邊 靜，何多興，田永中，尚勇敏

（西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶400715）

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制、區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)合理度評(píng)價(jià)與優(yōu)化、區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化的環(huán)境影響等方面進(jìn)行了大量的研究［1－4］。由于土地利用系統(tǒng)在時(shí)空條件下具有結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)性、有序性特征，而且土地利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有序程度可以用信息熵進(jìn)行描述和分析，因此一些學(xué)者將信息熵引入土地利用結(jié)構(gòu)研究中。不同學(xué)者借助信息熵原理對(duì)不同城市進(jìn)行了土地利用結(jié)構(gòu)演化與空間分布研究，揭示了城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的時(shí)間與空間上的發(fā)展規(guī)律，從整體上反映了不同區(qū)域土地利用的變化與有序程度［5－10］。但是空間信息熵的研究局限于不能分別描述每一種土地利用結(jié)構(gòu)，只能從整體上反映區(qū)域土地利用系數(shù)的有序程度。而洛倫茲曲線可以直觀反映某種土地利用類(lèi)型在空間上的分布差異性，能很好地彌補(bǔ)信息熵的這一局限性。陳軍偉、張品超以及鄧晶等利用空間洛倫茲曲線的方法對(duì)北京、重慶等地開(kāi)展了土地利用空間結(jié)構(gòu)分析，展示了各種土地利用類(lèi)型在空間上分布特色與變化規(guī)律［11－13］。

本文將信息熵與空間洛倫茲曲線相結(jié)合，基于2009年的全國(guó)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)，選取耕地、園地、林地、牧草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地和其他用地8種地類(lèi)分類(lèi)體系，對(duì)重慶市合川區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間上的分析，以期為區(qū)域的土地可持續(xù)利用和人地關(guān)系的和諧提供科學(xué)性的決策依據(jù)。

1 研究方法

1．1 信息熵

設(shè)一個(gè)區(qū)域的土地總面積為S，該區(qū)域的土地利用類(lèi)型數(shù)為n，各種土地利用類(lèi)型的面積為Si（i＝1，2，…，n），各種土地利用類(lèi)型的面積占該區(qū)域土地總面積的比例為Pi，計(jì)算公式為

信息熵的表達(dá)式為 H＝－∑（Piln Pi） （2）式中：H——信息熵（Nat）。當(dāng)各類(lèi)土地面積相等，即時(shí)，信息熵最大，即H＝ln n。max

信息熵可以反映一定區(qū)域土地利用類(lèi)型的多少、各種土地利用類(lèi)型面積分布的均勻程度、各種土地利用類(lèi)型的有序程度、某一時(shí)段內(nèi)各種土地利用結(jié)構(gòu)類(lèi)型的動(dòng)態(tài)變化及其轉(zhuǎn)換程度，其研究對(duì)于區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有指導(dǎo)性的意義。一般情況下，信息熵越大，土地利用越無(wú)序；反之，信息熵越小，結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)［2］。土地系統(tǒng)越有序，說(shuō)明其系統(tǒng)的健康程度越高，越有利于生產(chǎn)活動(dòng)的開(kāi)展。均衡度J和優(yōu)勢(shì)度I描述了城鎮(zhèn)土地利用類(lèi)型之間面積大小的差異。

1．2 空間洛倫茲曲線

（1）利用各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2009年的各地類(lèi)土地利用原始數(shù)據(jù)，求取各鄉(xiāng)鎮(zhèn)某地類(lèi)的區(qū)位熵。其計(jì)算公式為

式中：Q——各地類(lèi)的區(qū)位熵；A1——某鄉(xiāng)鎮(zhèn)某種土地利用類(lèi)型的面積；A2——某土地類(lèi)型總面積；A3——某鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地總面積；A4——土地總面積。

（2）按各地類(lèi)區(qū)位熵大小，依次列出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)各地類(lèi)面積占某土地類(lèi)型總面積的百分比以及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地面積占土地總面積的百分比，并計(jì)算累計(jì)百分比。

（3）以總土地面積累計(jì)百分比為橫坐標(biāo)，以某地類(lèi)面積累計(jì)百分比為縱坐標(biāo)，各取100的長(zhǎng)度，繪出坐標(biāo)圖，以各累計(jì)數(shù)繪制坐標(biāo)點(diǎn)，最后得到土地利用空間洛倫茲曲線。

洛倫茲曲線為向外凸的曲線，與橫坐標(biāo)成45°夾角時(shí)，稱為絕對(duì)均勻線。各地類(lèi)曲線至絕對(duì)均勻線的離差就是該地類(lèi)實(shí)際分布與其在全區(qū)均勻分布的差異測(cè)度。越接近絕對(duì)均勻線，曲線離差較小，表明該地類(lèi)在全區(qū)分布越均勻；反之，離絕對(duì)均勻線較遠(yuǎn)的曲線，表明該土地利用類(lèi)型在全區(qū)中的區(qū)域分布差異較大，即分布相對(duì)分散［7－9］。洛倫茲曲線可以直觀顯示某種土地利用類(lèi)型在地域上的配置及其對(duì)比關(guān)系，為在實(shí)踐上分析土地利用布局的差異性和合理性，明確未來(lái)土地利用目標(biāo)提供了很好的方法。

2 研究區(qū)域

2．1 研究區(qū)地理概況

合川區(qū)位于四川盆地東部，地處重慶市北大門(mén)，東西寬69 k m，南北距58 k m，全區(qū)幅員面積2 343．21 k m2。地理坐標(biāo)在北緯29°51′02″－30°22′24″，東經(jīng)105°58′37″－106°40′37″。東鄰渝北區(qū)、岳池縣，南靠北碚區(qū)、璧山縣，西連銅梁、潼南縣，北接武勝、蓬溪縣和華鎣市。全境地貌大致分為平行嶺谷和平緩丘陵兩大類(lèi)型：東南邊緣之華鎣山為平行嶺谷地形，分布面積359 k m2，占幅員面積的15．32%；西北部廣大地區(qū)，屬川中丘陵盆地，為平緩丘陵地型，分布面積1 997．21 k m2，占幅員面積的85．23%。合川區(qū)屬亞熱帶溫濕氣候區(qū)，多年平均氣溫18．1℃，四季分明。年平均相對(duì)濕度79%，最大相對(duì)濕度83%，最小相對(duì)濕度15%。降水充沛，多年平均降水量1 112 mm左右，5－10月6個(gè)月共降水平均為711．32 mm，占全年降水的64%；1－4月及11－12月6個(gè)月共降水平均為400．32 mm，占全年36%。年平均日照數(shù)為1 315．7 d，年平均氣壓98 460 Pa。歷年各月都以偏北風(fēng)最多，多年平均風(fēng)速為1．8 m／s，瞬時(shí)最大風(fēng)速28 m／s，最多風(fēng)向?yàn)镹W。

2．2 研究區(qū)域土地利用現(xiàn)狀

2009年合川區(qū)土地總面積為23 4407．49 h m2。其中，耕地121 190．5 h m2，占土地總面積的51．70%；園地面積為7 930．6 h m2，占土地總面積的3．38%；林地面 積為 34 394．59 h m2，占 土地 總面 積 的14．67%；牧草地面積為9 499．98 h m2，占土地總面積的4．05%；城鎮(zhèn)村及工礦用地為21 027．94 h m2，占8．97%；交通運(yùn)輸用地2 913．31 h m2，占1．24%；水域及水利設(shè)施用地13 705 h m2，占5．85%；其他用地23 745．59 h m2，占10．13%。

3 合川區(qū)信息熵空間分區(qū)分布

選取2009年合川區(qū)各街鎮(zhèn)的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析。由圖1可以看出，合川區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵為1．54，各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的差異明顯。在30個(gè)街鎮(zhèn)中，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵高于全區(qū)平均值的有9個(gè)街鎮(zhèn)：合陽(yáng)城街道、釣魚(yú)城街道、南津街街道、渭沱鎮(zhèn)、銅溪鎮(zhèn)、鹽井街道、草街街道、雙鳳鎮(zhèn)和太和鎮(zhèn)；其余21個(gè)街鎮(zhèn)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均低于全區(qū)平均值。

從總體上看，熵值普遍偏低，也從另一個(gè)側(cè)面反映了合川區(qū)土地利用處于低水平的有序發(fā)展階段。均衡度較大的有南津街街道、鹽井街道、草街街道，分別為0．85，0．84，0．80。均衡度最低的是肖家鎮(zhèn)與龍市鎮(zhèn)，分別為0．51和0．57。其分布與土地利用結(jié)構(gòu)信息熵大體一致。相反，優(yōu)勢(shì)度最高的為肖家鎮(zhèn)（0．49）與龍市鎮(zhèn)（0．43），最低的為南津街街道（0．15）、鹽井街道（0．16）與草街街道（0．20）。

圖1 2009年合川區(qū)年各街鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值

3．1 高熵值區(qū)

信息熵高值區(qū)包括南津街街道、釣魚(yú)城街道等9個(gè)街鎮(zhèn)，其土地利用信息熵值都在1．5以上。土地利用類(lèi)型多樣，并且各土地利用類(lèi)型的面積相差較小，土地利用結(jié)構(gòu)趨于均衡。主要分布在合川區(qū)南部經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，占合川區(qū)土地總面積的33．68%。土地利用類(lèi)型以耕地、林地與城鎮(zhèn)村及工礦用地為主。耕地、林地、城鎮(zhèn)村及工礦用地的面積分別為34 320．21，14 270．69，8 581．39 h m2，占髙熵值區(qū)總面積的48．49%，20．16%，12．12%，均高于合川區(qū)該種地類(lèi)的平均值。

近年該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，人口密度大，城鎮(zhèn)化進(jìn)程快。城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施用地的變化較快，土地利用結(jié)構(gòu)變化較大，進(jìn)而土地利用結(jié)構(gòu)的無(wú)序化程度較高。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的高值具體表現(xiàn)在城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張，導(dǎo)致該區(qū)耕地資源總量的不斷減少，同時(shí)人口向城鎮(zhèn)的集中，導(dǎo)致人地矛盾日益加劇，土地生態(tài)系統(tǒng)的紊亂度增大。2009年信息熵高值區(qū)耕地面積減少498．63 h m2，人口增長(zhǎng)了5 499人，城鎮(zhèn)村及工礦用地增加了366．94 h m2。該區(qū)域應(yīng)當(dāng)在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，嚴(yán)格控制耕地的數(shù)據(jù)和質(zhì)量，適度開(kāi)發(fā)利用的未利用地資源；改造農(nóng)村居民點(diǎn)用地，充分利用增減掛鉤，合理調(diào)節(jié)土地利用結(jié)構(gòu)。

3．2 中熵值區(qū)

信息熵中值區(qū)包括大石街道、錢(qián)塘鎮(zhèn)、三匯鎮(zhèn)等17個(gè)街鎮(zhèn)，其信息熵都為1．2～1．5，土地利用類(lèi)型以耕地、林地為主。耕地、林地面積分別為71 898．37 h m2和18 934．89 h m2，占中值區(qū)總面積的61．80%和16．58%。該區(qū)域的發(fā)展相對(duì)穩(wěn)定，各種用地的相對(duì)變化比例平衡，土地利用結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高值區(qū)穩(wěn)定，相對(duì)有序化。但這17個(gè)街鎮(zhèn)的信息熵值均低于合川區(qū)的平均熵值（1．54），說(shuō)明這些街鎮(zhèn)均處于低水平的有序狀態(tài)。該區(qū)域的其他用地比重較高，對(duì)于其他土地資源的開(kāi)發(fā)利用，對(duì)促進(jìn)本區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、土地生態(tài)系統(tǒng)的健康程度及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。

3．3 低熵值區(qū)

信息熵低值區(qū)包括沙魚(yú)鎮(zhèn)、龍市鎮(zhèn)、肖家鎮(zhèn)和香龍鎮(zhèn)等，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分別為1．19，1．16，1．07和1．2。耕地為主要用地類(lèi)型，耕地面積為14 971．87 h m2，占該區(qū)的比例為72．53%，遠(yuǎn)高于合川區(qū)平均值51．7%，而城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通用地占低熵值區(qū)的比例僅為0．78%和0．37%。用地類(lèi)型的變化較小，生態(tài)效益較強(qiáng)，發(fā)展生態(tài)特色農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)比較明顯。但是，場(chǎng)鎮(zhèn)緩慢的發(fā)展及不便的交通仍是限制該區(qū)的主要因素。該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展較慢，土地利用結(jié)構(gòu)較單一，城市化水平低，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)單一，土地利用結(jié)構(gòu)不均衡，詳見(jiàn)圖2。

圖2 合川區(qū)各街鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵空間分區(qū)

4 合川區(qū)洛倫茲曲線分析

從圖3中可以看出，其他用地與耕地距離絕對(duì)均勻線較近，說(shuō)明這兩種用地類(lèi)型在合川區(qū)分布較為分散，即分布在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積比例大致相等。城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地和水域及水利設(shè)施用地，林地、牧草地和園地依次遠(yuǎn)離絕對(duì)均勻線，園地曲線距絕對(duì)均勻線最遠(yuǎn)，說(shuō)明園地在合川區(qū)分布較不均衡。

圖3 合川區(qū)2009年各類(lèi)土地洛倫茲曲線

可以根據(jù)空間洛倫茲曲線的斜率和拐點(diǎn)位置判斷某鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用的專門(mén)化程度［12］?？臻g洛倫茲曲線得到的分析結(jié)果基本上與現(xiàn)實(shí)情況相符合。某一條洛倫茲曲線上的各點(diǎn)從坐標(biāo)軸0點(diǎn)開(kāi)始，先后順序與該種土地利用類(lèi)型的區(qū)位熵順序一致，相鄰兩點(diǎn)斜率大于1的地區(qū)說(shuō)明該地區(qū)某種地類(lèi)在全區(qū)該地類(lèi)的比例高于該鎮(zhèn)土地總面積占全區(qū)總面積的比例［11］。以圖3中城鎮(zhèn)村及工礦用地的洛倫茲曲線為例，在合陽(yáng)城街道、釣魚(yú)城街道、南津街街道處的曲線斜率大于1，說(shuō)明信息熵高值區(qū)的三個(gè)街道的城鎮(zhèn)村及工礦用地分布較大。三個(gè)街道以約占全區(qū)8．06%的土地上分布有占全區(qū)19．37%的城鎮(zhèn)村及工礦用地。以圖3中的耕地洛倫茲曲線為例，沙魚(yú)鎮(zhèn)、肖家鎮(zhèn)、龍市鎮(zhèn)、香龍鎮(zhèn)處的斜率都大于1，說(shuō)明位于信息熵低值區(qū)的鎮(zhèn)分布有較多的耕地資源，東北部的四個(gè)鎮(zhèn)以占全區(qū)9．63%的土地分布有占全區(qū)12．35%的耕地。以園地的洛倫茲曲線為例，古樓鎮(zhèn)處的斜率大于1，說(shuō)明古樓鎮(zhèn)分布有較多的園地資源，該鎮(zhèn)以占全區(qū)2．07%的土地分布中有占全區(qū)8．08%的園地。再以圖3中的水域及水利設(shè)施用地的空間洛倫茲曲線為例，在雙鳳鎮(zhèn)處的斜率大于1，說(shuō)明水域及水利設(shè)施用地在信息熵中值區(qū)的雙鳳鎮(zhèn)的分布較多，實(shí)際情況是，雙鳳鎮(zhèn)以占2．687 5%的土地上分布有占全區(qū)3．176 1%的總水域及水利設(shè)施用地。

同時(shí)根據(jù)空間洛倫茲曲線還可以分析各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用特色，如三匯鎮(zhèn)林地占全區(qū)林地總面積的9．52%，位于空間洛倫茲曲線斜率較大的部分，而園地僅占全區(qū)的0．98%，相應(yīng)的三匯的林地資源豐富?？梢猿浞职l(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢(shì)，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H確定最佳土地利用目標(biāo)，大力發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)并推進(jìn)土地的集約利用，以優(yōu)化整個(gè)地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)［13］。草街街道辦事處、釣魚(yú)城街道辦事處水域面積比例較大，可充分利用該優(yōu)勢(shì)資源特點(diǎn)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的河運(yùn)經(jīng)濟(jì)。雙鳳鎮(zhèn)有一定的果園面積，可充分利用大片李子果園，開(kāi)展農(nóng)業(yè)旅游與農(nóng)業(yè)水果產(chǎn)業(yè)。釣魚(yú)城街道辦事處有大片面積的古戰(zhàn)場(chǎng)遺址都可大力發(fā)展人文旅游產(chǎn)業(yè)等。

5 結(jié) 論

（1）本文引入土地利用結(jié)構(gòu)信息熵描述土地系統(tǒng)的有序度，其信息熵值越大，土地系統(tǒng)越無(wú)序，反之則越有序。由于不同區(qū)域的自然社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件不同，土地職能類(lèi)型不同，用單一指標(biāo)信息熵來(lái)反映土地系統(tǒng)的有序程度，其結(jié)果不具有可比性；均衡度與優(yōu)勢(shì)度的意義在于考慮了土地職能數(shù)據(jù)量的影響，能很好彌補(bǔ)信息熵分析的不足。合川區(qū)整體土地利用結(jié)構(gòu)處于低水平的有序狀態(tài)，信息熵值具有明顯的區(qū)域差異，可分為高、中、低三個(gè)熵值區(qū)，土地利用的無(wú)序程度依次降低；均衡度的分布規(guī)律與信息熵值相一致［14－15］。

（2）然而信息熵雖能從宏觀上反映某區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，但不能說(shuō)明較小尺度土地利用結(jié)構(gòu)的變化，即整體但不能具體表征局部地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)有序與無(wú)序程度。利用空間洛倫茲曲線可直觀地反映區(qū)域土地利用類(lèi)型在空間上的配置及其對(duì)比關(guān)系。合川耕地與其他用地的分布較為均衡，園地、林地和牧草地的分布則相對(duì)集中。同時(shí)空間洛倫茲曲線還能反映局部地區(qū)的土地利用特色，可以充分發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢(shì)，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H確定最佳土地利用目標(biāo)，大力發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)并推進(jìn)土地的集約利用，以優(yōu)化整個(gè)地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)。

（3）利用信息熵研究土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)，需進(jìn)一步對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)合理性的臨界值進(jìn)行研究，將土地利用信息熵作為衡量土地利用結(jié)構(gòu)合理程度的尺度［16］。

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