合肥市城市建設用地擴張時空特征與影響因素研究

陳曉華，李爭杰

（1.安徽建筑大學 建筑與規劃學院，安徽 合肥 230601；2.安徽省城鎮化發展研究中心，安徽 合肥 230601）

改革開放四十多年來，快速城鎮化發展，中國常住人口城鎮化率從1978 年的17.9%增長至2022 年的65.2%，推動社會經濟發展水平迅速提高，同時帶動城市建設用地出現大幅度增長。

城市建設用地是指在城市規劃區范圍內用于集中建設的用地，城市建設用地擴張表明城市規模和容量不斷增加，是城市化進程的直觀體現［1］。城市建設用地擴張是國內外學者關注的熱點之一，包括城市建設用地結構演變、空間形態擴張［2］、驅動機制以及動態規模預測［3］等方面，并圍繞城市建設用地擴張時空特征、擴張模式與規律、驅動因素等方面展開研究，同時分析建設用地擴張引起土地利用結構失調，城市開發邊界無序蔓延［1，4］、土地利用效率低等一系列問題。研究視角逐漸多樣，例如建設用地擴張與經濟發展關聯程度［2，5］、建設用地集約利用與碳排放效率的演變［6-7］，以及城市用地擴張與人口、經濟、社會化耦合協調關系等多方面［8］。研究方法和手段逐漸多樣，涉及空間分維數、城市重心轉移指數、地理探測器、主成分分析［9］、Logistic 回歸分析［10］和半對數回歸方程［3，11］等分析方法，多采用GIS 計量、地圖信息圖譜［12］等分析手段。研究區域和尺度較為廣泛，從東部城市［13］，延伸到中部城市［14］、西北部內陸城市［15］，由沿海［16］、沿江城市［17］擴展到西南部邊境城市［18-19］。研究尺度逐漸豐富，從熱點城市群［20］、普通城市［21］和縣城［22］等多種空間尺度展開具實證研究。在驅動機制方面，相關學者總結經濟發展水平［23］、交通設施［24］、自然環境、國家政策以及人口數量等多種因素對城市建設用地擴張和城市空間形態產生不同程度影響。具體而言，對于大城市而言，經濟因素是推動建設用地擴張的主要因素［25］，對產業升級和開發區建設產生明顯促進作用［26］，其中人類不斷追求高質量生活品質，人口對城市的擴張逐步成為主導因素［27］，同時政府通過發展主導產業、出臺相關政策推動用地擴張［28］，多種因素共同推動建設用地規模增加。

既有研究多關注東部沿海城市，對中部省會城市的關注度不足。相關研究大多數從2000 年之前開始，截至2015 年左右，研究期限大部分為30 年左右，缺乏從改革開放后至2020 年橫跨40 年，能夠完整反映城市建設用地擴張時空特征的研究。此外，研究多從經濟、人口等因素分析城市建設用地擴張影響，對科技創新因素的影響關注程度不足?；诖?，本文運用合肥市Landsat TM/ETM 遙感影像，提取1980 ～ 2020 年城市建設用地五期數據，采用擴張速度與強度、緊湊度和分形維數等方法，研究城市建設用地擴張時空特征，揭示擴張規律，引導用地合理擴張；同時采用多元線性回歸法，分析城市建設用地擴張的影響因素。

1 研究設計

1.1 研究區域概況

合肥市為安徽省省會，地理位置優越，地處江淮平原中部，地形地貌平整，水網密布，市域內具有巢湖、南淝河、豐樂河以及其他巢湖支流（圖1）。2020 年合肥市經濟總量超過1 萬億元，常住人口為937 萬人，常住人口城鎮化率為84.04%，人均GDP 超過11 萬元。城市經濟實力的不斷提升，促使合肥市土地利用結構發生重大變化，城市建設用地大規模擴張。自1980 年至2020 年，合肥市城市建設用地占比由0.97%增至6.38%，建設用地規模顯著增加。

圖1 合肥市區位圖Fig.1 Map of Hefei City

1.2 數據來源與處理

合肥市1980 ～ 2020 年Landsat TM/ETM 遙感影像數據和高程（DEM）數據來源于中科院資源環境科學與數據中心和地理空間數據云。運用Arc GIS10.2 按照行政邊界進行掩膜提取等操作，得到五個時期的Landsat TM/ETM 影像，空間分辨率為30 m × 30 m。隨后進行輻射定標、大氣校正等一系列操作，解譯出五期土地利用數據，將其分耕地、林地、草地等7 個大類（圖2），重點分析城市建設用地數量和空間演變特征、與其他土地類型轉移數量。經過檢驗，精度在90%以上，滿足研究的精度要求。另外，城市經濟、社會和人口等數據來源于安徽省、合肥市統計部門官網以及相關規劃文件和政府工作報告等。

圖2 1980 ～ 2020 年土地利用類型Fig.2 Land use types from 1980 to 2020

2 研究方法

2.1 擴張速度和強度

擴張速度和強度分別用于分析城市建設用地擴張變化快慢和劇烈程度，反映城市整體擴張水平，見式（1）和式（2）。

式中，Ui表示擴張速度，Uij表示擴張強度，Sj表示城市建設用地末期面積、Si表示初期面積，S表示研究范圍面積；Tij表示為研究期限。根據Uij值大小，可以將擴張過程劃分為低速擴張（<0.05）、中速擴張（0.05 ～ 0.25）、高速擴張（>0.25）三個階段［29］。

2.2 緊湊度和分形維數

緊湊度和分形維數用于反映城市建設用地在空間上集聚程度和形狀復雜程度，見式（3）和式（4）。

式中，B為緊湊度，D為分形維數，A表示用地面積，C表示用地邊界周長。緊湊度越大，則城市建設用地空間分布的集聚程度越高，破碎化程度越小。分形維數與城市建設用地形狀復雜程度成反比，越小則用地越簡單、規則和平整［30］。

2.3 等扇形分析法

等扇分析法用于分析城市建設用地各方向擴張差異性。以合肥市1980 年城市建設用地的重心作為起點，向外延伸長度為96 km 的半徑，將合肥市市域劃分成為角度相等的八個等扇形區域，計算1980 ～ 2020 年各時期內各扇形區域的擴張強度，判斷出各時期的主要擴張方向。

2.4 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣用于分析在各時期內各類用地之間的相互轉移現象，表明城市建設用地與其他類型土地的轉入和轉出情況，見式（5）。

式中，Sin表示各時期內土地利用類型面積，n表示土地利用類型數量，Sij各類土地利用轉移面積［31］。

2.5 擴張彈性系數

擴張彈性系數用于衡量城市建設用地擴張與人口增長之間的平衡性，判斷擴張的協調性和合理性，見式（6）。

式中，R表示特定時段內擴張彈性系數，Aa表示擴張面積變化率，Pa表示在城市人口數量變化率；最合理擴張系數R為1.12［32］，說明此時人口增加和建設用地擴張關系較為協調，人地關系處于合理狀態。

2.6 多元線性回歸法

多元線性回歸法用于分析自變量對因變量解釋程度，判斷城市建設用地擴張強度與其他影響因素之間的相關性，探尋對用地擴張產生較為顯著影響的因素［33］，見式（7）。

式中，Yi表示因變量，C1Xi1、C5Xi5為第i個觀察值，Xi1、Xi5表示第i個自變量，C0表示截距值，Ei為隨機擾動項。

3 結果與分析

3.1 合肥市城市建設用地擴張時空特征

3.1.1 擴張過程呈現明顯階段性

根據擴張速度和強度，1980 ～ 2020 年合肥市建設用地擴張速度和強度均呈現持續上升態勢，經歷“低速－中速－高速”三個階段［34］（表1）。合肥市在1980 ～ 2000 年間由于城市經濟基礎薄弱，城市建設用地擴張規模較小，導致擴張速度和強度處于低速擴張階段，城市發展也較為緩慢，擴張速度低于5 km2，平均擴張強度低于0.05%。

表1 1980 ～ 2020 年合肥城市建設用地擴張速度及強度Tab.1 Expansion speed and intensity of construction land in Hefei from 1980 to 2020

進入2000 年之后，合肥市城市建設擴張水平明顯加快，擴張速度和強度出現大幅度提升，年擴張速度為25.25 km2。一方面，城市經濟發展水平迅速增加，合肥市政務新區開工、合寧客運專線和地鐵一號線等一大批項目快速建設，引起城市建設用地劇烈變化。另一方面，合肥市經開區規格升級為國家級開發區，高新區經過近10 年發展初顯規模，新區發展極大促進城市建設用地擴張。2010 ～2020 年間進入高速擴張階段，擴張速度和強度分別為30.67 km2和0.27%，達到擴張水平頂峰，表明階段內城市建設用地變化程度最為劇烈。2010 年合肥市出口加工區經國務院批準成立，2011 年行政區劃調整，巢湖市、廬江縣劃入合肥，市域面積增加，為城市發展提供充足的空間，推動建設用地擴張水平增加。

3.1.2 擴張集聚性呈現先增后減

合肥市城市建設用地緊湊度呈現“先增后減”，分形維數持續下降（表2），表明城市建設用地空間分布的集聚程度呈現先聚集后分散，形狀趨于簡單化、規則化。1980 年，城市建設用地集中分布在老城區，整體規模較小。1980 ～ 2000 年城市建設用地擴張緊湊度持續增加、分形維數逐漸減小，建設用地空間集聚程度增加，以合肥市老城區為起點向外呈輻射狀擴張，在用地規模增加的同時，集聚程度也逐漸增加，城市邊界形狀趨于簡單規則［35］。2000 年緊湊度達到頂峰，為0.082，之后出現下降趨勢，擴張模式由向外蔓延式轉變為飛躍式。由于城市邊緣的經濟區、高新區規模逐漸增加以及巢湖西岸啟動濱湖新區的建設，導致城市建設用地緊湊度下降（圖3）。

表2 1980 ～ 2020 年城市建設用地擴張緊湊度及分形維數Tab.2 Compactness and fractal dimension of urban construction land expansion from 1980 to 2020

圖3 1980 ～ 2020 年城市建設用地擴張區域Fig.3 Expansion area of urban construction land from 1980 to 2020

3.1.3 擴張方向呈現空間分異性

合肥市城市建設用地擴張方向呈現明顯空間分異性，其中向西和西南平均擴張強度高于其他方向（表3）。1980 ～ 1990 年各方向擴張強度整體較弱，主要擴張方向為西和西北，由于老城區的邊界范圍發生變化，逐漸向西和西北延伸，最終形成目前城市中心區。1990 ～ 2000 年主要擴張方向為東和西，位于老城區東部的新火車站開工建設，推動建設用地增加。另外，合肥市先后獲批高新區和經開區，2000 年經開區被國務院批準為國家級經濟技術開發區，促進用地向西擴張，奠定未來城市向西發展方向。

表3 1980 ～ 2020 年城市建設用地各方向擴張強度Tab.3 Expansion intensity of urban construction land in various directions from 1980 to 2020

2000 ～ 2010 年，各方向擴張強度出現大幅度增加。其中，向西、西南和西北擴張強度得到顯著提高，遠高于其他方向的擴張強度。由于合肥市經濟發展水平提高，推動城市西部的高新區和經開區體量逐步增大，需求量大大增加，促進持續向西拓展。此外，啟動建設蜀山區經濟技術開發區和濱湖新區，直接促進用地規模進一步向南擴張。2010年后，各方向擴張強度進一步提升，保持向西、西南和南擴張，其中向西擴張強度最高為0.84%。合肥市引導大量高新科技企業入駐開發區，同時獲批綜合性國家科學中心和建設一批大科學裝置實驗室，共同引導城市建設用地向西、南方向擴張。

3.1.4 擴張來源呈現較強集中性

城市建設用地擴張用地來源具有集中性，耕地和農村居民點是轉入城市建設用地的主要來源，草地、林地和水域的轉入規模微弱（表4）。其中，1980 ～ 2020年間耕地轉入城市建設用地面積最大，達564.52 km2，占用地轉入面積的90%以上。表明合肥市城市發展過程中，對耕地侵占現象比較嚴重，占用大量耕地來支持城市建設。其次，緊鄰城市外圍的農村居民點被逐步納入城市開發邊界，導致農村居民點轉變為城市建設用地。合肥市城市建設用地擴張對林地、水域等生態用地侵占始終保持較低水平，反映政府盡量避免侵占生態用地，換取城市快速發展。城市建設用地轉出土地類型較為多樣，主要為耕地和草地、水域、農村居民點，轉出規模較小。

表4 1980 ～ 2020 年合肥市土地利用轉移矩陣（單位：km2）Tab.4 Land use transfer matrix of Hefei City from 1980 to 2020

3.1.5 擴張合理性呈現向好趨勢

1980 ～ 2020 年合肥市城市建設用地擴張整體處于較為合理的狀態，呈現不斷向好的趨勢。表明城市建設用地擴張與人口增長的關系整體保持在合理范圍之內，呈現“先增加后減小”的趨勢（表5），但在部分時間段存在發展不平衡現象。

表5 1980 ～ 2020 年城市建設用地擴張彈性系數Tab.5 Elasticity coefficient of urban construction land expansion from 1980 to 2020

1980 ～ 2000 年擴張彈性系數分別為1.18 和1.67，基本接近最合理的彈性系數，城市建設用地擴張與人口增加基本處于平衡狀態，人地關系相對動態穩定。但在2000 ～ 2010 年擴張彈性系數為5.54，遠遠高于最合理性系數，出現用地增加幅度遠大于人口數量增加的失衡現象，導致缺乏人口活力。由于合肥市經濟區、高新區等開發區以優質服務和低廉地價，吸引大量企業入駐園區，導致出現一部分“圈地”現象，因此造成土地利用效率低下。2010 ～ 2020 年，擴張彈性系數為1.13，最接近最合理的彈性系數。城市建設用地擴張與人口增加之間失衡問題得到緩解，土地利用效率提升。一方面，政府逐漸重視“圈地”問題，遏制“圈地”現象。另外，城市郊區配套設施不斷完善，加上相對低廉生活成本，郊區人口數量提升，緩解了人地關系不協調的問題。

3.2 合肥市城市建設用地擴張影響因素

3.2.1 擴張影響因素篩選

合肥市城市建設用地擴張時空特征呈現多樣性，用地擴張由多種因素共同作用形成?；谙嚓P文獻梳理和總結之前學者研究，構建合肥市城市建設用地擴張影響因素指標體系，探究影響用地擴張變化的主要因素。以擴張強度為因變量，從經濟水平、人口數量、產業結構、科教創新、政府行為五個維度，篩選地區生產總值、城鎮化率、社會固定投資額等13 個指標作為影響因素變量（表6）。運用多元線性回歸模型測算自變量對因變量的解釋程度、顯著性水平和多元共線性，檢驗，多元回歸模型符合正態分布假設。結果表明社會固定投資額（X3）、常住人口數量（X4）、第一產產值占比（X6）、高等學校在校人數（X8）和高速公路里程數（X13）總計5 個指標具有顯著的影響因素，通過多元線性回歸模型得到方程，見式（8）。

表6 城鄉建設用地規模擴張影響因素Tab.6 Factors influencing expansion of urban and rural construction land scales

3.2.2 擴張影響因素分析

（1）經濟發展是城市建設用地擴張的決定性因素

社會固定投資額（X3）與擴張強度的相關性系數為3.253，具有較強相關性（表7）。社會固定投資額能夠表征社會經濟發展水平，經濟發展決定城市建設用地擴張強度［3］。合肥市固定投資額不斷增加，房地產對合肥市城市經濟增長具有重要貢獻。2020 年房地產固定投資額增長額占比為46.44%，銷售住房用地面積達到12 000 m2，激發房地產市場持續繁榮，極大促進城市建設用地擴張。合肥市在2020 年地區生產總值為10 045.72 億元，帶動新區建設需要大量城市建設用地。經濟發展水平提高，推動房地產進入繁榮期，加之新區經濟活力進一步提升，共同決定城市建設用地擴張。

表7 多元線性回歸模型分析結果Tab.7 Analysis results of multiple linear regression model

（2）產業結構是城市建設用地擴張內在影響因素

第一產業產值占比（X6）與擴張強度的相關性系數為-4.265，呈現出負相關性。說明第一產業產值占比不斷減小，引起城市建設用地不斷擴張，表明城市產業結構不斷進行優化升級，內在影響建設用地變化［6］。一方面合肥市產業結構持續優化，第一二三產業的比例從1980 年的2.9：4.8：2.3 調整為2020 年的0.3：3.5：6.2，促進二三產業不斷繁榮發展，帶動城市建設增加。另一方面，合肥市憑借優越的地理區位，承接沿?？萍夹推髽I和培育本地企業。2020 年工業產值達到2 072.32 億元，企業數量增加提高對建設用地的需求。同時大力發展制造業，形成以新能源汽車制造、家電制造為主的完整產業集群，促進用地規模增加。

（3）人口數量是影響城市建設用地擴張的主要因素

常住人口數量（X4）與擴張強度的相關性系數為1.202，表明人口數量對城市建設用地擴張影響具有主導作用。一方面，合肥市憑借區位、經濟、教育等優勢，吸引省內其他區域大量人口遷入合肥，2020 年遷入人口20.59 萬人，常住人口已經突破930 萬人。人口數量增加對公共服務設施和基礎設施的需求激增，推動城市建設用地擴張。其次，合肥市在校大學生數量已經由1980 年的1.6 萬人增加至2020 年的75 萬人，為城市提供大量人才儲備，增加了公服設施和基礎設施需求，消耗城市建設用地。此外，市民對住房質量和生活質量提出更高要求，需要消耗更多用地來滿足日常所需，引起城市建設用地快速擴張。

（4）科教創新對建設用地擴張具有重要促進因素

以高等學校在校人數（X8）為代表的科教創新因素，對城市建設用地擴張具有重要促進作用?？平虅撔沦Y源對城市經濟發展和產業升級具有內在驅動，深層次推動城市建設用地擴張。一方面，合肥市濱湖科技城啟動建設，一批重大科學裝置和國家重點實驗室落戶合肥，需要提供大規模建設用地支持其發展。另一方面，合肥市具有深厚的科技創新底蘊，科技型企業數量不斷增加，規模持續擴大，需要大量用地來保證企業發展。此外，城市集聚多所高等院校和科研院所，目前擁有高等院校超過40 所，省級以上科研院所超過50 所，對用地需求量持續增加。

（5）政府行為對建設用地擴張具有直接引導作用。政府通過出臺相關政策法規、編制城市規劃等直接影響城市建設用地擴張。在《合肥市城市空間發展戰略及環巢湖地區生態保護修復與旅游發展規劃》中，提出“1331”空間發展戰略，創新建設環巢湖生態示范區，打造環巢湖自然生態網絡，直接引導城市建設用地向南擴張。2011 年，合肥市行政區劃調整，巢湖成為城市內湖，為大力建設濱湖新區提供充足空間，同時省政府搬遷到濱湖新區，直接帶動南部城市建設用地迅速擴張。此外，合肥市提升綜合交通交通樞紐地位，修建機場高速公路、合寧、合安等高速公路，構建“米”字形高鐵輻射網，推動城市建設用地規模增加。

4 結論與建議

4.1 結論

基于合肥市五期城市建設用地數據，運用Arc GIS 技術分析方法探究1980 ～ 2020 年城市建設用地擴張的時空特征與影響因素，得出以下結論。

（1）合肥市城市建設用地擴張過程呈現顯著的階段性。1980 ～ 2000 年為低速擴張，2000 ～ 2010年為中速擴張，2010 ～ 2020 年為高速擴張，擴張水平顯著高于其他時期，擴張速度和強度高于其他階段。

（2）從擴張空間特征層面，1980 ～ 2020 年城市建設用地緊湊度“先增后減”，反映空間集聚程度具有“先聚集后分散”特征，分形維數持續下降，用地形狀逐漸趨于規則。從擴張方向性來看，1980 ～2000 年建設用地各方向擴張較為均衡。2000 年之后，不同象限內擴張水平出現顯著差異，城市主要發展方向是向西和西南。

（3）合肥市城市建設用地擴張對耕地侵占現象比較突出，其他用地變化程度較低。從用地擴張合理來看，擴張彈性系數從1980 ～ 2020 年“先增加后減小”，整體水平接近合理彈性系數，城市建設用地擴張與人口增加處于較為平衡。其中，在2000 ～2010 年出現用地失衡現象，但是2010 ～ 2020 年用地擴張合理性得到大幅度改善。

（4）合肥市建設用地擴張受到多種因素綜合影響，其中經濟發展水平直接決定城市建設用地擴張強度，直接促進城市建設用地擴張。產業結構不斷升級優化，制造業占比不斷加大，內在促進城市建設用地擴張。常住人口數量增加、一系列政府行為以及城市科教創新的優勢共同促進城市建設用地擴張。

4.2 建議

基于合肥市城市建設用地擴張特征，分析用地擴張過程中所出現的問題，提出相關針對性建議，保持城市可持續和高質量發展。

（1）控制城市外圍新增建設用地，鼓勵發掘存量用地。合肥市城市建設用地空間集聚程度下降，土地利用效率下降。因此，應嚴格控制城市外圍建設用地零散開發，避免出現圍而不建的“圈地”現象，造成建設用地破碎化。發掘老舊城區的土地潛力，通過土地價格差異化鼓勵盤活低效用地，提高土地利用效率。

（2）完善城市公共服務和生活配套設施，避免城市過于單一方向擴張。合肥市在部分時期內出現城市建設用地擴張和人口增加出現失衡現象，發展方向過于集中。應完善新建開發區的生活、教育、娛樂等相關設施，增加人口數量，提升區域人口活力，提升用地擴張與人口增加平衡性。

（3）嚴格遵循城市規劃的用地安排，加大耕地保護力度。合肥市應嚴格禁止因項目開發、建設隨意侵占耕地。劃定耕地保護紅線，實行耕地占補平衡，對隨意侵占耕地的行為嚴格處罰，確保耕地總量不減少，嚴格執行經過審批的土地規劃。

（4）發揮科技創新城市優勢，促進產業結構升級?？萍?、教育因素對城市建設用地增長具有重要作用，應發揮科教創新優勢，帶動城市產業結構升級，發展人工智能、新能源汽車等高新數字和新能源企業，產生更大的經濟效益。同時激發省會城市人口數量優勢，大力發展第三產業，提升土地的經濟效益。