惠山區土地利用結構信息熵時間變化規律及驅動因素分析

蘇俊文 于丹 陜永杰

[摘要]基于信息熵原理，分析了2010～2014年惠山區土地利用結構信息熵時間演變特征，并運用主成分分析方法對影響其變化的主要驅動因子進行定量分析。研究表明，近五年惠山區土地利用結構信息熵呈現出逐年下降的趨勢，土地利用結構逐步向不均衡方向發展；人口增長、經濟發展、城市化進程加快等對土地的需求量不斷增加，是導致惠山區土地利用結構發生變化的主要驅動因素。

[關鍵詞]土地利用結構；信息熵；時間變化；驅動因子；惠山區

[中圖分類號]F301 [文獻標識碼]A

土地利用系統是由各因子耦合而成的一個龐大且復雜的系統，包括自然、人類、社會、經濟、技術等，且具有耗散性結構特征，也可進行調控。信息熵可以用來描述土地利用結構變化，因此，很多學者運用信息熵原理對各地區在時間及空間方面的土地利用結構變化進行了大量研究，并對其反映出的一般性規律進行了總結，從而提出了均衡度這個概念，用來反映土地利用結構的合理程度，同時也在土地利用結構時空變化規律、驅動因子、預測土地利用結構等各方面做出了大量研究成果。以上研究表明，土地利用結構信息熵可反映某區域在某時間段內土地利用結構的變化情況及變化趨勢，對調整地區土地利用結果有指導意義，通過對其驅動因子的研究也可為優化地區土地利用結構提供參考意見。無錫市惠山區地處我國長江三角洲腹地，為無錫市的城鄉結合部，經濟發展較為迅速，較早步入了城鎮化，可以作為蘇南地區代表。文章將惠山區作為研究區域，分析了其土地利用結構信息熵的變化，并分析了影響其變化的驅動因子，可以為優化惠山區土地利用結構及保障惠山區土地可持續發展提供依據。

1 研究區概況

惠山區位于江蘇省南部的無錫市，屬于上海經濟區的重要部分，又位于長江三角洲的腹地，是滬寧兩地的交通咽喉。惠山區地理位置為120°04′～120°24′E，31°～32°46′N之間，氣候屬于北亞熱帶季風氣候區，光照十分充足，降水也很豐沛，四季分明，雨熱同期。常年平均氣溫為16.2℃，降水量為1121.7mm。

2 數據來源研究方法

2.1 數據來源

文中數據來源于《江蘇省統計年鑒》及實地調研，土地利用數據來源于國土資源局統計的2010～2014年土地利用變更調查數據。為了方便研究，把土地利用類型劃分為了八類：耕地、林地、園地、其他農用地、交通運輸用地、居民點及工礦、水利設施用地以及其他用地。

2.2 研究方法

熵最開始是一個物理學概念，后來被運用到控制論、信息論等其他領域中，由此便出現了信息熵。后來被研究者大量運用于研究土地利用結構變化。通過計算信息熵，可得出區域內土地利用結構的有序性，并反映出影響其變化的主要因素。

2.2.1 土地利用結構信息熵。依照Shannon熵公式對信息熵（H）的定義如下：

Pi=Ai/A （1）

H=- （2）

式中：A表示區域土地總面積，某種土地類型的面積為Ai（i=1，2，…，n）；Pi表示各土地利用類型占該區域土地總面積的比例；H為土地利用結構信息熵，其大小用來反映各土地類型面積分布的均勻程度。當各土地類型面積相等，即A1=A2=…AN=A/N時，熵最大，即Hmax=lnN。一般而言，土地類型越多，各類型的百分比相差越小，熵值越大。

2.2.2 均衡度與優勢度。為了更直觀地表現出土地利用結構的合理度，研究者在信息熵的基礎上引進均衡度的概念，為實際熵值與最大熵值（即lnN）之比，即公式（3）。

J=H/Hmax=- （3）

由公式（3）可看出，均衡度J的變化范圍是[0，1]，均衡度越大，表明土地利用結構越合理。同理，引入優勢度的概念，見公式（4）。

I=1-J （4）

式中：I為優勢度，用來表示區域內某一種或幾種土地利用類型對該區域土地利用結構的支配程度，與均衡度的意義相反。

3 結果與分析

3.1 惠山區土地利用結構信息熵時序變化分析

通過以上方法，計算出了惠山區2010～2014年土地利用結構信息熵、均衡度及優勢度，計算結果如表2所示：研究期間，惠山區土地利用結構信息熵表現為不斷下降的趨勢，各類土地利用面積差距變大。均衡度逐漸減小，優勢度逐漸增大，說明各土地類型利用面積不均衡，原因主要是人口增加、經濟發展及城市化進程加快導致人們對土地的需求增加，居民點及工礦和交通運輸用地面積增加，耕地和園地面積減少。

3.2 驅動因素主成分分析

文章根據已有研究成果，選取了14個與土地利用結構信息熵變化相關的指標作為驅動因子進行了分析：X1為常住人口數（萬人），X2為城鎮化比例（%），X3為GDP（億元），X4為農業生產值（億元），X5為第一產業所占比例（%），X6為農作物播種面積（千hm2），X7為農村人均純收入（元/人），X8為工業增加值（億元），X9為第二產業所占比例（%），X10為城鎮居民可支配收入（元/人），X11為全社會固定資產投資額（億元），X12為社會消費品零售總額（億元），X13為財政收入（億元），X14為第三產業所占比例（%）（表3）。

采用主成分分析進行分析（表4、表5）。第一主成分貢獻率為87.248%，與X1、X2、X3、X4、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X13、X14存在較大的正相關性，與X12存在較大的負相關性，說明土地利用結構變化與經濟發展、城市化水平密切相關。第二主成分與第一產業所占比例存在較大正相關性，說明第一產業對土地利用結構變化影響較大；從結果可以看出，選取的14個指標都在某種程度影響著土地利用結構變化，可將其歸結為四類：人口增長、城市化進程加快、經濟發展、產業結構比重。

4 討論與結論

信息熵可用來反映土地利用結構的有序性及其發生的變化，很多國內外學者在研究土地利用過程中也廣泛應用。無錫市惠山區屬于上海經濟區的重要部分，又位于長江三角洲的腹地，是滬寧兩地的交通咽喉，經濟發展較為迅速，較早步入了城鎮化，在蘇南地區具有代表性。人類行為是導致土地利用發生變化的顯著因素。尤其是因為近些年以來，城鎮化、工業化的步伐加進，城鎮的建設進程不斷加快，其發展模式在蘇南地區具有普遍性。可以把惠山區土地利用結構所發生的變化、變化趨勢及反映出的問題作為蘇南地區的代表，以此來反映蘇南地區的土地利用變化及變化趨勢。

文中分析了惠山區2010～2014年間土地利用結構信息熵在時間上的變化規律，并運用主成分分析方法定量分析了引起惠山區土地利用信息熵變化的14個驅動因子，通過分析得出了影響其變化的主要驅動因子，但是沒有對引起其變化的自然地理要素、政府決策等因素進行分析，因為這些因素不易量化，所以這也是下一步需要展開的重點研究內容。

文章通過研究得出兩個結論：①2010～2014年，惠山區土地利用結構信息熵表現出的趨勢為逐漸下降。其表現為耕地、園地的面積不斷減少，居民點及工礦、交通運輸用地的面積不斷增加，使得土地利用結構均衡度降低，趨勢向無序發展。②人口增長、經濟發展、城市化進程加快等原因使得人們對土地的需求量不斷增加，是導致惠山區土地利用結構發生變化的主要驅動因素。惠山區在近年來對土地利用規劃過程中，應合理安排各類型土地利用面積，協調好土地利用與經濟發展之間的關系，從而保障土地利用系統能夠有序、均衡、可持續發展。

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