基于信息熵的內蒙古土地利用結構時空分異研究

趙忠旭 張宇 王佳興 朱冉 柴璐佳

[摘要]基于信息熵對內蒙古自治區2009～2015年土地利用結構演變及其空間差異進行研究，并分析其影響因素。結果表明，首先，2009～2015年內蒙古自治區土地利用結構信息熵不斷增大，區域土地利用結構均衡度不斷提高，除受自然條件嚴重影響的盟市外，其他地區土地利用結構均趨于均衡；其次，相關分析表明城鎮化進程、產業間協調發展、政策支持和交通等基礎設施的改善促進了土地利用結構信息熵的提升。據此，未來應通過生態保護、惠牧政策、增減掛鉤政策和用地相關技術改造等途徑，不斷提高區域土地利用結構均衡度。

[關鍵詞]土地利用結構；信息熵；時空分異；內蒙古自治區

[中圖分類號]F301 [文獻標識碼]A

土地利用系統不僅是一個由自然系統和人工系統相結合的復合系統，同時也是開放和運動著的耗散結構系統，具有承載、養育、倉儲和景觀等功能和結構，并在時間和空間上均呈現一定的變化演替規律。土地利用系統的有序程度可以用信息熵來度量，我國部分學者已經用信息熵對多個區域土地利用結構變化進行了研究，如劉筱非等（2004）分析了重慶市江北區的土地利用結構信息熵時序變化，得出信息熵是土地利用系統有序程度的標志，能夠反映土地利用系統的狀態和變化趨勢；董杰等（2006）對山東省土地利用結構的研究認為土地利用結構信息熵在時間上有動態演變規律，且土地利用結構信息熵和均衡度可以綜合反映某區域在一定時間段內各種土地利用類型的動態變化及其轉換程度；劉敬才（2011）等對重慶市豐都縣信息熵的時序變化進行研究，認為人口壓力、產業結構調整是影響土地利用結構信息熵變化的主要因素。周子英等（2012）對長沙市信息熵時空變化進行研究，結果發現經濟的快速發展，尤其是第二產業快速增長，是長沙市信息熵增長的根本原因。朱大帥等（2016）對合肥市土地利用變化時間序列和社會經濟發展進行了關聯分析，分析發現社會經濟的迅猛發展是引起土地利用結構迅猛變化的根本原因。姬宇等（2017）運用信息熵分析了山東省城市用地結構的變化及其驅動因素，結果表明經濟發展、城市交通建設和人口增長是山東省城市用地結構演變的主要驅動力。綜合分析已有相關研究成果，可以看出對土地利用結構信息熵的研究由單一時序角度向更完善的時空角度發展，但目前相關研究的研究區域大多集中在經濟相對發達，自然條件較好，土地利用變化較快的小范圍區域，缺乏對于欠發達和相對較大范圍區域的研究。本文選取內蒙古自治區為研究區域，區域面積廣大，自然條件相對較差，為典型中西部欠發達省份，且為更準確體現社會經濟因素對區域土地利用結構變化的影響，研究時間范圍為2009～2015年，相對較短時間跨度盡可能排除自然等其他因素的干擾，對七年間自治區土地利用結構信息上變化和社會經濟影響因素進行分析，以期為自然和社會經濟條件類似的區域有序調解人地關系，促進土地資源可持續利用提供參考。

1 研究區域概況

內蒙古自治區位于我國北部邊疆，區域土地總面積為118.3萬km2，占我國土地面積12.3%，全區范圍處于東經97°12′～126°04′，北緯37°34′～53°23′之間，由東北向西南呈狹長形。全區氣候以溫帶大陸性氣候為主，夏季短暫溫和、冬季漫長嚴寒，全年少雨，晝夜溫差大，年均溫0～10℃，各盟（市）年降水量50-500mm，地貌以高原為主，間有山地、平原和丘陵等多種類型，海拔在1000米左右。自治區下屬12個盟（市）、103個旗（縣），2015年本地區總人口約為2511萬人，城鎮化率達60.3%，地區生產總值約為17831.51億元。

自治區土地利用類型多樣。2015年，農用地中牧草地、林地和耕地為主要用地類型，其中牧草地為495475.33km?，占土地總面積的41.88%，林地為232363.53km?，占19.64%，耕地為92379.87km2，占7.8%；建設用地中，城鎮村及工礦用地為主要用地類型，約為13399.93km?，占土地總面積1.13%。隨著社會經濟的不斷發展以及城鎮人口的增多，2011～2015年建設用地比重持續上升，農用地則相應減少。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

隨著“熵”在信息論和控制論等領域的廣泛應用，其也從最初的物理學概念，逐步形成了信息熵，并用來測度土地利用系統的有序程度和土地利用結構的均衡度。結合信息論原理和Shannon熵公式，土地利用結構信息熵（H）公式如下：

式中H為土地利用結構信息熵，P i（i=1，2，3，……，n）為各種土地利用類型占區域土地總面積的比例，當各土地利用類型面積相等（P1=P2=…=Pn=1/n）時，信息熵值最大，相應地土地利用類型全面，用地結構也就越均衡。

由于研究期間參照的土地利用分類體系有所不同，根據不同分類標準計算出來的信息熵缺乏嚴格的可比性和直觀性，因此，本研究引入均衡度概念，土地利用結構均衡度（J）公式為：

式中J為土地利用結構均衡度，其數值為實際熵值和最大熵值之比，其取值范圍是J∈[0，1]，當J=0時，說明該區域土地利用均衡性差，各利用類型的土地面積差距大，當J=1時，說明各土地類型面積相等，區域土地利用趨于均衡。

均衡度用來反映趨于土地利用整體均衡性，優勢度則是用來測度區域內一種或幾種土地利用類型支配該區域土地利用結構的程度，與均衡度反映的土地利用均衡性和多樣性意義相反，土地利用結構均衡度（I）公式可表達為：

式中I為優勢度，反映區域內一種或幾種土地利用類型對區域土地利用結構的支配程度，當I=1時，區域土地利用類型完全有某一類支配，土地利用不均衡，處于未開發狀態，當I=0時，區域土地利用結構處于均衡狀態。

2.2 數據來源

本文采用的土地利用數據來源于《中國國土資源統計年鑒（2016）》和2009～2015年內蒙古自治區土地變更調查數據，綜合考慮《全國土地分類（2001）》和《土地利用現狀分類（2007）》的分類標準以及數據間的比較，本研究將土地利用類型統一劃分為耕地、園地、林地、牧草地、其它農用地、城鎮村及工礦用地、交通用地、水利設施用地和其他土地8類，其中，各盟市土地利用數據中，其它農用地并入其他土地中。研究利用的社會經濟數據來源于《內蒙古統計年鑒》。

3 結果與分析

3.1 內蒙古自治區土地利用結構時序變化分析

利用內蒙古自治區土地利用結構數據（表1）和相關公式計算自治區2009～2015年土地利用結構信息熵、均衡度和優勢度，結果如表2所示。從計算結果可以直觀發現，研究期內信息熵呈逐年增長趨勢，均衡度相應提升，優勢度逐年降低，信息熵的最高值出現在研究的最后一年（2015年），達到1.3458，較研究期第一年增長了5.5%，說明隨著社會經濟的發展，各類土地開發利用活動的開展，區域內各土地利用類型比重向均衡方向發展，土地利用結構均衡程度逐漸提升。結合具體的各土地利用結構數據可以看出，牧草地是自治區域內主導地位的土地利用類型，其比重的逐年降低是研究期內優勢度降低的主要誘因。在牧草地比重下降的同時，各類建設用地比重相繼提升，反映了研究期階段社會經濟快速發展和城鎮化進程使得各類建設用地規模不斷擴張的土地利用狀況。此外，耕地的比重也有小幅度提升，2015年較2009年提升了0.03%，說明了在建設用地擴張同時，自治區的土地整治復墾和耕地保護工作取得了一定成效。牧草地以外的多類用地比重上升，進一步直觀地說明七年內本地區土地利用結構向均衡狀態發展。

3.2 內蒙古自治區土地利用結構空間差異分析

為與時序研究的時間跨度相匹配，選取2012年（本研究時間區間的中間年份）內蒙古自治區12盟（市）土地利用數據（表4）對土地利用結構信息熵、均衡度和優勢度進行測算，結果如表4所示。

2012年內蒙古自治區12盟市間土地利用結構信息熵和均衡度相差較大，從地理位置來看，沒有呈現顯著地分異特征。其中，呼和浩特市、通遼市和烏海市三地信息熵均在1.4以上，呈現良好的土地利用結構均衡性，各土地利用類型所占比例相對均衡，土地利用開發程度相對較高。與此同時，錫林郭勒盟和阿拉善盟的土地利用結構信息熵相對較低，優勢度較高，單一土地利用類型占據主導地位，土地利用系統的有序程度較高；錫林郭勒盟境內有我國第三大草原——錫林郭勒草原，面積約20萬km2，盟內草原用地占全部土地面積的89.87%，導致區域土地利用開發較為困難，土地利用結構變化相對困難，草地處于長期支配地位。根據表3可以看出，其他土地在阿拉善盟土地利用結構中占60.24%，根據衛星遙感數據顯示，阿拉善盟荒漠化面積達2487.50萬hm2，該部分土地大多以沙地、裸地和戈壁灘的形式存在，開發難度較大，該區域不利的自然條件使得土地利用結構均衡程度難以在短時間內得到改善。

3.3 土地利用結構信息熵社會經濟影響因素分析

本研究所分析的時間區間較短，考慮到在較短時間內，自然條件并不會產生顯著變化，因此，對土地利用結構變化產生影響的更多是社會經濟因素，結合已有相關研究及內蒙古自治區的區域實際，選取人口、收入、經濟、政策和交通五個因素，研究社會經濟狀況對土地利用結構變化的影響，考慮數據的科學性和可獲得性，選取市鎮人口和鄉村人口兩項指標代表人口因素；由于政策因素體現形式復雜多樣，因此在指標選取上主要考慮到政府財政投入和生態保護措施會在很大程度上影響研究區土地利用，所以選取財政支出和造林封育面積表征政策因素的指標；收入因素層面，除了考慮可綜合反映城鄉居民收入水平的城鎮人均可支配收入和農村人均可支配收入外，還要考慮到內蒙古地區的特殊性，草地面積廣大，牧民數量眾多，所以將牧民純收入納入到收入因素的指標中；經濟因素則選擇能綜合反映工、農、商業發展水平的工業總產值、農業總產值、社會消費品零售總額和全社會固定資產投資四項指標；交通因素對用地結構產生影響主要體現在交通通達性和運載能力兩方面，選擇交通線路長度和貨物運輸量兩項指標表征交通因素。

相關分析結果如表5所示，除造林封育面積外，其余12項指標均與信息熵有顯著相關性，其中10項指標在p<0.01的顯著水平下與信息熵呈正相關，鄉村人口與信息熵呈負相關，全社會固定資產投資在p<0.05的顯著水平下與信息熵正相關。綜合分析五類社會經影響因素與信息熵的相關性可以發現，自治區城鎮化率的提升、交通條件的改善和優越的政策會使得區域土地利用朝均衡方向發展，為各類土地利用開發活動提供良好的客觀條件；內蒙古地區工業、農牧業和商業的綜合發展，保證了各行業居民收入，形成了相對成熟的產業結構，在保證草地數量相對穩定的情況下，促進了各行業用地比重的有序提升，提高了土地利用結構的均衡程度。

4 結論與討論

內蒙古自治區2009～2015年間，土地利用結構信息熵逐年增加，土地利用結構趨均衡方向發展，土地利用系統向高級無序方向發展，在保證區域內草地基數基本穩定的前提下，耕地和建設用地比重不斷增加，2015年耕地占比較2009年上升0.04%，城鎮村及工礦用地所占比例上升0.1%。

內蒙古自治區十二盟市土地利用結構信息熵沒有體現顯著的空間分異規律，除錫林郭勒盟和阿拉善盟的土地利用嚴重受制于自然條件，土地利用結構均衡度不足0.4外，其他盟市土地利用結構信息熵均和均衡度保持較高值，土地利用結構相對均衡，開發利用程度較高。

對自治區土地利用結構信息熵與社會經濟影響因素的相關分析表明，人口、經濟、政策、收入和交通因素均對土地利用結構改變產生影響，因此，考慮到草地作為區域內比重最大利用類型的特殊性，以及宜耕土地資源的有限性，區域內應加強草原生態保護工作，不斷完善惠牧政策，兼顧草地生態效益和經濟效益；在區域內建設用地有限情況下，為保證城鎮化進程和二、三產業發展所需建設用地，應加強增加掛鉤政策實施力度；對于區域內大量受自然條件限制難以開發利用的土地，通過增加投入，利用技術手段改善自然和交通條件，逐步改造為可供開發利用的土地資源。

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