基于信息熵的城鄉交錯帶土地利用結構變化研究※

　　摘要：文章借助信息熵和均衡度的概念，揭示淮陰區1998-2008年土地利用結構的動態演變規律。其信息熵先后經歷了“上升—穩定—再上升—下降”四個階段，總體呈上升趨勢。在不同土地利用類型中，耕地、園地、林地等與土地利用結構信息熵負相關，居民點及工礦用地、交通用地等與土地利用結構信息熵正相關。最后，對淮陰區如何優化土地利用結構提出一些建議。
　　關鍵詞：信息熵；城鄉交錯帶；土地利用結構
　　
　　城鄉交錯帶是城市化發展到一定階段所形成的獨特的地域實體，是處于城鄉之間各種社會經濟等要素激烈轉換的地帶，是農業用地和城市用地的復合地區，是城市和鄉村相互作用的產物。城鄉交錯帶是一個特殊的經濟地理單元，也是目前土地利用問題最多、矛盾最尖銳的地區。由于受到城市集聚效應和擴散效應的雙重影響，城鄉交錯帶的土地利用呈現出鮮明的動態性特征，土地利用類型和結構變更頻繁。對這一特殊區域的土地利用結構信息熵的動態演變規律開展研究，對合理控制城市發展規模及鄉村城市化進程，實現土地資源的科學、合理、高效利用，促進城鄉經濟協調發展具有重要意義。
　　1研究區域概況
　　淮安市淮陰區位于江蘇省北部平原的腹地，因古代縣域在淮河南岸（水之南為陰）而得名。地處北緯33°22′—33°56′，東經118°56′—119°09′。東與楚州區、漣水縣相依，南瀕洪澤湖，西與宿遷市泗陽縣相鄰，北隔六塘河與宿遷市沭陽縣相望，中間半環抱淮安市的清河、清浦兩區。區政府所在地王營鎮，為淮安市的“北大門”。
　　2研究方法和數據來源
　　2.1 研究方法
　　2.1.1 土地利用結構信息熵
　　假定一個區域的土地總面積為，該區域的土地利用類型劃分為種，則每種利用類型的土地面積為 ，則
　　據此得出各種土地利用類型面積占該區域土地總面積的比例，則
　　顯然，依照Shannon熵的公式，可以把區域土地利用結構的信息熵定義為:
　　用土地利用結構信息熵來描述土地利用結構有序度和復雜度，它可以綜合反映某區域的各種土地利用類型的動態變化以及轉換程度。一般地，信息熵值越大，土地利用結構的有序程度就越低；信息熵越小，土地利用結構的有序程度就越高。
　　根據熵值最大和最小原理，當區域處于未開發狀態時，其土地利用結構信息熵為0，即；相反，當區域已發展成熟，各土地類型已趨于均勻穩定，且滿足熵最大化條件時，即時，土地利用結構信息熵為最大，。一般情況下，區域土地利用結構信息熵會介于兩者之間，綜合反映土地利用結構的復雜程度。
　　2.1.2 土地利用結構均衡度與優勢度
　　基于信息熵的概念和公式，可定義土地利用結構的均衡度：
　　即為實際熵值與最大熵值之間的比值，取值，其值越大表明各土地利用類型之間的比例差別越小，土地利用結構均質性越強；反之，則表明均質性越低。土地利用結構的優勢度則可定義為：
　　優勢度的內涵意義與均衡度相反，它反映的是區域內某種或多種土地利用類型對該區域土地利用的支配程度。
　　2.2 數據來源及說明
　　研究數據主要是淮陰區1998-2008年間的土地利用變更調查數據，來源于淮安市國土資源局淮陰分局。
　　本文采用《全國土地分類》(國土資發[2002] 247號)中規定的土地用分類系統，共包括3個一級類、10個二級類和52個三級類。二級分類中，農用地分為耕地、園地、林地、牧草地和其他農用地，建設用地分為居民點及獨立工礦用地、交通運輸用地、水利設施用地，未利用地分為未利用地和其他土地。為了使研究區域各時段之間的數據具有可比性，且分類類型不過于簡化或者復雜，本文將研究區域的土地整理為8種類型進行計算與分析。
　　3基于信息熵的淮陰區土地利用結構變化
　　3.1 土地利用結構時序變化
　　淮陰區土地總面積為130999.07公頃。根據土地利用變更調查結果，淮陰區1998年和2008年的土地利用結構分別如圖1和圖2所示。1998年，農用地100032.92公頃，占土地總面積的76.36%；建設用地20226.82公頃，占土地總面積的15.44%；未利用地10739.33公頃，占土地總面積的8.20%。2008年，農用地98901.97公頃，占土地總面積的75.50%；建設用地21778.56公頃，占土地總面積的16.62%；未利用地10318.53公頃，占土地總面積的7.88%。1998-2008年間，淮陰區土地利用結構的變化趨勢整體表現為農用地及未利用地不斷減少，建設用地則不斷增加。
　　3.2 土地利用結構信息熵、均衡度和優勢度分析
　　根據公式（1）至公式（5），可以計算出淮陰區1998-2008年土地利用結構信息熵、均衡度和集中度數值。圖3為淮陰區土地利用結構信息熵值的變化趨勢，圖4為淮陰區土地利用結構均衡度和集中度值的變化趨勢。
　　由圖3、圖4可以看出，近10年來淮陰區土地利用結構信息熵呈現較不穩定狀態，但總體趨于增長，期間信息熵平均值為1.3054，年均增長0.07%；均衡度和集中度的變化不明顯，但總體上均衡度呈上升趨勢，集中度降低，土地利用結構緩慢向均衡狀態發展。1998年土地利用結構信息熵最低，為1.2973；此后整體呈現升高的趨勢，到2005年達到最大值1.3091；2005年后開始持續回落，并逐漸趨于穩定；到2008年降到1.3058。1998年淮陰區土地利用結構信息熵最低，說明此時土地利用系統的有序度較高。而2005年土地利用結構信息熵值最高，說明此時土地利用系統的有序度最低，無序度升高。但2005年后，土地利用結構信息熵逐漸下降并趨于穩定，說明土地利用結構趨于穩定。同時土地利用結構均衡度呈上升趨勢表明淮陰區土地利用的均衡程度不斷增強。
　　根據淮陰區土地利用結構信息熵的波動幅度大小，可以發現淮陰區土地利用結構變化經歷了4個比較明顯的階段：
　　第一階段為1999年以前，是淮陰區土地利用結構信息熵的劇烈變動階段。土地利用結構信息熵從1998年的1.2973增長到1999年的1.3029，年增長幅度為0.43%，遠遠大于1998-2008年的年均增長幅度0.07%。這個階段變動最大的是交通用地面積的增加和耕地面積的減少，而林地和水利設施用地變動最小。這期間人口的增長及生活水平的提高，城市化、工業化的步伐不斷加快，對于交通運輸用地的需求增加，而這也是導致耕地面積減少的重要原因。
　　第二階段為1999-2001年，是淮陰區土地利用結構信息熵的相對穩定階段。這期間，土地利用結構信息熵整體變化幅度較小，從1999年的1.3029減少到2001年的1.3025，年均變化僅0.01%。這個階段發生變動的主要集中表現為居民點及工礦用地的增加，以及園地和未利用地小幅度的減少，而其他各類用地都只有比較輕微的變動。
　　第三階段為2001-2005年，是淮陰區土地利用結構信息熵的增長期。土地利用結構信息熵從2001年的1.3025增長到2003年的1.3091，年增長幅度為0.13%。這個階段土地利用結構信息熵逐步增長，但增幅逐年呈下降趨勢。用地結構變化主要表現為居民點工礦用地和未利用地面積的增加，耕地面積明顯減少。這期間城市化的進程不斷加速，居民點工礦用地規模逐步擴張，占用大量耕地，而未利用地增加則表明淮陰區土地利用的自然條件有所下降，有一定面積的土地退化為未利用地。
　　第四階段為2005—2008年，是淮陰區土地利用結構信息熵緩慢下降期。土地利用結構信息熵從2005年的1.3091減少到2008年的1.3058，年增長幅度僅為0.09%。用地結構變化主要是耕地和居民點工礦用地面積有所增加，未利用地面積大幅度減少。這期間土地整理，尤其是農村居民點整理，補充了一定數量的耕地，此外未利用地開發也是用地增加的一個重要來源。
　　
　　淮陰區土地利用結構信息熵處于不斷變化中，整體表現為“調整—平穩—再調整—再平穩”的動態過程。在這個過程之中，土地利用從一個劇變期進入平穩期，接著由逐步增長期進入逐步減少期，說明淮陰區的土地利用結構處于不斷調整的過程中，且表現出逐漸趨于穩定的態勢。
　　3.3 土地利用結構信息熵演變的成因分析
　　應用SPSS軟件分別對淮陰區8種土地利用類型所占比重與土地利用結構信息熵之間的關聯程度進行相關分析(見表1)，可以看出：耕地、園地、林地、其他農用地與水利設施用地這5種土地利用類型與土地利用結構信息熵負相關；剩下3種土地利用類型居民點及工礦用地、交通用地、未利用地與土地利用結構信息熵正相關。結合前文可以發現，與土地利用結構信息熵正相關的土地利用類型的面積總體呈上升趨勢；與土地利用結構信息熵負相關的土地利用類型的面積總體呈下降趨勢。此外，耕地比重與土地利用結構信息熵的關聯程度最大，絕對值為0.959；其次是園地和水利設施用地；其他農用地與土地利用結構信息熵關聯程度最小，僅為-0.129。這表明耕地、園地、水利設施用地等用地類型面積所占比重對淮陰區土地利用結構信息熵的變化起主要作用。同時也表明雖然從理論上來說，區域土地利用類型越多，各種土地利用類型的百分比相差越小，土地利用結構熵值越大；但是如果區域土地總面積與土地利用類型數量保持不變，則各土地利用類型對土地利用結構信息熵值的影響程度是不一樣的。
　　4結論與建議
　　淮陰區土地利用結構信息熵的變化趨勢顯示，淮陰區土地利用現狀正遵循著城市土地信息熵的動態演