，說明機場帶動了周邊區(qū)域的加速擴張。

以上分析可以看出南京市城市擴張形態(tài)處于非均衡狀態(tài)，南京市城市擴張可以分為2個階段： 在2004—2010年間城市擴張主要集中在南京市SW和SE方位上，在江南和江北發(fā)展帶上表現(xiàn)為擁江逐步擴張，以河西和江寧為主。但伴隨著近年來南京市江北擴張速度明顯加快，在2010—2016年間南京市城市擴張方向轉(zhuǎn)為以江北浦口為主，同時還伴隨著像祿口機場這類典型的以點帶面式的擴張，與上文研究中提到的浦口區(qū)和江寧區(qū)擴張強度和速度最大最快結(jié)果相同。

4 結(jié)論與討論

基于南京市2004年、2007年、2010年、2013年和2016年的Landsat TM遙感影像，研究了南京市近年來的城市擴張態(tài)勢及其空間形態(tài)演變特征，得到如下結(jié)論：

1)南京市城市擴張速度和強度呈現(xiàn)先強勢增長后緩慢擴張的態(tài)勢。南京市主要通過大面積的侵占耕地來實現(xiàn)城市的擴張，占用耕地情況嚴重。南京市建設(shè)用地迅速擴張，且呈階段性特征，以2010年為界，前期主要以粗放式擴張為主，后期逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦s型的擴張，而南京市的城市人口密度在不斷下降，城市擴張速度快于人口增長速度。從各行政區(qū)來看，南京市城區(qū)外圍的江寧區(qū)、六合區(qū)和浦口區(qū)的面積占比、面積增長以及增長速度都排在前列，是南京市在2004—2010年期間建成區(qū)擴張最大的3個區(qū)。

2)“兩帶一軸”的城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)格局逐漸形成，多中心協(xié)調(diào)發(fā)展模式凸顯。南京市江南六區(qū)為主的主城區(qū)擴張幅度很小，建成區(qū)逐漸形成“兩帶一軸”的城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)格局，沿寧連—寧高高速走廊形成的南北方向發(fā)展軸已經(jīng)形成了連成片的建成區(qū)，擁江發(fā)展的江南江北發(fā)展帶也逐步形成了連成片的建成區(qū)。最大斑塊指數(shù)逐漸下降，這表明南京市城市建成區(qū)的擴張表現(xiàn)為以主城區(qū)和各區(qū)為中心的協(xié)調(diào)擴張模式。2004—2016年間，南京市的城市外圍輪廓緊湊度一直處于上升趨勢，南京市外圍輪廓形態(tài)經(jīng)歷了一個從松散到較為緊湊的過程。這段時間南京市的土地利用程度較高，城市的外圍輪廓形態(tài)越來越緊湊。南京市景觀分離度呈下降趨勢，城市空間多樣性指數(shù)呈現(xiàn)不斷增加趨勢，表明南京市內(nèi)部城市斑塊之間的空隙逐漸被填充，建成區(qū)之間的斑塊越來越聚集，內(nèi)部形態(tài)越來越穩(wěn)定，有利于南京市逐漸從單中心發(fā)展模式向多中心發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變。

3)南京市城市擴張形態(tài)處于非均衡狀態(tài)。受城市形態(tài)演變各向分異制約，南京市城市擴張主導(dǎo)方向可以分為2個階段： 在2004—2010年間城市擴主導(dǎo)方向為南京市SW和SE方位上，在江南和江北發(fā)展帶上表現(xiàn)為擁江逐步擴張，以河西和江寧為主。但伴隨著近年來南京市江北擴張速度明顯加快，在2010—2016年間南京市城市擴張方向轉(zhuǎn)為以江北浦口為主，同時還伴隨著像祿口機場這類典型的以點帶面式的擴張。

城市增長和空間形態(tài)演變過程中不可避免地出現(xiàn)了城市無序擴張，居住環(huán)境惡化等各種問題，故根據(jù)本研究結(jié)果提出以下發(fā)展建議：

1)南京市城市建成區(qū)自2004—2016年這12 a期間始終處于高速擴張態(tài)勢，侵占耕地情況日益嚴重，建議轉(zhuǎn)變以征用、變賣耕地來提高經(jīng)濟發(fā)展的模式，耕地是衣食之源，保證耕地的保有量已經(jīng)顯得日益重要，故在未來的一段時間內(nèi)應(yīng)制定相關(guān)管控政策，嚴格控制征地、賣地，嚴防城市無序擴張。

2)制定合理科學(xué)的土地規(guī)劃政策，加大執(zhí)行力度。南京市城市建成區(qū)的增速快于人口增速，城市一直處于不合理蔓延狀態(tài)。然而，此時卻沒有足夠的人口消納能力，存在建設(shè)用地過剩的情況，應(yīng)結(jié)合人口的分布和增長情況科學(xué)合理地制定南京市的城區(qū)規(guī)劃。

3)加強各區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。包括江南六區(qū)的主城區(qū)城鎮(zhèn)化率已經(jīng)超過90%，城市之間斑塊緊湊度變得越來越緊密，為防止攤大餅的建城模式，在未來應(yīng)大力發(fā)展主城區(qū)周邊的城區(qū)，以主城區(qū)和各區(qū)為中心的協(xié)調(diào)擴張模式，有利于南京市逐漸從單中心發(fā)展模式向多中心發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。