以材料“創造”土地？
——中國城市化進程的一個重要特征

李佳佳,劉宇鵬,韓 驥,張 超,陳偉強,*, 張力小

1 中國科學院城市環境研究所,城市環境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 廈門市城市代謝重點實驗室, 廈門 361021 4 華東師范大學生態與環境科學學院, 上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室, 上海 200241 5 崇明生態研究院, 上海 200062 6 同濟大學經濟與管理學院, 上海 200092 7 聯合國環境署-同濟大學環境與可持續發展學院, 上海 200092 8 同濟大學可持續發展與新型城鎮化智庫, 上海 200092 9 北京師范大學環境學院, 環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室, 北京 100875

經過近三十年的快速城市化,中國城鎮人口數量不斷增多,建成區不斷擴張,投入和使用的建筑材料規模空前。改革開放初期,中國城鎮人口僅有1.72億,至2016年已增長至7.93億,占總人口的半數以上。為滿足城市發展的土地空間需求,城市建成區總面積從1978年的約7400 km2激增至2016年的約54000 km2,年均增長約1200 km2,相當于每年新建半個深圳市。伴隨著人口增長和土地擴張,城市建設投入了大量物質材料以修筑構成城市“骨架”的建筑物(如住宅、商業建筑和公共服務建筑等)和基礎設施(如道路、管網等)[1]。

除了從人口遷移、土地利用變化和經濟方式轉變等維度解讀城市化進程及其相關的社會、經濟和環境影響,城市化過程中的物質積累及其代謝規律研究也極為重要(圖1)。國內外學者針對由城市擴張所引發的物質代謝的格局、過程和特征開展了大量研究。這些研究主要聚焦于：第一,采用傳統的統計數據[2]與新興的地理空間數據[3- 7]定量評估城市物質材料的空間格局；第二,結合物質流分析[8- 12]等方法探究城市物質代謝的動態過程；第三,基于以上研究開展城市物質代謝過程的環境影響分析[13- 17]。這些研究表明城市資源流動不暢、代謝結構不合理引發了中國在快速城市化過程中面臨資源結構性短缺與環境持續惡化等“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代謝方面的特征,本文利用城市建成區總面積、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據,分析城市的土地擴張、建筑面積增長及材料積累的歷史演進軌跡。其中城市住宅建筑材料總使用量是指城市范圍內修建住宅所使用的、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筑材料的載體,理解土地、建筑及其構筑材料間的相互作用關系,在此基礎上進一步解析城市三維擴張過程,闡釋中國近三十年來城市化發展的物質依賴程度。

1 研究方法與數據來源

本文通過收集長中國時間序列城市擴張相關數據,識別中國城市的擴張模式,解析城市三維擴張過程；并通過測定城市土地與建筑材料使用強度,解譯城市土地、建筑及其構筑材料的相互作用關系。

1.1 研究方法

1.1.1城市擴張模式識別

本文首先通過測度城市建成區內住宅總面積和住宅建筑材料總使用量的歷史演進軌跡,將城市擴張分為線性、對數型和指數型增長三種理論模式(圖2)。線性增長表示城市在“水平”方向擴大城市建成區面積的同時也在“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；對數型增長與指數型增長相反,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)。各省級行政區城市擴張模式的識別方法為利用SPSS 24.0軟件進行曲線擬合[18],選擇各省級行政區決定系數(R2)最高且通過顯著性(P值)檢驗的曲線類型作為其城市擴張模式。

1.1.2城市住宅土地與材料使用強度四象限法

在識別城市擴張模式的基礎上,通過進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度與材料使用強度。之后依據土地使用強度(X軸)與材料使用強度(Y軸)建立直角坐標系,根據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定閾值,劃分出四個象限(圖3)。其中,土地使用強度和材料使用強度計算公式如下：

圖2 城市擴張理論模式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度和材料使用強度，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。當土地使用強度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居住用地總面積,在城市居住用地無法擴大的前提下,城市轉向垂直方向擴張；同理,據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居住用地的不足,即以材料“換取”甚至“創造”土地。

1.2 數據來源

本文選取1985至2010年中國各省級行政區(包括省、自治區和直轄市，不包含港澳臺地區)歷年的城市建成區總面積、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測度土地使用強度與材料使用強度,并識別中國城市擴張模式。其中城市建成區總面積數據來自《中國統計年鑒(1986—2011年)》和《中國城市統計年鑒(1986—2011年)》；城市居住用地總面積數據來自《中國城市建設統計年鑒(1985—2010年)》；城市住宅總面積依據《中國統計年鑒(1986—2011年)》與各省歷年統計年鑒中人均住宅面積乘以《中國人口和就業統計年鑒(1986—2011年)》中當年的城市人口數量得到；城市住宅構筑建筑材料總使用量數據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、東中西地區以及各省級行政區三個典型尺度開展分析,探究城市擴張模式的空間分異規律,其中東中西地區依據全國人大六屆四次會議通過的“七五”計劃中相關標準予以劃分(表1)。

表1 中國東中西地區劃分

2 研究結果

2.1 中國城市擴張的演變規律與模式識別

2.1.1國家尺度

總體上1985—2010年中國城市建成區總面積不斷擴大,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%。

中國城市擴張過程具有明顯的階段性特征,且2000年是重要的分界點。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,單位面積建成區增長所對應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個省級行政區城市建成區總面積、住宅總面積和住宅建筑材料總使用量(5年平均)關系圖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地區尺度

在地區尺度上的分析表明中國東、中、西部城市的建成區總面積、住宅總面積、住宅建筑材料總使用量均呈現出東部>中部>西部的特點(圖5)。在地區內部差異上,東部地區各省份間差異最大、西部地區次之、中部地區最小。以2010年為例,東部地區城市建成區總面積的標準差約為1300 km2,西部地區和中部地區標準差分別約為600 km2和370 km2,東部地區標準差分別是西部地區的2倍、中部地區的4倍。

圖5 1985—2010年中國東、中、西部地區城市建成區總面積、住宅總面積和住宅建筑材料總使用量關系圖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張可總結為三種主要模式。其中,廣東、浙江和河南等17個省級行政區在城市發展初期建成區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面積的增長速度(圖6)；而內蒙古、陜西、新疆和寧夏4個省級行政區在城市發展初期住宅面積的增長速度快于建成區面積的增長速度,后期反之；江蘇、山東和福建等9個省級行政區的城市建成區面積與住宅面積的增長較為協調。

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個省級行政區的城市建成區面積與住宅建筑材料的增長較為協調(圖7)；四川(含重慶)、湖北和安徽等12個省級行政區在城市發展初期表現為建成區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面積的增長速度；僅有湖南和福建2個省級行政區在城市發展初期住宅建筑材料的累積速度快于建成區面積的增長速度,后期逐漸演變為建成區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個省級行政區中,約三分之一表現出城市發展初期建成區面積增長速度快于住宅面積和住宅建筑材料的增長速度,表明城市擴張以水平方向為主；后期逐漸轉變為住宅面積和住宅建筑材料的增長速度快于城市建成區面積的增長速度,城市擴張轉向垂直方向。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。另外,約五分之一的省級行政區城市建成區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。無省份表現出從垂直擴張轉向水平擴張的特征。

圖6 1985—2010年中國30個省級行政區城市住宅面積動態變化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個省級行政區城市住宅建筑材料動態變化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度與材料使用強度分析

城市住宅土地和材料使用強度變化表明,城市擴張主要方向轉變分為四個階段：(1)1985—1989年22個省級行政區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個省級行政區城市住宅土地和材料使用強度(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據缺失

3 討論

3.1 城市擴張轉向及其驅動因素

本研究表明隨著中國城市化的發展,城市擴張主要方向由水平轉向垂直。在以水平擴張為主的第一階段(1985—2000年),城市住宅面積主要隨城市土地的擴張而增長,以修建中低層住宅為主[22]。在以垂直擴張為主的第二階段(2000—2010年),城市住宅面積增速遠高于城市土地擴張速度。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行更新[23-24],即拆除原有的低容積率住宅而轉向修建高容積率住宅。

上述城市擴張轉向受到了政策、經濟和技術等多重因素的影響[25]。政策上,城市土地和住房制度的改革推動了房地產業迅速發展,使得住宅大規模擴張并蔓延至城市外圍區域,導致城市在水平方向上擴張；之后耕地保護、生態紅線和限制城市無序擴張等系列相關政策的出臺,倒逼了城市內部空間重組和用地置換。從經濟學角度來看,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”開發的土地效益和再開發成本時,城市傾向于轉向垂直擴張。同時隨著建筑技術的進步,修建高層和超高層住宅在技術上日益可行且成本不斷下降。

3.2 城市擴張轉向的物質材料依賴性及其環境影響和政策啟示

城市擴張的垂直轉向是以大規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生活需求而修建規模日益龐大的建筑和基礎設施,由于受到土地資源的限制而轉向“垂直”生長,客觀上加劇了對高強度建筑材料的依賴。這種物質依賴對城市環境具有兩面性：

一方面,由高強度建筑材料支撐的城市擴張轉向有利于節約土地資源和保護生態空間。由于過去幾十年中國城市的水平擴張基本以占用周邊耕地為主,轉向“垂直”生長在客觀上避免了人造建筑過分擠占城市周邊的農田及綠地、水體等自然生態用地。在橫向對比上,中國香港和新加坡的高密度住宅建設均使其在有限的土地面積上保留了較多的生態空間[26-27]。在微觀的居住小區尺度上,能容納相同人口數量的高層住宅往往較中低層住宅節約了較多土地以提供綠地等公共設施[28-29]。此外,城市擴張轉向符合中國新型城鎮化的發展要求。2013年12月中央城鎮化工作會議上提出了將“提高城鎮建設用地利用效率”作為新型城鎮化推進的主要內容。2014年出臺的《國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)》進一步指出了需“優化土地利用結構,提高土地利用效率,合理滿足城鎮化用地需求”[30]。本研究表明城市擴張主要方向由水平轉向垂直,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張轉向內涵式發展,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,城市擴張轉向過程中不斷增強的物質依賴會消耗大量資源并加重環境負擔。建筑材料作為一種高能耗、高污染產品[31],其開采、制造、運輸、使用和廢棄過程中所導致的環境影響不容忽視。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境影響是城市環境保護的重要議題。總之,未來政府需通過設置合理的城市建筑密度和高度以避免過度生產、使用和回收建筑材料而額外加重環境負擔,引導中國城市化的可持續發展。

4 結論

城市擴張在土地維度上表現為建成區面積的擴大,在經濟維度上表現為生產總值的增長,在居住空間維度上則表現為住宅面積的增長,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,也是大量物質材料以建筑和基礎設施形態構建的空間。未來城市研究除了從土地、人口和經濟的維度,還應當從物質材料特別是建筑材料的維度去理解城市的運營和更新。本文通過識別多尺度下的城市擴張模式,明晰了中國城市擴張方向及其轉變過程,解析了中國城市化進程中土地、建筑及其構筑物質間的耦合關系。主要研究結論如下：

(1)在1985—2010年期間,城市擴張主要方向由水平轉向垂直,城市擴張轉向受到政策、經濟和技術等多重因素的影響。這種城市擴張轉向在保障城市空間發展需求的同時也避免了人造建筑過分擠占城市周邊的農田及綠地、水體等自然生態用地,一定程度上有利于節約土地資源與保護生態空間。

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

(3)城市擴張轉向以大量建筑材料的投入與使用為基礎來滿足城市空間的發展需求。隨著城市化速度的加快和城市化水平的提高,城市空間發展的物質依賴特征愈發明顯。未來在關注中國城市化進程中的土地利用、環境保護、經濟發展和居民健康等問題的同時,更需加強關于城市物質代謝的研究,使其成為解析城市發展過程及其驅動機制的關鍵和重點。

致謝：感謝同濟大學諸大建教授對本研究提供的幫助。