, 董婷, 谷岩岩武汉大学资源与环境科学学院,武汉 430079
The spatial resilience of prefecture-level cities in China from 2000 to 2012
JIAOLimin, DONGTing, GUYanyan收稿日期:2015-11-24
修回日期:2016-03-5
网络出版日期:2016-07-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
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Abstract
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1 引言
经历30多年快速发展后,中国城镇化进程面临严峻挑战。土地城镇化与人口城镇化的不协调导致城市土地快速蔓延、集约程度低,给生态环境和耕地保护等带来严重威胁。《中国投资发展报告》[1]指出：未来20年将是中国城乡变动最剧烈的时期,到2030年中国的城镇化水平将达到70%,将有3亿人由农村移居到城市和城镇。快速增长的城市人口与粗放的城市空间利用将给可持续发展带来巨大的压力。为应对可持续城市发展的挑战,新的城市发展理念不断涌现,如“生态城市[2]”、“低碳城市[3]”、“精明增长[4]”、“智慧城市[5]”等。紧凑、集约的城市土地利用是缓解区域资源环境压力、保障城市地区可持续发展的基本前提。城市可持续发展不能无限扩展城市用地空间,合理规划城市用地空间、提高城市用地效率成为共识[6,7]。****强调以城市空间利用为核心开展多学科研究以支撑城市可持续发展规划[8,9]。划定城市增长边界（Urban Growth Boundary,UGB）以提高城市土地使用密度和保护开放空间的城市发展政策被广泛探讨[10,11]。划定城市增长边界起源于美国,20世纪60-70年代美国处于城镇化发展中后期,在解决城市无序蔓延问题的实践中证明城市增长边界管理制度是抑制城市无序蔓延和解决由此带来的相应问题最为有效的解决方法。2014年7月22日,国土资源部和住房城乡建设部明确确定中国14个城市划定“发展边界”,是中国城市规划实际应用UGB的开端。研究城市扩张速度和程度的定量指标分析,对于合理确定城市扩展边界划定的优先次序、对刚性和弹性边界进行程度控制具有重要意义。有****选择城市扩展弹性系数[12]研究城市空间扩展速度与人口增长速度关系,评价城市建设用地扩展的合理性。空间弹性是衡量城市弹性[13,14]属性之一,Cumming认为城市的大小、形状、边界和社会经济活动的变化在多时空尺度上影响城市空间弹性[15,16]。Rusk采用初期人口密度和一定时间段内的城市扩张速度来研究城市弹性[17]。目前城市空间弹性指标没有统一定义,也没有针对中国主要城市空间弹性的系统研究。
中国大部分城市土地扩张速度比人口增长速度快,城市人口密度在减小,而人口密度在一定程度上反映城市空间弹性大小[18]。本研究以中国263个地级以上城市为样本,以2000-2012年时段内城市人口密度及其变化率为基础,采用位序评分法构建城市空间弹性指标;按不同弹性等级分析全国城市人口密度及人口密度变化率特征,进一步分析东、中、西部地区不同弹性城市数量分布特征,并以五大城市群为典型区域分析城市空间弹性特征,为制定差别化政策引导城市有序增长提供决策支持。
2 指标选取与数据来源
2000年以来,中国城市化快速发展,城市规模显著增加和扩大。本研究选择中国263个地级以上城市作为研究对象,时间跨度确定为2000-2012年,该时期也是中国经济快速发展、城市扩张最为迅速的时期[19,20]。兼顾数据的可得性和连续性[21],选取“市区建成区面积”、“市区常住人口”计算城市人口密度及人口密度变化率。计算数据来源于《中国城市统计年鉴》[22]、《中国城市建设统计年鉴》[23]和第五次人口普查数据[24]。建成区面积数据来源于《中国城市统计年鉴》,是指市政区范围内经过征用的土地和实际建设发展起来的非农业生产建设地段。2000年常住人口数据来源于国家统计局第五次人口普查数据,2006-2012年常住人口数据为《中国城市建设统计年鉴》中“城区人口”与“城区暂住人口”数值之和。社会生产总值等其他社会经济指标数据来源于《中国城市统计年鉴》。
3 样本城市的土地扩张与人口增长关系
对2000-2012年间263个地级以上城市市区建成区面积增长速率与市区年末总人口增长速率进行统计,如图1。图中斜线L表示人口增长与建成区面积增长保持相同的速率,将城市划分为两部分：在斜线上方的城市建成区面积扩张速率比人口增长速率快;斜线下方的城市（9个）人口增长速率比建成区面积增长速率快,七台河市建成区面积扩张速率与人口增长速率之比为0.67,人口增长远远快于城市建成区面积扩张。斜线M表示建成区面积扩张速率是人口增长速率的4倍,在斜线M上方的城市建成区面积扩张是人口增长速度4倍以上城市（42个）,其中资阳市建成区面积扩张速率是人口增长速率的8倍以上,建成区扩张与人口增长背离最大。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12000-2012年建成区面积与人口增长关系
-->Figure 1A comparative of the growth of population and construction land area from 2000 to 2012
-->
典型城市的土地扩张和人口增长以2000年为研究初期,以2006-2012年城市发展为对比,计算结果如图2所示。图2a中,选择一线城市中北方的北京和南方的广州作为一线城市代表,2000-2012年北京建成区面积增长了158%,常住人口仅增加了55%,是人口增长速度的3倍。广州建成区面积增长了134%,但常住人口仅增加了19%,建成区面积迅速扩张,扩张速度是人口扩张的近6倍,城市发展呈低密度化和分散化倾向,建设用地增长过多过快。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图 22000-2012年城市人口增长比值和建成区面积增长比值
-->Figure 2The growth rate of population and construction land area from 2000 to 2012
-->
图2b中,选择二线城市中经济发展水平排名较为靠前的南京以及排名较为靠后的合肥作为二线城市代表,2000-2012年南京建成区面积增长了224%,常住人口只增加了56%,是人口增长速度的4倍。合肥建成区面积增长了202%,常住人口增长85%,建成区面积扩张速度是人口增长速度的2.5倍。
结合图1分析263个城市以及典型城市土地扩张与人口增长特征的研究得到：在过去12年中,263个城市中254个城市土地扩张速度均快于人口增长速度,其中42个城市土地扩张速度是人口增长速度的4倍以上,一线城市与二线城市土地扩张速度均远远快于人口增长速度,城市以低密度化形式发展。但这种扩张是不可持续性发展。
4 城市空间弹性计算
4.1 城市空间弹性计算方法
Rusk计算城市弹性方法如下：根据每个城市的最初人口密度和城市扩张程度进行位序排名,再根据这两项内容的排名得分（1~10）相加,得到城市的综合弹性排名,城市扩张程度指研究期间城市市区面积增长率（%）,其在综合弹性排名中所占权重是城市最初人口密度的3倍[17]。式中
本研究以人口密度为核心来构建空间弹性指标,利用最初城市人口密度、研究期末城市人口密度以及研究期内城市人口密度变化程度三个因素进行位序排名,再根据三项内容的排名得分（1~10）相加,得到城市综合弹性排名。城市最初人口密度低,城市空间弹性高,得分高;研究期末人口密度低,城市空间弹性高,得分高;城市人口密度降低幅度/速率大,城市空间弹性增加,得分高。排名得分（1~10）为263个城市位序排名后根据正态分布原理,确定1~10等级的城市数量,然后按照等级赋分。
最初人口密度反映研究时期最初城市空间弹性情况,研究末期人口密度反映研究时期末城市空间弹性情况,研究期内人口密度变化情况反映研究时期内城市空间弹性变化情况,三项内容同时考虑了研究区间初期、末期静态特征和时间变化产生的相关影响。三项内容对衡量城市空间弹性权重相当,因此采用三项内容排名得分相加结果衡量研究区间城市空间弹性。具体计算如下：
式中P为人口密度;N为常住人口;S为建成区面积;F为弹性得分;
4.2 城市空间弹性得分及分组
对城市空间弹性计算结果采用自然断裂法划分为五级,分别是低弹性（<11分）、较低弹性（12~14分）、中等弹性（15~17分）、较高弹性（18~20分）和高弹性（21~26分）,263个城市空间弹性得分及分组结果如图3所示。低弹性城市28个,较低弹性城市58个,中等弹性城市76个,较高弹性城市60个,高弹性城市41个。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3城市空间弹性得分及分组
-->Figure 3The grouping of cites according to spatial resilience score
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4中国省会城市空间弹性得分
-->Figure 4Spatial resilience score of capital cities in China
-->
直辖市和省会城市的空间弹性排名如图4所示,空间弹性最小的是上海,空间弹性最大是乌鲁木齐。图3中,具有高弹性的城市主要集中分布于广东（图3的C区域）以及山东部分地区,空间弹性较高的城市主要集中在长江中下游城市群,空间弹性低的城市主要集中分布在成渝城市群、山西、河南省部分地区（图3的A区域、图3的B区域）。全国城市发展空间弹性排名前五位城市为云浮（广东）、钦州（广西）、濮阳（河南）、承德（河北）、衢州（浙江）。
4.3 城市空间弹性特征分析
4.3.1 分弹性分析城市特征根据城市空间弹性分级,图5用人口密度数据说明不同弹性城市人口密度变化速率差异。随着弹性的增高,城市人口密度降低幅度/速率在增加。低弹性城市2012年人口密度为2000年人口密度的63.35%,降低幅度/速率较小;但是高弹性城市2012年人口密度为2000年人口密度的35.92%,人口密度降低幅度/速率大。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5不同空间弹性城市年平均人口密度及变化率
-->Figure 5Growth rate of population density according to different spatial resilience group
-->
选择典型高弹性与低弹性城市列出2000年、2012年城市人口密度、建成区面积及变化率（表1）。表1显示,高弹性城市市区人口密度均低于低弹性城市,人口密度降低幅度/速率大,建成区面积扩张程度远远大于低弹性城市。如云浮市建成区面积扩张294.44%,人口密度减小78.08%,城市呈低密度化增长。2000-2012年12年间是中国快速城市化的时期,城市土地扩张速度快于人口增长速度,导致人口密度的降低。
Table 1
表1
表12000-2012年典型城市人口密度及变化率
Table 1Growth rate of population density of typical cites from 2000 to 2012
| 地区 | 城市（得分） | 人口密度(人/km2) | 建成区面积/km2 | 人口密度 变化率/% | 建成区面积 变化率/% | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2000年 | 2012年 | 2000年 | 2012年 | ||||
| 东北地区 | 承德（25） 白山（12） | 12 492 14 582 | 4 793 11 347 | 35 23 | 113 36 | -61.63 -22.19 | 222.86 56.52 |
| 东部地区 | 苏州（20） 南京（15） | 15 636 18 031 | 6 372 8 687 | 86 201 | 437 653 | -59.25 -51.82 | 408.14 224.88 |
| 中部地区 | 许昌（21） 黄石（14） | 14 935 13 619 | 6 076 10 115 | 25 48 | 80 72 | -59.32 -25.73 | 220.00 50.00 |
| 南部地区 | 云浮（26） 佛山（10） | 14 535 20 774 | 3 186 13 632 | 18 10 | 71 37 | -78.08 -34.38 | 294.44 318.92 |
| 西部地区 | 乌鲁木齐（19） 天水（9） | 12 524 35 843 | 7 781 14 820 | 140 32 | 384 46 | -37.87 -58.65 | 174.29 43.75 |
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4.3.2 东、中、西部地区城市空间弹性特征
中国城市发展空间差异研究是地理学的重要研究领域,****针对中国城市发展区域差异着眼于东、中、西三大地带和省（市、区）空间尺度进行了研究[25-27]。按中国东、中、西部地区分别统计不同弹性城市数量（图6）,东部地区包括北京、天津、上海和河北、辽宁、江苏、浙江、福建、山东、广东、广西、海南9个省112个城市,中部地区包括山西、内蒙古、吉林、黑龙江、安徽、江西、河南、湖北、湖南9个省104个城市,西部地区包括重庆直辖市、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆、四川、云南、贵州、西藏9个省47个城市。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6东、中、西部地区不同空间弹性数量及比例
-->Figure 6Quantity and proportion of eastern,central and western cities of different spatial resilience
-->
图6a显示,高弹性城市主要分布在东部地区,较高弹性和中等弹性城市主要分布在东部地区和中部地区。图6b为东、中、西部地区不同空间弹性城市在本地区城市中所占比例：东部地区高弹性城市所占比例高于全国水平,其他弹性城市与全国弹性城市分布比例相一致;中部地区城市较高弹性和中等弹性城市较多,高弹性、低弹性城市所占比例较小;西部城市高弹性、较高弹性城市所占比例小,中等及以下弹性城市所占比例较高。经济发展水平较高的东部地区高弹性城市比例也较高,经济发展水平较低的西部地区城市空间弹性较低。
4.3.3 五大城市群城市空间弹性特征
区域尺度上分别统计中国五大城市群,京津冀、长江中游城市群、长江三角洲、成渝以及珠江三角洲空间弹性以及2000年、2006年、2012年三个时期人口密度变化（图7）。京津冀城市群分别是北京、天津、河北省所有城市;长江中游城市群是以武汉城市圈、环长株潭城市群、环鄱阳湖城市群为主体形成的特大型城市群;长江三角洲城市群分别是上海、江苏省和浙江省所有城市;成渝城市群横跨四川省和重庆;珠江三角洲城市群分别是广州、深圳、珠海、佛山、东莞、惠州、江门、肇庆、中山。
五大城市群空间弹性分级统计（表2）：京津冀地区中等及以上弹性城市约占70%,空间弹性大的城市相对较多;长江中游城市群主要集中为较高弹性、中等弹性和较低弹性,约占80%,其中较低弹性城市比例最高;长江三角洲地区城市中等及以上弹性城市约占85%,空间弹性较大;成渝城市群空间弹性较小,无高弹性城市;珠江三角洲城市群空间弹性存在两极分化现象,高弹性和较高弹性占1/3,而较低弹性和低弹性城市占2/3,图7各城市群中,核心城市空间弹性较低或中等水平,如图中北京、武汉、重庆、广州、深圳、上海空间弹性均较低。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7中国五大城市群空间弹性及人口密度变化
-->Figure 7The spatial resilience and change of population density of five urban agglomerations in China
-->
Table 2
表2
表2五大城市群空间弹性分组统计
Table 2Spatial resilience of five urban agglomerations
| 空间弹性 | 城市个数/个 | 占城市的百分比/% | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 京津冀 | 珠三角 | 长三角 | 成渝 | 长中游 | 京津冀 | 珠三角 | 长三角 | 成渝 | 长中游 | |
| 高弹性 | 1 | 1 | 4 | 0 | 2 | 7.69 | 11.11 | 16.67 | 0.00 | 15.38 |
| 较高弹性 | 3 | 2 | 9 | 3 | 3 | 23.08 | 22.22 | 37.50 | 15.79 | 23.08 |
| 中等弹性 | 5 | 0 | 7 | 7 | 2 | 38.46 | 0.00 | 29.17 | 36.84 | 15.38 |
| 较低弹性 | 1 | 3 | 3 | 8 | 5 | 7.69 | 33.33 | 12.50 | 42.11 | 38.46 |
| 低弹性 | 3 | 3 | 1 | 1 | 1 | 23.08 | 33.33 | 4.17 | 5.26 | 7.69 |
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4.3.4 城市空间弹性时态变化
将2000-2012年分为2000-2006年、2006-2012年两个时段,统计各时段初始人口密度及时段内人口密度变化（图8）。2000-2006年全国大部分城市人口密度降低,少数城市人口密度增加;2006-2012年全国人口密度降低城市减少,主要分布在中部及广西部分地区。2000-2012年随着城市快速发展,中国城市人口密度降低,城市空间弹性增加,中国以低密度化形式发展主要在2000-2006年间。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图82000-2012年三阶段城市人口密度变化情况
-->Figure 8The change of population density from 2000 to 2006,2006 to 2012
-->
5 讨论
5.1 城市空间弹性与经济发展水平的关系
根据2012年市人均GDP数据,分别选择人均GDP低于4万元（2012年中国人均GDP平均水平为38 354元[28]）和人均GDP大于8万元城市（约为2012年中国人均GDP两倍水平）统计其弹性空间分布（图9）：经济水平低的城市以空间弹性低的城市居多,主要分布在中国中部;经济水平高的城市以空间弹性高城市居多,主要沿海、沿江分布。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图92012年不同经济发展水平城市空间弹性分布
-->Figure 9Distribution of urban spatial resilience of different economic development levels in 2012
-->
Table 3
表3
表3城市空间弹性与经济发展相关性分析
Table 3Correlation analysis of urban spatial resilience and economic development level
| 空间弹性 | 2000年人均GDP | 2012年人均GDP | 2000年GDP | 2012年GDP | 第二产业增长率 | 第三产业增长率 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| R | 0.131** | 0.282** | -0.236** | -0.248** | 0.139* | -0.013 |
| P | 0.034 | 0.000 | 0.184 | 0.200 | 0.000 | 0.297 |
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统计263个城市2000年和2012年市区人均GDP、2000年和2012年市区GDP、2000-2012年第二、三产业增长率6个经济发展水平指标数据,与空间弹性进行相关性分析,结果见表3。可以看出,中国263个地级以上城市空间弹性与人均GDP具有正相关关系,与第二产业增长率具有正相关关系。有研究表明建成区面积扩张与经济发展之间存在长期协整关系[29,30],城市经济发展需要更多的土地,土地扩张导致人口密度降低,空间弹性增加。城市空间弹性与市区GDP具有负相关关系,结合五大城市群分析可以得到,经济发达的核心城市空间弹性较低。总体上发达地区城市空间弹性较大,但是城市群中的核心城市弹性中等或较小。
5.2 城市空间弹性与增长边界划定
城市增长边界是一定时期、一定经济技术条件下空间发展的规划许可边界,边界之内的用地是当前城市与满足未来增长需求的预留用地,在制止城市无计划延伸的同时满足城市发展的需要[31,32]。“刚性”边界为在目前各种因素综合作用下所能达到的城市最终合理规模（即远景规划）出发划定的边界;“弹性”边界是合理引导城市土地的开发与再开发的一个阶段性的城市增长边界[33]。划定城市增长边界是促使城市降低空间弹性、增加城市集约程度的必要措施。近年,中国城市发展中土地扩张远远快于人口增长,城市用地的蔓延产生了诸如土地低效、环境恶化、耕地占用等问题。中国2006年新版的《城市规划编制办法》[34]中明确提出在城市总体规划纲要及中心城区规划中要划定“城市增长边界（UGB）”,用以限制城市的发展规模和划定城市的建设范围。****研究表明设立城市发展边界对于中国的城市空间扩张管理有着十分重要的指导意义[35]。
2014年7月22日国土资源部和住房城乡建设部确定中国14个划定城市开发边界城市得分情况见表4,苏州空间弹性得分最高（20）,上海空间弹性得分最低（5）。不同空间弹性城市内部可利用空地数量不同,需制定相应未来城市发展空间规划。例如苏州空间弹性大,城市内部可利用空地数量较多,城市可以进行内部填充式或内聚式继续发展;而上海虽然空间弹性小,城市内部土地利用密度大,但是上海已经是超大城市,城市内部和区域生态环境压力很大,也应尽快划定城市增长边界。
Table 4
表4
表42000-2012年14个城市弹性得分情况
Table 4Spatial resilience score of 14 cites in China from 2000 to 2012
| 城市名 （得分） | 人口密度(人/km2) | 密度 变化率 | 城市名 （得分） | 人口密度(人/km2) | 密度 变化率 | 城市名 （得分） | 人口密度(人/km2) | 密度 变化率 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2012年 | 2000年 | 2012年 | 2000年 | 2012年 | 2000年 | ||||||
| 上海（5） | 26 088 | 26 867 | 2.99 | 武汉（11） | 24 808 | 12 068 | -51.36 | 成都（15） | 18 760 | 8 882 | -52.65 |
| 郑州（8） | 19 469 | 15 862 | -18.53 | 贵阳（12） | 24 227 | 11 057 | -54.36 | 南京（15） | 18 031 | 8 687 | -51.82 |
| 北京（9） | 23 585 | 14 145 | -40.03 | 厦门（13） | 25 037 | 10 337 | -58.71 | 杭州（17） | 13 849 | 8 051 | -41.87 |
| 沈阳（10） | 24 438 | 12 557 | -48.62 | 广州（14） | 19 779 | 10 050 | -49.19 | 苏州（20） | 15 636 | 6 372 | -59.25 |
| 深圳（11） | 51 536 | 12 222 | -76.28 | 西安（14） | 23 965 | 9 425 | -60.67 | ||||
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划定城市增长边界需考虑城市土地利用、人口以及经济水平等因素,可以依据城市空间弹性确定城市增长边界划定的优先次序以及进行刚性和弹性边界的程度控制。
（1）城市空间弹性高的城市,在过去15年间土地扩张远远比人口增长快,城市呈低密度化、分散化发展,城市土地过多过快增长,导致耕地、绿地减少等问题,此类城市应尽快划定城市增长边界。“弹性”边界划定预期性城市增长边界,弹性/刚性范围的面积比例系数较小,严格控制预留用地数量,控制城市向外蔓延,提高城市土地利用效率。预期性城市增长边界——边界靠近主城区域,以城市总体规划中近期、中期的城市阶段性发展为出发点,4~5年补充城市增长边界内的土地储备[36]。
（2）城市空间弹性低的城市,在过去15年间土地利用效率相对高,人口密度较大,此类城市“弹性”边界可划定协调性城市增长边界,弹性/刚性范围的面积比例系数较大,预留用地数量较多,引导城市在边界范围内合理增长与发展。协调性城市增长边界——位于“预期性城市增长边界”外围,作为城市进一步弹性扩展和修正前一期城市增长边界的界线[36]。
（3）根据分东、中、西部地区分析城市空间弹性结论,提出在全国区域尺度上：东部地区城市空间弹性大,城市区位优越、经济发达,东部地区城市应尽快划定城市增长边界,控制东部地区城市土地扩张速度,节约利用城市土地。中部地区高弹性城市少,中、低弹性城市居多,且中部地区经济发展较缓慢,可率先划定一部分高弹性城市增长边界,鼓励低弹性城市充分发展。西部地区地广人稀且城市土地扩张较慢,因西部地区经济较为落后,可鼓励其优先进行城市发展,推迟划定城市增长边界。
（4）根据五大城市群城市空间弹性分析结论,提出在区域尺度上：珠江三角洲地区城市空间弹性大,土地扩张速度迅速,应尽快划定城市增长边界,控制城市土地扩张。京津冀、长江中下游城市群和长江三角洲地区,高弹性城市应尽快划定城市增长边界;低弹性城市土地扩张速度与人口增长相对协调,可鼓励低弹性城市以城市群形态发展,区域内资源共建共享,进而实现区域经济社会协调发展。成渝城市群城市空间弹性较低,土地利用密度高,可在吸收其他城市边界划定经验基础上逐步划定城市增长边界。
6 结论
本研究以城市人口密度及其变化率为基础,采用位序评分法构建了横向可比的城市空间弹性指标。该指标计算简洁,并兼顾了城市人口密度在研究期始末状态和研究期内变化信息。对2000-2012年研究期内263个城市统一排序评分,进行了城市间对比研究。中国东部地区高弹性城市所占比较高、中部地区以较高弹性和中等弹性城市为主、西部地区城市弹性主要为中等以下水平。研究期内绝大多数样本城市人口密度降低,城市空间弹性增加。城市空间弹性与城市平均经济发展水平具有正相关性,与市区GDP总量具有负相关关系。利用城市空间弹性可指导划定城市增长边界,合理确定UGB划定的次序、城市弹性/刚性边界范围控制程度。根据城市空间弹性结果,如何科学调控城市空间弹性,城市空间弹性达到什么样的标准是城市发展的最佳选择仍是有待进一步研究的问题。但是目前对城市空间弹性的研究较少,今后需进一步展开深入研究。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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