东北地区城市用地扩张特征及驱动因子分析

2016-12-26任启龙

地理空间信息 2016年4期

关键词：城市用地建成区东北地区

李会，王利，任启龙，赵彪

（1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连 116029）

东北地区城市用地扩张特征及驱动因子分析

李会1，王利1，任启龙1，赵彪1

（1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连 116029）

以东北地区37个地级市为研究样本，采用市辖区建成区面积表征城市用地规模，结合位序-规模法则和分形理论分析近20 a来东北地区城市用地规模扩张的整体趋势，通过计算城市用地扩张幅度指数（UEI）来分析不同规模和不同城市之间的城市用地扩张差异程度。结果表明，城市用地规模总体均衡度下降，差距在不断扩大，城市体系简单；城市用地扩张速度呈现“特大城市〉中等城市〉小城市〉大城市”的特点，城市间用地扩张差异较大，且城市建成区的外延扩张、粗放利用状况较严重。地形条件、资源分布、经济发展、交通建设和政府政策是影响东北地区城市用地扩张的主要驱动因子。

城市用地扩张；位序-规模法则；分形理论；东北地区

城市建设用地的空间扩展是城市化进程的一个重要测度指标[1]。对于城市建设用地扩展的时空特征研究可加深对城市化本质的理解，并为区域可持续发展提供有效的空间决策依据[2]。探求城市扩张规律与城市用地之间的关系越来越引起各界学者的关注。

国内外学者对于城市用地扩张的时空特征及其影响因素的研究比较成熟，同时形成许多优秀成果。国外研究多侧重于单个城市内部扩张机理的探讨[3-5]。国内学者对于城市用地扩张的研究涉及多个尺度[1,6-29]，基于地市级及省级层面的研究较多，而对于特定地域单元的实证研究较少，尤其对于东北地区这类典型地理单元的研究更是匮乏。研究方法上比较成熟的有位序-规模法则、分形理论以及城市用地扩张指数。基于此，本研究综合应用位序-规模法则、分形理论以及城市用地扩张指数，以东北地区地级市为研究样本，分析东北地区城市用地的扩张特征，并探讨城市用地扩张的驱动因素，以期能为东北地区的优化发展提供参考。

1 研究区域与方法

1.1 研究区与数据源

东北区位于我国东北部，狭义上包括我国东三省（黑龙江省、吉林省和辽宁省），广义上包括东三省和内蒙古东五盟市（呼伦贝尔盟、通辽市、赤峰市、兴安盟和锡林郭勒盟），全区土地面积125．18万km2，约占全国土地总面积的13%，总人口1．2亿人，占全国总人口的8．8%（2012年）。研究区域建成区面积共4 381 km2，占全国的12．29%[1]。

东北地区作为新中国的老工业基地，在20世纪80年代出现经济衰退现象。2003年国家提出振兴东北老工业基地，经济呈现一定程度的复苏和发展。城市建设用地规模随经济发展呈现相应扩展和变化。近20 a来，东北地区经历衰退和振兴，分析近20 a来东北地区城市用地扩张特征，并探讨城市用地扩张的驱动因素，为区域可持续发展提供有效的空间决策依据。由于内蒙古的兴安盟、锡林郭勒盟、大兴安岭地区以及延边朝鲜自治州数据难以获得，因此文中所指东北地区不包括这4个行政单元。选取东北地区37个地级市为研究对象，并用市辖区的建成区面积表征城市用地面积。数据主要来源于《中国城市统计年鉴》（1993、1998、2003、2008和2013年），包括辽宁省全部14个地级市、吉林省除去延边朝鲜自治州外的8个地级市、黑龙江省除去大兴安岭地区外的12个地级市以及内蒙古的赤峰、通辽和呼伦贝尔，共37个研究单元。此外黑龙江所辖的绥化于2000年正式升级为地级市，内蒙古通辽于1999年撤盟建市、呼伦贝尔于2001年撤盟建市，因此缺失2000年之前的数据，这3个城市的城市用地扩张就为12 a的变化。

1.2 研究方法

位序-规模法则。最早由奥尔巴克（F．Aueibach）于1913年提出，后经罗特卡（A．J．Lotka）和辛格（H．W．Singer）进一步完善发展，以人口数量来表征城市规模和城市规模位序，并从二者的关系探讨城市体系规模分布的特征。谈明洪、吕昌河对中国城市规模的分布研究结果证明，用城市建成区面积表征的城市规模同样符合位序-规模法则[6]：

式中，Sr是按建成区面积排序后第R位城市的用地规模；S1是最大城市的城市用地面积的理论值；R是Sr城市的位序号；q是常数，q越大，表明城市用地规模分布越集中，相反，则城市用地规模趋于分散。

分形理论。分形是指部分与整体相似的几何形态，或者是在一个比较大的尺度内，无特征尺度却有自相似性和自放射性的一种现象[30]。对于城市结构和城市体系的特征分析，多将位序-规模法则和分形理论结合，通过计算城市用地规模的分维值来表征[6]。在分析城市规模时最常用的分维模型是盒子维数：

式中， N（r）为城市用地规模大于r的城市个数；r代表城市用地规模，那么分维值D表征的就是城市规模分布的特征。式（2）两边取对数，有：

式中，A为常数，表征的是城市结构容量，A越大表征城市体系内部结构越复杂；A越小城市体系内部结构越简单[31]。D值反映了城镇体系的等级规模结构，D值越大，城市规模分布越集中，分布比较均衡，此时城镇体系发育步入成熟时期；D值越小，城市规模分布越分散，结构松散，城市间规模差距较大。

城市用地扩张幅度指数。城市用地扩张变化指数能够有效地反映城市用地面积在一定时段内的变化幅度与变化速度，关注城市用地的面积变化结果。模型如下：

式中，UEI指研究时段内城市用地面积从基期到末期的变化指数；US,T和US,1分别表示基期和末期的市辖区建成区面积。UEI越大，表明城市用地扩张幅度越大。城市用地扩张指数与时间段的比值表示城市用地面积在某一研究时期内的动态变化度，即年变化率。

2 城市用地扩张特征分析

2.1 城市用地扩张的整体趋势

分析东北地区的城市总体用地规模可以看到，1992～2012年，东北地区城市用地规模一直处于扩张的态势，且近年扩张速度有增大的趋势。1992～2002年城市建成区面积增长了561 km2，年均增长率为2．3%；2002～2012年城市建成区面积增长了1 433 km2，年平均增长率为4．5%，城市用地扩张速度有明显加快。到2012年，研究区域的城市建成区面积达到4 381 km2，见图1。

图1 1992～2012年东北地区城市用地规模变化

用位序-规模法则和分形理论的公式（1）和公式（3）对所收集的37个地级市的建成区面积进行回归分析，结果如表1所示。

表1 1992～2012年东北地区城市用地位序-规模分析表

由上表可以看出，q值一直在增大，从1992年的0．711增加到2012年的0．863；分维值D从1992年的1．505减小到2012年的1．032，表明东北地区37个城市之间用地规模的差距在扩大，城市总体的均衡度在下降。但是结构容量A在研究时段内表现为减小的趋势，这一结果又表明城市体系趋于简单，城市体系规模变小。首位城市用地面积理论值与实际值之间的比值有小幅扩大，也表明城市体系的首位度下降，总体规模变小。1997～2002年的结构容量A值呈增大的趋势，且本时段首位城市用地比值增大明显，出现研究时段内的最大值，表明本时段东北地区城市体系较为复杂，这与新晋级的地级市绥化、通辽、呼伦贝尔3市的划入有关。用城市建成区面积表征的城市规模的判定系数R2都在0．9附近，回归效果较理想。

2.2 不同规模的城市用地扩张比较

参考其他学者有关城市规模分类的研究成果[7]，以2012年我国各城市建成区面积为标准，建成区面积≥500 km2的为超大城市；200～500 km2之间的为特大城市；100～200 km2之间的为大城市；50～100 km2之间的为中等城市，建成区面积＜50 km2的为小城市。按此分类，2012年东北地区有特大城市5个、大城市8个、中等城市15个、小城市9个，缺失超大城市。

计算1992～2012年东北地区37个城市用地扩张变化指数（UEI），结果如表2所示（表中UEI是由该类规模所有城市建成区面积之和计算得到）。

表2的结果证明，东北地区三省份的城市用地扩张变化指数表现为：特大城市〉中等城市〉小城市〉大城市（城市扩张指数及等级分类见图2）。高于平均增速的城市个数呈现出：特大城市〉小城市〉大城市〉中等城市的特点，与总体扩张速度差别较大。东北地区特大城市的城市用地扩张较快（扩张指数达到139．6），大城市扩张幅度最小，速度最慢。总体扩张速度方面中等城市超过了大城市，高于平均增速的城市数；中等城市所占比例最小，只有40%的中等城市的扩张速度超过其同等规模城市用地扩张的平均增速。而小城市的整体扩张幅度和高于平均增速的城市数均大于大城市，表明东三省的城市不均衡度加大，而城市体系总体规模趋于简单。

表2 不同规模的城市用地扩张情况

2.3 不同城市间的扩张比较

研究区共有4个副省级市，分别是哈尔滨、长春、沈阳和大连，1992～2012年城市用地扩张速度最快的是长春市，城市用地扩张动态度达到56．14，其他分别为哈尔滨（29．10）、沈阳（28．15）和大连（19．5），城市用地都存在不同程度的扩张。而同时期这四城市的人口密度只有沈阳和大连的人口密度出现小幅度的增长，分别增长了0．14%和0．15%，而长春和哈尔滨的人口密度则出现负增长，分别为-0．61%和-0．62%，而且研究区域所有37个城市仅有17个城市的人口密度出现正增长，有一半以上的城市人口密度都是负增长。东三省人口总量步入下降区间，而从城市用地扩张动态值我们看到，只有4个城市的城市用地出现负增长（图3），城市建成区的外延扩张、粗放利用状况较严重，且城市间用地扩张差异较大。

图2 东北地区城市等级及城市扩张指数（审图号：GS（2011）540）

图3 1992～2012年城市用地扩张动态度

东北地区37个城市1992～2012年城市用地扩张动态变化平均值为13．85，高于平均值的城市有17个，其中辽宁省有6个，占全省14个城市的42．86%，吉林省有5个，占全省的62．5%，黑龙江4个，占全省的25%，内蒙古赤峰市和通辽市均超过了平均动态值。表明吉林省城市用地面积扩张变化最大，其次是辽宁省，黑龙江省城市用地面积扩张变化最小，蒙东三市的城市用地扩张变化也比较大。

为更清楚准确地表示城市用地规模扩张的空间差异，特别引入城市扩张比例指数（UPI）、城市扩张速度指数（URI）、城市扩张强度指数（UII）和城市扩张综合指数（UICI）[26]。其计算公式分别如下：

式中，UPI为城市扩张比例指数；S总为某一城市的土地总面积。

式中，URI为城市扩张速度指数，该指数着重强调土地变化递变过程，解释递变规律。

式中，UII为城市扩张强度指数；CT，C1分别表示整个研究区域在T时段内末期和初期的城市建设用地总面积。该指数用于说明城市用地扩张的强弱，UII〉1表明局部变化较整体剧烈，反之亦然。

式中，UICI为城市扩张强度指数，此公式由城市扩张相关公式加权所得，能综合反映城市用地扩张的空间特征，取值范围为0～1，是标准化后的数值，越接近于1，表明城市用地变化越明显。

用城市扩张幅度指数和上述各公式计算东北地区各城市用地扩张的各项指数和排名（表3）。由表3可知，各城市的城市用地扩张各不相同，其中UEI和UII指数变化的排序相一致，UPI和URI的变化则各有特点，城市用地扩张综合指数（UICI）的引入避免了单一指标判定的缺陷。根据UICI得分特点规定：UICI≥0．8，城市扩张类型为Ⅰ级（剧变型）；0．5≤UICI＜0．8为Ⅱ级（速变型）；0．2≤UICI＜0．5为Ⅲ级（缓变性）；UICI＜0．2为Ⅳ级（稳定型）。研究表明，1992～2012年东北地区城市用地扩张差异明显。其中长春为剧变型，但是扩张比例和扩张速度并不高，扩张幅度是其城市用地扩张综合指数大的主要原因。扩张类型为速变型的有7个城市，分别为营口、沈阳、通辽、朝阳、哈尔滨、大连和通化（其中通辽市为10 a变化指数）。缓变型的城市有鞍山、丹东等16个，占全区43%。稳定型的有牡丹江、齐齐哈尔等13个城市，占全区35%。可知1992～2012年间，东北地区各城市用地扩张差异较大，整体处于相对缓慢的稳定期。

3 城市用地规模扩张的驱动因子分析

城市用地规模的变化是城市人口变化、城镇空间结构和布局变化的综合反映，其变化受到产业、经济、交通、政策以及自然条件等诸因素的影响，是各因素综合作用的结果。

1）地形条件。城市的形成很大程度上受到地形的影响，科学技术的进步虽大大提升了人类对局部地形的改造，但大范围地形地势仍很大程度上影响城市用地的扩张。东北地区既坐拥我国最大的平原，为当地城市的形成和不断发展提供了有利条件；又分布有大、小兴安岭、长白山脉以及辽东丘陵等地势不利于城市发展的地形。伊春、双鸭山、白山、通化、本溪、黑河、鸡西、牡丹江等城市地处山区或山间盆地，这些城市20 a间城市用地扩张幅度除去通化市外其他均较小，伊春、鸡西、牡丹江、本溪的城市用地规模虽有所扩张，但扩张幅度有限，均小于全区平均城市用地扩张指数，尤其是伊春、鸡西扩张幅度未达到全区平均扩张幅度的半数值。而城市用地扩张较快、扩张幅度指数较大的城市，多是长春、营口、沈阳、哈尔滨等地势相对平坦开阔的地区，此四城市平均用地扩张幅度达到175．4。在全区4个城市用地扩张指数为负值的城市中，“山地城市”占3个，其中黑河市1992年的城市建成区面积为21 km2，到2012年建成区面积为19 km2；白山市1992年城市建成区面积为51 km2，2012年减少到36 km2，城市用地减少明显；双鸭山市城市建成区面积由1992年的59 km2减少为2012年的51 km2。地形的差异是东北地区城市用地扩张规模和速度不同的重要原因。

2）资源条件。东北地区作为新中国首批兴起的老工业区，区内煤炭、铁矿、石油、有色金属等资源丰富，在此基础上发展起一批资源型城市，如大庆、抚顺、鹤岗、辽源、松原、双鸭山、七台河、鸡西、阜新、鞍山等。这些城市依托于当地矿产资源，经济发展迅速，资源开采带动的人口集聚和基础设施的完善，使得城市用地规模得到迅速扩张，诸如大庆这座石油城，因开采需要带动工业园区建设，城市用地持续扩展，扩张速度也不断加快（表4），但随着当地资源开采殆尽，城市用地规模增长缓慢甚至呈下降趋势，如阜新、双鸭山、鸡西。资源型城市的城市用地扩张与资源的有限性和三次产业的调整有关，在资源开采初期，当地资源丰富且以第二产业为主的大环境，城市发展处于高速扩张时期，后期资源的减少、产业工人的转移限制了城市用地的扩张速度。因此资源条件也是影响城市用地扩展的重要因素之一。

表4 分时段资源型城市用地扩张指数

3）经济发展。经济发展的最大特点就是GDP的增长。研究发现，城市用地扩张与GDP呈正相关关系[6,11]，即随着GDP的增长，城市用地也呈不断增长态势，二者线性拟合度较高，R2在0．9以上。1992 年研究区域生产总值为3 224．86亿元；2012年达到40 292．34 亿元；相应的城市用地由1992年的2 387 km2增长到2012年的4 381 km2，平均每增加510万元相应增加1 km2的城市用地。2009年辽宁沿海经济带的确立，推动了沿海城市用地的扩张，营口市的进出口总额由2007年的188 763万元增长到2012年的549 197万元，增长了1．91倍，同时期营口城市用地扩张指数是18．28，是此时段全区平均扩张指数的1．13倍，此外大连、丹东、葫芦岛、锦州和盘锦的城市用地也有大幅度增长，而白山、鹤岗、双鸭山和黑河市在经济发展的同时出现城市用地的负增长，主要与当地地形、资源和政策有关。

4）政策因素。东北地区作为我国一个比较完整的地理单元，具有重要的地理意义。地处国土边疆，与俄罗斯、蒙古国、朝鲜接壤，其城市发展受到国家和地方政策的影响。为扩大省会城市的综合凝聚力和影响力，会扩张城市用地来扩大城市对外辐射力。城市用地扩张指数分布图显示，省会城市长春、哈尔滨、沈阳的城市用地面积20 a间都有特别大的增长，加上这些城市平坦的地形优势，城市用地扩张指数分别高达280．7、145．5和140．7。另外，城市政策和城市规划的制定同样影响城市用地规模变化。例如朝阳和赤峰两城市的发展跟政府规划有重要关系。《赤峰市城市总体规划（2002～2020）》提出建设新城区，赤峰城市建设用地在2002～2007年增长迅速，年均增长率达到13%；朝阳地处辽宁省西北部，经济社会发展都比较落后，为平衡区域差异，近年来辽宁省着力发展朝阳市，作为辽宁北部新兴城市，其城市用地面积由1992年的21 km2增长到2012年的58 km2，扩张幅度达176．19。大连市在2003年以前的发展思路是“不求最大，只求最好”，2003年之后的发展目标是到2020年实现“大大连”，相应的城市用地扩展也出现阶段性不同，1992～1997年扩张幅度是13．5，1997～2002年减小到9．25，2007～2012年出现峰值，城市用地扩张指数达到53．1。

5）交通影响。城市的发展离不开交通的支撑，尤其在信息、技术、人流、物流交往更加频繁的今天，交通成为一个城市发展的重要动力。如沿哈大铁路线的哈尔滨、长春、四平、沈阳、鞍山和大连，沿滨州-滨绥线的大庆、牡丹江、齐齐哈尔、呼伦贝尔，交通线的建设带动了这些城市的发展，进而带动了城市用地的不断扩张。哈大沿线除四平和鞍山外，其余4个城市用地综合扩张指数均在0．5以上，城市扩张规模和速度均较快。近年来滨州-滨绥铁路线复线建设带动了沿线城市的高速扩张，滨州线的齐齐哈尔在2002～2007年城市扩张幅度达到31．07，远远高于研究时段的平均增速8．94。现代化铁路站点的建设带动的郊区城市化，对城市用地扩张的贡献率也很大。2010年大连北站的建设，对大连市区北郊南关岭地区的开发起到重要推动作用，大连市2007～2012年城市用地扩张幅度达到53．1，虽然经济发展和政策导向起主要作用，但大连北站的建设对此也有很大关系。

4 结语

1）选取东北地区37个地级市为研究样本，运用分形理论和位序规模法则分析了近20 a间东北地区城市用地规模扩张的整体特征。结果显示，用城市建成区面积表征的城市用地变化模型回归结果较理想，计算的q值在研究时段内一直在增加，相应的分维值D则在持续减小，表明东北地区37个城市之间的用地规模差距在扩大，城市总体均衡度在下降；但结构容量A逐渐减小、首位城市用地面积理论值与实际值的比值小幅增大，表明城市体系趋于简单，城市总体规模变小。

2）不同规模的城市用地扩张的比较发现，近20 a东北地区城市用地扩张呈现“特大城市〉中等城市〉小城市〉大城市”的特征。平均增速方面，高于平均增速的城市个数呈现“特大城市〉小城市〉大城市〉中等城市”的特点，与总体扩张速度差别较大。特大城市的扩张速度最快，而小城市的整体扩张速度和高于平均增速城市数均超过大城市，表明东三省的城市不均衡度加大，而城市体系总体规模趋于简单。

3）不同城市间的扩张比较结果显示，城市用地规模变化动态值最高的是长春，达到56．14；最低的是白山市，城市用地规模不增反降，动态值为-5．9。表明城市间用地扩张差异较大。而城市用地面积的增加与城市人口密度的增长不成正比，研究时段有33个研究单元的城市用地面积存在不同程度的增加，但同时期的人口密度却有一半以上的城市是负增长，表明城市建成区的外延扩张、粗放利用状况较严重。城市扩张类型的比较表明，在1992～2012年间，东北地区各城市用地扩张差异较大，整体处于相对缓慢的稳定期。

4）城市用地扩张是多因素驱动的结果。研究发现，近20 a东北地区城市用地扩张主要受来自地形因素、资源条件、经济发展、政策驱动和交通条件等方面的影响。在经济技术等不断发展的今天，地形、资源等自然因素对城市用地扩张的影响越来越小，而社会经济因素的影响将更加深刻。

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