南京市城镇用地扩张特征与驱动力分析

魏宁宁 林奕冉 周翼虎

摘要：揭示城镇用地利用变化时空格局特征，剖析城镇用地扩张的内在机制，是控制引导城镇用地合理扩张的基础。以南京市为研究区，采用扩张强度、景观形状指数、破碎度指数、分离度指数以及扩张方位分析等对南京市2000—2015年的城镇用地时空变化格局特征进行定量描述;同时，采用曲线拟合模型定量分析城镇用地扩张的驱动力。结果表明，2000年南京市城镇用地面积、景观形状指数、破碎度指数和分离度指数分别为569.38 km2、165.96、1 696.74、0.999 4，到2015年分别为891.42 km2、138.29、227.45、0.995 6;15年来，南京市城镇用地扩张强度为3.77%，主要向北西北、北东北方位扩张，扩张面积分别为123.88、103.78 km2;南京市城镇用地扩张主要驱动力为人口增长、经济发展、居民收入增加、固定资产投资、交通改善、土地政策和土地资源禀赋等因素。城镇用地扩张特征的定量描述和驱动力分析将为城镇用地合理配置提供理论和实际支持。

关键词：城镇用地扩张;时空特征;驱动力分析;扩张强度;景观性状指数;破碎度指数;分离度指数

中图分类号：F323.211 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2021）16-0204-06

21世纪被称为“城市的世纪”，世界城市人口在1900年占比仅为13.6%，2000年占比为47%，2018年占比达到了55%，到2050年，约68%的世界人口将定居在城市[1]。我国城镇化起步较晚，1978年，改革开放以后，伴随着工业化进程的加速，我国城镇化發展经历了一个起点低、速度快的发展过程。1978—2018年，城镇常住人口从1.7亿人增加到8.3亿人，城镇化率从17.92%提升到59.58%，年均提高1.04个百分点。伴随着城镇人口的增加，作为承载城镇人口生活和生产活动的城镇用地也迅速扩张[2]，越来越多的耕地、林地和农村居民点被占用。城镇用地的扩张不仅影响城镇的发展，而且影响区域粮食安全和生态环境[3]。因此，必须对城镇用地扩张进行有效管理，其中，揭示城镇用地利用变化时空格局特征，剖析城镇用地扩张的内在驱动机制，是控制引导城镇用地合理扩张的基础。

城镇用地扩张研究经历了从定性描述到定量计算的过程[4]，众多学者基于遥感系统（RS）、地理信息系统（GIS），利用定量指标对城镇用地扩张的形态和方向、空间演变过程、农地非农化以及城镇用地内部分化等一系列问题进行了广泛的研究[5-14]。然而，已有研究对城镇用地扩张时空变化特征描述较多，而对城镇用地扩张的内在驱动机制分析不够深入。城镇用地扩张外在特征描述的是城镇空间扩张后的结果，却不能揭示各种因素对城镇空间扩张这一过程的影响，因此，不仅需要描述城镇用地扩张的外在特征，而且还需要深入剖析城镇用地扩张的内在驱动机制，将现象描述和本质分析相结合，深化对城镇空间扩张规律的研究。本研究利用RS和GIS作为数据提取和分析的方法，采用扩张强度、景观形状指数、破碎度指数、分离度指数以及扩张方位分析等对江苏省南京市2000—2015年城镇用地扩张的面积、强度、形态和方位等时空形态特征进行定量描述;然后，基于社会经济统计数据，采用曲线拟合模型对城镇用地扩张的驱动力进行定性和定量分析。

1 数据来源和研究方法

1.1 研究区域

南京市是江苏省省会，是江苏省政治、经济、文化、科技、教育、金融中心，是我国长江经济带重要节点城市，也是我国长江三角洲城市群的特大城市。2018年，土地总面积6 587.02 km2，常住人口843.62万人，常住城镇人口695.99万人，常住人口城镇化率82.50%，地区生产总值12 820.40亿元。

1.2 数据来源和处理

在城镇用地扩张特征研究中，多时相遥感数据作为主要的空间数据源，采用2个不同时间阶段（2000、2015年）的高质量卫星遥感数据。遥感图像分类是获取用地类型的关键步骤，本研究采用最大似然算法进行监督分类，初次分类主要分为建设用地、耕地、林地、草地、水域、未利用地;然而，由于笔者对城镇用地扩张的研究需要将城镇用地分离出来，因而需要在以上遥感数据解译的基础上对土地利用分类数据进行再分类和调整，根据本研究的需要，将研究区域土地分为2类：城镇用地、其他用地，这样有利于分清城镇地域，消除多类别的干扰。在城镇用地扩张内在驱动机制分析中，采用统计年鉴中的有关统计资料。

1.3 研究方法

城镇用地扩张时空格局特征相关指数计算公式见表1。

城镇用地扩张驱动力分析：城镇用地扩张与驱动力因子关系的函数是：

式中：S表示城镇用地规模;Di表示影响城镇用地扩张的第i种驱动力因子。这里采用多种常用的曲线拟合模型，选择拟合度最好（R2最大）的模型。

2 结果与分析

2.1 城镇用地扩张时空格局特征分析

城镇用地扩张强度指数表示单位时间内城镇用地面积变化的幅度，是反映城镇用地扩张变化的一个重要指标[15]，通过分析城镇用地扩张强度指数可定量描述城镇空间扩张的程度及速度。从对城镇用地扩张速度与强度指标计算结果（表2）来看，整个研究时段（2000—2015年）南京市城镇用地面积从2000年的569.38 km2增加到了2015年的891.42 km2，城镇用地面积增加322.04 km2，增长了0.57倍，年均扩张规模达21.46 km2/年，扩张强度指数为3.77%，对应时期城镇人口增长了0.54倍（2000年城镇人口为 435.53 万人，2015 年城镇人口为670.40万人），土地城镇化快于人口城镇化。

景观形状指数是反映地物形状的参数，其值越小，地物形状越规则;破碎度指数和分离度指数分别表征城镇用地图斑的破碎和分离程度，其值越小，地物越紧凑[16-17]。从计算结果（表3）可以看出，南京市城镇用地的景观形状指数从2000年165.96下降到了2015年的138.29，说明南京市15年来城镇用地形状变得越来越规则，破碎度指数和分离度指数分别从2000年的1 696.74、0.999 4下降到2015年的227.45、0.995 6，表明15年来南京市城镇用地扩张方式逐渐转变为紧凑填充式扩张模式，破碎分散分布逐渐转向聚集分布，但聚集程度不是很高，还有很大空间可以提升。仅从这2个指数可以发现，南京市城镇用地空间开发集约程度虽然有所改善，但是很不明显，未来城镇用地扩张模式应该逐步加快转变为内部填充式扩张，这利于城镇用地的集约利用，也会对研究区域交通效率、城市功能运转效率、生活质量、环境质量等方面产生积极影响。

从八分圆各象限内城镇用地规模（图1）来看，2000—2015年间，各象限内城镇用地面积所占的比例均在不断变化。其中，2000年北西北（NWN）象限内城镇用地所占比例较大，达30.56%，而东南东（ESE）象限内城镇用地所占比例最小，仅为1.58%，2000年各象限城镇用地占比从大到小为NWN（30.56%）、NEN（22.76%）、WNW（16.32%）、SES（12.11%）、WSW（7.56%）、ENE（6.09%）、SWS（3.02%）、ESE（1.58%）。到2015年，北西北（NWN）和东南东（ESE）象限内的城镇用地占比仍然维持最高和最低的态势，各象限城镇用地占比从大到小为NWN（33.86%）、NEN（26.28%）、WNW（13.80%）、SES（11.94%）、WSW（5.62%）、ENE（4.20%）、SWS（2.84%）、ESE（1.46%）。各象限城镇用地占比呈现以上变化的原因主要在于15年来不同方位城镇用地扩张规模各不相同。从图1可以看出，2000—2015年南京市城镇用地扩张规模最大的是北西北（NWN）象限，增长面积达 123.88 km2，其次为北东北（NEN）象限，增长面积为103.78 km2，而东南东 （ESE）象限内扩张的城镇用地规模则最低，仅增长了4.09 km2，从而形成了各象限城镇用地占比不断变化的格局。

2.2 城镇用地扩张的驱动力分析

了解城镇用地扩张的内在驱动机制，对于指导合理的城镇空间扩张至关重要。本研究结合南京市2000—2017年的社会经济统计资料，定性与定量结合分析南京市城鎮用地扩张的主要驱动力。

对每一个自变量进行了10种（线性、对数、倒数、2次、3次、复合、幂、S、增长、指数）不同方程的曲线拟合估计，选取R2最大的方程作为最终的曲线拟合方程（表4）。

2.2.1 人口增长与城镇用地扩张 城镇人口的增加需要建造更多的建筑物，开发更多的土地来满足人们居住、工作、娱乐等各方面需求，特别是二三产业从业人员的增加直接导致企业用地、交通用地、住房及公共基础设施用地等用地规模需求的增加，这就意味着需要占用更多的土地资源，扩张更多的城镇空间来满足需求，所以说，城镇人口增加会带来城镇用地规模的扩张。南京市城镇化率从2000年的71.09%增加到2017年的82.29%，其城镇常住人口从2000年的435.14万人增加到了2017年的685.89万人，二三产业从业人员则从2000年的196.96万人增加到了2017年的473.47万人。由表4和图2三项式曲线拟合结果可以看出，城镇人口、二三产业从业人员与城镇用地高度相关，R2为0.990和0.987，图2直观地展示了影响城镇用地扩张的人口增长驱动因素。

2.2.2 经济发展与城镇用地扩张 城镇发展主要取决于其经济实力，因此经济发展是城镇用地扩张的基础。城镇土地利用实际上是一个综合性的经济活动，城镇用地作为二三产业经济发展的空间载体，是产业集聚的核心区域，二三产业的集聚和发展会导致产业用地的大量需求，进而促进城镇空间扩张。进入21世纪以来，南京市经济发展迅速，2000年二三产业地区生产总值（可比价）为 966.29亿元 2017年为11 092.18亿元 比2000年增长了10.48倍。由2个参数之间关系的曲线拟合分析结果（表4、图2）可知，最好的曲线估计模型应该是R2=0.999的二次项方程，通过曲线拟合，得到一个二项拟合方程为y=-2.430×10-6x2+0.063x+516.437，表明城镇用地与二三产业GDP高度相关，城镇经济发展是城镇用地扩张的关键驱动力。

2.2.3 居民收入与城镇用地扩张 城镇居民人均可支配收入增加，能扩大消费需求，进而拉动城镇经济增长，驱动城镇用地扩张。南京市城镇居民人均可支配收入2000年为8 232.48元，2017年为 54 538.00 元，比2000年增长了5.62倍。对南京市城镇居民人均可支配收入与城镇用地面积之间的关系进行了相关分析，结果表明，二者之间存在高度的相关性。通过曲线拟合得到优化后的三项式方程为y=-1.605×10-12x3+6.835×10-8x2+0.009x+507.526，R2为0.997，表明城镇居民人均可支配收入增加导致城镇用地规模增加。

2.2.4 固定资产投资与城镇用地扩张 固定资产投资是拉动区域经济增长的重要因素之一，在城镇社会经济发展过程中，需要增加投资尤其是二三产业固定资产的投资来满足产能扩大化的需求，这就必然需要增加土地作为其承载空间，从而推动城镇用地规模的扩张。2000年南京市二三产业固定资产投资为 408.15亿元，2017年为6 192.56亿元，比2000年增长了14.17倍。通过对2000—2017年南京市二三产业固定资产投资和城镇用地面积进行曲线拟合（图2），结果得到优化后的三项式方程为y=1.108×10-9x3-1.387×10-5x2+0.107x+528.146，R2为0.992，表明二三产业固定资产投资增加导致城镇用地规模增加。

2.2.5 基础设施与城镇用地扩张 城镇基础设施尤其是城镇交通设施的建设，能够指导城镇空间宏观格局的发展，有效促进城市之间人们的沟通交流，进而促进知识的创新和经济的发展，从而推动城镇用地规模的扩张。南京市公路总里程2000年为6 920 km，2017年为11 324 km，公路总里程17年来增加了4 404 km，平均每年增加259 km。对南京市公路总里程与城镇用地面积的关系进行相关分析，结果表明，二者之间存在高度的相关性。通过曲线拟合，得到优化后的三项式方程为y=1.264×10-9x3-1.393×10-5x2+836.478，R2为0.972，表明城市基础设施建设和道路的发展有利于引导南京市城镇用地扩张。

2.2.6 土地政策与城镇用地扩张 土地政策作为政府干预土地市场的主要手段，在一定程度上控制和引导着城镇的发展。政府作为一级土地市场的主要供给者，通过土地征收政策把农业用地或农村居民点转为国有建设用地，然后，通过招拍挂等出让给开发商用于城镇建设，从而满足城镇用地需求，这其中的土地政策（土地征收政策、土地出让政策等）就控制着城镇用地扩张规模。当前，由于土地出让收入是政府财政收入的主要部分之一，政府多卖地就能获取更多的财政收入，这种土地财政环境和对地方官员的政绩考核，强烈支持快速外延式城镇用地扩张。通过对2000—2017年南京市政府一般公共预算收入和城镇用地面积进行曲线拟合，发现二者高度相关，R2为0.997。因此，政府土地政策可以在一定程度上从宏观上影响城镇用地扩张的规模。

2.2.7 土地资源禀赋与城镇用地扩张 区域土地资源禀赋越丰富，尤其是农业用地越丰富，粮食安全越用保障，可用于城镇空间扩张占用的土地资源就越多，土地资源对城镇空间扩张的约束力就越小。相反，如果土地资源禀赋短缺，可用于城镇空间扩张的后备土地资源不足，在保有一定的农业用地的情况下，城镇用地规模必将受到限制。通过对2000—2017年南京市耕地面积和城镇用地面积进行曲线拟合得到二项式方程为y=0.003x2-14.261x+20 176.485，R2为0.859。因此，土地资源禀赋越丰富，人地关系矛盾越缓和，城镇空间扩张所受到的约束作用越小，反之，土地资源禀赋短缺，人地关系矛盾越突出，城镇空间扩张所受到的约束作用越大。

3 结论与讨论

通过对南京市城镇用地时空变化格局特征进行定量描述以及城镇用地扩张内在驱动机制的深入分析，得出以下结论：（1）随着城镇化的快速发展，南京市的城镇用地扩张步伐加快，南京市城镇用地面积从2000年的569.38 km2增加到2015年的891.42 km2，城镇用地面积增加322.04 km2，增长了0.57倍，年均扩张规模达21.46 km2/年，扩张强度指数为3.77%，对应时期城镇人口增长了0.54倍，土地城镇化快于人口城镇化。（2）15年来，南京市景观形状指数从2000年的165.96下降到2015年的138.29，说明南京市城镇空间形态越来越规则;破碎度指数和分离度指数分别从2000年的 1 696.74、0.999 4下降到2015年的227.45、0.995 6，表明南京市城镇用地破碎分散分布的趋势逐渐转向聚集分布，但聚集程度不是很高，还有很大空间可以提升。（3）南京市城镇用地扩张模式基本上是以主城区为中心的填充形式和新城区的逐层向外延伸形式组成;从南京市城镇用地扩张方位上看，主要向北西北、北东北方位扩张，扩张面积分别为123.88、103.78 km2。（4）人口增长是城镇用地扩张的原始动力，经济发展和居民收入增加是城镇用地扩张的2个最直接的驱动力，而固定资产投资、基础设施建设和土地政策控制在很大程度上影响城镇用地扩张的宏观格局和扩张速度，土地资源禀赋在一定程度上制约着城镇的空间扩张。

参考文献：

[1]联合国经济和社会事务部. 世界城镇化展望报告[R]. 2018.

[2]付 玲，胡业翠，郑新奇. 基于BP神经网络的城市增长边界预测——以北京市为例[J]. 中国土地科学，2016，30（2）：22-30.

[3]赵燕如，邹自力，张晓平，等. 基于LEI和MSPA的南昌市城市扩张类型与生态景观类型变化关联分析[J]. 自然资源学报，2019，34（4）：732-744.

[4]Ma Y L，Xu R S. Remote sensing monitoring and driving force analysis of urban expansion in Guangzhou City，China[J]. Habitat International，2010，34（2）：228-235.

[5]王慧芳，周 恺. 2003—2013年中国城市形态研究评述[J]. 地理科学进展，2014，33（5）：689-701.

[6]Yehua D W，Reid E. Urban expansion，sprawl and inequality [J]. Landscape and Urban Planning，2018，177：259-265.

[7]吳宏安，蒋建军，周 杰，等. 西安城市扩张及其驱动力分析[J]. 地理学报，2005，60（1）：143-150.

[8]王 茜，张增祥，易 玲，等. 南京城市扩展的遥感研究[J]. 长江流域资源与环境，2007，16（5）：554-559.

[9]王伟武，金建伟，肖作鹏，等. 近18年来杭州城市用地扩展特征及其驱动机制[J]. 地理研究，2009，28（3）：685-695.

[10]袁 甲，沈 非，黄薇薇，等. 改革开放以来芜湖市城市空间扩展及驱动力分析[J]. 人文地理，2015，30（3）：72-78.

[11]车前进，段学军，郭 垚，等. 长江三角洲地区城镇空间扩展特征及机制[J]. 地理学报，2011，66（4）：446-456.

[12]赵亚莉，刘友兆. 我国城市建成区扩张特征及其动因[J]. 城市问题，2014（6）：17-21，62.

[13]刘永健，耿 弘，孙文华，等. 城市建设用地扩张的区域差异及其驱动因素[J]. 中国人口·资源与环境，2017，27（8）：122-127.

[14]焦利民，龚 晨，许 刚，等. 大都市区城市扩张过程及形态对比分析——以东京、纽约和上海为例[J]. 地理科学进展，2019，38（5）：675-685.

[15]舒帮荣. 基于约束性模糊元胞自动机的城镇用地扩展模拟研究[D]. 南京：南京农业大学，2010.

[16]古力孜热·买买提，马利刚，王宏卫，等. 微观尺度下莎车县乡村聚落演变及其影响机制[J]. 江苏农业科学，2020，48（15）：33-41.

[17]邬建国. 景观生态学——格局、过程、尺度与等级[M]. 2版.北京：高等教育出版社，2007.