基于竞争生态位的长三角城市群进化成长分形评价

施建刚 张永刚 吴光东

[摘要] 文章从城市生命体的运行机制和进化成长规律出发，构建了包括新陈代谢、生长发育、遗传变异、自适应和应急性等4方面19项指标的城市竞争生态位指标体系，进而论证城市群内的城市竞争生态位间具备分形特征，据此构建了基于竞争生态位的城市进化成长分形评价模型，用以评价城市群及城市的进化成长状态和趋势。在此基础上，选取了包括上海、南京、杭州等 26 市在内的长三角城市群，测算出有关城市在1985—2015 年的城市竞争生态位，综合运用Eviews 8.0软件进行双对数回归分析、拟合分析验证等进行分析后，提出了强化区域的统一规划管理、强化城市群的分工协作和功能互补、积极培育首位城市的新经济增长极、充分发挥首位城市的“同城效应”、提升领先位序城市的治理能力、加强跨区域生态环境的共建共享等对策建议。

[关键词] 生命特征；竞争生态位；进化成长；分形评价

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2018.26

随着社会生产力的发展和城市化水平的提高，城市对人类生存发展的重要性愈加凸显，城市也从封闭结构向开放形态不断进化成长。从系统论的角度看，城市作为一个具有新陈代谢、生长发育、遗传变异、自适应与应急性等特征的人工生命体，在自身的进化成长过程中，既要保持自身生命特征之间的内在平衡，更要关注自身的竞争生态位，才能不断地提高城市个体和城市群落的生存能力和成长能力，逐步实现自身的结构和功能的进化成长，同时也推动着城市群落的整体发展和能级提升。现有的城市竞争生态位研究还处于起步阶段，得出的城市竞争策略判别模型仅能提出一些方向性的基本策略取向，还没有从城市的生命特征、运行机制、竞争生态位、进化成长等角度来研究城市竞争行为和竞争策略；与此同时，分形理论仅用于空间方面的城市规模结构和分布研究，较少用于经济、社会等领域的研究，更缺乏从城市生命体、竞争生态位的角度出发，对城市生命体及城市群落的形态、结构、发育、演变等的研究。因此，将竞争生态位和分形理论引入城市的进化成长研究领域是非常有必要的，也非常具有现实意义。

1 长三角城市群概况

长三角城市群在上海市、江苏省、浙江省、安徽省范围内，由以上海为核心、联系紧密的多个城市组成，主要分布于国家“两横三纵”城市化格局的优化开发和重点开发区域。规划范围包括：上海市，江苏省的南京、无锡、常州、苏州、南通、盐城、扬州、镇江、泰州，浙江省的杭州、宁波、嘉兴、湖州、绍兴、金华、舟山、台州，安徽省的合肥、芜湖、马鞍山、铜陵、安庆、滁州、池州、宣城等 26 市，国土面积 21.17 万平方公里，2016 年地区生产总值14.72万亿元，总人口1.5 亿人，分别约占全国的 2.2%、19.8%和11.0%。长三角城市群是我国经济最具活力、开放程度最高、创新能力最强、吸纳外来人口最多的区域之一，是“一带一路”与长江经济带重要交汇地带，在国家现代化建设大局和全方位开放格局中具有举足轻重的战略地位。但與此同时，长三角城市群还存在首位城市功能相对较弱、城市群发展质量不高、城市包容性不足、城市建设无序蔓延、生态系统功能退化等问题，值得引起重视和关注。[1]

2 基于竞争生态位的城市进化成长分形评价模型

2.1 评价指标体系

城市生命体的各项生命特征，都依赖于一定的子系统来实现。[2]城市生命体的各类子系统和支撑体系，构成了城市生命体的运行机制 （见表1）。由于城市系统由大量子系统组成，众多子系统运动状态的不同变化影响着总系统的综合效应，形成涨落现象。涨落的完成与系统结构的调整适应推动着城市内部结构的进化，当涨落在一定限度内的时候，子系统通过自适应与应急性的“自愈”功能，来实现城市生命体系统新的有序。从热力学第二定律可以推导出，在没有外力干扰的情况下，城市生命体将沿着阻力最小的方向进化。其中，外部形态方面，城市生命体首先在优势区位进行生长发育，由于区位间存在差异，也就是所谓的位势，促使城市生命体的活动从低势位向高势位的流动，从而形成一种从无序走向有序的负熵流，产生自组织现象；内部功能方面，由人流、物流、能量流、信息流、资金流等的共同作用形成了空间的集聚，空间的集聚又使区位条件发生变化，进而产生新的流动，进一步产生更高一级的自组织现象，促使城市生命体内部从无序向有序、从低级向高级有序进化。[3]

从城市生命体的运行机制出发，按照指标与生命特征密切相关，对城市生命体的发展至关重要；指标具有广泛的代表性，并且可量化分析；指标尽可能精简，代表性优先，数量次之等原则，将城市竞争生态位指标对应分解为新陈代谢、生长发育、遗传变异、自适应和应急性等4方面19项指标（见表2） ，运用信息熵方法确定各指标的权重系数，采用基于生命特征的城市竞争生态位计算公式（1）进行计算[4]，可以得出城市竞争生态位有关数据。

Fi：第i个城市的竞争生态位，Fi越大，城市的生态位越高，越有利于城市在城市群落间的竞争和发展；βj：第j个生态因子的权重，反映该因子对城市生态位的影响；xij：城市i的第j个生态因子的现实生态位；xaj：第j个生态因子的最佳生态位。

2.2 模型推导及构建

城市群指在一个区域内相关作用的城市生命体组成的有机整体。为定义一般的城市群落体系，可以引用L. Bertalanffy的系统论方法，将城市群落体系看作是一个有序集合[5]，用符号Qi 表示系统要素Fi（ i= 1， 2，… ， n）， n为体系内城市总数）的某种测度（如新陈代谢、生长发育、遗传变异、自适应和应急性等生命特征），则对于有限数目的城市情况下，有如下形式的微分方程组：

由此可得城市群落中城市生命体相关作用的基本模式，式中系数U= eC，C为积分常数。

由于式（6）实际上是一个广义的分形模型，而幂指数（分享系数）具有分维意义。虽然公式（6）不能直接与Hausdorff分维公式进行类比，但可从Pareto 分布中引伸出来。由于F是城镇之间互为测度的结果，且统计数据也一般采用以年为单位的指数增长形式，故城市群内的城市竞争生态位间具有明显的分形特征。

因此，我们可以在Zipf 模式的基础上，借鉴幂指数模型，经过对数变换，构建出基于竞争生态位的城市进化成长分形评价模型：

式中，Fj为第j位城市的竞争生态位的数值；F1为首位城市的城市竞争生态位的数值；ri为第i位城市的位序；q为常数。

依据城市群内城市竞争生态位有关计算结果，将有关数据从大到小进行排列，将各城市的数值和位序代入公式（7），运用EViews8.0软件，进行双对数回归分析，可以得到Zipf指数q以及判定系数R2，开展基于竞争生态位的城市生命体的规模—位序分形分析。由于基于竞争生态位的城市生命体分形维值Df表征了城市生命体规模分布的特征，因此可以从Df=q=1，r1/rn=N0；Df>1，q<1；Df<1，q>1；Df→∞，q→0；Df→0，q→∞等多种情况，对城市群的分布状态、城市生命体之间的关系等进行综合评价，并得出针对性对策建议。

3 长三角城市群实证分析

3.1 竞争生态位计算

本文所采用数据主要来源于《中国城市统计年鉴》（1986年—2016年）（当年的统计年鉴是上年的有关数据，如2016年版的城市统计年鉴是2015年相关数据）[6]，以及部分上海市、江苏省、浙江省的统计年鉴和统计数据。通过计算，1985—2015年长三角地区26城市基于生命特征的竞争生态位计算数据如表3所示。同时，分别计算出新陈代谢、生长发育、遗传变异、自适应与应急性等竞争子生态位计算数据（略）。长三角城市群基于生命特征的竞争生态位示意图见图1。

3.2 基于整体竞争生态位视角的城市进化成长评价

将表3的长三角城市群基于生命特征的竞争生态位计算结果按照序列和从大到小的顺序进行排列，其中城市序列用X指标代替，1985—2015年中的不同年份用Y1-Y7指标代替，可以得到长三角城市群城市竞争生态位序列。通过将每个城市的位序（横坐标）和规模（纵坐标）在双对数坐标图上做散点图，并对作对数变换后的城市规模（因变量）和对应位序（自变量）进行回归，求出q和R2的数值，具体见表4。

从表4中的数据可以看出，回归的判定系数R2均接近 1，说明符合位序-规模分布，各规模级的分布较为连续；斜率q在1985-2010年的数据为0.670至0.794之间，均小于1，说明规模分布比较平均，中间位序的城市竞争生态位发展良好；Df值从1985年的1.123逐步增加至2015年的1.324。表明首位城市垄断性趋弱，中间位序城市发展良好，可能造成增长极作用弱化，区域内城市各自为营、抢夺资源和恶性竞争（双对数回归散点图见图2）。

从图2可以看出，长三角城市群的竞争生态位/位序双对数回归散点图，整体呈现三段式折线分布：前段和后端较为陡峭，中段较为平缓；2000年的竞争生态位/位序双对数回归散点图例外，比较接近直线分布，即相对比较理想的城市群位序—规模分布。图中的三段式折线说明位序靠前的城市差距较为明显，中等位序规模的城市差距较为接近，位序靠后的城市差距也偏大。此外，从图中可以看出，2015年前4位城市与中等位序规模城市的差距竞争生态位趋于扩大，后3位的城市与中等位序规模城市的差距同样也趋于扩大。如果城市竞争生态位的首位度规模差距保持继续缩小的趋势，将导致首位城市的垄断性进一步降低，区域增长极的作用继续弱化。

3.3 基于分项竞争生态位视角的城市进化成长评价

对1985—2015年长三角城市群有关统计数据进行计算，可以分别得到基于新陈代谢、生长发育、遗传变异、自适应与应急性城市竞争生态位视角的的有关分形数据，对其进行分析后可以发现：

第一，从新陈代谢生命特征看，长三角城市群竞争生态位的分形维数Df总体呈围绕1.600附近波动，城市的物流、信息、市场等资源趋于分散，城市之间规模差异过小可能会导致增长极作用难以发挥，区域内城市各自为营、抢夺资源和不良竞争。

第二，從生长发育生命特征看，长三角城市群竞争生态位的分形维数Df在1985-2005年总体围绕1.000附近波动，城市群首位城市的垄断性、中间位序城市发展等呈现自然状态下的最优分布，但从2005年起的竞争生态位分形维数Df逐年增加至2015年的1.2左右，表明生长发育生命特征方面的首位城市垄断性趋弱，可能导致区域内城市各自为营、抢夺资源和不良竞争。

第三，从遗传变异生命特征看，长三角城市群竞争生态位的分形维数Df总体围绕1.000附近波动，城市群首位城市的垄断性、中间位序城市城市发展等呈现自然状态下的最优分布，说明金融机构存款余额、固定资产投资额、科技支出、教育支出等城市生长发育指标趋近于自然状态下的最优分布。

第四，从自适应与应急性生命特征看，长三角城市群竞争生态位的分形维数Df总体呈逐年扩大趋势，表明城市的公共管理和社会组织人均GDP、公共管理和社会组织人均服务人口数、医院床位数、医生数、保险费等资源差距日渐趋小，区域的自适应与应急性能力趋于均质化。

4 对策建议与结论

4.1 对策建议

从长三角地区城市群的城市竞争生态位分形数据出发，结合区域内城市生命体的进化成长状态，提出以下针对性对策建议：

第一，强化区域的统一规划管理。从与资源等要素相关的新陈代谢分形数据来看，主要体现为落后位序城市与中间位序城市差距较大，以及首位城市的垄断性趋弱。建议进一步完善现有的规划管理和协调机制，从全球视野出发，高起点统筹规划基础设施、生态环境等布局，重点加强向铜陵、池州、宣城、镇江、湖州、扬州等落后位序城市的基础设施等资源配置倾斜，加快推进区域一体化进程，提升整个城市群的进化成长水平。

第二，强化城市群的分工协作和功能互补。合理的产业分工是城市群内部经济联系的必要前提，也是城市群整体竞争力提升的重要基础。从与经济等要素相关的生长发育指标分形数据方面，为避免城市群内的重复建设与恶性竞争，建议借助全球化竞争和市场化选择，加强城市群内纵向产业和横向产业的合理分工，形成各具优势、功能互补的产业分工体系。

第三，积极培育首位城市的新经济增长极。作为推动区域经济发展的重要引擎，首位城市以其巨大的经济科技文化能量向其腹地进行辐射和扩散，但从生长发育的生命特征来看，作为首位城市的上海，2005年以来在经济方面的辐射和带动作用有所减弱，亟需进一步提升城市的发展活力，培育新的经济增长极。

第四，充分发挥首位城市的“同城效应”。建议着力构建长三角城市群1小时经济圈，加快完善城际快速通道等基础设施网络化布局，形成以城际高铁、高速铁路网、高速公路网为主框架，以国道、省道、航空、水运等为补充综合快速交通体系，强化人口、物流、技术、信息等要素在区域内的自由快速流动，密切区域内的经济、社会、文化等交流，充分放大首位城市和副中心城市的同城效应。

第五，提升领先位序城市的治理能力。针对城市群内部自适应与应急性均质化的情况，首位城市和副中心城市而言将面临着越来越大的社會、生态环境等方面的治理难度，建议从公共管理、医疗、保险等方面出发，着力提升领先位序城市的自适应与应急性方面的能力。

第六，加强跨区域生态环境的共建共享。根据区域不同城市的资源环境承载力，实行空间分类管制政策，确保人口、城镇、产业布局合理避让重要生态功能区和生态敏感区。加强环境立法与执法，强化跨区域环境保护与污染治理，特别是加强区域内的水资源保护和污染治理，共享生态环境保护成果。

4.2 结论

研究在借鉴国内外有关研究成果的基础上，将竞争生态位、分形分析等理论方法引入城市竞争领域，从城市生命体运行的角度对城市在城市群中的竞争生态位进行研究，论证了城市群内的城市竞争生态位之间具备分形特征，构建了基于竞争生态位的城市进化成长评价模型，进而运用位序—规模法则等分形理论来对城市群及城市生命体的进化成长状态进行评价，极大地丰富了城市进化成长评价的指标体系和评价模型，拓宽了城市竞争研究的视野和领域。

参考文献：

[1]国家发改委，住房城乡建设部.长江三角洲城市群发展规划[EB/OL].（2016-06-03）.http：//www.sdpc.gov. cn/zcfb/zcfbghwb/2016

06/t20160603_806390.html.

[2]姜仁荣，刘成明.城市生命体的概念和理论研究[J].现代城市研究，2015（4）：112-117.

[3]段进著.城市空间发展论（第2版）.南京：江苏科学技术出版社.2006.

[4]施建刚，张永刚，吴光东.基于生命特征的城市竞争生态位评价研究[J].中国人口·资源与环境，2018（1）：35-43.

[5]刘继生.城镇体系空间结构的分形维数及其测算方法[J].地理研究，1999，18（2）：171-172.

[6]国家统计局社会经济调查司编.中国城市统计年鉴[M].北京：中国统计出版社：1986—2016.

[作者简介] 施建刚（1962—），男，上海人，教授，博士生导师，研究方向：城市发展与管理；通讯作者：张永刚（1979—），男，湖南长沙人，博士，研究方向：城市发展与管理。