寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵區(qū)土地利用空間結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變
——以江蘇省鎮(zhèn)江市為例

張榮天

土地利用／覆蓋變化（LUCC）研究是當(dāng)前地理學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一［1］，而其中土地利用空間結(jié)構(gòu)研究又占據(jù)著十分重要的地位［2］。目前關(guān)于土地利用的研究已經(jīng)涉及到土地利用變化時空演變、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)、驅(qū)動機(jī)制、模擬預(yù)測等多個領(lǐng)域［3－5］，多采用分形理論［6］、RS 與 GIS 技 術(shù)［7］、景 觀 格 局 指 數(shù)［8］等 數(shù)理方法對土地利用／覆蓋變化（LUCC）進(jìn)行探討，這些研究方法大多為傳統(tǒng)的地理學(xué)研究方法，結(jié)果不夠直觀，洛倫茨曲線作為重要的經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法已經(jīng)在土地利用結(jié)構(gòu)得到了應(yīng)用［9－10］，它能較準(zhǔn)確、直觀地反映土地利用結(jié)構(gòu)演變的規(guī)律。1948年美國工程師Shannon［11］最早提出信息熵的概念，此后信息熵理論被運(yùn)用到自然與社會科學(xué)等研究領(lǐng)域［12－13］。土地是一個具有耗散結(jié)構(gòu)的自然與歷史綜合體，具有結(jié)構(gòu)與功能的有序性特征，因此可以運(yùn)用信息熵來刻畫土地利用結(jié)構(gòu)的有序性規(guī)律［14］；國內(nèi)有不少學(xué)者對土地利用結(jié)構(gòu)信息熵作了探討，不僅對東南沿海低山丘陵區(qū)、洞庭湖區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)等典型區(qū)域［15－17］，同時也對中小尺度地區(qū)（市域、縣域）的土地利用空間結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了實(shí)證探討與研究［18－19］。運(yùn)用信息熵理論探討土地利用的空間結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變，可以綜合反映某一區(qū)域在一定時段內(nèi)各種土地利用類型的動態(tài)變化及其轉(zhuǎn)換程度，為區(qū)域土地科學(xué)合理利用指出了新的思路與方向。

鎮(zhèn)江市位于江南平原與丘陵山地之間的過渡地帶，屬于寧鎮(zhèn)揚(yáng)（南京—鎮(zhèn)波—揚(yáng)州）丘陵區(qū)，土地利用類型復(fù)雜多樣，土地開發(fā)利用程度較高，其中丘陵崗地面積占63.4%，圩區(qū)、洲地面積占到19.5%，平原占17.1%，是江蘇省丘陵面積比重最大的地級市之一，是寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵區(qū)頗具代表性的地區(qū)。本研究以江蘇省鎮(zhèn)江市為研究的實(shí)證區(qū)域，基于鎮(zhèn)江市的1997—2009年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，運(yùn)用空間洛倫茨曲線，分析鎮(zhèn)江市域土地利用類型在區(qū)域內(nèi)的空間分布差異情況，即分布相對分散與集中程度；同時采用Shannon信息熵理論，計算出鎮(zhèn)江市1997—2009年不同時期土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵H與均衡度E，揭示出13a間鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)的熵值動態(tài)演變及其區(qū)域分異的規(guī)律，以期為寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵區(qū)土地利用空間結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化提供科學(xué)的理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

1.1.1 信息熵 Shannon信息熵主要用于描述系統(tǒng)的存在狀態(tài)，熵值變化可以表征系統(tǒng)具體的演變方向［20］。理論上信息熵越小，系統(tǒng)就有序程度越高，結(jié)構(gòu)性就越強(qiáng)，它可以深入定量描述區(qū)域土地利用空間結(jié)構(gòu)特征，熵值變化可綜合反映某區(qū)域在一定時段內(nèi)各種土地利用類型的動態(tài)變化及其轉(zhuǎn)換程度，可用來刻畫區(qū)域土地利用系統(tǒng)的有序程度，計算公式為：

式中：H——信息熵，其值大小反映區(qū)域土地利用類型的多少及各類土地利用類型空間分布的均勻程度；

式中：E——均衡度；Hmax——信息熵的最大值；N——土地利用類型。均衡度E的取值區(qū)間范圍為［0，1］。當(dāng)E＝0時，區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)處于最不均衡狀態(tài)；而當(dāng)E＝1時，土地利用結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)。若E值越大，表明區(qū)域不同土地利用類型越多，且各類用地的面積相差越小，土地利用結(jié)構(gòu)的均衡性越強(qiáng)。

1.1.2 空間洛倫茲曲線 洛倫茨曲線（圖1）最早是20世紀(jì)初經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計學(xué)家Lorenz［22］提出的一種關(guān)于研究工業(yè)集中化的統(tǒng)計方法，利用頻率累積數(shù)繪制成曲線，用來表示區(qū)域不平等差異程度，此后該方法在經(jīng)濟(jì)學(xué)、地理學(xué)等領(lǐng)域中也得到廣泛運(yùn)用。它可用于刻畫土地利用的空間分布特征，描述土地利用空間結(jié)構(gòu)的分散與集中程度。因此，它是研究土地利用空間結(jié)構(gòu)的一種重要方法。洛倫茲曲線b為向外凸起的曲線，與橫坐標(biāo)成45°夾角的直線稱為絕對均勻線a。各土地利用類型曲線至絕對均勻線的離差就是該地類實(shí)際空間分布與其在全區(qū)均勻分布的差異測度。若越接近絕對均勻線，曲線的離差較小，表明該土地利用類型在區(qū)域范圍內(nèi)分布越均勻；反之，該土地利用類型在區(qū)域內(nèi)的分布差異較大，空間分布則較為的分散。Pi——景觀斑塊類型i占總面積的比例。為更好地說明區(qū)域土地利用類型之間的規(guī)模差異及其結(jié)構(gòu)分異，引入土地利用均衡度的概念［21］，具體公式為：

圖1 空間洛倫茨曲線示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于江蘇省鎮(zhèn)江市1997—2008年土地利用變更統(tǒng)計數(shù)據(jù)（shp矢量格式），以及2009年的第二次的土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)，為了使得研究的數(shù)據(jù)具有可比性，結(jié)合我國土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)（GB／T21010—2007），并且根據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀的具體特征，基于ArcGIS 9.3軟件分析平臺，把鎮(zhèn)江市的土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、牧草地、其它農(nóng)用地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通水利用地、水域及未利用地的9大類型，并計算出每種地類的面積及比重，得出1997—2009年鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)（表1）。

表1 鎮(zhèn)江市1997－2009年土地利用結(jié)構(gòu) %

2 土地利用空間結(jié)構(gòu)動態(tài)演變

2.1 土地利用類型的空間分布特征

利用空間洛倫茨曲線來說明研究區(qū)內(nèi)各地類的空間分布集中與分散的規(guī)律。首先，利用鎮(zhèn)江市1997和2009年各土地利用類型面積的原始數(shù)據(jù)，分別求出兩個時段鎮(zhèn)江市各地類的區(qū)位熵，區(qū)位熵是指某一地區(qū)某土地利用類型面積占區(qū)域該土地利用類型總面積的比值與該地區(qū)土地總面積占區(qū)域土地總面積之比；其次，按照區(qū)位熵大小從低到高依次排列，并計算出鎮(zhèn)江市土地總面積的累計百分比和各土地利用類型的面積累計百分比；最后，將總土地面積累計百分比為橫坐標(biāo)，以某地類面積累計百分比為縱坐標(biāo)，各取100長度，繪制出直角坐標(biāo)圖。以各累計數(shù)繪制坐標(biāo)點(diǎn)，得到的曲線與絕對均勻線的離差就是該土地利用類型實(shí)際分布與在鎮(zhèn)江全市均勻分布的差異測度。根據(jù)空間洛倫茨曲線繪制的具體步驟，繪制成鎮(zhèn)江市1997和2009年2個時段的各土地利用類型的空間洛倫茨曲線可以看出，1997—2009年，鎮(zhèn)江市的居民點(diǎn)及工礦用地、耕地距離絕對均勻線較近，表明這兩種土地利用類型在鎮(zhèn)江市域內(nèi)空間分布較為的分散，也就是意味著這兩種土地利用類型在鎮(zhèn)江市各區(qū)（縣）之內(nèi)的分布較為均勻；而水域、未利用地、園地等依次遠(yuǎn)離絕對均勻線，其中林地、牧草地距離絕對均勻線最遠(yuǎn)，表明林地和牧草地在鎮(zhèn)江市域范圍內(nèi)空間分布較不均衡，因為鎮(zhèn)江市地處寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵地帶，整體上鎮(zhèn)江西部的地形較高，而中東部地區(qū)相對平坦，因此林地主要集中分布在地形較高的鎮(zhèn)江市西部地區(qū)，而在鎮(zhèn)江市東部地區(qū)則較少分布。

2.2 土地利用結(jié)構(gòu)演變的時間規(guī)律

根據(jù)Shannon信息熵的計算公式，對鎮(zhèn)江市1997—2009年的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分別進(jìn)行計算。由圖2可知，整體上研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵自1997年以來就不斷升高，這充分表明了鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)正在朝著無序方向發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸減弱，但13a間，鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變表現(xiàn)出十分顯著的“階段性”特征，總體上可以劃分出3大階段：（1）緩慢增長期（1997—2000年），1997年鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵為1.638 6，此后開始逐漸升高，但增長的幅度較小，到2000年僅1.643 5，年增長的幅度為0.12%，表明土地利用結(jié)構(gòu)無序化進(jìn)程極度緩慢，區(qū)域發(fā)展中土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度較高，各土地利用類型比例的變化偏小，變動較為顯著的為耕地和居民點(diǎn)及工礦用地；（2）快速上升期（2001—2004年），從2001年開始，信息熵開始快速上升，到2004年達(dá)到了最大值1.692 1，年增長的幅度為1.05%，這一時期信息熵H值急劇上升，表明該階段研究區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈變化，主要是耕地、居民點(diǎn)及工礦用地和牧草地的變化較為顯著。其中，耕地比重下降了2.96%，牧草地的比重下降了0.42%，而居民點(diǎn)及工礦用地的比重上升了1.77%，這一時期鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)無序發(fā)展程度最大；（3）穩(wěn)步發(fā)展期（2005—2009年），從2005開始，土地利用的信息熵進(jìn)入一個相對平穩(wěn)時期，熵值H大致就在1.695 0左右波動，年增長幅度僅僅為0.04%，明顯低于前面兩階段，這一時期土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)入低水平的有序發(fā)展?fàn)顟B(tài)。均衡度E與信息熵H 變化趨勢相似，也呈現(xiàn)出呈十分顯著的“階段性”演變規(guī)律，也大致劃分為3個階段，但整體上均衡度指數(shù)E一直處于不斷上升的趨勢，表明1997—2009年間鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度在提高，占優(yōu)勢地位的土地利用類型在減弱，但是通過與全國其它地區(qū)的信息熵指數(shù)對比分析可知［23］，總體上而言，鎮(zhèn)江市土地利用有序程度還處在較低的狀態(tài)，表明鎮(zhèn)江市的土地利用結(jié)構(gòu)尚處于低水平的均衡狀態(tài)，土地利用結(jié)構(gòu)還有待于進(jìn)一步的優(yōu)化與調(diào)整。

圖2 鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵及均衡度演變

通過進(jìn)一步分析，鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化主要是由于土地利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部變化與調(diào)整，具體體現(xiàn)在兩個方面：（1）工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，導(dǎo)致城鎮(zhèn)用地的需求量不斷增加。鎮(zhèn)江市正處在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化、工業(yè)化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級過程之中，同時由于滬寧線的開通，南京都市圈的打造，鎮(zhèn)江市城鎮(zhèn)化速度加快，促使城市建成區(qū)不斷向外圍地區(qū)擴(kuò)展，使得大量耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，農(nóng)地景觀轉(zhuǎn)變?yōu)榉寝r(nóng)地景觀的現(xiàn)象在城郊地區(qū)尤為地顯著；13a間居民點(diǎn)及工礦用地面積增加了2.34×104hm2，交通水利用地面積增加了1 718hm2，建設(shè)用地快速增長導(dǎo)致區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵不斷發(fā)生變化；（2）農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，也是造成土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化的重要原因。林地和牧草地的都呈現(xiàn)出不斷減少的趨勢，其中林地減少了1 439hm2，牧草地減少了2 860hm2；而園地呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，用地面積增加了3 460hm2?；赟PSS統(tǒng)計分析軟件，運(yùn)用相關(guān)分析法定量地探討鎮(zhèn)江市土地利用類型與信息熵之間內(nèi)在關(guān)系。在顯著性水平p＜0.01時，園地、林地、水域及未利用地與信息熵成負(fù)相關(guān)，而居民點(diǎn)及工礦用地、交通水利用地與信息熵成正比；在顯著性水平p＜0.05時，其它農(nóng)用地與信息熵成反比，而耕地和牧草地與信息熵成正比，通過相關(guān)分析可知，耕地、牧草地面積的減少，居民點(diǎn)及工礦用地、交通水利用地面積的增加，直接促使鎮(zhèn)江市土地利用信息熵不斷上升，土地利用結(jié)構(gòu)持續(xù)向無序的方向發(fā)展。

2.3 土地利用結(jié)構(gòu)演變的區(qū)域分異

尺度是地理學(xué)的一個核心問題，尺度對于分析土地利用結(jié)構(gòu)意義重大，因為不同尺度的選擇會得出相異的結(jié)論。市域尺度上的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值是不能全面表征其它更小尺度上土地利用信息熵演變特征，即土地利用的整體有序程度無法表達(dá)部分的有序度，因此需要探討更小尺度（縣域、鎮(zhèn)域）土地利用結(jié)構(gòu)演變的區(qū)域分異規(guī)律。鎮(zhèn)江市下轄市區(qū)（京口與潤州）、丹徒區(qū)、新區(qū)、揚(yáng)中市、丹陽市及句容市，各個區(qū)（縣）由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的差異以及工業(yè)化和城鎮(zhèn)化都處于不同的階段，導(dǎo)致其土地利用方式和程度也存在較大的分異。因此，鎮(zhèn)江市域不同區(qū)（縣）的土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵也會各不相同；同時即使在同一區(qū)（縣）范圍之內(nèi)，在不同的時間段，其土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵也會出現(xiàn)相異的動態(tài)演變特征。根據(jù)上述的分析思路，基于GIS空間分析軟件平臺，提煉出鎮(zhèn)江市各區(qū)（縣）土地利用的類型數(shù)據(jù)，運(yùn)用Shannon信息熵公式計算出鎮(zhèn)江市各個區(qū)（縣）土地利用信息熵H值，并運(yùn)用Excel軟件繪制出信息熵演變圖（圖2），從而來探討鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)演變的區(qū)域分異規(guī)律。從圖3中可以看出，鎮(zhèn)江市區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值普遍地高于其所下轄的各區(qū)縣，但同時各區(qū)縣的變化趨勢也呈現(xiàn)出顯著的分異特征：（1）鎮(zhèn)江市區(qū)的信息熵值呈現(xiàn)出波動下降的態(tài)勢，鎮(zhèn)江市區(qū)1997年的信息熵H為1.717，之后信息熵就開始連續(xù)下降，到2009年，下降到僅僅為1.671，主要的原因為市區(qū)是鎮(zhèn)江市域城鎮(zhèn)化最為重要的空間載體，隨著城鎮(zhèn)化的步伐不斷加快，市區(qū)周圍大量的農(nóng)業(yè)用地不斷轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，建設(shè)用地成為市區(qū)最主要的景觀用地，市區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)不斷趨向單一化，這就造成了市區(qū)土地利用信息熵值呈現(xiàn)不斷下降的趨勢；（2）新區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵也出現(xiàn)了波動減小的趨勢，從1997年的1.667減少到2009年的1.631，表明新區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)也正在朝著無序方向發(fā)展，這是由于新區(qū)近些年來，也逐漸成為城鎮(zhèn)用地不斷向外拓展的地區(qū)，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的水平也處在較高的水平，城鎮(zhèn)用地逐漸變?yōu)樾聟^(qū)的占據(jù)優(yōu)勢地位的土地利用類型之一；（3）除市區(qū)和新區(qū)外的其余4個稍欠發(fā)達(dá)縣區(qū)的信息熵值呈現(xiàn)出波動上升的態(tài)勢，隨著1997年以來經(jīng)濟(jì)社會的快速增長，導(dǎo)致區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)均衡度有所增加，逐漸打破了這一區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)或者林業(yè)土地利用類型占據(jù)優(yōu)勢的空間分布格局，從而導(dǎo)致鎮(zhèn)江西部丘陵區(qū)及中部過渡區(qū)土地利用信息熵值呈現(xiàn)不斷上升的態(tài)勢。

圖3 鎮(zhèn)江市各區(qū)（縣）土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化

3 結(jié)論

（1）通過空間洛倫茨曲線分析可知，居民點(diǎn)及工礦用地、耕地距離絕對均勻線較近，這兩種土地利用類型在鎮(zhèn)江市域范圍之內(nèi)空間分布較為分散；而園地、水域、林地、未利用地等依次遠(yuǎn)離絕對均勻線，其中牧草地距離絕對均勻線最遠(yuǎn)，表明林地和牧草地在鎮(zhèn)江市域范圍內(nèi)空間分布較不均衡；

（2）鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在時間上呈現(xiàn)出十分顯著的“階段性”特征，1997—2000年為緩慢增長期；2001—2004年為快速上升期；2005—2009年為穩(wěn)步發(fā)展期；耕地和居民點(diǎn)及工礦用地的面積變化與土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的變化顯著地相關(guān)，是鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)演變的主要影響類型；

（3）鎮(zhèn)江市土地利用結(jié)構(gòu)在空間上呈現(xiàn)出較為顯著的區(qū)域分異規(guī)律，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的市區(qū)及新區(qū)的信息熵整體上高于其它區(qū)縣，且呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，土地利用結(jié)構(gòu)的有序性逐漸提高，而其它稍欠發(fā)達(dá)4個區(qū)縣的信息熵卻呈現(xiàn)出日益上升的態(tài)勢，土地利用結(jié)構(gòu)的有序性不斷降低。

（4）需要進(jìn)一步指出的是，本研究僅對鎮(zhèn)江市1997—2009年的土地利用空間結(jié)構(gòu)的演變特征進(jìn)行了描述，時間尺度不夠長，而大時間尺度的研究更能揭示區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)演變的特征及規(guī)律；本研究初步地分析了鎮(zhèn)江市域信息熵呈現(xiàn)出不斷上升趨勢與各地類面積變化的相關(guān)性的定量分析，弱化了關(guān)于市域信息熵演變階段性特征及區(qū)域分異深層次驅(qū)動因子的分析與探討，而這種分析更加有利于針對性地提出優(yōu)化區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的策略與方案；再者，本研究只是選取了寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵區(qū)典型案例地鎮(zhèn)江市，通過以點(diǎn)帶面的研究方法探討了寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，這樣研究模式在某種程度能揭示該區(qū)域的一些共性規(guī)律，但是還是不夠全面和科學(xué)的，因此在今后的研究中，積極探索將鎮(zhèn)江、南京及揚(yáng)州市的土地利用作為整體進(jìn)行相關(guān)研究，并且探討寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)動態(tài)演變的內(nèi)在機(jī)理，這對于揭示寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的總體演變特征規(guī)律以及為這一地區(qū)土地利用規(guī)劃與整理、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展提供更為有益的理論與實(shí)踐的參考，從而使得寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵區(qū)的土地利用向著更加科學(xué)、合理的方向發(fā)展。

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