基于洛倫茲曲線與基尼系數(shù)的江漢平原土地利用結構動態(tài)變化研究

曾群，邵奇慧，王宏志

（1.華中師范大學學報編輯部，湖北武漢430079；2.華中師范大學城市與環(huán)境科學學院，湖北武漢430079）

0 引言

土地利用／覆蓋變化（LUCC）研究是全球變化研究的前沿和熱點之一.土地利用結構反映了土地利用類型在地域上的配置及其對比關系［1］，土地利用結構及其變化是LUCC研究的重要內容.洛倫茲曲線是美國經濟統(tǒng)計學家M.Lorrenz提出的，利用頻率累積數(shù)繪制曲線以刻畫財富、土地和工資收入等不平等（集中或分散）程度.一些研究者將洛倫茲曲線引入土地利用類型空間分散或集中的規(guī)律性的刻畫，以進一步分析土地利用的區(qū)域差異性與合理性［1－4］.將洛倫茲曲線應用于土地利用結構特征分析的方法主要有兩種：一是按照空間（地區(qū)）構成繪制某用地類型分布的洛倫茲曲線，描述在某一時期內該用地類型地域空間上分布的集中化程度，并與同時期其他用地類型的分布情況相比較，或比較不同時期某用地類型分布的洛倫茲曲線［1－3］；二是按照土地類型構成，繪制某空間（地區(qū)）上各種用地類型分布的洛倫茲曲線，計算該區(qū)域不同用地類型的集中程度，并與其他空間（地區(qū)）進行比較［5－7］.在洛倫茲曲線基礎上，通過基尼系數(shù)的計算，可以進一步定量描述土地利用類型在各區(qū)縣的分布的差異程度.

江漢平原（29°26′～31°12′N，111°30′～114°32′E）地處長江中游、湖北省中南部，是我國重要糧油產區(qū)和農副產品基地［8］.近年來對江漢平原土地利用結構的研究，側重于各種用地類型面積的增減［9］、土地利用程度分析和土地利用類型的去向分析［10］等方面，缺少對江漢平原土地利用結構的多樣化分析.該區(qū)包括武漢市、仙桃市、潛江市、天門市、云夢縣、漢川市、應城市、荊州區(qū)、沙市區(qū)、公安縣、監(jiān)利縣、江陵縣、石首市、松滋市、洪湖市、當陽市、枝江市等，考慮到武漢市的社會經濟發(fā)展水平和區(qū)域功能與其他縣市差異較大，本文中選取除武漢市以外的江漢平原其他區(qū)域為研究對象，以中國科學院土地利用數(shù)據庫（基于1995－2010年TM遙感影像建立）為基礎，選用第一種洛倫茲曲線分析方法，結合基尼系數(shù)原理對該區(qū)1995、2000、2005和2010年土地利用結構進行對比，分析耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)居民用地、水域和未利用地［11］的空間分布變化，獲取區(qū)土地利用類型分布的集中化規(guī)律，以期對該區(qū)的土地利用結構優(yōu)化提供參考.

1 洛倫茲曲線的繪制與分析

1.1 洛倫茲曲線的繪制 以江漢平原各區(qū)、縣的土地利用數(shù)據繪制出不同土地利用類型分布的洛倫茲曲線，描述研究期末（2010年）各土地利用類型地域空間上分布的集中化程度，并比較1995年、2000年、2005年、2010年4個時段的6種土地利用類型分布的洛倫茲曲線.以2010年數(shù)據為例，具體繪制步驟為（其余年份同）：

首先，利用各區(qū)、縣2010年各地類土地利用數(shù)據（由數(shù)據庫直接獲?。?，求取某地類的區(qū)位熵.區(qū)位熵又稱為專門化率，主要用來衡量某一區(qū)域要素的空間分布情況.某地類的區(qū)位熵指某一地區(qū)該土地利用類型面積占區(qū)域該土地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.

公式為：

式中，Q為區(qū)位熵；A1為某區(qū)縣某種土地利用類型的面積，hm2；A2為江漢平原某土地類型總面積，hm2；A3為某區(qū)縣土地總面積，hm2；A4為江漢平原土地總面積，hm2.

其次，按區(qū)位熵從小到大的順序，依次列出各區(qū)各地類面積占總土地面積的百分比，并計算累計百分比（以2010年耕地為例，表1）.

最后，以各區(qū)縣土地總面積占江漢平原土地總面積的累計百分比為橫坐標，以各區(qū)縣某地類面積占江漢平原該地類總面積的累計百分比為縱坐標，各取100長度，繪出坐標圖，以各累計數(shù)繪制坐標點，得到的曲線至絕對均勻線的離差就是該地類實際分布與其在全區(qū)均勻分布的差異程度（圖1）.越接近絕對均勻線，曲線離差較小，表明該土地利用類型在全區(qū)分布越均勻；反之，離絕對均勻線較遠的曲線，表明該土地利用類型在全區(qū)中的區(qū)域分布差異較大，即分布相對分散.

依次繪出4個時期6種土地利用類型分布的洛倫茲曲線如圖2所示.

表1 2010年江漢平原耕地面積累計百分比

圖1 2010年江漢平原土地利用類型的洛倫茲曲線

1.2 洛倫茲曲線分析 通過2010年江漢平原土地利用類型的洛倫茲曲線圖可以看出，耕地的洛倫茲曲線與絕對均勻線最為接近，其次是城鄉(xiāng)居民用地、水域和未利用地，說明這4種用地類型在江漢平原分布較分散（均衡），即在各區(qū)、縣的面積比例大致相等.而林地、草地的曲線距絕對均勻線較遠，這兩種用地類型在江漢平原分布不均衡，即某些區(qū)、縣的林地、草地所占面積比例要高于其他區(qū)、縣的平均水平.

1995—2010年各種用地類型的洛倫茲曲線相比較（圖2），草地分布的曲線趨近絕對均勻線，說明草地的分布趨向分散.2010年草地的曲線與其他地類相比，明顯接近平均線.數(shù)據庫中，仙桃、石首、洪湖地區(qū)的草地面積增幅較大，洛倫茲曲線本應該遠離平均線，但是仙桃、漢川的草地統(tǒng)計面積從無到有，導致洛倫茲曲線反而更加接近平均線，使草地的分布呈現(xiàn)分散趨向的狀態(tài).2000年和2005年草地分布的曲線幾乎重合，說明這期間草地的分布狀態(tài)穩(wěn)定，未出現(xiàn)某一地區(qū)草地面積大幅度增減的情況.

水域分布的曲線離絕對均勻線越來越遠，說明水域的分布趨向集中.數(shù)據庫中仙桃、洪湖、監(jiān)利地區(qū)的水域面積增幅較大，使得2010年水域的曲線與其他地類相比，明顯遠離平均線.

未利用地分布的曲線變化狀況表明1995年至2000年未利用地的分布趨向分散，2000年至2010年分布趨向集中.其他土地利用類型的變化不明顯，需要引入定量化的指標來進一步分析.

圖2 1995－2010年江漢平原各土地利用類型分布的洛倫茲曲線

2 基尼系數(shù)的計算與分析結果

2.1 基尼系數(shù)的計算 洛倫茲曲線可以直觀顯示某種土地利用類型在全區(qū)空間分布的差異性，但是無法對差異（均衡或不均衡的）的程度進行定量描述.基尼系數(shù)可以進一步定量描述土地利用類型在各區(qū)縣的分布的差異程度.在洛倫茲曲線上，基尼系數(shù)反映的幾何意義是曲線與絕對均勻線之間面積和絕對均勻線以上三角形面積之比，因此也被稱為洛倫茲系數(shù).基尼系數(shù)的常用計算公式為［12］：

式中，G為基尼系數(shù)；Mi為某區(qū)縣某一用地類型面積累計百分比；Qi為某區(qū)縣土地在全區(qū)土地面積的累計百分比.本研究選擇了江漢平原的16個區(qū)縣，故i的取值范圍是0＜i＜16，i為整數(shù).一般認為，基尼系數(shù)低于0.2表示分布絕對平均，0.2～0.3表示比較平均，0.3～0.4表示相對合理，0.4～0.5表示差距較大，0.6以上表示差距懸殊［13］.基尼系數(shù)計算結果見表2，其年際變化對比如圖3.

表2 基尼系數(shù)

2.2 基尼系數(shù)分析 基尼系數(shù)顯示的江漢平原土地利用類型結果與洛倫茲曲線分析出的結果相同.2010年耕地的基尼系數(shù)為0.095 67，表示分布絕對平均，即分布在各區(qū)、縣的面積比例大致相等；其次為城鄉(xiāng)居民用地（0.247 58），分布也比較平均；水域（0.355 97）的分布不均勻，但總體上還算相對合理；未利用地（0.426 84）在地區(qū)間分布較不平衡；草地（0.676 29）和林地（0.710 89）的基尼系數(shù)均大于0.6，即主要集中分布在少數(shù)區(qū)、縣，反映出不同地區(qū)這兩種土地利用類型開發(fā)程度差異較大，地區(qū)間很不平衡.

基尼系數(shù)的變化值為正，說明某用地類型在某些地區(qū)的分布面積比例發(fā)生了相對變化，在江漢平原的分布由離散趨向集中，即分布變得不均衡；變化值為負，說明該用地類型分布趨向均衡；變化值大于0.01，表明該用地類型分布的變化相對顯著，反之則表明其分布的變化不大.由表2、圖3可以看出：

1）1995－2010年，耕地、草地和水域的分布變化顯著，耕地和水域的分布趨向集中，草地的變化趨向分散；

2）1995－2000年，草地、水域和未利用地的分布變化顯著：草地和水域的分布趨向集中，未利用地的變化趨向分散；

3）2000－2005年，林地和城鄉(xiāng)居民用地分布的變化不顯著，其他土地利用類型的分布變化較大，耕地、水域、未利用地的分布趨向集中，草地趨向分散.

4）2005－2010年，6種用地類型的基尼系數(shù)在5年間的變化值都小于0.01，說明江漢平原各種用地類型在該期間的分布情況變化不顯著，江漢平原土地利用格局已基本形成.耕地的基尼系數(shù)變化值僅為0.000 18，其在江漢平原的分布基本無變化，說明各區(qū)縣在研究期內對耕地的控制比較嚴格.

圖3 江漢平原各種土地利用類型的基尼系數(shù)方值圖

3 結論與討論

本文中運用洛倫茲曲線和基尼系數(shù)，對江漢平原的土地利用結構進行分析，結果表明：江漢平原土地利用類型的空間分布及其時間變化均具有不均衡性.在空間上，2010年江漢平原土地利用類型的分布特征為：耕地區(qū)域分布最為分散（均衡），城鄉(xiāng)居民用地、水域的分布比較均衡，未利用地比較集中，林地、草地的分布非常集中，這種分布情況反映了林地、草地和未利用地是決定江漢平原土地利用結構空間差異的主要土地利用類型.各區(qū)、縣應結合實際用地類型的分布情況確定最佳土地利用方式，發(fā)展特色產業(yè)并推進土地的集約利用.從土地利用結構時間變化上看，從1995－2010年，耕地、水域和未利用地分布趨向集中，林地、草地和城鄉(xiāng)居民用地分布趨向分散.草地和水域是決定一個地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素，草地和水域分布的變化較顯著，穩(wěn)定性差，可判斷出江漢平原生態(tài)環(huán)境趨于惡化.2005年至2010年江漢平原各種土地利用類型的分布情況變化不顯著，反應了這段時期各區(qū)、縣對土地利用的規(guī)劃、控制較嚴格.

利用洛倫茲曲線分析出的土地利用結構特點及變化趨勢簡明合理，可以根據曲線的凹凸程度直觀地判斷不同地區(qū)土地分布平衡程度的差異.而基尼系數(shù)能夠對分布情況進行定量化研究，可以為土地利用結構優(yōu)化提供一定依據.但是仍有以下問題值得討論：

1）由于江漢平原面積較大，本文中以16個區(qū)、縣的行政界線為單位進行研究，得到洛倫茲曲線比較粗糙，據此計算出的基尼系數(shù)與其幾何意義上的基尼系數(shù)之間的誤差也較大.若以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位進行土地利用結構的研究，得出的洛倫茲曲線將更加平滑，更接近不同土地利用類型的實際分布狀況，據此計算出得基尼系數(shù)也更為精確.

2）本文中采用的數(shù)據是基于TM遙感影像建立的土地利用數(shù)據庫，與實際土地利用狀況有一定誤差，但是應用于江漢平原這樣較大區(qū)域的土地類型分布狀況，誤差的影響不大.在分析小范圍區(qū)域（如一個縣）的土地類型分布狀況時，采用實測數(shù)據更合適.

3）洛倫茲曲線能夠對不同土地類型的分布狀況及時間變化進行對比分析，但是相應的缺點是對土地利用結構變化特征的描述較為單一，若結合不同的土地利用結構分析方法，對不同用地類型之間的轉變、土地利用類型的多樣性、組合類型及其他土地利用結構變化特征進行統(tǒng)計分析，將得到更加全面的土地利用結構狀況.若結合各行政區(qū)的農業(yè)、經濟等方面的指標進行相關性分析，可為以后制定合理的土地利用規(guī)劃及發(fā)展政策提供重要依據.

4）江漢平原各種用地類型在近幾年的分布情況變化不顯著，說明江漢平原土地利用已形成一個較穩(wěn)定的格局.但是這種格局是否是一種合理的土地利用分布模式，如何對土地利用結構進行優(yōu)化，仍需要進一步探究.

5）本文中僅對江漢平原土地利用類型的空間分布均衡狀況及其時間變化進行了分析，但是土地利用變化的驅動因素仍需要深入、精細、定量地研究.此外，還可以按照土地類型構成，繪制某地區(qū)各種土地利用類型空間分布的洛倫茲曲線，計算該區(qū)不同用地類型的集中程度，并與其他地區(qū)進行比較，研究各類用地在空間尺度上變化的區(qū)域差異性.這都是未來需要繼續(xù)探究的方向.

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