隴南山地土地利用結構動態演變分析

吳燕芳,石培基,劉寧寧

(西北師范大學地理與環境科學學院,蘭州730070)

研究土地利用的空間結構特征及其時間變化是研究一個地區自然、資源條件和社會經濟發展區域結構及其優化配置的重要途徑之一,對區域產業布局、土地的合理利用具有重要的指導意義[1-2]。土地本身是一個具有耗散結構的自然歷史綜合體,具有結構和功能的有序性特征,因此土地利用系統的有序程度可以用信息熵來描述和刻畫[3]。國內已有不少學者借助該理論就不同尺度不同特點的研究區做了分析與探討[3-9],但對山地地形為主的經濟欠發達地區的研究甚少。隴南山區地形復雜,地勢高差懸殊,氣候類型多樣,土地利用結構特殊,分析并探討該區域土地利用結構的動態演變特征,對于促進山地區土地資源的合理配置和有效利用,推動土地資源的可持續利用和有效保護有著積極的促進作用,同時也為該市新一輪土地利用總體規劃提供理論依據。

1 研究區概況、資料與方法

1.1 研究區概況

隴南市地處甘肅省南陲,東連陜西,南接四川,西鄰甘南州,北依天水市與定西市,素有“秦隴鎖月,巴蜀咽喉”之譽。位于東經 104°01′19″-106°35′20″、北緯 32°35′43″-34°32′00″之間 ,總面積 2.79 萬 km2。地形似楓葉狀,地勢西北高東南低,是甘肅省唯一屬于長江水系的地區。境內山高坡陡,交通不便,氣候類型多樣,森林覆蓋率高,生物多樣性豐富。年平均氣溫5～16℃,降水量400～1 000 mm?，F轄 1區 8縣,195個鄉鎮,3 237個行政村。2008年末總人口為261.79萬人,國內生產總值達121.6億元,人均生產總值4 396元。

1.2 資料與方法

研究所用基礎數據為隴南市國土資源局提供的隴南市1996-2008年土地利用變更調查數據。借助信息熵和均衡度函數對隴南市土地利用結構的時間演變及空間差異進行對比分析。

1.3 土地利用分類系統

以《全國土地分類(過渡期間使用)》分類系統為基礎,以保證數據完整性及時間序列可比性為原則,結合研究區土地利用現狀特征,將該區土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、牧草地、居民點及工礦用地、交通用地、水域及未利用土地8大類。

2 隴南市土地利用結構的數量及速度變化

區域土地利用的結構變化首先表現在不同土地類型的面積變化上,通過分析土地利用類型的總量變化,可直觀反映土地利用結構變化的發展趨勢及特點。由表1可知,研究區13 a來面積呈增加趨勢的地類為園地、林地、居民點工礦與交通用地;總量下降的地類為耕地、牧草地、水域和未利用地。數量變化最顯著的地類是耕地和林地,其變化量分別占總變化量的41.54%和39.90%,耕地的減少量與林地的增加量相當。受山地地形的影響,全市位于退耕還林范圍內的耕地面積巨大,近年來退耕還林績效突出,使得大量的耕地轉為了林地。其次是園地與未利用地,分別占總變化量的6.94%和5.59%,主要是由農業結構的調整和未利用地利用率的提高引起的。其余地類的變化均偏小。由此可見,全市土地利用的數量變化以農用地為主,變化量比重高達 90.33%。因此,該區土地利用變化的主導方向是農業結構的調整。

從各土地利用類型的年變化率可以看出,該區十多年來土地利用結構的變化速度較慢,年均變化率達0.340%,其中以園地的增長最為顯著;其次是居民點工礦用地和耕地;這是特色產業和城鎮化快速發展的結果。林地因其總量較大,變化部分所占比例偏小,故變化率偏小;牧草地及未利用地下降速度較緩,主要由于其大多分布于坡度過高或受地質災害威脅的地區,開發利用難度偏大。水域用地下降速度較快,區域生態環境趨于惡化。

表1 隴南市土地利用變化量與年變化率

3 隴南市土地利用結構的信息熵分析

3.1 信息熵、均衡度

土地利用結構信息熵的變化可綜合反映某區域在一定時段內各種土地利用類型的動態變化及其轉換程度,同時也可用來描述和刻畫土地利用系統的有序程度。計算方法如式(1)。

式中：A——研究區土地總面積;n——該區土地利用類型;Ai——每種類型的面積。

第i種土地利用類型占該區域土地總面積的比例Pi=Ai/A,即第i種地類在該區域土地利用類型中出現的可能性。依據Shannon熵公式定義土地利用結構的信息熵(H)[10-11]。

信息熵H是系統復雜性和均衡性的測度,熵值的高低可以反映區域用地結構的均衡程度。熵值越高,表明不同職能的用地類型越多,各職能類型的面積相差越小,分布越均衡。當各地類面積相等即P1=P2=…=Pn=1/n時,熵值達到最大且Hmax=ln(n)。表明區域已發展成熟,各土地類型已達到穩定、均衡狀態。

由于信息熵缺乏對土地類型間分異程度的反映,可比性較差。為更好地描述區域土地類型之間的規模差異和結構格局,特引入土地利用均衡度的概念,并基于信息熵函數構造土地利用結構均衡度函數。

均衡度E是信息熵與最大熵之間的比值,其取值范圍為E∈[0,1]。當E=0時,區域土地利用系統處于最不均衡狀態;而當E=1時,土地利用類型達到理想的平衡狀態。

3.2 隴南市土地利用類型的動態變化分析

隴南屬甘肅省經濟欠發達地區,全市除成、徽兩縣外,其余均屬甘肅省貧困縣。土地利用類型以農用地為主,2008年農用地占土地總面積的比重高達85.14%。其中,林地占主導地位,接近全市總面積的一半,其次為耕地與牧草地。研究區10多年來用地結構的發展態勢呈現如下特點：(1)耕地面積除1997年和1998年略有增加外,其他年份呈穩定下降趨勢,年均下降0.06%,其中2003-2004年降幅達到最大值0.36%。主要是由于撤地建市后基礎設施的逐步完善使得建設用地外沿擴展不斷加劇占用大量耕地。園地發展迅速,除1997年和2002年稍有降低,總體呈上升趨勢。隨著該區特色農產品和中藥材基地的確立,園地規模將不斷擴大。林地面積1997年和1999年有所減少,其他年份逐年增加,尤其是2004年比重大幅上升,是該區變化量最大的一個土地利用類型。全市牧草地比重偏低,僅為全省比重(31.026%)的一半,除1999年稍有波動外,總體呈遞減趨勢,且減幅均勻。(2)居民點及工礦用地比重呈單調遞增趨勢,年均增長0.004個百分點,增幅偏小。其中2008年的增長率最大為0.016%,主要由于災后重建及新增建設項目的實施擴大了該類用地的比重。交通用地比重和變速過小,由1996年的 0.434%增加至2008年的0.437%。交通是制約該區發展的主要瓶頸[3]。水域比重較小,基本穩定在1.128%;未利用地比重除個別年份有所波動,總體呈遞減趨勢。全市未利用地比重遠低于全省43.077%的現狀,土地利用率高達88.19%,后備土地資源嚴重緊缺。經濟社會高速發展使得河漫灘、灘涂等水域用地得到了充分利用,同時未利用地的利用率也得到了進一步的提升。此外,建設占用也是未利用地流失的主要方向。

表2 隴南市1996-2008年土地利用結構、信息熵及均衡度

3.3 隴南市土地利用結構信息熵動態演變特征

借助信息熵分析隴南市土地利用結構的有序程度,熵值越大,系統的有序度越低,反之則越高。研究區土地利用結構的信息熵自1996年開始逐漸升高,至2000年達到最高值。表明土地利用系統的無序度正逐步上升,并于2000年達到最高,土地利用系統的結構性較差。此后信息熵急劇下降,用地結構的有序度逐步上升,并于2004年達到最低臨界值1.375 4,此時土地利用系統的有序度最高,結構性較好。2004年后信息熵進入快速增長階段,土地利用結構再次向無序化方向發展。

分析發現,隴南市土地利用結構的變化較為緩慢,H值平均為1.378 1,與最大值僅相差0.001 8。由圖1可以看出H值的演變經歷了3個階段：(1)1996-2000年為緩慢增長期,H值穩定增長但增幅偏小,年均增長0.021%,用地結構無序化進程極度緩慢。區域發展中土地利用結構的均衡度逐漸上升,各地類比例的變化偏小,變動較為顯著的為耕地、林地及園地。(2)2000-2004年為顯著下降期,年均下降0.112%,其中2003-2004年H值急劇下降。該階段研究區的土地利用結構發生了劇烈變化,主要是耕地及林地的變化顯著。其中,耕地比重下降了0.362%,林地上升了0.384%。(3)2004-2008年為快速回升期。H值從低水平快速上升,增幅較大,年均增長0.046%。H值尚未趨向收斂,而是再次向無序化方向發展。隴南市H值的演變過程表明：該區土地利用系統在動態波動中向有序方向趨近。均衡度的變化與信息熵相似,呈現先升后降再趨回升的演變規律。其最大值僅為0.663 6,略低于全省0.670[12]的平均水平,但與全國0.770[3]的平均水平相距甚遠。表明該市的用地結構尚處于低水平的均衡狀態,土地利用結構有待進一步的優化調整。

深入分析發現,隴南市土地利用結構信息熵總體呈下降趨勢的原因主要是農業結構的調整、非農建設占用耕地趨勢的增強以及退耕還林的實施。使原本比重偏低的居民點工礦用地(全省比重為1.930%)比重明顯升高,而原本比重居絕對優勢的林地比重增長緩慢,園地比重顯著提升,耕地比重顯著下降。耕地比重分別從 1997年的20.469%降至2008年的19.724%;同時,園地與林地比重分別從0.605%和48.986%上升至0.730%和49.701%。該變化反映出隴南市正處于傳統農業向特色農業、現代農業的轉型過程中,即以市場為導向的特色農產品基地和中藥材基地的確立,使得園地規?？焖贁U大;同時退耕還林工程的實施促進了林地面積持續穩定的上升,而花椒、核桃、油橄欖、銀杏、茶葉、蠶桑等特色經濟林按兼用樹種納入退耕還林生態林政策補助范圍后,進一步加快了特色農業置換傳統農業的步伐[13]。居民點工礦用地與交通用地的比重分別從1996年的1.442%、0.434%上升到 2008年的1.495%和0.437%。此外,非農建設用地與耕地和牧草地數量間此消彼長。由此可見,園地面積的增加是農業結構調整的結果,而退耕還林工程使林地面積增加的同時也改善了當地的生態環境,非農建設用地面積的增加使得各地類比例更趨均衡化。盡管存在牧草地退化嚴重,水域用地下降較快,未利用地開發難度大且受地質災害威脅嚴重等現象,但總體上隴南市土地利用結構的信息熵趨于下降,土地利用系統向低水平的有序狀態發展,結構性趨于增加。

圖1 隴南市1996-2008年土地利用結構熵值演變

3.4 隴南市土地利用結構信息熵的空間差異分析

分別計算隴南市各縣區1996-2008年土地利用結構的信息熵,結果見表3。分析發現,各縣區土地利用結構的信息熵變化偏小,變化最快的是成縣與兩當縣,年均變速為0.15%,其余縣區均小于0.1%。H值單調遞增的是徽縣和禮縣,區域土地處于快速開發利用中,系統向相對無序的狀態發展。成縣、兩當縣與宕昌縣的信息熵呈階梯狀跳躍發展,表明上述3縣在H值出現跳躍的年份土地利用結構發生了顯著變化,其他年份變化緩慢。其中H值劇烈變化的共同時段為2003-2004年。撤地建市為縣城的發展提供了機遇,建設用地比重的大幅上升是信息熵變化的主要動因?？悼h與文縣的 H值除個別年份稍有波動外,總體呈單調遞減趨勢;西和縣的土地利用系統相對無序,H值的變化規律較弱;武都區H值的演變曲線接近正態分布,經歷了先升后降的發展階段,并于2004年后進入了穩定發展階段。表明該區的土地利用系統漸趨穩定,且無序度有降低的趨向,系統向有序方向發展。各縣區中僅武都區與兩當縣的土地利用結構趨于穩定,其余各縣尚處于顯著的動態變化中。武都區作為隴南市的行政中心,具有優勢的發展條件,區域開發相對成熟,各職能土地利用類型已趨于穩定、均勻,土地利用系統已達到低水平的均衡狀態。兩當縣是隴南市土地面積和人口最小的縣,人口對土地利用結構的影響相對較小,除大的政策驅動外,土地利用結構信息熵的變化甚微。

借助SPSS軟件對隴南市各縣區1996-2008年的信息熵進行聚類分析,將其劃分為3大類型區。其中武都區、西和縣、禮縣和宕昌縣處于高值區,表明4縣區用地系統的均衡度較高,各職能地類的面積趨于相近。成縣、徽縣、文縣及康縣位于中值區,該類型區各縣經濟處于快速發展階段,城鎮化水平較高,人口的急增,城鎮化進程的快速推進使得各地類的比例在動態中得以重新分配,用地結構逐步向均衡方向發展。而兩當縣為低值區,該區林地比重長期波動于82%居高不下,造成用地系統的均衡度長期偏低。從不同年份信息熵均值的變化可以看出1996-2003年熵值的變化趨緩,年均變化率僅為0.009%,此后信息熵變速加快,年均變化達0.059%,且波動較大。表明自建市以來各縣區土地進入大幅度的開發利用中,土地利用結構加速變化。

4 結論與討論

(1)隴南市1996-2008年數量變化最顯著的地類是耕地和林地,二者的面積變化量相當,表明耕地向林地的轉移是該區土地利用結構的主要變化方向。全市土地利用的數量變化以農用地為主,變化量比重高達90.33%。因此,土地利用變化的主導方向是農業結構的調整。研究區10多年來土地利用結構的變化速度較緩,其中以園地和居民點工礦用地的增加速度最為顯著。

(2)研究區為長江上游重要的生態屏障,林地比重優勢明顯。比重呈上升趨勢的地類為園地、林地、居民點工礦用地和交通用地;而耕地、牧草地、水域及未利用地比重呈下降趨勢。其中園地規模發展迅速,居民點工礦用地比重偏小,交通用地增長緩慢,未利用地比重遠低于全省平均水平,土地后備資源嚴重不足。

表3 隴南市各縣區1996-2008年土地利用結構信息熵

(3)土地利用結構信息熵的演變經歷了3個階段：1996-2000年為緩慢增長期,H值穩定增長但增幅偏小;2000-2004年為顯著下降期;2004-2008年為快速回升期,H值從低水平快速上升,增幅較大。其中,H值于2000年達最高值,此時用地結構的無序度最高,結構性較差;2004年為最低值,土地利用系統的有序度最高,結構性較好。研究區土地利用結構的信息熵尚未趨向收斂,而是在動態波動中向有序方向趨近。

(4)隴南市的土地利用均衡度偏低,土地利用系統維持在一個低水平的有序狀態。在后備資源嚴重緊缺的背景下,適度加大對耕地及林地后備資源的開發利用,加強對居民點工礦及交通水利基礎設施的建設,進一步提高土地利用的經濟效益,促進社會經濟的持續發展。

(5)通過對隴南市各縣區1996-2008年信息熵變化的分析發現,熵值的區域差異顯著,且變化趨勢各異。各縣區中僅武都區與兩當縣土地利用結構趨于穩定,其余各縣尚處于較顯著的變動中。從不同年份信息熵均值的變化情況來看,2004年后信息熵進入快速變化階段,且波動較大,表明各區域的土地利用系統仍處于較大程度的開發中。

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