顧及空間交互的城市群空間擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)因子分析

賀申泰，周泊遠(yuǎn)，楊衛(wèi)軍，郭 亮

（1.湖北民族大學(xué)科技學(xué)院 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

新中國成立以來，城鎮(zhèn)化經(jīng)歷了復(fù)雜曲折的發(fā)展歷程，城鎮(zhèn)人口從1978年的1.72億激增至2018年的8.31億，建設(shè)用地面積從1981年的6 720 km2增至2017年的55 155.5 km2[1]。城鎮(zhèn)化為社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來強(qiáng)勁增長動(dòng)力的同時(shí)，也加速了資源消耗和生態(tài)退化[2]；建設(shè)用地?cái)U(kuò)張侵占了大量耕地和生態(tài)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(shè)用地面積由1981年的46.67m2增至2014年的129.57m2[4]，暴露出浪費(fèi)嚴(yán)重、利用低效等問題；另外低效粗放的擴(kuò)張方式往往會(huì)造成多種生態(tài)環(huán)境問題，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)日趨脆弱[5]。

學(xué)術(shù)界對(duì)城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了深入討論，驅(qū)動(dòng)因子可分為自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通區(qū)位和政策4個(gè)類別[6]。隨著我國城鎮(zhèn)化逐步走向城市協(xié)同發(fā)展階段，國家新型城鎮(zhèn)化建設(shè)逐漸聚焦于城市群這一主體[7-8]，城市群視角在協(xié)調(diào)城鎮(zhèn)化發(fā)展與資源環(huán)境的關(guān)系上更具現(xiàn)勢(shì)性[9]。研究方法從主成分分析、相關(guān)性分析到Logistic回歸、地理加權(quán)回歸等回歸方法[10-11]，大量數(shù)學(xué)模型被引入城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究中，但對(duì)針對(duì)城市擴(kuò)張的多尺度分析方法的探討仍存在不足。

因此，顧及城市協(xié)同發(fā)展的深化、空間交互作用的不斷增強(qiáng)，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(kuò)張個(gè)體效應(yīng)的同時(shí)加入了組織效應(yīng)的考量，更科學(xué)全面地探索其擴(kuò)張過程的內(nèi)在機(jī)理，以期為協(xié)調(diào)城市開發(fā)建設(shè)、耕地與生態(tài)保護(hù)、促進(jìn)城鎮(zhèn)化健康發(fā)展提供支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

基于數(shù)據(jù)的可獲取性，本文根據(jù)《2016年中國城市群發(fā)展報(bào)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(guān)中、山東半島、哈長以及遼中南等12個(gè)主要城市群作為研究區(qū)；并根據(jù)地理區(qū)位劃分為沿海和內(nèi)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(gè)城市群為沿海城市群，其余為內(nèi)陸城市群。

研究數(shù)據(jù)涵蓋了土地利用數(shù)據(jù)和相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，其中土地利用數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m×30 m；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括2005年和2015年全國主要城市群的多項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1.2 研究方法

當(dāng)模型自變量存在多層次的嵌套關(guān)系時(shí)，常用多層線性回歸模型（HLM）進(jìn)行研究。HLM能將樣本數(shù)據(jù)的個(gè)體效應(yīng)和組間效應(yīng)同時(shí)納入考量[7]。本文構(gòu)建了城市群空間擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)機(jī)制的HLM，多尺度地探索了城市發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子和空間交互因子對(duì)城市群建設(shè)用地變化的影響（圖1）。

1.2.1 指標(biāo)體系

城市土地利用是復(fù)雜的地理過程[13]，呂曉[14]等指出自然條件對(duì)城市擴(kuò)張具有一定限制作用，而經(jīng)濟(jì)總量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素則具有較強(qiáng)的社會(huì)屬性和較弱的空間屬性，能直接或間接地影響城市擴(kuò)張進(jìn)程；周燁[15]則認(rèn)為，在較短的時(shí)間維度上，自然地理因素對(duì)城市擴(kuò)張進(jìn)程的影響是有限的，而社會(huì)人文因素發(fā)揮著更大作用。

綜合多項(xiàng)研究成果，本文在城市尺度上選擇人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政府服務(wù)和城鎮(zhèn)發(fā)展4個(gè)層面構(gòu)建城市群空間擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)因子指標(biāo)體系。財(cái)政赤字率（財(cái)政赤字額與財(cái)政收入的比值）反映政府對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的投入水平，城鎮(zhèn)化率、建設(shè)用地利用率（單位建設(shè)用地上二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值）和城市區(qū)位則表達(dá)城鎮(zhèn)化水平，城市區(qū)位是城市戰(zhàn)略地位的虛擬變量，將省會(huì)、直轄市、沿海開放城市、經(jīng)濟(jì)特區(qū)城市以及國家級(jí)新區(qū)城市的區(qū)位值設(shè)定為1，其他城市為0。城市群空間聯(lián)系的增強(qiáng)往往加劇了社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，本文在城市群尺度上選取經(jīng)濟(jì)聯(lián)系吸引力和外向功能輻射力作為反映城市間空間聯(lián)系和相互作用的指標(biāo)（表1）。

圖1 多層次城市群擴(kuò)張影響機(jī)制研究框架

表1 城市群建設(shè)用地變化影響因素指標(biāo)體系

1）經(jīng)濟(jì)聯(lián)系吸引力。本文借助引力模型來表達(dá)城市間的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系，即

式中，Ej為城市j的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系吸引力值；Eij為城市i、j的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系強(qiáng)度；Pi、Pj為兩城的非農(nóng)人口；Gi、Gj為兩城的二三產(chǎn)業(yè)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(shù)等空間流在城市外向功能作用下進(jìn)行著頻繁、雙向或多向的流動(dòng)，這些空間上的轉(zhuǎn)移即為城市流。城市流強(qiáng)度則是城市流的量化表現(xiàn)[16]，公式為：

式中，F(xiàn)i、Ni分別為城市i的城市流強(qiáng)度和功能效率，以從業(yè)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(gè)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(yè)人員數(shù)、城市i的從業(yè)人員數(shù)、全國部門j的從業(yè)人員數(shù)以及全國從業(yè)人員總數(shù)；Lqij為城市i部門j的區(qū)位熵，若Lqij＞1，則說明城市i部門j屬于全國范圍內(nèi)的外向服務(wù)部門。

1.2.2 HLM

HLM本身是嵌套結(jié)構(gòu)，首先基于第一層解釋變量構(gòu)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(gè)尺度選取空間擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因子構(gòu)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(qū)動(dòng)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(jī)誤差項(xiàng)。

1.2.3 模型有效性檢驗(yàn)

有效性檢驗(yàn)包括組間系數(shù)檢驗(yàn)和回歸方程解釋能力檢驗(yàn)，可構(gòu)建零模型和半條件模型來驗(yàn)證完整模型的有效性。

1）零模型，即方程中不設(shè)自變量，僅討論因變量數(shù)據(jù)的自身層次性。計(jì)算零模型中的組間系數(shù)，可了解數(shù)據(jù)的層次性與因變量之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度。當(dāng)組間系數(shù)≥0.059時(shí)，可認(rèn)為因變量所具有的尺度效應(yīng)不可忽視；而當(dāng)組間系數(shù)≥0.138時(shí)，則可認(rèn)為因變量與組間關(guān)聯(lián)高度相關(guān)，必須考慮層次效應(yīng)，則有：

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

2）半條件模型，即僅在單一層次設(shè)置自變量，對(duì)比其與完整模型結(jié)果中方差解釋占比、自變量顯著性等的差異，可進(jìn)一步驗(yàn)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(jī)誤差項(xiàng)。

2 研究結(jié)果與分析

2005年我國主要城市群建設(shè)用地總面積約為100 799.34 km2，占研究區(qū)總面積的5.67%；而2015年這一數(shù)據(jù)增長為7.26%，建設(shè)用地總面積為129 091.96 km2，10 a間城市建設(shè)用地快速擴(kuò)張了28 292.62 km2。截至2015年，京津冀和山東半島城市群建設(shè)用地面積已超過20 000 km2。從建設(shè)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(shè)用地，而關(guān)中、海峽西岸城市群僅增長近1 000 km2的建設(shè)用地。

對(duì)比各城市群土地利用結(jié)構(gòu)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(shè)用地占行政區(qū)總面積的比例均超過10%，其中山東半島城市群高達(dá)18.16%，土地城鎮(zhèn)化水平較高；而長江中游、成渝、哈長以及關(guān)中城市群建設(shè)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(shè)用地面積

2.1 城市群擴(kuò)張影響機(jī)制尺度分異

本文顧及土地利用數(shù)據(jù)嵌套結(jié)構(gòu)以及城市群空間交互作用，構(gòu)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(shè)用地變化HLM，以探討建設(shè)用地變化影響因子在城市和城市群雙重尺度上的驅(qū)動(dòng)作用。模型輸出結(jié)果包括隨機(jī)效應(yīng)方差估計(jì)值、模型擬合程度以及固定效應(yīng)估計(jì)值3個(gè)部分。

由零模型結(jié)果可知，組間系數(shù)為0.508，遠(yuǎn)大于0.138，說明全國主要城市群建設(shè)用地變化存在明顯的尺度效應(yīng)，建設(shè)用地變化量與城市群尺度存在高度關(guān)聯(lián)關(guān)系。由半條件模型結(jié)果可知，若僅以城市尺度作為自變量，85.98%的建設(shè)用地變化可被解釋變量所解釋，且城鎮(zhèn)人口規(guī)模、第一產(chǎn)業(yè)GDP、第二產(chǎn)業(yè)GDP、外商投資、財(cái)政赤字率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、建設(shè)用地利用率和城市區(qū)位8個(gè)影響因子通過了顯著性檢驗(yàn)。在添加了城市群尺度兩個(gè)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(jī)效應(yīng)方差出現(xiàn)了一定程度的消減，除上述8個(gè)影響因子外，城市群尺度的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系吸引力和外向功能輻射力也通過了顯著性檢驗(yàn)。由完整模型結(jié)果可知，城市群建設(shè)用地變化驅(qū)動(dòng)因子是多方面的，在人口、經(jīng)濟(jì)、政府服務(wù)、城鎮(zhèn)化水平與城市群空間聯(lián)系上均有反映，其中城市尺度的城鎮(zhèn)人口規(guī)模、第一二產(chǎn)業(yè)GDP、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、城市區(qū)位等5個(gè)指標(biāo)與城市群建設(shè)用地變化呈正相關(guān)關(guān)系，外商投資、財(cái)政赤字率、建設(shè)用地利用率等3個(gè)指標(biāo)與城市群建設(shè)用地變化呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；城市群尺度的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系吸引力與建設(shè)用地變化呈正相關(guān)關(guān)系，而外向功能輻射力則與之呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 全國城市群建設(shè)用地變化HLM結(jié)果

2.2 研究結(jié)果分析

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)入新的發(fā)展階段，城市間的協(xié)同發(fā)展關(guān)系增加了城市空間擴(kuò)張過程的復(fù)雜性。零模型結(jié)果表明城市建設(shè)用地變化存在尺度效應(yīng)，與半條件模型相比，完整模型結(jié)果中的解釋變量占比得到了提升，隨機(jī)效應(yīng)方差得到了消減，顯著的解釋變量個(gè)數(shù)也得到了增加，說明本文采用HLM方法討論城市群建設(shè)用地變化影響機(jī)制問題具有合理性和有效性。

在城市尺度上，城市建設(shè)用地增加的正向驅(qū)動(dòng)因素較多，如城鎮(zhèn)人口增長將導(dǎo)致建設(shè)用地面積的增加，城鎮(zhèn)人口催生的住房、基礎(chǔ)設(shè)施等需求都是開發(fā)城市建設(shè)用地的動(dòng)因；經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值的增加將刺激建設(shè)用地的增加，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開建設(shè)用地的基礎(chǔ)條件支撐；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整必然導(dǎo)致建設(shè)用地的增加，產(chǎn)業(yè)發(fā)展涉及的住宅用地、商服用地、公共設(shè)施等都是建設(shè)用地增加的直接刺激；城市區(qū)位條件同樣是刺激建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的一大動(dòng)因，戰(zhàn)略地位直接關(guān)系到城市的長遠(yuǎn)發(fā)展，良好的區(qū)位條件和政策傾向促進(jìn)其城鎮(zhèn)化水平進(jìn)一步提升。另一方面，城市建設(shè)用地的增加也存在一些負(fù)向的阻力，如隨著經(jīng)濟(jì)全球化的日漸深入，世界經(jīng)濟(jì)對(duì)我國的城鎮(zhèn)化質(zhì)量、營商環(huán)境等提出了更高的要求，在注重城市開發(fā)與生態(tài)用地、耕地平衡的同時(shí)也在一定程度上抑制了建設(shè)用地的快速擴(kuò)張；財(cái)政赤字的增長也限制了建設(shè)用地的增加；此外城市用地集約利用也是有效減少建設(shè)用地增加的手段。

城市群尺度的兩個(gè)空間交互作用影響因子均對(duì)城市群建設(shè)用地變化產(chǎn)生了顯著影響，其中經(jīng)濟(jì)聯(lián)系吸引力對(duì)建設(shè)用地增加有正向驅(qū)動(dòng)作用，而外向功能輻射力的增加則會(huì)給城市擴(kuò)張帶來阻力。區(qū)域間經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的增強(qiáng)對(duì)城市間交通、通信等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求，空間上經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的往來在一定程度上促進(jìn)了城市建設(shè)用地的擴(kuò)張；隨著區(qū)域中勞動(dòng)力和產(chǎn)業(yè)等要素的空間集聚，處于城市流流入水平的城市往往建設(shè)用地的利用率更高，土地的集約利用有效緩解了建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的巨大需求，促進(jìn)了用地格局的穩(wěn)定。同時(shí)，多數(shù)處于城市流流出水平的城市擴(kuò)張需求有限，且可能更多地承擔(dān)起了區(qū)域內(nèi)耕地保護(hù)的任務(wù)，交互作用下的土地流轉(zhuǎn)使得這一部分城市的建設(shè)用地增長受到了限制。

3 結(jié) 語

本文構(gòu)建了城市群HLM，探討了城市群空間擴(kuò)張的內(nèi)在機(jī)理。研究結(jié)果表明，在城市尺度上，人口規(guī)模與經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素能刺激建設(shè)用地面積的增加，城市區(qū)位條件和戰(zhàn)略地位也是城鎮(zhèn)化水平提升的正向因素；而政府財(cái)政赤字的增加往往對(duì)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐勺璧K。城市群尺度的兩個(gè)空間交互作用影響因子均對(duì)城市群建設(shè)用地變化產(chǎn)生了顯著影響，其中經(jīng)濟(jì)聯(lián)系吸引力對(duì)建設(shè)用地增加有正向驅(qū)動(dòng)作用，而外向功能輻射力的增加則會(huì)給城市擴(kuò)張來帶阻力。

新時(shí)期的社會(huì)發(fā)展對(duì)土地利用格局提出了新的要求，本文研究表明城市進(jìn)入?yún)f(xié)同發(fā)展階段后，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)诓煌叨扔兄虼龠M(jìn)或抑制的影響因素，深刻認(rèn)識(shí)當(dāng)下建設(shè)用地增長的多尺度驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)協(xié)調(diào)平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國土安全具有重大意義。