基于信息熵的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)性分析
——以呼和浩特市為例

田桐羽，玉 梅，蘇 虹

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022)

區(qū)域土地利用的規(guī)模擴(kuò)縮和性質(zhì)轉(zhuǎn)變是一個(gè)自然因素和經(jīng)濟(jì)因素相互作用、相互聯(lián)系的過程。土地資源的自然要素賦予用地的功能布局的可能性和合理性，而經(jīng)濟(jì)要素才是決定土地利用范圍、結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，特別是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對土地利用結(jié)構(gòu)的發(fā)展特征有著導(dǎo)向性的作用[1]。因此，進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)重新配置和優(yōu)化決策時(shí)必須著重分析國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)部門的生產(chǎn)效率及其與不同類型用地的對應(yīng)關(guān)系。

呼和浩特市是以工業(yè)為主體、以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、商業(yè)貿(mào)易、旅游業(yè)等為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的綜合性城市[2]。從區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究意義上來看，當(dāng)前該市的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展仍處于第二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時(shí)期，迫切需要優(yōu)化原有工礦用地結(jié)構(gòu)，逐步消除粗放式、分散式的工業(yè)用地布局現(xiàn)象，合理制定三大產(chǎn)業(yè)用地優(yōu)化政策，促進(jìn)農(nóng)用地特別是耕地面積的長期穩(wěn)定和城市建設(shè)用地利用效率的提升[3]。筆者首先采用信息熵建模法對2009—2015年呼和浩特市市域土地利用結(jié)構(gòu)中各用地類型的轉(zhuǎn)化程度進(jìn)行分析和概括，再借助Excel數(shù)據(jù)分析工具將產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中各類產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值、固定投資完成額與土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵值進(jìn)行線性回歸分析，得出影響土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的主要產(chǎn)業(yè)因素。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1研究方法

1.1.1信息熵模型法。信息熵用來表示對某一隨機(jī)現(xiàn)象發(fā)生過程所產(chǎn)生的信息量或信息速率的量度結(jié)果[4]。相應(yīng)地，土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵就是指能夠度量某一區(qū)域一定時(shí)期內(nèi)各種土地利用類型的數(shù)目多少和規(guī)模均勻程度的方法，即熵值越大，說明區(qū)域各類用地的規(guī)模相差越小，用地類型越豐富，土地利用結(jié)構(gòu)越顯得成熟完善[5]。其計(jì)算公式具體表述如下[4，6]：

式中，H是信息熵，單位為比特，熵值高低代表用地類型的豐富程度和各類用地面積分布的均勻程度[7]；n是用地類型總數(shù)量；Pi為某類型用地面積占土地利用總面積的百分比。

1.1.2多元線性回歸分析法。多元回歸建模分析是指對存在相關(guān)關(guān)系的多個(gè)要素之間建立函數(shù)表達(dá)方程式并分析其各要素間的數(shù)量關(guān)系特征。多元回歸建模分析的過程包含3個(gè)步驟，即建立回歸模型、檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值、診斷模型合理性等[8]。在建模的過程中，對于非線性數(shù)據(jù)模型應(yīng)通過合理的轉(zhuǎn)化關(guān)系變?yōu)榫€性模型，且多元線性回歸模型的近似方程式表現(xiàn)為[9]：

式中，m為自變量個(gè)數(shù)；b1，b2，…，bm為偏回歸系數(shù)項(xiàng)；a為常數(shù)項(xiàng)。對F值、t值等統(tǒng)計(jì)量值的檢驗(yàn)是診斷模型和總結(jié)問題的關(guān)鍵步驟，由此可推知回歸模型的合理性和原始數(shù)據(jù)的真實(shí)性。該研究以信息熵H為參數(shù)因變量估計(jì)值，且以三次產(chǎn)業(yè)各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值及其固定資產(chǎn)投資完成額為自變量來進(jìn)行線性回歸和相應(yīng)統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)。

1.2數(shù)據(jù)來源該研究所采用的數(shù)據(jù)涵蓋了土地利用變更和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等發(fā)展領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)資料，其中呼和浩特市土地利用變更狀況數(shù)據(jù)主要來自于2009—2015年呼和浩特市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，而產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展方面的數(shù)據(jù)主要來自同期的《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》和《呼和浩特經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 結(jié)果與分析

2.1基于信息熵的土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化分析區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)是該區(qū)域不同產(chǎn)業(yè)部門或職能部門在有限空間內(nèi)因地制宜對土地資源予以配置的表現(xiàn)，且隨著區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、政治、文化和社會的全方位發(fā)展，不同性質(zhì)、功能用地之間相互影響、相互轉(zhuǎn)換，使區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出持續(xù)動(dòng)態(tài)的發(fā)展過程[10]。因此，對土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化分析需要以土地利用的定性分類為基本依據(jù)，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010—2007)一級類的用地名稱和研究區(qū)域土地利用現(xiàn)狀，劃分為農(nóng)用地、建設(shè)用地和其他用地三大類，且這三大類用地及其具體部門用地之間在用地規(guī)模與用地性質(zhì)方面均會產(chǎn)生相互作用、轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，從而帶動(dòng)整體土地利用結(jié)構(gòu)逐步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化完善。

在定性劃分依據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行2009—2015年單一用地占比變化趨勢分析的定量分析。就農(nóng)用地、建設(shè)用地和其他用地三大類用地占比的變化態(tài)勢而言，如圖1所示，農(nóng)用地占比重最大，達(dá)到89%左右，并自2009年以來呈逐年緩慢波動(dòng)減少的發(fā)展趨勢，這是由農(nóng)用地的具體單一類型用地的變化趨勢來決定的。如表1所示，其中除了發(fā)展經(jīng)濟(jì)作物、供應(yīng)制造業(yè)原材料的園地規(guī)模有較大增長幅度外，其他農(nóng)用地如耕地、林地、草地均呈波動(dòng)減少的變動(dòng)態(tài)勢；建設(shè)用地所占比重雖然目前維持在5%～7%，但其逐年平均增長幅度較大，特別是城鎮(zhèn)及工礦用地的比重自2009以來一直呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，而交通運(yùn)輸用地在2014、2015年才呈現(xiàn)出高速擴(kuò)張的趨勢，預(yù)計(jì)建設(shè)用地占比在未來仍將保持大幅上升的態(tài)勢。同時(shí)，在用地面積總比重一定的前提下，建設(shè)用地整體規(guī)模占比的上升與農(nóng)用地規(guī)模占比的減少趨勢形成鮮明對比，這說明為順應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要而使部分農(nóng)用地逐步轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，尤其是林地和草地的轉(zhuǎn)化數(shù)量較大。值得注意的是，包括未利用地在內(nèi)的其他用地占比有逐步緩慢增加的變化態(tài)勢，2009 —2015年增加了0.12百分點(diǎn)，達(dá)到4.72%，并有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢，這種現(xiàn)象表明現(xiàn)階段對土地利用尚不合理，存在土地污染、退化的問題，其在很大程度上是由于傳統(tǒng)式工業(yè)生產(chǎn)、建設(shè)用地粗放式的利用方式等人為不當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)活動(dòng)造成的。因此，為了保護(hù)土地的生態(tài)環(huán)境，完成農(nóng)用地特別是耕地的基本保有量目標(biāo)，需要對建設(shè)用地的總量擴(kuò)張予以嚴(yán)格的控制，對低效閑置的建設(shè)用地進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和再利用。

圖1 2009—2015年呼和浩特市農(nóng)用地、建設(shè)用地和其他用地利用結(jié)構(gòu)變化Fig.1 Agricultural land, construction land and other land in Hohhot during 2009-2015

在對2009—2015年各類用地占比變化趨勢定量分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用信息熵模型得出關(guān)于歷年整體用地結(jié)構(gòu)的信息熵，以此進(jìn)行區(qū)域整體土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)展的完善程度的研究。如圖2所示，對2009—2015年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值的變化趨勢進(jìn)行分析，從宏觀角度來看歷年熵值均處于1.40～1.50，并呈緩慢波動(dòng)提升的趨勢，表明現(xiàn)期熵值仍然較低，土地利用結(jié)構(gòu)均質(zhì)度尚待進(jìn)一步提升。但就其微觀的變化而言呈現(xiàn)出緩升—急降—急升—緩升的連續(xù)V形的態(tài)勢，2009—2012年間信息熵值由1.457升至1.472，土地利用結(jié)構(gòu)的均質(zhì)度逐漸提高，耕地、林地等農(nóng)用地向城鎮(zhèn)用地、交通運(yùn)輸用地有序轉(zhuǎn)換，而2012—2013年熵值異常下降至1.427，出現(xiàn)了建設(shè)用地向農(nóng)用地大量反補(bǔ)的現(xiàn)象，如圖1和表1所示，建設(shè)用地占比降至5.28%而農(nóng)用地的占比增至近90.00%，農(nóng)用地的各類型用地面積占比均明顯增加而建設(shè)用地類型中的交通運(yùn)輸用地占比銳減至0.10%，說明現(xiàn)期土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)展的穩(wěn)定性和土地利用總體規(guī)劃的預(yù)見性有所欠缺。2013—2015年信息熵值再提升至1.479，建設(shè)用地占農(nóng)用地的面積大幅增加，使得土地利用結(jié)構(gòu)的均勻性日益凸顯，但對于各類建設(shè)用地合理布局仍有待深入的規(guī)劃和調(diào)整。

圖2 2009—2015年呼和浩特市土地利用結(jié)構(gòu)變化信息熵值變化Fig.2 Changes of information entropy of land use structure in Hohhot during 2009-2015

2.2土地利用結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的相關(guān)性研究

2.2.1土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。不同產(chǎn)業(yè)用地的配套生產(chǎn)環(huán)境對于提升產(chǎn)業(yè)市場競爭力和土地利用效率具有重要意義，而產(chǎn)業(yè)投資是反映不同性質(zhì)用地所附資源的價(jià)值以及加速三次產(chǎn)業(yè)所屬的不同功能用地合理布局與集約利用的關(guān)鍵要素[11]。為了簡化自變量的數(shù)目和增加相關(guān)性分析結(jié)果的直觀度，將根據(jù)20大類國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)部門分的固定投資完成額的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)按克拉克產(chǎn)業(yè)分類內(nèi)容歸納到三次產(chǎn)業(yè)中[12]，構(gòu)建關(guān)于三次產(chǎn)業(yè)的投資結(jié)構(gòu)，即把農(nóng)、林、牧、漁業(yè)歸入第一產(chǎn)業(yè)中；將采礦業(yè)，制造業(yè)，電力、熱力、燃?xì)饧八a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)，建筑業(yè)4個(gè)工業(yè)經(jīng)濟(jì)部門歸入到第二產(chǎn)業(yè)中；將批發(fā)和零售業(yè)、交通運(yùn)輸、倉儲和郵政業(yè)、住宿和餐飲業(yè)、信息傳輸、軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)、金融業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)等14個(gè)商業(yè)服務(wù)業(yè)經(jīng)濟(jì)部門歸入第三產(chǎn)業(yè)中[13-14]，從而形成與三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的固定投資結(jié)構(gòu)。在對2009—2015年各國民經(jīng)濟(jì)部門固定資產(chǎn)投資完成額按三次產(chǎn)業(yè)匯總的基礎(chǔ)上，做2009—2015年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與三次產(chǎn)業(yè)固定投資完成額的線性回歸分析，并得出如下回歸分析方程式：

表1 2009—2015年土地利用結(jié)構(gòu)變更情況Table 1 Changes of land use structure in Hohhot during 2009-2015 %

2.2.2土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。與產(chǎn)業(yè)投資結(jié)構(gòu)對土地利用結(jié)構(gòu)變化的作用主要和土地原始質(zhì)量及其生產(chǎn)潛力聯(lián)系緊密的現(xiàn)象不同，各次產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值結(jié)構(gòu)對土地利用結(jié)構(gòu)的影響是產(chǎn)業(yè)部門對相應(yīng)產(chǎn)業(yè)用地的利用效率和生產(chǎn)效益的直接反映，即產(chǎn)值結(jié)構(gòu)對土地利用變化的干預(yù)作用主要與土地利用方式有關(guān)[14]。以2009—2015年呼和浩特市第一、二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值為自變量，以土地利用結(jié)構(gòu)信息熵為因變量對土地利用結(jié)構(gòu)變更與產(chǎn)值水平作線性回歸分析，并得出如下多元線性回歸方程式：

3 結(jié)論

(1)對2009—2015年呼和浩特市土地利用結(jié)構(gòu)中單一類型用地動(dòng)態(tài)變化趨勢和整體布局均質(zhì)程度的分析可以發(fā)現(xiàn)，耕地、林地、草地等農(nóng)用地面積的整體減少趨勢與城鎮(zhèn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地等建設(shè)用地面積的總體增加趨勢形成相互作用、相互轉(zhuǎn)換的發(fā)展關(guān)系，同時(shí)其他用地的面積也在緩慢增加，促進(jìn)土地利用結(jié)構(gòu)整體布局均勻度即信息熵的波動(dòng)上升。

(2)通過對土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與三次產(chǎn)業(yè)固定投資結(jié)構(gòu)的相關(guān)性分析得出，第一、二、三產(chǎn)業(yè)固定投資與土地利用結(jié)構(gòu)變化之間的相關(guān)性分別為負(fù)相關(guān)、負(fù)相關(guān)和正相關(guān)，且第一產(chǎn)業(yè)固定投資的增長對土地利用結(jié)構(gòu)均質(zhì)性發(fā)展的影響程度遠(yuǎn)大于二、三產(chǎn)業(yè)固定投資，而第二產(chǎn)業(yè)固定投資的增長對土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化的作用力遠(yuǎn)低于第一、三產(chǎn)業(yè)。因此，適當(dāng)加大第一、三產(chǎn)業(yè)的投資額和縮小第二產(chǎn)業(yè)的投資額不僅有助于進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，第一產(chǎn)業(yè)的用地規(guī)模將會縮減而第三產(chǎn)業(yè)的用地?cái)?shù)量會得到補(bǔ)充，對于優(yōu)化調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)也具有重要意義。

(3)就土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化與三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值結(jié)構(gòu)的相關(guān)性分析而言，第一、二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與土地利用結(jié)構(gòu)空間轉(zhuǎn)化之間分別呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)、正相關(guān)和正相關(guān)的相關(guān)性，且它們對土地利用結(jié)構(gòu)變化的影響力由第一產(chǎn)業(yè)至第三產(chǎn)業(yè)漸次減弱。因此，鑒于農(nóng)用地面積縮小無礙于第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值上升，而建設(shè)用地面積的減少則有可能會阻礙第二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效益的增長，特別是第二產(chǎn)業(yè)對用地支撐作用的依賴程度較高，在完成農(nóng)用地基本保有量目標(biāo)的基礎(chǔ)上適當(dāng)將農(nóng)用地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地特別是城鎮(zhèn)住宅用地、商服用地和交通運(yùn)輸用地，帶動(dòng)第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值發(fā)展，而對工礦用地則也可予以適度轉(zhuǎn)換為交通運(yùn)輸用地，以促進(jìn)整體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和生產(chǎn)效益提升。

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