湖南省土地利用結(jié)構(gòu)分異規(guī)律研究

趙京，胡賢輝

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 經(jīng)濟學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081)

土地利用系統(tǒng)是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的子系統(tǒng)，土地利用變化關(guān)系到土地資源優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。研究土地利用結(jié)構(gòu)變化可為土地資源優(yōu)化配置，耕地資源保護以及保障國家糧食安全提供參考。信息熵是基于物理科學(xué)的耗散系統(tǒng)理論而建立的，將該理論引入土地利用變化的研究可以將土地利用系統(tǒng)看作一個動態(tài)的系統(tǒng)，使用該方法有利于深入了解區(qū)域土地變化的內(nèi)在動力，從而為進一步探尋土地利用變化的外在推力提供基礎(chǔ)。

1 研究進展

1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化研究

針對土地利用結(jié)構(gòu)變化，學(xué)術(shù)界從土地利用結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進行了研究。李珊珊等[1]計算了地類面積占比、土地利用程度綜合指數(shù),并結(jié)合雙變量局部空間自相關(guān)和熱點分析法,分析了巖溶峽谷區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。郭榮中等[2]對長株潭地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)進行了分析和預(yù)測。廖漣漪等[3]分析了2005—2015年重慶市北碚區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移流和土地利用結(jié)構(gòu)信息熵。孟梅等[4]基于碳減排目標(biāo)建立多目標(biāo)規(guī)劃模型,對新疆烏魯木齊市進行了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化。田曉宇等[5]運用CLUE-S模型對太仆寺旗的土地利用空間分布格局進行了優(yōu)化配置。

1.2 土地利用變化與糧食安全研究

牟鳳云等[6]運用馬爾科夫鏈對商丘市2018年、2032年的土地利用結(jié)構(gòu)進行了預(yù)測，并基于耕地壓力指數(shù)分析了耕地數(shù)量的變化對于該農(nóng)業(yè)大市糧食安全的影響。張海峰等[7]分析了青藏高原土地利用態(tài)勢，并進一步測算耕地總量及人均糧食產(chǎn)量，耕地壓力指數(shù)，得出土地利用變化對糧食安全產(chǎn)生壓力的結(jié)論。郭婧等[8]的研究中選用了耕地資源態(tài)勢及人糧關(guān)系模型,對多倫縣糧食安全狀況進行評價。起曉星等[9]從土地利用系統(tǒng)分析視角,構(gòu)建了適合中國國情的糧食安全風(fēng)險評估方法和土地利用環(huán)境風(fēng)險評估方法，對湖南省洞庭湖區(qū)土地利用的綜合效應(yīng)進行了實證研究。曾科軍等[10]分析了糧食生產(chǎn)對土地利用變化響應(yīng)的敏感性，研究表明，糧食產(chǎn)出與土地利用變化具有強相關(guān)性。劉春蕾等[11]也得出類似結(jié)論，并提出加強耕地保護力度,優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),提高土地生產(chǎn)力確保糧食安全。

2 研究區(qū)域概況

湖南省位于中國的中部地區(qū)，長江中游、洞庭湖以南，地處108°47′～114°15′E，24°39′～30°08′N，東鄰江西，南接廣東、廣西，西連貴州、重慶，北交湖北。湖南省因大部分地處洞庭湖以南而得名，因省內(nèi)最大河流湘江流貫全境而簡稱“湘”，是重要的糧食主產(chǎn)區(qū)。湖南省轄14個市、州，其中13個地級市，1個自治州，包括長沙、株洲、湘潭、衡陽、邵陽、岳陽、常德、張家界、益陽、婁底、郴州、永州、懷化和湘西，其中，長株潭城市群是湖南省經(jīng)濟發(fā)展的核心，城市群的建設(shè)推進了湖南省城市化的進程。湖南省共有36個市轄區(qū)、18個縣級市、61個縣、7個自治縣，合計122個縣級區(qū)劃。截至2019年，湖南省總?cè)丝? 918.4萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值39 752.1億元?；诤系闹胁繀^(qū)域特色，得天獨厚的資源稟賦，糧食主產(chǎn)區(qū)的重要地位，以及經(jīng)濟發(fā)展與耕地保護協(xié)調(diào)發(fā)展的需求，選擇湖南省作為研究區(qū)域有重要的現(xiàn)實意義，對湖南省的土地利用結(jié)構(gòu)變化進行研究可為湖南省及類似區(qū)域的耕地保護和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供理論借鑒。

3 研究方法

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵測度方法

信息熵方法來源于物理學(xué)的概念，表示一個系統(tǒng)的耗散狀態(tài)。同理，把土地利用系統(tǒng)作為一個整體，假設(shè)湖南省(或各市、州)土地總面積為A,該區(qū)域土地利用類型可以分為n種。每一種類型的土地面積為Ai(i=1,2,…,n)。那么，可得公式(1)：

(1)

公式(1)中，一個區(qū)域內(nèi)，各種類型土地面積之和等于該區(qū)域土地總量。

假設(shè)每種類型土地面積占該區(qū)域土地總面積的比例為Pi，那么，可得公式(2)：

Pi=Ai/A。

(2)

顯然，一個區(qū)域內(nèi)，各種類土地面積的比例之和等于1，

(3)

基于此，進一步定義湖南省(各市州)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵表達式為：

(4)

公式(4)表明，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵構(gòu)建了土地利用結(jié)構(gòu)的分布態(tài)勢，體現(xiàn)了土地利用結(jié)構(gòu)的比例關(guān)系和聚集程度。

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)均衡度測度方法

在土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的基礎(chǔ)上，設(shè)定土地利用結(jié)構(gòu)均衡度公式為[12]：

(5)

公式(5)中，土地利用均衡度表達的是土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與該區(qū)域最大熵的比值，突出了單個區(qū)域的熵值相對關(guān)系。

3.3 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢度測度方法

均衡度和優(yōu)勢度從兩個不同方面展示土地利用結(jié)構(gòu)的聚集和離散程度。

I=1-J。

(6)

從公式(6)可知，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢度與土地利用結(jié)構(gòu)均衡度的內(nèi)涵相反，反映的是土地利用的主導(dǎo)類型和支配程度。

4 研究結(jié)果

4.1 湖南省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分析

根據(jù)前文研究方法，測算得出湖南省及各市州2010—2017年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵(表1)。由圖1可知，湖南省在此時間段的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵呈總體上升趨勢，由1.340 172上升至1.347 794?？傮w而言，湖南省整體土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的絕對變化不大，說明在此時間段湖南省土地利用結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定且穩(wěn)中有升。根據(jù)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的原理，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵越大，則表示湖南省土地職能越多，復(fù)雜程度越高。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，土地資源為經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)，農(nóng)業(yè)用地與建設(shè)用地之間的矛盾逐步顯現(xiàn)。湖南省作為糧食主產(chǎn)區(qū)，既要為保障國家糧食安全服務(wù)，又要建設(shè)與發(fā)展，土地資源稟賦決定了湖南省的發(fā)展不同于東部沿海城市的發(fā)展路徑，湖南省在加大經(jīng)濟發(fā)展力度的同時，耕地資源保護仍然是重中之重。

圖1 湖南省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化趨勢

表1 湖南省及各市州土地利用結(jié)構(gòu)信息熵

進一步比較湖南省所轄14個市、州的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，計算各市州2017年相對于2010年的變化值并進行比較(圖2)。長沙市的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化值最大，其次是株洲市、湘潭市、郴州市和懷化市。這說明，長沙市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的增長對湖南省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵整體上升的趨勢有主要貢獻。長株潭城市群的整體熵值貢獻不容忽視，這也印證了，長株潭城市群作為湖南省的核心經(jīng)濟發(fā)展區(qū)域，在城市化進程和經(jīng)濟發(fā)展中起到了帶頭作用，同時，也說明了土地資源的結(jié)構(gòu)變化與經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾相對于其他市、州更為突出，湖南省土地利用結(jié)構(gòu)尚有優(yōu)化的空間。值得注意的是，常德市的土地利用信息熵值在研究時間區(qū)段內(nèi)降低，與其他13個市、州呈現(xiàn)了不同的狀態(tài)。湖南省主要的糧食產(chǎn)出區(qū)域分布在常德、益陽、岳陽和邵陽等地，從圖2可以看出，與長株潭城市群不同的是，這幾個地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值處于中下水平。

圖2 湖南省2010—2017年各市、州土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化值比較

在圖3中，對比了2010年和2017年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的空間分布狀態(tài)。由圖3可直觀得出2010年與2017年湖南省各市州土地利用結(jié)構(gòu)的相對關(guān)系發(fā)生了變化，土地利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生著復(fù)雜變化，相對位置的變化說明了經(jīng)濟發(fā)展核心區(qū)域、農(nóng)業(yè)資源為主的區(qū)域及礦產(chǎn)資源為主的區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的熵值拉開了差距。這表明土地利用結(jié)構(gòu)的變化受到區(qū)域資源稟賦的制約和經(jīng)濟發(fā)展的沖擊。顯而易見的是，郴州市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在14個市、州里的相對空間分布發(fā)生了改變。郴州被譽為“中國有色金屬之鄉(xiāng)”和“世界有色金屬博物館”，相較于其他市州，郴州市的礦產(chǎn)資源特色主導(dǎo)著該區(qū)域的發(fā)展，資源豐富，資源配置格局穩(wěn)定。

圖3 湖南省土地利用結(jié)構(gòu)變化空間分布

4.2 湖南省土地利用結(jié)構(gòu)均衡度與優(yōu)勢度分析

在計算湖南省及各市州土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的基礎(chǔ)上，運用公式(5)和公式(6)進一步測度湖南省土地利用結(jié)構(gòu)均衡度和優(yōu)勢度(表2～3)。選擇2017年各市、州土地利用均衡度進行比較，如圖4所示，從土地利用結(jié)構(gòu)均衡度的絕對值可以看出，2017年的土地利用均衡度方面，張家界市的土地利用結(jié)構(gòu)均衡度最低，其原因是張家界市位于湘西山區(qū)，山地面積占總面積的76%，以風(fēng)景旅游業(yè)為主，相對其他市州土地利用較為單一。

圖4 湖南省2017年各市州土地利用均衡度比較

表2 湖南省及各市州土地利用結(jié)構(gòu)均衡度

將湖南省各市、州土地利用均衡度和優(yōu)勢度結(jié)合起來分析(圖5)。土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢度較高的地區(qū)有張家界市、郴州市、懷化市和湘西土家族苗族自治州。這主要是由于這幾個地區(qū)的產(chǎn)業(yè)特色鮮明，相對而言土地利用結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定所致。湖南省的林地資源主要分布在湘西、湘南，張家界和湘西的山地較多，經(jīng)濟發(fā)展速度相對較慢，郴州市與懷化市的礦產(chǎn)資源豐富。

表3 湖南省及各市州土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢度

圖5 湖南省2017年各市州土地利用結(jié)構(gòu)均衡度和優(yōu)勢度

5 研究結(jié)論與政策建議

本文基于信息熵理論測度了湖南省及各市、州土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度和優(yōu)勢度，并對此進行了時空比較分析，得出以下結(jié)論：2010—2017年，湖南省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵穩(wěn)中有升，湖南省土地利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度升高，建議協(xié)調(diào)資源保護與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系，特別是突出湖南省糧食生產(chǎn)區(qū)的特色，保護耕地資源和保障糧食安全；長株潭城市群對于湖南省的土地利用結(jié)構(gòu)熵值起到主導(dǎo)作用。湖南省不同市、州的土地利用信息熵展示出區(qū)域差異，建議根據(jù)各市州的資源特點，制定有針對性的土地資源配置策略；湖南省土地利用結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)空間分異特征，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的高低受到區(qū)域自然資源稟賦及社會經(jīng)濟發(fā)展的影響。筆者建議在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的同時，協(xié)調(diào)人地關(guān)系，形成資源保護型的可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展模式。