快速城市化下的城市土地利用结构信息熵变化及其动因分析—以陕西省商州区为例

杜 学，杨海娟

(西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127)

土地利用结构是区域自然、经济、社会和科学技术诸条件的综合表现［1］。随着城市化进程的快速推进，建设用地需求量的不断增加以及人为因素的干扰使得土地利用结构发生着变化，其结构的有序性、合理性最终将决定土地的可持续利用。熵作为热力学的一个概念，揭示了一个物质系统中能量的衰竭程度，通过比较事物不同状态下系统的熵值大小，可以辨别系统的转化方向［2］。熵值的大小表征了系统的有序程度，而土地利用结构这一系统的有序程度又受到许多因素的干扰，近年来，一些学者利用熵值函数模型对区域土地利用结构和形态的时空分异特征进行了初步研究，并取得了一定的研究成果［3－9］。本研究借助于信息熵模型，以商州区为样本，借助近7年的土地数据对土地利用结构的变化及导致这一变化的动因进行分析和探讨。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

商州区位于陕西省的东南部、秦岭东段南麓。介于东经109°30'至 110°16'和北纬 33°00'至 34°12'之间。北据蟒岭与洛南县相依，南抵流岭与山阳县相邻，西越秦岭与蓝田、柞水县相接，东下丹江与丹凤县相连。东西长67.5 km，南北宽65 km，土地总面积为 2644.36 km2，2005年，全区总人口55.29万人，其中农业人口 39.70万，非农业人口 15.59万人，城镇化率32.41%，人均生产总值4 053元。

1.2 数据来源

本文所采用的商州区1999～2005年期间的土地利用结构变化数据来自商洛市国土资源局的土地利用变更调查统计数据，具有真实性和权威性。为便于分析，将土地利用结构分类调整为耕地、园地、林地、牧草地、城乡建设用地、交通运输用地、水体用地和未利用地等八大类(表1)。

表1 商州区1999～2005年土地利用结构及其信息熵

2 研究方法

2.1 土地利用结构信息熵的计算

城市土地利用系统是自然、人类、社会、科学和技术等合成的开放的复杂系统，具有耗散结构的特征［8］。城市土地利用的空间结构特征可以用信息熵表示。根据C.E.Shannon熵公式可以构建土地利用结构信息熵，简称土地利用结构信息熵(H)［10］。

式中:A为土地总面积，N为土地种类，Ai为各土地类型的面积(i=1，2，…，N)，Pi为各土地利用类型占该区域宗土地面积的百分比。

式中:H为信息熵，可以看出H≥0，熵值的高低可以反映城市土地利用的均衡程度。当各土地类型面积相等，即A1=A2=…=Ai=A/N时，P1=P2=… =Pi=1/N，此时熵最大，即H=Hmax=logN。因此，熵值越大，土地类型越多，各类型的面积相差越小，类型所占总面积的比重就越小，系统有序程度越低。

2.2 土地利用均衡度和优势度的计算

根据上面的信息熵的公式可以推出土地利用均衡度J［7］的公式:

式中:J表示均衡度，显然，由于J值在0～1之间变化，J值越大，城市土地利用的均质性越强。

进而可以创建土地利用优势度I［7］的公式:

式中:I表示优势度，它反映了区域内一种或多种土地类型支配该区域土地类型的程度，与均衡度的涵义相反。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构信息熵值变化分析

由表1和图1可以看出，1999～2005年商州区土地利用结构信息熵呈下降趋势，但由于变化幅度不大，所以基本经历的是一个不断调整的过程。1999年，商州区土地利用结构信息熵值最高，为1.216，表明其土地利用有序度最低;1999～2001年，熵值缓慢下降，仅降低 0.001，2000年调整为1.215，2001年保持不变。2001～2003年期间，信息熵减少的幅度最大，2003年的熵值达到最低值为1.204，表明其土地利用有序度最高;2004～2005年期间，熵值又略微上升，2005年调整为1.207，2004年熵值保持1.204不变。由此可见，与1999年相比，商州区土地利用结构信息熵有所降低，土地利用类型结构趋于稳定，系统的有序度总体呈现上升趋势。

随着土地利用结构熵的不断降低，均衡度也在不断降低，优势度则向相反方向呈增加趋势。1999年土地利用结构均衡度为 0.585，优势度为 0.415，均衡度 ＞优势度，相差0.17;2005年土地利用结构的均衡度为 0.581，优势度为0.419，均衡度 ＞优势度，相差 0.162。1999～2005年期间，均衡度持续下降，优势度则持续上升。相应的，均衡度的下降，表明该区域土地利用结构的均质性有所下降，而优势度的提高，表明该区域内单个或多个土地类型支配土地类型的程度增强，但不是很明显。1999～2005年期间，商州区土地利用结构变化表现为，耕地面积减少的幅度最大，净减少3 948.5 hm2;林地面积减少幅度较大，为 3 477.7 hm2;城乡建设用地面积有所增加，净增加968.2 hm2。

综上所述，1999～2005年商州区土地利用结构总体处于一种调整状态，但是向有序方向发展，其信息熵值变化较小，结构变化则较少。

图1 商州区1999～2005年土地利用结构信息熵值变化图

3.2 土地利用结构信息熵变化的动因分析

3.2.1 土地利用内部结构的变化

从上面的结果分析可以看出，土地利用内部结构的变化是土地利用结构信息熵变化的直接因素，优势度的增加也表明了该区域某几种土地类型的变化支配整个区域土地类型的程度增强。商州区1999～2005年期间，耕地、园地、牧草地、未利用地的面积减少，而城乡建设用地(包括城市、建制镇、农村居民点和工矿用地)林地、交通运输用地和水体用地的面积增加，这些用地类型面积的变化符合商州区近些年发展的要求，但由于商州区的发展速度较为缓慢，变化数据表明，其土地利用的方式由无序向有序变化，由粗放型向集约型转变。

3.2.2 人口增长与城市化进程的推进

人口的增长是一系列问题的推动力，首先是受比较利益的驱动，进行农业内部结构的调整，而这种调整带有自发性，缺乏指导，导致土地利用结构的不合理性;其次是导致建设用地需求的增加［11］。

1999年商州区总人口为53.70万人，2005年总人口为55.29万人，平均每年增加0.23万人;同期土地利用结构信息熵由 1.216 减少为 1.207，净减少 0.009，人口数量的变化方向与信息熵的变化方向呈反方向，可以看出商州区人口的增长对于该区域土地利用结构的有序度是一种促进作用。人口的增长与土地利用结构信息熵有着相反的变化规律。

1999年人均GDP为1550元，2005年为4053元，年均增长357.57元;同期地均GDP由3148元增长到8474元，年均增长760.86元，而城镇化率也由15.07%增长到32.41%，数据表明，近7年内商州区经济发展速度较快，城镇化率水平较高，其对土地利用结构信息熵减少的促进作用同人口的增长是一致的，这说明，在经济因素的影响下，商州区对于土地的利用更趋于合理化和集约化，从而使得其土地利用更趋有序化。

3.2.3 政策环境的影响

政策环境是区域发展的外部动因，好的政策环境有利于吸引外资，吸引先进技术的投入，最终会使得该区域的发展更加具有先进性，由最初的重农业向工业化发展，土地的利用显得高效化。商州区在西部大开发这一大的政策环境下发展，在陕西省退耕还林政策的指导下，在政府的引导下，商州区各行各业的用地得到了合理安排，基本解决了人地矛盾和地地矛盾。

4 结论

通过对商州区1999～2005年土地利用结构信息熵变化的分析，可以得到利用熵函数模型对土地利用结构进行分析研究是可行的，其数值的大小反应了土地利用结构的时序变化，数值越大，系统无序性越高。从分析结果可得，商州区近7年内土地利用结构趋向有序化，社会经济发展、人口增长及好的政策环境对于土地利用结构信息熵具有较大的影响，对于刚刚起步的城市，这些动因所起的作用是促进性的，有利于土地利用结构的优化，但这一促进性作用是暂时的，随着该区域社会经济的进一步发展，这些动因可能会成为无序化发展的动因，因此，商州区政府应做好协调引导工作，合理配置土地资源，实现土地的可持续利用。

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