河北省城市建设用地时空演变及机理分析

郭扬扬

(河北水文工程地质勘察院有限责任公司，河北 石家庄 050000)

1 概述

全球城市化进程不断加速,2018年全球55%的人口生活在城市地区,据推测2050年,将有2/3的人口进驻城市[1]。伴随城市化浪潮,城市用地的增长也不断加速,1970年—2000年,全球城市面积增长了近4倍[2],而2030年城市面积大约是2000年的3倍[3]。1978年～2016年,中国城市人口由17.92%增长到57%,百万级人口的城市由29个增加至155个[4],城市规模不断扩大,人口持续增长,城市建设用地面积也不断增加。土地是稀缺资源,节约使用土地应当是一项长期基本国策[5],虽然政策出台了土地增减挂钩等相关土地政策,但城市建设用地与其他类型土地利用的矛盾暂未解除,远未达到节约集约利用建设用地[6],如农村居住用地并没有随农村人口减少而减少[7-8]。

城市,特别是大城市,不仅有聚集资源激发创新的作用,而且可以带动周边经济，具有带动作用,随着城市化不断推进,各种资源不断向大的城市圈聚集,现在我国已形成了珠江三角洲、长江三角洲和京津冀地区三大城市群聚集[9],珠江三角洲[10-14]和长江三角洲[15-17]都已有丰富的研究成果,京津冀地区[18-21]研究相对较少,且侧重整体研究,而河北省作为京津冀地区重要组成部分单独的研究较少。

本文以河北省为研究区域,探索河北省城市建设用地的整体变化,和各个城市之间的差异性,并定量分析差异背后机理。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

河北省地处华北东南部,位于北纬36°03′～42°40′,东经113 °27′～ 119°50′之间,居环渤海地区的中心地带,内环京、津,北与辽宁、内蒙古为邻,西与山西为邻,南与河南、山东接壤,是我国东北、西北、华北地区的重要出海通道,是首都的生态屏障,京津冀都市圈的重要组成部分,具有独特的区位优势。2017年末河北省国内生产总值达到35 964亿元,总人口7 185.42万人,城镇化水平58.52%,下辖11个市,伴随社会发展和政策引导,河北省城镇化步伐逐步加快。

2.2 数据来源与选择

河北省城市建设用地及各城市人口数据来源于历年的《中国城市建设统计年鉴》,相关的社会经济数据来源于《河北省经济统计年鉴》。

2011年以前城市建设用地统计执行标准为GB 137—90城市建设用地分类和建设用地标准。2012年1月1日起实施新的国家标准GB 50137—2011城市用地分类与规划建设用地标准,同时原标准废止。新标准对城市建设用地分类做了调整,由于调整使得城市建设用地数据出现非连续性。

2014年—2016年河北省多城市进行了城市区划调整,石家庄、保定、张家口、衡水都进行了撤县设区。经过调整之后,统计年鉴中由于统计口径的改变,城市建设用地和城市人口都发生了很大的变化造成了相关指标较大的波动。

为避免城市建设用地和相关社会经济指标不连续的影响,本文选择2002年—2011年为研究时段。

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用变化速率

单一土地利用的变化速率反映了用地面积变化的基本情况和强度[22]。计算方法为研究时段内土地利用面积的变化与基期土地利用面积的比值,公式如下：

(1)

其中，Ua为研究初期土地利用面积;Ub为研究末期土地利用面积;Δt为研究时段；K为单一土地利用变化率。

2.3.2 建设用地变化弹性系数

城市建设用地的变化弹性系数用来表征城市建设用地变化速率与人口变化速率之间的协调关系,评价建设用地变化的合理性。公式如下:

Ei=Mi/Pi

(2)

其中，Mi为i时段内的城市建设用地变化率;Pi为i时段内城市人口的变化率;Ei为i时段内城市建设用地的变化弹性系数。

2.3.3 土地利用结构信息熵

信息熵可以反映城市建设用地的结构变化情况[23-24]。信息熵值越大说明城市建设用地各职能用地类型面积相差越小,用地分布越均衡。计算模型如下:

(3)

(4)

(5)

其中，Ai为各种土地利用类型的面积；N为土地的种类;Pi为某一土地利用类型面积与该区域土地面积的百分比,具有归一性;H为土地利用结构信息熵。

2.3.4 地理探测器

地理探测器是由中国科学院地理科学与资源研究所王劲峰团队开发的探索空间分异性,揭示背后驱动力的一组统计学方法,由4个探测器组成:风险探测器、因子探测器、生态探测器和交互作用探测器[25-27]。本文应用因子探测器来研究城市建设用地空间分异性背后的驱动力,应用交互作用探测器来研究各影响因子之间的相互作用。因子探测器模型如下:

(6)

其中，D为影响因子；H为城市建设用地指标;SSW为分区方差之和;SST为全区总方差。

交互探测器的判断公式如下:

非线性增强PD,H(X1∩X2)>PD,H(X1)+PD,H(X2);

独立PD,H(X1∩X2)=PD,H(X1)+PD,H(X2);

双因子增强PD,H(X1∩X2)>Max(PD,H(X1),PD,H(X2));

单因子非线性减弱Min(PD,H(X1),PD,H(X2))

非线性减弱PD,H(X1∩X2)

3 河北省城市建设用地变化分析

3.1 城市建设用地时序变化特征

3.1.1 河北省整体变化情况

计算2002年—2011年河北省城市建设用地变化速率、城市人口变化速率及城市用地增长弹性系数,对河北省城市建设用地的时序变化特征进行分析。

河北城市建设用地总量不断增加,增加速率整体上呈下降趋势,局部有所波动,平均增长率为5.06%。2003年—2007年城市建设用地增长速率持续下降, 2003年、2004年虽然城市建设用地增长速率均大于平均值,但是下降速率很大,由8.27%下降至5.82%;2007年增长率达到最低点3.35%。2008年增长率触底反弹,达到5.44%。经过2009年与2010年平稳增长,2011年建设用地增长率再次下跌,下跌至3.40%(见表1)。

表1 2002年—2003年河北省用地变化速率、人口变化速率与用地变化弹性系数

从城市用地扩展弹性系数Ei来进行分析。扩展弹性系数总体上呈平稳波动态势,平均值为2.95,远高于国际公认的合理值1.21[28],说明城市建设用地粗放增长,远未达到集约利用水平。城市建设用地变化速率与人口变化速率的变化情况基本一致,但是城市建设用地的增长速率远大于城市人口的增加速率,因此,用地弹性系数处于高位值(见图1，图2)。

3.1.2 各城市用地变化差异分析

河北省城市建设用地按用地规模可分为三种类型,石家庄、唐山城市建设用地规模较大且整体呈逐年上升趋势;秦皇岛、邯郸、张家口、保定城市建设用地规模属于中等水平,保定市2007年—2008年出现了较大增长,而其他城市增长缓慢。邢台、承德、沧州、廊坊、衡水城市建设用地规模较小,衡水用地面积增长较小,邢台用地面积增加较多(见图3)。

计算研究时段内各城市的建设用地相对变化速率,得到各城市相关数据的空间分布图(见图4)。城市建设用地相对变化速率用来分析各城市建设用地的扩展速度,将其分为三个层次:远大于全省平均变化速率的为快速发展,相对变化速率大于1.4;与全省平均变化速率相差不大的为中速发展,相对变化速率为0.7～1.4;远低于全省平均变化速率的为低速发展,相对变化速率小于0.7。

城市建设用地相对变化速率空间分布可以看到明显的空间分异性,河北省环京津城市大部分呈快速发展的态势,东部的三个城市唐山、沧州、衡水中速发展,基本与全省的用地扩展变化速率相当。处于河北边缘的城市秦皇岛、张家口、邯郸城市用地扩展速率低于全省水平。

3.2 城市建设用地结构变化

河北省城市建设用地总体趋势上平稳,各职能用地占比变化较小。居住用地为31.42%,符合标准推荐的范围(20%～32%),但是已很接近上限,研究时段内,居住用地占比稳定。工业用地平均占比为20.99%,较好的符合标准范围(15%～25%),基本处于中间水平,工业用地占比基本稳定,只有2011年占比减少较多,占比为18.21%。道路与广场用地平均占比为10.40%,标准范围为8%～15%,符合标准;道路与广场用地逐年增加,说明城市道路系统逐步完善,2011年其占比已达到14.82%,接近标准上限。绿地占比为9.24%,虽符合标准范围(8%～15%),但比较接近标准的下限;绿地占比也逐步增加,2011年已达到10.11%,但与上限还有一定的差距。河北省城市建设用地结构变化见图5。

河北省各城市的城市建设用地信息熵变化情况可分为三种。石家庄、秦皇岛、邯郸、张家口的城市建设用地信息熵变化比较小,各职能城市建设用地占比变化较小,石家庄、秦皇岛用地信息熵较大,说明这两个城市各职能用地相对均衡;邢台、保定、廊坊、承德的城市建设用地信息熵呈现台阶式变化,分为明显的两个阶段,两阶段之间某一种或几种职能用地占比明显的不同,邢台市居住用地占比变化突出,保定市工业用地增加明显而绿地减少较多,廊坊市政用地和绿地变化明显;唐山、沧州、衡水整体呈平稳变化,唐山、沧州土地信息熵逐渐变大,用地类型有序程度逐渐加强,衡水整体呈下降趋势。

4 河北省城市建设用地变化的机理分析

4.1 影响因子选取

河北省各城市建设用地不同，与自然区位、社会因素、经济因素相关。本节结合城市各自的特点,结合理论分析,对城市建设用地产生影响的因素进行筛选。

4.1.1 自然区位因素

河北省根据各地土地利用现状、资源环境承载能力、开发强度、经济社会发展水平和未来发展需要,将全省划分为冀东、冀中、冀南、冀北四个区域,按照不同主体功能区的功能定位和发展方向,实施差别化土地利用政策,加强区域土地利用调控。

冀东地区包括秦皇岛、唐山、沧州,位于渤海之滨,区位优势明显,工业基础雄厚。集中地区包括石家庄、保定、廊坊,位于河北省中部,环京津地区重点发展区域。冀北地区包含承德、张家口两个城市,以生态保护为重点,加大生态用地。冀南地区包括邯郸、邢台、衡水三市,重点保障国家核准的工业用地和保护耕地及基本农田发展现代农业。

4.1.2 经济因素

土地是社会生产的第一要素,承载着人类大部分的社会经济活动。经济的发展不断改变着土地的利用情况。随着生产总值的不断提高，城市的区域聚集性逐渐凸显,人口与人民生活直接相关的二三产业也不断发展,为满足不断提升的生活和生产需求,完善城市的各种基础设施,政府也需要不断加大城市的固定资产投资,导致城市建设用地不断增长,以满足经济的发展需要。因此选择城市的生产总值、二三产业的产值、城市固定资产投资的变化率作为衡量经济发展的因子。

4.1.3 社会因素

社会是由人构成的,而随着经济和社会的发展,人口不断从农村流向城市,改变社会的结构,人民不断提高的生活水平和生产力,对生活条件的要求也不断提高,这些都不断催生新的城市用地需求。因此选取人口、人均可支配收入的变化率为影响城市建设用地的社会因子。

4.2 城市建设用地空间分异的机理分析

运用地理探测器对城市建设用地的各影响因子的解释力进行探测,结果如表2所示。从探测结果来看,社会因素中城镇人均可支配收入对城市建设用地的影响因素最大,解释力为0.69,这与其他人的研究成果相似,因为随着城市人民收入的提高,对生活质量的要求也会提高,这会刺激包括房地产、消费产业的发展。城市人口的增长率对城市建设用地的增加也有较大的影响,城市人口的增加,导致城市规模为适应相应的城市人口必然会增加其建设用地来保证城市住房、交通等公共设施。而经济因素的三个因子城市生产总值、固定资产投资、二三产业产值的增长率相似影响力相似,都在0.5左右。这三个因子说明随着城市生产力的增加,城市对基础设施的改善会促进人口的流通,增加城市的吸引力,二三产业的不断发展满足人们增长的消费需求的同时也创造了更多的就业机会吸引了更多的人口来城市发展。区位因子影响力比较小,相同区位的城市发展并不是特别均衡,存在比较大的差异。

表2 河北城市建设用地变化地理探测影响因子及探测结果

利用交互探测器对2种因子之间的相互作用进行探测,探测结果发现城市区位虽然单因子对城市建设用地的影响很小,但是与其他5个因子的相互作用都为非线性增强,说明经济要素和社会要素对城市建设用地的影响受到城市区位相关政策的影响。而其余因子间为相互增强作用(见表3)。

表3 两种影响因子对河北省城市建设用地的交互作用

5 结论和讨论

本文采用土地利用动态变化模型对河北省城市建设用地的变化规律、用地结构、各城市间的差异性进行了分析,运用地理探测器方法对河北省城市建设用地变化机理进行了研究。得出如下主要结论：

1)2002年—2011年河北省城市建设用地增加了582.29 km2,年平均增长率为5.06%,总体上增长率呈下降趋势,局部有所波动。从城市建设用地协调性来看,扩展弹性系数Ei远高于国际标准,城市建设用地增长速率远大于城市人口的增长速率,城市用地粗放增长,远未达到集约利用水平。从建设用地的结构来看,居住用地和工业用地占据主导地位,工业用地占比有所下降,道路广场用地占比逐步增加。

2)河北省城市建设用地空间分异性明显。西部城市用地变化速率高速变化,东部城市中速变化,周边城市低速变化。各城市城市建设用地结构变化方式分为三种:稳定型、台阶型、平稳改变型。

3)利用地理探测器对城市建设用地变化的空间分异性进行了机理分析,通过对选取的三方面六个因素的探测揭示了河北省城市建设用地的主要影响因子为城市人均可支配收入。城市区位因素的解释力最低,但是区位因素与其他社会经济因素相关关系呈非线性增强。

4)本文从城市建设用地面积和结构动态变化及空间差异性的角度对河北省城市建设用地进行了综合测度和定量研究,揭示了河北省城市建设用地时空变化特征和变化机理,为科学规划城市建设用地提供了理论依据和决策参考,为其他区域或土地类型的演化规律提供了思路。

5)本文由于资料限制分析采用的数据为2002年—2011年的,对最近几年的变化趋势有所欠缺;采用的研究时间段较短,可对城市建设用地变化的长时序规律进一步研究。