喀斯特土地利用結構動態演變研究——以廣西都安瑤族自治縣為例

蘇廣實

(1．廣西經濟管理干部學院貿易經濟系，廣西南寧530007;2．中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室，貴州貴陽550002)

土地利用結構是某一區域內各種土地利用類型的組成、對比關系以及空間格局［1］，是區域自然、經濟、社會和科學技術諸條件的綜合表現［2］。由于自然和社會經濟等條件的地區差異性以及人們對土地利用目的和方式不同，便形成了不同的土地利用結構［3］。因此，通過研究土地利用結構變化可以具體把握區域土地利用現狀［4］、土地資源的特點和優劣勢［5］以及土地利用的合理性，對于優化配置土地資源、實現土地資源可持續利用具有指導意義。近年來，國內不少學者對土地利用結構開展了比較廣泛的研究［6-10］，但對喀斯特地區的研究較少。我國西南喀斯特地區是少數民族聚居的貧困區，長期以來，隨著人口急劇增加，過墾、濫伐等不合理的土地利用方式造成了喀斯特地區石漠化、水土流失、水質污染、土壤退化以及生物多樣性減少等生態環境問題［11-12］。因此，分析和探討西南喀斯特地區土地利用結構動態演變，對于當地土地資源的合理開發和保護、石漠化綜合治理和土地資源可持續利用有著重要的指導意義。鑒于此，筆者運用信息熵和洛倫茲曲線-基尼系數分析方法，分析了喀斯特典

型縣域——廣西都安瑤族自治縣(下稱“都安縣”)1977～2005年土地利用結構信息熵時空演變特征和空間差異規律，以期為其他類似喀斯特地區土地資源合理利用和喀斯特石漠化綜合治理政策的制定提供參考。

1 研究區概況和數據來源

1．1 研究區概況 都安縣位于廣西中部偏西，地理位置為107°46′～108°31′E、23°48′～24°35′N，地處云貴高原向廣西盆地過渡的斜坡地帶，都陽山脈東段，是廣西典型的喀斯特大石山區。全境以喀斯特石山為主，地形復雜，巖石裸露，山高谷深，洼地遍布，只有少數地帶有土山丘陵分布。山地、丘陵、臺地和谷地平原分別占全縣面積的77．9%、13．2%和8．9%，難利用面積占很大比例。氣候為中亞熱帶季風氣候與南亞熱帶季風氣候區的過渡地帶，年均氣溫18．2～21．7℃，年降雨量1 200～1 900 mm。雨量集中于夏季，約占年降雨量的68．3%，且以暴雨形式降落，常造成洪澇災害。地表水系不發育，地下水豐富，但埋藏深，水量、水位動態不穩，春、秋干旱，水土流失日趨嚴重。

1．2 數據來源與處理 數據來源包括1977年航片數據、1988和1999年TM影像數據、2005年SPOT-2/4影像數據。利用1∶50 000的地形圖對2005年SPOT-2/4影像進行幾何校正，在此基礎上對1988與1999年的影像進行配準，配準誤差控制在0．5個像元以內。綜合考慮都安喀斯特土地利用特點及其相關數據源的科學性、可獲取性、可操作性與可比性等，對都安喀斯特土地利用進行分類，分類結果包括有林地、灌叢地、疏林地、草地、溝谷耕地、坡耕地、水域(河流、塘、庫)、建設用地和裸巖地。按1∶10萬的比例尺對各期影像數據進行人工目視解譯，得出1988、1999和2005年土地利用類型圖。經檢驗，解譯精度符合要求。采用1977年航片進行矢量化得出1977年1∶10萬的土地利用類型圖。經統計得到1977、1988、1999和2005年都安縣及各鄉鎮各類用地構成數據。由于受地形地貌等自然條件的限制，水域面積比例很小，研究時段內，其空間分布和面積基本不變，因此，該研究不對水域進行分析。

2 都安喀斯特土地利用結構演變信息熵、均衡度和優勢度

2．1 信息熵、均衡度和優勢度 土地利用本身就是一個復雜的巨系統，具有結構和功能的有序性特征。人類開發利用土地資源直接影響著土地利用系統的時空演變過程，進而對土地利用系統的有序程度產生影響。土地利用系統的有序程度可以用信息熵來描述和刻畫［13］。

假定一個區域的土地總面積為A，該區域的土地利用類型可分成n種，每種類型的面積為Ai(i=1，2，…，n)，則第i種土地利用類型的面積占該區域土地總面積的比例為Pi=Ai/A。顯然，Pi具有歸一性。Pi是第i種土地利用類型在該區域土地中出現的可能性，相當于信息熵中事件發生的概率，因而可以依照Shannon熵公式定義土地利用結構的信息熵(H)［14-15］:

信息熵的高低可以反映土地利用結構的有序程度，熵值越高，表明區域土地利用的職能類型越多，各職能類型的面積相差越小，土地分布越均衡。當各用地類型的面積相等時，即P1=P2=P3=…=Pi=1/n，熵值達到最大，Hm=ln n，表明該區域土地利用達到了均衡狀態。

由于同一區域的不同發展階段或不同的區域可能出現不同的土地職能數，土地利用結構的信息熵會缺乏可比性，因此根據信息熵又引申出2個相關概念:均衡度和優勢度［16］。均衡度(E)表示實際熵值和最大熵值的比值，反映一個區域土地利用的均衡程度，E值越大，土地利用的均質性就越強，其公式為:

優勢度(D)反映區域內1種或幾種土地利用類型支配該區域土地類型的程度，與均衡度的意義相反，其公式為:

2．2 都安縣土地利用結構信息熵動態演變分析 利用信息熵、均衡度和優勢度計算公式和經解譯統計得到1977、1988、1999、2005年都安縣及各鄉鎮各類用地構成數據，計算出其土地利用結構信息熵(表1)。

表1 都安縣1977～2005年喀斯特土地利用結構及信息熵、均衡度和優勢度

結果表明，都安縣土地利用結構信息熵總體上表現為先升高后下降再升高的變化趨勢。根據信息熵描述刻畫土地利用系統功能的原理，28年間都安縣土地利用系統處于不穩定的動態演變過程，其演變過程表現為無序度先升高后下降再升高、有序度先下降后升高再下降的變化趨勢。信息熵的變化過程經歷了3個階段:①1977～1988年信息熵呈升高趨勢，增長了0．020 2，總體變化幅度較小，年均增長幅度為0．12%，1988年熵值為1．612 8，熵值達到最高值;②1988～1999年信息熵呈下降趨勢，減少了0．040 6，下降幅度增大，年均下降幅度為0．23%，1999年熵值為1．572 2，熵值為最低值;③1999～2005年信息熵呈升高趨勢，上升了0．027 3，與前2個時段相比，增長幅度較大，年均上升幅度為0．29%。均衡度變化趨勢與信息熵類似，優勢度則相反。都安縣土地利用結構信息熵的動態演變過程與外界輸入土地利用系統的負熵流有關，所謂的負熵流即人類活動強度對區域土地利用結構的影響程度，與區域經濟發展水平、產業結構、區域開發模式以及人類生態環境建設對區域土地資源系統的保護水平有著密切關聯，在土地系統中則具體表現為土地利用的結構［17］。

先天脆弱的喀斯特地質-生態背景導致了都安縣土地利用系統抗干擾能力低，系統穩定性差;而經濟發展、人口增長和政策等因素直接影響其熵值的時序變化。1977～1988年正處于改革開放頭十年，廣大農村實行了聯產承包責任制，由于實施計劃生育處于起步階段，人口快速增長，同時缺乏生態環境保護意識，農民群眾為了擺脫貧困，大量毀林毀草，陡坡開墾，灌叢地、疏林地、草地等急劇減少，水土流失加劇，巖石裸露;相應地，坡耕地和裸巖地面積增加。與此同時隨著經濟的快速發展，建設用地占用溝谷耕地較嚴重。因此，該階段土地利用結構信息熵升高，土地利用系統向無序方向發展。1988～1999年，由于實行嚴格的計劃生育政策，都安縣人口快速增長勢頭得到了一定程度的遏制，人地矛盾有所緩解但依然嚴峻。期間，政府重視農業科技投入，耕作效率和糧食單產明顯提高，優質的溝谷耕地面積有所增加，坡耕地、建設用地和裸巖地面積增速緩慢，因此，1988～1999年土地利用結構信息熵下降，土地利用系統向有序化方向發展，但毀林毀草現象仍然嚴重。1999年開始，隨著退耕還林還草政策和石漠化綜合治理的逐步實施，林草面積減少趨勢得到逐步遏制，生態環境有所改善，為都安土地利用系統匯入了一定的負熵流。但隨著西部大開發戰略的實施，都安縣土地利用結構發生了明顯的變化，濫墾濫發現象依然屢禁不止，盡管實行嚴厲的耕地保護政策，建設用地占用溝谷耕地仍比較嚴重，匯入土地系統的正熵流依然較大，1999～2005年土地利用結構信息熵呈上升趨勢。總體而言，在脆弱地質-生態環境背景、土地資源保護以及人類經濟社會活動等綜合作用下，1977～2005年的28年間都安喀斯特地區土地利用結構信息熵呈升高趨勢。

2．3 都安縣土地利用結構信息熵空間分布分析 通過計算可得1977、1988、1999、2005年都安縣及各鄉鎮土地利用結構信息熵，根據計算結果，將熵值分成 ＜1．0、1．0 ～1．2、1．2 ～1．3、1．3～1．4、＞1．4 共5個等級，并將熵值 ＜1．0的區域列為信息熵低值區，熵值＞1．4的區域列為信息熵高值區(圖1)。

總體上看，1977、1988、1999和2005年都安縣土地利用結構信息熵分布大體相似，東部和北部為信息熵高值區，東南部和西南部為低值區，其他區域熵值居中。具體而言，1977年，澄江、高嶺、下坳、板嶺、百旺5個鄉鎮為信息熵高值區，低值區僅有古山和三弄2個鄉鎮。1988年信息熵列入高值區和低值區的鄉鎮分別增加了3個，安陽、拉仁和加貴列入高值區，五竹、龍灣和菁盛列入低值區，因此，1988年全縣土地利用結構信息熵總體水平較高。與1998年相比，1999年東廟鄉列入信息熵低值區，高值區則減少了2個鄉鎮(安陽和澄江)，1999年全縣土地利用結構信息熵總體水平較低。2005年信息熵空間分布情況與1999年基本相似，1999～2005年全縣土地利用結構信息熵略有升高但變幅不大。

地形地貌、水文地質等自然因素以及區位條件、經濟發展水平等社會經濟因素的綜合作用是導致都安土地利用結構信息熵空間差異的重要原因。下坳、板嶺、百旺等鄉鎮自然條件相對優越，谷地、土山丘陵分布廣，裸巖地面積在上述3個鄉鎮中分別僅占35．01%、35．82%和24．00%，為全縣各鄉鎮中最小。刁江穿境而過，土地資源開發條件較好，因此，各類用地齊全。此外，上述鄉鎮交通便利，與經濟相對發達的河池市金城江區和宜州市交界，經濟發展水平較高，人口密度大，對土地系統干擾強度大，導致土地利用結構信息熵相對較高。古山、三弄、龍灣等鄉鎮石山廣布，石漠化嚴重，巖石裸露面積在上述3個鄉鎮中分別占到75．86%、77．22%和75．37%，為全縣各鄉鎮中占比最高。與此同時，地表水缺乏，土層薄，土地資源開發利用難度大，因而土地利用類型單一。又由于上述區域內山高谷深，交通閉塞，受外界干擾小，因此，土地利用結構信息熵低。

3 都安喀斯特土地利用結構演變的洛倫茲曲線和基尼系數

3．1 都安縣各土地利用類型洛倫茲曲線的繪制 根據洛倫茲曲線的基本原理，利用都安縣1997、1988、1999和2005年各地類土地利用類型面積的原始數據，分別求出上述4個時段各鄉鎮某地類的區位商，區位熵又稱為專門化率，指某一地區某土地利用類型面積占區域該土地類型總面積的比值與該地區土地總面積占區域土地總面積之比。其計算公式為:

式中，Q為區位熵;A1為某鄉鎮某種土地利用類型的面積;A2為都安縣某土地利用類型總面積;A3為某鄉鎮土地總面積;A4為都安縣土地總面積。

然后按區位熵大小依次列出各鄉鎮的區位熵，并計算該類土地利用面積的累計百分比和土地總面積的累計百分比。最后以總土地面積累計百分比為橫坐標，以該地類面積累計百分比為縱坐標，各取100長度，繪出坐標圖。以各累計數繪制坐標點，得到的曲線與絕對均勻線的離差就是該地類實際分布與在全縣均勻分布的差異測度。依照上述方法和數據繪制成都安縣1997、1988、1999和2005年各地類土地利用類型的洛倫茲曲線(圖2)。

3．2 基尼系數的計算 為了進一步定量地描述某種土地利用類型在全縣空間分布的差異(或不均勻)的程度，引入基尼系數來描述土地利用類型的分布情況。基尼系數也稱為洛倫茲系數，在洛倫茲曲線圖上，其反映的幾何意義是曲線與絕對均勻線之間面積和絕對均勻線以下的三角形面積之比。其計算公式為:

式中，G為基尼系數;Mi為某鄉鎮某一土地利用類型面積累計百分比;Qi為鄉鎮土地在全縣土地面積的累計百分比。都安縣包括22個鄉鎮，因此，i的取值范圍是0＜i＜23，i為整數。基尼系數的計算結果見表2。

3．3 都安土地利用結構洛倫茲曲線和基尼系數結果分析 由圖2和表2可知，1977、1988、1999、2005年都安縣土地利用結構洛倫茲曲線和基尼系數有很高的一致性。總體上看，坡耕地、裸巖地、建設用地、灌叢地與絕對均勻線距離較近，基尼系數較小，均小于0．383，說明這幾種土地利用類型在都安縣各鄉鎮的分布較分散，即分布在各鄉鎮的面積比例大致相等。其中，坡耕地和裸巖地與絕對均勻線距離最近，基尼系數最小，表明該2種土地利用類型在各鄉鎮的分布比建設用地和灌叢地更均衡。疏林地、有林地、草地、溝谷耕地與絕對均勻線距離較遠，基尼系數較大，這幾種土地利用類型主要集中分布在少數鄉鎮，在全縣各鄉鎮的分布不均衡;但與草地和溝谷耕地相比，疏林地和有林地分布的不均衡性尤為突出。

從動態變化特征看，草地、溝谷耕地和灌叢地呈現遠離絕對均勻線、基尼系數漸增的變化趨勢，反映了該3種土地利用類型面積不斷減少且朝著相對集中分布的方向發展，同時也說明，陡坡開墾導致草地和灌叢地受毀以及優質溝谷耕地被占用的現象比較嚴重。坡耕地、裸巖地、疏林地、有林地和建設用地呈現靠近絕對均勻線、基尼系數逐漸減少的趨勢，表明這幾種土地利用類型面積不斷增大，向各鄉鎮均勻分布的方向發展。坡耕地面積增加的主因是隨著人口的增加，陡坡毀林(主要是灌木林)毀草所致;而建設用地的擴張主要是占用優質的溝谷耕地;毀林毀草的結果導致大面積巖石裸露，土地石漠化問題日益嚴重;疏林地面積擴大與落實國家退耕還林還草政策以及園地面積的增加有關;由于喀斯特山區有林地大多分布于地形險峻區域，認為干擾少，當地政府加強對有林地的保護，使其分布面積逐漸擴大。從各時段各土地利用類型洛倫茲曲線和基尼系數的變化情況看，草地、灌叢地、疏林地、有林地和溝谷耕地在各用地類型中變化幅度較大，是決定都安縣土地利用結構空間差異的主要土地利用類型。同時，也進一步印證了由于地形地貌、巖性、土壤、水文等自然因素以及濫墾、濫伐、濫牧、濫樵等人為因素的干擾，是造成都安縣土地利用結構演變空間差異的主要原因。尤其是林草損毀嚴重，僅集中分布在少數幾個鄉鎮;而

大面積陡坡開墾導致了坡耕地均衡分布于各鄉鎮，裸巖地面 積擴大，石漠化加劇，生態環境惡化。

表2 都安縣1997、1988、1999和2005年各地類土地利用類型基尼系數

4 結論

通過對喀斯特典型縣域——廣西都安縣土地利用結構演變的信息熵和洛倫茲曲線-基尼系數分析，得到以下結論:

(1)1977～2005年28年間都安縣土地利用系統演變過程表現為無序度先升高后下降再升高、有序度先下降后升高再下降的變化趨勢。1977～1988年信息熵呈升高趨勢，增長了0．020 2，總體變化幅度較小，年均增長幅度為0．12%;1988～1999年信息熵呈下降趨勢，減少了0．040 6，下降幅度增大，年均下降幅度為0．23%;1999～2005年信息熵呈升高趨勢，上升了0．027 3，與前2個時段相比，增長幅度較大，年均上升幅度為0．29%。

(2)1977～2005年都安縣土地利用結構信息熵空間分布情況大體相似，東部和北部為信息熵高值區，東南部和西南部為低值區。1977年，有5個鄉鎮為信息熵高值區，低值區僅2個鄉鎮;1988年信息熵列入高值區和低值區的鄉鎮分別增加了3個，1988年全縣信息熵總體水平較高;1999年信息熵低值區增加了1個鄉鎮，高值區減少了2個鄉鎮，1999年全縣信息熵總體水平較1988年低;2005年信息熵空間分布情況與1999年基本相似，1999～2005年全縣熵值略有升高但變幅不大。地形地貌、水文地質等自然因素以及區位條件、經濟發展水平等社會經濟因素的綜合作用是導致都安土地利用結構信息熵空間差異的重要原因。

(3)1977～2005年都安縣土地利用結構洛倫茲曲線和基尼系數有很高的一致性。坡耕地、裸巖地、建設用地、灌叢地與絕對均勻線距離較近，基尼系數較小，在各鄉鎮的分布較分散;疏林地、有林地、草地、溝谷耕地與絕對均勻線距離較遠，基尼系數較大，主要集中分布在少數鄉鎮。

(4)從動態變化特征看，草地、溝谷耕地和灌叢地呈現遠離絕對均勻線、基尼系數漸增的變化趨勢;而坡耕地、裸巖地、疏林地、有林地和建設用地呈現靠近絕對均勻線、基尼系數逐漸減少的趨勢。從各時段變化情況看，草地、灌叢地、疏林地、有林地和溝谷耕地在各用地類型中變化幅度較大，是決定都安縣土地利用結構空間差異的主要土地利用類型。

(5)信息熵和洛倫茲曲線-基尼系數的有機結合為刻畫區域土地利用結構和形態提供了簡單而有效的研究途徑［18］。與以往的研究手段與方法相比，該研究運用信息熵和洛倫茲曲線-基尼系數簡明地揭示了都安各鄉鎮土地開發利用程度、各土地利用類型在各鄉鎮的配置及其對比關系和變化趨勢，為喀斯特山區土地合理開發利用和石漠化綜合防治決策提供了參考。然而，利用信息熵研究土地利用結構時，需進一步對區域土地利用結構合理性的臨界值進行研究，將土地利用信息熵作為衡量土地利用結構合理程度的尺度［19］。此外，導致信息熵和洛倫茲曲線-基尼系數變化的驅動機制定量分析也有待進一步研究。

［1］陳其春，呂成文，李壁成，等．縣級尺度土地利用結構特征定量分析［J］．農業工程學報，2009，25(1):223-231．

［2］臧淑英，王凌云，那曉東．基于經濟驅動因子的土地利用結構變化區域差異分析［J］．地理研究，2011，30(2):224-231．

［3］高凱，周志翔，楊玉萍．長江流域土地利用結構及其空間自相關分析［J］．長江流域資源與環境，2010，19(Z1):13-20．

［4］劉富剛．基于數量方法的德州市1996-2006年土地利用結構變化研究［J］．水土保持通報，2009，29(1):150-154．

［5］劉桃菊，蔡海生，邵建英，等．鄱陽湖區的土地利用結構定量分析［J］．江西農業大學學報，2003，25(6):934-938．

［6］王秀紅，何書金，羅明．土地利用結構綜合數值表征［J］．地理科學進展，2002，21(1):17-24．

［7］李曉丹，劉學錄．土地利用結構的景觀生態學分析［J］．中國沙漠，2009，29(4):723-727．

［8］常勝．區域土地利用景觀空間格局研究——以湖北恩施為例［J］．湖北民族學院學報:自然科學版，2010(4):463-467．

［9］莫宏偉，任志遠．陜西關中地區土地利用結構風險動態研究［J］．自然災害學報，2011，20(3):73-78．

［10］宋宏利，張曉楠，張義文，等．基于RS的區域土地利用空間結構特征分析［J］．中國農學通報，2012，28(5):200-206．

［11］袁道先．我國西南巖溶石山的環境地質問題［J］．大自然探索，1996，15(4):21-23．

［12］李華，蔣勇軍，況明生．基于GIS的典型巖溶流域土地利用變化分析［J］．水土保持通報，2005，25(2):5-11．

［13］譚永忠，吳次芳．區域土地利用結構的信息熵分異規律研究［J］．自然資源學報，2003，18(1):112-117．

［14］儀垂祥．非線性科學及其在地學中的應用［M］．北京:氣象出版社，1995．

［15］陳彥光，劉繼生．城市土地利用結構和形態的定量描述:從信息熵到分數維［J］．地理研究，2001，20(2):146-152．

［16］劉筱非，周寶同．信息熵在區域土地利用結構研究中的應用［J］．西南師范大學學報:自然科學版，2004，29(6):1062-1066．

［17］何祖慰，楊忠，羅輯．西藏昌都地區土地利用結構熵值時序分析［J］．長江流域資源與環境，2007，16(2):192-195．

［18］石培基，居玲華．西部欠發達地區土地利用結構動態演變研究［J］．干旱區資源與環境，2010，24(1):102-107．

［19］劉一蘇，劉朝輝．新建縣土地利用結構信息熵分異規律研究［J］．資源與產業，2007，9(4):105-108．