基于空间洛伦茨曲线的县域土地利用结构分析

杨婷　罗红霞　刘光鹏　郑才贵

摘要：利用2011年重庆市忠县土地利用数据，构建9种土地利用现状类型数据体系，基于土地利用信息熵与空间洛伦茨曲线相结合的方法，对忠县28个乡镇的土地利用结构进行基于县域尺度下的空间分析和研究。结果表明，忠县土地利用信息熵呈现出明显的差异性，并且从空间角度将全区分成信息熵高值区、信息熵中值区、信息熵低值区，平均信息熵值为1.24Nat，信息熵最高值为1.63Nat，信息熵最低值为0.69Nat；重庆市忠县耕地、建设用地、林地的分布最为均衡分散，水域、未利用土地分布则相对集中，充分利用各乡镇的优势资源发展特色产业，从而优化全县土地利用结构，推进土地的集约利用。

关键词：土地利用结构；信息熵；空间洛伦茨曲线；县域尺度；重庆市

20世纪90年代以来，土地利用与土地覆盖变化作为全球环境变化人文因素计划（IHDP）和国际地圈生物圈计划（IGBP）的核心科学计划，对其主要方面的研究已成为了当今的热点方向和重要课题，而土地利用是一个多投入多产出的系统，其利用结构和效率状况直接影响到某一地方的社会经济发展和人居环境建设。近年来，中国诸多学者从不同角度对此进行了探讨。在研究方向方面，包括对土地利用空间结构的定量分析和优化配置、土地利用的合理度和绩效评价、土地利用类型的演变特征及驱动力分析等：在研究尺度上，大多集中在全国、省级和地区等大中区域尺度上，而针对县域范围等小区域尺度的研究并不多见：在研究方法上，多采用静态分析（多样化+集中化+组合类型+区位意义）与动态分析（动态度+利用程度+信息熵）相结合的计量地理分析方法、分形模型、熵权TOPSIS模型、空间洛伦茨曲线和基尼系数分析法等。上述研究在土地利用结构理论研究的深入和方法角度方面的创新上进行了积极地探索，对土地利用实践具有重要的指导意义。

因此，了解县域土地资源利用情况、分析土地利用结构的特点和合理程度、发掘土地利用结构存在的矛盾是当前的首要问题。本研究采用信息熵与空间洛伦茨曲线相结合的方法，以ArcGIS为辅助工具，对重庆忠县的土地利用结构进行空间上的分析和研究，以期为区域土地利用的合理规划管理和可持续发展提供科学依据。

1.材料与方法

1.1研究区域概况

忠县位于重庆市中部长江北岸，三峡库区生态经济区的腹心地带，也是三峡库区惟一留存的“半淹县城”，生态环境脆弱，自然灾害频发，人地矛盾突出。介于东经107°32′-108°14′，北纬30°03′-30°53′，辖区东西宽66.45 km，南北长60.15 km，幅员面积2 187.08 km²。东邻万州区，西连垫江县、丰都县，北接梁平县，南靠石柱县，辖28个乡镇，有332个村和31个居委会，2011年忠县常住总人口为75.14万人，GDP达到120.4亿元。全县在地貌上属于川东褶皱带平行岭谷区，是典型的丘陵地貌，境内呈“三山两槽”地形，由金华山、方斗山、猫儿山3个背斜和其间的拔山、忠州2个向斜构成，气候属亚热带东南季风气候，全年四季分明，冬暖夏热。

1.2数据选择与预处理

基于忠县2011年1：50 000的土地利用变更调查数据、忠县行政区划数据、忠县2011年统计年鉴数据，根据《全国土地分类（过度期间适用）》的土地利用分类标准，利用研究区域2011年的土地利用变更调查数据，按耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地、建设用地、交通水利用地、水域、未利用地9种一级地类提取土地利用现状一级分类的面状数据，并进行土地利用类型统计。

1.3研究区域土地利用现状

2011年忠县土地总面积为2 187.08 km²，其中，耕地面积1 088.61 km²，占土地总面积的49.77%：园地面积180.77 km²，占土地总面积的8.27%：林地面积606.39 km²，占土地总面积的27.73%：牧草地面积29.88 km²，占土地总面积的1.37%：其他农用地10.38 km²；占0.47%：建设用地148.23 km²，占土地总面积的6.78%：交通水利用地10.91 km²，占0.5%：水域107.79 km²，占4.93%：未利用土地4.12 km²，占0.19%。

2.结果与分析

2.1忠县土地利用信息熵时空演变分析

通过计算2011年忠县土地利用结构的信息熵、均衡度、优势度，得到相关结果并进行分析。从空间分布的角度来看，忠县28个乡镇土地利用信息熵差异比较明显，全县信息熵平均值为1.24 Nat，最高值为1.63 Nat（忠州镇），最低值为0.69 Nat（石子乡）。高于或等于全县信息熵平均水平的有13个乡镇，分别为汝溪镇、新立镇、三汇镇、黄金镇、白石镇、洋渡镇、任家镇、乌杨镇、新生镇、石宝镇、东溪镇、复兴镇、忠州镇，其中，高于1.5 Nat的只有3个乡镇（忠州镇、复兴镇、东溪镇）；剩下的15个乡镇信息熵均低于全县土地利用结构信息熵平均值（表1）。

从总体上看，忠县各乡镇的土地利用结构处于低水平有序发展阶段，而均衡度较高的有忠州镇、复兴镇、东溪镇，分别为0.74、0.70、0.69。相反，优势度较高的有石子乡、磨子乡、花桥镇，分别为0.69、0.52、0.52，优势度较低的有忠州镇、复兴镇，分别是0.26、0.30。参照相关文献，根据当地实际的空间情况和信息熵值的大小，可将忠县各乡镇分为信息熵高值区、信息熵中值区和信息熵低值区，详见图1。

2.1.1信息熵高值区（1.5～1.8 Nat） 信息熵高值区包括忠州镇、复兴镇、东溪镇，3个城镇地处忠县东部，濒临长江，交通运输等基础设施较好，经济社会发展较快，城市功能逐渐完善，属于中心城区范围，相比之下的土地利用职能转变较快，土地利用结构无序化程度较高。该区土地利用类型以耕地、林地、水域、建设用地为主，分别为84.58、47.19、45.30、26.51 km²，占信息熵高值区土地总面积的36.24%、20.22%、19.41%、11.36%。该信息熵高值区耕地、林地面积百分比均低于2011年忠县全县县域范围内相应地类的面积百分比，水域、建设用地则高于全县县域范围内相应地类的面积百分比。由此可见，土地利用结构信息熵的高值具体表现在城镇用地、交通运输等基础设施用地的扩张，导致该区耕地资源总量的不断减少，土地利用职能的快速转变增大了土地生态系统的无序程度。

2.1.2信息熵中值区（1.2～1.5 Nat） 信息熵中值区包括汝溪镇、石宝镇、涂井乡、官坝镇、三汇镇、黄金镇、白石镇、洋渡镇、任家镇、乌杨镇、新生镇、新立镇，该区以耕地、林地为主，分别为582.07、347.39km²，占信息熵中值区土地总面积的48.98%、29.23%。从整体上看，这些乡镇的地类占地比较均衡，经济社会发展处于稳步提升的阶段，土地利用结构较为平衡有序。其中新立镇虽地处城郊，却是全县独具影响力的农业特色镇、工业强镇和生态旅游名镇，耕地面积达到68.20 km²，占该镇总面积的56%以上。

2.1.3信息熵低值区（0-1.2 Nat） 信息熵低值区包括拔山镇、马灌镇、永丰镇、花桥镇、双桂镇、金鸡镇、石黄镇、野鹤镇、金声乡、兴峰乡、善广乡、石子乡、磨子乡，耕地是该区的主要土地利用类型，达到421.95 km²，占信息熵低值区土地总面积的55.14%，高于全县平均值49.77%，建设用地占6.71%，交通运输用地则仅占0.46%，土地利用结构单一且不合理，这些乡镇由于不便的交通和低水平的城市化阻碍了其经济发展。

总之，运用土地利用信息熵可从整体上反映出忠县土地利用结构的空间分布情况和有序化程度，但是空间信息熵局限于未能分别描述每种土地利用结构，为克服这种不足，可以将信息熵与空间洛伦茨曲线相结合，直观地反映出某种地类在空间上的分布差异性，弥补信息熵的局限性。

2.2忠县洛伦茨曲线分析

计算2011年忠县各乡镇的9个土地利用类型的区位熵以后，按着步骤绘制出了土地利用类型的洛伦茨曲线图（图2），每条曲线对应的乡镇如表2所示。

从各地类分布均匀程度来看，2011年耕地、建设用地、林地的空间洛伦茨曲线距绝对均匀线最近，表明此3种用地类型在全县范围内分布最为分散，其次是园地、其他农用地，交通水利用地和牧草地距绝对均匀线较远，而水域、未利用土地离绝对均匀线最远，即在全县分布最不均衡，在各乡镇的面积比例差异很大。

从各乡镇土地利用专门化程度来看，空间洛伦茨曲线各点从坐标轴0点开始，相邻两乡镇斜率（a）大于1时，说明该乡镇某地类占全县该地类的比例高于该乡镇土地总面积的比例占全县总面积的比例。以耕地空间洛伦茨曲线为例，从原点0开始，应分别代表石子乡、忠州镇、新生镇、复兴镇、东溪镇等（表3），石子乡和忠州镇连线的斜率很小，从新生镇开始，斜率开始变大，说明新生镇的耕地比例高于石子乡，新生镇在占全区4.57%的土地上，耕地面积就占了全区的3.32%，而石子乡在占1.79%的土地上，耕地面积仅占全区的0.98%，计算结果与实际情况相一致。同理，水域在黄金镇出现了明显的拐点，在拐点之前的各乡镇区位熵均小于1，白石镇在占全区6.29%的土地上，水域面积就占了全区的1.10%：而拐点之后的各乡镇区位熵出现了转折，数值均大于1，洋渡镇在占全区3.61%的土地上，水域面积就占了全区的5.91%。

从各乡镇土地利用特色规律来看，石子乡的林地占65.8%，空间洛伦茨曲线位于斜率较大的部分，而建设用地仅占全乡0.03%，交通用地只占全乡0.002%，相比之下，石子乡的林业资源非常的丰富，利用空间洛伦茨曲线可以分析出各区域的土地利用优势，结合区域实际情况来确定最佳土地利用目标，大力发展特色产业并推进土地的集约利用，优化土地利用结构。

3.小结与讨论

3.1小结

1）忠县28个乡镇土地利用信息熵差异比较明显，总体上处于低水平有序发展阶段。信息熵高值区以耕地、林地、水域、建设用地为主，土地利用职能转变较快，土地利用结构无序化程度较高：信息熵中值区以耕地、林地为主，地类占地比较均衡，土地利用结构较为平衡有序：信息熵低值区以耕地为主，经济结构单一，土地利用结构不均衡。

2）空间洛伦茨曲线直观地反映出耕地、建设用地、林地在全县范围内的分布最为均衡分散，水域、未利用土地分布则相对集中。其次，利用空间洛伦茨曲线的斜率和拐点判断出了各乡镇的土地利用专门化程度。同时，分析各区域的土地利用优势，充分利用各乡镇的优势资源发展特色产业，从而优化全县土地利用结构，推进土地的集约利用。

3.2讨论

本研究将信息熵与空间洛伦茨曲线相结合运用到忠县土地利用空间结构分析上，避免了单由信息熵反映土地利用结构有序程度的片面性，从整体和局部的全方面角度上分析县域尺度的土地利用结构特点和差异。但统计数据以单一年份为基础，导致分析结果缺乏时序性的纵向对比。而利用信息熵研究土地利用结构时，吸取了前人的研究成果，同时结合该区域的实际情况选择了土地利用信息熵的临界值，尽可能地保证了分析结果的科学性与合理性，但在今后的研究中仍需进一步研究并完善。