湖北省土地結構演變與驅動力分析

張濤　成金華

摘要：目前湖北省土地結構利用不合理，土地價值沒有得到充分體現。基于此，利用信息熵和皮爾遜分析理論對湖北省1999-2014年土地利用結構的演變過程和驅動力因素進行相關研究。結果表明，湖北省土地利用結構的信息熵在下降，利用結構相對趨于穩定；土地利用結構由單一趨于復雜，由居民用地占主導逐步演變成居民、工業、建筑、商業等用地組成的多元消費結構：社會經濟因素驅動土地利用結構演變，主要影響因素是人口密度、城鎮化率和工業化率。

關鍵詞：土地結構：演變：信息熵：驅動力：湖北省

中圖分類號：F301 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）09-2233-05

土地資源是社會經濟發展的基石，其利用變化是地球環境變化的主要原因和組成部分。近年來，土地資源利用變化成為地學和生態環境相關領域的研究重點，土地利用變化不僅包括資源環境的變化，而且還包含著社會經濟方面的發展趨勢。土地的城鎮化勢必引起土地利用結構的變動，進而影響著土地相關領域的制度變革。因此，土地利用方式和結構等成為當下研究的熱點問題之一。目前，已有許多學者對土地利用結構進行了相關研究，主要集中在區域土地利用結構的時空變化特征及其驅動機制、區域土地利用結構合理度評價與優化、區域土地利用結構變化的環境影響等方面。一方面，土地利用系統是一個包涵資源、環境、社會、經濟的復雜系統：另一方面，信息熵理論可以用來刻畫復雜系統內部的變動趨勢。因此，信息熵理論被引入到土地利用結構的研究中，用來測度土地結構演變的動態性和有序性。本研究引入信息熵理論來分析湖北省1999-2014年土地利用結構變動趨勢及演變原因，檢驗土地驅動的影響因素。

目前湖北省土地結構利用不合理，土地自身的市場價值沒有得到充分的體現。土地利用結構是復雜系統的典例，其利用結構的變化與經濟、社會等變化有著緊密聯系，土地利用結構系統在不斷的演變。信息熵原本是熱力學物理研究中的方法，但其可以定量測度復雜系統的擾動，因而被引入到社會經濟研究領域，也出現了被引入到土地資源變化的研究中。在經濟效應最大化的目標推動下，如何發揮土地資源的最大價值受到廣泛關注，這就要求決策者要充分考慮土地利用結構，合理地規劃使用土地類型，實現其市場效益最大化。土地使用類型的劃分和布局將直接影響一個地區的發展與進步，通過信息熵的研究將有利于對土地使用類型的深入研究。因此土地利用結構的演變與驅動力問題值得進一步研究，以期為類似地區的土地資源可持續利用和人地關系調控提供科學決策依據。

1 研究區域概況與方法

1.1 研究區域概況

湖北省位于長江中下游。地貌類型種類較多，山地約占國土面積的55.5%，崗地丘陵占國土面積的24.5%，平原湖區約占國土面積的20%，地勢起伏較大，西部神農頂地區海拔最高，而東南部則主要為平原。全省東、西、北三面被眾山環繞。中南部則為“魚米之鄉”之稱的江漢平原。2012年全省土地總面積18.59萬km²，其中，耕地389.99萬hm²、園地59.87萬hm²、林地586.04萬hm²、牧草地7.58萬hm²。湖北省完整的土地利用形式將有助于利用信息熵對其利用結構進行研究。2014年地區生產總值達2.74萬億元，增速為9.7%，人均地區生產總值為47192.69元。全省城鎮化率提高到55.67%，經濟社會的快速發展加速了土地資源的多樣化利用，這也為研究土地變革的驅動力分析提供了基礎。

1.2 研究方法與數據來源

公式（1）可以用來描述研究區內土地利用結構的變動，探究其演變趨勢。

通常情況，如果研究區內經濟發展較慢，土地資源利用結構相對單一，利用種類較少，且多集中在某一兩個使用類型上。如果出現極端情況，整個地區只有一種土地資源利用形式，此時H_min=0；相反，若所有類行業土地資源使用量的比例相等，即m₁=m₂=…=m_n=1/M，則此時H_max=lnM。然而在現實生活中，這兩種情況均不會出現，信息熵一般會介于兩者之間，熵是概率分布不確定性估計的一種有效方法。為了進一步深入分析，學者基于申農信息熵提出土地利用的均衡度概念。基于信息熵公式，均衡度（J）的表達式為：

即均衡度是信息熵和最大熵之間的比值，取值范圍為0～1，其值越大，各類型土地利用量的比例差別就越小，當J=0時，土地資源利用結構的復雜程度最低。均衡度是通過描述土地利用類型之間面積分布的均勻程度來揭示土地的結構特征。優勢度（D）的表達式為：D=1-J，反映了一類或幾類行業支配土地資源利用的程度，與均衡度的意義正好相反。

1.2.2 數據采集 根據《湖北省城鄉建設統計年鑒》（2000-2014）、《中國國土資源統計年鑒》（2000-2014）、《湖北省統計年鑒》（2000-2015），筆者整理出1999-2014年期間湖北省各項土地利用消耗量數據作為本研究的基礎。

2 結果與分析

2.1 土地結構的演變

湖北省1999-2014年土地利用消費結構趨勢如圖1所示。根據土地消費結構變動趨勢，可以將1999-2014年分成3個階段：1999-2003年，居民用地面積所占比例由27.09%增加至29.06%，工業用地和公共設施用地面積所占比例則有所下降，其他類型用地量基本持平：2003-2009年，公共基礎設施用地面積所占比例從13.90%上升到15.02%，居民用地面積所占比例有所下降，期間工業用地面積所占比例和道路廣場用地面積所占比例則相對穩定，綠地和倉儲用地面積所占比例都有不同程度的下降：2009-2014年，各類土地利用類型所占比例變化平緩。由此可見，隨著湖北省經濟社會的發展進步，城市化進程加速推進，產業結構優化，湖北省的土地利用結構在不斷地調整和變動。

筆者利用湖北省城鄉建設統計年鑒和中國國土資源統計年鑒公布的1999-2014年居民用地、公共設施用地、工業用地、倉儲用地、綠地等土地利用數據，根據“1.2.1”中的公式（1）和公式（2），計算得出1999-2014年湖北省土地利用結構及其信息熵、均衡度和優勢度，計算結果如表1所示。

對表1中1999-2014年湖北省土地利用結構信息熵以及均衡度和優勢度的動態變化情況作圖，結果如圖2所示。從表1和圖2可知，1999-2014年，湖北省土地利用結構信息熵值呈現下降趨勢：信息熵最高值為1.940 Nat（1999年）。最低值為1.897 Nat（2010年）：信息熵值變化的過程可以劃分為3個階段（1999-2007年、2007-2009年、2009-2014年），每個階段土地利用結構信息熵都有不同程度的增長或下降。1999-2007年土地結構信息熵值在下降，說明該地區土地利用結構逐漸穩定：2007-2009年土地結構信息熵上升。說明土地利用結構不穩定：2009-2014年土地結構信息熵值在波動中下降，可以說明湖北省的土地利用形式又發生新一輪的變化，城鎮化速度進一步加快。同時根據圖2中優劣度和均衡度變化趨勢，同樣可以劃分為3個階段：1999-2007年、2007-2009年、2009-2014年，發現土地利用結構的均衡度與信息熵的變動趨勢一致，而優勢度則與信息熵的變動趨勢相反，

在研究期內，信息熵值在1.897-1.940 Nat穩定波動，說明湖北省土地利用結構在1999-2014年整體穩定，土地利用朝有序方向發展，但土地利用結構的均衡性下降，而單一類型土地利用形式的優勢度增加，可以預見在將來的一段時期內，信息熵值將由穩定變成振動上升，但最終仍趨于一個特定值。進一步分析湖北省土地利用結構的變動，形成以上趨勢的原因如下：①2007年之前，國家和湖北省行政部門加大了對違章利用土地行為的查處，從而此階段湖北省土地利用相對平穩：②2007年之后，全球金融危機的爆發，國家在基礎建設領域投入4萬億，湖北省的基礎設施領域建設得到快速發展，建設用地面積增速較快，同時隨著城市化的推進，城鎮人口增加，城市面積不斷擴大，用地結構得到完善：③2009-2010年，全國房價飛漲，住房面積激增。隨后國家加大對住房調控。嚴打投機、炒房等非法行為，住房用地得到遏制，其他基礎建設用地也得到控制，因而此階段湖北省土地利用結構變化平緩。④2010年之后，隨著經濟復蘇，外商投資、固定資產投資增加。建設用地面積比例上升，城鎮化速度進一步加快，土地城鎮化成為土地利用加速的動力，然而另一方面由于國家的宏觀調控政策以及耕地的紅線政策，土地利用又受到約束，因此，信息熵在2010年之后出現先升后降的變動趨勢。

2.2 土地結構演變的驅動力

土地利用結構信息熵的變化本質上是土地利用結構的變化。根據湖北省土地利用結構信息熵和均衡度的分析，進一步深入分析湖北省城鄉土地利用結構變化的驅動因素，為其土地結構調整和產業結構優化提供智力支持。筆者根據前人研究，從社會驅動因素和經濟驅動因素中選取了人均GDP（元/人）、人口密度（人/m²）、經濟密度（萬元/m²）、固定資產投資總額（萬元）、城鎮化率、農民人均純收入（元/人）、第三產業率和工業化率。

基于所選出的影響指標，根據湖北省統計年鑒，運用統計學軟件SPSS16.0對1999-2014年的數據進行處理。通過SPSS軟件中的Correlate命令，對所選的8個指標與土地結構信息熵做Pearson相關性分析，結果如表2所示。

從表2可以看出，總體上這些指標因素對湖北省土地利用有較強的影響力和驅動力。進一步分析可以看出，主要的影響因素有人口密度、城鎮化率以及工業化率。由此可見，社會經濟迅速發展是引起湖北省土地利用信息熵變動的主要驅動力，湖北省人口密度的增加和經濟總量的增加導致總體用地量的增加和用地類型的增多，因而推動土地結構信息熵的演變：城鎮化和工業化加速推進影響著土地利用種類的變化，農業用地也隨之變成工業用地、建設用地等，耕地面積不斷減少說明產業結構的變革也推動著土地利用結構信息熵的改變。

3 結論

利用信息熵和Pearson相關性分析方法對湖北省土地利用結構動態演變及驅動力進行分析，很好地觀測到不同行業土地的利用比例變化趨勢，驅動及其變化的因素，如果采用預測熵模型還可以對湖北省未來土地利用結構的信息熵及均衡度、優勢度進行預測。本研究得到以下幾點結論：

1）通過對湖北省土地利用結構信息熵的分析，可以計算出信息熵值在不斷下降，表明湖北省的土地利用形式趨于穩定。湖北省的土地利用形式由單一走向復雜，由過去的居民用地占主導逐步演變為居民、工業、建筑和商業用地的多元利用局面。

2）通過Pearson相關性分析，發現推動目前湖北省土地利用結構出現的主要因素為人口密度、城鎮化率和工業化率。土地利用結構的變化是產業結構演化的重要外在表現。因此，土地利用結構信息熵是一地區可持續發展能力的重要表征。作為一種研究方法，土地利用結構信息熵無論在國家尺度上。還是對于單個城市，甚至具體到某一地區這樣的領域，都是非常適用的。

3）城市化進程中出現的各種倒U型曲線，它們之間應該存在某種耦合關系，如何將土地利用結構信息熵的變化與城市化進程、工業化進程、城市環境變化等因素結合起來，統一到地區生態文明建設中，這是下一步有待于研究的問題。

4）信息熵值僅僅反映土地利用是否有序，而不能表征土地利用結構是否合理。由于土地資源利用功能不一，如果相對比例保持不變。而土地利用類型互換，最終測度出來的信息熵值也是不變的，然而此時土地的利用狀態和之前相比已發生明顯變化。因此。需要后續進一步研究，拓展信息熵的理論與實踐范圍，使其成為測度土地資源利用是否合理的指標之一。

5）本研究僅針對1999-2014年湖北省這一特定時間段、特定研究區域內的土地資源結構演變和驅動力做了定量分析。湖北省土地利用類型完整且多樣，但是地形也相對復雜，不同地形條件之間的社會經濟條件差異較大，因此影響土地利用變化的驅動因子也存在差異。由于統計資料的限制，這些因素的差異沒有被完全考慮，此外還有自然資源的影響因素遺漏，這些都將是后續研究的方向和目標。為了進一步客觀地分析湖北省土地資源利用現狀和演變趨勢，需要在這些限制條件、遺漏條件上進一步挖掘，進行深入的研究。