基于熵值法的呼包鄂區(qū)域土地利用效益與城市化水平耦合協(xié)調(diào)研究

薛建春, 鄭海潮, 王雅榮

(內(nèi)蒙古科技大學 經(jīng)濟與管理學院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

在城市化建設(shè)過程中，傳統(tǒng)的外延式土地利用方式可以導(dǎo)致農(nóng)地流失、生態(tài)惡化，并降低了城市土地利用的效益，給高質(zhì)量的城市化建設(shè)帶來巨大壓力[1]。城市化水平與土地利用綜合效益之間存在直接的互動關(guān)系，土地利用綜合效益將成為城市高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵，同時二者之間的耦合與協(xié)調(diào)程度對探究城市土地利用效益和城市化建設(shè)水平之間的影響關(guān)系具有重要意義[2]。

國外關(guān)于土地利用效益和城市化的相關(guān)性研究較少，且多是在城市化背景下探索土地結(jié)構(gòu)變化對城市的影響，Ullah K. M.等[3]對孟加拉首都Dhaka市土地利用效益進行合理性分析后，給出了城市各類土地使用面積的最佳比例。Nobel Mallick等[4]通過對城市經(jīng)濟增長驅(qū)動因素的分析，發(fā)現(xiàn)城市街道模式對城市土地利用變化具有顯著影響。相比而言，國內(nèi)的相關(guān)性研究較多，內(nèi)容方面，以城市土地利用的經(jīng)濟效益、結(jié)構(gòu)變化等與城市化之間的關(guān)系研究居多。蔚霖[5]以河南省17個地級市為研究對象從理論上構(gòu)建了‘建設(shè)用地集約利用—城市化’耦合協(xié)調(diào)模型，分析城市建設(shè)用地集約利用與城市化的協(xié)調(diào)程度。李佳佳等[6]在測算城市土地利用效率的基礎(chǔ)上分析了城市化對土地利用效率的雙門檻影響效應(yīng)。李平光等[7]分析了新疆地區(qū)土地集約利用與城市化耦合協(xié)調(diào)交互作用，發(fā)現(xiàn)二者并非是同步發(fā)展的。陳永林等[8]定量分析了長沙市土地利用變化狀況，并探討了土地利用變化與城市化水平的關(guān)系。評價方法方面主要有層次分析法AHP、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度等[9-10]。研究地域方面，主要集中在東南沿海經(jīng)濟發(fā)展較好省或市，西部地區(qū)的省、市研究較少。本文研究2006—2015年呼包鄂經(jīng)濟區(qū)的土地利用效益與城市化水平的耦合協(xié)調(diào)度與相對發(fā)展度，分析各指標對協(xié)調(diào)度的影響，以期為呼包鄂經(jīng)濟區(qū)的土地可持續(xù)利用與城市化發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)于2000年決定設(shè)立以呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市為中心的區(qū)域發(fā)展經(jīng)濟區(qū)(下稱呼包鄂經(jīng)濟區(qū))，經(jīng)濟區(qū)地處河套平原，礦產(chǎn)資源豐富，交通便利，是一帶一路連接京津冀的重要區(qū)域。經(jīng)濟區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的中部，地處蒙古高原南部土默川平原和鄂爾多斯高原，位于黃河中上游，毗鄰蒙古國，是國家向北出口的重要節(jié)點，因地理位置呈現(xiàn)三角形狀被譽為內(nèi)蒙古的“金三角”，呼包鄂經(jīng)濟區(qū)土地面積約占整個自治區(qū)的11%，人口約占全區(qū)的27%，但創(chuàng)造了全區(qū)近一半的GDP，并且匯集了全區(qū)約一半的固定資產(chǎn)投資和約66%的科技人才。作為內(nèi)蒙地區(qū)的核心城市，呼包鄂經(jīng)濟區(qū)已經(jīng)發(fā)展為內(nèi)蒙地區(qū)最具活力和潛力的城市經(jīng)濟區(qū)[11]。本研究通過定量分析研究區(qū)域的土地利用效益與城市化水平的耦合協(xié)調(diào)度，探索呼包鄂經(jīng)濟區(qū)城市建設(shè)與土地可持續(xù)利用的協(xié)調(diào)發(fā)展方式。

1.2 數(shù)據(jù)來源與計算工具

本文依據(jù)科學性與可獲得性選取2006—2015年作為研究區(qū)間，數(shù)據(jù)主要來源于《呼和浩特統(tǒng)計年鑒》《包頭統(tǒng)計年鑒》《鄂爾多斯統(tǒng)計年鑒》和《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》中各年的數(shù)據(jù)與國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計資料；文中所有計算都采用R語言實現(xiàn)。

2 指標體系構(gòu)建與研究方法

2.1 指標體系的構(gòu)建

根據(jù)土地利用與城市化的內(nèi)涵，在前人評價研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)科學性、代表性等原則，構(gòu)建呼包鄂經(jīng)濟區(qū)土地利用效益與城市化水平評價指標體系。其中，土地利用效益反映因土地資源投入而得到的產(chǎn)出，土地資源投入除了在經(jīng)濟和社會上的產(chǎn)出效益外，還可以在生態(tài)環(huán)境和城市土地結(jié)構(gòu)方面帶來效益，因此采用土地資源在經(jīng)濟、社會、生態(tài)和結(jié)構(gòu)4個維度的產(chǎn)出效益來反映土地利用的綜合效益。城市化方面，不僅包含農(nóng)村人口的城市化，還包含城市建設(shè)過程對城市的經(jīng)濟、社會和生態(tài)的變化，因此用人口、經(jīng)濟、社會和生態(tài)4個維度來反映城市化水平。通過整理相關(guān)文獻，并對各維度進行細分，采用地均或人均來體現(xiàn)相關(guān)指標與土地或人口的關(guān)聯(lián)性，以此構(gòu)建土地利用效益與城市化水平評價指標體系(詳見表1)。

表1 呼包鄂地區(qū)土地利用效益與城市化水平評價指標體系

2.2 研究方法

2.2.1 熵權(quán)法確定權(quán)重 為了防止主觀賦權(quán)法帶來的人為偏差，本文采用熵值法確定各類指標的權(quán)重，具體步驟如下[12]。

(1) 數(shù)據(jù)標準化。

①正向指標：

(1)

②負向指標：

(2)

式中：xij——第i個樣本的第j個指標的數(shù)值(i=1,…,n;j=1,…,m)，xij′為標準化后的xij。本文中的指標均為正向指標。

(2) 計算第j個指標下第i個樣本數(shù)據(jù)占該指標的比重pij：

(3)

(3) 計算第j項指標的熵值ej：

(4)

式中：k=1/ln(n)>0,滿足ej≥0。

(4) 計算信息熵冗余度dj：

dj=1-ej

(5)

(5) 計算第j項指標的權(quán)重wj：

(6)

利用求出的權(quán)重分別計算第i個樣本的土地利用綜合效益與城市化的綜合評價指數(shù)，計算公式如下[13]。

(7)

式中：Ui——土地利用綜合效益或城市化水平綜合評價指數(shù)；xij′——標準化后的每個樣本的指標值；wj——第j個指標的權(quán)重。

2.2.2 相對發(fā)展度模型 相對發(fā)展度用來反映土地利用系統(tǒng)與城市化水平系統(tǒng)之間相對于對方的發(fā)展水平。

相對發(fā)展度E=UT/UC

(8)

式中：UT——土地利用綜合效益；UC——城市化水平，本文采用相對發(fā)展度來表示土地利用綜合效益與城市化水平相對發(fā)展程度，當E>1時，土地利用系統(tǒng)發(fā)展超前于城市化發(fā)展，當E≈1時，土地利用系統(tǒng)發(fā)展同步于城市化發(fā)展，當E<1時，土地利用系統(tǒng)發(fā)展滯后于城市化發(fā)展。

2.2.3 耦合協(xié)調(diào)度模型 借鑒物理學中的耦合概念，用耦合度反映土地利用綜合效益與城市化兩個系統(tǒng)之間的影響程度，耦合度越強，說明兩系統(tǒng)之間的相互作用強度越大。但這種相互作用無法體現(xiàn)兩個系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)水平，因此再引入?yún)f(xié)調(diào)度來反映二者之間相互配合，良性互動水平。根據(jù)已有研究成果，參考席娟等耦合協(xié)調(diào)模型計算公式，構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型，步驟如下[14]。

(9)

(10)

其中：T=αU1+βU2

(11)

式中：C——土地利用綜合效益與城市化水平的耦合度，C的值域為[0, 1]，當C取值為1時，說明兩個系統(tǒng)之間能夠達到完美契合，二者之間的結(jié)構(gòu)與發(fā)展走向高度一致，反之，當C取值為0時，二者之間的結(jié)構(gòu)與發(fā)展方向成無序狀態(tài)。另外可以將耦合度分為4個階段[15]，當0

T——整體評價指數(shù)，α和β為待定系數(shù)且α+β=1，現(xiàn)認為土地利用系統(tǒng)與城市化系統(tǒng)同等重要，因此取α=β=0.5[16]協(xié)調(diào)度D的值域為[0,1]，在參考前人文獻基礎(chǔ)上[17]，將協(xié)調(diào)度劃分為8個階段，即0.000

2.2.4 灰色關(guān)聯(lián)度模型 文章采用灰色關(guān)聯(lián)度模型分析土地利用效益各指標對城市化系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)大小與城市化水平各指標對土地利用系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度大小。計算公式為：

(12)

(13)

式中：ζUi——灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)； ΔUi(k)——各樣本土地利用效益各項指標與城市化水平各指標的系統(tǒng)綜合指數(shù)的絕對差值； ΔUi(min)，ΔUi(max)——絕對差值中的最小值或最大值；ρ——分辨系數(shù)，取值范圍為(0, 1)，本文取ρ=0.4[18]；Ri——灰色關(guān)聯(lián)度，Ri越高說明該指標對另一系統(tǒng)影響越強。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用效益與城市化發(fā)展評價

根據(jù)公式(7)分別計算呼包鄂城市土地利用綜合效益與城市化綜合指數(shù)(見圖1)，利用綜合指數(shù)的比值確定土地利用效益與城市化相對發(fā)展度(見圖2)。

圖1 呼包鄂地區(qū)土地利用效益與城市化水平綜合指數(shù)

圖2 呼包鄂地區(qū)土地利用效益與城市化相對發(fā)展度

從圖1中可以看出，呼包鄂經(jīng)濟區(qū)土地利用效益與城市化水平整體呈逐年上升態(tài)勢，且10 a中呼包鄂3市的平均土地利用與平均城市化綜合指數(shù)分別為：0.490 6，0.518 3，0.278 7和0.567 0，0.505 7，0.234 6。鄂爾多斯土地利用效益低于呼和浩特與包頭市，2012年鄂爾多斯土地利用效益達到峰值，但與呼和浩特、包頭市分別相差0.118 0和0.148 9。從城市化水平方面看，包頭市城市化水平增速緩慢，呼和浩特城市化水平增速最快，鄂爾多斯的城市化水平始終落后于呼和浩特和包頭，但差距在逐步縮小，2006年落后于包頭市0.333 3，2015年落后于呼和浩特市0.311 0。從相對發(fā)展度指標看(圖2)，呼和浩特市的土地利用與城市化相對發(fā)展度取值范圍在(0.726 3,0.942 7)之間，說明呼和浩特市10 a間的土地利用發(fā)展均滯后于城市化水平，城市化過程中存在不合理的土地利用現(xiàn)象；而包頭相對發(fā)展度在E=1處上下波動，范圍在(0.814 0,1.171 3)之間，在2009—2014年相對發(fā)展度都略大于1，此時土地利用超前于城市化，其他年份的相對發(fā)展度E均小于1，土地利用滯后于城市化，這說明包頭市的土地利用效益相對于城市化進程來說邊角滯后；鄂爾多斯市2006—2009年，土地利用滯后于城市化發(fā)展，隨后在2010—2014年間，土地利用效益遠超城市化水平，2015年鄂爾多斯相對發(fā)展度回落到0.835 7，整體曲線呈現(xiàn)倒“U”的形狀。

3.2 土地利用效益與城市化耦合協(xié)調(diào)發(fā)展度分析

根據(jù)耦合協(xié)調(diào)度模型測算土地利用與城市化耦合協(xié)調(diào)度(見表2)。從表2中可以看出，2006—2015年呼包鄂經(jīng)濟區(qū)土地利用與城市化水平耦合度均處于高水平耦合階段，呼和浩特市由勉強協(xié)調(diào)過度到良好協(xié)調(diào)，包頭市由中級協(xié)調(diào)過度到良好協(xié)調(diào)，而鄂爾多斯的土地利用效益與城市化協(xié)調(diào)類型在2006—2015年間先后經(jīng)歷了輕度失調(diào)、瀕臨失調(diào)、勉強協(xié)調(diào)與中級協(xié)調(diào)，其協(xié)調(diào)狀況初始較差但隨時間不斷改善。呼包鄂3市的協(xié)調(diào)度10 a間變化量分別為：0.254 5，0.140 4和0.349 7，所以，比較2015年的協(xié)調(diào)水平為：呼和浩特>包頭>鄂爾多斯，但比較協(xié)調(diào)發(fā)展變化量為：鄂爾多斯>呼和浩特>包頭。作為內(nèi)蒙古的工業(yè)城市、稀土城市，包頭努力追求工業(yè)化，忽略了土地利用的生態(tài)效益與城市化發(fā)展，導(dǎo)致研究區(qū)間內(nèi)兩者的協(xié)調(diào)發(fā)展緩慢，而鄂爾多斯在快速城市化建設(shè)的同時兼顧土地利用方式，協(xié)調(diào)發(fā)展較快。

表2 呼包鄂地區(qū)土地利用效益與城市化水平耦合協(xié)調(diào)度

注：C為耦合度；D為協(xié)調(diào)度。

3.3 相關(guān)性分析

對歷年呼包鄂經(jīng)濟區(qū)的土地利用效益、城市化水平、相對發(fā)展度、耦合度和協(xié)調(diào)度這5項指標進行分析，得到的具體結(jié)果見圖3。

圖3 呼包鄂地區(qū)土地利用效益與城市化水平耦合協(xié)調(diào)度特征

從圖3中可以較為明顯看出土地利用效益、城市化水平分別和協(xié)調(diào)度之間存在高度相關(guān)性。采用灰色關(guān)聯(lián)度模型測算土地利用效益各指標對協(xié)調(diào)度的關(guān)聯(lián)指數(shù)與城市化各指標對協(xié)調(diào)度的關(guān)聯(lián)指數(shù)(圖4)。

注：1地均GDP； 2地均工業(yè)總產(chǎn)值； 3地均固定資產(chǎn)投資額； 4人口密度； 5地均用水量； 6人均居住用地面積； 7地均綠地面積； 8地均公園綠地面積； 9建成區(qū)綠化覆蓋率； 10市區(qū)建成區(qū)面積比例； 11建設(shè)用地比例； 12道路面積比例； 13非農(nóng)人口比重； 14非農(nóng)人口增長率； 15第二三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員； 16人均GDP； 17城鎮(zhèn)居民人均消費性支出； 18第二三產(chǎn)業(yè)GDP比重； 19人均病床數(shù)； 20人均出租車數(shù)； 21全年人均供水量； 22人均年乘公共汽車次數(shù)； 23人均生活垃圾無害化處理率； 24用氣人口比例。

圖4 土地利用與城市化水平關(guān)聯(lián)指數(shù)

從圖4 a中可以看出土地利用效益各指標中道路面積比例和地均工業(yè)總產(chǎn)值指標與協(xié)調(diào)度關(guān)聯(lián)指數(shù)最高，分別為0.648 1和0.618 8，而地均固定在產(chǎn)投資額和人均居住面積指標與協(xié)調(diào)度的關(guān)聯(lián)最低，分別為0.463 3和0.477 1，這說明協(xié)調(diào)度對土地利用效益指標中道路面積比例和地均工業(yè)總產(chǎn)值指標的變化較為敏感，相關(guān)度排序為：結(jié)構(gòu)效益>社會效益>生態(tài)效益>經(jīng)濟效益；城市化水平中城鎮(zhèn)居民人均消費支出和人均生活垃圾無害化處理率指標與協(xié)調(diào)度的關(guān)聯(lián)指數(shù)最高，分別為0.604 3和0.602 7，而人均GDP和第二三產(chǎn)業(yè)GDP比重指標與協(xié)調(diào)度的關(guān)聯(lián)指數(shù)最低，分別為0.450 0和0.514 3，說明呼包鄂經(jīng)濟區(qū)土地利用效益與城市化水平協(xié)調(diào)度對城市化水平指標中的城鎮(zhèn)居民人均消費支出和人均生活垃圾無害化處理率指標的變化較為敏感，相關(guān)度排序為：社會人口化>生態(tài)城市化>人口城市化>經(jīng)濟城市化。

4 結(jié) 論

(1) 構(gòu)建了呼包鄂經(jīng)濟區(qū)土地利用綜合效益與城市化水平評價指標體系，運用熵值法進行權(quán)重計算，根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2006—2015年間，呼包鄂經(jīng)濟區(qū)土地利用綜合效益與城市化水平穩(wěn)步上升，且呼和浩特的增速最快，鄂爾多斯的土地利用效益與城市化水平落后于其他2個城市。從相對發(fā)展度觀察，呼和浩特的土地利用始終滯后于城市化，包頭市的土地利用與城市化相對發(fā)展度在E=1處上下波動，而鄂爾多斯在2010—2014年出現(xiàn)了城市化大幅度落后于土地利用的現(xiàn)象，這恰好與當時鄂爾多斯大面積占用耕地修建住宅與寫字樓的實際情況相吻合。

(2) 在土地利用與城市化的耦合協(xié)調(diào)方面，3個城市均處于高水平耦合階段，同時協(xié)調(diào)度均穩(wěn)步上升。呼和浩特與包頭因城市建設(shè)較早，所以在研究時段內(nèi)分別從勉強協(xié)調(diào)與中級協(xié)調(diào)過渡到良好協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)度增長幅度分別為0.257 9和0.140 3，盡管鄂爾多斯的協(xié)調(diào)度從輕度失調(diào)上升至中級協(xié)調(diào)，但10 a間鄂爾多斯的協(xié)調(diào)度增幅最大為0.349 7。因此，整個經(jīng)濟區(qū)應(yīng)該積極優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，探索城市土地布局，從3個城市的功能定位與資源、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上尋找其他增長土地利用效益的新動力，同時推進城市化建設(shè)。

(3) 通過灰色關(guān)聯(lián)度模型分別測算各指標與協(xié)調(diào)度的關(guān)聯(lián)情況，結(jié)果表明，呼包鄂經(jīng)濟區(qū)土地利用的社會效益與結(jié)構(gòu)效益對協(xié)調(diào)度的影響較大，同時，社會城市化水平與生態(tài)城市化水平對協(xié)調(diào)度的影響較大，因此呼包鄂經(jīng)濟區(qū)在土地利用方面可以通過加強城市土地的空間優(yōu)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高土地利用的社會效益和結(jié)構(gòu)效益；在城市化方面應(yīng)努力加強城市社會化建設(shè)，發(fā)揮城市的聚集效應(yīng)，加快推進城市生態(tài)文明建設(shè)，保持經(jīng)濟區(qū)生態(tài)和諧，努力實現(xiàn)土地利用效益和城市化水平之間的優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)。