譚術(shù)魁 ， 朱祥波 ， 張 路

(華中科技大學(xué) 公共管理學(xué)院， 武漢 430074)

土地是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。土地利用/土地覆蓋變化是全球變化的重要組成之一，在全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展中具有重要地位[2]。當前人類面臨的眾多問題都與土地利用/土地覆蓋有關(guān)系[3]，土地利用結(jié)構(gòu)是土地利用/土地覆蓋的直觀表象，具體包括土地利用的數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間格局，而土地利用結(jié)構(gòu)的變化是人地長期相互作用的結(jié)果。受自然環(huán)境、經(jīng)濟水平等因素影響，不同地域的土地利用結(jié)構(gòu)具有較大的差異性。本研究基于全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)，以湖北省17個市(州)的土地利用現(xiàn)狀為研究對象，探討湖北省區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的地域差異性，直觀地反映各區(qū)域土地利用的優(yōu)劣勢，以期為湖北省土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和土地資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

湖北省位于中國中南部，長江中游，洞庭湖以北。地理位置介于北緯29°05′～33°20′，東經(jīng)108°21′～116°07′，地處中國地勢第二級階梯向第三級階梯過渡地帶，地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)?，并呈三面高起、中間低平、向南敞開、北有缺口的不完整盆地區(qū)域。全省面積18.59萬 km2，設(shè)有武漢、黃石、十堰、荊州、宜昌、襄陽、鄂州、荊門、孝感、黃岡、咸寧、隨州12個地級市，仙桃、天門、潛江3個省直管縣級市，另有恩施土家族苗族自治州和神農(nóng)架林區(qū)。

2 土地利用結(jié)構(gòu)差異的計量地理分析

采用全國第二次土地詳查數(shù)據(jù)，對湖北省12個地級市、3個省直管縣級市和恩施土家族苗族自治州、神農(nóng)架林區(qū)的耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地8種用地類型進行土地利用結(jié)構(gòu)差異分析，并運用土地利用多樣化、土地利用集中度、土地利用區(qū)位指數(shù)等計量地理模型[4-8]的研究方法，對湖北省區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局進行深入研究。

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)多樣化

土地利用結(jié)構(gòu)的多樣化分析是對區(qū)域內(nèi)各種用地類型的齊全程度和多樣化狀況進行定量描述。采用吉布斯-馬丁(Gibbs-Martin)多樣化指數(shù)，計算公式為：IGM=1-∑Si2/(∑Si)2。式中：IGM為多樣化指數(shù)；Si為第i種土地利用類型的面積。根據(jù)湖北省各市州土地利用現(xiàn)狀，計算得出土地利用結(jié)構(gòu)的多樣化指數(shù)(表1)。然后運用統(tǒng)計軟件SPSS的K-Means聚類分析將各區(qū)域劃分為高多樣化、中高多樣化、中低多樣化、低多樣化四類，最后利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS得到湖北省區(qū)域土地利用多樣化空間格局(圖1)。

由表1和圖1可以看出，湖北省土地利用多樣化空間格局整體呈現(xiàn)東部偏高、中部均勻、西部較低的遞進結(jié)構(gòu)。其中，武漢、黃岡、鄂州、黃石這幾個東部城市的多樣化程度較高，各用地類型的比例協(xié)調(diào)、分布均勻，單個土地類型的比例均在40%以下；孝感、襄陽、荊州、隨州、咸寧和仙桃的多樣化指數(shù)為中高，根據(jù)土地利用現(xiàn)狀得知，這幾個市的個別土地利用類型的比例均有超過40%以上的情況，其中，孝感市耕地比例達50.4%，襄陽市的林地比例達43.2%，荊州市的耕地比例達49.1%，隨州市的耕地比例52.4%，咸寧市的林地比例達55.9%，仙桃市的耕地比例達47.9%；潛江、宜昌、天門、恩施和十堰的多樣化指數(shù)為中低，根據(jù)土地利用現(xiàn)狀得知，這幾個區(qū)域的個別土地利用類型的比例均有超過60%，其中，潛江市的耕地比例達62.5%，宜昌市的林地比例達63.4%，天門市的耕地比例達64.5%，恩施州的林地比例達69.1%，十堰市的林地比例高達77.5%；神農(nóng)架林區(qū)的多樣化指數(shù)最低，這是由其特殊的地質(zhì)地貌條件所決定的，該區(qū)的林地比例高達95.1%。

表1 湖北省土地利用結(jié)構(gòu)地域差異性分析

圖1 湖北省土地利用多樣化空間格局分布

2.2 土地利用結(jié)構(gòu)集中化

土地利用結(jié)構(gòu)集中化指數(shù)是用來定量描述區(qū)域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)的集中化程度，常用的計算公式為：Ii=(Ai-R)/(M-R)。式中：Ii為第i個區(qū)域的土地集中化指數(shù)；R為高一層次區(qū)域(此處為湖北省)各種土地類型的累計百分比；M為土地集中分布時累計百分比。經(jīng)測算，R=800，M=588.6。根據(jù)各區(qū)域土地利用現(xiàn)狀計算得出湖北省土地利用結(jié)構(gòu)的集中化指數(shù)(表1)。運用SPSS的K-Means聚類分析將區(qū)域分為高集中化、中高集中化、中低集中化、低集中化四類，之后利用ArcGIS得到湖北省區(qū)域土地利用集中化空間格局(圖2)。

圖2 湖北省土地利用集中化空間格局分布

由表1和圖2可以看出，湖北省的土地利用集中化空間格局并沒有呈現(xiàn)類似于多樣化空間格局的東中西遞進結(jié)構(gòu)。與全省的土地利用集中程度相比較，天門、襄陽、潛江和恩施具有高集中化的特點；孝感、神農(nóng)架、宜昌、荊門、隨州、十堰、黃岡和咸寧具有中高集中化的特點；黃石、荊州和仙桃的土地利用集中化程度為中低；土地利用集中化最低的是武漢和鄂州。

2.3 土地利用結(jié)構(gòu)區(qū)位意義分析

土地利用結(jié)構(gòu)的區(qū)位意義是指區(qū)域內(nèi)各種類型的土地相對于高一層次區(qū)域空間的相對聚集程度。通常用區(qū)位指數(shù)來表示：Qi=(si/∑si)/(Si/∑Si)。式中：Qi為區(qū)位指數(shù)；si為區(qū)域內(nèi)第i種土地類型的面積；Si為高層次區(qū)域內(nèi)第i種土地的面積。如果區(qū)位指數(shù)Qi>1，則表示該種土地類型在該區(qū)域具有區(qū)位意義；相反，如果Qi<1，則表示該種土地類型不具有區(qū)位意義。根據(jù)湖北省各區(qū)域土地利用現(xiàn)狀，計算出土地利用結(jié)構(gòu)的區(qū)位指數(shù)(表2)。

由表2可知，湖北省共有10個市(州)的耕地區(qū)位指數(shù)大于1，而且潛江市和天門市的耕地區(qū)位指數(shù)大于2，黃石市和隨州市的耕地區(qū)位指數(shù)均在0.9以上。這表明，湖北省的耕地資源分布廣，各地區(qū)分布均勻，聚集程度高，耕地資源在全省具有明顯的區(qū)位意義；園地區(qū)位中，只有宜昌市和黃岡市的區(qū)位指數(shù)大于1，這表明園地在湖北省土地利用類型中的區(qū)位意義不顯著，但宜昌市較其他地市具有較為顯著的區(qū)位意義；林地區(qū)位中，共有6個地市的區(qū)位指數(shù)大于1，最為明顯的是神農(nóng)架林區(qū)的林地區(qū)位指數(shù)大于2，這與該地的特殊地理環(huán)境有關(guān)，據(jù)測算，神農(nóng)架林區(qū)的林地占土地總面積的95.1%；草地區(qū)位中，共有8個地市的區(qū)位指數(shù)大于1，其中黃石市和咸寧市的區(qū)位指數(shù)大于2，根據(jù)土地利用現(xiàn)狀得知，黃石市和咸寧市的草地面積分別為1 442.63萬和2 188.62萬 hm2，遠遠小于十堰市的3 437.27萬 hm2，但十堰市的草地面積占土地總面積的比例僅為2.18%，因此，草地的區(qū)位意義不明顯；城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地這3個區(qū)位中，均有10個地市的區(qū)位指數(shù)大于1，表明湖北省的城鎮(zhèn)村及工礦用地區(qū)位、交通運輸用地區(qū)位、水域及水利設(shè)施用地區(qū)位均呈現(xiàn)各地區(qū)分布均勻、聚集程度高等特點，這3種用地類型在全省的土地利用結(jié)構(gòu)中的區(qū)位意義都比較顯著；其他土地中，共有7個地市的區(qū)位指數(shù)大于1，其中仙桃、天門、潛江的區(qū)位指數(shù)均在0.1以下，根據(jù)土地利用現(xiàn)狀得知，這3個市的其他土地面積總量均比較小，分別為25.95萬，20.78萬，8.38萬 hm2，它們占各區(qū)域土地類型總面積的比例分別為0.15%，0.19%，0.06%，所以這3個市的其他用地區(qū)位意義極其不明顯。

表2 湖北省各市州土地利用區(qū)位指數(shù)

3 土地利用結(jié)構(gòu)差異的信息熵分析

熵最初是一個物理學(xué)概念，表示大量分子的無序運動，后來C.E.Shannon將這種物理熵引入信息論中[9]。信息熵是對系統(tǒng)平均信息量的度量，只有當系統(tǒng)不斷地受到外部干擾并與外界不斷交互能量時系統(tǒng)的信息熵才能產(chǎn)生。一般認為，信息熵越小，系統(tǒng)就越有序，結(jié)構(gòu)性就越強；反之，信息熵越大，系統(tǒng)就越無序，結(jié)構(gòu)性就越差[10]。土地利用結(jié)構(gòu)的變化是人地相互作用的結(jié)果，要受政治、經(jīng)濟、文化等因素的影響，所以土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵描述了土地利用系統(tǒng)與外界交換能量不斷演替和變化的過程，通過熵值的大小可以判斷土地利用結(jié)構(gòu)變化的混亂度和有序度。結(jié)合已有的研究方法[11-14]，本研究對湖北省的土地利用信息熵進行研究。

3.1 湖北省土地利用信息熵分析

根據(jù)湖北省各區(qū)域土地利用現(xiàn)狀，計算得出土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵(表1)，運用SPSS的K-Means聚類分析將各區(qū)域分為高信息熵、中高信息熵、中低信息熵、低信息熵四類，之后利用ArcGIS得到湖北省區(qū)域土地利用信息熵空間格局(圖3)。

圖3 湖北省土地利用信息熵空間格局分布

由表1和圖3可以看出，湖北省土地利用高信息熵區(qū)域有武漢、黃岡、黃石、孝感、鄂州和荊州；中高信息熵區(qū)域有隨州、荊門、咸寧、襄陽；中低信息熵區(qū)域有十堰、恩施、宜昌、天門、仙桃、潛江；低信息熵區(qū)域只有神農(nóng)架林區(qū)。

將土地利用信息熵的空間格局分布圖與土地利用多樣化空間格局分布圖進行比較發(fā)現(xiàn)，土地利用信息熵的空間格局同樣呈現(xiàn)高信息熵區(qū)域大都聚集在東部、中高信息熵大都在中部、中低和低信息熵主要聚集在西部的分布規(guī)律。通過深入分析發(fā)現(xiàn)，土地利用高多樣化的5個城市中，除荊州以外，其余的4個城市都分布在高信息熵區(qū)域；土地利用中高多樣化的6個城市中，有3個分布在中高信息熵區(qū)域；土地利用中低多樣化的5個城市全部分布在中低信息熵區(qū)域；土地利用低多樣化城市和低信息熵城市都是神農(nóng)架林區(qū)。由此得出，土地利用的多樣化與土地利用的信息熵之間具有緊密的關(guān)系，即區(qū)域土地的多樣化程度越高、土地類型越齊全，土地利用結(jié)構(gòu)受人類活動的影響機率就越大、影響程度就越高，土地利用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)就越趨向無序狀態(tài)；相反，土地多樣化程度越低，土地類型越單一，土地利用系統(tǒng)就越能保持一個有序狀態(tài)。

3.2 區(qū)域土地利用信息熵與經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系分析

由于各區(qū)域的土地利用方式和利用程度不同，土地利用信息熵也表現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異性?，F(xiàn)有研究大都認為土地利用信息熵與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平有密切關(guān)系。如蔡進等[15]對重慶市榮昌縣土地利用結(jié)構(gòu)的變化與分布進行研究，認為信息熵的大小與經(jīng)濟發(fā)展水平密切相關(guān)，信息熵越大，經(jīng)濟發(fā)展越好；王時東等[16]對宿遷市5個區(qū)縣的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵動態(tài)變化進行研究，認為經(jīng)濟較發(fā)達的、城鎮(zhèn)化水平較高的地區(qū)信息熵大；劉耀彬等[17]對武漢市土地利用空間結(jié)構(gòu)變動進行分析，認為信息熵與城市建設(shè)水平密切相關(guān)；劉一蘇等[18]對新建縣的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分異規(guī)律進行研究，認為在經(jīng)濟發(fā)展較快的地區(qū)，土地利用結(jié)構(gòu)變化較快，土地利用結(jié)構(gòu)的無序性較大。通過查閱《湖北省統(tǒng)計年鑒(2013)》，對其所轄的17個市(州)的GDP進行排名，然后與各市州的土地利用信息熵排名、土地利用多樣化排名進行比較(表3)。從各市(州)GDP排名與土地信息熵排名比較可以看出，武漢、宜昌、襄陽三市2012年的GDP分別以8 003.82億元，2 509.61億元，2 501.96億元位居前三，其中武漢市的GDP是宜昌市的3倍以上，但武漢市的土地利用信息熵卻排名第3，宜昌市的排名更加靠后，為第11名，襄陽市也排到第7位；黃石、十堰、鄂州的GDP排名分別是第8，9，12位，黃石市的土地利用信息熵卻位居第1，十堰市卻排倒數(shù)第2名，鄂州市同樣如此，GDP排名第12位，土地利用信息熵排名第5位，形成極大反差。相反，通過對土地利用信息熵和土地利用結(jié)構(gòu)多樣化排名進行比較，發(fā)現(xiàn)二者排名非常相似，排名誤差最大為1。

表3 湖北省各市州GDP、土地利用信息熵、土地利用多樣化排名

湖北省各市(州)土地利用信息熵與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展并無密切關(guān)系，經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)并不絕對意味著土地利用結(jié)構(gòu)的變化越快，相反，經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)有可能變化很快，這與各地的自然資源、地理環(huán)境、區(qū)域政策等因素有密切聯(lián)系。同時，研究也表明，土地利用信息熵與土地利用的多樣化具有緊密的關(guān)系。

4 結(jié)論

基于第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)和社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用計量地理模型和信息熵的研究方法對湖北省17個市(州)的土地利用結(jié)構(gòu)以及土地利用結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系進行分析，得出如下結(jié)論。

(1)湖北省各市(州)的土地利用多樣化差異較大，其多樣化空間格局整體呈現(xiàn)東部偏高、中部均勻、西部較低的遞進結(jié)構(gòu)。其中，武漢等東部城市的多樣化程度較高，各類用地比例協(xié)調(diào)；孝感等中部城市的多樣化程度次之；神農(nóng)架林區(qū)的多樣化程度最低。天門、襄陽、潛江和恩施的土地利用集中程度較高，孝感、神農(nóng)架、宜昌、荊門、隨州、十堰、黃岡、咸寧、黃石、荊州和仙桃的土地利用集中程度次之；武漢和鄂州的土地利用集中化程度最低。

(2)耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地在湖北全省分布廣，各地區(qū)分布均勻，聚集程度較高，在全省具有明顯的區(qū)位意義；林地、草地、其他土地在湖北省的區(qū)位意義一般，其中，神農(nóng)架林區(qū)在全省的林地區(qū)位意義非常顯著，黃石和咸寧的草地區(qū)位意義在全省比較顯著；園地區(qū)位意義不顯著。

(3)湖北省各市(州)的土地利用信息熵的空間格局呈現(xiàn)高信息熵區(qū)域主要聚集在東部、中高信息熵位于中部、中低和低信息熵主要分布在西部的變化規(guī)律。同時，湖北各市州土地利用信息熵與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展并無密切關(guān)系，土地利用信息熵與土地利用的多樣化具有緊密的關(guān)系。

參考文獻：

[1]劉紀遠,張增祥，莊大方，等.20世紀90年代中國土地利用變化時空特征及其成因分析[J].地理研究,2003,22(1):1-12.

[2]李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域——土地利用/土地覆被變化的國際研究動向[J].地理學(xué)報,1996,51(6):553-558.

[3]劉彥隨,陳百明.中國可持續(xù)發(fā)展問題與土地利用/覆被變化研究[J].地理研究,2002,21(3):324-330.

[4]楊杰,王印傳，許皞，等.河北省土地利用結(jié)構(gòu)的計量地理分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2008,24(6):429-435.

[5]朱鳳武,彭補拙,丁建中，等.溫州市土地利用空間格局研究[J].經(jīng)濟地理,2001,21(1):101-104.

[6]潘竟虎,任皓晨,趙軍.甘肅省土地利用狀況的計量地理分析[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究,2007,23(3):377-384.

[7]王紅梅,王小雨,李宏.基于計量地理模型的黑龍江省土地利用狀況分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22(7):70-74.

[8]敖紅.對信息熵的探討[J].遼寧高等專科職業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,3(1):59-61.

[9]Shannon C E.A Mathematical Theory of Communication[J].Bell System Technical Journal, 1948,27(3):379-423.

[10]楊勇.開放條件下重慶地區(qū)城鎮(zhèn)化對土地利用效率的影響及區(qū)位差異[J].地域研究與開發(fā),2011,30(3):112-116.

[11]趙京,楊鋼橋.基于信息熵的土地利用結(jié)構(gòu)演變分析——以湖北省為例[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,49(4):1017-1019.

[12]陳彥光,劉繼生.城市土地利用結(jié)構(gòu)和形態(tài)的定量描述:從信息熵到分數(shù)維[J].地理研究,2001,20(2):146-152.

[13]譚永忠,吳次芳.區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵分異規(guī)律研究[J].自然資源學(xué)報,2003,18(1):12-117.

[14]陳彥光,劉明華.城市土地利用的熵值規(guī)律[J].人文地理,2001,16(4):20-24.

[15]蔡進,劉秀華,丁恩俊.基于信息熵的縣域土地利用結(jié)構(gòu)變化與分布研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(21):6539-6541.

[16]王時東,袁水濤,馬新亞.欠發(fā)達地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵動態(tài)變化研究——以江蘇省宿遷市為例[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報,2009,21(9):187-189.

[17]劉耀彬,陳志,楊益明.基于信息熵的武漢城市土地利用空間結(jié)構(gòu)變動分析[J].資源開發(fā)與市場,2004,20(5):335-337.

[18]劉一蘇,劉朝暉.新建縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分異規(guī)律研究[J].資源與產(chǎn)業(yè),2007,9(4):105-108.