基于空間洛倫茨曲線的縣域土地利用結構分析

楊婷　羅紅霞　劉光鵬　鄭才貴

摘要：利用2011年重慶市忠縣土地利用數據，構建9種土地利用現狀類型數據體系，基于土地利用信息熵與空間洛倫茨曲線相結合的方法，對忠縣28個鄉鎮的土地利用結構進行基于縣域尺度下的空間分析和研究。結果表明，忠縣土地利用信息熵呈現出明顯的差異性，并且從空間角度將全區分成信息熵高值區、信息熵中值區、信息熵低值區，平均信息熵值為1.24Nat，信息熵最高值為1.63Nat，信息熵最低值為0.69Nat；重慶市忠縣耕地、建設用地、林地的分布最為均衡分散，水域、未利用土地分布則相對集中，充分利用各鄉鎮的優勢資源發展特色產業，從而優化全縣土地利用結構，推進土地的集約利用。

關鍵詞：土地利用結構；信息熵；空間洛倫茨曲線；縣域尺度；重慶市

20世紀90年代以來，土地利用與土地覆蓋變化作為全球環境變化人文因素計劃（IHDP）和國際地圈生物圈計劃（IGBP）的核心科學計劃，對其主要方面的研究已成為了當今的熱點方向和重要課題，而土地利用是一個多投入多產出的系統，其利用結構和效率狀況直接影響到某一地方的社會經濟發展和人居環境建設。近年來，中國諸多學者從不同角度對此進行了探討。在研究方向方面，包括對土地利用空間結構的定量分析和優化配置、土地利用的合理度和績效評價、土地利用類型的演變特征及驅動力分析等：在研究尺度上，大多集中在全國、省級和地區等大中區域尺度上，而針對縣域范圍等小區域尺度的研究并不多見：在研究方法上，多采用靜態分析（多樣化+集中化+組合類型+區位意義）與動態分析（動態度+利用程度+信息熵）相結合的計量地理分析方法、分形模型、熵權TOPSIS模型、空間洛倫茨曲線和基尼系數分析法等。上述研究在土地利用結構理論研究的深入和方法角度方面的創新上進行了積極地探索，對土地利用實踐具有重要的指導意義。

因此，了解縣域土地資源利用情況、分析土地利用結構的特點和合理程度、發掘土地利用結構存在的矛盾是當前的首要問題。本研究采用信息熵與空間洛倫茨曲線相結合的方法，以ArcGIS為輔助工具，對重慶忠縣的土地利用結構進行空間上的分析和研究，以期為區域土地利用的合理規劃管理和可持續發展提供科學依據。

1.材料與方法

1.1研究區域概況

忠縣位于重慶市中部長江北岸，三峽庫區生態經濟區的腹心地帶，也是三峽庫區惟一留存的“半淹縣城”，生態環境脆弱，自然災害頻發，人地矛盾突出。介于東經107°32′-108°14′，北緯30°03′-30°53′，轄區東西寬66.45 km，南北長60.15 km，幅員面積2 187.08 km²。東鄰萬州區，西連墊江縣、豐都縣，北接梁平縣，南靠石柱縣，轄28個鄉鎮，有332個村和31個居委會，2011年忠縣常住總人口為75.14萬人，GDP達到120.4億元。全縣在地貌上屬于川東褶皺帶平行嶺谷區，是典型的丘陵地貌，境內呈“三山兩槽”地形，由金華山、方斗山、貓兒山3個背斜和其間的拔山、忠州2個向斜構成，氣候屬亞熱帶東南季風氣候，全年四季分明，冬暖夏熱。

1.2數據選擇與預處理

基于忠縣2011年1：50 000的土地利用變更調查數據、忠縣行政區劃數據、忠縣2011年統計年鑒數據，根據《全國土地分類（過度期間適用）》的土地利用分類標準，利用研究區域2011年的土地利用變更調查數據，按耕地、園地、林地、牧草地、其他農用地、建設用地、交通水利用地、水域、未利用地9種一級地類提取土地利用現狀一級分類的面狀數據，并進行土地利用類型統計。

1.3研究區域土地利用現狀

2011年忠縣土地總面積為2 187.08 km²，其中，耕地面積1 088.61 km²，占土地總面積的49.77%：園地面積180.77 km²，占土地總面積的8.27%：林地面積606.39 km²，占土地總面積的27.73%：牧草地面積29.88 km²，占土地總面積的1.37%：其他農用地10.38 km²；占0.47%：建設用地148.23 km²，占土地總面積的6.78%：交通水利用地10.91 km²，占0.5%：水域107.79 km²，占4.93%：未利用土地4.12 km²，占0.19%。

2.結果與分析

2.1忠縣土地利用信息熵時空演變分析

通過計算2011年忠縣土地利用結構的信息熵、均衡度、優勢度，得到相關結果并進行分析。從空間分布的角度來看，忠縣28個鄉鎮土地利用信息熵差異比較明顯，全縣信息熵平均值為1.24 Nat，最高值為1.63 Nat（忠州鎮），最低值為0.69 Nat（石子鄉）。高于或等于全縣信息熵平均水平的有13個鄉鎮，分別為汝溪鎮、新立鎮、三匯鎮、黃金鎮、白石鎮、洋渡鎮、任家鎮、烏楊鎮、新生鎮、石寶鎮、東溪鎮、復興鎮、忠州鎮，其中，高于1.5 Nat的只有3個鄉鎮（忠州鎮、復興鎮、東溪鎮）；剩下的15個鄉鎮信息熵均低于全縣土地利用結構信息熵平均值（表1）。

從總體上看，忠縣各鄉鎮的土地利用結構處于低水平有序發展階段，而均衡度較高的有忠州鎮、復興鎮、東溪鎮，分別為0.74、0.70、0.69。相反，優勢度較高的有石子鄉、磨子鄉、花橋鎮，分別為0.69、0.52、0.52，優勢度較低的有忠州鎮、復興鎮，分別是0.26、0.30。參照相關文獻，根據當地實際的空間情況和信息熵值的大小，可將忠縣各鄉鎮分為信息熵高值區、信息熵中值區和信息熵低值區，詳見圖1。

2.1.1信息熵高值區（1.5～1.8 Nat） 信息熵高值區包括忠州鎮、復興鎮、東溪鎮，3個城鎮地處忠縣東部，瀕臨長江，交通運輸等基礎設施較好，經濟社會發展較快，城市功能逐漸完善，屬于中心城區范圍，相比之下的土地利用職能轉變較快，土地利用結構無序化程度較高。該區土地利用類型以耕地、林地、水域、建設用地為主，分別為84.58、47.19、45.30、26.51 km²，占信息熵高值區土地總面積的36.24%、20.22%、19.41%、11.36%。該信息熵高值區耕地、林地面積百分比均低于2011年忠縣全縣縣域范圍內相應地類的面積百分比，水域、建設用地則高于全縣縣域范圍內相應地類的面積百分比。由此可見，土地利用結構信息熵的高值具體表現在城鎮用地、交通運輸等基礎設施用地的擴張，導致該區耕地資源總量的不斷減少，土地利用職能的快速轉變增大了土地生態系統的無序程度。

2.1.2信息熵中值區（1.2～1.5 Nat） 信息熵中值區包括汝溪鎮、石寶鎮、涂井鄉、官壩鎮、三匯鎮、黃金鎮、白石鎮、洋渡鎮、任家鎮、烏楊鎮、新生鎮、新立鎮，該區以耕地、林地為主，分別為582.07、347.39km²，占信息熵中值區土地總面積的48.98%、29.23%。從整體上看，這些鄉鎮的地類占地比較均衡，經濟社會發展處于穩步提升的階段，土地利用結構較為平衡有序。其中新立鎮雖地處城郊，卻是全縣獨具影響力的農業特色鎮、工業強鎮和生態旅游名鎮，耕地面積達到68.20 km²，占該鎮總面積的56%以上。

2.1.3信息熵低值區（0-1.2 Nat） 信息熵低值區包括拔山鎮、馬灌鎮、永豐鎮、花橋鎮、雙桂鎮、金雞鎮、石黃鎮、野鶴鎮、金聲鄉、興峰鄉、善廣鄉、石子鄉、磨子鄉，耕地是該區的主要土地利用類型，達到421.95 km²，占信息熵低值區土地總面積的55.14%，高于全縣平均值49.77%，建設用地占6.71%，交通運輸用地則僅占0.46%，土地利用結構單一且不合理，這些鄉鎮由于不便的交通和低水平的城市化阻礙了其經濟發展。

總之，運用土地利用信息熵可從整體上反映出忠縣土地利用結構的空間分布情況和有序化程度，但是空間信息熵局限于未能分別描述每種土地利用結構，為克服這種不足，可以將信息熵與空間洛倫茨曲線相結合，直觀地反映出某種地類在空間上的分布差異性，彌補信息熵的局限性。

2.2忠縣洛倫茨曲線分析

計算2011年忠縣各鄉鎮的9個土地利用類型的區位熵以后，按著步驟繪制出了土地利用類型的洛倫茨曲線圖（圖2），每條曲線對應的鄉鎮如表2所示。

從各地類分布均勻程度來看，2011年耕地、建設用地、林地的空間洛倫茨曲線距絕對均勻線最近，表明此3種用地類型在全縣范圍內分布最為分散，其次是園地、其他農用地，交通水利用地和牧草地距絕對均勻線較遠，而水域、未利用土地離絕對均勻線最遠，即在全縣分布最不均衡，在各鄉鎮的面積比例差異很大。

從各鄉鎮土地利用專門化程度來看，空間洛倫茨曲線各點從坐標軸0點開始，相鄰兩鄉鎮斜率（a）大于1時，說明該鄉鎮某地類占全縣該地類的比例高于該鄉鎮土地總面積的比例占全縣總面積的比例。以耕地空間洛倫茨曲線為例，從原點0開始，應分別代表石子鄉、忠州鎮、新生鎮、復興鎮、東溪鎮等（表3），石子鄉和忠州鎮連線的斜率很小，從新生鎮開始，斜率開始變大，說明新生鎮的耕地比例高于石子鄉，新生鎮在占全區4.57%的土地上，耕地面積就占了全區的3.32%，而石子鄉在占1.79%的土地上，耕地面積僅占全區的0.98%，計算結果與實際情況相一致。同理，水域在黃金鎮出現了明顯的拐點，在拐點之前的各鄉鎮區位熵均小于1，白石鎮在占全區6.29%的土地上，水域面積就占了全區的1.10%：而拐點之后的各鄉鎮區位熵出現了轉折，數值均大于1，洋渡鎮在占全區3.61%的土地上，水域面積就占了全區的5.91%。

從各鄉鎮土地利用特色規律來看，石子鄉的林地占65.8%，空間洛倫茨曲線位于斜率較大的部分，而建設用地僅占全鄉0.03%，交通用地只占全鄉0.002%，相比之下，石子鄉的林業資源非常的豐富，利用空間洛倫茨曲線可以分析出各區域的土地利用優勢，結合區域實際情況來確定最佳土地利用目標，大力發展特色產業并推進土地的集約利用，優化土地利用結構。

3.小結與討論

3.1小結

1）忠縣28個鄉鎮土地利用信息熵差異比較明顯，總體上處于低水平有序發展階段。信息熵高值區以耕地、林地、水域、建設用地為主，土地利用職能轉變較快，土地利用結構無序化程度較高：信息熵中值區以耕地、林地為主，地類占地比較均衡，土地利用結構較為平衡有序：信息熵低值區以耕地為主，經濟結構單一，土地利用結構不均衡。

2）空間洛倫茨曲線直觀地反映出耕地、建設用地、林地在全縣范圍內的分布最為均衡分散，水域、未利用土地分布則相對集中。其次，利用空間洛倫茨曲線的斜率和拐點判斷出了各鄉鎮的土地利用專門化程度。同時，分析各區域的土地利用優勢，充分利用各鄉鎮的優勢資源發展特色產業，從而優化全縣土地利用結構，推進土地的集約利用。

3.2討論

本研究將信息熵與空間洛倫茨曲線相結合運用到忠縣土地利用空間結構分析上，避免了單由信息熵反映土地利用結構有序程度的片面性，從整體和局部的全方面角度上分析縣域尺度的土地利用結構特點和差異。但統計數據以單一年份為基礎，導致分析結果缺乏時序性的縱向對比。而利用信息熵研究土地利用結構時，吸取了前人的研究成果，同時結合該區域的實際情況選擇了土地利用信息熵的臨界值，盡可能地保證了分析結果的科學性與合理性，但在今后的研究中仍需進一步研究并完善。