蘇廣實

(1．廣西經(jīng)濟管理干部學院貿(mào)易經(jīng)濟系，廣西南寧530007;2．中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室，貴州貴陽550002)

土地利用結(jié)構(gòu)是某一區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型的組成、對比關系以及空間格局［1］，是區(qū)域自然、經(jīng)濟、社會和科學技術諸條件的綜合表現(xiàn)［2］。由于自然和社會經(jīng)濟等條件的地區(qū)差異性以及人們對土地利用目的和方式不同，便形成了不同的土地利用結(jié)構(gòu)［3］。因此，通過研究土地利用結(jié)構(gòu)變化可以具體把握區(qū)域土地利用現(xiàn)狀［4］、土地資源的特點和優(yōu)劣勢［5］以及土地利用的合理性，對于優(yōu)化配置土地資源、實現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用具有指導意義。近年來，國內(nèi)不少學者對土地利用結(jié)構(gòu)開展了比較廣泛的研究［6-10］，但對喀斯特地區(qū)的研究較少。我國西南喀斯特地區(qū)是少數(shù)民族聚居的貧困區(qū)，長期以來，隨著人口急劇增加，過墾、濫伐等不合理的土地利用方式造成了喀斯特地區(qū)石漠化、水土流失、水質(zhì)污染、土壤退化以及生物多樣性減少等生態(tài)環(huán)境問題［11-12］。因此，分析和探討西南喀斯特地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)動態(tài)演變，對于當?shù)赝恋刭Y源的合理開發(fā)和保護、石漠化綜合治理和土地資源可持續(xù)利用有著重要的指導意義。鑒于此，筆者運用信息熵和洛倫茲曲線-基尼系數(shù)分析方法，分析了喀斯特典

型縣域——廣西都安瑤族自治縣(下稱“都安縣”)1977～2005年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時空演變特征和空間差異規(guī)律，以期為其他類似喀斯特地區(qū)土地資源合理利用和喀斯特石漠化綜合治理政策的制定提供參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1．1 研究區(qū)概況 都安縣位于廣西中部偏西，地理位置為107°46′～108°31′E、23°48′～24°35′N，地處云貴高原向廣西盆地過渡的斜坡地帶，都陽山脈東段，是廣西典型的喀斯特大石山區(qū)。全境以喀斯特石山為主，地形復雜，巖石裸露，山高谷深，洼地遍布，只有少數(shù)地帶有土山丘陵分布。山地、丘陵、臺地和谷地平原分別占全縣面積的77．9%、13．2%和8．9%，難利用面積占很大比例。氣候為中亞熱帶季風氣候與南亞熱帶季風氣候區(qū)的過渡地帶，年均氣溫18．2～21．7℃，年降雨量1 200～1 900 mm。雨量集中于夏季，約占年降雨量的68．3%，且以暴雨形式降落，常造成洪澇災害。地表水系不發(fā)育，地下水豐富，但埋藏深，水量、水位動態(tài)不穩(wěn)，春、秋干旱，水土流失日趨嚴重。

1．2 數(shù)據(jù)來源與處理 數(shù)據(jù)來源包括1977年航片數(shù)據(jù)、1988和1999年TM影像數(shù)據(jù)、2005年SPOT-2/4影像數(shù)據(jù)。利用1∶50 000的地形圖對2005年SPOT-2/4影像進行幾何校正，在此基礎上對1988與1999年的影像進行配準，配準誤差控制在0．5個像元以內(nèi)。綜合考慮都安喀斯特土地利用特點及其相關數(shù)據(jù)源的科學性、可獲取性、可操作性與可比性等，對都安喀斯特土地利用進行分類，分類結(jié)果包括有林地、灌叢地、疏林地、草地、溝谷耕地、坡耕地、水域(河流、塘、庫)、建設用地和裸巖地。按1∶10萬的比例尺對各期影像數(shù)據(jù)進行人工目視解譯，得出1988、1999和2005年土地利用類型圖。經(jīng)檢驗，解譯精度符合要求。采用1977年航片進行矢量化得出1977年1∶10萬的土地利用類型圖。經(jīng)統(tǒng)計得到1977、1988、1999和2005年都安縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)各類用地構(gòu)成數(shù)據(jù)。由于受地形地貌等自然條件的限制，水域面積比例很小，研究時段內(nèi)，其空間分布和面積基本不變，因此，該研究不對水域進行分析。

2 都安喀斯特土地利用結(jié)構(gòu)演變信息熵、均衡度和優(yōu)勢度

2．1 信息熵、均衡度和優(yōu)勢度 土地利用本身就是一個復雜的巨系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)和功能的有序性特征。人類開發(fā)利用土地資源直接影響著土地利用系統(tǒng)的時空演變過程，進而對土地利用系統(tǒng)的有序程度產(chǎn)生影響。土地利用系統(tǒng)的有序程度可以用信息熵來描述和刻畫［13］。

假定一個區(qū)域的土地總面積為A，該區(qū)域的土地利用類型可分成n種，每種類型的面積為Ai(i=1，2，…，n)，則第i種土地利用類型的面積占該區(qū)域土地總面積的比例為Pi=Ai/A。顯然，Pi具有歸一性。Pi是第i種土地利用類型在該區(qū)域土地中出現(xiàn)的可能性，相當于信息熵中事件發(fā)生的概率，因而可以依照Shannon熵公式定義土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵(H)［14-15］:

信息熵的高低可以反映土地利用結(jié)構(gòu)的有序程度，熵值越高，表明區(qū)域土地利用的職能類型越多，各職能類型的面積相差越小，土地分布越均衡。當各用地類型的面積相等時，即P1=P2=P3=…=Pi=1/n，熵值達到最大，Hm=ln n，表明該區(qū)域土地利用達到了均衡狀態(tài)。

由于同一區(qū)域的不同發(fā)展階段或不同的區(qū)域可能出現(xiàn)不同的土地職能數(shù)，土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵會缺乏可比性，因此根據(jù)信息熵又引申出2個相關概念:均衡度和優(yōu)勢度［16］。均衡度(E)表示實際熵值和最大熵值的比值，反映一個區(qū)域土地利用的均衡程度，E值越大，土地利用的均質(zhì)性就越強，其公式為:

優(yōu)勢度(D)反映區(qū)域內(nèi)1種或幾種土地利用類型支配該區(qū)域土地類型的程度，與均衡度的意義相反，其公式為:

2．2 都安縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵動態(tài)演變分析 利用信息熵、均衡度和優(yōu)勢度計算公式和經(jīng)解譯統(tǒng)計得到1977、1988、1999、2005年都安縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)各類用地構(gòu)成數(shù)據(jù)，計算出其土地利用結(jié)構(gòu)信息熵(表1)。

表1 都安縣1977～2005年喀斯特土地利用結(jié)構(gòu)及信息熵、均衡度和優(yōu)勢度

結(jié)果表明，都安縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體上表現(xiàn)為先升高后下降再升高的變化趨勢。根據(jù)信息熵描述刻畫土地利用系統(tǒng)功能的原理，28年間都安縣土地利用系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的動態(tài)演變過程，其演變過程表現(xiàn)為無序度先升高后下降再升高、有序度先下降后升高再下降的變化趨勢。信息熵的變化過程經(jīng)歷了3個階段:①1977～1988年信息熵呈升高趨勢，增長了0．020 2，總體變化幅度較小，年均增長幅度為0．12%，1988年熵值為1．612 8，熵值達到最高值;②1988～1999年信息熵呈下降趨勢，減少了0．040 6，下降幅度增大，年均下降幅度為0．23%，1999年熵值為1．572 2，熵值為最低值;③1999～2005年信息熵呈升高趨勢，上升了0．027 3，與前2個時段相比，增長幅度較大，年均上升幅度為0．29%。均衡度變化趨勢與信息熵類似，優(yōu)勢度則相反。都安縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的動態(tài)演變過程與外界輸入土地利用系統(tǒng)的負熵流有關，所謂的負熵流即人類活動強度對區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的影響程度，與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、區(qū)域開發(fā)模式以及人類生態(tài)環(huán)境建設對區(qū)域土地資源系統(tǒng)的保護水平有著密切關聯(lián)，在土地系統(tǒng)中則具體表現(xiàn)為土地利用的結(jié)構(gòu)［17］。

先天脆弱的喀斯特地質(zhì)-生態(tài)背景導致了都安縣土地利用系統(tǒng)抗干擾能力低，系統(tǒng)穩(wěn)定性差;而經(jīng)濟發(fā)展、人口增長和政策等因素直接影響其熵值的時序變化。1977～1988年正處于改革開放頭十年，廣大農(nóng)村實行了聯(lián)產(chǎn)承包責任制，由于實施計劃生育處于起步階段，人口快速增長，同時缺乏生態(tài)環(huán)境保護意識，農(nóng)民群眾為了擺脫貧困，大量毀林毀草，陡坡開墾，灌叢地、疏林地、草地等急劇減少，水土流失加劇，巖石裸露;相應地，坡耕地和裸巖地面積增加。與此同時隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，建設用地占用溝谷耕地較嚴重。因此，該階段土地利用結(jié)構(gòu)信息熵升高，土地利用系統(tǒng)向無序方向發(fā)展。1988～1999年，由于實行嚴格的計劃生育政策，都安縣人口快速增長勢頭得到了一定程度的遏制，人地矛盾有所緩解但依然嚴峻。期間，政府重視農(nóng)業(yè)科技投入，耕作效率和糧食單產(chǎn)明顯提高，優(yōu)質(zhì)的溝谷耕地面積有所增加，坡耕地、建設用地和裸巖地面積增速緩慢，因此，1988～1999年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵下降，土地利用系統(tǒng)向有序化方向發(fā)展，但毀林毀草現(xiàn)象仍然嚴重。1999年開始，隨著退耕還林還草政策和石漠化綜合治理的逐步實施，林草面積減少趨勢得到逐步遏制，生態(tài)環(huán)境有所改善，為都安土地利用系統(tǒng)匯入了一定的負熵流。但隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，都安縣土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，濫墾濫發(fā)現(xiàn)象依然屢禁不止，盡管實行嚴厲的耕地保護政策，建設用地占用溝谷耕地仍比較嚴重，匯入土地系統(tǒng)的正熵流依然較大，1999～2005年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵呈上升趨勢?？傮w而言，在脆弱地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境背景、土地資源保護以及人類經(jīng)濟社會活動等綜合作用下，1977～2005年的28年間都安喀斯特地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵呈升高趨勢。

2．3 都安縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵空間分布分析 通過計算可得1977、1988、1999、2005年都安縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，根據(jù)計算結(jié)果，將熵值分成 ＜1．0、1．0 ～1．2、1．2 ～1．3、1．3～1．4、＞1．4 共5個等級，并將熵值 ＜1．0的區(qū)域列為信息熵低值區(qū)，熵值＞1．4的區(qū)域列為信息熵高值區(qū)(圖1)。

總體上看，1977、1988、1999和2005年都安縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分布大體相似，東部和北部為信息熵高值區(qū)，東南部和西南部為低值區(qū)，其他區(qū)域熵值居中。具體而言，1977年，澄江、高嶺、下坳、板嶺、百旺5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為信息熵高值區(qū)，低值區(qū)僅有古山和三弄2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。1988年信息熵列入高值區(qū)和低值區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別增加了3個，安陽、拉仁和加貴列入高值區(qū)，五竹、龍灣和菁盛列入低值區(qū)，因此，1988年全縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體水平較高。與1998年相比，1999年東廟鄉(xiāng)列入信息熵低值區(qū)，高值區(qū)則減少了2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(安陽和澄江)，1999年全縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體水平較低。2005年信息熵空間分布情況與1999年基本相似，1999～2005年全縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵略有升高但變幅不大。

地形地貌、水文地質(zhì)等自然因素以及區(qū)位條件、經(jīng)濟發(fā)展水平等社會經(jīng)濟因素的綜合作用是導致都安土地利用結(jié)構(gòu)信息熵空間差異的重要原因。下坳、板嶺、百旺等鄉(xiāng)鎮(zhèn)自然條件相對優(yōu)越，谷地、土山丘陵分布廣，裸巖地面積在上述3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中分別僅占35．01%、35．82%和24．00%，為全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中最小。刁江穿境而過，土地資源開發(fā)條件較好，因此，各類用地齊全。此外，上述鄉(xiāng)鎮(zhèn)交通便利，與經(jīng)濟相對發(fā)達的河池市金城江區(qū)和宜州市交界，經(jīng)濟發(fā)展水平較高，人口密度大，對土地系統(tǒng)干擾強度大，導致土地利用結(jié)構(gòu)信息熵相對較高。古山、三弄、龍灣等鄉(xiāng)鎮(zhèn)石山廣布，石漠化嚴重，巖石裸露面積在上述3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中分別占到75．86%、77．22%和75．37%，為全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中占比最高。與此同時，地表水缺乏，土層薄，土地資源開發(fā)利用難度大，因而土地利用類型單一。又由于上述區(qū)域內(nèi)山高谷深，交通閉塞，受外界干擾小，因此，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵低。

3 都安喀斯特土地利用結(jié)構(gòu)演變的洛倫茲曲線和基尼系數(shù)

3．1 都安縣各土地利用類型洛倫茲曲線的繪制 根據(jù)洛倫茲曲線的基本原理，利用都安縣1997、1988、1999和2005年各地類土地利用類型面積的原始數(shù)據(jù)，分別求出上述4個時段各鄉(xiāng)鎮(zhèn)某地類的區(qū)位商，區(qū)位熵又稱為專門化率，指某一地區(qū)某土地利用類型面積占區(qū)域該土地類型總面積的比值與該地區(qū)土地總面積占區(qū)域土地總面積之比。其計算公式為:

式中，Q為區(qū)位熵;A1為某鄉(xiāng)鎮(zhèn)某種土地利用類型的面積;A2為都安縣某土地利用類型總面積;A3為某鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地總面積;A4為都安縣土地總面積。

然后按區(qū)位熵大小依次列出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的區(qū)位熵，并計算該類土地利用面積的累計百分比和土地總面積的累計百分比。最后以總土地面積累計百分比為橫坐標，以該地類面積累計百分比為縱坐標，各取100長度，繪出坐標圖。以各累計數(shù)繪制坐標點，得到的曲線與絕對均勻線的離差就是該地類實際分布與在全縣均勻分布的差異測度。依照上述方法和數(shù)據(jù)繪制成都安縣1997、1988、1999和2005年各地類土地利用類型的洛倫茲曲線(圖2)。

3．2 基尼系數(shù)的計算 為了進一步定量地描述某種土地利用類型在全縣空間分布的差異(或不均勻)的程度，引入基尼系數(shù)來描述土地利用類型的分布情況?；嵯禂?shù)也稱為洛倫茲系數(shù)，在洛倫茲曲線圖上，其反映的幾何意義是曲線與絕對均勻線之間面積和絕對均勻線以下的三角形面積之比。其計算公式為:

式中，G為基尼系數(shù);Mi為某鄉(xiāng)鎮(zhèn)某一土地利用類型面積累計百分比;Qi為鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地在全縣土地面積的累計百分比。都安縣包括22個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，因此，i的取值范圍是0＜i＜23，i為整數(shù)?；嵯禂?shù)的計算結(jié)果見表2。

3．3 都安土地利用結(jié)構(gòu)洛倫茲曲線和基尼系數(shù)結(jié)果分析 由圖2和表2可知，1977、1988、1999、2005年都安縣土地利用結(jié)構(gòu)洛倫茲曲線和基尼系數(shù)有很高的一致性?？傮w上看，坡耕地、裸巖地、建設用地、灌叢地與絕對均勻線距離較近，基尼系數(shù)較小，均小于0．383，說明這幾種土地利用類型在都安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布較分散，即分布在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積比例大致相等。其中，坡耕地和裸巖地與絕對均勻線距離最近，基尼系數(shù)最小，表明該2種土地利用類型在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布比建設用地和灌叢地更均衡。疏林地、有林地、草地、溝谷耕地與絕對均勻線距離較遠，基尼系數(shù)較大，這幾種土地利用類型主要集中分布在少數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布不均衡;但與草地和溝谷耕地相比，疏林地和有林地分布的不均衡性尤為突出。

從動態(tài)變化特征看，草地、溝谷耕地和灌叢地呈現(xiàn)遠離絕對均勻線、基尼系數(shù)漸增的變化趨勢，反映了該3種土地利用類型面積不斷減少且朝著相對集中分布的方向發(fā)展，同時也說明，陡坡開墾導致草地和灌叢地受毀以及優(yōu)質(zhì)溝谷耕地被占用的現(xiàn)象比較嚴重。坡耕地、裸巖地、疏林地、有林地和建設用地呈現(xiàn)靠近絕對均勻線、基尼系數(shù)逐漸減少的趨勢，表明這幾種土地利用類型面積不斷增大，向各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均勻分布的方向發(fā)展。坡耕地面積增加的主因是隨著人口的增加，陡坡毀林(主要是灌木林)毀草所致;而建設用地的擴張主要是占用優(yōu)質(zhì)的溝谷耕地;毀林毀草的結(jié)果導致大面積巖石裸露，土地石漠化問題日益嚴重;疏林地面積擴大與落實國家退耕還林還草政策以及園地面積的增加有關;由于喀斯特山區(qū)有林地大多分布于地形險峻區(qū)域，認為干擾少，當?shù)卣訌妼τ辛值氐谋Ｗo，使其分布面積逐漸擴大。從各時段各土地利用類型洛倫茲曲線和基尼系數(shù)的變化情況看，草地、灌叢地、疏林地、有林地和溝谷耕地在各用地類型中變化幅度較大，是決定都安縣土地利用結(jié)構(gòu)空間差異的主要土地利用類型。同時，也進一步印證了由于地形地貌、巖性、土壤、水文等自然因素以及濫墾、濫伐、濫牧、濫樵等人為因素的干擾，是造成都安縣土地利用結(jié)構(gòu)演變空間差異的主要原因。尤其是林草損毀嚴重，僅集中分布在少數(shù)幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn);而

大面積陡坡開墾導致了坡耕地均衡分布于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，裸巖地面 積擴大，石漠化加劇，生態(tài)環(huán)境惡化。

表2 都安縣1997、1988、1999和2005年各地類土地利用類型基尼系數(shù)

4 結(jié)論

通過對喀斯特典型縣域——廣西都安縣土地利用結(jié)構(gòu)演變的信息熵和洛倫茲曲線-基尼系數(shù)分析，得到以下結(jié)論:

(1)1977～2005年28年間都安縣土地利用系統(tǒng)演變過程表現(xiàn)為無序度先升高后下降再升高、有序度先下降后升高再下降的變化趨勢。1977～1988年信息熵呈升高趨勢，增長了0．020 2，總體變化幅度較小，年均增長幅度為0．12%;1988～1999年信息熵呈下降趨勢，減少了0．040 6，下降幅度增大，年均下降幅度為0．23%;1999～2005年信息熵呈升高趨勢，上升了0．027 3，與前2個時段相比，增長幅度較大，年均上升幅度為0．29%。

(2)1977～2005年都安縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵空間分布情況大體相似，東部和北部為信息熵高值區(qū)，東南部和西南部為低值區(qū)。1977年，有5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為信息熵高值區(qū)，低值區(qū)僅2個鄉(xiāng)鎮(zhèn);1988年信息熵列入高值區(qū)和低值區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別增加了3個，1988年全縣信息熵總體水平較高;1999年信息熵低值區(qū)增加了1個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，高值區(qū)減少了2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，1999年全縣信息熵總體水平較1988年低;2005年信息熵空間分布情況與1999年基本相似，1999～2005年全縣熵值略有升高但變幅不大。地形地貌、水文地質(zhì)等自然因素以及區(qū)位條件、經(jīng)濟發(fā)展水平等社會經(jīng)濟因素的綜合作用是導致都安土地利用結(jié)構(gòu)信息熵空間差異的重要原因。

(3)1977～2005年都安縣土地利用結(jié)構(gòu)洛倫茲曲線和基尼系數(shù)有很高的一致性。坡耕地、裸巖地、建設用地、灌叢地與絕對均勻線距離較近，基尼系數(shù)較小，在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布較分散;疏林地、有林地、草地、溝谷耕地與絕對均勻線距離較遠，基尼系數(shù)較大，主要集中分布在少數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

(4)從動態(tài)變化特征看，草地、溝谷耕地和灌叢地呈現(xiàn)遠離絕對均勻線、基尼系數(shù)漸增的變化趨勢;而坡耕地、裸巖地、疏林地、有林地和建設用地呈現(xiàn)靠近絕對均勻線、基尼系數(shù)逐漸減少的趨勢。從各時段變化情況看，草地、灌叢地、疏林地、有林地和溝谷耕地在各用地類型中變化幅度較大，是決定都安縣土地利用結(jié)構(gòu)空間差異的主要土地利用類型。

(5)信息熵和洛倫茲曲線-基尼系數(shù)的有機結(jié)合為刻畫區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和形態(tài)提供了簡單而有效的研究途徑［18］。與以往的研究手段與方法相比，該研究運用信息熵和洛倫茲曲線-基尼系數(shù)簡明地揭示了都安各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地開發(fā)利用程度、各土地利用類型在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的配置及其對比關系和變化趨勢，為喀斯特山區(qū)土地合理開發(fā)利用和石漠化綜合防治決策提供了參考。然而，利用信息熵研究土地利用結(jié)構(gòu)時，需進一步對區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)合理性的臨界值進行研究，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［19］。此外，導致信息熵和洛倫茲曲線-基尼系數(shù)變化的驅(qū)動機制定量分析也有待進一步研究。

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