基于信息熵的產業結構與土地利用結構優化的相關性分析
——以呼和浩特市為例

田桐羽，玉 梅，蘇 虹

(內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古呼和浩特 010022)

區域土地利用的規模擴縮和性質轉變是一個自然因素和經濟因素相互作用、相互聯系的過程。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，而經濟要素才是決定土地利用范圍、結構的關鍵因素，特別是產業結構對土地利用結構的發展特征有著導向性的作用[1]。因此，進行土地利用結構重新配置和優化決策時必須著重分析國民經濟各行業部門的生產效率及其與不同類型用地的對應關系。

呼和浩特市是以工業為主體、以高新技術產業、商業貿易、旅游業等為主導產業的綜合性城市[2]。從區域土地利用結構優化的研究意義上來看，當前該市的經濟產業結構發展仍處于第二產業向第三產業轉型升級的關鍵時期，迫切需要優化原有工礦用地結構，逐步消除粗放式、分散式的工業用地布局現象，合理制定三大產業用地優化政策，促進農用地特別是耕地面積的長期穩定和城市建設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構中各用地類型的轉化程度進行分析和概括，再借助Excel數據分析工具將產業結構中各類產業的產值、固定投資完成額與土地利用結構的信息熵值進行線性回歸分析，得出影響土地利用結構轉變的主要產業因素。

1 研究方法與數據來源

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現象發生過程所產生的信息量或信息速率的量度結果[4]。相應地，土地利用結構的信息熵就是指能夠度量某一區域一定時期內各種土地利用類型的數目多少和規模均勻程度的方法，即熵值越大，說明區域各類用地的規模相差越小，用地類型越豐富，土地利用結構越顯得成熟完善[5]。其計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關系的多個要素之間建立函數表達方程式并分析其各要素間的數量關系特征。多元回歸建模分析的過程包含3個步驟，即建立回歸模型、檢驗統計量值、診斷模型合理性等[8]。在建模的過程中，對于非線性數據模型應通過合理的轉化關系變為線性模型，且多元線性回歸模型的近似方程式表現為[9]：

式中，m為自變量個數；b1，b2，…，bm為偏回歸系數項；a為常數項。對F值、t值等統計量值的檢驗是診斷模型和總結問題的關鍵步驟，由此可推知回歸模型的合理性和原始數據的真實性。該研究以信息熵H為參數因變量估計值，且以三次產業各產業產值及其固定資產投資完成額為自變量來進行線性回歸和相應統計量檢驗。

1.2數據來源該研究所采用的數據涵蓋了土地利用變更和經濟產業結構調整等發展領域統計資料，其中呼和浩特市土地利用變更狀況數據主要來自于2009—2015年呼和浩特市土地利用變更調查數據，而產業結構發展方面的數據主要來自同期的《內蒙古統計年鑒》和《呼和浩特經濟統計年鑒》。

2 結果與分析

2.1基于信息熵的土地利用結構動態變化分析區域土地利用結構是該區域不同產業部門或職能部門在有限空間內因地制宜對土地資源予以配置的表現，且隨著區域的經濟、政治、文化和社會的全方位發展，不同性質、功能用地之間相互影響、相互轉換，使區域土地利用結構呈現出持續動態的發展過程[10]。因此，對土地利用結構進行動態變化分析需要以土地利用的定性分類為基本依據，根據《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010—2007)一級類的用地名稱和研究區域土地利用現狀，劃分為農用地、建設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模與用地性質方面均會產生相互作用、轉化的現象，從而帶動整體土地利用結構逐步實現優化完善。

在定性劃分依據的基礎上進行2009—2015年單一用地占比變化趨勢分析的定量分析。就農用地、建設用地和其他用地三大類用地占比的變化態勢而言，如圖1所示，農用地占比重最大，達到89%左右，并自2009年以來呈逐年緩慢波動減少的發展趨勢，這是由農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，其中除了發展經濟作物、供應制造業原材料的園地規模有較大增長幅度外，其他農用地如耕地、林地、草地均呈波動減少的變動態勢；建設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，特別是城鎮及工礦用地的比重自2009以來一直呈現快速增長的態勢，而交通運輸用地在2014、2015年才呈現出高速擴張的趨勢，預計建設用地占比在未來仍將保持大幅上升的態勢。同時，在用地面積總比重一定的前提下，建設用地整體規模占比的上升與農用地規模占比的減少趨勢形成鮮明對比，這說明為順應社會經濟發展的需要而使部分農用地逐步轉化為建設用地，尤其是林地和草地的轉化數量較大。值得注意的是，包括未利用地在內的其他用地占比有逐步緩慢增加的變化態勢，2009 —2015年增加了0.12百分點，達到4.72%，并有進一步擴大的趨勢，這種現象表明現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式工業生產、建設用地粗放式的利用方式等人為不當的經濟活動造成的。因此，為了保護土地的生態環境，完成農用地特別是耕地的基本保有量目標，需要對建設用地的總量擴張予以嚴格的控制，對低效閑置的建設用地進行科學規劃和再利用。

圖1 2009—2015年呼和浩特市農用地、建設用地和其他用地利用結構變化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上，運用信息熵模型得出關于歷年整體用地結構的信息熵，以此進行區域整體土地利用結構發展的完善程度的研究。如圖2所示，對2009—2015年土地利用結構信息熵值的變化趨勢進行分析，從宏觀角度來看歷年熵值均處于1.40～1.50，并呈緩慢波動提升的趨勢，表明現期熵值仍然較低，土地利用結構均質度尚待進一步提升。但就其微觀的變化而言呈現出緩升—急降—急升—緩升的連續V形的態勢，2009—2012年間信息熵值由1.457升至1.472，土地利用結構的均質度逐漸提高，耕地、林地等農用地向城鎮用地、交通運輸用地有序轉換，而2012—2013年熵值異常下降至1.427，出現了建設用地向農用地大量反補的現象，如圖1和表1所示，建設用地占比降至5.28%而農用地的占比增至近90.00%，農用地的各類型用地面積占比均明顯增加而建設用地類型中的交通運輸用地占比銳減至0.10%，說明現期土地利用結構發展的穩定性和土地利用總體規劃的預見性有所欠缺。2013—2015年信息熵值再提升至1.479，建設用地占農用地的面積大幅增加，使得土地利用結構的均勻性日益凸顯，但對于各類建設用地合理布局仍有待深入的規劃和調整。

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

2.2土地利用結構與產業結構的相關性研究

2.2.1土地利用結構信息熵與產業投資結構的相關性。不同產業用地的配套生產環境對于提升產業市場競爭力和土地利用效率具有重要意義，而產業投資是反映不同性質用地所附資源的價值以及加速三次產業所屬的不同功能用地合理布局與集約利用的關鍵要素[11]。為了簡化自變量的數目和增加相關性分析結果的直觀度，將根據20大類國民經濟行業部門分的固定投資完成額的統計數據按克拉克產業分類內容歸納到三次產業中[12]，構建關于三次產業的投資結構，即把農、林、牧、漁業歸入第一產業中；將采礦業，制造業，電力、熱力、燃氣及水生產和供應業，建筑業4個工業經濟部門歸入到第二產業中；將批發和零售業、交通運輸、倉儲和郵政業、住宿和餐飲業、信息傳輸、軟件和信息技術服務業、金融業、房地產業等14個商業服務業經濟部門歸入第三產業中[13-14]，從而形成與三次產業產值結構相對應的固定投資結構。在對2009—2015年各國民經濟部門固定資產投資完成額按三次產業匯總的基礎上，做2009—2015年土地利用結構信息熵與三次產業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年土地利用結構變更情況Table 1 Changes of land use structure in Hohhot during 2009-2015 %

2.2.2土地利用結構信息熵與產業產值結構的相關性。與產業投資結構對土地利用結構變化的作用主要和土地原始質量及其生產潛力聯系緊密的現象不同，各次產業的產值結構對土地利用結構的影響是產業部門對相應產業用地的利用效率和生產效益的直接反映，即產值結構對土地利用變化的干預作用主要與土地利用方式有關[14]。以2009—2015年呼和浩特市第一、二、三產業的產值為自變量，以土地利用結構信息熵為因變量對土地利用結構變更與產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 結論

(1)對2009—2015年呼和浩特市土地利用結構中單一類型用地動態變化趨勢和整體布局均質程度的分析可以發現，耕地、林地、草地等農用地面積的整體減少趨勢與城鎮及工礦用地、交通運輸用地等建設用地面積的總體增加趨勢形成相互作用、相互轉換的發展關系，同時其他用地的面積也在緩慢增加，促進土地利用結構整體布局均勻度即信息熵的波動上升。

(2)通過對土地利用結構信息熵與三次產業固定投資結構的相關性分析得出，第一、二、三產業固定投資與土地利用結構變化之間的相關性分別為負相關、負相關和正相關，且第一產業固定投資的增長對土地利用結構均質性發展的影響程度遠大于二、三產業固定投資，而第二產業固定投資的增長對土地利用結構信息熵變化的作用力遠低于第一、三產業。因此，適當加大第一、三產業的投資額和縮小第二產業的投資額不僅有助于進一步優化產業結構，相應地，第一產業的用地規模將會縮減而第三產業的用地數量會得到補充，對于優化調整土地利用結構也具有重要意義。

(3)就土地利用結構信息熵變化與三次產業產值結構的相關性分析而言，第一、二、三產業產值與土地利用結構空間轉化之間分別呈現出負相關、正相關和正相關的相關性，且它們對土地利用結構變化的影響力由第一產業至第三產業漸次減弱。因此，鑒于農用地面積縮小無礙于第一產業產值上升，而建設用地面積的減少則有可能會阻礙第二、三產業生產效益的增長，特別是第二產業對用地支撐作用的依賴程度較高，在完成農用地基本保有量目標的基礎上適當將農用地轉換為建設用地特別是城鎮住宅用地、商服用地和交通運輸用地，帶動第三產業產值發展，而對工礦用地則也可予以適度轉換為交通運輸用地，以促進整體產業結構優化和生產效益提升。

[1] 馮年華.略論產業結構優化與土地利用結構調整[J].人文地理，1995，10(3)：64-67.

[2] 郝潤梅，趙明.呼和浩特市土地利用景觀生態系統功能研究[M].北京：中央民族大學出版社，2012：41.

[3] 呼和浩特市人民政府.呼和浩特市土地利用總體規劃[A].呼和浩特市國土資源局，2011-12-10.

[4] 馮尚友.信息熵與最大熵原理[J].水利電力科技，1995，22(3)：24-29.

[5] 張秋月，嚴金明.東莞市雙轉型背景下產業結構與土地利用結構關系研究[J].經濟研究參考，2013(11)：65-69.

[6] 耿曉偉.西安市產業結構與土地利用結構關系研究[J].地下水，2012，34(1)：173-175.

[7] 王秀蘭，李雪瑞，馮仲科.基于信息熵原理的北京城市擴展研究[J].中國人口·資源與環境，2010，20(3)：89-92.

[8] 陳彥光.基于Excel的地理數據分析[M].北京：科學出版社，2010：20-25.

[9] 徐建華.現代地理學中的數學方法[M].2版.北京：高等教育出版社，2002：51.

[10] 楊于成.城市土地利用結構與產業結構關系研究：以柳州市為例[D].武漢：華中農業大學，2012：11-13.

[11] 黃金鑫.工業園區土地利用綜合效益評價理論與實證研究[D].重慶：重慶大學，2007：58.

[12] 李小建.經濟地理學[M].2版.北京：高等教育出版社，2006：174.

[13] 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.國民經濟行業分類：GB/T 4754—2011[S].北京：中國標準出版社，2011.

[14] 孟媛，張鳳榮，姜廣輝，等.北京市產業結構與土地利用結構的關系研究[J].地域研究與開發，2011，30(3)：108-111，139.