基于信息熵的土地利用结构研究——以江苏省南京市为例

刘智超，赵姚阳

（河海大学公共管理学院，江苏南京210098）

土地利用结构是指一定区域内，国民经济各部门所占用的特定的用地类型按一定的构成方式组成的集合，是经济结构在土地上的表现方式[1]。土地利用结构的变化反映了区域发展和人类活动的强度，是土地利用演变的直接体现。信息熵是对均衡度和无序度的量度，是不确定的量度，不确定性越大越无序，所以信息熵也是无序性的一种量度。土地利用信息熵越大，各要素发展越均衡，土地利用系统的有序性程度越低，当系统完全达到平衡时，信息熵达到极大值。信息熵可综合反映区域各类土地利用类型的动态演变规律及其转换程度[2]，对土地利用结构的调整和优化具有一定的指导作用。南京地处长江中下游地区，是国内经济大省江苏的省会，作为经济发展强劲的长江三角洲的中心城市之一，其工商业发达。

本研究基于Shannon信息熵理论，研究南京整体及市内各片区在一定时段内各种土地利用类型的动态变化及其转换程度，揭示影响南京市土地利用结构信息熵和均衡度变化的驱动因素，为土地资源在部门间的均衡配置、在空间上的合理布局以及保持土地利用系统的良性循环，提高土地利用的生态、经济和社会效益，促进社会经济的可持续发展提供理论依据和决策参考。

1 研究理论方法与模型的构建

1.1 数据来源

本研究数据来源于南京市国土资源局统计的2005—2010年南京市土地变更调查资料，根据2002年发布的《土地分类标准》（过渡期适用），把2005—2010年的土地利用结构数据分为耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地、居民点及独立工矿用地、交通设施用地、水利设施用地、未利用地和其他土地10大类来分析计算。

1.2 研究方法

信息熵原是一个物理学的概念，用来测度系统的复杂性和均衡性[3-4]。一般来说，信息熵值越高，其系统有序度越低，系统越紊乱[5]。土地利用结构信息熵可以综合地反映一定时期研究区域内各种土地利用类型的动态变化以及转化的程度，对优化和调整区域土地利用结构具有一定指导作用[6]。

H 的高低可以反映城市土地利用的均衡程度，熵值越高表明不同职能的土地利用类型越多，各职能类型的面积相差越小，土地分布越均衡。当城市各用地类型的面积相等时，熵值达到最大，则表明城市土地利用达到了均衡状态。

理论上，当各种土地利用结构类型的面积相等时，土地利用结构信息熵达到最大值，有：

由此可见，熵值大小反映土地利用类型的多少及各土地类型面积分布的均匀程度，即土地类型越多，各类型土地面积的百分比相差越小，熵值越大。

基于信息熵函数引入土地利用结构的均衡度公式为：

显然，J 取值介于0～1之间，J 值越大表明土地利用的均衡性越强。

2 实证研究

2.1 研究区概况

研究区域为南京市，其位于长江下游中部富庶地区，江苏省西南部。市域地理坐标为北纬31°14′～32°37′，东经118°22′～119°14′。市中心（新街口）地理坐标为北纬32°02′38″，东经118°46′43″。全市行政区域总面积6 587.02 km2。南京市跨江而居，北连辽阔的江淮平原，东接富饶的长江三角洲，与镇江市、扬州市、常州市及安徽省滁州市、马鞍山市、宣州市接壤。南京地貌特征属宁镇扬丘陵地区，以低山缓岗为主，低山占土地总面积的3.5%，丘陵占4.3%，岗地占53%，平原、洼地及河流湖泊占土地总面积的39.2%。全市湖泊、水库棋布，河流网织，水域面积达11%以上。

2.2 南京市整体土地利用的结构动态演化

南京作为长江三角洲的中心城市之一，经济发展水平领先全省，但市内各片区经济发展欠均衡，区域内不同类型经济的发展状况差异较大。不同片区的工业化水平相差很大，到目前为止，郊县的工业总产值大大高于主城区，尤其是栖霞区、江宁区、六合区的工业总产值始终跃居全市前三甲。不同片区的农业经济差别也很大，农业经济以江北和南部片区为主。而这种经济发展水平的片区差异为研究土地利用结构演化特征带来了天然的便利条件，比较不同片区的土地利用结构均衡度，从中发现城市问题，优化土地利用布局，寻找更为科学合理的土地利用方式。

选择南京并把南京分为6个片区2个层面研究各种不同类型用地面积的变化。南京下辖两县十一区。为便于比较，根据其土地资源所在的地理位置，划分南京经济区划，分别是主城区（玄武区、白下区、秦淮区、建邺区、鼓楼区、下关区），东北片区（栖霞区），西南片区（雨花台区），东南片区（江宁区），江北片区（浦口区、六合区）和南部片区（溧水县、高淳县）。将这6大片区作为基本评价单元。南京整体与片区相结合，突出了研究的战略性和层次性；片区与片区相比较，突出了研究的针对性和可用性。

根据土地利用结构信息熵和均衡度的计算公式（1）和（2），对南京市该期间内的土地利用结构信息熵和均衡度进行了计算（表1）。2005—2010年南京土地利用结构信息熵变化趋势如图1所示。

由表1可知，根据2005—2010年的土地变更数据，南京市土地利用结构信息熵和均衡度近6 a呈现波动中趋向上升的状态，表明土地利用类型转换程度逐步加剧，但土地利用结构趋于均衡。2005年的全国土地利用结构信息熵和均衡度最低，说明当时南京土地利用结构变化较小，但各种土地利用类型所占比例最不均衡；此后，2005—2008年土地利用结构均衡度呈现平稳态势，2009年土地利用结构信息熵和均衡度有较大幅度提高并达到最高点，表明土地利用结构变化加快，各类用地比例不断调整,说明此时土地利用结构变化最大，而各类用地比例差别最小；2010年的结构均衡度较2009年有所降低。经分析，形成这种趋势的原因主要是从2009年开始农业结构调整，使耕地和牧草地减少，园地、林地、居民点及独立工矿用地和交通设施用地等建设用地面积增加，未利用地和其他土地面积减少，可见，生态退耕及兴建园林、城市建设是导致南京土地利用结构加快调整、各类用地转换增加的主要根源。

表1 2005—2010 年南京土地利用结构、信息熵和均衡度

2.3 南京市片区土地利用结构均衡度的时空演化

根据国土资源部2002年发布的《土地分类标准》（过渡期适用），虽然其他土地算作未利用地小计之中，但未利用地是指荒草地、盐碱地、沼泽地、沙地、裸土地、裸岩石砾地等难以利用或利用成本较高的土地，而其他土地指河流水面、湖泊水面、苇地、滩涂、冰川及永久积雪等水域，二者存在区别；南京市2005—2010年未利用地和其他土地平均占比分别为1.694%和7.525%，二者存在较大差距。为保证土地利用结构信息熵和均衡度的精确性，故将二者分开进行计算。分析得出土地利用结构信息熵和均衡度，并进行比较（表2，3）。分析表2，3的结果，总的判断是：南京市各片区土地利用结构均衡度在2005—2010年期间的时空分异特征表现得十分突出。

表2 2005—2010 年南京各片区土地利用结构信息熵

由图2可知，2005—2010年，所有区域的土地利用结构均衡度均呈波动的态势，但变化的趋势不尽相同。其中，主城区、东北和西南片区先下降后上升，之后又下降；南部片区则与以上3个区域相反，表现为先上升后下降，之后再上升；东南和江北片区保持上升势头，只分别在2008年和2010年略有下降；而主城区土地利用结构均衡度仅仅达到其他片区平均水平的1/2多一点，空间分异特征表现十分突出；只有南部片区2009年土地利用结构均衡度为6 a最低，而其余片区均在这一年达到最高点。

表3 2005—2010 年南京各片区土地利用结构均衡度

从空间上比较，2005年南京市各片区土地利用结构均衡度大小排名是东北、东南、江北、西南、南部、主城区，而到2010年南部片区排名上升了1位，与西南片区交换了位置，说明该时段内东北片区土地利用结构的均衡质性最强，主城区最弱，而南部片区上升迅速。分析发现，主要是因为东北片区的土地利用结构最为分散，除了耕地面积占21.19%、居民点及独立工矿用地面积占33.99%领先外，其余各类型土地面积分布相对不如其他地区差距显著；主城区则过于集中到居民点及独立工矿用地上，这一类土地就占了73.1%，而耕地只占2.3%，水利设施用地占0.61%，未利用地占0.2%，各类型土地面积分布差异显著；而南部片区土地利用结构转换最为明显，尤其表现为耕地、园地和林地的减少，居民点及独立工矿用地和交通设施用地的增加，分散了各类型用地的面积。

2.4 南京市片区土地利用结构均衡度的影响因素分析

2.4.1 产业结构因素的影响 基于近年来南京栖霞区新港开发区、南京滨江开发区、雨花台、溧水、六合、栖霞、浦口、高淳等经济开发区以及南京海峡两岸科技工业园等的大力推行，东北、西南、东南、江北以及南部片区的工业经济迅猛发展。主城区的第三产业占比达到80%以上，且比例在逐年上升，而第三产业所需要的商服用地、住宅用地、公共管理及公共服务用地包含在居民点及独立工矿用地之中，因此，主城区的居民点及独立工矿用地面积比例占据绝对领先的地位。而第一产业最高不超过0.2%，且比例在逐年下降。因此，耕地占比与其他类型用地尤其是居民点及独立工矿用地占比悬殊，致使与其他片区相比，主城区土地利用结构的均衡度处在较低水平。而距离主城区较近的东北和西南片区农业经济虽呈逐年下降趋势，但相比主城区来说大大提高，第二产业得到大力发展，因此，耕地占有一定的比例，建设用地占有较大比例。距离主城区较远的东南、江北和南部片区农业经济比较发达，同时第二产业表现出强劲的发展势头，第三产业发展也占到30%左右的比例，因此，各种不同类型的用地占比差距较小，土地利用结构均衡度较高。

2.4.2 经济增长因素的影响 土地利用结构与特定的社会经济条件相联系[9]。南京市江北和南部片区的经济发展水平相对落后，土地利用结构比较稳定，而主城区经济发达，人口密集，商服用地、住宅用地、公共管理及公共服务用地以及交通设施用地等需求量大，土地利用结构变化较快；2008年还经历了全球金融危机，外部市场萎缩，国内外企不景气，经济增长缓慢也减轻了土地压力，然而，政府运用灵活审慎的宏观调控机制通过拉动内需促进经济的增长带动了用地需求。可以看出，除南部片区的高淳县和溧水县外，其余5个片区在2009年的土地利用结构均衡度都达到了最高点。

2.4.3 制度因素的影响 依照2006年南京市国土资源局重申的《土地复垦规定》（国务院令第19号），对在生产建设过程中，因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地，根据经济合理的原则和其自然条件以及土地破坏状态，在符合城市规划的框架下采取整治措施，使其恢复到可供利用的状态，从而达到合理高效地利用土地、改善生态环境的目的，以及《土地利用年度计划管理办法》和江苏省国土资源厅《关于做好2004年度耕地占补平衡补充耕地项目库建设工作的通知》等行政法规的贯彻执行，对南京市控制建设用地总量、保护耕地起了很大作用，有效地控制了农用地转为建设用地的总量和速度。近年来，南京市加大城市绿化环保工作力度，整治园林景观，重视绿化覆盖率、城市行道树、经济林园和农田林网的建设。经统计，主城区主要是园地、林地和交通设施用地增速较快，而耕地、未利用地和其他土地减速较快；东北片区主要是交通设施土地和未利用地增速较快，园地有增加，耕地和其他土地减速较快；西南片区主要是园地、居民点及独立工矿土地、交通设施用地增速较快，而耕地、牧草地、其他农用地、未利用地和其他土地减速较快；东南片区主要是园地、居民点及独立工矿用地、交通设施用地增速较快，而其他农用地和未利用地减速较快；江北片区主要是园地、居民点及独立工矿用地、交通设施用地增速较快，而牧草地、其他农用地、未利用地减速较快。南部片区主要是耕地、林地、牧草地、居民点及独立工矿用地、交通设施用地增速较快，而其他农用地、未利用地减速较快，该片区也是南京市耕地面积增加的唯一区域。

3 结论与建议

本研究结果表明，2005—2010年南京市整体土地利用结构信息熵和均衡度近6 a呈现波动中趋向上升的状态，表明土地利用类型转换程度逐步加剧，总体来说土地利用结构趋于均衡状态，但仍需要将建设占用耕地的总量和速度控制在合理的范围内。建议引导南京市优先利用平原、丘陵等适宜建设用地区域进行建设，避免对山林、水体的破坏；在山区、生态保护区域，加大退耕还林、还草的力度，维护好南京市的整体生态环境；在居民区、生活休闲区域，增加生态绿地、生态水域等生态用地的建设和保护，提高居民的生活品质[10]。要遵循自然规律和社会经济发展规律，正确认识并处理好人口、资源、环境、发展之间与各种不同类型用地的相互作用关系[11]，实施农、工、商协调发展战略，对其土地资源的各种利用类型进行更加合理的数量安排和空间布局，以提高土地利用效率和效益，维持土地生态系统的相对平衡，实现土地利用系统的良性循环和可持续发展。

鉴于南京市6个片区各自不同的土地利用的结构动态演化，尤其是主城区与其他5个片区相比显著的空间分异特征，则应按照发挥比较优势、优化资源配置的原则制定相应的对策。主城区由于社会经济特别是商业快速发展、人口密集，应在现代城市的中心重视林业发展，提高绿化覆盖率和人均公共绿地面积。而将大面积的商服用地、居住用地、机关团体及科教文卫娱乐用地等建设用地向城市边缘区和郊县分散，使主城区和其他片区的各职能类型的面积相差越小，各土地类型占比差距小。使土地资源在国民经济各地区、各产业、各部门合理分配和集约利用[12]，这样不仅可以缓解主城区的交通压力、生活压力、土地压力、改善城市中心的自然、人文环境，还可以促进郊县商业经济、科教文卫事业的发展，扩大城市圈，提高主城区和南京其他片区土地利用结构信息熵和均衡度。而相对第一产业占有一定比例、第二产业发达的城市边缘区和郊县来说，应本着合理高效利用土地的原则，统一规划和科学利用土地[13]，采取有效措施加强城镇以及工矿用地的集体节约利用程度[14]，杜绝工业用地布局凌乱、低效利用的问题发生，严控建设占用耕地的总量和速度，禁止将耕地擅自改作他用，切实保护好耕地；加强对违法用地的惩罚，降低未利用土地的比例[15]。并且重视交通基础设施建设，完善陆路交通立体网络，使主城区与郊县之间交通快捷、便利与舒适。尽可能提高未利用地的利用率，使其余5个片区的用地类型结构更加合理化和均衡化。

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