湖南省土地利用結構分異規律研究

趙京，胡賢輝

(1.中南林業科技大學 經濟學院，湖南 長沙 410004；2.湖南師范大學 資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081)

土地利用系統是生態環境系統的子系統，土地利用變化關系到土地資源優化配置和生態環境系統的協調發展。研究土地利用結構變化可為土地資源優化配置，耕地資源保護以及保障國家糧食安全提供參考。信息熵是基于物理科學的耗散系統理論而建立的，將該理論引入土地利用變化的研究可以將土地利用系統看作一個動態的系統，使用該方法有利于深入了解區域土地變化的內在動力，從而為進一步探尋土地利用變化的外在推力提供基礎。

1 研究進展

1.1 土地利用結構變化研究

針對土地利用結構變化，學術界從土地利用結構演變規律，土地利用結構預測，土地利用結構優化等方面進行了研究。李珊珊等[1]計算了地類面積占比、土地利用程度綜合指數,并結合雙變量局部空間自相關和熱點分析法,分析了巖溶峽谷區土地利用結構變化規律。郭榮中等[2]對長株潭地區的土地利用結構進行了分析和預測。廖漣漪等[3]分析了2005—2015年重慶市北碚區土地利用轉移流和土地利用結構信息熵。孟梅等[4]基于碳減排目標建立多目標規劃模型,對新疆烏魯木齊市進行了土地利用結構優化。田曉宇等[5]運用CLUE-S模型對太仆寺旗的土地利用空間分布格局進行了優化配置。

1.2 土地利用變化與糧食安全研究

牟鳳云等[6]運用馬爾科夫鏈對商丘市2018年、2032年的土地利用結構進行了預測，并基于耕地壓力指數分析了耕地數量的變化對于該農業大市糧食安全的影響。張海峰等[7]分析了青藏高原土地利用態勢，并進一步測算耕地總量及人均糧食產量，耕地壓力指數，得出土地利用變化對糧食安全產生壓力的結論。郭婧等[8]的研究中選用了耕地資源態勢及人糧關系模型,對多倫縣糧食安全狀況進行評價。起曉星等[9]從土地利用系統分析視角,構建了適合中國國情的糧食安全風險評估方法和土地利用環境風險評估方法，對湖南省洞庭湖區土地利用的綜合效應進行了實證研究。曾科軍等[10]分析了糧食生產對土地利用變化響應的敏感性，研究表明，糧食產出與土地利用變化具有強相關性。劉春蕾等[11]也得出類似結論，并提出加強耕地保護力度,優化土地利用結構,提高土地生產力確保糧食安全。

2 研究區域概況

湖南省位于中國的中部地區，長江中游、洞庭湖以南，地處108°47′～114°15′E，24°39′～30°08′N，東鄰江西，南接廣東、廣西，西連貴州、重慶，北交湖北。湖南省因大部分地處洞庭湖以南而得名，因省內最大河流湘江流貫全境而簡稱“湘”，是重要的糧食主產區。湖南省轄14個市、州，其中13個地級市，1個自治州，包括長沙、株洲、湘潭、衡陽、邵陽、岳陽、常德、張家界、益陽、婁底、郴州、永州、懷化和湘西，其中，長株潭城市群是湖南省經濟發展的核心，城市群的建設推進了湖南省城市化的進程。湖南省共有36個市轄區、18個縣級市、61個縣、7個自治縣，合計122個縣級區劃。截至2019年，湖南省總人口6 918.4萬人，地區生產總值39 752.1億元?；诤系闹胁繀^域特色，得天獨厚的資源稟賦，糧食主產區的重要地位，以及經濟發展與耕地保護協調發展的需求，選擇湖南省作為研究區域有重要的現實意義，對湖南省的土地利用結構變化進行研究可為湖南省及類似區域的耕地保護和區域經濟發展提供理論借鑒。

3 研究方法

3.1 土地利用結構信息熵測度方法

信息熵方法來源于物理學的概念，表示一個系統的耗散狀態。同理，把土地利用系統作為一個整體，假設湖南省(或各市、州)土地總面積為A,該區域土地利用類型可以分為n種。每一種類型的土地面積為Ai(i=1,2,…,n)。那么，可得公式(1)：

(1)

公式(1)中，一個區域內，各種類型土地面積之和等于該區域土地總量。

假設每種類型土地面積占該區域土地總面積的比例為Pi，那么，可得公式(2)：

Pi=Ai/A。

(2)

顯然，一個區域內，各種類土地面積的比例之和等于1，

(3)

基于此，進一步定義湖南省(各市州)的土地利用結構信息熵表達式為：

(4)

公式(4)表明，土地利用結構信息熵構建了土地利用結構的分布態勢，體現了土地利用結構的比例關系和聚集程度。

3.2 土地利用結構均衡度測度方法

在土地利用結構信息熵的基礎上，設定土地利用結構均衡度公式為[12]：

(5)

公式(5)中，土地利用均衡度表達的是土地利用結構信息熵與該區域最大熵的比值，突出了單個區域的熵值相對關系。

3.3 土地利用結構優勢度測度方法

均衡度和優勢度從兩個不同方面展示土地利用結構的聚集和離散程度。

I=1-J。

(6)

從公式(6)可知，土地利用結構優勢度與土地利用結構均衡度的內涵相反，反映的是土地利用的主導類型和支配程度。

4 研究結果

4.1 湖南省土地利用結構信息熵分析

根據前文研究方法，測算得出湖南省及各市州2010—2017年土地利用結構信息熵(表1)。由圖1可知，湖南省在此時間段的土地利用結構信息熵呈總體上升趨勢，由1.340 172上升至1.347 794?？傮w而言，湖南省整體土地利用結構信息熵的絕對變化不大，說明在此時間段湖南省土地利用結構相對穩定且穩中有升。根據土地利用結構信息熵的原理，土地利用結構信息熵越大，則表示湖南省土地職能越多，復雜程度越高。隨著社會經濟發展，土地資源為經濟發展服務，農業用地與建設用地之間的矛盾逐步顯現。湖南省作為糧食主產區，既要為保障國家糧食安全服務，又要建設與發展，土地資源稟賦決定了湖南省的發展不同于東部沿海城市的發展路徑，湖南省在加大經濟發展力度的同時，耕地資源保護仍然是重中之重。

圖1 湖南省土地利用結構信息熵變化趨勢

表1 湖南省及各市州土地利用結構信息熵

進一步比較湖南省所轄14個市、州的土地利用結構信息熵，計算各市州2017年相對于2010年的變化值并進行比較(圖2)。長沙市的土地利用結構信息熵變化值最大，其次是株洲市、湘潭市、郴州市和懷化市。這說明，長沙市土地利用結構信息熵的增長對湖南省土地利用結構信息熵整體上升的趨勢有主要貢獻。長株潭城市群的整體熵值貢獻不容忽視，這也印證了，長株潭城市群作為湖南省的核心經濟發展區域，在城市化進程和經濟發展中起到了帶頭作用，同時，也說明了土地資源的結構變化與經濟發展之間的矛盾相對于其他市、州更為突出，湖南省土地利用結構尚有優化的空間。值得注意的是，常德市的土地利用信息熵值在研究時間區段內降低，與其他13個市、州呈現了不同的狀態。湖南省主要的糧食產出區域分布在常德、益陽、岳陽和邵陽等地，從圖2可以看出，與長株潭城市群不同的是，這幾個地區的土地利用結構信息熵值處于中下水平。

圖2 湖南省2010—2017年各市、州土地利用結構信息熵變化值比較

在圖3中，對比了2010年和2017年土地利用結構信息熵的空間分布狀態。由圖3可直觀得出2010年與2017年湖南省各市州土地利用結構的相對關系發生了變化，土地利用內部結構發生著復雜變化，相對位置的變化說明了經濟發展核心區域、農業資源為主的區域及礦產資源為主的區域土地利用結構的熵值拉開了差距。這表明土地利用結構的變化受到區域資源稟賦的制約和經濟發展的沖擊。顯而易見的是，郴州市土地利用結構信息熵在14個市、州里的相對空間分布發生了改變。郴州被譽為“中國有色金屬之鄉”和“世界有色金屬博物館”，相較于其他市州，郴州市的礦產資源特色主導著該區域的發展，資源豐富，資源配置格局穩定。

圖3 湖南省土地利用結構變化空間分布

4.2 湖南省土地利用結構均衡度與優勢度分析

在計算湖南省及各市州土地利用結構信息熵的基礎上，運用公式(5)和公式(6)進一步測度湖南省土地利用結構均衡度和優勢度(表2～3)。選擇2017年各市、州土地利用均衡度進行比較，如圖4所示，從土地利用結構均衡度的絕對值可以看出，2017年的土地利用均衡度方面，張家界市的土地利用結構均衡度最低，其原因是張家界市位于湘西山區，山地面積占總面積的76%，以風景旅游業為主，相對其他市州土地利用較為單一。

圖4 湖南省2017年各市州土地利用均衡度比較

表2 湖南省及各市州土地利用結構均衡度

將湖南省各市、州土地利用均衡度和優勢度結合起來分析(圖5)。土地利用結構優勢度較高的地區有張家界市、郴州市、懷化市和湘西土家族苗族自治州。這主要是由于這幾個地區的產業特色鮮明，相對而言土地利用結構較為穩定所致。湖南省的林地資源主要分布在湘西、湘南，張家界和湘西的山地較多，經濟發展速度相對較慢，郴州市與懷化市的礦產資源豐富。

表3 湖南省及各市州土地利用結構優勢度

圖5 湖南省2017年各市州土地利用結構均衡度和優勢度

5 研究結論與政策建議

本文基于信息熵理論測度了湖南省及各市、州土地利用結構信息熵、均衡度和優勢度，并對此進行了時空比較分析，得出以下結論：2010—2017年，湖南省土地利用結構信息熵穩中有升，湖南省土地利用結構復雜程度升高，建議協調資源保護與經濟發展之間的關系，特別是突出湖南省糧食生產區的特色，保護耕地資源和保障糧食安全；長株潭城市群對于湖南省的土地利用結構熵值起到主導作用。湖南省不同市、州的土地利用信息熵展示出區域差異，建議根據各市州的資源特點，制定有針對性的土地資源配置策略；湖南省土地利用結構呈現空間分異特征，土地利用結構信息熵的高低受到區域自然資源稟賦及社會經濟發展的影響。筆者建議在區域經濟發展的同時，協調人地關系，形成資源保護型的可持續經濟發展模式。