基于空間洛倫茨曲線(xiàn)的縣域土地利用結(jié)構(gòu)分析

楊婷　羅紅霞　劉光鵬　鄭才貴

摘要：利用2011年重慶市忠縣土地利用數(shù)據(jù)，構(gòu)建9種土地利用現(xiàn)狀類(lèi)型數(shù)據(jù)體系，基于土地利用信息熵與空間洛倫茨曲線(xiàn)相結(jié)合的方法，對(duì)忠縣28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于縣域尺度下的空間分析和研究。結(jié)果表明，忠縣土地利用信息熵呈現(xiàn)出明顯的差異性，并且從空間角度將全區(qū)分成信息熵高值區(qū)、信息熵中值區(qū)、信息熵低值區(qū)，平均信息熵值為1.24Nat，信息熵最高值為1.63Nat，信息熵最低值為0.69Nat；重慶市忠縣耕地、建設(shè)用地、林地的分布最為均衡分散，水域、未利用土地分布則相對(duì)集中，充分利用各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的優(yōu)勢(shì)資源發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)，從而優(yōu)化全縣土地利用結(jié)構(gòu)，推進(jìn)土地的集約利用。

關(guān)鍵詞：土地利用結(jié)構(gòu)；信息熵；空間洛倫茨曲線(xiàn)；縣域尺度；重慶市

20世紀(jì)90年代以來(lái)，土地利用與土地覆蓋變化作為全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃（IHDP）和國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）的核心科學(xué)計(jì)劃，對(duì)其主要方面的研究已成為了當(dāng)今的熱點(diǎn)方向和重要課題，而土地利用是一個(gè)多投入多產(chǎn)出的系統(tǒng)，其利用結(jié)構(gòu)和效率狀況直接影響到某一地方的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人居環(huán)境建設(shè)。近年來(lái)，中國(guó)諸多學(xué)者從不同角度對(duì)此進(jìn)行了探討。在研究方向方面，包括對(duì)土地利用空間結(jié)構(gòu)的定量分析和優(yōu)化配置、土地利用的合理度和績(jī)效評(píng)價(jià)、土地利用類(lèi)型的演變特征及驅(qū)動(dòng)力分析等：在研究尺度上，大多集中在全國(guó)、省級(jí)和地區(qū)等大中區(qū)域尺度上，而針對(duì)縣域范圍等小區(qū)域尺度的研究并不多見(jiàn)：在研究方法上，多采用靜態(tài)分析（多樣化+集中化+組合類(lèi)型+區(qū)位意義）與動(dòng)態(tài)分析（動(dòng)態(tài)度+利用程度+信息熵）相結(jié)合的計(jì)量地理分析方法、分形模型、熵權(quán)TOPSIS模型、空間洛倫茨曲線(xiàn)和基尼系數(shù)分析法等。上述研究在土地利用結(jié)構(gòu)理論研究的深入和方法角度方面的創(chuàng)新上進(jìn)行了積極地探索，對(duì)土地利用實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。

因此，了解縣域土地資源利用情況、分析土地利用結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和合理程度、發(fā)掘土地利用結(jié)構(gòu)存在的矛盾是當(dāng)前的首要問(wèn)題。本研究采用信息熵與空間洛倫茨曲線(xiàn)相結(jié)合的方法，以ArcGIS為輔助工具，對(duì)重慶忠縣的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間上的分析和研究，以期為區(qū)域土地利用的合理規(guī)劃管理和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1.材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

忠縣位于重慶市中部長(zhǎng)江北岸，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的腹心地帶，也是三峽庫(kù)區(qū)惟一留存的“半淹縣城”，生態(tài)環(huán)境脆弱，自然災(zāi)害頻發(fā)，人地矛盾突出。介于東經(jīng)107°32′-108°14′，北緯30°03′-30°53′，轄區(qū)東西寬66.45 km，南北長(zhǎng)60.15 km，幅員面積2 187.08 km²。東鄰萬(wàn)州區(qū)，西連墊江縣、豐都縣，北接梁平縣，南靠石柱縣，轄28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，有332個(gè)村和31個(gè)居委會(huì)，2011年忠縣常住總?cè)丝跒?5.14萬(wàn)人，GDP達(dá)到120.4億元。全縣在地貌上屬于川東褶皺帶平行嶺谷區(qū)，是典型的丘陵地貌，境內(nèi)呈“三山兩槽”地形，由金華山、方斗山、貓兒山3個(gè)背斜和其間的拔山、忠州2個(gè)向斜構(gòu)成，氣候?qū)賮啛釒|南季風(fēng)氣候，全年四季分明，冬暖夏熱。

1.2數(shù)據(jù)選擇與預(yù)處理

基于忠縣2011年1：50 000的土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)、忠縣行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、忠縣2011年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，根據(jù)《全國(guó)土地分類(lèi)（過(guò)度期間適用）》的土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，利用研究區(qū)域2011年的土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，按耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、建設(shè)用地、交通水利用地、水域、未利用地9種一級(jí)地類(lèi)提取土地利用現(xiàn)狀一級(jí)分類(lèi)的面狀數(shù)據(jù)，并進(jìn)行土地利用類(lèi)型統(tǒng)計(jì)。

1.3研究區(qū)域土地利用現(xiàn)狀

2011年忠縣土地總面積為2 187.08 km²，其中，耕地面積1 088.61 km²，占土地總面積的49.77%：園地面積180.77 km²，占土地總面積的8.27%：林地面積606.39 km²，占土地總面積的27.73%：牧草地面積29.88 km²，占土地總面積的1.37%：其他農(nóng)用地10.38 km²；占0.47%：建設(shè)用地148.23 km²，占土地總面積的6.78%：交通水利用地10.91 km²，占0.5%：水域107.79 km²，占4.93%：未利用土地4.12 km²，占0.19%。

2.結(jié)果與分析

2.1忠縣土地利用信息熵時(shí)空演變分析

通過(guò)計(jì)算2011年忠縣土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵、均衡度、優(yōu)勢(shì)度，得到相關(guān)結(jié)果并進(jìn)行分析。從空間分布的角度來(lái)看，忠縣28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用信息熵差異比較明顯，全縣信息熵平均值為1.24 Nat，最高值為1.63 Nat（忠州鎮(zhèn)），最低值為0.69 Nat（石子鄉(xiāng)）。高于或等于全縣信息熵平均水平的有13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別為汝溪鎮(zhèn)、新立鎮(zhèn)、三匯鎮(zhèn)、黃金鎮(zhèn)、白石鎮(zhèn)、洋渡鎮(zhèn)、任家鎮(zhèn)、烏楊鎮(zhèn)、新生鎮(zhèn)、石寶鎮(zhèn)、東溪鎮(zhèn)、復(fù)興鎮(zhèn)、忠州鎮(zhèn)，其中，高于1.5 Nat的只有3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)（忠州鎮(zhèn)、復(fù)興鎮(zhèn)、東溪鎮(zhèn)）；剩下的15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)信息熵均低于全縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵平均值（表1）。

從總體上看，忠縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用結(jié)構(gòu)處于低水平有序發(fā)展階段，而均衡度較高的有忠州鎮(zhèn)、復(fù)興鎮(zhèn)、東溪鎮(zhèn)，分別為0.74、0.70、0.69。相反，優(yōu)勢(shì)度較高的有石子鄉(xiāng)、磨子鄉(xiāng)、花橋鎮(zhèn)，分別為0.69、0.52、0.52，優(yōu)勢(shì)度較低的有忠州鎮(zhèn)、復(fù)興鎮(zhèn)，分別是0.26、0.30。參照相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際的空間情況和信息熵值的大小，可將忠縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分為信息熵高值區(qū)、信息熵中值區(qū)和信息熵低值區(qū)，詳見(jiàn)圖1。

2.1.1信息熵高值區(qū)（1.5～1.8 Nat） 信息熵高值區(qū)包括忠州鎮(zhèn)、復(fù)興鎮(zhèn)、東溪鎮(zhèn)，3個(gè)城鎮(zhèn)地處忠縣東部，瀕臨長(zhǎng)江，交通運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施較好，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展較快，城市功能逐漸完善，屬于中心城區(qū)范圍，相比之下的土地利用職能轉(zhuǎn)變較快，土地利用結(jié)構(gòu)無(wú)序化程度較高。該區(qū)土地利用類(lèi)型以耕地、林地、水域、建設(shè)用地為主，分別為84.58、47.19、45.30、26.51 km²，占信息熵高值區(qū)土地總面積的36.24%、20.22%、19.41%、11.36%。該信息熵高值區(qū)耕地、林地面積百分比均低于2011年忠縣全縣縣域范圍內(nèi)相應(yīng)地類(lèi)的面積百分比，水域、建設(shè)用地則高于全縣縣域范圍內(nèi)相應(yīng)地類(lèi)的面積百分比。由此可見(jiàn)，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的高值具體表現(xiàn)在城鎮(zhèn)用地、交通運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施用地的擴(kuò)張，導(dǎo)致該區(qū)耕地資源總量的不斷減少，土地利用職能的快速轉(zhuǎn)變?cè)龃罅送恋厣鷳B(tài)系統(tǒng)的無(wú)序程度。

2.1.2信息熵中值區(qū)（1.2～1.5 Nat） 信息熵中值區(qū)包括汝溪鎮(zhèn)、石寶鎮(zhèn)、涂井鄉(xiāng)、官壩鎮(zhèn)、三匯鎮(zhèn)、黃金鎮(zhèn)、白石鎮(zhèn)、洋渡鎮(zhèn)、任家鎮(zhèn)、烏楊鎮(zhèn)、新生鎮(zhèn)、新立鎮(zhèn)，該區(qū)以耕地、林地為主，分別為582.07、347.39km²，占信息熵中值區(qū)土地總面積的48.98%、29.23%。從整體上看，這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地類(lèi)占地比較均衡，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展處于穩(wěn)步提升的階段，土地利用結(jié)構(gòu)較為平衡有序。其中新立鎮(zhèn)雖地處城郊，卻是全縣獨(dú)具影響力的農(nóng)業(yè)特色鎮(zhèn)、工業(yè)強(qiáng)鎮(zhèn)和生態(tài)旅游名鎮(zhèn)，耕地面積達(dá)到68.20 km²，占該鎮(zhèn)總面積的56%以上。

2.1.3信息熵低值區(qū)（0-1.2 Nat） 信息熵低值區(qū)包括拔山鎮(zhèn)、馬灌鎮(zhèn)、永豐鎮(zhèn)、花橋鎮(zhèn)、雙桂鎮(zhèn)、金雞鎮(zhèn)、石黃鎮(zhèn)、野鶴鎮(zhèn)、金聲鄉(xiāng)、興峰鄉(xiāng)、善廣鄉(xiāng)、石子鄉(xiāng)、磨子鄉(xiāng)，耕地是該區(qū)的主要土地利用類(lèi)型，達(dá)到421.95 km²，占信息熵低值區(qū)土地總面積的55.14%，高于全縣平均值49.77%，建設(shè)用地占6.71%，交通運(yùn)輸用地則僅占0.46%，土地利用結(jié)構(gòu)單一且不合理，這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)由于不便的交通和低水平的城市化阻礙了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

總之，運(yùn)用土地利用信息熵可從整體上反映出忠縣土地利用結(jié)構(gòu)的空間分布情況和有序化程度，但是空間信息熵局限于未能分別描述每種土地利用結(jié)構(gòu)，為克服這種不足，可以將信息熵與空間洛倫茨曲線(xiàn)相結(jié)合，直觀地反映出某種地類(lèi)在空間上的分布差異性，彌補(bǔ)信息熵的局限性。

2.2忠縣洛倫茨曲線(xiàn)分析

計(jì)算2011年忠縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的9個(gè)土地利用類(lèi)型的區(qū)位熵以后，按著步驟繪制出了土地利用類(lèi)型的洛倫茨曲線(xiàn)圖（圖2），每條曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)如表2所示。

從各地類(lèi)分布均勻程度來(lái)看，2011年耕地、建設(shè)用地、林地的空間洛倫茨曲線(xiàn)距絕對(duì)均勻線(xiàn)最近，表明此3種用地類(lèi)型在全縣范圍內(nèi)分布最為分散，其次是園地、其他農(nóng)用地，交通水利用地和牧草地距絕對(duì)均勻線(xiàn)較遠(yuǎn)，而水域、未利用土地離絕對(duì)均勻線(xiàn)最遠(yuǎn)，即在全縣分布最不均衡，在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積比例差異很大。

從各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用專(zhuān)門(mén)化程度來(lái)看，空間洛倫茨曲線(xiàn)各點(diǎn)從坐標(biāo)軸0點(diǎn)開(kāi)始，相鄰兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)斜率（a）大于1時(shí)，說(shuō)明該鄉(xiāng)鎮(zhèn)某地類(lèi)占全縣該地類(lèi)的比例高于該鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地總面積的比例占全縣總面積的比例。以耕地空間洛倫茨曲線(xiàn)為例，從原點(diǎn)0開(kāi)始，應(yīng)分別代表石子鄉(xiāng)、忠州鎮(zhèn)、新生鎮(zhèn)、復(fù)興鎮(zhèn)、東溪鎮(zhèn)等（表3），石子鄉(xiāng)和忠州鎮(zhèn)連線(xiàn)的斜率很小，從新生鎮(zhèn)開(kāi)始，斜率開(kāi)始變大，說(shuō)明新生鎮(zhèn)的耕地比例高于石子鄉(xiāng)，新生鎮(zhèn)在占全區(qū)4.57%的土地上，耕地面積就占了全區(qū)的3.32%，而石子鄉(xiāng)在占1.79%的土地上，耕地面積僅占全區(qū)的0.98%，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相一致。同理，水域在黃金鎮(zhèn)出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之前的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)位熵均小于1，白石鎮(zhèn)在占全區(qū)6.29%的土地上，水域面積就占了全區(qū)的1.10%：而拐點(diǎn)之后的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)位熵出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，數(shù)值均大于1，洋渡鎮(zhèn)在占全區(qū)3.61%的土地上，水域面積就占了全區(qū)的5.91%。

從各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用特色規(guī)律來(lái)看，石子鄉(xiāng)的林地占65.8%，空間洛倫茨曲線(xiàn)位于斜率較大的部分，而建設(shè)用地僅占全鄉(xiāng)0.03%，交通用地只占全鄉(xiāng)0.002%，相比之下，石子鄉(xiāng)的林業(yè)資源非常的豐富，利用空間洛倫茨曲線(xiàn)可以分析出各區(qū)域的土地利用優(yōu)勢(shì)，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況來(lái)確定最佳土地利用目標(biāo)，大力發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)并推進(jìn)土地的集約利用，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)。

3.小結(jié)與討論

3.1小結(jié)

1）忠縣28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用信息熵差異比較明顯，總體上處于低水平有序發(fā)展階段。信息熵高值區(qū)以耕地、林地、水域、建設(shè)用地為主，土地利用職能轉(zhuǎn)變較快，土地利用結(jié)構(gòu)無(wú)序化程度較高：信息熵中值區(qū)以耕地、林地為主，地類(lèi)占地比較均衡，土地利用結(jié)構(gòu)較為平衡有序：信息熵低值區(qū)以耕地為主，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)單一，土地利用結(jié)構(gòu)不均衡。

2）空間洛倫茨曲線(xiàn)直觀地反映出耕地、建設(shè)用地、林地在全縣范圍內(nèi)的分布最為均衡分散，水域、未利用土地分布則相對(duì)集中。其次，利用空間洛倫茨曲線(xiàn)的斜率和拐點(diǎn)判斷出了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用專(zhuān)門(mén)化程度。同時(shí)，分析各區(qū)域的土地利用優(yōu)勢(shì)，充分利用各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的優(yōu)勢(shì)資源發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)，從而優(yōu)化全縣土地利用結(jié)構(gòu)，推進(jìn)土地的集約利用。

3.2討論

本研究將信息熵與空間洛倫茨曲線(xiàn)相結(jié)合運(yùn)用到忠縣土地利用空間結(jié)構(gòu)分析上，避免了單由信息熵反映土地利用結(jié)構(gòu)有序程度的片面性，從整體和局部的全方面角度上分析縣域尺度的土地利用結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和差異。但統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以單一年份為基礎(chǔ)，導(dǎo)致分析結(jié)果缺乏時(shí)序性的縱向?qū)Ρ?。而利用信息熵研究土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)，吸取了前人的研究成果，同時(shí)結(jié)合該區(qū)域的實(shí)際情況選擇了土地利用信息熵的臨界值，盡可能地保證了分析結(jié)果的科學(xué)性與合理性，但在今后的研究中仍需進(jìn)一步研究并完善。