城市群县城建设用地时空扩张特征及其驱动力研究——以武汉城市圈的汉川市为例

肖 潇，张 祚，刘和涛，朱丽霞

(1.华中师范大学城市与环境科学学院，湖北 武汉 430079；2.广东国地规划科技股份有限公司， 广东 广州 510630；3.华中师范大学公共管理学院，湖北 武汉 430079；4.湖北省规划设计研究总院有限责任公司，湖北 武汉 430070；5.地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，湖北 武汉 430079)

十四五规划纲要指出，“以城市群、都市圈为依托促进大中小城市和小城镇协调联动、特色化发展”，城市群的发展被提升至战略地位。2022年5月6日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于推进以县城为重要载体的城镇化建设的意见》，鼓励加快发展大城市周边县城，支持位于城市群和都市圈范围内的县城融入邻近大城市建设。重视县域城镇化发展，有利于加快县域城镇化补短板，既有利于承接中心城市非核心功能，促进形成同城化发展都市圈，也有利于城乡衔接配套，带动小城镇经济发展并促进区域协调[1]。

随着城市群在国家发展战略中的作用和地位越来越突出和重要，关于城市群建设用地扩张的研究也逐渐增加，众多学者的研究显示城市群建设用地整体上都在扩张，多数城市群的建设用地扩张维持“核心—边缘”结构特征[2-8],地区生产总值、二、三产业生产总值、固定资产投资总额、常住人口、非农人口、国家政策等是建设用地扩张空间差异主要的驱动因素，其中常住人口驱动力主要作用于小规模城市[9-11]。城市群内的一些小城镇发展较快，其建设用地集中成片并逐渐向上一级城市延伸,且小城市建设用地扩张的人口绩效最高，但城市群范围内的县域城市土地利用存在着低效蔓延的问题[12-13]。目前对于城市群范围内的小城市建设用地扩张特征及其驱动力的研究极少涉及，需要在城市群背景下进行更加微观的研究，以期为城市群整体和群内小城市发展提供针对性的发展策略。

1 研究区域、数据来源与方法

1.1 研究区域

汉川市位于湖北省中部，市境东西长55.5km，南北宽53.2km，总面积1 658.56km2，距武汉市54km，与武汉市相邻(图1)。汉宜铁路修通后，从汉川站到武汉仅需24 min，其经济社会发展与武汉市紧密关联。2019年汉川市规模以上工业总产值1 288.2亿元，工业增加值362.8万元，工业总产值位列湖北省县域城市第一。城镇化率由2000年的28.57%增长到2019的58.9%，全市建设用地快速扩张。根据区域内建设用地占国土空间总面积的比例，2005-2018年，汉川市的建设用地开发度在武汉城市圈的各县级市中排名第一，处于高开发水平(图2)。

图1汉川市地理区位图

图2 武汉城市圈各县市建设用地开发度

1.2 数据来源

本文的建设用地数据包括武汉城市圈内各区(县)2005年、2010年、2015年、2018年的数据及汉川市域范围2005-2018年的数据，其中，武汉城市圈内各区(县)的建设用地由中国科学院资源环境科学数据中心全国30m精度土地利用遥感解译数据 (http://www.resdc.cn，精确到二级分类)提取，其建设用地所包括的土地利用类型依据中科院土地利用/覆盖遥感监测数据分类系统(LUCC分类系统)(https://www.resdc.cn/Data.aspx?DATAID=335)，建设用地对应的一级分类为城乡、工矿、居民用地(5)，二级分类包括城镇用地(51)、乡村居民点(52)、其余建设用地(53)；汉川市域的建设用地数据来源于汉川市自然资源局提供的汉川市2005-2019年主要用地变化情况表。

本研究的社会、经济统计数据源自《汉川市统计年鉴2005-2019》、《汉川市国民发展统计公报2005-2019》、《孝感统计年鉴2005-2019》、《武汉市统计年鉴2005-2019》、中经网县域年度数据(2005-2019)、中经网城市年度数据(2005-2019)；区域交通数据来自于百度地图(实时)，以2012年汉宜铁路修通为节点，2012年以前汉川至孝感、武汉交通时间参考驾车时间，2012年后汉川至孝感、武汉交通时间参考铁路交通时间。

1.3 研究方法

(1)建设用地扩张速度。建设用地的扩张速度反映建设用地新增面积较区域基期城镇建设用地面积的比例，反映了一定时期内建设用地扩张的快慢，其具体计算公式如下：

(1)

式中：Fv为建设用地扩张平均速度，Mb、Ma分别为研究末期及基期建设用地面积，T为研究时段。

(2)建设用地扩张强度。建设用地扩张强度反映新增建设用地面积占区域国土空间总面积的比例，代表了一定时期内建设用地开发程度多少，计算公式为：

(2)

式中：Fs为建设用地扩张强度，Mb、Ma分别为研究末期及基期建设用地面积，S为研究区域国土空间总面积，T为研究时段。

(3)建设用地开发度。建设用地开发度指一定区域内建设用地面积占该区域国土空间总面积的比例，可以较好解释区域建设用地开发水平，计算公式如下：

(3)

式中：M为研究区域建设用地面积，S为研究区域国土空间总面积。

(4)建设用地扩张方向。建设用地扩张方向常通过对城镇重心的计算来表达，城镇重心代表着城市空间层面的几何重心，通过研究重心变化趋势可以判断城镇的发展趋势及扩张合理性[14]。城镇重心的横坐标和纵坐标的计算公式为：

(4)

其中，Xi、Yi为第t年重心坐标，Sit为第t年第i个图斑的面积，Xit、Yit为第t年第i个图斑的重心坐标。重心转移距离公式为：

(5)

式中：D为重心转移距离，X1、Y1分别为末期建设用地重心坐标，X2、Y2为基期的建设用地重心坐标。

(5)引力模型。引力模型可以反映区域之间的经济联系强度，其大小通常取决于两地之间的经济发展程度、人口规模和距离，计算公式为：

(6)

式中：Rij为i、j地区间的经济联系强度，Pi、Pj为i、j地区的人口数量；Gi、Gj为i、j地区的经济总量；Dij为i、j两地区间基于道路网络最短路径的交通时间。

(6)地理探测器。地理探测器是探测空间分异性，并揭示其背后驱动因子的一种统计学方法[15]。地理探测器假设，若自变量对因变量有重要影响，则自变量与因变量的空间分布应该具有相似性，本研究所用探测器：

①分异及因子探测。即用来计算Y是否存在空间分异性及自变量X对因变量Y的解释程度，具体表达式为：

(7)

②交互作用探测。除了识别单个因素对因变量解释力度外，地理探测器还可用于识别不同风险因子之间的交互作用，即评估因子X1和X2共同作用时对因变量Y的解释力是增强还是减弱。首先分别计算两种因子X1和X2对Y的q值 ：q(X1) 和q(X2)，并且计算其交互作用时的q值：q(X1∩X2) ，然后比较q(X1)、q(X2)与q(X1∩X2)的大小，判断因子间是否存在交互作用，以及交互作用的强弱、方向、线性及非线性等。

2 汉川市建设用地扩张时空特征

2.1 扩张速度与扩张强度

图3 汉川市建设用地扩张速度与强度变化趋势图

2005-2018年期间，汉川市建设用地扩张4 700hm2，

建设用地面积不断上升，扩张速度及强度变化趋势一致，均呈现“上升-下降-上升-下降”的“M型”变化趋势(图3)，其中峰值出现在2009年，2009年是汉宜铁路开始全面动工的一年，2016年扩张速度、强度再次上升，随着“十三五”期间国家提出长江经济带发展战略，孝感市将汉川市划分为国家级重点开发区，提出“应适度提高开发强度，以汉川市区为中心，以沿汉江的重点工业镇为主体，引导企业进行转型升级”，促进了建设用地的急剧扩张。

2.2 扩张方向

研究期内汉川市建设用地重心总体变化不大，沿汉江两岸分布，建设用地重心一直保持向东北方向转移的趋势，但偏移趋势逐渐趋于平缓(图4)。汉川市东北部为中心城区及新河开发区所在地，分别受武汉市东西湖区和蔡甸区的辐射作用，发展潜力强。

图4 汉川市建设用地重心转移趋势图

2.3 市内空间分异

分别计算2005-2010、2010-2015、2015-2018年汉川市各乡镇建设用地的扩张速度和强度，在ArcGIS中按照自然断点法将建设用地扩张速度分为快速扩张区、低速扩张区及平稳扩张区3个类型；将扩张强度分为高强度扩张区、低强度扩张区及平稳扩张区3个类型(图5)。

图5 汉川市各乡镇2005-2018年建设用地扩张速度和强度变化图

(1)扩张速度与强度空间集聚明显。各时段城镇建设用地扩张速度和强度的全局自相关 Moran′s I指数显示(见表1)，除了2015-2018年时段外，其余3个时段汉川市建设用地扩张速度和强度的分布均具有较强的正相关性，即汉川市建设用地扩张速度和强度空间集聚性强，各乡镇建设用地扩张存在差异，县域内建设用地扩张速度不平衡。

(2)建设用地开发区域集中，扩张速度存在空间溢出。在ArcGIS中分别计算2005-2010、2010-2015、2015-2018、2005-2018年4个时段汉川市各乡镇建设用地扩张速度和强度的局部Moran′s I指数，发现各个阶段高-高聚集点均为仙女山街道办、新河镇及汈东农场，其他区域表现为不明显，说明建设用地开发主要集中在中心镇及其周围，并且建设用地扩张并不是均衡地发生在各乡镇间，中心镇的建设用地扩张存在局部溢出效应。

以嵌入工作开展监督。工作初期，参加各单位相关会议，尽管做了准备，但业务和人员情况掌握仍然不够深入，不充分掌握情况，监督工作就浮在面上，精准监督就是一句空话。之后我们加强各单位业务工作研究学习，利用与各单位工作互动，掌握工作实际运行情况，增进人员情况了解，逐步发挥驻的优势，做监督单位的“知情人”“有心人”，以嵌入“风险点”、嵌入“关键点”开展工作。

表1 全局自相关Moran′s I指数

(3)区域开发不均衡，开发强度区域差异扩大。根据2005-2010、2010-2015、2015-2018、2005-2018年4个时段汉川市建设用地扩张速度和强度的Getis-Ord Gi*指数分析，整体上，汉川市中心城镇仙女山街道办始终位于热点区，建设用地扩张速度热点及热点区集中在东北部中心乡镇及其附近，其空间差异与建设用地开发强度全局变化及空间异质性态势基本吻合。扩张强度高值区变少，低值区变多，区域扩张强度差异在扩大。

2.4 扩张模式

根据2005-2018年研究时段内各乡镇建设用地扩张速度及强度在各乡镇空间差异变化，结合汉川市社会经济发展情况，将汉川市建设用地扩张总结为两种模式：沿交通线扩张和填充式扩张。

2.4.1 沿交通线扩张

汉宜铁路主要途经汉川市东部和南部，在汉川境内由东北至西南主要经过马鞍乡、马口镇、南河乡、杨林沟镇、西江乡、沉湖镇等6个乡镇。汉宜铁路于2009年开始全线铺轨，相应地，此阶段建设用地扩张主要发生在东部汉宜铁路经过的乡镇，建设用地扩展速度及强度高于其他乡镇，仅次于中心城镇及新河镇开发区。2015年孝洪高速的开工建设，促进了2015-2018年间汉川市西部乡镇建设用地的扩张 (图6)。

图6 汉宜铁路、孝洪高速(汉川境内)对沿线乡镇建设用地扩张的影响图

2.4.2 填充式扩张

围绕汉川市中心镇仙女山街道办为中心，以10km为半径的缓冲区范围覆盖包括仙女山街道办事处、新河镇、汈东农场、刘家隔镇、汈汊湖养殖场、城隍镇、庙头镇、马口镇、马鞍乡等在内的9个乡镇，其建设用地扩张速度及强度在研究时段内均处于较高水平，说明中心镇对其周边建设用地的扩张产生了一定程度的影响，导致了建设用地由中心向周围填充式扩张，而中心城镇对外围其他城镇的辐射并不明显。

3 汉川市建设用地扩张驱动力分析

从县域整体来看，汉川市建设用地的扩张不仅受到城镇自身发展的影响，也受到周边城市空间溢出效应的影响；从乡镇内部来看，汉川市各乡镇建设用地扩张也存在着空间差异。建设用地的扩张是多尺度、多因素共同作用的结果。

3.1 外部驱动力

汉川市位于武汉城市圈80km核心圈层范围内，属于孝感代管县。参考其他学者的研究经验，并结合汉川市建设用地扩张及社会经济情况，一方面从武汉城市圈尺度考察武汉和孝感对汉川建设用地的影响，另一方面从汉川市自身的经济、社会、交通方面来考察影响建设用地扩张的驱动力因素，所选指标见表2。

表2 汉川市建设用地扩张驱动指标体系

3.1.1 房地产开发投资是建设用地扩张最为直接的增长动力

根据偏最小二乘回归结果[16]，整体来看，汉川市建设用地扩张是内部驱动和外部驱动共同作用的结果。各个指标与建设用地的关联性强弱为：房地产开发投资额>第二产业增加值>城镇居民人均可支配收入>全社会固定资产投资额>社会消费品零售总额=第三产业增加值，说明房地产开发是推动建设用地扩张的共同动力。房地产开发投资是建设用地扩张最为直接的增长动力，大城市房地产开发等城市经济活动会产生空间溢出影响，从而影响周边小城镇建设用地发展。

3.1.2 交通区位是建设用地扩张驱动力的主要因子

通过计算经济、社会、交通3个维度下各项指标因子对汉川市建设用地扩张相关性平均值，发现3个指标层的整体相关性均很强，且交通驱动>经济驱动>社会驱动，说明交通区位及区际经济联系对汉川市建设用地扩张的驱动作用最大。区域经济联系指标增速远快于建设用地增速，区域经济联系的增长带动了建设用地的扩张。

3.1.3 驱动力与建设用地扩张之间的关系

(1)经济的发展是建设用地扩张的稳定驱动因素。 第二产业增加值是影响度最大的驱动因子，通过计算不同尺度下建设用地扩张与二产增加值和城镇居民人均可支配收入的Tapio脱钩弹性系数[17]，结果显示经济发展与建设用地扩张均呈增长状态，且经济增长速度大于建设用地增长速度。但研究期内，经济发展与建设用地扩张速度的关系有恶化的时候，特别是2009年和2016年，经济增长期间建设用地扩张速度加快。

(2)城镇化率与建设用地变化之间不匹配。汉川市人口密度、城镇化率是关联性最强的因子，2005-2018年间汉川市建设用地变化与汉川市人口密度、城镇化率的变化，发现三者变化趋势一致，但2008年之后人口密度、城镇化率和建设用地的变化出现了差距，城镇化率变化幅度最大，建设用地扩张幅度次之，人口密度变化最低。根据2005-2018年汉川市常住人口和户籍人口的变化看，这14年间，汉川市的人口一直处于流出状态，表明汉川市城市化水平的提高可能是人口(尤其是农村人口)减少的原因。而建设用地变化速度快于人口密度变化，意味着人口集聚水平滞后，土地开发可能存在不集约的问题。

3.2 内部差异驱动力

对于汉川市内不同乡镇建设用地扩张存在的差异，本文从乡镇工业发展情况、人口密度、非农人口比重、二、三产业就业人口、各乡镇与中心镇的距离等角度，用地理探测器方法对各因子的贡献和关系进行测度。

(1)影响城市建设用地空间差异的主要驱动力及其演化路径。运用地理探测器进行风险因子探测，计算各项驱动因子对建设用地开发度的解释力度(表3)，发现人口密度、非农业人口、地均工业产值对造成汉川市建设用地空间差异的作用明显，是影响建设用地空间差异的核心驱动因子，其中人口密度、地均工业产值在研究年份内始终对乡镇建设用地开发度空间差异存在强影响，区域经济联系对各乡镇建设用地空间差异的作用不断提升，对空间差异的作用越来越显著。

表3 风险因子探测结果

从各因子相关性最大的时间可见汉川市建设用地开发差异的演化路径：起初造成县域内乡镇建设用地开发空间差异的是地均工业产值；随着工业化的发展，带来了人口的集聚，人口密度提高的同时促进了城镇化的发展，进而人口密度和非农人口成为最强的影响因素，区域经济联系的影响直到2015年才开始起作用，2018年才达到研究期内的最大值。

(2)空间分异单个因子驱动作用。地均工业产值是造成较高地区与较低地区建设用地空间差异的主要驱动力，说明工业镇与其他非工业镇建设用地扩张存在断崖式现象。人口密度主要造成人口密度较高地区与较低地区的空间差异，在空间上呈现明显的东西分异(图7)。需要注意的是研究年份内二、三产就业人数对建设用地的影响相对较小，对乡镇建设用地开发的空间差异作用不显著，表明土地价格机制在小县城还未起到主导作用，建设用地开发还处于规模化阶段而非集聚集约阶段。综观2005-2018年驱动力的相关性变化，地均工业产值呈现出“V”型波动的特点，人口密度表现出倒“V”波动的特征，非农人口和区域经济因其滞后性暂时未见其波动特征。一方面可能受制于经济规律，另一方面可能受到其他因素的复合叠加影响。

图7 2010-2018年地均工业产值与人口密度驱动因子作用的空间差异图

(3)因子交互作用关系。在研究时段内，任意两因子共同作用对建设用地扩张空间分异的影响较单因子作用都显示增强，说明汉川市建设用地空间分异是多因子共同作用的结果。观察因子的相互作用发现，驱动因子相互作用显示出一定规律，非线性增强因子主要发生在三产就业人数和区域经济联系两项指标因子上，且相互作用强的因子组合在研究年份内较为稳定，其中，2005年，q(人口密度∩三产就业) >q(人口密度∩区域联系) >q(地均工业产值∩非农业人口)>q(非农业人口∩三产就业)；2010年，q(区域联系∩三产就业) >q(地均工业产值∩三产就业)>q(地均工业产值∩非农业人口) >q(人口密度∩三产就业)；2015年，q(地均工业产值∩非农业人口)>q(地均工业产值∩人口密度) >q(人口密度∩区域联系) >q(非农业人口∩区域联系)；2018年，q(地均工业产值∩三产就业) >q(区域联系∩三产就业) >q(地均工业产值∩非农业人口) >q(非农业人口∩区域联系)。说明提高第三产业就业和区域经济联系水平，会加强乡镇间建设用地开发的差异。

4 结论与讨论

本文以武汉城市圈范围内的县域城市汉川市为例，研究了城市群内的县城建设用地扩张特征及其驱动力，得到以下结论：(1)城市群核心城市邻近县城的建设用地扩张速度和强度明显大于非邻近县城，并且倾向于接近核心城市方向扩张；沿交通线扩张和围绕中心镇进行的填充式扩张是县城建设用地扩张的两种可能的普遍模式。(2)区域经济联系强度与建设用地扩张的相关性越来越强。邻近大城市的房地产业开发对建设用地扩张的影响最大，第二产业发展对其影响最稳定，工业化带动城镇化，但土地城镇化可能会超过人口城镇化。(3)县域范围内建设用地扩张以“核心-边缘”二元结构为主，总体上表现出集聚特征，但存在着内部空间差异。各乡镇建设用地开发与集聚的关联性大，存在着阶段性扩张的特点：工业化是最早最容易起作用的因素，其次是城镇化，区域经济联系的影响滞后。城市群范围内的小城市只有在提高了自身的发展水平时，与大城市之间的互相联系才会增强。

研究区建设用地开发过程整体上遵循了集聚原则，扩张区域相对集中，同时也受到外围大城市的影响，影响程度与邻近大城市的规模相关。在其未来发展中，应该继续发挥东部区域的集聚优势，加强与邻近大城市的联系，吸引更多企业、人才、劳动力资源聚集，促进全市整体发展。鼓励人口向中心镇转移，进一步加强中心城区的集聚效应，在集聚中走向均衡。同时，加强区域内部交通联系，加强各乡镇间区域经济联系，整合区域分工合作，强化区域协同发展，落实乡村振兴战略的要求。

受资料所限，本文未对县域范围的建设用地结构作更深入的研究，可能会影响对工业化水平的判断，这是今后研究中需要完善的地方。