基于熵值法的呼包鄂区域土地利用效益与城市化水平耦合协调研究

薛建春, 郑海潮, 王雅荣

(内蒙古科技大学 经济与管理学院， 内蒙古 包头 014010)

在城市化建设过程中，传统的外延式土地利用方式可以导致农地流失、生态恶化，并降低了城市土地利用的效益，给高质量的城市化建设带来巨大压力[1]。城市化水平与土地利用综合效益之间存在直接的互动关系，土地利用综合效益将成为城市高质量发展的关键，同时二者之间的耦合与协调程度对探究城市土地利用效益和城市化建设水平之间的影响关系具有重要意义[2]。

国外关于土地利用效益和城市化的相关性研究较少，且多是在城市化背景下探索土地结构变化对城市的影响，Ullah K. M.等[3]对孟加拉首都Dhaka市土地利用效益进行合理性分析后，给出了城市各类土地使用面积的最佳比例。Nobel Mallick等[4]通过对城市经济增长驱动因素的分析，发现城市街道模式对城市土地利用变化具有显著影响。相比而言，国内的相关性研究较多，内容方面，以城市土地利用的经济效益、结构变化等与城市化之间的关系研究居多。蔚霖[5]以河南省17个地级市为研究对象从理论上构建了‘建设用地集约利用—城市化’耦合协调模型，分析城市建设用地集约利用与城市化的协调程度。李佳佳等[6]在测算城市土地利用效率的基础上分析了城市化对土地利用效率的双门槛影响效应。李平光等[7]分析了新疆地区土地集约利用与城市化耦合协调交互作用，发现二者并非是同步发展的。陈永林等[8]定量分析了长沙市土地利用变化状况，并探讨了土地利用变化与城市化水平的关系。评价方法方面主要有层次分析法AHP、主成分分析法、灰色关联度等[9-10]。研究地域方面，主要集中在东南沿海经济发展较好省或市，西部地区的省、市研究较少。本文研究2006—2015年呼包鄂经济区的土地利用效益与城市化水平的耦合协调度与相对发展度，分析各指标对协调度的影响，以期为呼包鄂经济区的土地可持续利用与城市化发展提供决策依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

内蒙古自治区于2000年决定设立以呼和浩特市、包头市和鄂尔多斯市为中心的区域发展经济区(下称呼包鄂经济区)，经济区地处河套平原，矿产资源丰富，交通便利，是一带一路连接京津冀的重要区域。经济区位于内蒙古自治区的中部，地处蒙古高原南部土默川平原和鄂尔多斯高原，位于黄河中上游，毗邻蒙古国，是国家向北出口的重要节点，因地理位置呈现三角形状被誉为内蒙古的“金三角”，呼包鄂经济区土地面积约占整个自治区的11%，人口约占全区的27%，但创造了全区近一半的GDP，并且汇集了全区约一半的固定资产投资和约66%的科技人才。作为内蒙地区的核心城市，呼包鄂经济区已经发展为内蒙地区最具活力和潜力的城市经济区[11]。本研究通过定量分析研究区域的土地利用效益与城市化水平的耦合协调度，探索呼包鄂经济区城市建设与土地可持续利用的协调发展方式。

1.2 数据来源与计算工具

本文依据科学性与可获得性选取2006—2015年作为研究区间，数据主要来源于《呼和浩特统计年鉴》《包头统计年鉴》《鄂尔多斯统计年鉴》和《内蒙古统计年鉴》中各年的数据与国家统计局的统计资料；文中所有计算都采用R语言实现。

2 指标体系构建与研究方法

2.1 指标体系的构建

根据土地利用与城市化的内涵，在前人评价研究的基础上，依据科学性、代表性等原则，构建呼包鄂经济区土地利用效益与城市化水平评价指标体系。其中，土地利用效益反映因土地资源投入而得到的产出，土地资源投入除了在经济和社会上的产出效益外，还可以在生态环境和城市土地结构方面带来效益，因此采用土地资源在经济、社会、生态和结构4个维度的产出效益来反映土地利用的综合效益。城市化方面，不仅包含农村人口的城市化，还包含城市建设过程对城市的经济、社会和生态的变化，因此用人口、经济、社会和生态4个维度来反映城市化水平。通过整理相关文献，并对各维度进行细分，采用地均或人均来体现相关指标与土地或人口的关联性，以此构建土地利用效益与城市化水平评价指标体系(详见表1)。

表1 呼包鄂地区土地利用效益与城市化水平评价指标体系

2.2 研究方法

2.2.1 熵权法确定权重 为了防止主观赋权法带来的人为偏差，本文采用熵值法确定各类指标的权重，具体步骤如下[12]。

(1) 数据标准化。

①正向指标：

(1)

②负向指标：

(2)

式中：xij——第i个样本的第j个指标的数值(i=1,…,n;j=1,…,m)，xij′为标准化后的xij。本文中的指标均为正向指标。

(2) 计算第j个指标下第i个样本数据占该指标的比重pij：

(3)

(3) 计算第j项指标的熵值ej：

(4)

式中：k=1/ln(n)>0,满足ej≥0。

(4) 计算信息熵冗余度dj：

dj=1-ej

(5)

(5) 计算第j项指标的权重wj：

(6)

利用求出的权重分别计算第i个样本的土地利用综合效益与城市化的综合评价指数，计算公式如下[13]。

(7)

式中：Ui——土地利用综合效益或城市化水平综合评价指数；xij′——标准化后的每个样本的指标值；wj——第j个指标的权重。

2.2.2 相对发展度模型 相对发展度用来反映土地利用系统与城市化水平系统之间相对于对方的发展水平。

相对发展度E=UT/UC

(8)

式中：UT——土地利用综合效益；UC——城市化水平，本文采用相对发展度来表示土地利用综合效益与城市化水平相对发展程度，当E>1时，土地利用系统发展超前于城市化发展，当E≈1时，土地利用系统发展同步于城市化发展，当E<1时，土地利用系统发展滞后于城市化发展。

2.2.3 耦合协调度模型 借鉴物理学中的耦合概念，用耦合度反映土地利用综合效益与城市化两个系统之间的影响程度，耦合度越强，说明两系统之间的相互作用强度越大。但这种相互作用无法体现两个系统之间的协调水平，因此再引入协调度来反映二者之间相互配合，良性互动水平。根据已有研究成果，参考席娟等耦合协调模型计算公式，构建耦合协调度模型，步骤如下[14]。

(9)

(10)

其中：T=αU1+βU2

(11)

式中：C——土地利用综合效益与城市化水平的耦合度，C的值域为[0, 1]，当C取值为1时，说明两个系统之间能够达到完美契合，二者之间的结构与发展走向高度一致，反之，当C取值为0时，二者之间的结构与发展方向成无序状态。另外可以将耦合度分为4个阶段[15]，当0

T——整体评价指数，α和β为待定系数且α+β=1，现认为土地利用系统与城市化系统同等重要，因此取α=β=0.5[16]协调度D的值域为[0,1]，在参考前人文献基础上[17]，将协调度划分为8个阶段，即0.000

2.2.4 灰色关联度模型 文章采用灰色关联度模型分析土地利用效益各指标对城市化系统的关联大小与城市化水平各指标对土地利用系统关联度大小。计算公式为：

(12)

(13)

式中：ζUi——灰色关联系数； ΔUi(k)——各样本土地利用效益各项指标与城市化水平各指标的系统综合指数的绝对差值； ΔUi(min)，ΔUi(max)——绝对差值中的最小值或最大值；ρ——分辨系数，取值范围为(0, 1)，本文取ρ=0.4[18]；Ri——灰色关联度，Ri越高说明该指标对另一系统影响越强。

3 结果与分析

3.1 土地利用效益与城市化发展评价

根据公式(7)分别计算呼包鄂城市土地利用综合效益与城市化综合指数(见图1)，利用综合指数的比值确定土地利用效益与城市化相对发展度(见图2)。

图1 呼包鄂地区土地利用效益与城市化水平综合指数

图2 呼包鄂地区土地利用效益与城市化相对发展度

从图1中可以看出，呼包鄂经济区土地利用效益与城市化水平整体呈逐年上升态势，且10 a中呼包鄂3市的平均土地利用与平均城市化综合指数分别为：0.490 6，0.518 3，0.278 7和0.567 0，0.505 7，0.234 6。鄂尔多斯土地利用效益低于呼和浩特与包头市，2012年鄂尔多斯土地利用效益达到峰值，但与呼和浩特、包头市分别相差0.118 0和0.148 9。从城市化水平方面看，包头市城市化水平增速缓慢，呼和浩特城市化水平增速最快，鄂尔多斯的城市化水平始终落后于呼和浩特和包头，但差距在逐步缩小，2006年落后于包头市0.333 3，2015年落后于呼和浩特市0.311 0。从相对发展度指标看(图2)，呼和浩特市的土地利用与城市化相对发展度取值范围在(0.726 3,0.942 7)之间，说明呼和浩特市10 a间的土地利用发展均滞后于城市化水平，城市化过程中存在不合理的土地利用现象；而包头相对发展度在E=1处上下波动，范围在(0.814 0,1.171 3)之间，在2009—2014年相对发展度都略大于1，此时土地利用超前于城市化，其他年份的相对发展度E均小于1，土地利用滞后于城市化，这说明包头市的土地利用效益相对于城市化进程来说边角滞后；鄂尔多斯市2006—2009年，土地利用滞后于城市化发展，随后在2010—2014年间，土地利用效益远超城市化水平，2015年鄂尔多斯相对发展度回落到0.835 7，整体曲线呈现倒“U”的形状。

3.2 土地利用效益与城市化耦合协调发展度分析

根据耦合协调度模型测算土地利用与城市化耦合协调度(见表2)。从表2中可以看出，2006—2015年呼包鄂经济区土地利用与城市化水平耦合度均处于高水平耦合阶段，呼和浩特市由勉强协调过度到良好协调，包头市由中级协调过度到良好协调，而鄂尔多斯的土地利用效益与城市化协调类型在2006—2015年间先后经历了轻度失调、濒临失调、勉强协调与中级协调，其协调状况初始较差但随时间不断改善。呼包鄂3市的协调度10 a间变化量分别为：0.254 5，0.140 4和0.349 7，所以，比较2015年的协调水平为：呼和浩特>包头>鄂尔多斯，但比较协调发展变化量为：鄂尔多斯>呼和浩特>包头。作为内蒙古的工业城市、稀土城市，包头努力追求工业化，忽略了土地利用的生态效益与城市化发展，导致研究区间内两者的协调发展缓慢，而鄂尔多斯在快速城市化建设的同时兼顾土地利用方式，协调发展较快。

表2 呼包鄂地区土地利用效益与城市化水平耦合协调度

注：C为耦合度；D为协调度。

3.3 相关性分析

对历年呼包鄂经济区的土地利用效益、城市化水平、相对发展度、耦合度和协调度这5项指标进行分析，得到的具体结果见图3。

图3 呼包鄂地区土地利用效益与城市化水平耦合协调度特征

从图3中可以较为明显看出土地利用效益、城市化水平分别和协调度之间存在高度相关性。采用灰色关联度模型测算土地利用效益各指标对协调度的关联指数与城市化各指标对协调度的关联指数(图4)。

注：1地均GDP； 2地均工业总产值； 3地均固定资产投资额； 4人口密度； 5地均用水量； 6人均居住用地面积； 7地均绿地面积； 8地均公园绿地面积； 9建成区绿化覆盖率； 10市区建成区面积比例； 11建设用地比例； 12道路面积比例； 13非农人口比重； 14非农人口增长率； 15第二三产业从业人员； 16人均GDP； 17城镇居民人均消费性支出； 18第二三产业GDP比重； 19人均病床数； 20人均出租车数； 21全年人均供水量； 22人均年乘公共汽车次数； 23人均生活垃圾无害化处理率； 24用气人口比例。

图4 土地利用与城市化水平关联指数

从图4 a中可以看出土地利用效益各指标中道路面积比例和地均工业总产值指标与协调度关联指数最高，分别为0.648 1和0.618 8，而地均固定在产投资额和人均居住面积指标与协调度的关联最低，分别为0.463 3和0.477 1，这说明协调度对土地利用效益指标中道路面积比例和地均工业总产值指标的变化较为敏感，相关度排序为：结构效益>社会效益>生态效益>经济效益；城市化水平中城镇居民人均消费支出和人均生活垃圾无害化处理率指标与协调度的关联指数最高，分别为0.604 3和0.602 7，而人均GDP和第二三产业GDP比重指标与协调度的关联指数最低，分别为0.450 0和0.514 3，说明呼包鄂经济区土地利用效益与城市化水平协调度对城市化水平指标中的城镇居民人均消费支出和人均生活垃圾无害化处理率指标的变化较为敏感，相关度排序为：社会人口化>生态城市化>人口城市化>经济城市化。

4 结 论

(1) 构建了呼包鄂经济区土地利用综合效益与城市化水平评价指标体系，运用熵值法进行权重计算，根据计算结果发现：2006—2015年间，呼包鄂经济区土地利用综合效益与城市化水平稳步上升，且呼和浩特的增速最快，鄂尔多斯的土地利用效益与城市化水平落后于其他2个城市。从相对发展度观察，呼和浩特的土地利用始终滞后于城市化，包头市的土地利用与城市化相对发展度在E=1处上下波动，而鄂尔多斯在2010—2014年出现了城市化大幅度落后于土地利用的现象，这恰好与当时鄂尔多斯大面积占用耕地修建住宅与写字楼的实际情况相吻合。

(2) 在土地利用与城市化的耦合协调方面，3个城市均处于高水平耦合阶段，同时协调度均稳步上升。呼和浩特与包头因城市建设较早，所以在研究时段内分别从勉强协调与中级协调过渡到良好协调，协调度增长幅度分别为0.257 9和0.140 3，尽管鄂尔多斯的协调度从轻度失调上升至中级协调，但10 a间鄂尔多斯的协调度增幅最大为0.349 7。因此，整个经济区应该积极优化产业结构，探索城市土地布局，从3个城市的功能定位与资源、产业基础上寻找其他增长土地利用效益的新动力，同时推进城市化建设。

(3) 通过灰色关联度模型分别测算各指标与协调度的关联情况，结果表明，呼包鄂经济区土地利用的社会效益与结构效益对协调度的影响较大，同时，社会城市化水平与生态城市化水平对协调度的影响较大，因此呼包鄂经济区在土地利用方面可以通过加强城市土地的空间优化与结构优化来提高土地利用的社会效益和结构效益；在城市化方面应努力加强城市社会化建设，发挥城市的聚集效应，加快推进城市生态文明建设，保持经济区生态和谐，努力实现土地利用效益和城市化水平之间的优质协调。