合肥市城市建设用地扩张时空特征与影响因素研究

陈晓华，李争杰

（1.安徽建筑大学 建筑与规划学院，安徽 合肥 230601；2.安徽省城镇化发展研究中心，安徽 合肥 230601）

改革开放四十多年来，快速城镇化发展，中国常住人口城镇化率从1978 年的17.9%增长至2022 年的65.2%，推动社会经济发展水平迅速提高，同时带动城市建设用地出现大幅度增长。

城市建设用地是指在城市规划区范围内用于集中建设的用地，城市建设用地扩张表明城市规模和容量不断增加，是城市化进程的直观体现［1］。城市建设用地扩张是国内外学者关注的热点之一，包括城市建设用地结构演变、空间形态扩张［2］、驱动机制以及动态规模预测［3］等方面，并围绕城市建设用地扩张时空特征、扩张模式与规律、驱动因素等方面展开研究，同时分析建设用地扩张引起土地利用结构失调，城市开发边界无序蔓延［1，4］、土地利用效率低等一系列问题。研究视角逐渐多样，例如建设用地扩张与经济发展关联程度［2，5］、建设用地集约利用与碳排放效率的演变［6-7］，以及城市用地扩张与人口、经济、社会化耦合协调关系等多方面［8］。研究方法和手段逐渐多样，涉及空间分维数、城市重心转移指数、地理探测器、主成分分析［9］、Logistic 回归分析［10］和半对数回归方程［3，11］等分析方法，多采用GIS 计量、地图信息图谱［12］等分析手段。研究区域和尺度较为广泛，从东部城市［13］，延伸到中部城市［14］、西北部内陆城市［15］，由沿海［16］、沿江城市［17］扩展到西南部边境城市［18-19］。研究尺度逐渐丰富，从热点城市群［20］、普通城市［21］和县城［22］等多种空间尺度展开具实证研究。在驱动机制方面，相关学者总结经济发展水平［23］、交通设施［24］、自然环境、国家政策以及人口数量等多种因素对城市建设用地扩张和城市空间形态产生不同程度影响。具体而言，对于大城市而言，经济因素是推动建设用地扩张的主要因素［25］，对产业升级和开发区建设产生明显促进作用［26］，其中人类不断追求高质量生活品质，人口对城市的扩张逐步成为主导因素［27］，同时政府通过发展主导产业、出台相关政策推动用地扩张［28］，多种因素共同推动建设用地规模增加。

既有研究多关注东部沿海城市，对中部省会城市的关注度不足。相关研究大多数从2000 年之前开始，截至2015 年左右，研究期限大部分为30 年左右，缺乏从改革开放后至2020 年横跨40 年，能够完整反映城市建设用地扩张时空特征的研究。此外，研究多从经济、人口等因素分析城市建设用地扩张影响，对科技创新因素的影响关注程度不足。基于此，本文运用合肥市Landsat TM/ETM 遥感影像，提取1980 ～ 2020 年城市建设用地五期数据，采用扩张速度与强度、紧凑度和分形维数等方法，研究城市建设用地扩张时空特征，揭示扩张规律，引导用地合理扩张；同时采用多元线性回归法，分析城市建设用地扩张的影响因素。

1 研究设计

1.1 研究区域概况

合肥市为安徽省省会，地理位置优越，地处江淮平原中部，地形地貌平整，水网密布，市域内具有巢湖、南淝河、丰乐河以及其他巢湖支流（图1）。2020 年合肥市经济总量超过1 万亿元，常住人口为937 万人，常住人口城镇化率为84.04%，人均GDP 超过11 万元。城市经济实力的不断提升，促使合肥市土地利用结构发生重大变化，城市建设用地大规模扩张。自1980 年至2020 年，合肥市城市建设用地占比由0.97%增至6.38%，建设用地规模显著增加。

图1 合肥市区位图Fig.1 Map of Hefei City

1.2 数据来源与处理

合肥市1980 ～ 2020 年Landsat TM/ETM 遥感影像数据和高程（DEM）数据来源于中科院资源环境科学与数据中心和地理空间数据云。运用Arc GIS10.2 按照行政边界进行掩膜提取等操作，得到五个时期的Landsat TM/ETM 影像，空间分辨率为30 m × 30 m。随后进行辐射定标、大气校正等一系列操作，解译出五期土地利用数据，将其分耕地、林地、草地等7 个大类（图2），重点分析城市建设用地数量和空间演变特征、与其他土地类型转移数量。经过检验，精度在90%以上，满足研究的精度要求。另外，城市经济、社会和人口等数据来源于安徽省、合肥市统计部门官网以及相关规划文件和政府工作报告等。

图2 1980 ～ 2020 年土地利用类型Fig.2 Land use types from 1980 to 2020

2 研究方法

2.1 扩张速度和强度

扩张速度和强度分别用于分析城市建设用地扩张变化快慢和剧烈程度，反映城市整体扩张水平，见式（1）和式（2）。

式中，Ui表示扩张速度，Uij表示扩张强度，Sj表示城市建设用地末期面积、Si表示初期面积，S表示研究范围面积；Tij表示为研究期限。根据Uij值大小，可以将扩张过程划分为低速扩张（<0.05）、中速扩张（0.05 ～ 0.25）、高速扩张（>0.25）三个阶段［29］。

2.2 紧凑度和分形维数

紧凑度和分形维数用于反映城市建设用地在空间上集聚程度和形状复杂程度，见式（3）和式（4）。

式中，B为紧凑度，D为分形维数，A表示用地面积，C表示用地边界周长。紧凑度越大，则城市建设用地空间分布的集聚程度越高，破碎化程度越小。分形维数与城市建设用地形状复杂程度成反比，越小则用地越简单、规则和平整［30］。

2.3 等扇形分析法

等扇分析法用于分析城市建设用地各方向扩张差异性。以合肥市1980 年城市建设用地的重心作为起点，向外延伸长度为96 km 的半径，将合肥市市域划分成为角度相等的八个等扇形区域，计算1980 ～ 2020 年各时期内各扇形区域的扩张强度，判断出各时期的主要扩张方向。

2.4 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵用于分析在各时期内各类用地之间的相互转移现象，表明城市建设用地与其他类型土地的转入和转出情况，见式（5）。

式中，Sin表示各时期内土地利用类型面积，n表示土地利用类型数量，Sij各类土地利用转移面积［31］。

2.5 扩张弹性系数

扩张弹性系数用于衡量城市建设用地扩张与人口增长之间的平衡性，判断扩张的协调性和合理性，见式（6）。

式中，R表示特定时段内扩张弹性系数，Aa表示扩张面积变化率，Pa表示在城市人口数量变化率；最合理扩张系数R为1.12［32］，说明此时人口增加和建设用地扩张关系较为协调，人地关系处于合理状态。

2.6 多元线性回归法

多元线性回归法用于分析自变量对因变量解释程度，判断城市建设用地扩张强度与其他影响因素之间的相关性，探寻对用地扩张产生较为显著影响的因素［33］，见式（7）。

式中，Yi表示因变量，C1Xi1、C5Xi5为第i个观察值，Xi1、Xi5表示第i个自变量，C0表示截距值，Ei为随机扰动项。

3 结果与分析

3.1 合肥市城市建设用地扩张时空特征

3.1.1 扩张过程呈现明显阶段性

根据扩张速度和强度，1980 ～ 2020 年合肥市建设用地扩张速度和强度均呈现持续上升态势，经历“低速－中速－高速”三个阶段［34］（表1）。合肥市在1980 ～ 2000 年间由于城市经济基础薄弱，城市建设用地扩张规模较小，导致扩张速度和强度处于低速扩张阶段，城市发展也较为缓慢，扩张速度低于5 km2，平均扩张强度低于0.05%。

表1 1980 ～ 2020 年合肥城市建设用地扩张速度及强度Tab.1 Expansion speed and intensity of construction land in Hefei from 1980 to 2020

进入2000 年之后，合肥市城市建设扩张水平明显加快，扩张速度和强度出现大幅度提升，年扩张速度为25.25 km2。一方面，城市经济发展水平迅速增加，合肥市政务新区开工、合宁客运专线和地铁一号线等一大批项目快速建设，引起城市建设用地剧烈变化。另一方面，合肥市经开区规格升级为国家级开发区，高新区经过近10 年发展初显规模，新区发展极大促进城市建设用地扩张。2010 ～2020 年间进入高速扩张阶段，扩张速度和强度分别为30.67 km2和0.27%，达到扩张水平顶峰，表明阶段内城市建设用地变化程度最为剧烈。2010 年合肥市出口加工区经国务院批准成立，2011 年行政区划调整，巢湖市、庐江县划入合肥，市域面积增加，为城市发展提供充足的空间，推动建设用地扩张水平增加。

3.1.2 扩张集聚性呈现先增后减

合肥市城市建设用地紧凑度呈现“先增后减”，分形维数持续下降（表2），表明城市建设用地空间分布的集聚程度呈现先聚集后分散，形状趋于简单化、规则化。1980 年，城市建设用地集中分布在老城区，整体规模较小。1980 ～ 2000 年城市建设用地扩张紧凑度持续增加、分形维数逐渐减小，建设用地空间集聚程度增加，以合肥市老城区为起点向外呈辐射状扩张，在用地规模增加的同时，集聚程度也逐渐增加，城市边界形状趋于简单规则［35］。2000 年紧凑度达到顶峰，为0.082，之后出现下降趋势，扩张模式由向外蔓延式转变为飞跃式。由于城市边缘的经济区、高新区规模逐渐增加以及巢湖西岸启动滨湖新区的建设，导致城市建设用地紧凑度下降（图3）。

表2 1980 ～ 2020 年城市建设用地扩张紧凑度及分形维数Tab.2 Compactness and fractal dimension of urban construction land expansion from 1980 to 2020

图3 1980 ～ 2020 年城市建设用地扩张区域Fig.3 Expansion area of urban construction land from 1980 to 2020

3.1.3 扩张方向呈现空间分异性

合肥市城市建设用地扩张方向呈现明显空间分异性，其中向西和西南平均扩张强度高于其他方向（表3）。1980 ～ 1990 年各方向扩张强度整体较弱，主要扩张方向为西和西北，由于老城区的边界范围发生变化，逐渐向西和西北延伸，最终形成目前城市中心区。1990 ～ 2000 年主要扩张方向为东和西，位于老城区东部的新火车站开工建设，推动建设用地增加。另外，合肥市先后获批高新区和经开区，2000 年经开区被国务院批准为国家级经济技术开发区，促进用地向西扩张，奠定未来城市向西发展方向。

表3 1980 ～ 2020 年城市建设用地各方向扩张强度Tab.3 Expansion intensity of urban construction land in various directions from 1980 to 2020

2000 ～ 2010 年，各方向扩张强度出现大幅度增加。其中，向西、西南和西北扩张强度得到显著提高，远高于其他方向的扩张强度。由于合肥市经济发展水平提高，推动城市西部的高新区和经开区体量逐步增大，需求量大大增加，促进持续向西拓展。此外，启动建设蜀山区经济技术开发区和滨湖新区，直接促进用地规模进一步向南扩张。2010年后，各方向扩张强度进一步提升，保持向西、西南和南扩张，其中向西扩张强度最高为0.84%。合肥市引导大量高新科技企业入驻开发区，同时获批综合性国家科学中心和建设一批大科学装置实验室，共同引导城市建设用地向西、南方向扩张。

3.1.4 扩张来源呈现较强集中性

城市建设用地扩张用地来源具有集中性，耕地和农村居民点是转入城市建设用地的主要来源，草地、林地和水域的转入规模微弱（表4）。其中，1980 ～ 2020年间耕地转入城市建设用地面积最大，达564.52 km2，占用地转入面积的90%以上。表明合肥市城市发展过程中，对耕地侵占现象比较严重，占用大量耕地来支持城市建设。其次，紧邻城市外围的农村居民点被逐步纳入城市开发边界，导致农村居民点转变为城市建设用地。合肥市城市建设用地扩张对林地、水域等生态用地侵占始终保持较低水平，反映政府尽量避免侵占生态用地，换取城市快速发展。城市建设用地转出土地类型较为多样，主要为耕地和草地、水域、农村居民点，转出规模较小。

表4 1980 ～ 2020 年合肥市土地利用转移矩阵（单位：km2）Tab.4 Land use transfer matrix of Hefei City from 1980 to 2020

3.1.5 扩张合理性呈现向好趋势

1980 ～ 2020 年合肥市城市建设用地扩张整体处于较为合理的状态，呈现不断向好的趋势。表明城市建设用地扩张与人口增长的关系整体保持在合理范围之内，呈现“先增加后减小”的趋势（表5），但在部分时间段存在发展不平衡现象。

表5 1980 ～ 2020 年城市建设用地扩张弹性系数Tab.5 Elasticity coefficient of urban construction land expansion from 1980 to 2020

1980 ～ 2000 年扩张弹性系数分别为1.18 和1.67，基本接近最合理的弹性系数，城市建设用地扩张与人口增加基本处于平衡状态，人地关系相对动态稳定。但在2000 ～ 2010 年扩张弹性系数为5.54，远远高于最合理性系数，出现用地增加幅度远大于人口数量增加的失衡现象，导致缺乏人口活力。由于合肥市经济区、高新区等开发区以优质服务和低廉地价，吸引大量企业入驻园区，导致出现一部分“圈地”现象，因此造成土地利用效率低下。2010 ～ 2020 年，扩张弹性系数为1.13，最接近最合理的弹性系数。城市建设用地扩张与人口增加之间失衡问题得到缓解，土地利用效率提升。一方面，政府逐渐重视“圈地”问题，遏制“圈地”现象。另外，城市郊区配套设施不断完善，加上相对低廉生活成本，郊区人口数量提升，缓解了人地关系不协调的问题。

3.2 合肥市城市建设用地扩张影响因素

3.2.1 扩张影响因素筛选

合肥市城市建设用地扩张时空特征呈现多样性，用地扩张由多种因素共同作用形成。基于相关文献梳理和总结之前学者研究，构建合肥市城市建设用地扩张影响因素指标体系，探究影响用地扩张变化的主要因素。以扩张强度为因变量，从经济水平、人口数量、产业结构、科教创新、政府行为五个维度，筛选地区生产总值、城镇化率、社会固定投资额等13 个指标作为影响因素变量（表6）。运用多元线性回归模型测算自变量对因变量的解释程度、显著性水平和多元共线性，检验，多元回归模型符合正态分布假设。结果表明社会固定投资额（X3）、常住人口数量（X4）、第一产产值占比（X6）、高等学校在校人数（X8）和高速公路里程数（X13）总计5 个指标具有显著的影响因素，通过多元线性回归模型得到方程，见式（8）。

表6 城乡建设用地规模扩张影响因素Tab.6 Factors influencing expansion of urban and rural construction land scales

3.2.2 扩张影响因素分析

（1）经济发展是城市建设用地扩张的决定性因素

社会固定投资额（X3）与扩张强度的相关性系数为3.253，具有较强相关性（表7）。社会固定投资额能够表征社会经济发展水平，经济发展决定城市建设用地扩张强度［3］。合肥市固定投资额不断增加，房地产对合肥市城市经济增长具有重要贡献。2020 年房地产固定投资额增长额占比为46.44%，销售住房用地面积达到12 000 m2，激发房地产市场持续繁荣，极大促进城市建设用地扩张。合肥市在2020 年地区生产总值为10 045.72 亿元，带动新区建设需要大量城市建设用地。经济发展水平提高，推动房地产进入繁荣期，加之新区经济活力进一步提升，共同决定城市建设用地扩张。

表7 多元线性回归模型分析结果Tab.7 Analysis results of multiple linear regression model

（2）产业结构是城市建设用地扩张内在影响因素

第一产业产值占比（X6）与扩张强度的相关性系数为-4.265，呈现出负相关性。说明第一产业产值占比不断减小，引起城市建设用地不断扩张，表明城市产业结构不断进行优化升级，内在影响建设用地变化［6］。一方面合肥市产业结构持续优化，第一二三产业的比例从1980 年的2.9：4.8：2.3 调整为2020 年的0.3：3.5：6.2，促进二三产业不断繁荣发展，带动城市建设增加。另一方面，合肥市凭借优越的地理区位，承接沿海科技型企业和培育本地企业。2020 年工业产值达到2 072.32 亿元，企业数量增加提高对建设用地的需求。同时大力发展制造业，形成以新能源汽车制造、家电制造为主的完整产业集群，促进用地规模增加。

（3）人口数量是影响城市建设用地扩张的主要因素

常住人口数量（X4）与扩张强度的相关性系数为1.202，表明人口数量对城市建设用地扩张影响具有主导作用。一方面，合肥市凭借区位、经济、教育等优势，吸引省内其他区域大量人口迁入合肥，2020 年迁入人口20.59 万人，常住人口已经突破930 万人。人口数量增加对公共服务设施和基础设施的需求激增，推动城市建设用地扩张。其次，合肥市在校大学生数量已经由1980 年的1.6 万人增加至2020 年的75 万人，为城市提供大量人才储备，增加了公服设施和基础设施需求，消耗城市建设用地。此外，市民对住房质量和生活质量提出更高要求，需要消耗更多用地来满足日常所需，引起城市建设用地快速扩张。

（4）科教创新对建设用地扩张具有重要促进因素

以高等学校在校人数（X8）为代表的科教创新因素，对城市建设用地扩张具有重要促进作用。科教创新资源对城市经济发展和产业升级具有内在驱动，深层次推动城市建设用地扩张。一方面，合肥市滨湖科技城启动建设，一批重大科学装置和国家重点实验室落户合肥，需要提供大规模建设用地支持其发展。另一方面，合肥市具有深厚的科技创新底蕴，科技型企业数量不断增加，规模持续扩大，需要大量用地来保证企业发展。此外，城市集聚多所高等院校和科研院所，目前拥有高等院校超过40 所，省级以上科研院所超过50 所，对用地需求量持续增加。

（5）政府行为对建设用地扩张具有直接引导作用。政府通过出台相关政策法规、编制城市规划等直接影响城市建设用地扩张。在《合肥市城市空间发展战略及环巢湖地区生态保护修复与旅游发展规划》中，提出“1331”空间发展战略，创新建设环巢湖生态示范区，打造环巢湖自然生态网络，直接引导城市建设用地向南扩张。2011 年，合肥市行政区划调整，巢湖成为城市内湖，为大力建设滨湖新区提供充足空间，同时省政府搬迁到滨湖新区，直接带动南部城市建设用地迅速扩张。此外，合肥市提升综合交通交通枢纽地位，修建机场高速公路、合宁、合安等高速公路，构建“米”字形高铁辐射网，推动城市建设用地规模增加。

4 结论与建议

4.1 结论

基于合肥市五期城市建设用地数据，运用Arc GIS 技术分析方法探究1980 ～ 2020 年城市建设用地扩张的时空特征与影响因素，得出以下结论。

（1）合肥市城市建设用地扩张过程呈现显著的阶段性。1980 ～ 2000 年为低速扩张，2000 ～ 2010年为中速扩张，2010 ～ 2020 年为高速扩张，扩张水平显著高于其他时期，扩张速度和强度高于其他阶段。

（2）从扩张空间特征层面，1980 ～ 2020 年城市建设用地紧凑度“先增后减”，反映空间集聚程度具有“先聚集后分散”特征，分形维数持续下降，用地形状逐渐趋于规则。从扩张方向性来看，1980 ～2000 年建设用地各方向扩张较为均衡。2000 年之后，不同象限内扩张水平出现显著差异，城市主要发展方向是向西和西南。

（3）合肥市城市建设用地扩张对耕地侵占现象比较突出，其他用地变化程度较低。从用地扩张合理来看，扩张弹性系数从1980 ～ 2020 年“先增加后减小”，整体水平接近合理弹性系数，城市建设用地扩张与人口增加处于较为平衡。其中，在2000 ～2010 年出现用地失衡现象，但是2010 ～ 2020 年用地扩张合理性得到大幅度改善。

（4）合肥市建设用地扩张受到多种因素综合影响，其中经济发展水平直接决定城市建设用地扩张强度，直接促进城市建设用地扩张。产业结构不断升级优化，制造业占比不断加大，内在促进城市建设用地扩张。常住人口数量增加、一系列政府行为以及城市科教创新的优势共同促进城市建设用地扩张。

4.2 建议

基于合肥市城市建设用地扩张特征，分析用地扩张过程中所出现的问题，提出相关针对性建议，保持城市可持续和高质量发展。

（1）控制城市外围新增建设用地，鼓励发掘存量用地。合肥市城市建设用地空间集聚程度下降，土地利用效率下降。因此，应严格控制城市外围建设用地零散开发，避免出现围而不建的“圈地”现象，造成建设用地破碎化。发掘老旧城区的土地潜力，通过土地价格差异化鼓励盘活低效用地，提高土地利用效率。

（2）完善城市公共服务和生活配套设施，避免城市过于单一方向扩张。合肥市在部分时期内出现城市建设用地扩张和人口增加出现失衡现象，发展方向过于集中。应完善新建开发区的生活、教育、娱乐等相关设施，增加人口数量，提升区域人口活力，提升用地扩张与人口增加平衡性。

（3）严格遵循城市规划的用地安排，加大耕地保护力度。合肥市应严格禁止因项目开发、建设随意侵占耕地。划定耕地保护红线，实行耕地占补平衡，对随意侵占耕地的行为严格处罚，确保耕地总量不减少，严格执行经过审批的土地规划。

（4）发挥科技创新城市优势，促进产业结构升级。科技、教育因素对城市建设用地增长具有重要作用，应发挥科教创新优势，带动城市产业结构升级，发展人工智能、新能源汽车等高新数字和新能源企业，产生更大的经济效益。同时激发省会城市人口数量优势，大力发展第三产业，提升土地的经济效益。