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        基于信息熵的蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空變化分析

        2018-03-13 02:10:12彭大雨魯成樹(shù)曹海濤
        安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域結(jié)構(gòu)研究

        彭大雨,魯成樹(shù),曹海濤

        (安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院,安徽蕪湖 241000)

        土地利用結(jié)構(gòu)是土地利用研究和土地利用規(guī)劃研究的核心問(wèn)題[1]。近年來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及土地需求的不斷增長(zhǎng),土地利用結(jié)構(gòu)變化所涉及的耕地保護(hù)、建設(shè)用地集約利用及未利用土地的合理開(kāi)發(fā)逐漸引起不同領(lǐng)域?qū)<覍W(xué)者的共同關(guān)注[2],可以說(shuō)土地利用結(jié)構(gòu)能否合理配置直接關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)與土地利用的協(xié)調(diào)程度,嚴(yán)重影響著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)健康發(fā)展。因此,研究土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空變化對(duì)保持土地系統(tǒng)的良性循環(huán),提高土地利用效率和效益具有重要意義[3-4]。

        目前關(guān)于土地利用變化的研究主要集中于變化過(guò)程、空間格局、驅(qū)動(dòng)機(jī)制、方法、預(yù)測(cè)等方面[5-8]。我國(guó)一些學(xué)者運(yùn)用信息熵的基本原理,對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分析,他們從不同角度揭示了土地利用的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題,提出了相應(yīng)的解決措施,這些研究對(duì)于合理利用土地資源及優(yōu)化區(qū)域布局具有指導(dǎo)意義[9-10]。因此,該研究基于信息熵理論,對(duì)蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)序演化規(guī)律和各子區(qū)域熵值分異變化進(jìn)行分析,以進(jìn)一步了解蕪湖市土地利用系統(tǒng)的演化規(guī)律和空間格局,最后通過(guò)相關(guān)性系數(shù)分析影響土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值變化的因素,以期為研究區(qū)域優(yōu)化土地資源結(jié)構(gòu)和布局提供參考。

        1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

        1.1研究區(qū)概況蕪湖市位于安徽省東南部,地處117°58′~118°43′ E、30°38′~31°31′ N,下轄4區(qū)(鏡湖、弋江、鳩江、三山)4縣(無(wú)為、蕪湖、繁昌、南陵),是安徽省政治、經(jīng)濟(jì)、文化次中心,也是長(zhǎng)三角連接中西部的重要節(jié)點(diǎn)和內(nèi)陸地區(qū)新一輪開(kāi)放合作的前沿地帶,其土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空演變直接影響著該區(qū)域土地的合理高效配置,關(guān)系到該區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。到2016年末,蕪湖市土地總面積6 026 km2,年末常住總?cè)丝?67萬(wàn),其中城鎮(zhèn)人口232.90萬(wàn),城鎮(zhèn)化率達(dá)63.46%,全年實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值2 699.44億元。蕪湖市經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)非農(nóng)化程度高,農(nóng)村土地非農(nóng)化與農(nóng)業(yè)人口城鎮(zhèn)化進(jìn)程不同步,產(chǎn)業(yè)集聚分布現(xiàn)象明顯呈現(xiàn)出典型的半城市化地區(qū)特點(diǎn)[11-13]。

        1.2數(shù)據(jù)來(lái)源土地利用數(shù)據(jù)選取蕪湖市2010—2016年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù),相應(yīng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)則來(lái)源于《蕪湖統(tǒng)計(jì)年鑒(2010—2016)》、蕪湖市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、蕪湖市統(tǒng)計(jì)局資料等。

        1.3研究方法信息熵的大小可以反映土地利用類(lèi)型的多少和土地利用系統(tǒng)的有序程度。假定某一地區(qū)的土地總面積為A,共分N類(lèi)土地利用類(lèi)型,各類(lèi)型的面積分別為Ai(i=1,2,…,N),則各種土地利用類(lèi)型占該區(qū)域土地總面積的比例Pi=Ai/A。依照 Shannon熵公式[14-15]定義土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵H:

        (1)

        式中,H為土地利用結(jié)構(gòu)信息熵,當(dāng)區(qū)域處于未開(kāi)發(fā)狀態(tài)時(shí),其土地利用結(jié)構(gòu)信息熵為0,即Hmin=0;當(dāng)區(qū)域已發(fā)展成熟,各種土地利用類(lèi)型的面積相等時(shí),即P1=P2=…=Pn=1/N時(shí),信息熵值達(dá)到最大,Hmax=lnN??梢钥闯?,土地類(lèi)型越多,各類(lèi)型的面積相差越小,則熵值越大,表明土地利用情況越有序,反之則越無(wú)序?;谛畔㈧毓?,可定義土地利用結(jié)構(gòu)均衡度J與優(yōu)勢(shì)度I[16]:

        (2)

        I=1-J

        (3)

        式中,J為均衡度,是實(shí)際熵值與信息熵最大值之間的比值,取值為[0,1]。J值越大,表明區(qū)域內(nèi)地類(lèi)越豐富,土地利用結(jié)構(gòu)的均衡性越強(qiáng)。相反J值越小,則區(qū)域土地利用的均衡程度就越低。優(yōu)勢(shì)度I反映區(qū)域內(nèi)1種或幾種土地利用類(lèi)型支配該區(qū)域土地類(lèi)型的程度,與均衡度的意義相反。

        2 結(jié)果與分析

        2.1信息熵時(shí)間變化分析根據(jù)2010—2016年蕪湖市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)出2010—2016年蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)變化(表1)。根據(jù)信息熵的計(jì)算公式,綜合信息熵、均衡度、優(yōu)勢(shì)度3項(xiàng)指標(biāo),從宏觀上分析蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)有序性與均衡程度。

        當(dāng)區(qū)域已發(fā)展成熟,各土地類(lèi)型已趨于穩(wěn)定,各職能內(nèi)的面積相差越小,則熵值越大,均衡度越高;相反,區(qū)域內(nèi)1種或幾種土地利用類(lèi)型在該區(qū)域處支配地位時(shí),其優(yōu)勢(shì)度就越高。結(jié)果顯示:①2010—2016年蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體呈上升的趨勢(shì),從2010年的1.662 4 Nat增加到2016 年的1.683 5 Nat,表明研究期間蕪湖市的土地利用系統(tǒng)仍處于較大程度的開(kāi)發(fā)中,土地利用的均衡性有所增強(qiáng),單一類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)度有所降低,蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)朝無(wú)序方向發(fā)展;②2010—2016年蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)均衡度與信息熵呈現(xiàn)出一致的變化,始末兩期相比略有上升,而優(yōu)勢(shì)度變化趨勢(shì)則相反,表明單一或幾種土地類(lèi)型支配該區(qū)域土地類(lèi)型的程度有所減弱,土地利用的均衡性增強(qiáng),土地利用結(jié)構(gòu)緩慢向均衡狀態(tài)發(fā)展。

        表1 2010—2016年蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)比例及其信息熵、均衡度與優(yōu)勢(shì)度

        經(jīng)過(guò)深入分析,發(fā)現(xiàn)形成以上趨勢(shì)的主要原因是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和建設(shè)用地增加。研究期間,隨著蕪湖市城市化進(jìn)程的推進(jìn),人口向城鎮(zhèn)集聚,對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的需求也相應(yīng)劇增,加劇了對(duì)農(nóng)用地的占用,尤其是對(duì)耕地資源的占用,期間蕪湖市農(nóng)用地面積比例由2010年的74.71%減少到2016年的73.42%,減少了1.29百分點(diǎn),建設(shè)用地面積比例由2010年的16.82%增加到2016年的18.52%,增加了1.70百分點(diǎn)。城市建成區(qū)規(guī)模擴(kuò)展成為必然趨勢(shì),農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榉寝r(nóng)建設(shè)用地的現(xiàn)象在城郊尤為顯著。在種種因素的合力作用下,呈現(xiàn)土地利用信息熵和均衡度逐年增加、優(yōu)勢(shì)度降低的趨勢(shì),也說(shuō)明了蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變化,從側(cè)面也表明了近年來(lái)蕪湖市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

        2.2信息熵空間變化分析為了進(jìn)一步了解蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)在空間上的變化,利用信息熵原理對(duì)蕪湖市下轄4區(qū)4縣的信息熵值進(jìn)行計(jì)算,這些子區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式、城鎮(zhèn)化發(fā)展水平以及土地利用方式和利用程度處于不同階段,各子區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值各不相同,即使同一子區(qū)域,在研究基期內(nèi),其信息熵值亦呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的變化。2010—2016年蕪湖市的4區(qū)4縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化見(jiàn)圖1、2。

        (1)總體來(lái)看,研究期間蕪湖市4區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值普遍高于其所下轄的各縣,但變化趨勢(shì)各異,表明蕪湖市下轄4區(qū)土地利用類(lèi)型相較于各縣更加穩(wěn)定,面積相差更小,單一土地類(lèi)型支配程度較弱。

        (2)蕪湖市下轄4區(qū)信息熵值在研究期間呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),但增長(zhǎng)速度變緩,這主要是因?yàn)槌擎?zhèn)用地及交通水利用地的大幅增長(zhǎng),并且耕地、其他農(nóng)用地的減少速度過(guò)快,導(dǎo)致4區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)趨向均衡,信息熵值上升,而相比下轄4縣,4區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展更好,部分建設(shè)用地利用逐漸表現(xiàn)為集約節(jié)約、充分挖潛等,這為土地系統(tǒng)匯入了少量的負(fù)熵流,抵消了一部分熵增,導(dǎo)致速度有所放緩。

        (3)蕪湖市下轄4區(qū)中,弋江區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值在全市最高,2016年達(dá)1.820 2 Nat,這主要是由于該區(qū)自然條件優(yōu)越,建設(shè)用地與農(nóng)用地都有各自的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),造成了該板塊土地利用類(lèi)型優(yōu)勢(shì)度不明顯,土地職能類(lèi)型面積相差不大。三山區(qū)與鳩江區(qū)信息熵值均呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),始末兩期對(duì)比分別增長(zhǎng)了0.073 8、0.041 5 Nat。鏡湖區(qū)作為蕪湖市主城區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度更高,各土地類(lèi)型已經(jīng)達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài),研究期間其信息熵值僅增長(zhǎng)0.015 7 Nat。

        圖1 蕪湖市轄區(qū)信息熵變化Fig.1 Information entropy change in municipal district in Wuhu

        圖2 蕪湖市下轄縣信息熵變化Fig.2 Information entropy change in the counties under the jurisdiction in Wuhu

        (4)蕪湖市下轄4縣屬于蕪湖市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展后發(fā)區(qū)域,城鎮(zhèn)化水平不高,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展落后于市轄區(qū),農(nóng)用地作為區(qū)域中土地利用結(jié)構(gòu)主導(dǎo)類(lèi)型,其優(yōu)勢(shì)度較為突出,是形成該區(qū)域信息熵、土地分布均衡度較低的主要原因。研究期間,繁昌縣的熵值呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì),其信息熵值7年間增加了0.025 4 Nat。無(wú)為縣和南陵縣熵值的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后下降再增加的態(tài)勢(shì),但總熵值變化是增加的,分別增加了0.005 5、0.008 3 Nat,通過(guò)分析,主要是由于耕地面積的增加突出了單一用地結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),而林地及其他農(nóng)用地面積的迅速減少、城鎮(zhèn)用地的增長(zhǎng)以及對(duì)未利用地的大量開(kāi)發(fā)更加促進(jìn)土地利用結(jié)構(gòu)越來(lái)越均衡。蕪湖縣的熵值僅減少了0.000 8 Nat,說(shuō)明其土地利用結(jié)構(gòu)相對(duì)其他縣區(qū)變化較小。另外,從圖2可以看出,無(wú)為縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總是低于同樣處于市轄區(qū)外的南陵縣、蕪湖縣和繁昌縣,這與無(wú)為縣的耕地面積較大有關(guān),多年來(lái)其耕地面積占土地總面積53%以上,這一土地類(lèi)型在所有土地類(lèi)型中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),而其他土地類(lèi)型面積在低水平線上保持著相對(duì)均衡,使得其土地利用結(jié)構(gòu)信息熵處于較低水平。

        2.3影響因素分析影響土地利用結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)力因素錯(cuò)綜復(fù)雜,既包括自然驅(qū)動(dòng)因素,也包括人為驅(qū)動(dòng)因素[17]。由于自然因素相對(duì)穩(wěn)定,對(duì)用地結(jié)構(gòu)變化短期影響較小,而對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)等人文因素較敏感,影響效果明顯。因此,該研究主要就土地利用變化以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的相互關(guān)系進(jìn)行分析。

        2.3.1土地利用變化對(duì)信息熵的影響。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵反映的是土地利用系統(tǒng)的有序性與結(jié)構(gòu)性,所以土地利用變化直接影響其信息熵的變化[18]。對(duì)蕪湖市土地利用與信息熵的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)(表2),發(fā)現(xiàn):①在顯著性水平為 0.05時(shí),牧草地與信息熵呈中度相關(guān);②在顯著性水平為 0.01 時(shí),耕地、園地、林地、其他農(nóng)用地和其他土地的變化與信息熵呈負(fù)相關(guān),城鄉(xiāng)建設(shè)用地、交通水利用地與信息熵呈正相關(guān)。說(shuō)明農(nóng)用地的減少,農(nóng)村居民點(diǎn)的有效整理,城鎮(zhèn)規(guī)模的擴(kuò)張,以及對(duì)未利用地的開(kāi)發(fā),直接導(dǎo)致了研究期內(nèi)信息熵的增長(zhǎng)。

        表2蕪湖市土地利用與信息熵的相關(guān)系數(shù)

        Table2ThecorrelationcoefficientoflanduseandinformationentropyinWuhu

        序號(hào)No.土地利用類(lèi)型Landusetype相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient1耕地 -0.919???2園地 -0.980???3林地 -0.950???4牧草地 -0.773??5其他農(nóng)用地 -0.939???6城鄉(xiāng)建設(shè)用地0.989???7交通水利用地0.937???8其他土地 -0.970???

        注:**、***分別表示0.05、0.01的顯著水平

        Note:**,*** indicated a significant level of 0.05,0.01 respectively

        2.3.2社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)信息熵的影響。根據(jù)專(zhuān)家學(xué)者以往的研究經(jīng)驗(yàn)[19-22],結(jié)合蕪湖市土地利用變化的實(shí)際狀況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料,主要選取與土地利用相關(guān)的12 個(gè)指標(biāo)作為影響蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素,分別是常住總?cè)丝?、城?zhèn)化率、地區(qū)生產(chǎn)總值、全社會(huì)固定資產(chǎn)投資總額、第二產(chǎn)業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)增加值、財(cái)政收入、城鎮(zhèn)常住居民人均可支配收入、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、財(cái)政支出、人均住房建筑面積、糧食產(chǎn)量。運(yùn)用SPSS 軟件對(duì)影響因素與信息熵相關(guān)進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3蕪湖市社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與信息熵的相關(guān)系數(shù)

        Table3ThecorrelationcoefficientofsocialandeconomicfactorsandinformationentropyinWuhu

        序號(hào)No.指標(biāo)Index相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient1常住總?cè)丝?.909???2城鎮(zhèn)化率0.965???3地區(qū)生產(chǎn)總值0.968???4全社會(huì)固定資產(chǎn)投資總額0.876???5第二產(chǎn)業(yè)增加值0.987???6第三產(chǎn)業(yè)增加值0.869??7財(cái)政收入0.977???8財(cái)政支出0.988???9社會(huì)消費(fèi)品零售總額0.956???10人均住房建筑面積0.950???11城鎮(zhèn)常住居民人均可支配收入0.953???12糧食產(chǎn)量0.858??

        注:**、***分別表示0.05、0.01的顯著水平

        Note:**,*** indicated a significant level of 0.05,0.01 respectively

        由表3可知:

        (1)在顯著性水平為0.01時(shí),蕪湖市地區(qū)生產(chǎn)總值、全社會(huì)固定資產(chǎn)投資總額、財(cái)政收入、第二產(chǎn)業(yè)增加值均與信息熵高度相關(guān);在顯著性水平為0.05時(shí),第三產(chǎn)業(yè)增加值與信息熵呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.869,相關(guān)性低于地區(qū)生產(chǎn)總值和第二產(chǎn)業(yè)增加值。分析表明,隨著蕪湖市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,尤其是第二、三產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,建設(shè)用地需求不斷擴(kuò)大,使得蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變,其信息熵增大。今后,蕪湖市應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步發(fā)展第二產(chǎn)業(yè),努力做大做強(qiáng)第三產(chǎn)業(yè),促進(jìn)蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

        (2)人口以及城鎮(zhèn)化因素是影響土地利用變化的重要社會(huì)因素。在顯著性水平為0.01時(shí),蕪湖市的總?cè)丝?、城?zhèn)化率與信息熵同樣呈現(xiàn)高度正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.909、0.965,說(shuō)明隨著新型城鎮(zhèn)化的推進(jìn),總?cè)丝诘脑黾印⒊擎?zhèn)人口的增多、城鎮(zhèn)化水平的提高使信息熵值增加。

        3 結(jié)論與討論

        3.1結(jié)論土地利用結(jié)構(gòu)信息熵結(jié)果表明,在時(shí)間上,蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)但增長(zhǎng)速度逐漸放緩的態(tài)勢(shì),均衡度呈上升趨勢(shì),優(yōu)勢(shì)度則是不斷減小,成因主要是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和建設(shè)用地增加導(dǎo)致蕪湖市單一地類(lèi)的優(yōu)勢(shì)度降低,土地利用結(jié)構(gòu)緩慢向均衡狀態(tài)發(fā)展。在空間上表現(xiàn)出市轄區(qū)的信息熵普遍高于下轄4縣,4區(qū)信息熵值呈現(xiàn)逐漸增加或波動(dòng)上升的態(tài)勢(shì),而下轄4縣呈現(xiàn)波動(dòng)上升或減少趨勢(shì),但波動(dòng)較小,相對(duì)來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)更為單一,土地利用結(jié)構(gòu)較不均衡。蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的空間差異反映了其所下轄的4區(qū)4縣的土地利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性、有序性和均衡度存在較大差異。

        相關(guān)性分析結(jié)果顯示,土地利用結(jié)構(gòu)變化是導(dǎo)致研究期間蕪湖市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵增加的直接原因。而人口經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、城市化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也與信息熵的上升有著十分密切的關(guān)系。蕪湖市在實(shí)施相關(guān)的新型城鎮(zhèn)化、工業(yè)化戰(zhàn)略的過(guò)程中,應(yīng)以土地資源結(jié)構(gòu)效率為依據(jù),以現(xiàn)狀為基礎(chǔ),對(duì)一定時(shí)期內(nèi)的土地資源利用方式、數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間布局做出戰(zhàn)略性的部署與調(diào)整,同時(shí)應(yīng)兼顧土地利用結(jié)構(gòu)的有序性和效率,以防止城市規(guī)模的快速擴(kuò)張所引起的土地利用結(jié)構(gòu)的不合理和土地利用系統(tǒng)無(wú)序的現(xiàn)象。

        3.2討論信息熵的動(dòng)態(tài)演變,可以較好地反映土地利用類(lèi)型的變化,對(duì)具體區(qū)域的土地資源的配置具有指導(dǎo)作用。但是由于不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度有所差別,究竟其土地利用信息熵應(yīng)該為多少才適合該區(qū)域并沒(méi)有進(jìn)行深一層的討論分析。此外,由于獲取土地?cái)?shù)據(jù)的有限性,該研究區(qū)段僅有7年且無(wú)法通過(guò)圖件疊加從空間角度進(jìn)行差異性分析,在這方面還有待進(jìn)一步完善。

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