京津冀城市群空间扩张及其经济溢出效应

别小娟,孙 涛,孙然好,王继斌,张廷斌,陈利顶,3,*

1 中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 2 成都理工大学旅游与城乡规划学院,成都 610059 3 中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049 4 成都理工大学地球科学学院,成都 610059

改革开放以来,中国经济经历了30多年的快速增长。经济增长推动了城市的高速发展,城市常住人口持续增长,城市空间不断扩张,城市用地的增速远大于人口增加的速度[1]。在城镇化的过程中,由于受到社会、经济、地理环境、历史等因素的影响,不同的城市有不同的扩张模式,而不同的空间扩张模式反过来也会影响城市经济的发展[2-3]。在城市扩张研究中,利用多期历史数据进行城市空间变化的时空特征研究[4-8],分析城市扩张的驱动因素[9-13],其中GDP增长是城市扩张的重要驱动因素[14]。近年来,城镇化和城市扩张成为部分地区经济的增长源[15],持续的城市扩张又对社会经济等[16-21]产生了深远的影响。有学者研究了经济因素对城市空间形态的影响[22- 26],在经济模式或政策的变化的背景下,为了适应新时期经济发展的需要,城市空间的结构和形态也做出了相应的调整。2014年何杨[27]运用数据包络分析研究了城市经济效率受城市规模和形态影响的规律,发现城市的规模效率、城市紧凑度对纯技术效率有正向影响。

在开放的市场经济体系中,城市经济增长不只依靠其自身基础,还要受到周边城市的影响。相邻城市之间的生产要素、经济活动在空间上流动不断增强,区域经济活动的空间关联,对区域经济产生重要影响,这种影响,在经济学上称之为溢出。经济溢出包括知识溢出、增长溢出、环境溢出等,具有可正可负的性质[28]。对于区域经济关联的研究更多集中在增长溢出的探讨,前人的研究中应用了修正的Conley-Ligon模型[29]、协方差统计模型[30]、Mundell-Fleming模型[31]、空间误差模型和地理加权回归模型[32]、空间数据分析工具[33]等方法对全国、区域或城市群在城市、县级尺度上,探讨经济发展过程中溢出效应的空间分布特征,在计算溢出效应时,更多考虑的是经济(GDP)规模。Capello[34]在研究中指出增长溢出(growth spillovers),是反映一个地方(区域、城市、区县)经济的动态通过贸易联系和市场关系影响邻近地区经济增长的情况。Capello通过对欧洲各地区之间经济溢出的研究,发现空间溢出强度主要取决于空间距离,和每个区域对外部增长机会的认知接受度。利用Capello模型不仅可以计算各城市“给出”和“获得”的溢出效应,还可以反映各地区间溢出效应强度的年际变化趋势。

在城镇化的过程中,城市建成区范围不断增加,同一地区城市群中不同规模、不同定位的城市呈现出不同的扩张模式。不同扩张模式的城市,经济增长溢出效应是否存在差异,城市间溢出效应的空间分布特征如何？我们选取京津冀城市群作为研究对象,首先根据1984—2015年各城市扩张特征将城市进行分类,然后利用Capello经济增长溢出模型,计算各城市经济增长溢出强度,分析不同扩张模式城市间经济增长溢出强度的变化特征,区分不同城市扩张模式对区域经济的影响。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况与数据来源

京津冀城市群是我国北方经济的重要核心区,包括北京市、天津市和河北省的石家庄、保定、廊坊、唐山、秦皇岛、张家口、承德、沧州、衡水、邢台和邯郸11个地级市。城市群位于环渤海地区,是我国人口和城镇分布集中,经济、交通、产业最为发达的地区之一。2015年京津冀地区总GDP占全国GDP的10.01%,人口占全国总人口的7.8%。研究区总面积约21.6×104km2,13个城市中有2个城区常住人口超过500万的特大城市,为城市群的核心;超过100万的大型城市有3个,其他均为常住人口小于100万的中小城市。

研究采用的城市边界信息来自于京津冀地区生态十年遥感地表覆被分类数据,从中提取了1984年、1990年、2000年、2010年的城市建设用地信息,2015年的城市建设用地信息是利用OLI数据,根据归一化建筑指数[35]获得城市建成区信息,制作城市空间扩张特征图(图1)。经济增长溢出效应强度计算需要的GDP数据来自1984—2015年北京市、天津市和河北省统计年鉴,并按基于1952年的GDP平减指数换算为不变价GDP,进而计算GDP增长率;城市间距离数据来自全国电子交通数据库(2015年部分数据来自百度地图)。

1.2 研究方法

1.2.1 Boyce-Clark形状指数

基于放射半径的Boyce-Clark形状指数[36],是将城市形状与标准圆进行比较,得到一个相对指数。这种指数是以城市边界的重心(几何中心、城市范围的人口中心或经济中心等)为原点,向周边放射出若干条半径,衡量各方向半径与平均半径之间的差异,其表达式为:

(1)

式中,SBC为形状指数;ri为城市重心到边界的半径长度;n为放射半径的数量。根据城市边界形状的复杂程度设置不同的半径数量,n越大,SBC精度越高。城市边界形状不同,SBC的值也不同,圆形的SBC值为0,正多边形、矩形、星形、长条矩形的SBC值依次变大。该方法直观形象,能够反映城市空间形态的一般特征,且具有较强的可比性。

1.2.2 Capello模型

Capello[34]将空间溢出效应划分为知识溢出、产业溢出和增长溢出,并界定了它们的内在属性、适用尺度和预期效果,认为它们都是区域空间相互作用的具体表现,并最终形成了区域间的经济增长溢出根据Capello提出的增长溢出效应模型,按下面公式进行计算:

城市得到的增长溢出效应强度:

(2)

式中,ΔYjt为第t年城市j的GDP增长率,j为除了r外的所有相邻城市;drj为第t年城市r和j之间的最高等级公路距离,以km为单位;n为相邻城市的数量,n=12;wjt为权重,用第t年城市j在城市群中GDP总量的比重来衡量。

城市给出的增长溢出效应强度:

(3)

式中,ΔYrt为第t年城市r的GDP增长率;wrt为权重,用第t年城市r在城市群中GDP总量的比重来衡量;drj和n同公式(2)。

从公式中可以看出,增长溢出效应强度与3个因素有关:空间因素(距离),驱动因素(城市经济增长率)和规模因素(相邻城市经济规模,权重)。该方法最初应用于欧洲(不包括俄罗斯)各地区间经济增长溢出效应的评价,为区域内聚集经济的存在提供了一个非常有用的模型。在评估的过程中,增长溢出效应强度具有非常重要的解释力,增加了溢出变量的解释力,凸显了区域经济发展的一些趋势。

2 结果与分析

2.1 京津冀地区城市空间扩张特征

根据Boyce-Clark形状指数的公式(公式1)计算京津冀城市群13个城市1984—2015年的SBC值,结果如表1所示。各城市空间扩张形态是动态变化的,形状指数越大,城市空间形态越趋向于条带状;形状指数越小,城市空间形态越趋向于圆形或正多边形。根据表1将13个城市分为两组:北京、保定、廊坊、沧州、衡水、邢台和廊坊7个城市的形状指数值整体偏低,2000年以后形状指数大都小于30。其中北京由于西部受地形影响外,其他各方向均有不同程度扩张(图1),形状指数逐渐减小,趋向圆形,城市扩张类型为环状扩张;其他6个城市,位于平原区,各城市扩张主要向着1—3个方向扩张,形状指数多在15—25之间,城市形状介于圆形和星形之间,扩张类型为扇状扩张;天津、石家庄、唐山、秦皇岛、张家口和承德6个城市的形状指数逐渐增大,且在2000年以后形状指数大于30,其城市边界的空间形状为条带状,城市扩张类型为轴向扩张型。

表1 京津冀城市群城市形状指数

环状扩张:主要为北京市。作为国家政治中心和文化中心的独特地位,其经济发展速度超过全国平均水平,快速的经济增长,使北京具有强劲的集聚效应,建成区的范围不断扩大。

扇状扩张:保定市、邯郸市、衡水市、廊坊市、邢台市、沧州市。城市扩张一般只有一个主增长方向,主增长方向沿城际高速或国道快速扩张,其余方向扩张较慢;2000年以后扩张速度较快,且出现新的增长方向。其中,廊坊市位于北京和天津之间,受两个城市吸引,沿西北-东南方向扩张。1992年廊坊经济技术开发区成立后,廊坊原主城区开始快速向着开发区方向发展,由此导致城市形状指数从2000年开始变大,超过30,但廊坊市同时有3个扩张方向,因此属于扇状扩张。

轴向扩张:天津市、石家庄市、秦皇岛市、承德市、张家口市和唐山市。天津市1990年以后,由于主城区和滨海新区双核心共同扩张,逐渐连片发展成城市扩张轴,并向着北京方向沿G103国道延伸,逐渐与天津市武清区相连;在大港-塘沽-汉沽方向也有扩张,但速度比主要轴线慢;石家庄市2000年前沿正太铁路呈带状扩张,2000年后向北沿京石高速逐渐延伸,但相对较为零散,仍以东西向带状扩张为主;承德市和张家口市发展受地形限制,沿山谷有限空间呈带状扩张。秦皇岛市西北为丘陵区,东南滨临渤海,沿海滨平坦地区带状发展。唐山市在七滦线、津山线围合中发展;在唐山市外围形成的唐津高速和长深高速(2003年通车)将对未来唐山城市形态产生影响。其中张家口、承德和秦皇岛主要受地形影响,城市主要沿山谷有限空间扩张;石家庄和唐山市沿交通线路形成扩张轴,天津受滨海新区开发使主城区呈带状扩张,2000年以后在其他方向上也有不同程度的扩张。

从京津冀地区13个城市扩张的时空特征看,在30年的发展中,城市空间的扩张模式是相对稳定的。尽管受到交通、经济开发等因素影响,部分城市有了新的增长方向(如廊坊),但城市的基本扩张特征没有发生根本性的改变,如从轴向扩张转变为扇状扩张,各城市均在原有模式的基础上向外扩张。

2.2 京津冀地区城市经济增长溢出效应分析

根据Capello模型,分别计算1985—2015年京津冀地区13个城市空间溢出效应。从公式(2)和(3)可以看出,增长溢出效应与城市间距离呈负相关,与GDP增长率和GDP权重呈正相关。如表2所示,北京和天津作为城市群的核心城市,贡献了最高的给出空间溢出效应,平均给出增长溢出效应分别为1724.2和1111.7,其次为石家庄和唐山,保定、廊坊、沧州、邢台和邯郸为第三梯队,最低的为秦皇岛、张家口、承德和衡水。得到溢出效应最高的为廊坊,其次为天津、沧州、保定和唐山,其他为第三梯队。

图1 1984—2015年城市扩张特征图/kmFig.1 The direction characteristic of urban expansion in 1984—2015N:北,north;NNE:北北东,north-northeast;NE,北东,north-east;ENE,东北东,east-northeast;E:东,east;ESE:东南东,east-southeast;SE:南东,southeast;SSE:南南东,south-southeast;S:南,south;SSW:南南西,south-southwest;SW:南西,south-west;WSW:西南西,west-southwest;W:西,west;WNW:西北西,west-northwest;NW:北西,north-west;NNW:北北西,north-northwest

GDP为不变价GDP

按照前面所做的城市扩张形态分类,环状扩张(北京)、轴向扩张(天津、石家庄、唐山、秦皇岛、张家口和承德)和扇状扩张(保定、廊坊、沧州、衡水、邢台和邯郸),分别分析1985—2015年各种扩张形态城市间的空间溢出效应变化规律。扇状扩张城市和轴向扩张城市给出和得到的总空间溢出效应相差较大,扇状扩张城市得到的总溢出效应远高于轴向扩张城市(图2a),轴向扩张城市给出的总溢出效应远高于扇状扩张城市(图2a)。作为京津冀地区城市群的核心城市,北京和天津之间的增长溢出效应远高于其他城市,2008年之前北京给出的增长溢出效应高于天津给出的,2008年以后震荡明显(图2c)。从图2a、b、c中均可以看出,城市间的增长溢出效应除1989、2013年和2014年降低外,城市之间给出和得到的空间溢出效应整体趋势增强,城市之间的联系和增长溢出效应逐步得到加强。

图2 1985—2015年各类型城市间增长溢出效应年际变化Fig.2 Annual change of growth spillovers between various cities in 1985—2015

轴向扩张城市包括了城市群的核心城市之一天津,使得轴向扩张城市经济总规模远大于扇状城市。为了避免经济规模对轴向扩张城市与扇状扩张城市之间经济增长溢出效应的影响,将天津市单独分析,其他的5个轴向扩张城市经济规模与6个扇状扩张城市经济规模相当,这样更具可比性。图2d—i描述的轴向扩张城市和扇状扩张城市,为了避免城市数量不同带来的溢出效应影响,取经济增长溢出效应的平均值。

从交通距离上来讲,轴向扩张城市距核心城市北京和天津更近,但从图2d、e中可以看出,轴向扩张城市从北京和天津得到的增长溢出效应均低于扇状扩张城市。从两者之间强度的差异上看,从北京得到的空间效应在2007年前差别较大,2007年以后变小;从天津得到的空间效应2005年以前,强度差异较为稳定,2005—2008年,轴向扩张城市和扇状扩张城市较为接近,2008年以后变化较大。轴向扩张城市、扇状扩张城市给出北京和天津的增长溢出效应年际变化差异较大(图2f、g),没有明显的规律。1996—2003年北京和天津从轴向扩张城市和扇状扩张城市得到的增长溢出效应强度相反,北京从扇状扩张城市得到的多,天津从带状扩张城市得到的多。其他年份,北京和天津得到的溢出效应特征较一致。

从图2h中可以看出,扇状扩张城市从轴向扩张城市得到的溢出效应在各个年份均高于轴向扩张城市从扇状扩张城市得到的增长溢出效应;2012年以前,除了2005年两者之间较为接近,两者之间差异大,强度差在3.9—17.1之间;2012—2015年强度差异变小。图2i表明了不同扩张模式城市之间增长溢出的变化特征,轴向扩张城市之间的增长溢出效应在2007年前,强度低于扇状扩张城市之间的空间溢出效应,2007年后,两者强度交替震荡,且强度差异变小。

图3 1985—2015年城市间净增长溢出效应年际变化Fig.3 Annual change of net growth spillovers between cities in 1985—2015

图4 1985—2015年京津冀城市群地区城市间经济增长溢出效应分布图Fig.4 The spatial pattern of growth spillover effects in the Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration in 1985—2015

为了进一步分析各城市增长溢出效应的变化,将城市给出的增长溢出效应强度减去得到的增长溢出效应强度,得到该城市年净增长溢出。从图3可以看出,北京和天津作为城市群的核心城市,净增长溢出效应多表现为正值,给出的增长溢出大于得到的增长溢出,反映了核心城市对区域经济的辐射带动作用。天津的净增长溢出效应1988、1989和1991年为负值,1988和1989年是由于天津GDP增长率降低,1991年天津GDP增长率低于地区平均增长率。北京和天津从1985—2015年,净增长溢出呈上升趋势,且天津增长趋势略高于北京,是由于2008年以后天津GDP占京津冀地区GDP总量的比重略有增加,而北京的GDP占比基本是稳定的。唐山作为原京津唐工业基地的核心城市之一,石家庄作为河北省的省会,在1992年之前,给出的净增长溢出效应与天津相当,而此后逐年下降,两个城市的下降趋势基本一致。2010年以后石家庄净增长溢出效应保持为正值,反映了石家庄在近年来对区域经济的辐射带动作用在增强,而唐山的净增长溢出效应近几年转变为负值,区域辐射带动作用在减弱。图3反映了扇状扩张城市和轴向城市净增长溢出的年际变化,两类城市增长趋势基本一致,城市经济发展受区域经济环境的影响较大。扇状扩张城市的净增长溢出效应强度远高于轴向扩张城市,但扇状扩张城市受经济环境的影响更大,1989年由于地区经济增长率下降,2015年由于天津GDP增长率下降的影响,这两年净增长溢出有明显的下降,而轴向扩张城市在这两个时间点净增长溢出反而有所上升。

从以上城市得到的净溢出效应可以看出,扇状扩张城市整体高于轴向扩张城市,相应的轴向扩张城市给出的增长溢出高于扇状扩张城市,反映扇状扩张城市相对更容易从区域经济增长中获得收益。扇状扩张城市保留了环状城市从中心向外围扩展的模式,当人口增长沿着交通线路(保定、沧州等)或城市周边规划新的开发区(廊坊)外迁,逐渐形成了扇状扩张模式。廊坊、保定、沧州、衡水、邢台、邯郸6个扇状扩张城市分布在平原区,城市扩张较少受到地形条件限制,城市沿交通线或开发区向着周边城市或区域核心城市快速扩张,有利于经济增长的“流动”。轴向扩张城市有较好的生态优势、空间通透,但随着城市扩张到一定规模,空间尺度变大、结构松散使得过长的轴向扩张超过了由基础设施服务支撑的“最佳经济规模”的承载力,城市空间的经济绩效会随着规模与空间尺度的增长而衰减,降低了规模经济的集聚效应[37]。张家口、承德、秦皇岛、天津、石家庄和唐山主要沿轴线向两端扩张,制约了城市空间的集聚发展,空间集聚效益是城市增长的原动力[37];石家庄、唐山和天津这3个城市位于平原区,在主要轴线扩张的基础上,较易形成圈层蔓延,2000年以后在其他方向上也有不同程度的扩张,随着城市形态的改变,城市的集聚效益也会随之提高。城市经济的发展是多种因素综合作用的结果,城市扩张形态只是其中的一个影响因素,仅就扇状扩张和轴向扩张两种扩张形态对增长溢出效应的影响来说,扇状扩张比轴向扩张更有利于经济增长的溢出。

2.3 京津冀城市群地区城市经济溢出效应空间分布

将1985—2015年城市间的增长溢出效应,根据强度逐年累加,得到城市间增长溢出效应强度总和,并形成综合增长溢出效应分布图,如图4所示。京津冀城市群地区已形成北京、天津、唐山和廊坊组成的核心区,石家庄、保定、沧州得益于地理位置优势,得到核心城市的增长溢出效应较强。城市群之间的经济增长溢出薄弱环节在边缘地区,北部为张家口、承德和秦皇岛,南部为衡水和邢台,与其他城市之间的增长溢出效应较弱,尤其是衡水,相较邢台、邯郸等城市,到核心城市和次级核心区的距离较近,但得到的增长溢出效应较少。为了加强城市群地区城市之间的联系和交流,提高城市群整体的竞争力,除了继续保持核心区持续稳定发展外,联系核心区域和城市群南部的衡水市需要得到政策和投资方面的重点关注;同时,边缘城市张家口、承德、秦皇岛、邢台和邯郸要进一步加快发展,并加强与城市群核心城市和周边城市的联系。

3 结论

本文利用Boyce-Clark形状指数,将京津冀城市群13个城市划分为环状扩张、扇状扩张和轴向扩张三种类型,并基于Capello模型分析了1985—2015年城市间经济增长溢出效应的变化,反映了不同扩张类型城市间溢出效应变化的规律。30年间,京津冀城市群城市间增长溢出效应主要呈增加的趋势,北京和天津作为城市群的核心城市,贡献了主要的经济增长溢出效应,扇状扩张城市比轴向扩张城市更有利于获得经济增长溢出。结果表明,利用Capello模型评价城市间经济溢出效应是可行的,能够反映经济增长溢出的年际变化。

研究也发现,京津冀城市群城市经济增长溢出效应,从1985年到2015年呈增长的趋势,随着交通条件的改善,城市间距离缩短有利于经济增长的溢出。但从图3可以看出,2003年以后,核心城市给出的溢出效应和非核心城市得到的溢出效应均呈下降的趋势,溢出效应下降则主要与GDP有关,其中GDP规模和GDP增长率对溢出效应的贡献,有待进一步深入研究。另外,研究中城市距离以当年城市间最高等级公路距离(以km为单位)为准,没有考虑当前部分城市间(北京和天津)有高铁等更快速的交通工具,今后可考虑采用城市间通勤时间来反映城市距离。