2. 华东师范大学 全球创新与发展研究院, 上海 200062;
3. 华东师范大学 崇明生态研究院, 上海 200062
2. Institute for Global Innovation & Development, East China Normal University, Shanghai 200062, China;
3. Institute of Eco-Chongming, East China Normal University, Shanghai 200062, China
空间异质性是生态学领域一个重要研究理论, 表现为生态学过程和格局在空间分布上的不均匀性及其复杂性, 强调种类组成特征及其空间分布与配置的关系[1]。这一思想在人文地理的多个研究领域中被引用, 在人口[2, 3]、土地[4, 5]、社区[6]、城市群[7]、商业模式与企业布局[8, 9]等方面做了较成熟的实证研究。
公共服务设施作为城乡社会经济发展的重要资源禀赋, 其空间分布与配置的异质性规律是认识城乡发展进程、优化城乡功能发展的重要基础。自20世纪90年代以来, 中国进入快速城市化阶段, 大规模新城开发和新农村建设频频陷入"鬼城"和"空城"的困窘[10-13]。转型时期作为人口、产业发展重要载体的公共服务设施, 其空间格局及配置的复杂性成为当前地理研究的难点和焦点。
研究内容主要集中于城乡一体化背景下城乡公共服务设施空间布局与配置[14]、均等化[15]、体育设施的优化布局[16]、公平供给[17]、空间差异[18]等方面。近年来, 北京、长春、武汉等大城市的商业网点[19]、养老或医疗设施的可达性[20, 21]、服务设施与人口城市化发展[22]、区域服务设施布局的均等化布局及其差异[23]、服务设施的配置与优化研究进展[24, 25]等方面关注较多。随着复杂网络科学的兴起[26-28], 王法辉、陈晨等人借助多中心评价模型(MCA)先后探讨了长春市、Baton Rouge的道路网络与商业服务设施、土地利用的空间配置关系[29, 30, 13]。此外, 在国外的相关研究中, 基于服务设施视角揭示城市贫困、收入差距等的空间错位现象[31, 32], 或是基于服务设施研究社会经济需求的空间差异等方面一直以来也是其研究热点之一[33]。一些乡村聚落的公共服务设施空间均等化及其评价也逐渐兴起[14, 18]。特别关于教育和医疗设施配套及布局均等化方面[34, 35]。
研究方法多采用GIS空间分析[19-21]、问卷调查[35]、社会经济统计分析[23]、复杂网络[29, 30]等方法来进行数据处理, 借助生成的空间分布图描述公共服务设施的空间分布或某功能服务设施的空间结构以及差异性, 也有人运用Voronoi对服务设施进行优化配置[36]; 然而其空间结构或是功能的探讨中缺乏多尺度多视角的研究, 对服务设施布局的不均衡性或集聚性进行定量化分析更是鲜见, 更遑论各类设施集聚的模式及其与周边设施关系的精准判定。
近年来随着上海建设2040全球卓越城市目标的确立[37], 深入研究当前上海内部经济复杂性及服务功能的差异性成为建设卓越城市的重要前提。公共服务设施作为城市各种资本流动的重要载体、城市服务能力的重要体现[38], 成为研究中较为可行性的分析对象。以往研究中, 对服务网点的研究多基于栅格尺度(500 m或1000 m), 利用核密度分析计算冷热点刻画服务网点的空间格局。然而, 服务设施的建立往往依据前期城市规划或区县发展报告的相关研究, 从服务范围来看, 基于行政区划(区县、乡镇/街道)尺度的服务是规划的重要考量因素。又由于服务网点在多尺度背景下研究不会存在数据精准度差异, 刻画多尺度、多视角巨型城市公共服务网点的不均衡性与格网尺度下的集聚模式以及各设施与周边同类设施布局关系的精准判定, 构建城市内部更为真实的资源分布格局, 可实现对城市公共服务空间理论的补充。基于此, 本文重在探讨区县——街道/乡镇——1 km栅格尺度下, 城市空间结构模式("单中心结构"或"多中心结构")在空间演化过程中, 各类型服务功能的空间差异与空间集聚呈现怎样的变化。通过服务设施网点分布的空间异质性研究, 能够从定性(网点空间结构)和定量(网点的空间集聚、差异)探讨上海市空间结构特别是部分服务设施多中心空间结构在历年加强或削弱的同时, 通过服务设施集聚性与差异性的变化, 进而推断其服务设施布局的均衡性变化。这也正是诸多学者一直以来探讨的一个主题:单中心或多中心的功能结构下服务设施是否实现更好的均衡性布局?换句话说, 这也为上海市独特的空间结构对服务设施均衡性布局的作用进行定性定量研究提供新视角, 为深入研究巨型城市服务功能差异化提供可行性参考, 也为大城市结构和功能优化实践提供支撑。
1 数据与方法 1.1 研究数据上海是中国的经济金融中心, 人口密度大, 服务设施健全, 能全面反映中国一线城市服务行业的空间异质性特点。因此, 本文以上海主城区为研究区, 范围包括黄埔、徐汇、长宁、静安、普陀、杨浦六个城区, 以及外环线内的浦东新区(部分外环线横穿乡镇/街道纳入研究区)。
研究数据来源于百度地图API。遵循代表性和准确性原则, 选择与居民生活息息相关且能体现城市发展代表性的公共服务设施。包括2016年金融(金融证券机构、银行网点等, 共6949个网点)、科教(幼儿、中小学、高校、科研院所、培训机构, 共7660个网点)、医疗(药店、社区医疗机构、中大型医院、心理咨询机构, 共4468个网点)、休闲(公园、景点、体育场等场所, 共17147个网点)、交通(公交、地铁站、停车场、码头, 共12767个网点)五大类公共服务设施网点, 共48991个。2007年主要包括金融(5437个网点)、科教(3415个网点)、医疗(3005个网点)、休闲(11543个网点)、交通(12421个网点)。
1.2 研究方法 1.2.1 空间差异测度(1) 基尼系数
基尼系数(Gini, 1912)用来表征区域内部某要素在空间上的差异性。按照联合国有关组织规定:低于0.2绝对平均, 0.2—0.3比较平均, 0.3—0.4相对合理, 0.4—0.5差距较大, 0.5以上差距悬殊。基尼指数通常把0.4作为收入分配差距的"警戒线", 根据黄金分割律, 其准确值为0.382。
(1) |
其中, G为基尼系数, xi、xj分别表示第x、y个单位内公共服务设施网点的个数。
(2) 锡尔系数
锡尔指数(Theil, 1967)衡量不平等的一个最大优点是它可以衡量组内差距和组间差距对总差距的贡献。
(2) |
式中, T为锡尔指数, yi和y为i的个体值和平均值。
1.2.2 核密度分析对五大类公共服务设施网点进行空间插值, 以便将各类服务设施网点的空间数据以连续的图示表达出来。
1.2.3 方向分布分析借助创建标准差椭圆来计算各类公共服务设施网点的空间分布、中心趋势、离散程度与方向趋势, 以揭示其空间发展方向与城市功能的主体范围。
1.2.4 圈层分析以上海市人民广场为圆心, 以2 km为半径不断做外推圆, 从中心—外围角度探讨各类公共服务设施网点的空间异质性特征。
1.2.5 最邻近系数最邻近距离法是用最邻近的点对间的距离描述点的空间分布模式。首先计算综合和各类公共服务设施的所有相邻网点的平均距离, 并与期望网点的距离相似性进行比较:
(3) |
(4) |
(5) |
式中, dmin表示任意一点到最邻近点的距离;
假设上海市公共服务设施网点分布呈现出由测算中心向周边地区的凝聚态格局, 可借助分形几何学测度确定半径r范围内公共服务网点总个数L(r)与半径的关系:
(6) |
式中, r为圆半径; L(r)为半径为r的范围内公共服务设施网点数量, L1为常系数, D为分维值。其中, D >1, 公共服务设施网点呈现自中心—外围的凝聚态分布或集聚分布。
1.2.7 空间自相关分析(1) 全局空间自相关
采用全局Moran's I统计测量各公共服务设施功能空间上的关联及其差异程度:
(7) |
式中, n表示网格的总个数, Wij为权重矩阵, Moran's I值域为[-1, 1], 正值表正相关, 负值表负相关, 0为随机分布。
(2) 局部空间自相关
采用局部空间自相关进一步度量单元格i与周边区域的空间差异及其显著程度, 进而识别各类公共服务设施的冷热点区和空间集聚特征:
(8) |
(1) 上海市主城区公共服务设施网点的空间分布随时间演化而出现显著变化。近9年发展中, 区县尺度下公共服务网点的基尼系数与锡尔系数都在显著减小, 从0.2—0.4下降到0.1—0.3;街道/乡镇尺度下其系数增大, 1 km格网尺度下综合公共服务设施网点的基尼系数和锡尔系数也呈现显著下降趋势(表 1)。
(2) 随研究尺度不断缩小, 公共服务设施网点的不均衡性表现愈加明显。其中, 基于县区划尺度和街道/乡镇尺度的基尼系数和锡尔系数最低, 介于0.1—0.4之间, 表明公共服务设施分布相较合理; 然而, 基于1 km格网尺度的公共服务设施网点的基尼系数和锡尔系数高达0.6以上, 映射出上海主城区公共服务设施网点格网分布极不均衡。
(3) 上海主城区公共服务设施网点高度集聚于少数人口密集、企业密布、交通发达的地段, 整体呈现核心—边缘的等级圈层结构且随空间演化该结构愈加稳定(图 1a、图 2a与图 3), 主要表现为:
一是, 公共服务设施网点高度集中于浦西城区, 这是城市发展历史累积作用的结果。由于浦西城区开发建设历史较早, 各种公共资源呈马太效应集聚于此; 而浦东开发起步较晚(20世纪90年代), 除浦东临黄浦江段外, 其它地区整体服务设施布局稀疏, 导致浦东地区服务设施网点密度明显低于浦西地区。
二是, 浦西与浦东城区内部公共服务设施网点布局差异显著, 呈现碎片化格局。其中, 浦西内部呈现"大集聚+小分散"的空间格局:公共服务设施网点分布高度连片, 呈团状集聚于静安寺-南京路一带, 并呈点状镶嵌于其周边的徐家汇、打浦桥、五角场地区。与之相反的是, 浦东内部则呈现"小集聚+大分散"格局:公共服务设施网点高度集中于陆家嘴及沿黄浦江地段, 而周围大片区域则成为公共服务设施侍服的空心地带。
三是, 从市中心到外缘, 综合公共服务网点密度呈梯度快速递减, 形成核心—过渡—边缘的等级三圈结构。静安寺—南京路—陆家嘴一线构成核心圈; 徐家汇、五角场等跳跃式镶嵌在核心圈周边, 属于典型的过渡带; 浦西外缘以及浦东绝大部分区域构成边缘区。之所以形成这样的分布格局与地租以及服务功能类别有关。在2007-2016年的空间演化过程中, 核心区、过渡区空间集聚显著增强, 边缘地带变化不大。
2.2 公共服务设施网点的空间集聚性(1) 除上述之外, 2007年至2016年上海市主城区综合公共服务设施网点的最邻近系数明显下降, 集聚分形维数从D>1的弱集聚下降到D=0.9显著集聚, 这说明了上海主城区公共服务设施网点的空间集聚性, 即呈现高度向心集聚, 且遵循距离衰减规律。Moran's I系数在近9年的演化中始终在0.7以上, 足见其显著的空间关联性(表 2、表 3)。
(2) 通过对2016年上海市主城区综合网点进行探索性空间分析, 发现高-高与低-低集聚为主要集聚类型。其中, 高-高集聚的热点区集中于4号地铁环线内区域, 并向东北方向的虹口足球场和西南徐家汇方向延伸至中环线附近。低-低集聚的冷点区遵循距离衰减定律, 主要分布在浦东城区的边缘地区, 呈现连片团状展布。少量高-低与低-高集聚区零星分布于"热点区"或"冷点区"周围, 表明在扩散作用占主导地位的区域边缘, 极化作用仍然比较明显(图 4)。
(1) 从空间统计来看, 各公共服务功能类型均存在不同程度的空间不均衡性。2007年区县尺度下交通、休闲类服务设施测度系数在0.4以上表现为空间分布的不均衡性, 1 km栅格尺度下各公共服务功能的基尼系数和锡尔系数均达到0.5以上, 差异最为显著; 2016年街道/乡镇尺度下金融类功能空间差异最显著, 高度集中于城市CBD, 1 km栅格尺度下各公共服务功能的基尼系数和锡尔系数也在0.5以上, 表明随研究尺度细化, 各公共服务功能类型的异质性程度变化与综合公共服务设施趋同。其中, 科教类与医疗类功能设施网点在区划尺度上, 分布相对均衡, 异质性并未显现, 但随着空间尺度细化, 其不均衡程度剧增, 达到最高水平。值的注意的是, 随空间演化, 区县尺度下各功能服务类型的基尼系数、锡尔系数均出现大幅减小, 而街道/乡镇、1 km栅格尺度下其系数变化并不大, 说明相比区县尺度下的测度研究, 在近9年的城市化进程中街道/乡镇、1 km栅格尺度下各类型服务设施的空间差异变化幅度较小(表 4、表 5)。
(2) 从空间形态来看, 休闲、医疗、科教、金融与交通五大类公共服务功能设施空间形态异同并存(图 1b-1f、图 2b-2f)。
一方面, 五类公共服务设施在空间上都呈现多中心结构, 且在2007-2016年其多中心性空间结构稳定性加强, 并以科教与医疗类多中心化程度最高。城市化进程中, 服务设施作为资源要素加速流动的重要载体, 其空间分布的结构特点影响城市社会经济的发展, 而图示中各功能服务设施的多中心化体现了上海综合效益最大化的城市发展战略。众多中心主要集聚在内环线以内, 呈跳跃式镶嵌集聚于黄浦江两岸, 这是社会经济、交通区位、自然环境和历史发展等因素共同作用的结果。这些团状和点状的公共服务设施集聚中心, 发展初期因水而兴, 依托黄浦江与苏州河水运快速生长。同时, 其道路网络发达、交通便捷, 客流量大, 是服务行业布局的优先区位; 通过磁石效应不断吸引人才、知识、信息等资源高度集聚, 进而促进传统老字号或新兴服务行业纷纷汇集于此。
另一方面, 金融类和休闲类功能布局遵循级差地租分异规律, 从核心到边缘网点密度和规模逐渐减小, 呈现典型的等级圈层结构。而医疗类与科教类却由于占地面积、租金、服务性质等多方面影响, 并未在市中心圈层形成大规模、高密度的集聚, 反而是跳跃式地展布在内环线以内, 尤其是医疗服务类。
(3) 从圈层分析来看, 2016年上海市主城区金融、交通和休闲类公共服务设施网点的密度自中心向外围梯度递减, 遵循距离衰减规律; 公共服务高度集中的主中心主要布局在一二圈层, 多个副中心出现在第三至五圈层。而科教类与医疗类则呈"先上升后下降"的态势, 其密度峰值出现在第二圈层, 主要包括非盈利机构如上海电视大学、上海开放大学、上海工商学院、上海第二工业大学、上海交通大学药学院等高等院校以及昂立智立方、艺术学校等教育培训机构, 以及大量三甲医院、药店等(图 3)。
(4) 从方向分布来看, 2016年上海市主城区五大类公共服务设施网点均沿"东北——西南"走向展布, 呈现带状集聚"形态。"西南"端主要指黄埔、静安区交界及其附近, 一直以来都是上海城市发展的CBD; "东北"端主要指浦东新区自贸区及与之隔江相望的杨浦区。其中, 交通类与休闲类网点分布形态相较更狭长, 而医疗、金融、科教类集聚走向较前两者更趋一致性。总的来看, 整个城市基本服务功能主要集聚(包含68%以上的网点)在以上海市中心为圆心的"东北——西南"走向(图 5)。
(1) 比较各公共服务功能类型的最邻近系数和集聚分形维数, 发现各功能网点均呈现不同程度的邻近集聚与向心集聚态势。其中, 金融类网点集聚程度最高, 最邻近系数不到0.3(仅次交通类), 拥有最小集聚分维数(2007年0.9235、2016年0.7603), 表明其网点布局既倾向于"扎堆抱团"集聚, 也高度凝聚于市中心。而科教、医疗、休闲类集聚程度则相对较低, 表现出一般性邻近集聚和弱向心集聚。值得一提的是, 交通类网点于2007年拥有最小的最邻近系数(0.0738)和最大的集聚分维数(1.1953), 于2016年拥有最小的最邻近系数(不到0.069)和第二大集聚分维数(1.0391)一定程度说明其布局呈现类似金融类的强邻近性成群集聚和类似科教类的弱向心集聚(表 2、表 3)。
(2) 五大公共服务类网点全局Moran's I均介于0.4- 0.8, 呈现中高度的全局空间正相关, 广泛发育典型的高—高和低—低集聚。其中, 2016年上海市主城区五大服务类网点的高—高集聚热点区和低—低集聚冷点区分布高度一致; 热点区主要集中于4号地铁环线围成的内环区域, 冷点区则延展于主城区的北部和东部边缘, 呈月牙形半包围圈(图 4)。
具体而言, 交通、金融、休闲类服务网点高-高集聚的热点区均以4号地铁环线围成的内环区域为中心呈不同程度和方向的伸展。其中, 交通类热点区范围最大, 在北、西以及东北方向的热点区与中心热点区呈连片团状或链条状相衔接, 保证了地理空间的连续性; 金融类热点区则沿着中山北路内环高架呈连片团状扩张, 部分镶嵌于五角场的中环路, 但密度远低于市中心陆家嘴商圈。而科教类因陆家嘴金融类的强挤出效应, 往往围绕陆家嘴商圈周边镶嵌式集聚。医疗类网点则以汉中路为核心, 呈南北向两翼伸展。
金融、科教、休闲类的低—低集聚冷点区与综合类分布相似, 主要集中于浦东区的北部和东部, 沿长江与海边连片成带状延伸。而医疗类与交通类则呈现一致的碎化片状+零散点状相间的格局。
科教、休闲、交通和医疗类功能网点均发育零星的高—低集聚与低—高集聚式的"逆生长点", 且比综合类数量更多, 而金融类未出现类似"逆生长点", 一定程度印证了金融服务设施的强集聚性。
3.3 公共服务功能分布与社会经济发展本文通过链家网、百度地图API以及DMSP/OLS获取上海市主城区小区空间分布、公共交通站点数据以及夜间灯光数据。通过小区的数量、密度能够较为客观映射出当前上海主城区人口数量的空间分布; 公共交通(公交、地铁)是城市交通的主力军, 通过公交站点、地铁站点在空间上的分布能够在一定程度上刻画出上海市主城区交通便捷程度; 夜间灯光能够从侧面映射出城市化进程。因此将人口、交通、夜间灯光作为反映2016年上海市主城区社会经济发展的部分指标(表 6)。
(1) 城市交通与五类功能型网点及综合类网点的相关程度最高, 其次是人口。城市交通与各类服务网点的相关系数基本超过0.5, 其可达性与流动性与城市各类公共服务设施网点空间布局最为密切, 尤其是金融与休闲类(与城市交通的相关系数均超过0.6)。其中, 城市主干道和高架、轻轨和地铁路线与其发展可谓"唇齿相依"。
(2) 城市夜间灯光与综合服务和各类服务分布都呈显著性正相关, 且金融与夜间灯光的相关性最强, 其次是交通与休闲类。夜间灯光是城市社会经济活动的侧面反映, 一般而言, 夜间灯光值越高则经济活动强度越高。金融、休闲和交通类服务网点是城市夜间经济活跃的主体, 因而与夜间灯光强度值的相关性较高。
(3) 交通、休闲、科研类服务网点分布与人口规模的相关性最为显著。城市人口通常会更倾向于集聚在交通便捷、教育资源丰富、休闲活动场所较便捷的区位。
4 结论当前上海市区公共服务设施的空间结构呈现集聚与扩散并存的空间特征, 是典型核心—过渡—边缘的等级三圈结构。静安寺—南京路—陆家嘴—线构成核心圈, 徐家汇、五角场跳跃式镶嵌在核心圈周边, 属于典型的过渡带, 浦西外缘以及浦东绝大部分区域构成边缘区; 功能上由于社会经济、交通区位、自然环境以及历史发展等综合因素的作用, 五大类服务设施的功能分布存在显著的共性与差异。共性主要表现在五大公共服务设施的多中心化的空间形态以及"东北—西南"的空间分布; 差异性体现在不同设施的圈层结构与集聚模式。其中, 科教类与医疗类在中心—边缘过程中呈现先上升后下降的趋势, 是典型的弱向心集聚, 而金融类网点遵循地租的差异性分化, 是典型的强邻近性集聚。值得注意的是, 在近年的空间演化过程中, 区县尺度下各类型服务设施空间差异在逐渐减小, 但街道、栅格尺度下各服务网点的空间差异并未随城市化的发展而减小, 如即使科教、医疗类设施多中心空间结构增强的过程中, 仍出现空间差异扩大、集聚性增强的特性, 这与城市多中心空间结构促进设施均衡化布局的构想相反。城市交通作为居民出行的重要方式, 在近年来的空间演化中, 街道尺度下的基尼系数、锡尔系数并未随城市交通规划的完善而降低, 呈现出反弹式增长, 映射出当前上海主城区交通规划忽视边缘地带街道的交通发展。
尽管上海多中心化的空间形态在一定程度上抑制了区域差异的扩大化, 但依旧是内环内部区域的多中心化。上海市区的边缘地带以及浦东绝大多数地区(除临近黄浦江区域)仍缺乏公共服务设施的空间支撑, 特别是浦东大多数区域对市中心的医疗、科教、休闲等需求有着较高的依赖。近年来上海市政府加大对浦东地区的推动发展, 但马太效应"引起的市中心各种资源的集聚速度远大于政府对边缘地带的推动速度。今后很长一段时间上海中心地带的"马太效应"会继续发挥着"强者愈强"的集聚效应, 与此同时, 上海科创中心的建立也会加速科研等服务功能的空间扩散, 特别是随着浦东新区的张江科技园与外高桥保税区的进一步发展, 其周边对公共服务设施的需求继续增加, 空间方向分布很可能在原来的基础上向东偏离, 促使城市功能的空间升级。但政府在力求多中心化缓解中心城区部分功能的同时, 应该从着重从街道尺度予以考量, 而不再单纯侧重栅格尺度的环线距离、商务中心距离等几何位置, 注重街道/乡镇尺度上的均衡化发展, 试图"釜底抽薪"式引导公共设施的合理规划, 切实提高居民生活便利。
城市内部格局与过程的异质性一直以来颇受学者关注, 特别是随着城市化进程的加速, 城市公共服务设施的真实形态与空间结构功能成为学术界讨论的热点。尽管基于服务网点的研究分析不能完全反映出城市空间功能, 但服务网点代表了城市内部详实的空间要素数据, 能够在某种程度上揭示公共服务网点的集聚与扩散状态以及多中心的发育水平, 实现对城市公共服务空间的补充, 也为大城市结构和功能优化提供支撑。
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