乌鲁木齐市产业结构与城市空间形态耦合及响应关系研究*

和伟康，苏向辉，马 瑛，李 松，王保力，刘金金

(1.新疆农业大学管理学院，乌鲁木齐 830052； 2.新疆农业大学科学技术学院，乌鲁木齐 830052)

·结构调整·

乌鲁木齐市产业结构与城市空间形态耦合及响应关系研究*

和伟康1，苏向辉2※，马 瑛1，李 松1，王保力1，刘金金1

(1.新疆农业大学管理学院，乌鲁木齐 830052； 2.新疆农业大学科学技术学院，乌鲁木齐 830052)

目的产业结构与城市空间形态之间存在相互作用关系，以乌鲁木齐市产业结构演替与城市空间形态演变为出发点，定量测度两个系统在城市发展不同阶段的耦合过程及特征。方法选取1996年、2002年、2008年和2014年4个年份作为研究时点，以Matlab和SPSS统计分析结果为基础，构建产业结构与城市空间形态耦合评价模型及空间响应模型，针对两个系统的耦合协调度和空间响应指数进行探究。结果(1)在乌鲁木齐市城市发展进程中，产业结构对城市空间形态存在明显作用关系。(2)产业结构演替与城市空间形态演变的耦合协调性较强，耦合度介于0.6228～0.7253之间，且呈前期和后期高、中期低的“U”型特征，协调度介于0.9913～0.9995之间，处于中度耦合良好协调水平。(3)城市空间形态对产业结构演替的响应态势表现为前期高、中期和后期低的“L”型特征。结论产业结构演替能够推动城市空间形态演变。

产业结构 城市空间形态 耦合 响应 乌鲁木齐市

0 引言

全球经济持续发展和城市化进程不断加快，使产业结构与城市空间愈发成为经济学和城市规划领域关注的焦点。从融合发展视角对产业结构与城市空间形态的相互关系进行研究，对于探究两者演化特征及作用机理具有重要意义。产业结构与城市空间的探析角度经历了由宏观向微观的细化，研究层级经历了由全国拓展到全球及向省市的转变，研究阶段经历了由短期向长期推衍[1-4]，研究方法经历了由定性描述到定量分析、静态描述到动态模拟[5-7]，理论与实证研究并重[8-10]。梳理产业结构与城市空间形态的研究观点，城市空间形态演变本质上是内外矛盾运动的结果[11]，经济因素对城市空间形态的演变具有主导作用[12]，城市产业结构作为经济活动的载体[13]，主要从城市功能布局、用地规模、发展趋势等方面影响城市空间形态[14-15]。多数学者认为产业结构演替为城市空间形态演变提供了动力支撑[16-20]。

不同类型城市由于自然条件、所处发展阶段及城市职能定位不同，城市空间形态演变会呈现不同规律和特点[21]。以乌鲁木齐市作为研究对象，结合城市发展实际状况，构建产业结构和城市空间形态评价指标体系，定量测度乌鲁木齐市城市不同发展阶段产业结构与城市空间形态的综合发展指数及耦合协调情况，在此基础上构建产业结构与城市空间形态的响应度评价模型并与回归分析相结合，进一步对乌鲁木齐市产业结构演替与城市空间形态演变耦合特征进行探究，为乌鲁木齐市城市社会、经济转型过程中的空间重构提供理论支撑，以期服务区域经济发展，助力国家“一带一路”战略的顺利实施。

1 研究区概况

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

为使所获取的资料尽可能完整，选取1996年、2002年、2008年和2014年4个年份作为研究时点，通过查阅相应时期《乌鲁木齐统计年鉴》、《乌鲁木齐年鉴》及乌鲁木齐市国民经济和社会发展统计公报，参照3次《国民经济行业分类》(GB/T4754-1994，GB/T4754-2002，GB/T4754-2011)，经整理归并得到产业结构评价指标数据。依据2次《城市用地分类与规划建设用地标准》(GBJ137-90和GB50137-2011)，对收集到的同时段乌鲁木齐市土地利用现状进行归类，进一步分析计算得到城市空间形态评价指标数据。

2.2 研究方法

2.2.1 构建评价指标体系

对产业结构与城市空间形态的交互研究是一项复杂的工程，指标体系要能很好地揭示两者之间各要素的作用特征及内涵，在遵循科学、合理原则的基础上，兼有动态与静态指标，所选指标还要具有很强的代表性和针对性，且易于操作和获取。

乌鲁木齐市作为新疆维吾尔自治区首府，是一座综合性的大城市，又因城市建成区扩张主要与二、三产业联系最为紧密，且城市在不同发展时期，产业结构均具有与之相对应的投资、就业和产值结构，其实质是不同发展时期所投入的生产要素在类别、数量等方面存在着差异，不同的生产要素组合也会表现出不同的空间效应，使不同时期城市内部各用地类型所占比重、空间布局以及组合关系发生变化，进一步表现为城市不同的外部形态特征和内部组合结构。由此，选择二、三产业所包括的行业门类作为评价指标，分别以其在投资、就业、产值中所占比重来表征产业结构的演替(表1)。

从城市外部形态、内部用地结构及整体形态等3个方面来表征城市空间形态的演变。主要借助城市紧凑度指数、分形维数、扩展速度及扩展强度指数来表现城市外部形态的演变特征。紧凑度指数表明了城市外部形状的紧凑程度；分形维数反映了城市边界形状的复杂性，进一步表明土地利用受干扰的程度；扩展速度及扩展强度指数则对城市空间扩展的动态过程进行了量化。其中，城市紧凑度指数和分形维数指标数据来源于同该研究时期一致的对乌鲁木齐市城市形态研究[23]。借助城市各用地类型所占比重来表征城市内部空间结构的演变特征，城市各类用地面积所占比重指标数据主要参考《乌鲁木齐统计年鉴》及对同时期乌鲁木齐市土地利用状况的研究[24-26]； 在确定城市内部各用地类型所占比重的基础上，运用景观生态学理论的异质性指数对城市整体形态进行评价，采用Shannon-Weaver多样性指数和均匀度指数反映城市内部空间形态的多样性特征及内部各功能用地间的混合使用程度[27-28]，多样性指数数值越大，表明城市内部结构越复杂，均匀度指数数值越大，表明城市各功能用地空间布局越均衡(表2)。

表1 乌鲁木齐市城市产业结构评价指标体系

目标层指标名称及单位(%)投资比重(0385)就业比重(0287)产值比重(0328)代码指标权重代码指标权重代码指标权重城市产业结构评价指标体系采矿业X1100218X2100141X3100186制造业X1200132X2200162X3200117电力、燃气及水的生产和供应业X1300212X2300238X3300116建筑业X1400127X2400137X3400191交通运输、仓储和邮政业X1500282X2500138X3500153信息传输、计算机服务和软件业X1600160X2600122X3600262批发和零售业X1700367X2700129X3700150住宿和餐饮业X1800255X2800124X3800143金融业X1900129X2900116X3900309房地产业X11000112X21000115X31000135租赁和商务服务业X11100204X21100196X31100244科学研究、技术服务和地质勘査业X11200118X21200115X31200127水利、环境和公共设施管理业X11300397X21300273X31300209居民服务和其他服务业X11400150X21400340X31400189教育X11500259X21500152X31500132卫生、社会保障和社会福利业X11600255X21600118X31600150文化、体育和娱乐业X11700215X21700115X31700223公共管理和社会组织X11800256X21800140X31800249

表2 乌鲁木齐市城市空间形态评价指标体系

目标层准则层及权重指标名称及单位代码指标权重城市空间形态评价指标体系城市外部形态(0277)紧凑度指数X1100467分形维数X1201063扩展速度(km2/年)X1300445扩展强度指数(%)X1400793城市内部结构(0632)居住用地比重(%)X2100766公共设施用地比重(%)X2200485工业用地比重(%)X2300455仓储用地比重(%)X2400559对外交通用地比重(%)X2500978道路广场用地比重(%)X2600518市政公用设施用地比重(%)X2700889绿地比重(%)X2800786其他用地比重(%)X2900887城市整体形态(0091)多样性指数X3100454均匀度指数X3200454

2.2.2 数据标准化处理与权重确定

考虑到各指标量纲和属性的不同，为了尽可能避免这些因素对计算结果的影响，采用标准差法对指标原始数据进行标准化处理。

(1)

对评价指标进行权重赋值时，借助Matlab R2011b软件，运用熵值法进行赋值。由于熵值法中运用到了对数，须对标准化后的数据进行变换，合理消除负数带来的影响[29]，经计算Xij′的范围在-2～2之间，可将坐标平移，则有：

Zij=Xij′+2

(2)

在(2)式基础上对平移变换后的数据做归一化处理：

(3)

计算评价指标体系中第i项指标的信息熵值Hi：

(4)

(4)式中，K=(lnn)-1，(i=1， 2，...，n；j=1， 2，...m)。

计算指标i的信息权重wi：

(5)

2.2.3 评价指数计算

对评价指标进行数据标准化处理和确定权重后，采用线性加权法对产业结构和城市空间形态两大系统的综合水平进行评价。

(6)

(7)

(6)(7)式中，Eh、Es分别代表产业结构与城市空间形态综合水平，fij为两个评价系统中指标xij的标准化值，wi为两个评价系统中第i项指标的权重。

2.2.4 耦合模型的构建

耦合源自物理学概念，指两个或两个以上系统或运动形式通过耦合要素、运行机制等关键因素在时空范围内相互影响的协同作用下由无序走向有序； 协调是系统或要素间协调配合、良性循环的关系[30]。该研究中的“耦合”指乌鲁木齐市产业结构系统内部的投资结构、就业结构、产值结构等子系统的各要素在经济、社会、环境等复杂机理下，与城市外部形态、内部结构、整体形态的构成要素之间交互影响程度，为对此进行定量表征，参考已有研究成果[16， 31]，构建耦合协调模型和空间响应模型：

(8)

T=αEh+βEs

(9)

(10)

(11)

μ=η

(12)

表3 产业结构演替与城市空间形态演变耦合协调阶段划分

协调度(C)协调关系与水平耦合度(D)耦合程度0

3 结果与分析

3.1 乌鲁木齐市产业结构与城市空间形态作用关系分析

为了从宏观层面揭示乌鲁木齐市产业结构与城市空间形态两大系统的作用关系，运用SPSS 23.0统计分析软件分别对城市建成区面积(A)与地区生产总值(G)、二、三产业增加值(P)进行回归分析，可得数量关系式：

yA=106.88+0.133G(RG2=0.836)

(13)

yA=107.26+0.135P(RP2=0.835)

(14)

图1 产业结构对城市空间形态作用关系演变趋势

图2 产业结构对城市空间形态作用关系解析

公式(13)(14)均具有较高的决定系数，分别为0.836和0.835，且显著性水平均小于0.05，通过显著性检验，表明经济规模对城市建成区面积作用关系明显。为进一步从数理层面揭示产业结构演替与城市空间形态演变的作用关系，以二、三产业在产业结构中所占比重(K)的时间序列特点代表产业结构演替特征，又因城市外部形态、内部用地结构、整体形态所包含的指标特征均与城市建成区面积密切相关，所以选择时间序列的城市建成区面积占行政区域面积比重(M)变化特点来表示城市空间形态的演变特征。考虑到数据的规整性，选取2000～2014年为分析时段，对二、三产业在产业结构中所占比重(K)与城市建成区面积占行政区域面积比重(M)进行曲线拟合，可得产业结构对城市空间形态作用的数量关系及二者间作用关系的演变趋势(图1)：

yM=-116.37+1.206K(RK2=0.938)

(15)

公式(15)中，拟合函数的决定系数R2=0.938，且显著性水平小于0.01，通过显著性检验，表明产业结构演替对城市空间形态演变的作用关系显著。运用同样的方法，分别从城市外部形态、内部用地结构、整体形态选取代表乌鲁木齐市城市空间形态特征的指数，通过与代表产业结构演替特征的指数做回归分析，定量测度城市空间形态对城市产业结构的影响程度，分析结果认为，决定系数明显偏低且仅有极少F值通过显著性水平检验，说明城市空间形态对城市产业结构影响程度不明显或难以通过量化测定。

乌鲁木齐市在近20年的城市发展过程中，第二产业所占比重经历了一个由上升到下降的演替过程，第三产业所占比重整体较高，且呈逐渐上升趋势，城市建成区面积增加较快，由1996年的82.5km2增加到2014年的412.26km2，城市建成区面积的增长速度也呈现出先上升后下降的演变过程。产业结构的演替特征与投入生产要素的种类、数量及组合关系密切相关，产业结构中不同要素的组合形式通过环境效应、空间效应等表现为不同的城市内部功能分区，进而影响城市的外部及整体形态。因此，产业结构在演替过程中不断推动着城市空间形态的演变(图2)。

3.2 乌鲁木齐市产业结构演替与城市空间形态演变耦合分析

依据该研究采用的指标数据处理方法及构建的耦合协调度模型，计算得到乌鲁木齐市不同时期产业结构演替与城市空间形态演变的综合评价指数及耦合协调度值(图3、表4)。

图3 不同时期乌鲁木齐市产业结构与 城市空间形态耦合协调度

表4 不同时期乌鲁木齐市产业结构与城市空间形态耦合度评价

年份协调度(C)协调水平耦合度(D)耦合水平199609995良好协调06228中度耦合200209913良好协调07253中度耦合200809990良好协调06264中度耦合201409975良好协调06477中度耦合

1996～2002年，乌鲁木齐市产业结构演替与城市空间形态演变的协调度由1996年的0.9995下降至2002年的0.9913，二者的耦合度由1996年的0.6228上升至2002年的0.7253。乌鲁木齐市作为资源型城市， 1996年乌鲁木齐市采掘业和加工制造业投资额为42亿元(1996年价)，占投资总额的42.29%，产业结构综合水平(Eh)由1996年的0.3917上升至2002年的0.5076，采掘业和加工制造业初始布局对城市空间形态发展有奠基和推动作用，城市空间形态综合水平(ES)由1996年的0.3674上升至2002年的0.6616，从产业结构与城市空间形态综合水平变动幅度分析，二者的同步性较弱，协调度处于下降态势； 随着2000年西部大开发战略实施带来大量资金和技术，城市综合水平提升明显，产业结构和城市空间形态的综合评价指数(T)达到最高，二者的耦合度处于上升阶段。

2002～2008年，乌鲁木齐市产业结构演替与城市空间形态演变的协调度由2002年的0.9913上升至2008年的0.9990，二者的耦合度由2002年的0.7253下降至2008年的0.6264。西部大开发逐渐进入奠基阶段后期，乌鲁木齐市产业结构综合水平(Eh)由2002年的0.5076下降至2008年的0.3872，通过进一步强化国家级经济技术开发区功能及在2003年设立国家级出口加工区等方式，城市用地内部置换效果明显，城市空间形态综合水平(ES)由2002年的0.6616下降至2008年的0.4240，相比1996～2002年产业结构与城市空间形态综合水平变化幅度，该阶段二者演变的同步性增强，协调度处于上升态势，城市空间形态内部填充与外部扩张并行，产业结构调整趋稳，二者的耦合度处于下降阶段。

2008～2014年，乌鲁木齐市产业结构演替与城市空间形态演变的协调度由2008年的0.9990下降至2014年的0.9975，二者的耦合度由2008年的0.6264上升至2014年的0.6477。该阶段乌鲁木齐市城市经济及科技水平不断提升， 2014年第三产业增加值达到1528.03亿元(2014年价)，占地区生产总值的比重高达62.08%，产业结构综合水平(Eh)由2008年的0.3872上升至2014年的0.4291。随着“产业入园”的进一步推动，产业集聚效应更加明显，出现集约化、立体化发展模式，城市空间形态综合水平(ES)由2008年的0.4240下降至2014年的0.3726，产业结构综合水平(Eh)与城市空间形态综合水平(ES)发展态势相反，二者的协调性降低。 2008年科学发展观的提出，促使乌鲁木齐市产业结构调整与城市空间布局更加合理，产业结构与城市空间形态的综合评价指数(T)呈上升趋势，二者的耦合度也相应提升。产业结构与城市空间形态耦合协调的发展趋势，使乌鲁木齐市政府更加注重对产业园区布局进行合理规划，在“一轴双心，两区七组团”的城市规划布局下，借助产业发展对城市空间形态演变的影响因素，促进二者之间持续优化协调发展(图4)。

图4 2014～2020年乌鲁木齐市市域产业布局规划

3.3 乌鲁木齐市城市空间形态对产业结构演替的响应分析

响应度指数能进一步表明产业结构和城市空间形态两系统之间相互作用过程及强度，利用SPSS 23.0统计分析软件对乌鲁木齐市1996、2002、2008和2014 4个年份的产业结构综合水平(Eh)和城市空间形态综合水平(ES)进行曲线估计，得到两者的最优响应函数方程：

Es=6.99-31.62Eh+37.75Eh2(R2=0.943，R=0.990)

(16)

拟合函数的决定系数R2=0.943，相关系数R=0.990，表明曲线有较好的拟合效果； 再对公式(16)进一步求导，可得：

(17)

将公式(17)与公式(11)(12)结合，得到乌鲁木齐市4个不同时点的城市空间形态对产业结构演替的响应度指数(表5)。从结果中可以看出，乌鲁木齐市城市发展不同阶段，城市空间形态对产业结构演替的响应度差异显著。

表5 不同阶段乌鲁木齐市城市空间形态对产业结构演替的响应度

年份1996200220082014城市空间形态对产业结构演替的响应度(μ)19197873772613206474

1996～2002年，乌鲁木齐市城市扩展强度指数为24.236%，表明该时期城市用地年均增长速率最快，城市建成区面积由1996年的83km2增加到2002年的167.1km2，城市紧凑度指数由1996年的0.039上升到2002年的0.049，城市分形维数由1996年的2.666下降到2002年的2.086，说明该阶段城市外部扩张与内部填充作用明显，城市空间形态对产业结构演替的响应度由1996年的1.9197上升为2002年的8.7377，达到了高峰值，这也与乌鲁木齐市城市发展实际相符，继我国西部大开发战略实施之后，政府出台的相关优惠政策推动了乌鲁木齐市城市经济快速发展，产业发展对城市形态变化作用效果明显。

2002～2008年，随着西部大开发持续推进，城市建成区进入扩展速率最强阶段，扩展速率达到了21.017km2/年，扩展强度指数为11.796%，城市空间形态对产业结构演替的响应度急速下降到2008年的2.6132，城市紧凑度指数由2002年的0.049上升到2008年的0.055，城市产业发展受地租地价及城市发展规划的影响更加强烈，通过工业企业“出城入园”等方式逐步对产业分工进行更加合理的布局，这一阶段城市产业集聚效果明显，城市中心区多为单位面积产值高的行业企业且现代服务业密集，城市空间形态对产业结构演替的响应程度不断下降。

2008～2014年，城市扩展速率和扩展强度指数相比上一阶段均呈下降趋势，分别下降到14.488km2/年和4.762%，城市紧凑度指数略微升高。乌鲁木齐市2008年开始全面贯彻落实科学发展观，城市发展更加注重全面协调性，这一时期现代服务业、高新技术产业、休闲产业、都市型工业、文化创意产业、战略性新兴产业等发展迅速，城市中心呈高度集约立体化发展，城市空间形态对产业结构演替的响应度较低，仅为0.6474，说明该阶段产业布局对城市形态的影响极小，城市外部形态的发展已经达到趋于稳定状态，随着时间的推衍，内部填充效果将会越来越明显。

4 结论

乌鲁木齐市城市发展不同阶段，产业结构与城市空间形态耦合及响应关系存在差异。乌鲁木齐市城市发展主要以资源消耗为支撑阶段，产业结构通过生产要素作用于城市空间形态，城市外向扩张明显。随着资源型产业及其相关产业不断发展，产业结构与城市空间形态的耦合及响应度均呈上升态势。产业结构调整逐渐趋稳，乌鲁木齐市城市外部扩张与内部填充并行，产业结构与城市空间形态的耦合度降低，后者对前者的响应度也随之下降。随着乌鲁木齐市深化科学发展观及科技水平的不断提升，新兴产业进入快速发展阶段，城市发展以内部填充为主，产业结构与城市空间形态的耦合度有所增强，城市空间形态相对稳定，对产业结构演替的响应程度微弱。乌鲁木齐市产业结构与城市空间形态两系统的耦合态势表现为前期和后期高、中期低的“U”型特征； 乌鲁木齐市城市空间形态对产业结构演替的响应度表现为前期高、中期和后期低的“L”型特征。

通过分析乌鲁木齐市产业结构与城市空间形态综合评价指数的变动关系及内在原因，揭示了二者之间协调关系的变化趋势，借助耦合模型及响应度函数，对乌鲁木齐市产业结构与城市空间形态耦合及作用程度进行测度，并从理论层面探究两大系统之间的作用过程及特征，研究结论符合乌鲁木齐市城市发展实际，这也表明耦合协调模型及响应度函数的构建具有科学性； 不同发展阶段产业结构与城市空间形态的耦合关系存在差异； 产业结构调整为城市空间形态演变提供动力支持。

由于仅选择城市发展的4个特定时点作为研究样本，无法对产业结构与城市空间形态两大系统进行数理统计分析，仅从宏观层面揭示了乌鲁木齐市产业结构演替与城市空间形态演变的耦合关系，未能从微观层面定量阐明城市发展不同时期对城市空间形态起主导作用的影响因子及其作用机理，有待作进一步探究。

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Vol.38，No.9，pp122-129

Vol.38，No.9，pp106-114

RELATIONSHIPBETWEENINDUSTRYSTRUCTUREANDURBANSPATIALMORPHOLOGYOFURUMQICITY*

HeWeikang1，SuXianghui2※，MaYing1，LiSong1，WangBaoli1，LiuJinjin1

(1.School of Management Department , Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052，China;2.College of Science and Technology , Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052，China)

There was interaction relationship between industry structure and urban spatial morphology .From industry structure and urban spatial morphology transformations of Urumqi City, this paper quantitatively measured the coupling process and features, on the basis of the statistical analysis results in 1996, 2002, 2008 and 2014, established coupling evaluation model and spatial response model on industry structure and urban spatial morphology using Matlab and SPSS software, and analyzed the coupling coordination degree and spatial response index of both systems. The results showed that: In the urban development process of Urumqi city, there was obvious affection relationship between industry structure and urban spatial morphology. The coupling coordination between industry structure and urban spatial morphology was relatively strong, and the coupling degree was between 0.622 8 and 0.725 3, which showed a "U" type feature with high prophase and anaphase and low metaphase, and the coordination degree was between 0.991 3 and 0.999 5, which was on a fine coordination level of a moderate coupling. The response trend from urban spatial morphology to industry structure transformation showed an "L" type feature with high prophase and low anaphase and metaphase. The industry structure transformation could promote urban spatial morphology.

industry structure; urban spatial morphology; coupling; response; Urumqi city

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170914

2017-03-22

和伟康(1990—)，男，河南许昌人，硕士。研究方向：城乡规划。 ※通讯作者：苏向辉(1984—)，男，山东东营人，硕士、助理研究员。研究方向：城乡规划、城市经济研究。Email：sudatou07@163.com *资助项目：新疆维吾尔自治区社会科学基金项目“新产业空间与城市空间结构互适作用及优化协调研究”(2016CGL099)

F121.3

A

1005-9121[2017]09098-09