基于STIRPAT模型的城市建設用地結構差異對用地效率的影響研究
——以四川省為例

鄧坤粼,曹文亞,潘洪義

(四川師范大學 a.西南土地評價與監測教育部重點實驗室;b.地理與資源科學學院,四川 成都 610066)

1 引言

近年來,我國工業化進程加速,國民經濟進入了穩步增長階段[1]。隨著城鎮化的快速推進,城鎮用地的快速擴張已成為我國現階段土地利用的重要特征[2]。城市經濟是國民經濟發展的重要載體,對城市的各方面有著重要的影響[3]。然而,近年來我國城鎮化發展表現出“土地城鎮化”大大超過了“人口城鎮化”[4]。城市建設用地的快速擴張占用了大量的非建設用地,而人口城鎮化的增速小于土地城鎮化的增速。促進城市建設用地集約節約利用,優化城市建設用地利用結構,提高城市建設用地利用效率,是推動國家城鎮化進程中亟需解決的重要問題,也是我國實現城市建設用地合理與可持續利用的重要途徑[5]。

目前國內對用地效率研究的主要有:喬偉峰等利用江蘇省南京市兩期三維城市數字重建成果和地類變化轉移矩陣,多角度、全方位視角研究了城市用地類型和用地強度的演變規律[6];李昶基于主成分分析、相關性分析和逐步回歸分析等方法,分析了我國特大城市的建設用地變化特征,提出了合理發展的政策性建議[7];匡兵等基于洛倫茨曲線和偏移份額分析法,分析了湖北省武漢城市群城市用地結構的時序演變特征和空間配置差異,結合推拉理論和多元線性回歸模型探討了城市群用地結構變化的內在機理[8]。

本文對四川省城市建設用地結構變化和城市建設用地利用效率進行了測度,研究城市建設用地的時間變化與空間分異特征,同時基于STIRPAT模型探討城市建設用地占比結構對用地效率的影響特征。結合四川各城市用地的實際情況,以期為四川省城市建設用地的合理利用與規劃提供數據支持和理論支撐。

2 研究區域與研究方法

2.1 研究區域

四川省位于97°21′—108°31′E、26°03′—34°19′N之間,地形復雜多樣,東部為盆地與丘陵,海拔在3000m以下,西部為高原和山地,海拔多在4000m以上,地勢西高東低的特點尤為明顯。轄區面積48.6萬km2,占全國土地總面積的5.1%,居全國第五位,僅次于新疆維吾爾自治區、西藏自治區、內蒙古自治區和青海省。

2.2 研究方法

信息熵模型:假設一個城市的各類城市建設用地總面積為S,各類城市建設用地的面積為Si(i=1,2,3,…,k),則各類城市建設用地面積占總面積的比重為Pi=Si/S。根據信息熵原理,可定義城市建設用地利用結構信息熵[9]:

(1)

(2)

E=1-J

(3)

式中,H為信息熵(采用自然對數單位Nat),信息熵的大小表征城市內部建設用地利用類型的多少、規模和有序程度;E為優勢度,表示城市建設用地利用的集中程度,反映城市內一種或幾種有優勢的用地類型對城市的主導與支配程度;J為城市建設用地利用結構的均衡度,是實際信息熵值與最大信息熵值的比值。

偏移—份額模型(份額量)為:

(4)

R=(Ut-U0)/U0

(5)

結構性偏移量:

(6)

(7)

競爭性偏移量:

(8)

(9)

偏移份額比=(IMij+RSij)/NSij

(10)

包含非期望產出的超效率SBM模型:本文主要采用包含非期望產出的超效率SBM模型[10],對四川省2002—2016年城市建設用地效率進行測度,計算公式為:

(11)

λj>0，j=1,…,n,j≠0

STIRPAT模型:STIRPAT模型是由IPAT環境壓力模型演變而來,用來表征人文因素對環境壓力的影響,為非線性多變量隨機模型,標準形式[11]為:

I=aPbAcTde

(12)

式中,I為環境壓力;P,A,T分別為人口數量、富裕度和技術因素;b,c,d分別為人口數量、富裕度和技術因素的彈性指數;a為模型系數;e為模型誤差項。

借鑒STIRPAT模型的標準形式,構建定量分析城市建設用地結構對用地效率影響的擴展模型:

(13)

式中,TE為城市建設用地利用綜合技術效率;P為市轄區非農業人口;A為人均GDP;Dij為各類城市建設用地百分比;i為年份;j為城市建設用地類型。

為便于實際分析,常將非線性問題轉化為線性問題,對模型兩邊同時取自然對數得到:

lnTE=lna+blnPi+clnAi+?ijlnDij+lne

(14)

當其他因素不變時,各類城市建設用地結構占比每變化1%,綜合技術效率將隨之變化?ij%。

2.3 數據來源及指標選取

本文研究對象包括四川省的18個地級城市。由于甘孜州、涼山州和阿壩州的數據缺失,因此將這3個地區定為非研究區。基礎數據主要包括城市建設用地結構利用數據、社會經濟數據和空間數據(表1)。城市建設用地結構利用數據來源于2002—2016年的《中國城市建設統計年鑒》,包括城市建設用地總面積以及居住用地、工業用地、倉儲用地、綠地等各類城市建設用地面積;社會經濟數據來源于2003—2017年的《中國城市統計年鑒》和《四川統計年鑒》,部分經濟數據根據各城市統計年鑒和國民經濟與社會發展統計公報整理補充完善;四川省空間數據由1∶400萬國家基礎信息系統網站中的四川省縣級行政區劃矢量數據處理得到。此外,本文的城市建設用地結構數據和社會經濟數據均為各城市的市轄區數據。

表1 城市建設用地效率評價指標體系

注:數據來源于2002—2016年《中國城市建設統計年鑒》、《中國城市統計年鑒》、《四川省統計年鑒》和各城市的統計年鑒。

3 結果分析

3.1 城市建設用地利用結構時空變化分析

從時間維度分析:隨著時間的推進,四川省內部各城市建設用地利用結構信息熵、均衡度和優勢度演變有所不同。從測算結果可知:成都市、自貢市、瀘州市等10個城市建設用地結構信息熵和均衡度表現為波動上升且相對穩定的趨勢,各市建設用地利用結構有序性降低,各類型城市建設用地面積的差距在縮小,結構日益完善,變化趨勢見圖1a。德陽市、綿陽市、內江市、樂山市、南充市、廣安市、達州市和巴中市8個城市的建設用地結構信息熵值總體為波動下降的趨勢,各城市建設用地利用結構有序性增強,單一或幾種用地類型優勢明顯(圖1b)。

圖1 2002—2016年四川省各市建設用地信息熵波動圖

空間維度分析:由表2可知,四川省各市的增長性結構從衰退性結構中吸納了133.52km2的城市建設用地。其中,工業用地的貢獻量最大,占轉移量的65.88%;其次依次為倉儲用地、居住用地、市政公用設施用地和道路交通設施用地,貢獻量分別為12.57%、10.47%、7.67%和3.41%。從地類上看,這部分偏移量分配給增長性建設用地的公共設施用地和綠地,各自占比分別為39.03%和60.97%。從空間分布上看,這部分偏移量大部分分配在成都市、綿陽市和南充市,雅安市和資陽市的分配額較小。

從表3可見,空間布局上自貢市、南充市和達州市的偏移份額比均為正值,表明城市建設用地偏移量主要是補給效應,城市建設用地需求高;成都市、攀枝花市、瀘州市、綿陽市、內江市、宜賓市、雅安市、巴中市和資陽市的偏移份額比中正值多于負值,說明城市建設用地偏移量以補給效應為主,城市建設用地增長明顯;德陽市、廣元市、遂寧市、樂山市、眉山市和廣安市的偏移份額比中多為負值,說明城市建設用地偏移量以擠出效應為主,主要體現在居住用地和公共設施用地兩種城市建設用地類型。

表3 四川省各城市建設用地偏移份額比

3.2 城市建設用地利用效率時空分析

時序分析:本文借助MaxDEA軟件計算2002—2016年四川省18個研究城市的建設用地利用效率,測算結果包括綜合技術效率、純技術效率和規模效率。結果表明,四川省各城市建設用地效率在投入水平、城市管理等方面均表現為異質性。①綜合技術效率方面,各城市表現為波動上升趨勢,且在全省平均綜合技術效率方面呈上下波動;2002—2006年綜合技術效率表現為全省>各市;2006—2013年綜合技術效率表現為各市>全省;2013—2016年效率值又回到全省>各市,說明行政區劃級別的不同,城市在用地發展、城市集聚效益與管理水平上呈現較大的差異。②純技術效率方面,各城市同樣表現為波動上升趨勢,2002—2006年的純技術效率表現為全省>各市;2006—2013年純技術效率表現為全省>各市;2013—2016年效率值又回復到全省>各市。變動幅度方面,城市變化幅度(0.246)高于四川省的平均水平(0.193),但總體變化幅度有限。③規模效率方面,同樣表現為波動上升趨勢,除個別年份外,規模效率基本上表現為各市>全省。

圖2 2016年四川省各城市建設用地利用效率

空間分析:綜合技術效率受純技術效率和規模效率的共同影響,表現為綜合技術效率=純技術效率×規模效率,兩種效率共同作用于綜合技術效率。2016年四川省城市建設用地利用綜合技術效率為0.828,尚未達到效率有效狀態,要素投入—產出水平還有較大的提升空間,合理配置資源,實現效率的最優產出。就各市綜合效率而言,2016年各城市間的城市建設用地效率存在較大的差異,巴中市的綜合技術效率最高為1.207,最低的宜賓市為0.329,最大效率值是最小效率值的3.67倍。因此,將18個城市大致分為(圖2):①TE>1,包括成都市、自貢市、攀枝花市、德陽市、綿陽市、廣元市、遂寧市、南充市、達州市、雅安市和巴中市。其中,巴中市綜合技術效率值最高,2016年地區生產總值比上年增長了7.8%,三次產業結構占比為16.5∶46.6∶36.9,依靠第二、三產業帶動經濟發展,同時位于秦巴山區,在國家精準扶貧政策支持下,達到城市建設用地利用的高效狀態,實現投入—產出的優化配置,投入—產出的松弛量基本上達到最優。②1≥TE≥0.4,包括樂山市、廣安市和資陽市3個城市,其綜合技術效率值未達到效率有效狀態,效率值在0.5上下浮動,說明城市建設用地的投入要素與最優的產出效率之間還存在一定差距,需要提高資源配置水平。在包含非期望產出的測算下,資陽市2016年的非期望產出比2015年有所增加,經濟發展所帶來的環境負效應較明顯。③0.4>TE,主要包括瀘州市、內江市、眉山市和宜賓市,其綜合技術效率值低于0.4,處于低效狀態,這4個城市的三次產業結構均為“二三一”型,說明經濟發展主要依靠第二產業的拉動作用,產生的環境負效應較大。瀘州市為4個城市中綜合技術效率較高的城市,地處川南經濟片區,城鎮化率為47.5%,市內布局有重化工業、釀酒等企業,污染物排放量較多,技術水平有待提高,綜合效率低下。

3.3 建設用地結構對用地效率的影響分析

基于模型的構建原理,各類型城市建設用地占比結構為自變量,城市建設用地利用綜合效率為因變量。首先對四川省城市整體樣本進行回歸估計,模型指標數據的得分系數見表4。

表4 城市建設用地效率指標數據主成分得分系數

由主成分得分系數可得綜合變量:

F1=0.863lnP+0.921lnA-0.386lnD1+0.786lnD2-0.887lnD3-0.721lnD4-0.698lnD5+0.507lnD6+0.923lnD7

(15)

F2=0.444lnP+0.306lnA+0.729lnD1-0.479lnD2-0.241lnD3-0.45lnD4+0.606lnD5-0.708lnD6+0.262lnD7

(16)

再將用地綜合效率與綜合變量通過最小二乘法進行回歸,回歸方程調整R2=0.745,顯著性值為0.000均小于0.05,說明模型擬合較好(表5)。

表5 綜合變量模型系數

用地效率與綜合變量的關系式為:

lnTE=0.129F1+0.113F2-3.35

(17)

由式(15)—(17)可得用地效率與用地結構的擴展STIRPAT模型:

lnTE=0.1615lnP+0.1534lnA+0.0326lnD1+0.0468lnD2-0.1417lnD3-0.1439lnD4-0.0204lnD5-0.0146lnD6+0.1487lnD7-3.35

(18)

式中,D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7分別為居住用地、公共設施用地、工業用地、倉儲用地、道路交通設施用地、市政公用設施用地和綠地的用地占比。

由上式可知,D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7每變化1%,用地效率將會分別發生0.0326%、0.0468%、-0.1417%、-0.1439%、-0.0204%、-0.0146%和0.1487%的變化。城市建設用地效率與居住用地、公共設施用地和綠地呈現正相關性,影響程度為綠地>公共設施用地>居住用地;工業用地、倉儲用地、道路交通設施用地和市政公用設施用地呈現負相關關系,影響程度表現為倉儲用地>工業用地>道路交通設施用地>市政公用設施用地。

由于各市所處的地理位置、經濟發展水平和城市管理等方面存在差異性,因此用地結構對用地效率的影響特征也有差異。基于STIRPAT模型回歸分析方法,得到城市建設用地占比結構對用地綜合效率的模型估計結果,四川省18個城市的綜合變量與綜合效率回歸所得的調整R2均大于0.7,顯著性值均小于5%,說明各城市的模型擬合均較好,模型估計結果見表6。

表6 城市STIRPAT模型估計結果

就用地結構對用地效率的正向影響來看,成都市主要受公共設施用地和綠地的影響較大,公共設施用地增加主要表現為商業和服務業用地增加,經濟產出直接作用于用地類型上,可明顯提高用地效率;綠地具有美化城市、改善生活環境的功能,能提升居住環境。自貢市、德陽市和遂寧市主要受道路交通設施用地和工業用地的影響較大,道路交通設施用地增加,能為勞動力出行提供方便,降低通勤時間,也為企業的原材料運輸和產品輸出提供完善便捷的運輸通道,降低運輸成本;工業用地同公共設施用地類似,經濟效益增加直接影響城市用地效率提高。攀枝花市、樂山市、雅安市和資陽市受公共設施用地和市政公用設施用地的影響較大,市政公用設施用地增加,一定程度上對勞動力就業及其子女的讀書、各類產業的發展等提供了相應的保證,對提高用地效率具有一定的保障作用。綠地對瀘州市具有明顯的正向影響作用,對瀘州城市綠化率的提高有積極作用。內江市、宜賓市主要受居住用地和倉儲用地的影響較大,居住用地增加,能為勞動力提供較好的居住環境,減少住房開支,同時能帶動相關產業的發展,達到提高城市用地效率的目標;倉儲用地增加,為工業、服務業等行業發展提供了相對便捷的服務,間接推動城市建設用地效率提高。市政公用設施用地、工業用地對綿陽市、眉山市用地效率的提高具有正向作用;道路交通設施用地和公共設施用地對廣元市的影響較大;南充市受居住用地、道路交通設施用地的影響較大;廣安市受工業用地和居住用地的影響較大;居住用地對達州市的影響較大;市政公用設施用地、綠地對巴中市的影響較大。

4 結論與討論

4.1 結論

研究結論主要為:①從城市建設用地結構時間維度看,四川省各市建設用地利用結構信息熵變化具有波動性,表現出“緩慢上升—緩慢下降—快速上升—緩慢下降—快速下降—快速上升”的過程,用地結構為“相對穩定—有序—無序—相對穩定—有序—無序”的變化過程,用地結構有序性降低,多樣性提升;就各城市內部而言,各城市用地結構信息熵表現為波動上升和波動下降的趨勢特征。②從城市建設用地效率看,三大效率值均呈“波動上升”趨勢,且表現為規模效率>純技術效率>綜合技術效率,規模效率對綜合技術效率的貢獻度較大,而純技術效率對綜合技術效率的影響度更大。各市三大用地效率值均呈波動上升,且在全省平均水平上下波動;就城市內部而言,有50%的城市用地效率達到有效狀態,少數城市處于效率低下狀態,需要合理配置資源投入,提升用地效率。③通過探究各城市建設用地占比結構對用地效率的影響特征,發現各城市用地占比結構對用地效率的影響作用各有不同。生活用地是影響城市建設用地利用綜合效率提升的主要因素;生產用地是影響城市建設用地利用綜合效率提升的直接因素;生態用地是影響城市建設用地利用綜合效率提升不可或缺的因素。各城市內部建設用地結構相互影響、相互制約所形成的作用合力,共同影響用地效率的提升;公共設施用地和工業用地、倉儲用地可直接產生經濟效率,效率提升明顯,而居住用地、道路交通設施用地、市政公用設施用地和綠地不能直接產生經濟效益,需要通過一定的傳導作用才能產生經濟效益,但卻是城市發展和用地效率提升不可缺少的用地結構類型,需要合理配置各類城市用地,優化城市建設用地供應結構,達到效率提高的目的。

4.2 討論

本文基于城市建設用地結構和用地效率的測度,探討了四川省城市建設用地結構對用地效率的影響特征,但仍存在一些不足,有待后續改進。在研究用地占比結構對用地效率的影響特征時,為了保證前后年份數據的可比性,將城市建設用地按一定原則做了歸并處理,這種處理為使連續年份具有可比性,得出的結果較為籠統,不能細分表示用地占比結構對效率的影響特征,今后需要進一步分階段的深入研究。