城市群是城市发展到成熟阶段的高级空间组织形式，是参与全球竞争的战略高地和中国新型城镇化的主体形态^［1］。中国已进入城市群主导的空间增长新阶段^［2］，其发育的多样化、战略目标的多元化，要求治理方式精准化^［3］。黄河流域作为国家战略单元，目前已形成了3个区域级城市群和4个地区性城市群，城市群面积约85.69万km²，占流域9省（区）的24.01%，但经济指标贡献度为60%~80%，是全流域高质量发展的重要支柱 ^［4］。2021年中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》明确提出要构建“一轴两区五极”发展格局，并强调要防止城市“摊大饼”式无序扩张。然而这7大城市群在发育水平、空间结构等方面均存在差异，许多城市群实际上是在盲目跟风的背景下纳入国家战略，违背了城市群发展的一般规律，行政驱动下的多核心、跨省区分布特征实质上影响了城市群的健康发展。因此，识别城市群空间扩张模式和形态特征，并进一步检视其与空间结构之间的关系，对合理控制城市蔓延式扩张、明确城市群的引导方向、促进城市群高质量发展具有重大的战略意义。

中国城市群按空间组织模式可大致划分多中心、单中心和双核心城市群 ^［1，3］，或依据形态-功能组合划分为4种类型^［5］。作为一个复杂的地表过程，城市群由于发育水平和空间结构不同，在扩张强度、速度、形态、模式等方面均存在异质性^［6-8］。不同城市群的空间形态千差万别，但其空间扩展模式却遵循着内在规律^［9］，总体来看，其空间增长形态主要可以划分为圈层式、飞地式、轴间充填式和带形扩展式^［10-12］，或填充型、边缘型和飞地型等^［13-15］，其中填充式和边缘式扩张是最普遍的模式。又存在单中心、多组团、轴向式扩张^［16］，单核扩展模式和点-轴扩展模式^［17］。随着城市化的推进和扩张加剧，许多城市不再单纯地以某种单一模式为主，而是同时兼有不同模式^［18］。城市群空间演化是在自然生长力、政府调控力及市场驱动力交替主导、共同作用下进行的^［19］，政府顶层设计和规划对城市群形成往往产生强大的推动力，在这样的背景下，许多城市群出现跨省区分布现象。这些城市群旨在以中央行政协调力量冲破行政边界的屏蔽效应，实现城市分工协作、资源共享的跨省协同^［20］。然而由于各地资源禀赋差异和各级政府之间的复杂关系，城市群交界地区不可避免地存在行政边界效应，并且在不同发展阶段影响空间扩张强度和方向选择 ^［21］。

从方法论上讲，当前定量识别城市空间扩张的方法有凸壳模型方法^［22］和公共边测度方法^［23-24］。凸壳模型简单直观，适用于宏观大区域尺度，对城市内部扩张模式识别的指导意义不强；公共边测度方法则对单个城市扩张模式的识别有优势^［25］。城市群作为中尺度区域，夜间灯光数据能够反映各类社会经济要素的强弱，且时间跨度大、数据范围广，在城市空间扩张研究中占据重要地位^［26］。鉴于此，我们重新定义城市群空间结构，并选择双核心-双省份城市群（兰西城市群）、单核心-单省份城市群（宁夏沿黄城市群）为案例，使用整合时间序列连续的夜间灯光数据，系统研究两大城市群的扩张模式与形态特征，比较分析城市群结构是否影响城市群的扩张，为黄河流域城市群高质量发展提供科学依据，为空间管制提供决策依据。

黄河流域目前有3个区域级城市群（或成长型城市群）和4个地方性城市群（或培育型城市群）。与发育成熟的长三角、珠三角和京冿冀城市群相比，兰西城市群和宁夏沿黄城市群尚处于发育初期，两城市群均位于黄河上游地区，均为培育型城市群和地方性城市群，两个城市群在区位、水平等方面具有一定的可比性。不同的是：兰西城市群横跨甘青两省，以两个省会城市（兰州市、西宁市）为核心，是双核心-双省份城市群；宁夏沿黄城市群仅局限于宁夏回族自治区，仅以首府城市银川为核心，为单核心-单省份城市群。因此论文选择两城市群为研究对象，系统剖析城市群空间扩展过程，并进一步探究其空间结构是否影响空间扩张模式与形态。

主要数据为2000—2020年夜间灯光数据（DMSP/OLS），来源于美国国家地球物理数据中心（https：//www.ngdc.noaa.gov/），分辨率为1 km。城市建成区面积统计数据来源于《中国城市统计年鉴》《中国城市建设统计年鉴》。选取不变目标区域法^［26］，对DMSP/OLS数据进行校正，得到长时间序列数据。基于夜间灯光数据提取城市建成区信息有4种方法——城市轮廓突变检验法、经验阈值法、高分影像数据空间比较法、统计数据比较法^［26］，前3种方法均是通过影像相互验证或凭借经验判断验证，城市建成区统计数据是城市行政主管部门实际统计的结果，更具权威性和连续性（但空间体现不足）。因此选取统计数据比较法作为城市空间信息提取方法，借助Matlab软件，运用二分迭代法，快速获取每个城市的空间信息。

用二分迭代法快速计算获取阈值：

式中：DNmax和DNmin分别为t年某地区灯光影像像元最大灰度值与最小灰度值；DNt为该区域灯光影像的潜在阈值。

用最接近统计数据的阈值重分类夜间灯光影像，得到城市群建成区面积：

基于阈值二分法提取的建成区面积值在数值上可能存在误差，因此用统计数据比较法进行精度检验：

式中：e表示误差；S_ext表示提取面积；S_sta表示统计面积。

经检验，最大提取误差为8.33%，最小为0.00，平均误差为0.60%。对比相关学者的提取精度，本文总体提取精度较高，能够满足研究需要。

一般而言，城市扩张都是在原有建成区的基础之上采用蔓延式和飞地式发展。借用景观生态学方法^［27-28］，通过确定现有城市用地（斑块）与新增城市用地（斑块）之间的空间位置关系及组合特征，就能够清晰地刻画空间扩张模式和形态特征。通过计算景观扩张指数（LEI），将扩张模式划分为填充式、边缘式和飞地式。

式中：LEI是新增城市用地斑块的景观扩张指数；A₀是新增用地斑块缓冲区与建成区用地斑块的相交面积；A_v 是新增用地斑块缓冲区与非城市用地斑块的相交面积。LEI=0为飞地式；0<LEI≤0.5为边缘式；0.5<LEI≤1为填充式。

景观格局指数描述多个时相景观格局的变化过程^［29-30］，可以揭示城市空间扩张过程中的形态特征。选取斑块个数（NP）、斑块结合度指数（COHENSION）等指数，来测评城市空间扩张形态特征（表1）。

2011年后两大城市群均处于加速扩张期，兰西城市群扩张强度高于宁夏沿黄城市群，但均以边缘式扩张为主，飞地式扩张为辅。兰西城市群2011—2015年更偏好飞地式扩张，2016—2020年更偏好边缘式扩张，宁夏沿黄城市群则大致相反。

在扩张不明显的2000—2010年，两大城市群基本以边缘式扩张为主，2011年进入快速扩张期后，飞地式扩张取代填充式，成为仅次于边缘式的扩张类型（图1）。随着城市等级（核心城市—节点城市—一般城市）下移，扩张类型趋于简化，基本为边缘式或飞地式为主（表2）。兰西城市群中，节点城市（白银和定西）边缘式和飞地式扩张均有表现，而海东市仅表现在飞地式扩张上。宁夏沿黄城市群中，各级城市的各类扩张模式均有所表现。这说明双核心-双省份城市群的空间扩张目前还仅仅局限在有限的城市，而单核心-单省份城市群能够兼顾各级城市，意味着跨省区分布特征一定程度上影响了城市群空间结构进一步优化。

兰西城市群是一个典型的双核心-跨省区城市群，共涉及9个市州、30多个县区，总面积9.57万km²，在地方经济发育普遍不足、产业结构雷同、城镇化水平低下，而行政区经济惯性较强且地理空间跨度大的背景下，两省只能将发展的重点放在有限的核心城市上，因此城市空间扩张主要围绕两大核心城市呈边缘式扩张（图2）。由于规模效应差别，兰州市的扩张强度一直高于西宁市，2006—2010、2011—2015、2016—2020年，兰州市分别扩张34.25、71.50、106.00 km²，同期西宁市扩张分别为32.50、59.75、58.00 km²。飞地式扩张主要出现在2016—2020年的兰州市，共扩张45 km²，这与兰州新区的设立相关，从2012年设立至2018年，兰州新区新增建成区面积达79 km²，尤其是2013—2015年就多达44 km²，年均扩张14.6 km²。兰州都市圈内的节点城市定西市2011—2015年也存在大量飞地式扩张（共13.50 km²），同样与新城设立有关（2006年定西市决定设立新城区，规划面积达10 km²）。2015—2020年西宁市建成区面积由128 km²增加到208 km²，城市空间实现战略性拓展，从内向外形成核心圈、居住圈和休闲圈。2013年2月，撤销海东地区，设立地级海东市，市政府由平安县（今平安区）迁至新成立的乐都区。为了响应市政府搬迁和一主两副（多巴新城、河湟新区） 、组团（多巴、鲁沙尔、南川、北川组团）发展的大西宁都市圈发展要求，2016年8月西宁市政府批复了《多巴新城战略规划》，规划建设用地33.9 km²；2018年9月，青海省委省政府正式批准设立海东河湟新区，规划总面积达58.25 km²。因此海东市在2011—2015年飞地式扩张15 km²，2016—2020年边缘式扩张43.25 km²。在核心城市扩散效应尚未形成而剥夺效应强烈的背景下，其他城市（尤其是城市群边缘区的城镇）很难得到发展机会，相反伴随着乡村和城镇人口的流失进一步削弱了城市发展的机会。这表明兰西城市群双核心-跨省区分布特征对空间扩张的底层影响。

宁夏沿黄城市群作为单省份城市群，2000—2010年边缘式扩张占比不断增长，而飞地式与填充式扩张占比不断下降，新增用地集中于核心城市银川市；2011—2020年，飞地式与边缘式扩张仍占主导地位，尤其是2016—2020年飞地式扩张非常突出，边缘式扩张达108.5 km²，占整个城市群扩张面积的57.87%，飞地式扩张61.75 km²，占32.93%（图3）。主要的贡献者是银川市， 2009年《沿黄经济区城市带发展规划》提出一核、两翼、两轴的城市空间结构，银川城南片区新建商业综合体、银川文化园，2012年又设置银川滨河新区（西距银川市中心17 km），规划区总面积约275 km²，导致2011—2015年飞地式扩张就达18 km²，贡献了扩张面积的13.61%。

兰西城市群并不是按城市群发育规律由单核心演化而成的双核心城市群，而是政府“规划”的结果，因此与单核的沿黄城市群相比，均表现出发育初期的扩张特征，即以外延式和飞地式扩张为主。尽管兰西城市群两大核心城市之间存在着较为发达的国家级骨干路网（兰青线、兰青高铁以及西兰高速公路等），但没有出现类似于成熟型城市群的空间扩张模式（即沿交通线形成轴向带状扩张或轴向填充式扩张）。外延式和飞地式扩张仍主导了培育型城市群的空间扩张方向，而与是否跨省分布并没有直接的关联性。

为何会表现出这样的空间扩张过程与模式？城市扩张阶段论认为，在城市发展的初期，往往以外围扩张（边缘式扩张）为主，其目标是先做大“底盘”，随着扩张过程继续，逐渐填充已有城市用地之间的空隙，即聚合。当城市空间受限（尤其是受地形强烈约束），或者为了谋求新的发展空间，或受政策驱动（尤其是中国各类产业园区建设和新城、新区建设）时，往往选择飞地式扩张。在城市群发育的初级阶段，极化力量占主导，因此城市群发展的重心必然集结于核心城市，在规模经济和集聚经济的强烈诱导下，人口和经济要素向核心城市进行高强度聚集，为了解决空间载体问题，核心城市率先扩张并逐渐形成中心-外围圈层式结构，边缘式扩张成为主体表现。人口和经济活动不断向心聚集的结果，虽然强化了核心城市的“引擎”地位，但同时加剧了与“空间资源”局限性的矛盾，迫使政府采取“疏解”行动将城市非核心功能向外围区（甚至是边缘区）引导，从而带动人口和产业向外围疏散，绝大多数情况下通过设立新城（新区）来完成，从而引发大规模的飞地型扩张。为了解决中心城市（老城区）与周边毗邻新城（新区）的连接问题，开始修建快速交通（网），现代交通、通信技术降低了空间摩擦力，形成时空压缩效应，于是在交通沿线形成填充式扩张（或轴向式、组团式扩张），出现扩张-回填效应。

城市群空间演化是在自然生长力、政府调控力及市场驱动力交替主导、共同作用下进行的^［31］，但行政制度的空间红利，远超市场竞争的绝对劣势^［32］。当城市群跨省分布时，由于不同行政区的发展具有非常明显的内向性特征，省内一体化诉求远高于省际城市群一体化建构的诉求。作为地方利益代表的政府，具有追求辖区内经济利益最大化的强烈动机，在这样的背景下，跨省区城市群基本将建设重点锚定在如何强化中心城市的集聚、辐射能力上，普遍忽视外围区域的建设。跨省分布的城市群行政边界效应普遍存在，并且在不同的阶段存在对经济要素流动、区域协作潜在屏蔽效应。而行政壁垒和制度性障碍又进一步阻挠了各种商品和经济要素的跨区自由流动，导致企业跨省投资联系极弱，甚至出现“双核心分离”现象^［33］。兰西城市群和宁夏沿黄城市群均为地方性、培育型城市群，通过行政手段强行纳入国家建设群建设体系，为了实现国家战略需要，在强大的行政推动下，纷纷设立新城（新区）或各类园区，这样在核心城市边缘区（甚至异地）形成大面积的新增城市空间，导致新增城区与原有城区之间形成空间分离，这为后来的填充式扩张埋下了伏笔，但遗憾的是由于投资、建设能力有限（兰州-中川城际铁路，2012年动工，到2015年9月才开通运营），并没有形成沿交通轴线的填充式扩张。相反“园城分置”为工业发展提供了充足的空间和巨大的灵活性，但同时在外缘区形成大量的半城市化地区。这些新城（新区）最初往往以园区（工业园区、高新技术开发区、现代物流园区、保税区、现代农业园区）的面貌出现，以体现“地方事权”和政府发展意图，其后通过土地出让和招商引资不断向新城（新区）赋能，实现城市实体地域与行政地域的耦合，但由于实质性经济要素和人口要素注入不足，往往出现行政地域、实体地域与功能地域不匹配的窘境。为了弥补新城（新区）建设的用地需求和庞大财政投入，在财源不足的前提下，政府往往通过出让土地来换取资金（即土地财政），差异化的土地供给政策和不同用地的溢价率进一步驱使和诱导了空间扩张的类型和区位选择（图4~5）。2015—2020年，两大城市群的核心城市几乎均以出让工业、居住用地为主，而住宅用地的土地溢价率远高于工业用地。相较而言，双核心-双省份的兰西城市群，由于高地价主要局限在核心城市，因此，空间扩张也更多地指向核心城市（往往表征为房地产推动之下的边缘式扩张），同时为了强省会和壮大经济力量，往往围绕核心城市又设置工业园区和物流园区。

发育水平较低、地方经济发展不足的地方性、培育型城市群，目前尚处于城市化的中期，甚至初期阶段，即以向心聚集为主，尚不具备离心扩散的能力。实现国家战略目标的压力和难度更大，资金缺口更大，吸引外资的难度更大，在这样的窘境下，通过招商引资形成的经济拉动非常有限、而消费不足又无法拉动经济，在各种因素受限的背景下，只能将有限的资金投放到有限的空间和项目上。通过行政手段设立新区、新城来推进城市扩张，行政驱动大于经济驱动，而相伴生的行政剥夺效应势必会将主要力量放在核心城市，导致低层级城市普遍发育不足，反过来又进一步影响了城市群整体发展和结构优化。城市群内各城市间产业结构的同质化和支柱产业互有重叠，降低了分工与协作。同时由于基础设施相对薄弱，较大地理空间跨度进一步弱化了城市之间的相互作用。因此，表面上看，双核心-双省份利于城市群空间扩张，但实际的效果很差。相较而言，单核心-单省份的城市群，由于决策主体、投资主体具有一致性（至少在顶层设计层面），因此在推动核心城市发展的同时，出于地区公平性考虑，反而能统筹安排，兼顾低层级城市的发展。

兰西城市群的NP、FRAC_AM高于宁夏沿黄城市群，COHENSION、AI、PD兰西城市群均低于宁夏沿黄城市群，说明双核心-双省份城市群扩张更明显、形态更复杂，碎化程度更高，空间离散性更突出。从历时性角度考察，2000—2020年，兰西城市群和宁夏沿黄城市群NP、PD、DIVISION均呈递增态势，AREA_MN递减，AI、COHENSION先升后降，表现出高度的趋同性。2010—2020年NP明显高于2000—2010年，表明两大城市群均处于加速扩张期。AREA_MN均呈下降趋势，表明空间破碎化程度降低，新增城区走向整合的可能性增强。但兰西城市群一直高于宁夏沿黄城市群，且随着时间推移下降速率更快，说明空间整合趋势日益明显。PD、AI、COHENSION，兰西城市群均低于宁夏沿黄城市群，暗示双核心-跨省区的分布特征在空间扩张过程中，实际上降低了密度、抑制了斑块的聚合，拉大了斑块的分离，更不利于城市群空间结构的优化（表3、图6）。两大城市群均属于地方性城市群和培育型城市群，由于经济基础薄弱、财力不足、交通网络不健全，加之行政区经济和行政限制，因此在城市群建设的过程中，双核心-跨省份城市群反而存在“拖后腿”现象。尤其对兰西城市群而言，由于涉及地域大、包含大量社会经济发育水平低的民族区域，城市群空间相互作用、互补反哺作用更弱。

城市扩张直接引起外部形态轮廓范围的动态变化^［34］。城市增长相位理论认为，不同的增长模式会促使城市外部形态趋于更扩散或更聚集，外部形态变化会改变内部要素配置格局与流动效率，继而影响后续整体功能发育状况^［35-37］。Erickson^［38］发现外溢—分散—填充的城市空间结构演化过程，外溢即边缘式扩张，向外溢出的土地利用偏好单一用途用地（即形成住宅或工业用地斑块），扩散靠近城市外缘，又沿交通轴线外扩（即轴向扩张）；在分散期，外围功能与原来的单一功能边缘区混合在一起，呈混合功能区（即填充式扩张）；随着各项功能向边缘区扩散和交通网的建立，边缘区的城市功能集聚，土地利用在外围核心交通网间填充，促进新城区-旧城区间有机联结（即填充式扩张）。城市空间扩张既是一种空间映射，也是一种功能表达，外延式扩张绝大多数情况下是按“退二进三”“出城入园”的要求进行的，因此伴随着功能的变化，景观格局的异质性在提升。由于工业空间（园区）与生活空间（城区）在功能上不兼容，因此一定程度上强化了景观格局的异质性及其分离度、结合度。新城区与旧城区发展不平衡，各类公共服务设施与生活生产活动大多集聚于旧城，而新区往往配套不全，进一步降低了新区与老城之间的融合度。从景观格局指数上考察，两大城市群的斑块结合度指数、聚合度指数在飞地式扩张阶段均有所提高，而分离度指数有所增长。高程、交通设施密度对空间错配现象影响显著^［32］。由于兰西城市群分布范围广，地理跨度大，地形起伏明显（城市群核心区主要分布在面积非常有限、海拔较低、地势平坦的河湟谷地，而大面积的边缘分布在海拔较高，坡度较大的“浅山”和“脑山”地区），即使是两大核心城市受制于河谷地形的强烈约束也只能沿河（沟）谷扩张，或通过设置新区、新城飞地式扩张。巨大的空间分离和强烈的地形起伏也影响了交通等基础的设施建设难度和密度，进而削弱了空间相互作用。2020年，兰州、西宁社会物流总费用、运输费用占GDP的比重分别为17.49%和13.7%，均远高于全国平均水平的14.8%和7.7%^［39］。而宁夏沿黄城市群主体分布于宁夏平原（包括中卫平原、银川平原），无论是微观尺度上、还是宏观尺度上，对城市扩张的地理约束相对较小，而是否跨省分布的特征又进一步影响了城市群空间整合的条件与能力。因此两大城市群相比，多核心-跨省区的兰西城市群在NP、AREA_MN指数方面明显高于单核心-单省份宁夏沿黄城市群。

城市群是参与全球竞争的战略高地、中国新型城镇化的重要载体，也是实现黄河流域生态保护和高质量发展的关键。城市群的空间扩张是城市发展的重要表现，但不合理的扩张模式反而会伤害空间结构的调整优化。研究表明，兰西城市群和宁夏沿黄城市群均以边缘式扩张为主，飞地式扩张为辅；单核心-单省份城市群比双核心-双省份城市群更倾向于边缘式扩张。随着城市等级下移，扩张类型趋于简化，基本为边缘式。兰西城市群中，属于甘肃省的节点城市（白银和定西）边缘式和飞地式扩张均有表现，而属于青海省的节点城市（海东市）仅表现在飞地式扩张上。宁夏沿黄城市群中，各级城市的各类扩张模式均有所表现。这说明双核心-双省份城市群的空间扩张目前还仅仅局限在有限的城市上，而单核心-单省份城市群能够兼顾各级城市，意味着跨省区分布的特征实际上在一定程度影响了城市群空间结构的进一步优化。两大城市群填充式扩张普遍不足，表明融合发展的态势较弱。

兰西城市群的NP和FRAC_AM高于宁夏沿黄城市群，说明双核心-双省份城市群比单核心-单省份城市群扩张更明显、形态更复杂；而COHENSION、AI、PD兰西城市群均低于宁夏沿黄城市群，说明双核心-双省份城市群比单核心-单省份城市群破碎化程度更高，空间离散性更突出。2000—2020年，兰西城市群和宁夏沿黄城市群NP、PD均呈递增态势，AREA_MN递减，AI、COHENSION先升后降，表现出高度的相似性和趋同性。但双核心-双省份城市群的NP、AREA_MN明显高于单核心-单省份城市群，意味着双核心、跨省区分布特征实际上降低了斑块密度、抑制了斑块的聚合、拉大了斑块的分离，更不利于城市群空间结构的优化。

因此，建立健全跨省区长效合作机制，加强基础设施互联互通，畅通节点城市间的交通联系，加快优势产业发展，打造产业集群，实现产业分工协作，是地方性、培育型城市群必须解决的重大问题。2020年，青海、甘肃两省签署了《深化合作共同推进兰州-西宁城市群高质量协同发展框架协议》，两省提出的“1+3+10”合作机制（“1”就是发挥好省际框架协议对城市群重大事项的顶层设计和推动指导，制定年度工作要点压茬落实；“3”就是切实推动兰州-西宁、海东-临夏、海北-张掖城市间的深化合作；“10”就是推动10个领域专项合作行动计划落地），构建起支撑城市群高质量发展的“项目库、政策库、机制库”，这对于加快城市群发展和空间结构调整会产生积极而深远的影响。