信陽市城市空間破碎化的格局特征及機制研究

常 青,倪瑞星,武艷青,韓 勇

(信陽師范學(xué)院 信陽發(fā)展研究院/地理科學(xué)學(xué)院，河南 信陽 464000)

0 引言

快速城鎮(zhèn)化背景下，空間破碎化已成為城市空間演進的重要特征之一[1]，是城市品質(zhì)提升和可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，是城市空間格局與過程分析的新內(nèi)容[2]?？臻g破碎化是探索城市空間生產(chǎn)的重要概念[3]，但是其優(yōu)劣程度不能一概而論。一方面，西方城市批判主義觀點認(rèn)為，城市發(fā)展需要城市空間和社會的破碎化[4]?？臻g破碎化有利于提高城市用地多樣性[5]和空間可達(dá)性[6]。另一方面，城市空間破碎化導(dǎo)致城市物質(zhì)能量流動受阻、城市用地分散雜亂、社會隔離等問題，影響城市的可持續(xù)發(fā)展[7]。

城市空間破碎化的測度是反映空間破碎化格局，評估空間破碎化效應(yīng)，揭示空間破碎化形成與演變機理的重要基礎(chǔ)。城市規(guī)模外延擴張和功能內(nèi)涵提升是推動城市空間演變的重要驅(qū)動力。在此過程中，大城市行政區(qū)域的頻繁替換和加速轉(zhuǎn)型引發(fā)土地利用景觀格局的強烈變化，異質(zhì)化、破碎化成為其景觀格局的一般特征。從土地利用類型變化來看，城市建設(shè)用地侵占農(nóng)業(yè)用地，造成農(nóng)業(yè)用地景觀破碎化程度加劇[8-9]是影響城市空間破碎化的主體。然而，傳統(tǒng)的景觀生態(tài)學(xué)方法對建成區(qū)尺度下的空間破碎化測度略顯無力。相應(yīng)地，地理學(xué)以“土地利用”與“人的活動”為基本對象的城市空間研究思路為空間破碎化研究提供了理論借鑒。理論層面，朱佩娟等[2]就城市空間破碎化概念和特征等問題進行了詳細(xì)闡述。她認(rèn)為，城市空間破碎化是不同功能要素相互聯(lián)系與作用而形成的碎化現(xiàn)象，是在自然或人文因素的影響下，形態(tài)上均質(zhì)連續(xù)、結(jié)構(gòu)上聯(lián)系緊密、功能上協(xié)同高效的整體空間趨向于割裂、異質(zhì)、低效和不連續(xù)的過程與狀態(tài)，集中表現(xiàn)為城市空間單元破碎化、空間分割加強、空間聯(lián)系弱化和空間整體功能下降，并建構(gòu)了“形態(tài)—聯(lián)系—功能”多維度城市空間破碎化測度框架與測度指標(biāo)[10]。當(dāng)前，基于遙感數(shù)據(jù)和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的城市景觀破碎化研究未能反映城市空間破碎化格局的真實圖景，城市空間破碎化格局測度需進一步完善細(xì)化、并得到驗證。

鑒于此，本研究借鑒景觀生態(tài)學(xué)要素斑塊特征、景觀異質(zhì)性與景觀要素空間相互關(guān)系的研究思路，結(jié)合地理分析方法，建構(gòu)空間破碎化測度指標(biāo)。理論上，關(guān)于城市內(nèi)地域分異的分析是地理分析的一個基礎(chǔ)工作，它提供了一個全面的、具有基本效用的描述性假設(shè)[11]。相關(guān)研究表明，路網(wǎng)對自然景觀的切割作用非常明顯，造成景觀破碎化效應(yīng)[12]。現(xiàn)實中，街道是分割城市空間的關(guān)鍵要素，街道圍合斑塊內(nèi)是不同功能的空間單元，如社區(qū)、政府、企業(yè)等。故此，本研究以街道圍合斑塊描述空間形態(tài)破碎化格局，以POIs(Points of interests)點反映空間功能破碎化格局，展開對信陽市城市空間破碎化格局的測度研究，并通過地理加權(quán)回歸分析兩者之間的關(guān)系，解讀空間破碎化機理。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 區(qū)域概況

信陽市位于河南省最南部、鄂豫皖三省交接處，是我國南北地理、氣候、文化的過渡帶。截至2020年末，信陽市建成區(qū)面積104 km2，市轄區(qū)人口101.73 萬人(圖1)。從歷史沿革來看，1970年，信陽專區(qū)改稱信陽地區(qū)；1998年，信陽地區(qū)撤地設(shè)市。這一區(qū)劃變動帶來的問題是，長期以來信陽市地、市、縣同處一城，制約了信陽城市的統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)和發(fā)展。撤地設(shè)市后，城市建設(shè)重心外向延伸，城市內(nèi)部功能提升相對滯后。在城鎮(zhèn)化建設(shè)方面，信陽市城市建設(shè)自1949年初，長期被定位為以輕(麻)紡、化工工業(yè)為主，形成了具有商業(yè)、旅游業(yè)條件的中小城市格局。近年來，伴隨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和城市市區(qū)“去工業(yè)化”過程，輕紡工業(yè)和化工等企業(yè)宣告破產(chǎn)或轉(zhuǎn)移至城市邊緣地區(qū)或縣城，房地產(chǎn)開發(fā)項目占據(jù)上述空間，內(nèi)部市區(qū)和外圍市區(qū)城市化并行推進。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig. 1 Location of research area

1.2 研究方法

借鑒景觀生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟地理學(xué)方法，本研究主要選取分維數(shù)指數(shù)(FD)和區(qū)位熵(LQ)兩個指標(biāo)反映空間破碎化程度。技術(shù)層面上，分維數(shù)指數(shù)是對斑塊規(guī)則性和填充能力的定量刻畫。理論上，嚴(yán)格執(zhí)行城市規(guī)劃的空間比沒有規(guī)劃或規(guī)劃執(zhí)行不嚴(yán)的空間在城市形態(tài)上表現(xiàn)得更為規(guī)則，功能定位更加明確。故此，分維數(shù)指數(shù)能有效標(biāo)識出城市空間形態(tài)的破碎化特征。區(qū)位熵用于反映某一特定功能屬性在空間上的均衡程度，是對斑塊主要功能的定量刻畫公式及指標(biāo)解讀如表1所示。

1.3 數(shù)據(jù)源及處理

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分為兩類，第一類為空間形態(tài)數(shù)據(jù)，即街道圍合斑塊數(shù)據(jù)。第二類為空間功能數(shù)據(jù)，即POIs數(shù)據(jù)。其中，街道圍合斑塊數(shù)據(jù)來源于谷歌地圖(比例尺1∶10 000)，研究借助CAD軟件繪制上述比例尺下的所有街道；導(dǎo)入ArcGIS進行地理配準(zhǔn)和空間投影，利用Data management工具實現(xiàn)線轉(zhuǎn)面，獲得本研究的斑塊數(shù)據(jù)。POIs數(shù)據(jù)來源于ArcGIS在線數(shù)據(jù)庫。研究對數(shù)據(jù)進行清洗、矯正。例如，POIs原數(shù)據(jù)中出現(xiàn)富麗華城東門、富麗華城西門和富麗華城南門等多個點。本研究僅將其視為一個功能要素，刪除多余點并確保它在街道圍合斑塊內(nèi)。

表1 指標(biāo)、公式及其內(nèi)涵Tab. 1 Indicators, formulas and their interpretation

2 結(jié)果分析

2.1 空間形態(tài)破碎化格局

基于斑塊數(shù)量、平均斑塊面積、最大、最小斑塊面積和分維數(shù)指數(shù)描述建成區(qū)空間形態(tài)破碎化特征。數(shù)據(jù)顯示，信陽市老城區(qū)斑塊密度(6.64塊/km2)大于新城區(qū)(6.10塊/km2)。老城區(qū)因道路網(wǎng)錯綜復(fù)雜，空間被分割數(shù)量較多、不規(guī)則性較強，在城市中心區(qū)以及部分沿河地帶尤為明顯。信陽市老城區(qū)與新城區(qū)斑塊密度的差異與兩區(qū)域的功能定位有重要關(guān)系。由于信陽老城區(qū)主要為服務(wù)本地原住居民和外來務(wù)工人員的工作區(qū)、住宅區(qū)，導(dǎo)致老城區(qū)內(nèi)建筑體量小、單體多，加之老城區(qū)發(fā)展時間長、原住居民住房建設(shè)的不規(guī)則性等，導(dǎo)致道路網(wǎng)較為雜亂密集，使被城市道路分割的城市空間斑塊數(shù)增多。而信陽市新城區(qū)以機關(guān)單位、產(chǎn)業(yè)區(qū)、大型社會性基礎(chǔ)設(shè)施和住宅小區(qū)為主，相對老城區(qū)建筑體量大、單體少，道路網(wǎng)規(guī)范，斑塊被分割數(shù)量少，斑塊密度小。

分維數(shù)指數(shù)反映了人們改造空間的能力，尤其反映了人們填充空間形態(tài)、豐富空間功能的能力。整體來看，信陽市老城區(qū)斑塊分維數(shù)指數(shù)平均值(1.027)略高于新城區(qū)(1.023)，但整體差距不大。按自然間斷點分類法，將各斑塊分維數(shù)值進行可視化表達(dá)(圖2左)。結(jié)果顯示，斑塊分維數(shù)高值斑塊沿京廣鐵路線分布特征明顯。除此之外，其他地區(qū)破碎化空間分異特征不明顯。本研究通過ArcGIS平臺對分維數(shù)指數(shù)進行熱點分析，以Gi_Bin字段識別統(tǒng)計顯著性熱點和冷點，并進行可視化表達(dá)(圖2右)，以進一步識別破碎化的空間分異特征。圖像顯示，分維數(shù)指數(shù)高值區(qū)沿京廣鐵路線東側(cè)分布，整體呈現(xiàn)出兩個熱點區(qū)域和分散狀冷點區(qū)域。信陽市建成區(qū)空間形態(tài)破碎化特征可概括如下：

首先，新城區(qū)是空間形態(tài)破碎低值區(qū)。該區(qū)域街道呈“井”字形走向，表現(xiàn)出較為規(guī)則的城市空間斑塊形狀。信陽市羊山新區(qū)建設(shè)受西方發(fā)達(dá)國家城市規(guī)劃影響較大。例如，新區(qū)道路命名完全按照紐約曼哈頓地區(qū)以序數(shù)來命名街道，并遵循了“東西為道、南北為街”的原則。其次，新老城區(qū)過渡地區(qū)是空間形態(tài)破碎高值區(qū)。該區(qū)域主要涵蓋圖2右所示的火車站以北的紅色范圍。該區(qū)域破碎化程度較高的主要原因來自于空間開發(fā)的滯后性。囿于火車站以南地區(qū)功能提升和新城區(qū)擴張發(fā)展，該地區(qū)出現(xiàn)了城市發(fā)展中的“空檔期”，處于隨機增長階段。最后，東南部鐵路沿線是空間形態(tài)破碎化高值區(qū)。該地區(qū)一方面反映了鐵路對城市空間破碎化的影響較大，另一方面，該地區(qū)處于火車站核心與平橋區(qū)核心的對沖地區(qū)，快速城市建設(shè)與歷史空間疊置加劇了空間形態(tài)破碎化程度。

圖2 分維數(shù)指數(shù)及分維數(shù)指數(shù)熱點分析圖Fig. 2 Maps of fractal dimension index and fractal dimension index hot spot analysis

2.2 空間功能破碎化格局

針對建成區(qū)第三產(chǎn)業(yè)集聚特征，重點選取城市空間占用情況最為明顯的住宅小區(qū)，商業(yè)服務(wù)(餐飲設(shè)施、購物場所和休閑娛樂場所)和公共服務(wù)設(shè)施(醫(yī)院、學(xué)校)六類POIs數(shù)據(jù)進行區(qū)位熵分析。為更好地反映城市功能的空間破碎化特征，借助ArcGIS平臺對各類型POIs數(shù)據(jù)的區(qū)位熵進行熱點分析，以Gi_Bin字段識別統(tǒng)計顯著性熱點和冷點，并進行可視化表達(dá)(圖3)。

圖3 功能設(shè)施區(qū)位熵?zé)狳c分析示意圖Fig. 3 Schematic diagram of hot spot analysis of location entropy for functional facilities

首先，居住功能的空間破碎化特征在城市邊緣地區(qū)和城市雙中心的(火車站中心和平橋區(qū)人民政府駐地核心)鄰界地區(qū)表現(xiàn)尤其明顯，而在火車站以南中心表現(xiàn)出空間功能破碎低值區(qū)。居住功能空間破碎化分異特征背后反映出不同類型驅(qū)動力影響的結(jié)果。其中，空間破碎高值區(qū)反映為在城市外延擴張作用下以房地產(chǎn)項目為導(dǎo)向的功能填充；而空間破碎低值區(qū)反映為在城市功能內(nèi)涵提升作用下以商住一體為導(dǎo)向的商業(yè)空間開發(fā)帶來的老城區(qū)改造與更新過程。

其次，就商業(yè)服務(wù)功能來看，其中餐飲服務(wù)空間分布較為分散，以火車站為南北軸線，餐飲服務(wù)功能在軸線以西地區(qū)表現(xiàn)出較強的空間集聚特征。休閑娛樂功能表現(xiàn)出向心和離心雙集聚特征。從信陽市整體來看，休閑娛樂功能要素區(qū)位熵高值區(qū)離火車站中心地區(qū)較遠(yuǎn)；同時，平橋區(qū)行政中心西北方向斑塊內(nèi)部以休閑娛樂功能填充為主。購物場所空間分布內(nèi)向集聚特征明顯，但集聚原因有所不同。一是以火車站為核心的區(qū)域體現(xiàn)為以城市綜合體為空間載體的功能填充過程。故此，單從設(shè)施數(shù)量來看，該區(qū)域的商業(yè)功能填充能力要遠(yuǎn)大于居住功能。二是以浉河區(qū)人民政府東南方向、平橋區(qū)人民政府西北方向為代表的連續(xù)斑塊為代表的建材廣場和汽配城等專賣購物場所的建設(shè)。

最后，就公共服務(wù)設(shè)施來看，教育設(shè)施區(qū)位熵?zé)狳c出現(xiàn)在城市邊緣地區(qū)。而醫(yī)療服務(wù)設(shè)施區(qū)位熵?zé)狳c地區(qū)表現(xiàn)出中心性空間特征，分別以火車站核心和平橋區(qū)人民政府核心呈填充的高值區(qū)。

2.3 空間破碎化驅(qū)動機制

為探索城市空間形態(tài)破碎與空間功能破碎之間的聯(lián)系，以各斑塊分維數(shù)指數(shù)為因變量、各類型功能設(shè)施區(qū)位熵值為自變量進行地理加權(quán)回歸?；贏ICc方法對上述關(guān)系進行回歸模擬。結(jié)果顯示，各類型功能區(qū)位熵對斑塊分維數(shù)指數(shù)存在不同程度的影響，反映了參數(shù)在不同空間的非穩(wěn)定性特征。R2值顯示(圖4)，住宅小區(qū)和購物場所與斑塊分維數(shù)指數(shù)擬合程度較高，表示上述兩類功能對斑塊的填充能力較強，也反映出當(dāng)前信陽市建成區(qū)空間破碎化程度受商住一體化房地產(chǎn)開發(fā)項目的影響最大。

在規(guī)模外延擴張和功能內(nèi)涵提升的城市化進程中，信陽市建成區(qū)空間破碎表現(xiàn)出不同程度的空間異質(zhì)性特征。首先，居住功能對空間形態(tài)破碎化影響程度較大的斑塊出現(xiàn)在火車站中心和平橋區(qū)人民政府中心的鄰界地帶。該地區(qū)在歷史上屬于信陽市火車站核心的邊緣地區(qū)，以農(nóng)業(yè)用地和工業(yè)用地為主要類型。伴隨城鎮(zhèn)化建設(shè)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，以房地產(chǎn)項目為主導(dǎo)的內(nèi)部填充與破產(chǎn)企業(yè)撤離(如化工廠、肉聯(lián)廠、高壓開關(guān)廠等)，使得新開發(fā)項目與原廠職工家屬區(qū)相互重疊，增加了空間破碎化程度。其次，以餐飲服務(wù)、休閑娛樂和購物場所為代表的商業(yè)服務(wù)業(yè)表現(xiàn)出功能填充的空間差異。以購物中心、會展中心、博物館和劇場等城市大型項目建設(shè)成為填充城市空間的重要功能設(shè)施，并集中在新老城區(qū)過渡地區(qū)。購物場所對空間的功能填充來源于三種形態(tài)：一是商住一體化建筑；二是大型專業(yè)賣場；三是低質(zhì)購物場所。表現(xiàn)出兩種空間特征：一是在城市外圍地區(qū)的低質(zhì)集聚；二是在城市核心區(qū)通過商住一體化和大型商業(yè)集聚區(qū)建設(shè)形成了購物、娛樂和餐飲為一體的集聚中心。最后，以教育設(shè)施和醫(yī)療設(shè)施為代表的公共服務(wù)設(shè)施對空間破碎化的影響程度相對較低，一方面表現(xiàn)為公共服務(wù)設(shè)施在城市內(nèi)部相對均質(zhì)的供給特征；另一方面，教育和醫(yī)療空間對城市邊緣區(qū)空間破碎化的影響程度較大。

圖4 功能設(shè)施區(qū)位熵與分維數(shù)指數(shù) 地理加權(quán)回歸Local R2示意圖Fig. 4 Schematic diagram of location entropy and fractal dimension index geographical weighted regression Local R2 for functional facilities

總之，信陽市建成區(qū)空間破碎化影響因素呈現(xiàn)出新、老城區(qū)分化的特點。新城區(qū)受交通運輸項目、辦公商用建筑和居住項目建設(shè)影響較大；而老城區(qū)受“三舊”改造(舊廠房、舊村莊和棚戶區(qū))、辦公商用建筑和商住一體化項目建設(shè)影響較大。結(jié)合數(shù)據(jù)分析與信陽市情，從要素組織層面來看，研究認(rèn)為造成信陽城市空間破碎及其空間異質(zhì)性的驅(qū)動機制可概括為：首先，行政區(qū)劃調(diào)整的持續(xù)影響。信陽市從改革開放至20世紀(jì)末的20年間，地、市、縣三級政府同處一城，制約了信陽城市的統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)和發(fā)展，造成老城區(qū)城市形態(tài)不規(guī)則，地域空間被分割程度較大，空間功能不明確。其次，城市功能重組和空間重構(gòu)的雙重驅(qū)動造成新舊空間生產(chǎn)機制斷裂。新中國成立以來，信陽城市建設(shè)長期被定位為以輕工業(yè)、化學(xué)工業(yè)為主的中小城市格局。伴隨產(chǎn)業(yè)升級與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，以棉紡廠、塑料廠和化工廠為代表的輕工業(yè)退出歷史舞臺。同時，大規(guī)模再開發(fā)項目(包括商品住房和公共服務(wù)，以及商業(yè)和辦公空間)對上述產(chǎn)業(yè)空間進行重構(gòu)，造成城市新舊空間生產(chǎn)機制的斷裂，城區(qū)邊緣空間和過渡性地區(qū)破碎化程度加劇。最后，城市空間的非均衡發(fā)展造成部分地區(qū)的“隨機性增長”。囿于城市規(guī)模擴張和功能內(nèi)涵提升的階段性特點，土地區(qū)位條件較差的地區(qū)尚未進入開發(fā)范圍，逐漸成為城區(qū)的邊緣性空間。住房陳舊(以計劃經(jīng)濟時期的單位住房和個人自建住房為主)，公共服務(wù)設(shè)施落后，住戶老齡化，現(xiàn)代化商業(yè)場所缺失是當(dāng)前此類地區(qū)的基本特點。

3 結(jié)論

本研究從空間形態(tài)破碎化和空間功能破碎化及其兩者的相互聯(lián)系入手，展開對信陽市建成區(qū)空間破碎化的定量分析和機制研判。主要結(jié)論如下：

首先，信陽市新老城區(qū)空間形態(tài)破碎化程度不同。新城區(qū)空間形態(tài)破碎化程度低于老城區(qū)，其反映了在城市空間外延擴展過程中，新城區(qū)在城市規(guī)劃引導(dǎo)下，城市空間形態(tài)趨于規(guī)則。此外，信陽市城市空間功能破碎化異質(zhì)性特征明顯。其中，住宅功能以邊緣填充為主要特征；商業(yè)服務(wù)和公共服務(wù)均表現(xiàn)出不同程度的空間異質(zhì)性特征，其反映了土地利用功能存在一定程度的資源配置空間非均衡性特征。

其次，信陽市城市空間破碎化是歷史性與現(xiàn)代化共同作用的結(jié)果。當(dāng)前，信陽市仍處于轉(zhuǎn)型發(fā)展階段，計劃經(jīng)濟和市場經(jīng)濟初期的產(chǎn)業(yè)空間烙印、不同執(zhí)政理念疊加出的空間創(chuàng)傷、行政區(qū)劃調(diào)整帶來的空間破碎、不同利益主體對城市規(guī)劃的空間干預(yù)進一步加劇了空間破碎，阻礙了信陽這一中小城市社會空間協(xié)調(diào)發(fā)展。也就是說，信陽城市空間增長換擋、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與歷史空間消化三期疊加共同作用于空間破碎化程度的變化。

最后，在城市空間外延擴張和功能內(nèi)涵提升的雙重驅(qū)動下，以空間分割和空間填充為表現(xiàn)形式的城市建設(shè)均將表現(xiàn)出空間破碎化特征。一方面，不規(guī)則的街道圍合斑塊反映了地區(qū)隨機增長的可能，地區(qū)功能單一、低質(zhì)，存在被邊緣化趨勢。另一方面，規(guī)則的街道圍合斑塊多出現(xiàn)在城市新建成區(qū)域，該地區(qū)空間破碎化的主要問題反映在功能要素的不均衡分布及低質(zhì)填充。

通過街道圍合斑塊和POIs數(shù)據(jù)的定量分析能有效反映城市建成區(qū)空間破碎化的格局特征。然而，在城市空間破碎化測度方面，根據(jù)城市空間破碎化的特征，從景觀生態(tài)學(xué)“斑塊—廊道—基質(zhì)”的分析框架來看，本研究僅停留于對空間形態(tài)破碎和空間功能破碎的研究。如何建構(gòu)空間形態(tài)—空間聯(lián)系—空間功能的城市空間破碎化測度模型將是此類問題進一步推進的重點。