新疆城市规模分布与自然地理相关性分析

杨梅花， 程锦涛， 郭佳星， 李淑敏

（石河子大学农学院，新疆 石河子 832003）

城市化是社会经济和人口发展到一定阶段的产物，城市发展与自然地理有着密切的联系。在西北干旱地区，城市与自然地理关系尤为重要。地貌与水系作为人类生存自然环境，以影响人口分布的方式来控制城市规模［1］，两者是城市化中人地关系研究的物质实体和核心［2-3］。城市规模分布是发育在地貌、水系自然地理要素上的多重分形［1］。随着城市化的推进，城市规模的无序扩张引起“城市病”“空间错配”等问题［4］。因此，研究城市规模空间分布规律具有现实意义。

城市规模空间分布特征及其成因是国内外学者长期关注的问题［5］。Mandelbrot 等［6］将几何学量化的分形理论运用于分析城市规模分布特点，Arlinghaus 等［7］运用分形理论论证城市中心地等级体系的分形性质。国内学者也对城市体系空间结构展开了相关分形理论探讨［8］。陈彦光等［9］提出城市与河流存在分维相似性，唐志强等［10］、廖进中等［11］运用分形方法分别研究了土地资源和水资源对城市发展的影响，分形理论还被应用于长春、安徽、山西和河南等地区城市（镇）体系的分形特征实证分析。城市规模可通过人口规模来表示［12］。人口密度Lorenz曲线［13］方法可以量化的表达不同尺度人口空间分布规律。韩嘉福等［14］利用Lorenz曲线建立我国不同人口密度分布地图方法，柏中强等［15］运用Lorenz曲线分析了我国25个省区人口分布特征，林爱文等［16］对湖北省人口与自然地理中土地要素的城镇化关系进行了研究。

已有学者对新疆部分区域城市化与水土资源效益关系进行了分析［17-18］。但目前从自然地理的人地关系方面对新疆城市规模分布特征的量化研究还较为匮乏。本文以新疆91 个县域单元为研究对象，基于研究区全域、六大地貌类型区和七大水系分区3个空间维度，运用位序-规模法和人口Lorenz曲线法，对新疆城市规模和人口空间分布特征进行了定量研究，旨在为新疆城市规模结构优化和人口合理发展提供量化依据。

1 研究区概况

新疆维吾尔自治区（简称新疆）地处我国西北部、亚欧大陆腹地，地理位置为73°40′～96°18′E、34°25′～48°10′N，周边与8 个国家接壤，是连接中亚通向欧洲的重要交通枢纽，也是我国丝绸之路经济带建设的核心区。新疆面积约为1.66×104km2，占全国陆地总面积的1/6，是最大的省级行政单元。高山和盆地是新疆最主要的地貌类型，形成“三山夹两盆”的地理环境特征［19］。山地地貌分布接近于东西走向，顺着山形呈带状分布，天山和昆仑山交汇在一起呈“⊂”形分布；河流大多为直接或间接发源于山区，共有大小河流570 多条。河流水源的补给主要靠山地降水和三大山脉的积雪、冰川融水，具有明显的季节性特征［20］。新疆为典型的温带大陆性气候，昼夜温差大，干旱少雨，植被稀少，生态环境极为脆弱。生态环境的分布格局与城市发展的可持续性关系紧密。2019 年新疆城镇化率为51.87%（http://www.xinjiang.gov.cn），城镇化进程的加快对生态环境形成不同程度的压力。而区域城市规模分布蕴含大量信息，挖掘城市规模分布特征及与自然地理的相关性，对于优化新疆城市体系等级结构，实现人口、城市规模和自然地理系统的协调及可持续发展提供科学的决策与借鉴。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究以国务院批复的《新疆城镇体系规划（2012—2030年）》城镇体系为研究范围，将新疆107个县市区合并为91个县域单元，每个县域单元均分布有一个县级或县级以上城市（镇）。其中，天山区等7 个市辖区和乌鲁木齐县算作一个县域单元，其对应为乌鲁木齐市，与此单元划定标准相同的还有克拉玛依市。此外，由于哈密市与吐鲁番市包括的县域城市自然地理环境差异显著，故将哈密市分为伊州区、巴里坤哈萨克自治县、伊吾县，吐鲁番市分为高昌区、鄯善县、托克逊县。除上述地域之外，其他县域单元基本同各县市区行政区划范围一致。

城市人口数据主要来源于2020 年新疆维吾尔自治区统计局公布的《2019 年新疆统计年鉴》（http://slt.xinjiang.gov.cn/）。地貌类型数据基于地理格网的新疆地貌区划［21］，分为阿尔泰山和北塔山、准噶尔西部山地、准噶尔盆地、天山山地、塔里木盆地、昆仑山和阿尔金山六大地貌类型。水系分区数据来源于《新疆维吾尔自治区水资源公报》（http://tjj.xinjiang.gov.cn/），包括吐哈盆地小河区、阿尔泰山南麓诸河区、中亚细亚内陆河区、天山北麓诸河区、塔里木河源区、塔里木河干流区和昆仑山北麓诸小河区七大河流水系。

2.2 研究方法

位序-规模法：因位序-规模法能够有效地反映城市体系的规模等级、分形等特征［22-24］，是城市体系位序-规模结构优化的依据。本研究采用位序-规模法分析城市规模分布特征，相关计算公式如下：

式中：Pi为第i位城市的人口数量（人），其中i值为介于1～91 之间的整数；P1为首位城市的人口数量（人）；q为Zipf 维数；N(p)为大于门槛人口规模的城市数量；p为城市人口规模；A为系数；R2为位序-规模曲线拟合方程的判定系数；D为分维值。

Lorenz 曲线法：Lorenz 曲线可以定量的描述人口分布的特征和规律［16］，人口密度是Lorenz 曲线绘制的重要参数，也是地区人口分布差异的主要指标［25-26］。根据新疆统计年鉴所得的数据计算出研究区各个县域城市的人口密度，人口密度计算公式如下：

式中：ρ为人口密度（人·km-2）；P为城市人口数量（人）；S为城市单元的面积（km2）。

首先将各区县单位面积人口数降序排序，然后计算各区县的人口累计比例（Y轴）和面积累计比例（X轴），最后绘出人口密度Lorenz曲线。

四城市指数：四城市指数是区域内首位城市人口集聚度的数量指标，计算公式如下：

式中：S4为四城市指数；P1、P2、P3、P4分别为人口规模在第1、2、3、4位城市的人口数量（人）。

3 结果与分析

3.1 新疆城市规模空间结构特征

从位序-规模双对数图回归的相关系数来看：新疆城市体系规模分布具有明显的分形特征，存在中间层次缺失的城市规模等级结构断层，城市体系发育不成熟。相关系数为0.930，回归直线和散点的拟合度较好，实际值比较符合模型拟合值（图1）。Zipf维数为1.078，相邻位序等级间城市规模差异不大。坐标图上的第一个离散点与回归线拟合程度较好，同时分维值为0.802，表明首位城市的垄断性较强。双对数散点图上表现出次位城市的明显下沉，且四城市指数值（S4）为1.66，表明城市体系中上位城市（城市位序i=2,3,4）的城市规模较低。从城市数量结构看，大城市数量太少、比重低是新疆城市规模结构突出的问题，仅有Ⅱ型大城市1座，占城市群数量的1.1%，中等城市数量为0，其中2×105人以下的II型小城市数量最多，比重达86.8%，表明城市体系结构需调整转变。

图1 新疆城市规模分布双对数分布图Fig.1 Double logarithm diagram of urban scale distribution in Xinjiang

从城市人口集聚度来看，新疆城市规模分布异质性突出。从人口密度分布值域范围数量结构来看（表1），城市人口密度低于25人·km-2的城市数量占整体的83.52%，面积占研究区的96.89%，但人口仅占总量的48.45%，表明新疆城市人口密度总体偏低。人口密度高于500 人·km-2的城市个数仅有4个，面积仅占总体0.07%，而人口却占研究区总数的12.15%，反映出个别城市人口高度聚集。

表1 人口密度值域范围的总人口及面积统计Tab.1 Statistics of total population and area in different range value of population density

人口格局Lorenz 曲线分析发现：Lorenz 曲线弯曲程度较大，新疆城市人口分布的不均匀性较严重（图2）。与表1 结合分析，城市人口密度大于100人·km-2有8 个县域单元，这8 个县域单元人口累计占总数的38.30%而面积累计占比仅为1.10%，人口集聚显著，为新疆城市核心区。当人口累计百分比达到80%时，面积累计百分比为17.76%，这符合“二八定律”，此时对应的城市人口密度为5.22人·km-2。当城市人口密度累计百分比达到90%时，面积累计百分比为35.45%，其余64.55%的面积仅分布了10%的城市人口，人口密度低于3.06人·km-2。

图2 新疆91个县域城市人口分布Lorenz曲线Fig.2 Lorenz curve of population distribution in 91 county cities in Xinjiang

3.2 新疆城市规模分布与地貌要素的相关性分析

从位序-规模双对数图回归的相关系数来看，六大地貌类型区城市规模分布与地貌系统规模分布均具有分形特征（图3）。其中天山山地的城市规模分布双对数模型拟合程度相对较低。由表2中的相关系数值可知，天山山地区域最小为0.871，反映出该区域与其他五大地貌类型区城市群之间的分形差异明显。天山山地城市规模分布双对数图中起始离散点距回归线较远，说明该区域内的首位城市垄断性较弱。另外，对比首位城市规模双对数值（lnP1），准噶尔盆地在各地貌类型间位居第一，表明该区域内首位城市规模最大，城市极化效应明显。从城市规模结构来看，塔里木盆地城市规模分布双对数散点图上表现出次位城市明显上升，城市体系存在下位层次过多而引起的城市群支撑功能不足现象。

图3 新疆地貌类型区城市规模分布双对数分布图Fig.3 Double logarithm diagram of urban scale distribution of individual geomorphic type in Xinjiang

从城市规模分布分维值来看，六大地貌类型区城市规模分布的分维值均小于1，除塔里木盆地城市体系规模结构分布呈弱分散性格局外，其余地理单元均呈现不均衡的分布特征。地貌类型区系统规模分布相关系数为0.897，各地貌类型区分维值在0.582～0.993 之间（表2），其中塔里木盆地的分维值接近1，表明该区域城市分布基本符合捷夫法则，城市规模分布格局较均衡，但其首位城市不突出。而其他五大地貌类型区的分维值均小于0.650，首位城市有较强的垄断性，反映区域内城市规模差异较大，城市等级与分层比较分散。各地貌类型区内城市分布的数量差异较大。天山山地区域内分布的城市数量最多，占总量的36.26%，而阿尔泰山与北塔山山地区域内的城市数量仅占4.40%。同时准噶尔盆地四城市指数最大为2.46，表明首位城市乌鲁木齐主导作用突出，垄断性较强。

表2 新疆地貌类型区城市规模分布的分维值Tab.2 Fractal dimension value of urban scale distribution of individual geomorphic type in Xinjiang

从人口分布集聚度来看：新疆地貌类型的城市群人口密度整体偏低，各单元之间差异较大。表3统计了地貌类型区城市人口和面积占新疆总体的比例及单元区人口密度。地貌类型区人口密度最大的是准噶尔盆地，为22.46人·km-2，是城市人口集聚中心；人口密度最小的是昆仑山和阿尔金山，为1.94人·km-2，是城市人口分布稀疏区。以人口密度为指标，可将地貌类型区划为3 类：（1）人口密度＞10 人·km-2，包括准噶尔盆地，该区域面积仅占研究区8.88%，但分布了新疆34.80%的人口，反映该地区自然地理与城市耦合关系紧密。（2）人口密度＞5人·km-2且＜10 人·km-2，包含准噶尔西部山地与天山山地，这类区域在新疆占33.07%的面积，分布着占全疆36.64%的人口，显示人地关系比较协调。（3）人口密度＜5 人·km-2，该类型区包括塔里木盆地、阿尔泰山与北塔山、昆仑山和阿尔金山，该地区城市规模普遍较小。

表3 新疆地貌类型区城市人口及面积占比Tab.3 Proportion of urban population and area of individual geomorphic type in Xinjiang

人口分布Lorenz 曲线分析，对比新疆城市体系整体人口分布Lorenz 曲线分析结果，六大地貌类型区内人口集疏格局鲜明，有2 个地理单元人口高度集聚（图4）。塔里木盆地与准噶尔盆地人口分布Lorenz 曲线弯曲程度大于新疆整体人口分布Lorenz曲线，当城市面积累计百分比达到20%时，2个地貌类型内的人口累计百分比均大于85%，表明这2 个地貌单元内人口分布的集聚性突出。其他地貌类型内人口分布Lorenz 曲线弯曲程度较平缓，与中心对角线的距离较近，反映出各城市群人口分布较分散。

图4 新疆地貌类型区人口分布Lorenz曲线Fig.4 Lorenz curve of individual geomorphic type in Xinjiang

3.3 新疆城市规模分布与水系要素的相关性分析

从位序-规模双对数回归的相关系数来看，七大水系分区与水系系统规模分布均具有分形特征（图5），其中3个水系分区内城市规模分布拟合度较好。由决定系数可知，昆仑山北麓诸小河区最大为0.988，近似于1，图中回归直线和散点重合较好，该流域的城市规模分布分形特征最明显。塔里木河源区城市规模分布双对数图中起始离散点与回归线的距离较远，说明该区域内的首位城市不突出。对比各个水系分区内首位城市的对数值，天山北麓诸河区远大于其他水系分区，反映出该区域首位城市规模最大。从城市规模结构来看，阿尔泰山南麓诸河区城市规模分布双对数散点图上次位城市下沉，表明该区域城市体系中间层次弱缺。

图5 新疆水系分区城市规模分布双对数分布图Fig.5 Double logarithm of urban scale distribution of individual water system in Xinjiang

从城市规模分布分维值来看，七大水系分区城市规模分布的分维值差异较大，不同区域间城市系统规模分布表现出明显的异质性，其中吐哈盆地小河区与天山北麓诸河区不均衡性突出。水系分区系统规模分布相关系数0.951，吐哈盆地小河区与天山北麓诸河区的分维值分别为0.406 和0.374，而其他5 个水系区域的分维值分布在0.735～0.829 之间（表4），反映出这2 个区域城市群等级结构松散，各水系单元分布城市数量差异较大。其中塔里木河源区的城市数量最多，占总数的30.77%。中亚细亚内陆河区与塔里木河源区的四城市指数较低，分别为0.69和0.47，表明其首位城市规模较小，垄断性较弱。天山北麓诸河区的四城市指数值最大为1.95，反映该区域的首位城市垄断性强。

表4 新疆水系分区城市规模分布的分维值Tab.4 Fractal dimension value of urban scale distribution of individual water system in Xinjiang

从人口分布集聚度来看：新疆水系分区地理单元间人口密度差异较大。表5统计了水系分区城市人口和面积占新疆总体的比例及单元区人口密度。七大水系内人口密度最大的是天山北麓诸河区，为25.48 人·km-2，是城市人口集聚中心；人口密度最小的是昆仑山北麓诸小河区，为0.39 人·km-2，是城市人口分布稀疏区。以人口密度为指标，可将水系分区划分为以下3类：（1）人口密度＞10人·km-2，包括中亚细亚内陆河区与天山北麓诸河区，该流域面积约占研究区15.31%，却分布了新疆55.49%的人口，反映该区域水资源丰富，适宜人类居住。（2）10人·km-2＞人口密度＞5人·km-2，包括塔里木河干流区与塔里木河源区。这2 个分区占研究区总面积的35.96%，分布了占总体34.43%的人口，在一定程度上反映该区域人地关系比较均衡。（3）人口密度＜5人·km-2，包括阿尔泰山南麓诸河区、吐哈盆地小河区与昆仑山北麓诸小河区。该区域占总面积的48.73%，但分布了总体10.08%的人口，说明这3 个水系自然单元人口分布稀疏。

表5 新疆水系分区城市人口及面积占比Tab.5 Proportion of urban population and area of individual water system in Xinjiang

人口分布Lorenz 曲线分析：对比新疆城市体系整体人口分布Lorenz 曲线分析结果，七大水系分区内人口集疏格局相对均衡，其中天山北麓诸河区人口集聚程度较高（图6）。天山北麓诸河区人口分布Lorenz曲线弯曲程度与新疆城市体系整体人口分布Lorenz曲线（图2）最为相似，且当城市面积累计百分比达20%时，人口累计百分比为80%，表明该区域内城市间人口分布不均衡性较强。其他水系分区内人口分布Lorenz 曲线弯曲程度较平缓，与中心对角线的距离较近，反映出各城市群内城市人口分布较分散。特别是吐哈盆地小河区，人口分布Lorenz 曲线几乎平行于中心对角线，反映出该区域城市间人口分布较均匀。

图6 新疆水系分区人口分布Lorenz曲线Fig.6 Lorenz curve of individual water system in Xinjiang

4 结论与建议

4.1 结论

（1）城市规模分布具有分形特征；地貌类型区系统规模分布相关系数0.897，水系分区系统规模分布相关系数0.951，表明城镇规模格局与水系地理因子关系更紧密；地貌类型区城市规模分布的分维值均小于1，地理单元城市群呈现不均衡的分布特征，其中塔里木盆地城市体系规模结构分布呈弱分散性格局；七大水系分区城市规模分布的分维值差异较大，不同区域间城市系统规模分布表现出明显的异质性，吐哈盆地小河区与天山北麓诸河区城市规模分布不均衡性突出。

（2）新疆城市规模体系存在大城市较少、中间层缺失的现象，城市体系发育不成熟；准噶尔盆地与天山北麓诸河区是2 个突出的人口分布聚集单元，同时是地理类型高度叠加区，呈现出城市规模与自然地理结合的空间极化区；地貌类型区内天山山地城市规模分布双对数模型拟合程度相对较低，首位城市垄断性较弱，塔里木盆地城市体系存在下位层次过多引起城市群支撑功能不足；水系分区内中亚细亚内陆河区、塔里木河干流区与昆仑山北麓诸小河区内城市分布与城市规模分布双对数模型拟合度较好，阿尔泰山南麓诸河区城市体系存在中间层断缺现象。

（3）新疆城市人口分布的异质性表现突出，人口Lorenz曲线弯曲程度较大，严重偏离中心对角线；地貌类型单元内人口集疏格局鲜明，塔里木盆地与准噶尔盆地人口高度集聚；水系分区单元内人口分布相对均衡，其中天山北麓诸河区人口集聚程度较高；各自然地理单元之间人口密度差异较大。

4.2 建议

新疆城市规模与人口分布总体结构失衡是城市规模体系的突出问题。在自然地理单元中，受地区间的产业结构布局不均衡［27］、经济发展不均衡［28］等因素的影响，导致新疆城市规模普遍存在中等规模城市的缺失以及小城市相对萎缩的“过小化”现象。此外，七大水系区分形特征的分维值为0.585，小于新疆城市体系分维值0.802，这反映城市体系水资源短缺。针对新疆城市规模分布特征与自然地理之间存在的问题，本研究提出以下几点优化建议:（1）协调城市化进程中自然地理区域系统发展，完善自然地理单元城市规模等级结构。如通过政策支持边境地区博乐市、温泉县、阿拉山口市等发展，加强推动口岸经济，培育区域城镇产业结构优势，使天山北麓诸河区城镇等级格局得到进一步优化，从而实现区域协调发展。（2）积极培育中等城市，选取自然资源环境较好而位序较低的城市，将其发展为中等城市，提升城市群支撑功能。针对分布在阿尔泰山与北塔山的富蕴县、哈巴河县、青河县等人口密度较低的城市，通过创新帮扶模式，加强教育、科技、人才等方面的支持，加强人口、产业资源的引入以促进经济提升，同时推进城镇的基础设施建设，从而缩小与中等城市之间规模差距。（3）加强城市规模和人口分布的异质性研究，实现城市规模与城市及其发展阶段、方式的测度与协调，以此优化城市“人”与“地”各个要素及其组合。例如，吐哈盆地小河区应利用地缘条件优化区域空间产业结构，在各边缘城镇群内部，根据城市群禀赋，建立多个小型集群，以缓解地区的不平衡，促进区域间的经济往来，推动区域内各等级规模城市协同发展。

城市规模等级结构合理与否直接影响着城市群功能的发挥与竞争力的强弱，受地貌类型和水系资源等多种因素的影响，城市规模发展总体上以自然地理的结构为模范［29］。本文在分析新疆城市规模和人口分布的影响因素指标选取上难免存在欠缺之处，未来可考虑纳入交通网络、地区经济、生态资源等因素，将有助于城市规模和人口分布的异质性研究，促进城市规模-自然地理协调发展及人地系统的整体优化。