解释城市密度趋势：全球评估引导城市人口密度变化的因素

《Land Use Policy》：Explaining urban density trends; a global assessment of the factors that steer changes in urban population density

　　

摘要

城市扩张在很大程度上取决于城市人口的变化以及新居民定居的密度。因此，对未来城市面积变化的评估依赖于人口和密度预测。虽然前者已较为成熟，但后者所获得的研究关注相对较少。为填补这一空白，研究人员构建了一个涵盖全球大多数国家的时间序列，描述了城市人口密度及若干解释变量。通过采用带有国家固定效应的面板回归方法，研究人员解释了密度水平随时间变化的变异。结果表明，城市密度随城市总人口的增长而增加，并随城市化水平的提高而降低。然而，当城市人口比例进一步增加时，后一种效应会减弱。这些结果表明，随着城市人口份额的增加，城市密度会经历一个上升、下降并最终趋于稳定的序列过程。这一序列可以与城市化、郊区化以及最终再城市化的相继发展阶段相关联。然而，在研究人员的时间序列中，后一阶段仍然罕见，因为只有少数国家达到了相应的高城市化率。此外，研究人员发现，城市密度随着人均国民收入的增长而降低。这可能表明，更高的收入使得郊区化能够向更分散的城市区域扩展，并伴随更大的住宅，同时也可能与较小家庭户的出现以及工业、商业等非住宅部门的增长有关。相反，城市密度随着农业土地价值的提高而增加，研究人员用一种新颖的初级生产强度变量作为其代理指标。研究人员利用其解释性结果，按照一种普遍应用的社会经济情景（SSP2），确定了各国特定的未来城市面积，并认为全球城市总面积在2015年至2100年间可能增长两倍。

论文解读

1. 研究背景与问题

超过全球半数的人口目前居住在城市地区，且这一比例预计在2050年将超过三分之二。城市在面临人口增长压力的同时，过去几十年间全球建成区面积快速扩张，在约25年内翻了一番以上。尽管建成区土地占地球陆地区域面积不足1%，但其对气候、生物多样性、水文和生态系统却产生了不成比例的负面影响。与自然区域向农田转变等其他较易逆转的土地利用转换相比，城市转型往往更具持久性和长期效应。由于城市人口预计将进一步增长，城市化区域的持续扩张已可预见。

然而，当前不同研究及模型对未来城市变化的估算存在显著差异，以SSP2和A2等常规情景为例，到2050年全球城市总面积预测范围介于0.7至190万平方公里之间。未来城市面积估算的不确定性主要源于三个组成要素：当前城市面积的定义与制图、未来城市人口的预期变化，以及假设的人均未来土地占用。其中，第三个要素也是探索最少的组成部分。城市人口密度的变化——通常以人均城市土地占用为其倒数形式——在不同区域间差异显著且其未来状态高度不确定。现有研究虽然开始采用面板回归等方法来解释驱动因素与密度变化之间的关联，但令人惊讶的是，这些研究所报道的预测结果却比早期评估分歧更大，即使它们使用了相同或极为相似的数据集和人口预测。

研究人员提出，这些分歧的估算源于对城市人口密度复杂的时空变化理解有限。例如，1990年至2014年间全球200个城市新增人口中平均约有25%被容纳在其1990年的建成区内，其余75%则以较低密度扩展了城市面积，这表明全球范围内密度正在下降，但各大陆和国家之间存在显著的地方差异。密度下降单独就可能造成约12.5万平方公里的城市土地转换，约占1975年至2015年间总建成区扩张面积的40%。城市密度变化的驱动因素通常针对个别城市或某一选择范围进行研究，而在覆盖所有城市区域的全球尺度上研究较为缺乏一致性。因此，有必要深化对城市密度变化驱动机制的理解，以支持全球城市面积增长的评估。

2. 研究内容与结论

本研究利用覆盖全球的空间数据面板，对40年间城市人口密度的变化进行了实证分析。研究人员探索了衡量既有驱动力的新方法，并利用现有新数据集，编制了一套在国家层面上涵盖城市密度及相关驱动因素的广泛时间序列。具体而言，采用2023年版全球人类居住层（GHSL），该最新版本利用改进的卫星影像，以前所未有的10米精细分辨率绘制建成区表面，覆盖了建成区面积强劲增长的较长时期。与以往研究不同，本研究聚焦于解释城市区域的人口密度，而不是将所有建成区人均土地占用作为对象。

研究人员遵循归纳方法，利用大量观测数据的实证分析来检验源自文献的假设。研究发现，随着城市人口份额的增加，城市密度呈现上升、下降并最终稳定的序列趋势。增长的城市人口将导致城市密度增加，但随着城市化进程的成熟，城市密度趋于下降。人均国民收入的增长与更分散、人口密度更低的城市区域相关。特别高产的农业（或其他非城市）土地，以初级生产强度来衡量，似乎会产生较高的城市密度。这些发现与Van den Berg等人（1982）提出的城市发展阶段理论所推断的密度变化相吻合。

研究人员利用其解释性模型，从共享社会经济路径（SSP）情景中获取解释变量的未来条件，推算出未来的全球城市面积。基于SSP2情景的预测表明，全球城市总面积将从2015年的约40万平方公里增长至2100年的约120万平方公里，增长两倍。这一预测结果支持全球综合评估模型研究城市扩张对农业、生物多样性或自然灾害暴露度的影响。该论文发表于《Land Use Policy》期刊。

3. 主要技术方法

研究人员构建了一个覆盖148个国家的宏观面板数据集，时间节点为1975年、1990年、2000年和2015年。城市面积与城市人口数据来源于GHSL R2023版本，该数据集基于高分辨率卫星影像与定居点和建筑边界复合数据集，在10米分辨率格网上确定建成区表面。研究人员采用1×1公里分辨率的建成区表面栅格，将建成区比例超过20%临界份额的像元分类为城市像元。经济变量取自世界银行的世界发展指标数据库，其中购买力平价（PPP）调整的国内生产总值（GDP）数据在1990年前的部分通过SSP数据库获取以填补数据缺口。初级生产强度（PPI）由世界银行数据与联合国粮食及农业组织（FAOSTAT）数据结合构建，将农业、渔业和林业占GDP比例与GDP|PPP结合得到国家绝对农业产出，再除以可耕地总面积。分析采用带有国家固定效应的面板回归方法，控制了海拔、气候条件等所有时间不变因素，标准误在国家层面进行聚类。

4. 研究结果

4.1 描述性统计与总体趋势

城市密度在观测期内呈现出显著趋势。研究人员发现，所有国家平均的城市密度随时间推移而增加，这与密度正在下降的观点形成对比。各解释变量中部分呈对数正态分布，在纳入回归之前先取自然对数以保持模型内的线性关系。城市面积、城市人口、城市密度、GDP|PPP、人均GDP|PPP、城市人口比例和PPI等变量的描述性统计结果如表1所示。

4.2 面板回归结果

基准模型（列1）表明，城市总人口与城市密度呈正相关，即城市总人口增加的国家往往其平均城市密度也会增加。而较高收入则与较低密度相关，这与国家变得更富裕时可能采用低密度发展模式的预期相符，该过程可能与家庭规模减小、对更大住宅的偏好以及商业或工业建筑的发展同时发生。纳入城市人口比例后（列2），该变量的负系数意味着随着国家城市化程度提高，密度下降。同时，城市总人口的估计效应显著提高。综合发现，不断增长的城市总人口对应于城市密度随时间的增加，但随着城市系统成熟——以更高城市人口比例为标志——城市扩展更加分散，城市密度降低。加入城市人口比例的二次项后（列3），后一种效应更为显著。二次项系数为正，表明城市人口份额的影响随着该比例达到更高值而减弱。估计表明，当比例约为0.8时影响趋于稳定甚至可能转为正，这暗示向再城市化发展阶段的转变。然而，在观测范围内较高城市人口比例较为罕见，因此无法完全确定这类高度城市化国家的密度发展。包含PPI变量的模型（列4和列5）显示了一个较小但显著的正向效应，表明农业用地生产力更高的国家城市密度有所增加，即生产力较高的非城市土地所有者更有能力抵抗城市扩张，从而促使城市地区以较高密度发展。

4.3 模型验证与稳健性检验

为说明分析结果，研究人员将六个代表性国家的观测密度值与首选模型预测值进行比较，模型能够较好地捕捉不同轨迹，包括尼日利亚的持续增长、德国的持续下降、美国的平稳状态以及巴西的先增后减趋势，仅印度存在较大偏差。为验证方法的可靠性，研究人员进行了多项稳健性检验：放宽国家筛选标准，纳入城市面积较小（<10平方公里）的国家后结果无显著变化；排除中国、美国、日本等城市面积特别大的国家（>1500平方公里）后结论依然稳健；剔除准确性较低的1975年观测数据后，回归结果与原始结果相似，表明原始发现未受这些潜在不准确性的强烈影响。

5. 讨论

城市密度的渐进变化是解释城市扩张的一个主要因素。研究表明，人口的规模和分布是影响城市密度的最大驱动因素。城市总人口的增长将导致城市密度随时间上升，而城市人口相对份额的增加则导致城市密度下降，后者可归因于与郊区化阶段相关的城市面积快速扩张。随着国家成熟到更高城市人口比例，城市人口份额的影响逐渐减弱，表明与郊区化相关的低密度发展缓慢消退。人均收入的增长与城市密度下降相关，这可能因为较富裕的城市人口需要更多城市空间用于住房或其他服务。总体而言，这些发现证实了研究人员从Van den Berg等人（1982）理论化的城市发展阶段中推断出的城市密度变化。

研究人员还引入了一种新的非城市土地租金衡量指标——初级生产强度（PPI），其等于一个国家的总农业产出，代表非城市土地使用者在面对城市扩张时的抵抗能力。研究发现了一个较小但显著的效应，表明非城市土地生产力较高的国家有动力创造更密集的城市空间。然而，初级生产强度仅是影响土地价值的因素之一，其他因素还包括规划限制、习惯土地权利或其他非城市土地需求。

6. 结论

利用城市密度模型，研究人员确定了社会经济情景下各国特定的未来城市面积。通过将既有关系与“中间道路”情景下解释变量的预期未来条件联系起来，研究人员估计全球城市面积将从2015年的约40万平方公里缓慢饱和增长至2100年的约120万平方公里。此类预测可支持全球综合评估模型研究城市扩张对农业、生物多样性或自然灾害暴露度的影响。基于本研究结果，随着全球人口日益富裕和城市化程度提高，全球城市面积预计将继续扩张。如果这种扩张不受约束，其长期后果虽不在本研究范围内，但很可能对可持续发展目标产生重大影响。成功引导地球城市空间发展的政策必须建立在对影响城市密度趋势因素的坚实理解基础之上。