李佳佳,劉宇鵬,韓 驥,張 超,陳偉強(qiáng),*, 張力小

1 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廈門 361021 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 廈門市城市代謝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廈門 361021 4 華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200241 5 崇明生態(tài)研究院, 上海 200062 6 同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 上海 200092 7 聯(lián)合國環(huán)境署-同濟(jì)大學(xué)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)院, 上海 200092 8 同濟(jì)大學(xué)可持續(xù)發(fā)展與新型城鎮(zhèn)化智庫, 上海 200092 9 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

經(jīng)過近三十年的快速城市化,中國城鎮(zhèn)人口數(shù)量不斷增多,建成區(qū)不斷擴(kuò)張,投入和使用的建筑材料規(guī)?？涨?。改革開放初期,中國城鎮(zhèn)人口僅有1.72億,至2016年已增長至7.93億,占總?cè)丝诘陌霐?shù)以上。為滿足城市發(fā)展的土地空間需求,城市建成區(qū)總面積從1978年的約7400 km2激增至2016年的約54000 km2,年均增長約1200 km2,相當(dāng)于每年新建半個深圳市。伴隨著人口增長和土地擴(kuò)張,城市建設(shè)投入了大量物質(zhì)材料以修筑構(gòu)成城市“骨架”的建筑物(如住宅、商業(yè)建筑和公共服務(wù)建筑等)和基礎(chǔ)設(shè)施(如道路、管網(wǎng)等)[1]。

除了從人口遷移、土地利用變化和經(jīng)濟(jì)方式轉(zhuǎn)變等維度解讀城市化進(jìn)程及其相關(guān)的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響,城市化過程中的物質(zhì)積累及其代謝規(guī)律研究也極為重要(圖1)。國內(nèi)外學(xué)者針對由城市擴(kuò)張所引發(fā)的物質(zhì)代謝的格局、過程和特征開展了大量研究。這些研究主要聚焦于：第一,采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2]與新興的地理空間數(shù)據(jù)[3- 7]定量評估城市物質(zhì)材料的空間格局；第二,結(jié)合物質(zhì)流分析[8- 12]等方法探究城市物質(zhì)代謝的動態(tài)過程；第三,基于以上研究開展城市物質(zhì)代謝過程的環(huán)境影響分析[13- 17]。這些研究表明城市資源流動不暢、代謝結(jié)構(gòu)不合理引發(fā)了中國在快速城市化過程中面臨資源結(jié)構(gòu)性短缺與環(huán)境持續(xù)惡化等“城市病”。

圖1 城市化的主要特征Fig.1 Dimensions of urbanization studies

為了探索近三十年來中國城市化在物質(zhì)代謝方面的特征,本文利用城市建成區(qū)總面積、城市居住用地總面積、城市住宅總面積和城市住宅建筑材料總使用量等數(shù)據(jù),分析城市的土地擴(kuò)張、建筑面積增長及材料積累的歷史演進(jìn)軌跡。其中城市住宅建筑材料總使用量是指城市范圍內(nèi)修建住宅所使用的、仍保留在住宅建筑中的主要建筑材料總量。本文嘗試通過將土地視作城市建筑及其構(gòu)筑材料的載體,理解土地、建筑及其構(gòu)筑材料間的相互作用關(guān)系,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步解析城市三維擴(kuò)張過程,闡釋中國近三十年來城市化發(fā)展的物質(zhì)依賴程度。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

本文通過收集長中國時間序列城市擴(kuò)張相關(guān)數(shù)據(jù),識別中國城市的擴(kuò)張模式,解析城市三維擴(kuò)張過程；并通過測定城市土地與建筑材料使用強(qiáng)度,解譯城市土地、建筑及其構(gòu)筑材料的相互作用關(guān)系。

1.1 研究方法

1.1.1城市擴(kuò)張模式識別

本文首先通過測度城市建成區(qū)內(nèi)住宅總面積和住宅建筑材料總使用量的歷史演進(jìn)軌跡,將城市擴(kuò)張分為線性、對數(shù)型和指數(shù)型增長三種理論模式(圖2)。線性增長表示城市在“水平”方向擴(kuò)大城市建成區(qū)面積的同時也在“垂直”方向上修筑更高的建筑,且兩個方向上的增長較為同步；指數(shù)型增長表示初期城市在水平方向的增長速度明顯快于垂直方向,后期垂直方向的增長速度快于水平方向；對數(shù)型增長與指數(shù)型增長相反,表示初期城市垂直方向的增長速度明顯快于水平方向,后期水平方向的增長速度快于垂直方向(圖2)。各省級行政區(qū)城市擴(kuò)張模式的識別方法為利用SPSS 24.0軟件進(jìn)行曲線擬合[18],選擇各省級行政區(qū)決定系數(shù)(R2)最高且通過顯著性(P值)檢驗(yàn)的曲線類型作為其城市擴(kuò)張模式。

1.1.2城市住宅土地與材料使用強(qiáng)度四象限法

在識別城市擴(kuò)張模式的基礎(chǔ)上,通過進(jìn)一步測度單位居住用地面積上的住宅面積與住宅建筑材料使用量,表征城市的土地使用強(qiáng)度與材料使用強(qiáng)度。之后依據(jù)土地使用強(qiáng)度(X軸)與材料使用強(qiáng)度(Y軸)建立直角坐標(biāo)系,根據(jù)單位居住用地上修建單層住宅及其所需建筑材料總使用量設(shè)定閾值,劃分出四個象限(圖3)。其中,土地使用強(qiáng)度和材料使用強(qiáng)度計算公式如下：

圖2 城市擴(kuò)張理論模式Fig.2 Theoretical patterns of urban expansion

圖3 城市住宅土地和材料使用強(qiáng)度四象限圖 Fig.3 Four quadrant map of land use and material use intensities of urban dwellings

(1)

(2)

式中,UD和UM分別代表土地使用強(qiáng)度和材料使用強(qiáng)度，D為城市住宅總面積,M為城市住宅建筑材料總使用量,L為城市居住用地總面積。當(dāng)土地使用強(qiáng)度UD超過1時(即第一和四象限),表明城市住宅總面積已超過城市內(nèi)居住用地總面積,在城市居住用地?zé)o法擴(kuò)大的前提下,城市轉(zhuǎn)向垂直方向擴(kuò)張；同理,據(jù)韓驥等人研究測算修建每平方公里住宅面積所需建材總重量約為1.3 Mt[19- 21],高于該閾值(即第一和二象限)表明城市通過消耗更多的建筑材料來修建高層住宅以彌補(bǔ)居住用地的不足,即以材料“換取”甚至“創(chuàng)造”土地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取1985至2010年中國各省級行政區(qū)(包括省、自治區(qū)和直轄市，不包含港澳臺地區(qū))歷年的城市建成區(qū)總面積、城市居住用地總面積、城市住宅總面積及城市建筑材料總使用量共四個指標(biāo)測度土地使用強(qiáng)度與材料使用強(qiáng)度,并識別中國城市擴(kuò)張模式。其中城市建成區(qū)總面積數(shù)據(jù)來自《中國統(tǒng)計年鑒(1986—2011年)》和《中國城市統(tǒng)計年鑒(1986—2011年)》；城市居住用地總面積數(shù)據(jù)來自《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒(1985—2010年)》；城市住宅總面積依據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒(1986—2011年)》與各省歷年統(tǒng)計年鑒中人均住宅面積乘以《中國人口和就業(yè)統(tǒng)計年鑒(1986—2011年)》中當(dāng)年的城市人口數(shù)量得到；城市住宅構(gòu)筑建筑材料總使用量數(shù)據(jù)源自韓驥等人的研究[2,19],指住宅興建過程中所消耗的主要建筑材料,包含鋼鐵、木材、磚瓦、砂礫、水泥、玻璃和石灰共七種。

1.3 研究尺度

本文選擇中國、東中西地區(qū)以及各省級行政區(qū)三個典型尺度開展分析,探究城市擴(kuò)張模式的空間分異規(guī)律,其中東中西地區(qū)依據(jù)全國人大六屆四次會議通過的“七五”計劃中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)予以劃分(表1)。

表1 中國東中西地區(qū)劃分

2 研究結(jié)果

2.1 中國城市擴(kuò)張的演變規(guī)律與模式識別

2.1.1國家尺度

總體上1985—2010年中國城市建成區(qū)總面積不斷擴(kuò)大,同時城市住宅總面積和住宅建筑材料總使用量快速增長(圖4)。全國城市建成區(qū)總面積從1985年的約9800 km2增加到2010年的約41000 km2,年均增長率約6%；住宅總面積和住宅建筑材料總使用量也分別從1985年的約2100 km2、2200 Mt增加到2010年的約19700 km2、14700 Mt,年均增長率約9%和8%。

中國城市擴(kuò)張過程具有明顯的階段性特征,且2000年是重要的分界點(diǎn)。從總量上,2000年之前所有省份的城市住宅總面積和住宅建筑材料總使用量相對較小且差異不大；2000年之后,城市住宅總面積和住宅建筑材料總使用量明顯增加且差異增大(圖4)。從增速上,2000年之前城市建成區(qū)面積每增加1 km2,住宅面積新增約0.11—0.17 km2,住宅建筑材料新增使用量0.17—0.27 Mt；2000年之后建成區(qū)面積每增加1 km2,新增住宅面積大于0.17 km2,投入建筑材料多于0.27 Mt(圖4)。同時,單位面積建成區(qū)增長所對應(yīng)的住宅新建面積和建筑材料消耗增長量在1985—1989年期間分別是0.11 km2、0.17 Mt,2005—2010年時分別增長至0.44 km2、0.28 Mt,約是1985—1989年的4倍和2倍。

圖4 1985—2010年中國30個省級行政區(qū)城市建成區(qū)總面積、住宅總面積和住宅建筑材料總使用量(5年平均)關(guān)系圖Fig.4 The relationships among total urban built-up area, dwelling area, and construction materials (five years mean) in 30 provinces of China during 1985—2010

2.1.2地區(qū)尺度

在地區(qū)尺度上的分析表明中國東、中、西部城市的建成區(qū)總面積、住宅總面積、住宅建筑材料總使用量均呈現(xiàn)出東部>中部>西部的特點(diǎn)(圖5)。在地區(qū)內(nèi)部差異上,東部地區(qū)各省份間差異最大、西部地區(qū)次之、中部地區(qū)最小。以2010年為例,東部地區(qū)城市建成區(qū)總面積的標(biāo)準(zhǔn)差約為1300 km2,西部地區(qū)和中部地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差分別約為600 km2和370 km2,東部地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差分別是西部地區(qū)的2倍、中部地區(qū)的4倍。

圖5 1985—2010年中國東、中、西部地區(qū)城市建成區(qū)總面積、住宅總面積和住宅建筑材料總使用量關(guān)系圖Fig.5 The relationships among total urban built-up area, dwelling area, and construction materials in eastern, central, and western China during 1985—2010

2.1.3省級尺度

在省級尺度上分析表明全國城市擴(kuò)張可總結(jié)為三種主要模式。其中,廣東、浙江和河南等17個省級行政區(qū)在城市發(fā)展初期建成區(qū)面積的增長速度快于住宅面積的增長速度,后期住宅面積增長迅速并逐漸超過建成區(qū)面積的增長速度(圖6)；而內(nèi)蒙古、陜西、新疆和寧夏4個省級行政區(qū)在城市發(fā)展初期住宅面積的增長速度快于建成區(qū)面積的增長速度,后期反之；江蘇、山東和福建等9個省級行政區(qū)的城市建成區(qū)面積與住宅面積的增長較為協(xié)調(diào)。

城市住宅建筑材料的增長模式與城市住宅面積的增長模式較為類似。江蘇、廣東和浙江等16個省級行政區(qū)的城市建成區(qū)面積與住宅建筑材料的增長較為協(xié)調(diào)(圖7)；四川(含重慶)、湖北和安徽等12個省級行政區(qū)在城市發(fā)展初期表現(xiàn)為建成區(qū)面積的增長速度快于住宅建筑材料的累積速度,后期住宅建筑材料的累積速度快于建成區(qū)面積的增長速度；僅有湖南和福建2個省級行政區(qū)在城市發(fā)展初期住宅建筑材料的累積速度快于建成區(qū)面積的增長速度,后期逐漸演變?yōu)榻ǔ蓞^(qū)面積增長迅速并超過住宅建筑材料的累積速度。

綜上,在中國30個省級行政區(qū)中,約三分之一表現(xiàn)出城市發(fā)展初期建成區(qū)面積增長速度快于住宅面積和住宅建筑材料的增長速度,表明城市擴(kuò)張以水平方向?yàn)橹鳎缓笃谥饾u轉(zhuǎn)變?yōu)樽≌娣e和住宅建筑材料的增長速度快于城市建成區(qū)面積的增長速度,城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向垂直方向。這些省份包括了四川(含重慶)、湖北、安徽、遼寧、黑龍江、山西、海南、青海和西藏,多分布于中國中西部地區(qū)。另外,約五分之一的省級行政區(qū)城市建成區(qū)面積增長與住宅面積、住宅建筑材料增長較為同步,具體包括了江蘇、山東、江西、天津、甘肅和云南,多位于東部地區(qū)。無省份表現(xiàn)出從垂直擴(kuò)張轉(zhuǎn)向水平擴(kuò)張的特征。

圖6 1985—2010年中國30個省級行政區(qū)城市住宅面積動態(tài)變化Fig.6 The dynamics of total urban dwelling area in 30 provinces of China during 1985—2010

圖7 1985—2010年中國30個省級行政區(qū)城市住宅建筑材料動態(tài)變化Fig.7 The dynamics of construction materials in urban dwellings in 30 provinces of China during 1985—2010

2.2 中國城市住宅土地使用強(qiáng)度與材料使用強(qiáng)度分析

城市住宅土地和材料使用強(qiáng)度變化表明,城市擴(kuò)張主要方向轉(zhuǎn)變分為四個階段：(1)1985—1989年22個省級行政區(qū)的城市住宅總面積小于居住用地總面積,城市住宅建筑材料總使用量低于在所有城市居住用地上修建單層住宅所需的建筑材料；(2)1990—1999年北京、內(nèi)蒙古、廣東和新疆的城市住宅總面積超過了其居住用地總面積,但建筑材料總使用量仍低于在所有居住用地上修建單層住宅所需的建筑材料；(3)2000—2004年江西和貴州的城市住宅建筑材料總使用量超過了單層住宅所需建筑材料；(4)2005—2010年全國已有23個省份的城市住宅總面積超過居住用地總面積,僅寧夏、云南、新疆、西藏、黑龍江和吉林6個省份的城市住宅總面積和住宅建筑材料總使用量仍低于居住用地總面積以及在其上修建單層住宅所需的建筑材料總量(圖8)。

圖8 1985—2010年中國30個省級行政區(qū)城市住宅土地和材料使用強(qiáng)度(5年平均)分布Fig.8 Land use and material use intensities (five years mean) of urban dwellings in 30 provinces of China during 1985—2010 2005—2010年上海市居住用地數(shù)據(jù)缺失

3 討論

3.1 城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向及其驅(qū)動因素

本研究表明隨著中國城市化的發(fā)展,城市擴(kuò)張主要方向由水平轉(zhuǎn)向垂直。在以水平擴(kuò)張為主的第一階段(1985—2000年),城市住宅面積主要隨城市土地的擴(kuò)張而增長,以修建中低層住宅為主[22]。在以垂直擴(kuò)張為主的第二階段(2000—2010年),城市住宅面積增速遠(yuǎn)高于城市土地擴(kuò)張速度。這一階段主要特征為城市在新建中高層住宅的同時對舊有住宅進(jìn)行更新[23-24],即拆除原有的低容積率住宅而轉(zhuǎn)向修建高容積率住宅。

上述城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向受到了政策、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等多重因素的影響[25]。政策上,城市土地和住房制度的改革推動了房地產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,使得住宅大規(guī)模擴(kuò)張并蔓延至城市外圍區(qū)域,導(dǎo)致城市在水平方向上擴(kuò)張；之后耕地保護(hù)、生態(tài)紅線和限制城市無序擴(kuò)張等系列相關(guān)政策的出臺,倒逼了城市內(nèi)部空間重組和用地置換。從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來看,隨著用地成本的增加(如較高的交易價格等),修建高容積率住宅的土地效益超過“水平蔓延式”開發(fā)的土地效益和再開發(fā)成本時,城市傾向于轉(zhuǎn)向垂直擴(kuò)張。同時隨著建筑技術(shù)的進(jìn)步,修建高層和超高層住宅在技術(shù)上日益可行且成本不斷下降。

3.2 城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向的物質(zhì)材料依賴性及其環(huán)境影響和政策啟示

城市擴(kuò)張的垂直轉(zhuǎn)向是以大規(guī)模消耗建筑材料為支撐的。城市為滿足居民不斷提高的生產(chǎn)生活需求而修建規(guī)模日益龐大的建筑和基礎(chǔ)設(shè)施,由于受到土地資源的限制而轉(zhuǎn)向“垂直”生長,客觀上加劇了對高強(qiáng)度建筑材料的依賴。這種物質(zhì)依賴對城市環(huán)境具有兩面性：

一方面,由高強(qiáng)度建筑材料支撐的城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向有利于節(jié)約土地資源和保護(hù)生態(tài)空間。由于過去幾十年中國城市的水平擴(kuò)張基本以占用周邊耕地為主,轉(zhuǎn)向“垂直”生長在客觀上避免了人造建筑過分?jǐn)D占城市周邊的農(nóng)田及綠地、水體等自然生態(tài)用地。在橫向?qū)Ρ壬?中國香港和新加坡的高密度住宅建設(shè)均使其在有限的土地面積上保留了較多的生態(tài)空間[26-27]。在微觀的居住小區(qū)尺度上,能容納相同人口數(shù)量的高層住宅往往較中低層住宅節(jié)約了較多土地以提供綠地等公共設(shè)施[28-29]。此外,城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向符合中國新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展要求。2013年12月中央城鎮(zhèn)化工作會議上提出了將“提高城鎮(zhèn)建設(shè)用地利用效率”作為新型城鎮(zhèn)化推進(jìn)的主要內(nèi)容。2014年出臺的《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020年)》進(jìn)一步指出了需“優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),提高土地利用效率,合理滿足城鎮(zhèn)化用地需求”[30]。本研究表明城市擴(kuò)張主要方向由水平轉(zhuǎn)向垂直,通過提高單位土地上住宅總量的方式提升了土地利用效率,推動了城市空間由外延式擴(kuò)張轉(zhuǎn)向內(nèi)涵式發(fā)展,避免了粗放低效的土地利用方式與城市空間的無序蔓延。

另一方面,城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向過程中不斷增強(qiáng)的物質(zhì)依賴會消耗大量資源并加重環(huán)境負(fù)擔(dān)。建筑材料作為一種高能耗、高污染產(chǎn)品[31],其開采、制造、運(yùn)輸、使用和廢棄過程中所導(dǎo)致的環(huán)境影響不容忽視。建筑原材料在開采過程中造成的重金屬污染易危害人體健康；在制造階段需要消耗煤炭、石油、電力和天然氣等能源,并排放大量的二氧化碳加劇全球變暖[32]；與此同時,城市建筑在更新和廢棄的過程中會產(chǎn)生大量的建筑垃圾。合理化利用和回收建筑材料以減少其資源消耗和環(huán)境影響是城市環(huán)境保護(hù)的重要議題。總之,未來政府需通過設(shè)置合理的城市建筑密度和高度以避免過度生產(chǎn)、使用和回收建筑材料而額外加重環(huán)境負(fù)擔(dān),引導(dǎo)中國城市化的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

城市擴(kuò)張在土地維度上表現(xiàn)為建成區(qū)面積的擴(kuò)大,在經(jīng)濟(jì)維度上表現(xiàn)為生產(chǎn)總值的增長,在居住空間維度上則表現(xiàn)為住宅面積的增長,這些均依賴于大量建筑材料的投入和使用。城市不僅是人口聚集的空間,也是大量物質(zhì)材料以建筑和基礎(chǔ)設(shè)施形態(tài)構(gòu)建的空間。未來城市研究除了從土地、人口和經(jīng)濟(jì)的維度,還應(yīng)當(dāng)從物質(zhì)材料特別是建筑材料的維度去理解城市的運(yùn)營和更新。本文通過識別多尺度下的城市擴(kuò)張模式,明晰了中國城市擴(kuò)張方向及其轉(zhuǎn)變過程,解析了中國城市化進(jìn)程中土地、建筑及其構(gòu)筑物質(zhì)間的耦合關(guān)系。主要研究結(jié)論如下：

(1)在1985—2010年期間,城市擴(kuò)張主要方向由水平轉(zhuǎn)向垂直,城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向受到政策、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等多重因素的影響。這種城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向在保障城市空間發(fā)展需求的同時也避免了人造建筑過分?jǐn)D占城市周邊的農(nóng)田及綠地、水體等自然生態(tài)用地,一定程度上有利于節(jié)約土地資源與保護(hù)生態(tài)空間。

(2)中國城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向在時間上以2000年為節(jié)點(diǎn),在空間上表現(xiàn)出東部省份土地、住宅面積及其構(gòu)筑材料的總量與內(nèi)部差異大、中部省份總量居中且內(nèi)部差異小、西部省份總量小但內(nèi)部差異居中的特征,與以人口、經(jīng)濟(jì)等因素所評價的中國城市化水平的空間格局相一致。

(3)城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)向以大量建筑材料的投入與使用為基礎(chǔ)來滿足城市空間的發(fā)展需求。隨著城市化速度的加快和城市化水平的提高,城市空間發(fā)展的物質(zhì)依賴特征愈發(fā)明顯。未來在關(guān)注中國城市化進(jìn)程中的土地利用、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民健康等問題的同時,更需加強(qiáng)關(guān)于城市物質(zhì)代謝的研究,使其成為解析城市發(fā)展過程及其驅(qū)動機(jī)制的關(guān)鍵和重點(diǎn)。

致謝：感謝同濟(jì)大學(xué)諸大建教授對本研究提供的幫助。