廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空演變特征分析

楊 超,張少偉,陳萬(wàn)旭,鐘明星

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,廣東 中山 528403;2.河南省鶴壁水文水資源勘測(cè)局, 河南 鶴壁 458000;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地理與信息工程學(xué)院,武漢 430078;4.信陽(yáng)師范學(xué)院 旅游學(xué)院,河南 信陽(yáng) 464000)

1978年改革開(kāi)放政策實(shí)施以來(lái)，中國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)和文化得到持續(xù)快速發(fā)展，其中土地資源的不斷投入貢獻(xiàn)60%以上的中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，而技術(shù)進(jìn)步的貢獻(xiàn)率卻不足30%[1]。作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的沿海地區(qū)，土地資源越來(lái)越珍貴，快速的城市化進(jìn)程也顯著改變了當(dāng)?shù)氐耐恋乩媒Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，土地利用結(jié)構(gòu)的變化對(duì)城市化地區(qū)的生產(chǎn)生活環(huán)境以及自然地理環(huán)境造成極大的影響，早期的土地資源投入可以迅速提高當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平，但是土地資源畢竟是有限的，過(guò)高的土地資源投入必然會(huì)導(dǎo)致當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的惡化，進(jìn)而限制區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。因此，探索合理的土地利用結(jié)構(gòu)布局是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)面臨的一大難題[3]。以住有大量學(xué)者對(duì)中國(guó)不同區(qū)域、不同尺度的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[4-6]，但是土地利用結(jié)構(gòu)信息熵演化機(jī)理仍需要進(jìn)一步探索。

為了更好地研究土地利用結(jié)構(gòu)變化，信息熵的概念逐漸被引用進(jìn)來(lái)。信息熵的概念是由美國(guó)數(shù)學(xué)家香濃[7]最早于1948年提出并使用的，隨后被諸多領(lǐng)域?qū)W者推廣應(yīng)用[8-10]。“熵”最早是一個(gè)熱力學(xué)概念，在信息論中信息熵用于度量信息的無(wú)序度，根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，用于確定系統(tǒng)的演變方向[11]。土地系統(tǒng)是復(fù)雜的開(kāi)放系統(tǒng)，具有典型的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征，它是一定區(qū)域經(jīng)濟(jì)、文化、環(huán)境相互作用的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。這種耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征主要體現(xiàn)在土地利用結(jié)構(gòu)是在一定區(qū)域內(nèi)在人類或非人類干擾因素的影響下，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的演替和變化，具有自發(fā)性和不可逆性特征[12]。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵經(jīng)常被用作表征土地利用結(jié)構(gòu)變化的有序程度和演化方向，其值越高，表示土地利用類型轉(zhuǎn)換越快，結(jié)構(gòu)越趨于均衡，系統(tǒng)無(wú)序性越強(qiáng)。例如，譚永忠等[13]通過(guò)分析不同行政級(jí)別區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化，發(fā)現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值可以表征區(qū)域土地利用系統(tǒng)的演化方向。因此，眾多學(xué)者采用信息熵模型作為一種重要的研究方法對(duì)不同區(qū)域、不同尺度的土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空變化進(jìn)行大量研究[5,14-15]。

以往研究結(jié)果表明在研究期內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[6,16-19]。為了尋找土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化驅(qū)動(dòng)力，學(xué)者從社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面出發(fā)，發(fā)現(xiàn)人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化是最主要的驅(qū)動(dòng)力[14,20-22]。并結(jié)合灰色模型預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的發(fā)展趨勢(shì)，同樣發(fā)現(xiàn)未來(lái)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵也是上升的[23-26]。然而，正如王玉明等[6]提出：“城市系統(tǒng)以及城市化地區(qū)系統(tǒng)均為有序的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它們?cè)诔鞘邪l(fā)展過(guò)程中均應(yīng)越來(lái)越有序”，因此土地利用結(jié)構(gòu)信息熵應(yīng)該是不斷下降的。通過(guò)研究西安市、衡陽(yáng)市和蘇(州)(無(wú))錫常(州)地區(qū)建設(shè)用地占比和耕地占比與土地利用結(jié)構(gòu)信息熵關(guān)系發(fā)現(xiàn)：城市建設(shè)用地的快速增加是引起郊區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵上升的主要原因，但是并沒(méi)有對(duì)土地利用信息熵的降低作出合理解釋[6]。于雪麗等[14]采用熵值函數(shù)模型分析重慶市2009—2016年土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)—快速增長(zhǎng)—持續(xù)降低3個(gè)階段，但是這種持續(xù)降低的趨勢(shì)也沒(méi)有得到很好的解釋。根據(jù)以往研究，人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化一般對(duì)土地結(jié)構(gòu)信息熵的影響都是正向的[14,20-22]，那么隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地結(jié)構(gòu)信息熵應(yīng)該持續(xù)增加，不會(huì)出現(xiàn)降低的情況。因此，土地結(jié)構(gòu)信息熵的變化可能受到更多因素的影響，其中土地利用變化對(duì)信息熵的影響不該被忽視。耕地比重和建設(shè)用地比重變化是近年來(lái)土地結(jié)構(gòu)變化的最主要來(lái)源[23,27]，而土地利用程度作為一個(gè)綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)，也可能對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵產(chǎn)生重要影響。因此本研究以廣東省為例，在縣區(qū)尺度上分析土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的時(shí)空演化特征，并從土地利用程度、耕地比重和建設(shè)用地比重3方面出發(fā)，試圖揭示土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化的原因。

本文選取廣東省為研究區(qū)域，該省為改革開(kāi)放的首批示范區(qū)，是我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值最高、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)最快的省份之一，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展大局中具有舉足輕重的地位。廣東省包括珠江三角洲、東翼、西翼和山區(qū)4個(gè)發(fā)展板塊，其經(jīng)濟(jì)地位和城市化進(jìn)程也有所不同，2019年《廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示經(jīng)濟(jì)地位珠江三角洲>東翼>西翼>山區(qū)。然而對(duì)其進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)演化的研究尚不多見(jiàn)。另一方面，作為首批改革開(kāi)放示范區(qū)，城市化進(jìn)程相對(duì)其他省份發(fā)展更快，特別是珠江三角洲地區(qū)。因此，對(duì)廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空分布特征及驅(qū)動(dòng)力研究，不僅有利于廣東省自身社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的健康和可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)也可以為其他后起城市化地區(qū)未來(lái)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、土地利用規(guī)劃提供科學(xué)的決策依據(jù)，促進(jìn)土地資源合理化和均衡化。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

廣東省位于中國(guó)東南地區(qū)(20°09′—25°31′N，109°41′—117°17′E)，全省陸地總面積約17.83萬(wàn)km2，下轄21個(gè)地級(jí)市，北部與廣西、湖南、江西及福建接壤，南部與香港、澳門(mén)接壤、并與海南隔海相望。該區(qū)域?qū)儆跂|亞季風(fēng)區(qū)，全年氣候溫暖、熱量豐富、降雨總量多。2018年末，地區(qū)生產(chǎn)總值9.73×104億元，同比增長(zhǎng)6.8%，已連續(xù)30 a居全國(guó)第一位。然而，廣東省地域分異明顯，既有世界級(jí)城市群珠江三角洲，也有發(fā)展迅速的東翼和西翼，更有發(fā)展緩慢的山地丘陵(圖1)，珠江三角洲生產(chǎn)總值占全省比重為80.2%，東翼、西翼、山區(qū)分別占6.6%，7.4%，5.8%。2018年末，全省常住人口11 346.0萬(wàn)人，居全國(guó)第一，然而，面積只有17.97萬(wàn)km2，居全國(guó)15位。因此，人多地少是廣東省未來(lái)發(fā)展的局限，合理布局和調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

圖1 廣東省綜合地域分布

本研究以1990年、2000年、2010年、2018年廣東省土地利用矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空演變特征。數(shù)據(jù)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/Default.aspx)。該數(shù)據(jù)中心提供中國(guó)精度最高的土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，目前已經(jīng)在國(guó)家土地資源調(diào)查、水文、生態(tài)研究中發(fā)揮著重要作用[28-30]。

2 研究方法

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵

(1)

式中:Pi為事件的概率,進(jìn)一步計(jì)算土地利用結(jié)構(gòu)信息熵,公式如下：

(2)

土地利用結(jié)構(gòu)信息熵表征的是土地利用系統(tǒng)的有序程度和土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度。隨著人口數(shù)量的增加，耕地面積增加迅速。近年來(lái)隨著城市化進(jìn)程的加快，最明顯的變化為城市建設(shè)用地面積的快速擴(kuò)張[6,17]。根據(jù)陳彥光等[31]城市土地利用結(jié)構(gòu)的熵值定律，隨著各類土地利用類型面積的快速均衡化，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵會(huì)快速增大，當(dāng)各土地利用類型的面積達(dá)到相等時(shí)(A1=A2=…=An)，熵值達(dá)到最大，土地利用結(jié)構(gòu)最均衡。而在實(shí)際土地利用過(guò)程中，耕地和建設(shè)用地是城市化進(jìn)程中最重要的兩類土地利用類型。因此合理布局耕地比重和建設(shè)用地比重對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值變化至關(guān)重要。

2.2 土地利用程度

土地利用程度可以用來(lái)表征人類活動(dòng)對(duì)土地資源利用或干擾程度，進(jìn)而揭示在人類活動(dòng)干擾下土地資源自然綜合體的狀態(tài)[9,32]?；趧⒓o(jì)遠(yuǎn)[33]提出的土地利用程度計(jì)算方法，為實(shí)現(xiàn)土地利用程度更加準(zhǔn)確的評(píng)估，采用Li等[34]的改進(jìn)后的賦值方法，計(jì)算土地利用程度指數(shù)：

(3)

式中：LAi為第i類土地利用類型的面積；n為土地利用類型數(shù)量；Di為各土地利用類型土地利用程度賦值。

3 結(jié)果與分析

3.1 廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空分布

1990年、2000年、2010年和2018年廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均值分別為1.056，1.063，1.063，1.077，總體呈現(xiàn)增加—平穩(wěn)—增加的趨勢(shì)(圖2)。分區(qū)域分析發(fā)現(xiàn)東翼、西翼、珠江三角洲和山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均值分別為1.280，1.107，1.056，0.817，即東翼>西翼>珠江三角洲>山區(qū)。1990年、2000年、2010年和2018年，東翼土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均值分別為1.273，1.277，1.280，1.290，總體呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)；西翼土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均值分別為1.097，1.106，1.104，1.123，總體呈現(xiàn)增加—平穩(wěn)—增加的趨勢(shì)；珠江三角洲土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均值分別為1.050，1.061，1.058，1.054，總體呈現(xiàn)增加—持續(xù)降低的趨勢(shì)；山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均值分別為0.806，0.808，0.810，0.817，總體呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)。1990—2000年，珠江三角洲土地利用結(jié)構(gòu)信息熵增加最大(0.011)，西翼次之(0.009)，東翼第三(0.004)，山區(qū)最小(0.002)，說(shuō)明主要是由珠江三角洲和西翼土地結(jié)構(gòu)信息熵的增加導(dǎo)致廣東省平均信息熵的增加。2000—2010年珠江三角洲和西翼土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分別降低0.003，0.002，而東翼和山區(qū)分別增加0.003，0.002，因此保持了廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的平穩(wěn)。2010—2018年珠江三角洲土地利用結(jié)構(gòu)信息熵降低0.004，而西翼、東翼和山區(qū)分別增加0.019，0.010，0.007，從而導(dǎo)致廣東省該時(shí)期土地利用結(jié)構(gòu)信息熵增加。

圖2 廣東省不同區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵

圖3進(jìn)一步展示了縣區(qū)行政區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，可以發(fā)現(xiàn)廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵存在顯著的空間差異。廣東省南部沿海及中部地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵較高(高于0.95)，而北部和西部山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵處于最低水平(低于0.95)。其中，東翼沿海大部分縣區(qū)土地利用結(jié)果信息熵長(zhǎng)期保持1.16以上，個(gè)別縣區(qū)長(zhǎng)期保持在1.36以上；珠江三角洲各縣區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵大部分維持在1.16以上，但是變化趨勢(shì)不同，深圳市和東莞市附近土地利用結(jié)構(gòu)信息熵隨時(shí)間有高值區(qū)向中值區(qū)發(fā)展，廣州市中心區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵低值區(qū)區(qū)域隨時(shí)間有所增加；西翼土地利用結(jié)構(gòu)信息熵處于中高值區(qū)，到2018年麻章區(qū)和江城區(qū)信息熵增加到1.36以上。

圖3 廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空分布

3.2 廣東省土地利用程度、耕地比重和建設(shè)用地比重時(shí)空分布

如圖4所示，1990年、2000年、2010年和2018年廣東省土地利用程度年均值分別為3.53，3.62，3.78，3.88，表現(xiàn)為持續(xù)增加的趨勢(shì)；其西翼均值分別為4.57，4.62，4.63，4.60，珠江三角洲均值分別為4.03，4.21，4.58，4.78，東翼均值分別為3.92，3.95，4.03，3.99，山區(qū)均值分別為2.16，2.15，2.19，2.27。結(jié)果表明區(qū)域總體呈現(xiàn)為西翼>珠江三角洲>東翼>山區(qū)，土地利用程度在東西兩翼呈現(xiàn)增加—增加—降低的趨勢(shì)，在珠江三角洲呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)，山區(qū)呈現(xiàn)輕微降低—增加—快速增加的趨勢(shì)。

圖4 廣東省土地利用結(jié)構(gòu)

1990年、2000年、2010年和2018年廣東省耕地比重均值分別為31.57%，30.00%，27.86%，27.23%，表現(xiàn)為持續(xù)降低的趨勢(shì)；其西翼均值分別為44.40%，42.17%，40.86%，41.19%，珠江三角洲均值分別為31.55%，27.04%，21.89%，20.93%，東翼均值分別為32.56%，32.94%，31.49%，30.06%，山區(qū)均值分別為17.74%，17.77%，17.18%，16.74%。結(jié)果表明區(qū)域耕地比重總體呈現(xiàn)為西翼>東翼>珠江三角洲>山區(qū)，耕地比重在西翼呈現(xiàn)降低—降低—增加的趨勢(shì)，在東翼呈現(xiàn)增加—降低—降低的趨勢(shì)，在珠江三角洲呈現(xiàn)降低—快速降低—降低的趨勢(shì)，山區(qū)呈現(xiàn)輕微增加—持續(xù)降低的趨勢(shì)。

對(duì)建設(shè)用地比重分析發(fā)現(xiàn)，1990年、2000年、2010年和2018年廣東省建設(shè)用地比重均值分別為9.60%，11.39%，14.13%，15.10%，表現(xiàn)為持續(xù)增加的趨勢(shì)；其西翼均值分別為11.16%，13.40%，14.25%，13.50%，珠江三角洲均值分別為13.73%，18.61%，26.28%，29.18%，東翼均值分別為11.70%，11.78%，13.60%，14.09%，山區(qū)均值分別為1.80%，1.76%，2.33%，3.62%。結(jié)果表明區(qū)域建設(shè)用地比重總體呈現(xiàn)為珠江三角洲>西翼>東翼>山區(qū)，建設(shè)用地比重在西翼呈現(xiàn)增加—增加—降低的趨勢(shì)，在東翼呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)，在珠江三角洲呈現(xiàn)持續(xù)快速增加的趨勢(shì)，山區(qū)呈現(xiàn)輕微降低—持續(xù)增加的趨勢(shì)。

3.2.1 土地利用程度時(shí)空分布 進(jìn)一步分析了廣東省土地利用程度的時(shí)空分布(圖5)，可以發(fā)現(xiàn)廣東省土地利用程度存在顯著的空間差異。廣東省南部沿海及中部地區(qū)土地利用程度較高(高于2.95)，而北部和西部山區(qū)土地利用程度處于最低水平(低于2.95)。其中，東翼的個(gè)別縣區(qū)長(zhǎng)期保持在4.15以上；珠江三角洲中心縣區(qū)土地利用程度高值區(qū)增加迅速，到2018年大于5.66的縣區(qū)明顯增多；西翼的化州市和電白縣(不包括)以南土地利用程度長(zhǎng)期處于4.15以上。

3.2.2 耕地比重時(shí)空分布 從圖6可以看出，耕地比重和土地利用程度空間分布相似，以珠江三角洲中心區(qū)和東、西翼沿?？h區(qū)耕地比重最高。隨著時(shí)間的推移，耕地比重高值區(qū)顯著減少，其中珠江三角洲中心城區(qū)耕地比重減少最為明顯，低于15.00%的縣區(qū)由1990年的一個(gè)增加到2018年的廣州市中心區(qū)、深圳市和東莞市周邊的12個(gè)區(qū)，高于52.90%的區(qū)域也由1990年的6個(gè)區(qū)減少到2018年的一個(gè)南沙區(qū)，而東西兩翼耕地比重時(shí)空分布基本保持不變或輕微降低。到2018年只有東翼的澄海區(qū)、珠江三角洲的南沙區(qū)、西翼的個(gè)別縣區(qū)耕地比重保持高于52.90%的狀態(tài)。

圖6 不同年份廣東省耕地比重時(shí)空分布

3.2.3 建設(shè)用地比重時(shí)空分布 建設(shè)用地比重高值區(qū)同樣也以珠江三角洲中心區(qū)和東西翼沿?？h區(qū)建設(shè)用地比重最高(圖7)。隨著時(shí)間的推移，建設(shè)用地比重高值區(qū)顯著增加，其中珠江三角洲中心城區(qū)建設(shè)用地比重增加最為明顯，具體來(lái)說(shuō)建設(shè)用地比重大于30.00%的縣區(qū)由1990年的廣州中心六區(qū)和深圳市中心三區(qū)，逐漸擴(kuò)展到2018年20個(gè)縣區(qū)，并且隨著中心區(qū)建設(shè)用比重的升級(jí)，周邊縣區(qū)建設(shè)用地比重也在不斷擴(kuò)大和升級(jí)，而東西兩翼建設(shè)用地比重大部分維持在低于20.00%的水平，只有少數(shù)縣區(qū)持續(xù)高于30.00%。

圖7 廣東省建設(shè)用地比重時(shí)空分布

3.3 廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵驅(qū)動(dòng)因子分析

為了揭示廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分別與土地利用程度、耕地比重和建設(shè)用地比重的空間關(guān)系，本研究根據(jù)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分別與土地利用程度，耕地比重和建設(shè)用地比重的散點(diǎn)圖做進(jìn)一步分析(圖8)。

圖8 廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與土地利用程度、耕地比重、建設(shè)用地比重的關(guān)系

從1990年、2000年、2010年和2018年4個(gè)時(shí)間點(diǎn)散點(diǎn)圖可以看出土地利用程度、耕地比重和建設(shè)用地比重都與土地利用結(jié)構(gòu)信息熵存在倒U型關(guān)系。從平方線性擬合函數(shù)可以看出，R2分別在0.71，0.42，0.42以上，說(shuō)明擬合函數(shù)可以很好地解釋土地結(jié)構(gòu)信息熵與三者的關(guān)系。這些結(jié)果說(shuō)明在土地利用的初期，隨著土地利用程度的增加，會(huì)促進(jìn)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的增加，而土地利用達(dá)到一定程度以后，土地利用程度的增加會(huì)導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的降低。為了確定函數(shù)的拐點(diǎn)數(shù)值，通過(guò)普通最小二乘法回歸分析結(jié)果可以得出1990—2018年土地利用程度閾值分別為5.003，5.084，5.127，5.105，對(duì)應(yīng)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵閾值為1.273，1.295，1.311，1.306；耕地比重閾值分別46.3%，48.0%，41.8%，46.4%，對(duì)應(yīng)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵閾值為1.220，1.224，1.255，1.253；建設(shè)用地比重閾值為34.6%，35.8%，36.5%，36.4%，對(duì)應(yīng)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵閾值為1.380，1.370，1.357，1.333。因此可以發(fā)現(xiàn)1990—2010年土地利用程度、耕地比重和建設(shè)用地比重的閾值總體在不斷增加，而2010—2018年均有所下降。然而，土地利用程度和耕地比重所對(duì)應(yīng)的土地利用信息熵閾值，1990—2010年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2010—2018年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；建設(shè)用地比重所對(duì)應(yīng)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵閾值，1990—2018年呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢(shì)。

根據(jù)土地利用程度、耕地比重和建設(shè)用地比重閾值分別將各縣區(qū)行政區(qū)分為小于閾值區(qū)和大于閾值區(qū)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)1990年、2000年、2010年和2018年廣東省土地利用程度大于閾值的區(qū)域占比分別為20.325%，19.512%，21.138%，23.577%；耕地比重大于閾值的區(qū)域占比分別為18.699%，11.382%，8.130%，9.756%；建設(shè)用地比重大于閾值的區(qū)域占比分別為8.130%，9.756%，13.008%，16.260%。由此可見(jiàn)土地利用程度大于閾值的區(qū)域1990—2000年先下降，2000—2018年后升高；耕地比重大于閾值的區(qū)域1990—2010年先下降，2010—2018年后升高；然而建設(shè)用地比重大于閾值的區(qū)域1990—2018年持續(xù)升高。

為了進(jìn)一步揭示廣東省土地利用程度、耕地比重和建設(shè)用地比重在1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年的變化規(guī)律，本研究對(duì)它們的變化進(jìn)行了空間分布作圖(圖9)。

圖9 廣東省土地利用結(jié)構(gòu)、耕地比重和建設(shè)用地比重變化的時(shí)空分布

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1990—2000年廣東省土地利用程度變化大于0.80的市區(qū)主要出現(xiàn)在珠江三角洲部分縣區(qū)及西翼的湛江市赤坎區(qū)，小于-0.15的市區(qū)主要出現(xiàn)在珠江三角洲和西翼的個(gè)別縣區(qū)；然而耕地比重變化小于-14.00%區(qū)域主要分布在珠江三角洲中心區(qū)和西翼少部分區(qū)域，而其他區(qū)域大于-6.00%，少數(shù)縣區(qū)大于3.00%；建設(shè)用地比重變化大于13.00%的區(qū)域在珠江三角洲及東翼個(gè)別縣區(qū)，小于-3.00%的區(qū)域主要在汕頭市金平區(qū)。2000—2010年廣東省土地利用程度變化普遍處于增加狀態(tài)，其中珠江三角洲中心部分縣區(qū)變化大于0.80，然而只有個(gè)別縣區(qū)小于-0.15，耕地比重變化普遍處于降低狀態(tài)，只有珠江三角洲個(gè)別縣區(qū)小于14.00%，建設(shè)用地比重大部分處于增加狀態(tài)，其中珠江三角洲的中心區(qū)部分縣區(qū)變化大于13.00%，只有遂溪縣小于-3.00%。2010—2018年廣東省土地利用程度變化大部分處于增加狀態(tài)，其中珠江三角洲個(gè)別縣區(qū)變化大于0.80，變化低于-0.15的縣區(qū)在沿?？h區(qū)零星分布，耕地比重變化大部分處于輕度降低狀態(tài)，其中只有廣州市荔灣區(qū)變化小于-14.00%，然而北部和西部山區(qū)耕地比重有所增加，珠江三角洲中心個(gè)別縣區(qū)變化大于3.00%，建設(shè)用地比重大部分處于增加狀態(tài)，其中珠江三角洲中心個(gè)別縣區(qū)變化大于13.00%，而個(gè)別縣區(qū)小于-3.00%。

4 結(jié)論與討論

“熵”作為表征耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無(wú)序化程度的重要指標(biāo)，其值越大，表示系統(tǒng)的有序性越低；其值越小，表示系統(tǒng)的有序性越高[7,31]。城市作為一個(gè)典型的耗散結(jié)構(gòu)[35]，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵大量應(yīng)用于現(xiàn)代城市化建設(shè)區(qū)域，綜合表征某區(qū)域在一定時(shí)段內(nèi)各種土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化及其轉(zhuǎn)換程度，對(duì)于具體區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整及城市化建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。本研究對(duì)廣東省 1990—2018年的城市化進(jìn)程中土地利用結(jié)構(gòu)信息熵進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

(1)廣東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均值在研究期呈現(xiàn)增加—平穩(wěn)—增加的趨勢(shì)，這與廣東省的區(qū)域城市化進(jìn)程不同有著重要關(guān)系，就四大區(qū)域而言，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵東翼>西翼>珠江三角洲>山區(qū)。盡管后期珠江三角洲土地利用結(jié)構(gòu)信息熵有所降低，但是東西兩翼及山區(qū)熵值的增加抵消了珠江三角洲的降低，并維持增加的趨勢(shì)。

(2)研究期，廣東省土地利用程度和建設(shè)用地比重不斷增加，耕地比重不斷減少，同樣存在顯著的時(shí)空差異。其中珠江三角洲土地利用結(jié)構(gòu)變化最大，是導(dǎo)致廣東省土地利用結(jié)構(gòu)變化的重要地區(qū)，其他區(qū)域變化相對(duì)緩慢。

(3)通過(guò)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土地利用程度、耕地比重和建設(shè)用地比重都是影響土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的重要因素。它們與土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均存在倒“U”型關(guān)系，就該研究區(qū)及時(shí)間段分析表明：土地利用程度和建設(shè)用地比重與土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的倒“U”型關(guān)系更加明顯。隨著土地利用程度、耕地比重和建設(shè)用地比重的增加，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵先表現(xiàn)出增加狀態(tài)，達(dá)到閾值后再表現(xiàn)為降低狀態(tài)。其中珠江三角洲土地利用程度和耕地比重高于閾值的縣區(qū)不斷增加，從而也導(dǎo)致該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵向著降低的方向發(fā)展，另一方面，廣東省各縣區(qū)耕地比重大部分區(qū)域都處于閾值以下，而且大部分區(qū)域都處于降低階段，因此耕地比重的變化也會(huì)導(dǎo)致信息熵的降低，珠江三角洲土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的降低也符合王玉明等[6]提出的疑問(wèn)。

目前而言，廣東省大部分縣區(qū)土地利用程度、耕地比重和建設(shè)用地比重都還處于閾值以下，隨著城市化的快速發(fā)展，土地利用程度和建設(shè)用地比重到部分區(qū)域也處于持續(xù)上升階段，因此平均土地利用結(jié)構(gòu)信息熵還在不斷增加。雖然耕地比重降低會(huì)導(dǎo)致信息熵降低，但是其相關(guān)性遠(yuǎn)小于土地利用程度和建設(shè)用地比重。特別是珠江三角洲區(qū)域，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵已經(jīng)開(kāi)始降低，這與該區(qū)域土地利用程度和建設(shè)用地比重超過(guò)閾值存在極大關(guān)系。因此在未來(lái)土地利用結(jié)構(gòu)布局時(shí)應(yīng)該考慮土地利用類型的閾值問(wèn)題，特別是耕地比重和建設(shè)用地比重的閾值，對(duì)于建設(shè)用地比重接近閾值的縣區(qū)進(jìn)行嚴(yán)格控制，對(duì)于超過(guò)閾值的縣區(qū)進(jìn)行整改；耕地是人類賴以生存的基本資源和條件，其比重不應(yīng)該過(guò)度降低，合理控制土地利用結(jié)構(gòu)的變化，才能使區(qū)域土地利用系統(tǒng)發(fā)揮最高的功能效率，進(jìn)而促進(jìn)區(qū)域土地的可持續(xù)利用。