1990—2020年郑州城市扩张时空特征分析

蔡恩香， 寇紫薇， 孟珂， 张杨， 侯贺平

(1.河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002； 2.首都经济贸易大学城市经济与公共管理学院，北京 100070； 3.河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

随着城镇化、工业化进程的加快，在土地资源稀缺和社会经济快速发展的多重压力下导致城市建设用地空间扩张成为中国土地利用/覆被变化的主要特征[1-2]，也是中国土地利用和管理研究的热点问题。作为社会经济活动的载体，城市建设用地扩张不仅满足了城市居民日益增长的社会需求，也为区域经济增长提供了重要支撑[3]。但由于缺乏完善的系统管理，部分城市出现了“摊大饼”式的无序土地扩展方式，导致土地资源低效利用和浪费等问题出现，并对城市社会经济和生态环境的可持续发展产生了负面影响[4-6]。系统地刻画城市扩张特征，探究城市扩张规律及其效应，可以为解决城市发展过程中用地利用难题、构建城市用地规划管理政策体系、促进区域可持续发展提供决策辅助信息。

目前国内外学者从理论、方法和实践等诸多方面，借助于“3S”[7]技术、数理统计[8]、空间计量[9]等多种科学手段，对国家[10-11]、城市群[12-13]、省[14]、市[15-16]等不同层面的城市用地时空演变规律开展了大量研究，主要针对城市扩张的时空格局、扩张速度、扩张模式等方面[17-18]，并取得了较为丰富的成果和可借鉴的经验。近年来，城市发展所面临的资源环境压力逐渐增大，土地供给约束增强，对城市扩张进行合理管控吸引力越来越得到城市研究和管理者的关注，城市扩张效益分析可为城市扩张管理提供重要参考[19]。城市扩张效应分析主要针对城市扩张所引发的区域自然社会经济系统变化上，主要有生态退化、粮食安全、气候变化等方面[20-21]，分析城市扩张与人口增长、经济发展等之间的耦合协调关系也是城市扩张效应分析的重要研究方向[22-23]。在研究区域主要集中在北京、上海、广州、深圳等经济发展水平高、城区规模大、功能结构复杂的沿海都市区[24-25]。郑州作为中部的国家中心城市，对我国区域发展具有重要影响，其城市发展内部机制、外部环境及资源环境压力等均有别于沿海发达城市。目前开展郑州市城市扩张研究成果较少[26]，且已有的郑州城市扩张研究时期较早，效率不高，且信息滞后，不具备时效性。因此，本研究从城市土地利用变化的角度，利用遥感影像解译数据和社会经济数据，从时间和空间两个方面对郑州市1990至2020年的城市扩张格局及效应进行研究，为合理制定城市发展战略和推动城市发展质量提供依据。

1 研究数据与方法

1.1 研究区域

郑州市位于34°16′—34°58′N，112°42′—114°14′E,总面积为7 446.2 km2，东西距离为138.6 km，南北距离为78.6 km。郑州市是河南省省会，是中国中部地区的国家中心城市和中国交通运输的重要枢纽，也是黄河流域生态保护和高质量发展重要节点城市。郑州市东接开封，西连洛阳，北隔黄河与新乡、焦作相望，南部与许昌、平顶山接壤。

至2021年，下辖中原区、二七区、管城区、金水区、上街区、惠济区、巩义市、荥阳市、新密市、新郑市、登封市、中牟县，共6个市辖区、5个县级市、1个县。本研究所界定的城市用地是指辖区内实际用于建设的城市建设用地面积，包括城市工矿、居民点等建设用地。研究区所在位置如图1所示。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

1.2 研究数据

本研究以郑州市下辖6区5市1县为研究对象，采用郑州市1990、1995、2000、2005、2010、2015和2020年6个时期的Landsat TM/ETM+影像，空间分辨率均为30 m。为便于比较分析城市土地利用的动态变化，参照中科院LUCC分类体系，将土地利用类型统一调整为耕地、林地、草地、水域、未利用地、和建设用地6个一级地类。根据本研究目的，对建设用地所属的二级地类城镇用地、农村居民点和其他建设用地进行独立分析。研究所用铁路、公路等数据来源于1∶400万国家地理信息系统数据库。所用社会经济数据主要来源于响应年份《郑州统计年鉴》《河南省统计年鉴》等。

1.3 研究方法

1.3.1 年均扩张指数 城市扩张指数是指某空间单元在一定时期内的城市土地利用扩张面积占其原城市用地面积的百分比，数字越大，表示扩张越快。本研究采用年均城市扩张指数重点分析和比较郑州市不同区域各时间段城市扩张特征。具体计算公式如下：

(1)

式中：I为年均扩张指数；Ui和Uj分别代表研究时间段基期和末期评价单元城市建设用地面积；n为时间段年数。

年均扩张指数主要是针对郑州市各辖区1990—2000年、2000—2010年和2010—2020年3个阶段城市扩张进行分析，并根据本身特征对年均扩张指数进行分类，最终按照0～5、5～10和>10将各地区城市扩张分为低速扩张、中速扩张和高速扩张3类。

1.3.2 城市扩张弹性指数 城市扩张弹性指数主要分为城市扩张人口弹性指数和城市扩张经济弹性指数。城市用地是城市常住人口生活和经济活动的承载空间，承载合理的城镇人口和经济规模是衡量城市扩张合理性的重要测度指标。城市扩张人口弹性指数是指研究时间段内城市建设用地面积增长幅度和区域常住城镇人口增长幅度比值；城市扩张经济弹性指数是指研究时间段内区域GDP增长幅度和城市建设用地面积增长幅度的比值。具体计算公式如下：

(2)

(3)

式中：PEI和GEI分别为城市扩张人口弹性指数和城市扩张经济弹性指数；Pi和Pj分别为研究时间段基期和末期城镇常住人口数量；Gi和Gj分别为研究时间段基期和末期地区国内生产总值。

2 郑州市城市扩张时空特征

根据Landsat TM/ETM+影像解译数据，1990—2020年，郑州市城市建设用地面积由168.23 km2增长到751.26 km2，增长幅度达到346.57%，年均增长19.43 km2。从增长趋势来看，郑州市城市建设用地呈现“平稳—快速—趋缓”的扩张趋势(图2)。其中，1990—2000年增长较慢，年均增长9.03 km2；2000—2010年呈高速增长期，年均增长达到37.23 km2；2010—2020年增长幅度趋缓，年均增长12.05 km2，特别是2015—2020年间，年均增长仅为2.82 km2。

图2 1990—2020年郑州市城市建设用地扩张趋势

分别提取1990年、2000年、2010年和2020年4个时段郑州市城市建设用地分布数据并进行叠加，得到1990—2020年间郑州市城市建设用地扩张分布图(图3)。由图3可以看出，郑州市不同区域城市扩张方向不同。中心城区(金水区、惠济区、中原区、管城区、中原区)城市扩张以向东、南和西3个方向为主，其中东部和南部扩张范围较大，是郑州城市发展空间扩张的主力。北部地区由于黄河阻碍，城市发展空间受到限制，扩张范围较小。毗邻中心城区的新郑市、新密市、荥阳市和中牟县等，城市扩张方向主要偏向中心城区为主，表明这些地区受中心城区发展带动，近年来城市发展空间逐渐与中心城区进行衔接和融合。西部的巩义市在空间上更加靠近西部的洛阳市，受中原城市群副中心城市洛阳市的影响，其城市扩张方向以向西为主。登封市由于距离郑州中心城区较远且其境内多山，其城市扩张在1990—2000年以东向为主，2000—2010年以西南方向为主，2010—2020年则呈现跳跃式扩张，在东南方向开拓了新的城市发展空间。

图3 1990—2020年郑州市城市建设用地扩张进程

2.1 1990—2000年郑州市呈平稳扩张趋势

20世纪90年代，郑州市城市发展还处于平稳起步发展阶段，1990—2000年郑州市城市建设用地面积年均增长幅度为5.37%。从扩张空间格局来看，1990—2000年郑州市城市扩张主要呈填充式或蔓延式为主的离散扩张特征，尚未形成大规模集中扩张(图4)。

图4 1990—2000年郑州市城市建设用地扩张分布图

从郑州市下辖6区、5市、1县城市扩张情况看，1990—2000年城市扩张面积最大的是金水区和中原区，城市扩张面积分别达到26.59和10.73 km2。年均扩张指数最大的分别是中牟县和登封市，分别达到15.66和14.11。其间，高速扩张地区3个，中速扩张地区2个，低速扩张地区7个(表1)。1990—2000年上街区的遥感影像没有解译到城市建设用地。中心城区城市扩张幅度普遍较低，扩张幅度较大的地区主要为近远郊地区。

表1 1990—2000年郑州市城市建设用地扩张特征指数Table 1 Characteristic indexes of urban construction land expansion in Zhengzhou from 1990 to 2000

2.2 2000—2010年郑州市呈快速扩张趋势

进入21世纪后，郑州市城市发展进入快速扩张阶段。2000—2010年郑州市城市建设用地面积年均增长幅度达到14.4%。从扩张空间格局来看，1990—2000年郑州市城市扩张主要呈蔓延式或跳跃式为主的集聚扩张特征。中心城区向东、南、西方向进行了大面积扩张，近远郊地区也出现较大幅度的城市扩张(图5)。

图5 2000—2010年间郑州市城市建设用地扩张分布图

城市扩张面积最大的是管城区和中原区，城市扩张面积分别达到88.89和72.59 km2。期间，上街区城市建设用地从0增长到23.8 km2。除上街区外，年均扩张指数最大的分别是管城区和新郑市，分别达到33.84和26.34。相对于1900—2000年，2000—2010年，郑州下辖县(市、区)城市扩张速度明显加快，其中高速扩张地区达到8个，中速扩张地区2个，低速扩张地区仅有新密市和登封市(表2)。

表2 2000—2010年郑州市城市建设用地扩张特征指数

2.3 2010—2020年郑州市呈趋缓扩张趋势

经历21世纪前10 a快速扩张后，2010—2020年郑州市城市扩张速度明显趋缓。2010—2020年郑州市城市建设用地面积年均增长幅度只有1.91%。从扩张空间格局来看，2010—2020年郑州市城市扩张主要呈蔓延式或跳跃式为主的离散扩张特征，较少出现大面积的集聚扩张。中心城区城市扩张主要分布在东部，除登封市外，近远郊地区均围绕着原城区出现零星扩张(图6)。中心城区大部分空间已经被开发，城市建设用地已接近饱和。

图6 2010—2020年间郑州市城市建设用地扩张分布图

2010—2020年间，各县(市、区)城市扩张面积普遍减小，其中扩张面积最大的是金水区和管城区，城市扩张面积分别达为35.76和20.43 km2。年均扩张指数最大的分别是登封市和金水区，分别为8.34和3.37。2010—2020年间，郑州市没有出现高速扩张地区，中速扩张地区仅有登封市，其余地区均为低速扩张(表3)。

表3 2010—2020年郑州市城市建设用地扩张特征指数

3 郑州市城市扩张效应分析

3.1 城市扩张土地利用效应分析

从空间分布来看，1990—2020年间郑州市中心城区东北及西部地区有大量的坑塘、湖泊等水域转化为城市建设用地。而通过农村居民点转为城市建设用地，作为城市扩张重要来源主要集中在上街区、巩义市，其他地区则分布较为零散(图7)。

图7 郑州市城市建设用地转化用地分布图

从时间变化来看，耕地转化为城市建设用地的比例不断下降，由1990—2000年的88.89%下降到2010—2020年的69.44%；其他建设用地转化为城市建设用地的比例则由1990—2000年的10.34%增长到2010—2020年的17.62%。这表明随着耕地保护力度加大和城乡建设用地增减挂钩政策的实施，城市扩张用地来源结构得到较大调整，使耕地稳定能力和粮食生产能力得以加强(表4)。

表4 郑州市城市建设用地转化用地结构变化

3.2 城市扩张社会经济效应分析

根据郑州市统计局公布数据[27]，1990—2020年郑州市经济和社会都经历了快速发展，城镇人口和GDP都有了大幅度增长，其中城镇人口由238.18万人增长到989.16万人，增长了3.15倍；GDP由116.4亿元增长到12 003亿元，增长了102.12倍(图8)，城镇人口和GDP增长幅度都不断加快。

图8 1990—2020年郑州市城镇人口和GDP变化

从弹性指数来看(图9)，城市扩张与城镇人口弹性指数在由1.32增长到2000—2005年3.52的峰值后持续降低，表明在1990—2010年间，郑州市城市扩张总体上相对人口增长速度过快，城市用地利用较为粗放，2010年之后弹性指数低于1，并在2015—2020年达到0.04极低值，城镇扩张速度开始低于城镇人口增长速度，城市人口密度逐渐增大，城市用地利用集约度大幅提高。城市扩张与GDP弹性指数整体上呈“U”型分布，研究期间郑州市GDP增长速度始终大于城市扩张速度，但1990—2005年间弹性指数由7.55降到2.34，随后开始缓慢增长，并在2015—2020年间增长到33.54，表明郑州市城镇用地经济效益提升幅度在1990—2005年间有所降低，但此后，2005—2015年间缓慢上升，2015—2020年大幅提升，城镇用地效益明显提高。充分表明，郑州市城市扩张过程中，人口和经济承载力不断增强，社会效益和经济效益明显提升。

图9 1990—2020年郑州市城市扩张弹性系数变化

4 结论与建议

4.1 结论

(1)1990—2020年间，郑州市城市扩张583.13 km2，城市面积扩张了3.47倍。在研究期间的3个10年段，分别呈现“平稳—快速—趋缓”的扩张趋势。中心城区的东部和南部是城市发展空间扩张的主方向，县、市的城市扩张方向主要偏向中心城区为主。

(2)不同阶段郑州市城市扩张表现不同。1990—2000年郑州市城市扩张主要呈填充式或蔓延式为主的离散扩张特征，尚未形成大规模集中扩张，郑州市各辖区以中低速扩张为主，高速扩张地区较少；2000—2010年间郑州市城市发展进入快速扩张阶段，城市扩张主要呈蔓延式或跳跃式为主的集聚扩张特征，各辖区多数进入高速扩张阶段；2010—2020年郑州市城市扩张速度明显趋缓，城市扩张主要呈蔓延式或跳跃式为主的离散扩张特征，各辖区均为中低速扩张。

(3)郑州市耕地转化为城市用地的比例不断下降，其他建设用地转化为建设用地地比例由1990—2000年的10.34%增长到2010—2020年的17.62%。对城市用地转化的限制使耕地的稳定性增加，有效保护了粮食安全和生态环境。

(4)城市扩张与城镇人口弹性指数先增长后降低，1990—2010年间城市扩张速度高于人口增长速度，2010—2020年开始人口增长速度并出现大幅度领先，城市用地利用由粗放逐渐向集约转变；与经济弹性指数先降低后增长，城市用地经济效益提升幅度在1990—2005年间有所降低，其后经历缓慢上升到大幅提升，用地效益明显提高。

4.2 建议

2020年，郑州城市化率为78.4%，低于中国特大城市83.07%的平均水平，与北京、上海等成熟特大城市85%以上的城市化率存在显著差距，郑州的城镇化还将持续高速发展。而城镇化引发的城市人口不断积累必然会导致生活和生产等空间需求的增加。因此，作为一个新兴的特大城市，郑州的城市人口将随着城市化的发展而不断增长，这必然导致城市扩张。郑州作为国家中心城市，并将建设成为大型国际航空枢纽和物流中心，现有城市空间承载能力难以支撑未来发展。

虽然郑州市2010—2020年的城市扩张已进入缓慢阶段，但从城市化和城市规划的角度来看，郑州市的城市扩张在未来一段时间内仍然是不可避免的。因此，今后郑州城市扩张必须同时将生态保护、粮食安全和土地的集约高效利用放在重要位置。为此，提出以下建议：(1)调整区划，推进中心城区扩容，通过区划调整和城区扩容，将郊区中牟县、新郑市、荥阳市等纳入中心城区，推动全域资源要素整合和产业协同一体化发展。(2)优化产业结构，提升存量用地效益。今后在保证经济社会发展的前提下，通过调整产业结构，转变经济增长方式，优化城市空间结构，充分挖掘城市存量土地利用潜力，避免或减少对耕地、林地等的占用，提升城市用地效益和集约程度，推动城市合理、有序扩张。