中國城市空間結構演化特征和路徑
——基于290個地級及以上城市的實證

袁 超 君,喬 藝 波,2*

(1.南京大學建筑與城市規劃學院,江蘇 南京 210093;2.南京大學空間規劃研究中心,江蘇 南京 210093)

0 引言

城鎮化本質上是人口和產業在空間上的集聚與分散,中國城鎮化率已由20世紀90年代初的不足30%快速增至2021年的約65%,農村人口向城鎮集聚態勢明顯。目前,學界有關中國城市人口空間結構的研究已較成熟,主要關注3個層次:①在全國層面,認為中國城市人口空間結構演化走向集聚和多中心化[1,2];②在省域和城市群層面,相關研究最豐富,既包括對經濟發達地區各省域、城市群人口空間結構及其作用因素、空間效應的研究[3-7],也包括欠發達地區和發達地區的人口空間結構對比研究[8],關于中國城市群結構總體演化特征和趨勢的認知也逐步發展[9];③在超大城市內部空間結構層面,學者們使用參數模型定量測度北京、上海、廣州、重慶、杭州、蘇州等[10-17]多個超大城市的多中心性,認同中國的超大城市均不同程度地呈現從單中心結構向多中心結構演變趨勢,并探究了城市內部空間結構對經濟、環境、通勤等多方面的作用效應。近年隨著大數據技術的成熟,基于POI、交通流、信息流等大數據的城市空間結構演化研究也日益豐富[18]。但現有全國層面的研究多以省份為研究單元,對地級市人口空間結構總體演化趨勢研究較少,或多以單指標(如市轄區人口/燈光亮度占市域的比值、以市轄區和縣級市為最小空間單元回歸得到的市域級帕累托指數等)表征地級市城市空間結構[19,20],對地級市人口空間結構演變的指標構建和刻畫較粗泛,對市域各中心人口空間分布特征探討較少。

測度城市人口空間結構首先需要識別人口集聚的城市區域,目前主要采用3種方法識別城市區域:①基于人口密度和人口總量門檻,將人口密度高于某特定值且人口總量大于某特定值的連續建成區域識別為城市區域[21-24],該類方法計算簡單,但其門檻值的選擇存在主觀性和任意性;②采用非參數回歸方法識別城市區域[25-28],需要特定城市的本土化知識或者密度分布假定作為前置條件,并不適用于大量城市之間的比較研究;③基于探索性空間數據分析(ESDA)方法,以空間自相關指數及其顯著性識別出本身具有高人口密度且相鄰區域亦為高人口密度的連續建成區域作為城市區域[2,29,30],與前兩種方法相比,該類方法更適用于大量城市的空間結構研究及對比。學術界關于城市人口空間結構的測度方法主要有:①基于人口高密度區域的人口和土地面積占比計算城市的分散程度[22,23,31-33];②根據規模位序法采用回歸分析方法估計城市空間結構[34];③基于社會網絡分析定義的功能多中心程度,以不同中心之間重要性的標準差與理論上最大可能標準差之比表征城市的多中心均衡程度[35,36],該測度方式同時考慮了城市各中心的人口規模情況及其相對的空間分布狀態,但并未考慮不同中心的面積和不同城市之間的尺度效應。鑒于此,本文使用2001—2019年全球 “陸地掃描”(LandScan)人口地理柵格數據庫,采用ESDA方法識別城市區域,綜合考慮人口、距離和面積的影響,并加入不同城市的尺度效應,從市域和主城區兩個層面測度人口空間集聚程度與多中心演變特征,以期為全國層面的城市空間結構演變認知提供新的參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源與研究對象

目前,中國具體到鄉、鎮、街道層級的常住人口數據僅限于10年一次的全國人口普查數據,而《中國區域經濟統計年鑒》《中國城市統計年鑒》等數據僅提供相應行政區劃的人口總數統計,缺乏具體的人口空間分布數據。因此,現有研究多采用世界范圍的人口地理柵格數據,如LandScan和WorldPop[37],從中提取出中國的地理柵格數據進行相關計算,其中,LandScan數據來源更權威、準確性更高[38],故本文采用該數據進行研究。LandScan 數據集通過“智能插值”(smart interpolation)算法提供全球30弧秒(在赤道處約為1 km×1 km)分辨率人口地理柵格數據集,每個柵格的人口數表征24 h平均活動人口,而非單純的居住或工作人口。由于2000年數據與其后年份數據出入較大,故研究時段起始年份定為2001年;考慮到2019年12月中國爆發新冠肺炎疫情,對中國人口流動具有一定突發影響,本文主要關注疫情前中國城市人口空間結構演化特征,故研究時段選取2001—2019年。

本文選取290個地級及以上城市(不含港澳臺)作為研究對象,各城市的行政區劃數據來自2019年中國城市行政區劃矢量地圖。部分城市在研究期間進行了行政區劃調整,本文統一使用2019年各城市行政區劃范圍框定歷年人口地理柵格數據,以保證研究對象在空間上的連續一致性。

1.2 研究方法

本文首先采用ESDA方法識別城市區域:按照Queen原則構建空間權重矩陣,根據局部莫蘭指數及其顯著性程度在市域范圍內挑選柵格,柵格需滿足所有人口密度和人口密度的空間滯后值均高于該城市相應平均值且在0.1水平上顯著;按照Queen原則將所有相鄰的柵格合并為一個多邊形,將人口最多的多邊形作為主城區;考慮到河流、水系等對城市建成區的分隔作用,若某多邊形與主城區之間最短距離小于2 km,則將該多邊形合并至主城區,重復此過程直至所有多邊形與主城區之間的最短距離均大于或等于2 km;按照面積大于1 km2和總人口大于5萬人的標準確定最終的城市區域,即市域的主中心及次中心;挑選出人口最多的城市區域(即市域的主中心)作為主城區,繼續采用與市域計算相同的方法識別出主城區的主中心及次中心(圖1)。

圖1 城市空間結構示意

基于上述篩選出的城市市域及主城區的主中心和次中心,采用以下4個指標分析市域和主城區的空間結構:①市域人口在城市區域的集聚程度(RC),為城市區域人口(OC)與市域總人口之比(OCTotal),該指標與市域常住人口城鎮化率類似,但在城市區域人口的定義上有較大差別,故兩者不能直接比較;②市域空間結構的多中心程度(PC)(式(1)—式(4)),取值范圍為[0,1],對于只有一個中心的城市,其多中心程度為0,對于沒有中心的城市,不計算其多中心程度;③主城區人口在中心區域的集聚程度(RU),為主城區中心區域人口(OU)與主城區總人口之比(OUTotal);④主城區空間結構的多中心程度(PU),其計算方法與市域空間結構的多中心程度(PC)類似,將相應的市域中心指標替換為主城區中心指標即可。上述識別與計算過程均借助R語言完成。

PC=(1-σCobs/σCmax)×Sk

(1)

(2)

σCmax=Omax×Amax×Dmax/2

(3)

Ij=Oj×Aj×Dj

(4)

2 中國城市空間結構演化特征

2.1 總體演化特征

由2001—2019年290個城市市域及主城區平均集聚程度和多中心程度(圖2)可知:在市域層面,平均集聚程度從2001年的0.213升至2016年的0.325后,微降至2019年的0.317,整體呈上升趨勢,而多中心程度從2001年的0.120升至2017年的0.138后,微降至2019年的0.137,總體同樣呈上升趨勢;在主城區層面,平均集聚程度從2001年的0.310升至2016年的0.405后,微降至2019年的0.394,整體呈上升趨勢,而多中心程度從2001年的0.031降至2012年的0.023后,微升至2019年的0.024,整體呈下降趨勢。

圖2 2001—2019年中國城市市域及主城區平均集聚程度和多中心程度變化

結合表1和圖3,市域多中心程度的提升主要是由于擁有4個及以上中心的城市數量從2001年的128個增至2019年的198個,而主城區多中心程度的下降主要是因為只有1個中心的主城區數量從2001年的203個增至2019年的227個?？傮w而言,2001—2019年中國城市空間結構體現出市域、主城區及主城區中心之間三重集聚而市域中心之間分散的演變特征。在市域范圍內,人口從鄉村地區逐漸遷往市域各中心;在主城區范圍內,人口向主城區各中心集聚;在主城區各中心之間,人口向主城區主中心集聚;在市域各中心之間,人口分布趨于分散。這與既有研究結果“我國在這一階段處于城鎮化快速推進時期,人口和產業總體處于從鄉村向城市集中的態勢”[39]相一致,且進一步表明,在主城區范圍內人口也在不斷向中心集聚。此外,在市域各中心之間,人口分布趨于分散狀態,中國市域的次中心主要為城市所轄縣,表明多數城市縣域中心的人口和土地城鎮化增長速度甚至超過了城市主城區,其城鎮化進程也取得長足發展。

表1 2001年和2019年中國城市市域和主城區中心數量

圖3 2001年和2019年中國城市市域及主城區集聚程度與多中心程度散點圖

2.2 總體區域分布與演化特征

由圖4可知:①市域集聚程度方面,2001—2019年東中西部總體均有提升,其中直轄市和省會城市提升最顯著,且這些區域中心城市的市域集聚程度顯著高于所在區域,人口向區域中心城市集聚趨勢顯著;②主城區集聚程度方面,東中西部同樣總體提升且覆蓋面更均勻(不僅限于區域中心城市),中西部提升幅度略高于東部,東北地區城市主城區集聚程度最高;③市域多中心程度方面,總體增幅較小,但南方的南平、贛州、永州、銅仁、普洱等市域多中心程度上升顯著;④主城區多中心程度方面,研究期間總體平穩,個別城市變化較大,如大慶、呂梁主城區多中心程度大幅提升,洛陽、寶雞則大幅下降。

注:基于自然資源部標準地圖服務網站審圖號為GS(2019)1822號的標準地圖制作,底圖無修改,下同。

為更好地表述城市空間結構在區域上的分布特征,根據市域集聚程度、市域多中心程度、主城區集聚程度和主城區多中心程度高于(H)或是低于(L)當年相應的總體均值,可將歷年的樣本城市劃分為LLLL、HLLL、LHLL、LLHL、LLLH、HHLL、HLHL、HLLH、LHHL、LHLH、LLHH、HHHL、HHLH、HLHH、LHHH和HHHH共16個類型。如圖5所示,各類型在全國分布較均衡,未出現顯著的集聚,對2001年、2010年、2019年的類型數據進行全局空間自相關檢驗,結果顯示P值均大于0.1,即各城市由以上4個指標所構建的空間結構類型獨立發展。局部自相關檢驗中,只有東三省的哈長城市群呈現P<0.01的顯著集聚,主導集聚類型為HHHL和HHHH,即人口在市域和主城區雙重集聚且市域內有多個中心。

圖5 2001年、2010年、2019年中國城市人口空間結構區域分布

以2010年的城市空間結構類型分布為例進行分析。在直轄市與省會城市中,HLHL類型占比(42%)最高,意味著人口在市域和主城區雙重集聚,而市域和主城區多中心程度均較低,是人口高度集聚的一種空間結構模式。在所有樣本城市中,占比較多的類型為LHHL(17%)、LLHL(15%)、HLHL(13%)、LLLL(13%)、LHLL(12%),其中,LHHL型表示人口市域集聚度較低(即城鎮化率較低),市域范圍內有多個中心,且在主城區集聚度較高,該類型絕大多數為內陸城市,沿海城市僅有煙臺和鹽城,尤其中部地區出現較多;LLHL型表示城鎮化率較低且市域范圍內中心單一,而在主城區集聚度較高,該類型多在中部地區和北方地區出現,較典型的如中原城市群內多個城市連綿出現該空間結構類型;HLHL型表示人口在市域和主城區雙重集聚,且市域和主城區的多中心程度均較低,該類型在直轄市、省會城市、經濟特區中較典型,還出現在珠三角核心地帶(東莞、中山、深圳)、遼寧沿海經濟帶(葫蘆島、丹東等);LLLL型表示人口在市域和主城區分布較分散,且中心單一,該類型分布均衡;LHLL型表示人口在市域和主城區分布較分散,但市域內有多個中心,該類型中2/3出現在南方地區,西北地區和東三省未出現?？傮w看,各類型具有一定的區域空間分布規律,但總體上未形成集聚區域,各城市人口空間結構有較強的獨立性。

2.3 不同規模城市的空間結構演化特征

根據國務院頒布的城市規模劃分標準,按照本文所定義的主城區常住人口將2001年和2019年的290個樣本城市劃分為“五類七檔”(Ⅱ型小城市、Ⅰ型小城市、中等城市城區人口小于100萬,Ⅱ型大城市、Ⅰ型大城市、特大城市和超大城市城區人口大于100萬)。由圖6可知:①在市域層面,不同規模城市均表現出集聚程度和多中心程度同時上升的趨勢,且市域集聚程度與城市規模呈顯著的正相關,而市域多中心程度則與城市規模無顯著相關;②在主城區層面,3類規模較小的Ⅱ型小城市、Ⅰ型小城市和中等城市呈現集聚程度上升而多中心程度下降的趨勢,其余4類規模較大城市則呈現出集聚程度下降而多中心程度上升態勢,且集聚程度與城市規模從2001年的正相關演變為2019年的負相關?？傮w看,前3類規模較小的城市呈現出市域、主城區和主城區中心三重集聚,而市域中心分散的特征,后4類規模較大的城市呈現出市域集聚,而市域中心、主城區和主城區中心三重分散的特征。這表明雖然各類城市大都處于人口從鄉村向城市集聚階段,市域城鎮化率均逐漸提高,但對于不同規模的城市,人口在市域各中心、主城區和主城區各中心之間的分布各異。

圖6 2001年和2019年中國不同規模城市市域及主城區集聚程度與多中心程度變化

2.4 不同規模城市的空間結構區域分布與演化特征

2001—2019年中國城市規模變化較大,規模較小城市(Ⅱ型小城市、Ⅰ型小城市和中等城市)數量從225個減至159個,規模較大城市(Ⅱ型大城市、Ⅰ型大城市、特大城市和超大城市)數量從65個增至131個,這批規模躍遷的城市主要分布在東部和中部地區。其中,近10年間仍保持較小規模城市的市域集聚程度和主城區集聚程度均較穩定,未發生顯著的增長或降低;在市域多中心程度方面,南方地區較小規模城市表現出一定的增長,如銅仁、永州、南平等顯著提高,而北方地區較小規模城市的市域多中心程度稍有降低,反映出市域層面,南方較小規模城市人口在市域各中心之間的分布趨向分散,而北方較小規模城市人口在市域各中心之間的分布趨向集聚;在主城區多中心程度方面,各類城市總體較穩定。

對比而言,研究期間規模較大的城市不僅在數量上有顯著增長,空間結構變化也更劇烈。在市域集聚程度方面,東中西部城市普遍提升,尤其是東部沿海地區城市提升最顯著;在主城區集聚程度和市域多中心程度方面,新出現的規模較大城市(主要分布在東部和中部地區)數值均較高,反映出這批實現規模躍遷的城市其鄉村人口均勻遷向市域各中心,而在主城區范圍內,人口又向主城區各中心集聚。

3 中國城市空間結構的類型劃分與演化路徑

3.1 城市空間結構類型劃分

根據市域集聚程度、市域多中心程度、主城區集聚程度和主城區多中心程度4個指標高于(H)或低于(L)所有年份相應的總體均值,可將歷年的樣本城市劃分為16個類型。由圖7可知,2001年占據主導地位的城市類型是LLLL、LHHL、LHLL、LLHL、HLHL和HLLL(數量由高到低排序),而2019年占據主導地位的城市類型為LHHL、HLHL、LLHL、HLLL、HHHL、LLLL、LHLL、HHLL,其中LLLL類型降幅高達52個,而HHHL類型升幅高達17個。將LLLL、HLLL、LHLL、LLHL和LLLH不包含或僅包含一個高指標的城市類型歸為第一類,將HHLL、HLHL、HLLH、LHHL、LHLH和LLHH包含兩個高指標的城市類型歸為第二類,將HHHL、HHLH、HLHH、LHHH和HHHH包含3個及以上高指標的城市類型歸為第三類,則2001年第一類城市為183個,第二類城市為89個,第三類城市為18個,2019年第一類城市為117個,第二類城市為122個,第三類城市為51個?？梢?2001—2019年中國城市空間結構類型總體呈從LLLL型向HHHH型演化的趨勢,第二類城市取代第一類城市成為中國城市空間結構的主導類型。

圖7 2001年、2010年和2019年中國城市空間結構類型頻率分布

3.2 城市空間結構的演化路徑

根據前文定義的16種城市空間結構類型以及樣本城市在2001年的初始空間結構類型和2019年的空間結構類型,理論上存在256種可能的演化路徑。從計算結果看,2001—2019年中國290個城市空間結構演化路徑具有如下規律:

1)約2/3的城市從較低集聚程度向較高集聚程度演化,從較低多中心程度向較高多中心程度演化。290個樣本城市中193個城市在2001—2019年改變了城市空間結構類型,表明在過去20年的快速城鎮化時期,中國城市空間結構發生了劇烈變化。不同的演化路徑并非隨機出現,出現較多的演化路徑為:LLLL→LLHL(16個)、LHLL→LHHL(11個)、LLLL→LHHL(10個)、LLLL→HLHL(10個)、LLHL→LHHL(9個)、LLLL→HLLL(8個)、LHHL→LLHL(8個)、LLLL→LHLL(7個)、LLHL→HLHL(7個),除LHHL→LLHL外,均為從較低集聚程度或多中心程度向較高集聚程度和多中心程度演化,其中數量最多的演化路徑LLLL→LLHL意味著市域低集聚程度下主城區內部向中心集聚,體現出在城市化起步階段人口和資源向主城區中心集聚的發展特征。

2)約1/3的城市保持相同的空間結構類型,其中HLHL型城市保持自身空間結構類型不變的慣性最強。共97個城市在2001年和2019年保持相同的空間結構類型,如圖8所示,2001—2019年保持城市空間結構不變的城市類型為LHHL(19個)、LLLL(15個)、HLHL(15個)、LLHL(11個)、LHLL(10個)和HLLL(9個),分別占2001年該類型城市數量的39.6%、19.7%、55.6%、26.8%、23.3%、47.4%,其中HLHL類型城市保持自身空間結構類型不變的比例最高。HLHL類型意味著在市域、市域中心、主城區和主城區中心層面上的四重集聚狀態,即市域向市域中心集聚,市域中心向主城區集聚,主城區向主城區中心集聚,主城區中心又向主城區主中心集聚,該種空間結構類型的城市表現出強烈的集聚慣性。

圖8 2001—2019年中國城市空間結構類型演變

3)城市規模發生躍遷的城市從LLLL類型向HHHH類型演化的趨勢最強,始終保持較大規模的城市次之,始終保持較小規模的城市最弱。以主城區100萬人口作為較大規模城市和較小規模城市的分界線,研究期間發生規模躍遷(即從較小規模城市成長為較大規模城市)的城市為66個,其中2001年第一類城市為46個,第二類城市為19個,第三類城市僅1個,2019年則分別為23個、28個、15個,第一類城市占比降低34.8%,第二類城市占比上升13.6%,第三類城市占比上升21.2%;始終保持較大規模的城市中,3類城市占比變化為-24.6%、12.3%、12.3%,而始終保持較小規模的城市其3類城市占比變化為-16.4%、8.8%、7.5%?？梢?發生規模躍遷的城市其市域和主城區集聚程度、多中心程度上升力度最強,較大規模城市趨勢相同,但演化力度稍弱,而始終保持較小規模的城市演化力度最弱。

針對以上指標,進一步采用反距離權重法構建空間權重矩陣,即在采用ESDA方法識別城市區域時,將某柵格5 km范圍內的柵格權重記為距離的倒數,5 km以外的柵格權重為零,然后進行標準化生成空間權重矩陣。計算結果與前文結果在趨勢上高度一致,數值僅存在細微差別,這也從側面驗證了本文結果的穩健性,篇幅所限,不再贅述具體結果。

4 結論與討論

本文基于2001—2019年LandScan全球人口地理柵格數據庫,采用探索性空間數據分析(ESDA)方法識別城市區域,綜合考慮次中心人口、面積、距主中心距離以及城市的尺度效應,從市域和主城區兩個層面測度集聚程度與多中心程度。結果表明:①2001—2019年中國城市空間結構體現出市域、主城區及主城區中心之間三重集聚而市域中心之間分散的結構演化特征,即在市域范圍內,人口從鄉村地區逐漸遷往市域各中心;在主城區范圍內,人口向主城區各中心集聚;在主城區各中心之間,人口向主城區主中心集聚;在市域各中心之間,人口分布趨于分散。②不同規模城市呈現出不同的空間結構演化特征,具體表現為Ⅱ型小城市、Ⅰ型小城市和中等城市3類規模較小城市呈現出市域、主城區和主城區中心三重集聚,而市域中心分散的特征,Ⅱ型大城市、Ⅰ型大城市、特大城市和超大城市4類規模較大城市則呈現出市域集聚,而市域中心、主城區和主城區中心三重分散的演化特征,表明規模較小城市仍處于空間集聚階段,而規模較大城市已處于分散階段。③2001—2019年中國城市空間結構類型總體呈現出從LLLL類型向HHHH類型演化的趨勢,絕大多數城市的演化路徑體現為從較低集聚程度或多中心程度向較高集聚程度和多中心程度演化。

研究結果能豐富現有關于我國城鎮化進程的研究,對于深入認識中國不同規模城市的城鎮化進程和制定相應的城鎮化發展戰略有著一定的學術和實踐意義。在城市規劃和建設實踐中,應在充分研究不同城市空間結構演變態勢的基礎上,尊重人口在空間上的集聚與分散規律,著力形成能滿足經濟社會發展需求的城市空間結構。具體而言,我國總體仍處于人口由鄉村向城市集聚的階段,對于人口集聚動力充足、規劃發展的城市和集鎮,應有土地、人口、產業和財政政策等方面的整體傾斜,對于人口收縮的鄉村地域應有合理的精明收縮規劃;大部分規模較小的城市仍處于市域、主城區和主城區中心人口三重集聚階段,小城市有限的資源應集中高效投放,形成規模經濟效應;而規模較大城市在人口繼續增長的同時,已出現人口空間分布的分散化特征,應進一步研究確定大城市的多中心空間結構,均衡配置住房、教育、醫療、社區服務等各類公共資源,形成滿足各類常住人口基本需求的普惠性規劃。本文不足之處在于未能進一步深入探究城市空間結構演化的深層動力機制,仍停留在現象描述與總結階段,未來可結合城市自然地形、經濟社會發展等數據探究城市空間結構演化的深層動力機制。