快速城市化下的城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化及其動(dòng)因分析—以陜西省商州區(qū)為例

杜 學(xué)，楊海娟

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

土地利用結(jié)構(gòu)是區(qū)域自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科學(xué)技術(shù)諸條件的綜合表現(xiàn)［1］。隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，建設(shè)用地需求量的不斷增加以及人為因素的干擾使得土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生著變化，其結(jié)構(gòu)的有序性、合理性最終將決定土地的可持續(xù)利用。熵作為熱力學(xué)的一個(gè)概念，揭示了一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)中能量的衰竭程度，通過(guò)比較事物不同狀態(tài)下系統(tǒng)的熵值大小，可以辨別系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化方向［2］。熵值的大小表征了系統(tǒng)的有序程度，而土地利用結(jié)構(gòu)這一系統(tǒng)的有序程度又受到許多因素的干擾，近年來(lái)，一些學(xué)者利用熵值函數(shù)模型對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和形態(tài)的時(shí)空分異特征進(jìn)行了初步研究，并取得了一定的研究成果［3－9］。本研究借助于信息熵模型，以商州區(qū)為樣本，借助近7年的土地?cái)?shù)據(jù)對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)的變化及導(dǎo)致這一變化的動(dòng)因進(jìn)行分析和探討。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

商州區(qū)位于陜西省的東南部、秦嶺東段南麓。介于東經(jīng)109°30'至 110°16'和北緯 33°00'至 34°12'之間。北據(jù)蟒嶺與洛南縣相依，南抵流嶺與山陽(yáng)縣相鄰，西越秦嶺與藍(lán)田、柞水縣相接，東下丹江與丹鳳縣相連。東西長(zhǎng)67.5 km，南北寬65 km，土地總面積為 2644.36 km2，2005年，全區(qū)總?cè)丝?5.29萬(wàn)人，其中農(nóng)業(yè)人口 39.70萬(wàn)，非農(nóng)業(yè)人口 15.59萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率32.41%，人均生產(chǎn)總值4 053元。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所采用的商州區(qū)1999～2005年期間的土地利用結(jié)構(gòu)變化數(shù)據(jù)來(lái)自商洛市國(guó)土資源局的土地利用變更調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，具有真實(shí)性和權(quán)威性。為便于分析，將土地利用結(jié)構(gòu)分類調(diào)整為耕地、園地、林地、牧草地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、水體用地和未利用地等八大類(表1)。

表1 商州區(qū)1999～2005年土地利用結(jié)構(gòu)及其信息熵

2 研究方法

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的計(jì)算

城市土地利用系統(tǒng)是自然、人類、社會(huì)、科學(xué)和技術(shù)等合成的開(kāi)放的復(fù)雜系統(tǒng)，具有耗散結(jié)構(gòu)的特征［8］。城市土地利用的空間結(jié)構(gòu)特征可以用信息熵表示。根據(jù)C.E.Shannon熵公式可以構(gòu)建土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，簡(jiǎn)稱土地利用結(jié)構(gòu)信息熵(H)［10］。

式中:A為土地總面積，N為土地種類，Ai為各土地類型的面積(i=1，2，…，N)，Pi為各土地利用類型占該區(qū)域宗土地面積的百分比。

式中:H為信息熵，可以看出H≥0，熵值的高低可以反映城市土地利用的均衡程度。當(dāng)各土地類型面積相等，即A1=A2=…=Ai=A/N時(shí)，P1=P2=… =Pi=1/N，此時(shí)熵最大，即H=Hmax=logN。因此，熵值越大，土地類型越多，各類型的面積相差越小，類型所占總面積的比重就越小，系統(tǒng)有序程度越低。

2.2 土地利用均衡度和優(yōu)勢(shì)度的計(jì)算

根據(jù)上面的信息熵的公式可以推出土地利用均衡度J［7］的公式:

式中:J表示均衡度，顯然，由于J值在0～1之間變化，J值越大，城市土地利用的均質(zhì)性越強(qiáng)。

進(jìn)而可以創(chuàng)建土地利用優(yōu)勢(shì)度I［7］的公式:

式中:I表示優(yōu)勢(shì)度，它反映了區(qū)域內(nèi)一種或多種土地類型支配該區(qū)域土地類型的程度，與均衡度的涵義相反。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值變化分析

由表1和圖1可以看出，1999～2005年商州區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵呈下降趨勢(shì)，但由于變化幅度不大，所以基本經(jīng)歷的是一個(gè)不斷調(diào)整的過(guò)程。1999年，商州區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值最高，為1.216，表明其土地利用有序度最低;1999～2001年，熵值緩慢下降，僅降低 0.001，2000年調(diào)整為1.215，2001年保持不變。2001～2003年期間，信息熵減少的幅度最大，2003年的熵值達(dá)到最低值為1.204，表明其土地利用有序度最高;2004～2005年期間，熵值又略微上升，2005年調(diào)整為1.207，2004年熵值保持1.204不變。由此可見(jiàn)，與1999年相比，商州區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵有所降低，土地利用類型結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)的有序度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

隨著土地利用結(jié)構(gòu)熵的不斷降低，均衡度也在不斷降低，優(yōu)勢(shì)度則向相反方向呈增加趨勢(shì)。1999年土地利用結(jié)構(gòu)均衡度為 0.585，優(yōu)勢(shì)度為 0.415，均衡度 ＞優(yōu)勢(shì)度，相差0.17;2005年土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度為 0.581，優(yōu)勢(shì)度為0.419，均衡度 ＞優(yōu)勢(shì)度，相差 0.162。1999～2005年期間，均衡度持續(xù)下降，優(yōu)勢(shì)度則持續(xù)上升。相應(yīng)的，均衡度的下降，表明該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性有所下降，而優(yōu)勢(shì)度的提高，表明該區(qū)域內(nèi)單個(gè)或多個(gè)土地類型支配土地類型的程度增強(qiáng)，但不是很明顯。1999～2005年期間，商州區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化表現(xiàn)為，耕地面積減少的幅度最大，凈減少3 948.5 hm2;林地面積減少幅度較大，為 3 477.7 hm2;城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積有所增加，凈增加968.2 hm2。

綜上所述，1999～2005年商州區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)總體處于一種調(diào)整狀態(tài)，但是向有序方向發(fā)展，其信息熵值變化較小，結(jié)構(gòu)變化則較少。

圖1 商州區(qū)1999～2005年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值變化圖

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化的動(dòng)因分析

3.2.1 土地利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化

從上面的結(jié)果分析可以看出，土地利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化是土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化的直接因素，優(yōu)勢(shì)度的增加也表明了該區(qū)域某幾種土地類型的變化支配整個(gè)區(qū)域土地類型的程度增強(qiáng)。商州區(qū)1999～2005年期間，耕地、園地、牧草地、未利用地的面積減少，而城鄉(xiāng)建設(shè)用地(包括城市、建制鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)和工礦用地)林地、交通運(yùn)輸用地和水體用地的面積增加，這些用地類型面積的變化符合商州區(qū)近些年發(fā)展的要求，但由于商州區(qū)的發(fā)展速度較為緩慢，變化數(shù)據(jù)表明，其土地利用的方式由無(wú)序向有序變化，由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變。

3.2.2 人口增長(zhǎng)與城市化進(jìn)程的推進(jìn)

人口的增長(zhǎng)是一系列問(wèn)題的推動(dòng)力，首先是受比較利益的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，而這種調(diào)整帶有自發(fā)性，缺乏指導(dǎo)，導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)的不合理性;其次是導(dǎo)致建設(shè)用地需求的增加［11］。

1999年商州區(qū)總?cè)丝跒?3.70萬(wàn)人，2005年總?cè)丝跒?5.29萬(wàn)人，平均每年增加0.23萬(wàn)人;同期土地利用結(jié)構(gòu)信息熵由 1.216 減少為 1.207，凈減少 0.009，人口數(shù)量的變化方向與信息熵的變化方向呈反方向，可以看出商州區(qū)人口的增長(zhǎng)對(duì)于該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的有序度是一種促進(jìn)作用。人口的增長(zhǎng)與土地利用結(jié)構(gòu)信息熵有著相反的變化規(guī)律。

1999年人均GDP為1550元，2005年為4053元，年均增長(zhǎng)357.57元;同期地均GDP由3148元增長(zhǎng)到8474元，年均增長(zhǎng)760.86元，而城鎮(zhèn)化率也由15.07%增長(zhǎng)到32.41%，數(shù)據(jù)表明，近7年內(nèi)商州區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快，城鎮(zhèn)化率水平較高，其對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵減少的促進(jìn)作用同人口的增長(zhǎng)是一致的，這說(shuō)明，在經(jīng)濟(jì)因素的影響下，商州區(qū)對(duì)于土地的利用更趨于合理化和集約化，從而使得其土地利用更趨有序化。

3.2.3 政策環(huán)境的影響

政策環(huán)境是區(qū)域發(fā)展的外部動(dòng)因，好的政策環(huán)境有利于吸引外資，吸引先進(jìn)技術(shù)的投入，最終會(huì)使得該區(qū)域的發(fā)展更加具有先進(jìn)性，由最初的重農(nóng)業(yè)向工業(yè)化發(fā)展，土地的利用顯得高效化。商州區(qū)在西部大開(kāi)發(fā)這一大的政策環(huán)境下發(fā)展，在陜西省退耕還林政策的指導(dǎo)下，在政府的引導(dǎo)下，商州區(qū)各行各業(yè)的用地得到了合理安排，基本解決了人地矛盾和地地矛盾。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)商州區(qū)1999～2005年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化的分析，可以得到利用熵函數(shù)模型對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究是可行的，其數(shù)值的大小反應(yīng)了土地利用結(jié)構(gòu)的時(shí)序變化，數(shù)值越大，系統(tǒng)無(wú)序性越高。從分析結(jié)果可得，商州區(qū)近7年內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)趨向有序化，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)及好的政策環(huán)境對(duì)于土地利用結(jié)構(gòu)信息熵具有較大的影響，對(duì)于剛剛起步的城市，這些動(dòng)因所起的作用是促進(jìn)性的，有利于土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，但這一促進(jìn)性作用是暫時(shí)的，隨著該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，這些動(dòng)因可能會(huì)成為無(wú)序化發(fā)展的動(dòng)因，因此，商州區(qū)政府應(yīng)做好協(xié)調(diào)引導(dǎo)工作，合理配置土地資源，實(shí)現(xiàn)土地的可持續(xù)利用。

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