快速城市化下的城市土地利用結構信息熵變化及其動因分析—以陜西省商州區(qū)為例

杜 學，楊海娟

(西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127)

土地利用結構是區(qū)域自然、經濟、社會和科學技術諸條件的綜合表現(xiàn)［1］。隨著城市化進程的快速推進，建設用地需求量的不斷增加以及人為因素的干擾使得土地利用結構發(fā)生著變化，其結構的有序性、合理性最終將決定土地的可持續(xù)利用。熵作為熱力學的一個概念，揭示了一個物質系統(tǒng)中能量的衰竭程度，通過比較事物不同狀態(tài)下系統(tǒng)的熵值大小，可以辨別系統(tǒng)的轉化方向［2］。熵值的大小表征了系統(tǒng)的有序程度，而土地利用結構這一系統(tǒng)的有序程度又受到許多因素的干擾，近年來，一些學者利用熵值函數(shù)模型對區(qū)域土地利用結構和形態(tài)的時空分異特征進行了初步研究，并取得了一定的研究成果［3－9］。本研究借助于信息熵模型，以商州區(qū)為樣本，借助近7年的土地數(shù)據(jù)對土地利用結構的變化及導致這一變化的動因進行分析和探討。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

商州區(qū)位于陜西省的東南部、秦嶺東段南麓。介于東經109°30'至 110°16'和北緯 33°00'至 34°12'之間。北據(jù)蟒嶺與洛南縣相依，南抵流嶺與山陽縣相鄰，西越秦嶺與藍田、柞水縣相接，東下丹江與丹鳳縣相連。東西長67.5 km，南北寬65 km，土地總面積為 2644.36 km2，2005年，全區(qū)總人口55.29萬人，其中農業(yè)人口 39.70萬，非農業(yè)人口 15.59萬人，城鎮(zhèn)化率32.41%，人均生產總值4 053元。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的商州區(qū)1999～2005年期間的土地利用結構變化數(shù)據(jù)來自商洛市國土資源局的土地利用變更調查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，具有真實性和權威性。為便于分析，將土地利用結構分類調整為耕地、園地、林地、牧草地、城鄉(xiāng)建設用地、交通運輸用地、水體用地和未利用地等八大類(表1)。

表1 商州區(qū)1999～2005年土地利用結構及其信息熵

2 研究方法

2.1 土地利用結構信息熵的計算

城市土地利用系統(tǒng)是自然、人類、社會、科學和技術等合成的開放的復雜系統(tǒng)，具有耗散結構的特征［8］。城市土地利用的空間結構特征可以用信息熵表示。根據(jù)C.E.Shannon熵公式可以構建土地利用結構信息熵，簡稱土地利用結構信息熵(H)［10］。

式中:A為土地總面積，N為土地種類，Ai為各土地類型的面積(i=1，2，…，N)，Pi為各土地利用類型占該區(qū)域宗土地面積的百分比。

式中:H為信息熵，可以看出H≥0，熵值的高低可以反映城市土地利用的均衡程度。當各土地類型面積相等，即A1=A2=…=Ai=A/N時，P1=P2=… =Pi=1/N，此時熵最大，即H=Hmax=logN。因此，熵值越大，土地類型越多，各類型的面積相差越小，類型所占總面積的比重就越小，系統(tǒng)有序程度越低。

2.2 土地利用均衡度和優(yōu)勢度的計算

根據(jù)上面的信息熵的公式可以推出土地利用均衡度J［7］的公式:

式中:J表示均衡度，顯然，由于J值在0～1之間變化，J值越大，城市土地利用的均質性越強。

進而可以創(chuàng)建土地利用優(yōu)勢度I［7］的公式:

式中:I表示優(yōu)勢度，它反映了區(qū)域內一種或多種土地類型支配該區(qū)域土地類型的程度，與均衡度的涵義相反。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構信息熵值變化分析

由表1和圖1可以看出，1999～2005年商州區(qū)土地利用結構信息熵呈下降趨勢，但由于變化幅度不大，所以基本經歷的是一個不斷調整的過程。1999年，商州區(qū)土地利用結構信息熵值最高，為1.216，表明其土地利用有序度最低;1999～2001年，熵值緩慢下降，僅降低 0.001，2000年調整為1.215，2001年保持不變。2001～2003年期間，信息熵減少的幅度最大，2003年的熵值達到最低值為1.204，表明其土地利用有序度最高;2004～2005年期間，熵值又略微上升，2005年調整為1.207，2004年熵值保持1.204不變。由此可見，與1999年相比，商州區(qū)土地利用結構信息熵有所降低，土地利用類型結構趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)的有序度總體呈現(xiàn)上升趨勢。

隨著土地利用結構熵的不斷降低，均衡度也在不斷降低，優(yōu)勢度則向相反方向呈增加趨勢。1999年土地利用結構均衡度為 0.585，優(yōu)勢度為 0.415，均衡度 ＞優(yōu)勢度，相差0.17;2005年土地利用結構的均衡度為 0.581，優(yōu)勢度為0.419，均衡度 ＞優(yōu)勢度，相差 0.162。1999～2005年期間，均衡度持續(xù)下降，優(yōu)勢度則持續(xù)上升。相應的，均衡度的下降，表明該區(qū)域土地利用結構的均質性有所下降，而優(yōu)勢度的提高，表明該區(qū)域內單個或多個土地類型支配土地類型的程度增強，但不是很明顯。1999～2005年期間，商州區(qū)土地利用結構變化表現(xiàn)為，耕地面積減少的幅度最大，凈減少3 948.5 hm2;林地面積減少幅度較大，為 3 477.7 hm2;城鄉(xiāng)建設用地面積有所增加，凈增加968.2 hm2。

綜上所述，1999～2005年商州區(qū)土地利用結構總體處于一種調整狀態(tài)，但是向有序方向發(fā)展，其信息熵值變化較小，結構變化則較少。

圖1 商州區(qū)1999～2005年土地利用結構信息熵值變化圖

3.2 土地利用結構信息熵變化的動因分析

3.2.1 土地利用內部結構的變化

從上面的結果分析可以看出，土地利用內部結構的變化是土地利用結構信息熵變化的直接因素，優(yōu)勢度的增加也表明了該區(qū)域某幾種土地類型的變化支配整個區(qū)域土地類型的程度增強。商州區(qū)1999～2005年期間，耕地、園地、牧草地、未利用地的面積減少，而城鄉(xiāng)建設用地(包括城市、建制鎮(zhèn)、農村居民點和工礦用地)林地、交通運輸用地和水體用地的面積增加，這些用地類型面積的變化符合商州區(qū)近些年發(fā)展的要求，但由于商州區(qū)的發(fā)展速度較為緩慢，變化數(shù)據(jù)表明，其土地利用的方式由無序向有序變化，由粗放型向集約型轉變。

3.2.2 人口增長與城市化進程的推進

人口的增長是一系列問題的推動力，首先是受比較利益的驅動，進行農業(yè)內部結構的調整，而這種調整帶有自發(fā)性，缺乏指導，導致土地利用結構的不合理性;其次是導致建設用地需求的增加［11］。

1999年商州區(qū)總人口為53.70萬人，2005年總人口為55.29萬人，平均每年增加0.23萬人;同期土地利用結構信息熵由 1.216 減少為 1.207，凈減少 0.009，人口數(shù)量的變化方向與信息熵的變化方向呈反方向，可以看出商州區(qū)人口的增長對于該區(qū)域土地利用結構的有序度是一種促進作用。人口的增長與土地利用結構信息熵有著相反的變化規(guī)律。

1999年人均GDP為1550元，2005年為4053元，年均增長357.57元;同期地均GDP由3148元增長到8474元，年均增長760.86元，而城鎮(zhèn)化率也由15.07%增長到32.41%，數(shù)據(jù)表明，近7年內商州區(qū)經濟發(fā)展速度較快，城鎮(zhèn)化率水平較高，其對土地利用結構信息熵減少的促進作用同人口的增長是一致的，這說明，在經濟因素的影響下，商州區(qū)對于土地的利用更趨于合理化和集約化，從而使得其土地利用更趨有序化。

3.2.3 政策環(huán)境的影響

政策環(huán)境是區(qū)域發(fā)展的外部動因，好的政策環(huán)境有利于吸引外資，吸引先進技術的投入，最終會使得該區(qū)域的發(fā)展更加具有先進性，由最初的重農業(yè)向工業(yè)化發(fā)展，土地的利用顯得高效化。商州區(qū)在西部大開發(fā)這一大的政策環(huán)境下發(fā)展，在陜西省退耕還林政策的指導下，在政府的引導下，商州區(qū)各行各業(yè)的用地得到了合理安排，基本解決了人地矛盾和地地矛盾。

4 結論

通過對商州區(qū)1999～2005年土地利用結構信息熵變化的分析，可以得到利用熵函數(shù)模型對土地利用結構進行分析研究是可行的，其數(shù)值的大小反應了土地利用結構的時序變化，數(shù)值越大，系統(tǒng)無序性越高。從分析結果可得，商州區(qū)近7年內土地利用結構趨向有序化，社會經濟發(fā)展、人口增長及好的政策環(huán)境對于土地利用結構信息熵具有較大的影響，對于剛剛起步的城市，這些動因所起的作用是促進性的，有利于土地利用結構的優(yōu)化，但這一促進性作用是暫時的，隨著該區(qū)域社會經濟的進一步發(fā)展，這些動因可能會成為無序化發(fā)展的動因，因此，商州區(qū)政府應做好協(xié)調引導工作，合理配置土地資源，實現(xiàn)土地的可持續(xù)利用。

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