基于信息熵和灰關(guān)聯(lián)的建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)驅(qū)動力分析

趙菲菲，劉 東，2，劉 萌

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院，哈爾濱150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理博士后科研流動站，哈爾濱150030）

土地利用結(jié)構(gòu)是指國民經(jīng)濟(jì)各部門（如農(nóng)、林、牧、副、漁）及其內(nèi)部用地的面積與比例關(guān)系，它反映了一個地區(qū)土地利用的合理程度及其生產(chǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［1］。伴隨社會生產(chǎn)力的發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)不斷在非人為因素和人為因素的雙重影響下發(fā)生結(jié)構(gòu)上的演替和變化，表現(xiàn)出自發(fā)的、具有不可逆的演化特征［2］。研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，探索其發(fā)展規(guī)律及驅(qū)動機(jī)制，對豐富人類對土地覆被變化規(guī)律的認(rèn)識，預(yù)測土地利用變化前景，保持土地利用系統(tǒng)的良性循環(huán)，提高土地利用的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要價值意義。

1948年，美國工程師Shannon在信息論中把熵作為平均信息量的量度，引出信息熵的概念［3］。信息熵是不確定性的量度，不確定性越大越無序。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵用于反映土地利用結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，度量土地利用系統(tǒng)的有序程度，判斷系統(tǒng)的演化進(jìn)程，其大小反映了土地利用類型的多少和各土地類型面積分布的均勻程度［4－5］。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

建三江分局位于中國北部邊陲的三江平原腹地，系黑龍江、松花江、烏蘇里江匯流的河間地帶，全局東西長為152.9km，南北寬為152.8km，地理坐標(biāo)為132°31′—134°32′E，46°49′—48°12′N。全局地勢西南高、東北低，除分布在勤得利、八五九、勝利等農(nóng)場的少數(shù)山丘外，絕大部分是平原沼澤地帶。北部和東南部有部分山地，呈東北至西南走向，海拔高程60～626m，是我國重要商品糧和綠色有機(jī)食品基地。毗鄰富錦、同江、饒河、撫遠(yuǎn)4個國家級一類陸路口岸，福前鐵路、佳撫公路橫貫，交通發(fā)達(dá)，通訊便捷。建三江分局轄區(qū)總面積1.24萬km2［6］，占整個黑龍江省墾區(qū)面積的22%。其中耕地67.42萬hm2，現(xiàn)有人口20萬，人均耕地3hm2，為全國人均耕地面積的35倍、世界的12倍。土壤共分為棕壤土、白漿土、草甸土、沼澤土和泛濫地土壤五大土類。多年平均氣溫1.0～2.0℃，極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫－41.6℃，多年平均降水量為383.5～886.1mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于《建三江農(nóng)墾統(tǒng)計年鑒（1999—2009）》，以及《建三江農(nóng)墾統(tǒng)計年報（1999—2009）》。根據(jù)我國土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀和土地資源特點(diǎn)，把研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、園地、水域、居民點(diǎn)及工礦用地、未利用地、牧草地和其他用地等八大類來分析計算。

1.3 研究方法

本文首先利用信息熵對1999—2009年建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)的時間演變進(jìn)行分析，同時在Excel和ArcGIS軟件的支持下分析建三江分局1999年和2009年兩個時間段的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的空間分布情況。最后利用Matlab 7.0軟件對影響土地利用結(jié)構(gòu)變化的主要指標(biāo)與信息熵之間進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，探討影響建三江分局用地結(jié)構(gòu)動態(tài)演變的主要驅(qū)動力。

土地本身是一個具有耗散結(jié)構(gòu)的自然歷史綜合體，具有結(jié)構(gòu)和功能的有序性特征，所以可利用信息熵描述和刻畫土地利用系統(tǒng)的有序程度［7］。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵H表示如下：

式中：s——研究區(qū)域土地總面積；si——各種土地利用類型的面積；pi——第i種土地利用類型在該區(qū)域所有土地利用類型中出現(xiàn)的可能性。基于信息熵公式，土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度J與優(yōu)勢度D分別為：

信息熵反映了區(qū)域土地利用的多樣性和復(fù)雜程度，均衡度體現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)的均衡性。優(yōu)勢度呈現(xiàn)區(qū)域內(nèi)一種或幾種用地類型支配該區(qū)域土地類型的程度。

2 建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)演化與分析

2.1 建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)的有序度分析

依據(jù)建三江分局1999—2009年土地利用類型數(shù)據(jù)（缺失2002年的數(shù)據(jù)），求出其土地利用結(jié)構(gòu)（表1），并繪制用地結(jié)構(gòu)信息熵H值、均衡度J值及優(yōu)勢度D值（圖1）。由表1可以看出，近10a來建三江分局用地結(jié)構(gòu)布局及經(jīng)濟(jì)差異有以下幾種發(fā)展態(tài)勢：（1）建三江分局是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)，用地結(jié)構(gòu)以農(nóng)林結(jié)合為主，因此該區(qū)農(nóng)業(yè)用地所占比重很大。已利用的土地中土地利用類型以耕地為主，其它用地、林地次之。（2）1999—2009年的10a間，耕地面積除2003年、2004年有所下降外，其他年份呈現(xiàn)上升趨勢，尤其是2004—2005年變化最大，是該區(qū)變化量最大的一個土地利用類型。林地面積在這10a中緩慢增長。園地所占比例很小。（3）水域和居民點(diǎn)及工礦用地面積在這些年中變化不大。（4）未利用地、牧草地和其他用地面積呈現(xiàn)下降趨勢，特別是未利用地急劇下降。

由圖1分析發(fā)現(xiàn)，建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)信息熵自1999—2009年呈先升后降的趨勢。2004年達(dá)到最大值1.663 6，年增長幅度為0.07%。表明建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)在1999—2004年間向無序狀態(tài)發(fā)展，有序度降低，結(jié)構(gòu)性減弱。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在2005年開始下降，2009年降至1.349 3，年下降幅度為4.136%。表明建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)在2005—2009年由無序轉(zhuǎn)為有序，結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)。建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度在這些年間呈先升后降的趨勢，在2004年達(dá)到最高值，為0.722 5。優(yōu)勢度的趨勢與均衡度的恰恰相反，在2004年達(dá)到最低值，為0.277 5。說明建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)在2004年時均質(zhì)性最強(qiáng)，之后由一種或幾種用地類型支配建三江分局土地類型。

表1 建三江分局1999－2009年土地利用結(jié)構(gòu)變化 %

圖1 建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度、優(yōu)勢度（1999－2009年）

2.2 建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的空間分布分析

利用計算得出的1999年和2009年建三江分局各農(nóng)場的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵（圖2），在ArcGIS軟件支持下，根據(jù)圖2將信息熵的區(qū)域差異分為3種類型區(qū)：信息熵高值區(qū)，中值區(qū)和低值區(qū)。做出這兩個時間段建三江分局的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵空間分布圖（圖3）。由計算結(jié)果知，1999年建三江分局的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵平均值為1.499 4，15個農(nóng)場中高于平均值的有8個，2009年建三江分局的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵平均值為1.270 3，高于平均值的農(nóng)場有8個，高于1.499 4的農(nóng)場個數(shù)只有一個。1999年信息熵最高的農(nóng)場是前哨，為1.817 2。2009年信息熵最高的農(nóng)場為勤得利，為1.503 6。由圖2—3看出，2009年建三江分局各農(nóng)場土地利用結(jié)構(gòu)信息熵都低于1999年的信息熵。十年間，前進(jìn)、洪河、創(chuàng)業(yè)、紅衛(wèi)和八五九農(nóng)場的信息熵由高值區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈椭祬^(qū)；青龍山、鴨綠河和前哨農(nóng)場的信息熵由高值區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹兄祬^(qū)；七星和二道河農(nóng)場的信息熵由中值區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈椭祬^(qū)。信息熵低值區(qū)的分布區(qū)域范圍擴(kuò)大，這些農(nóng)場土地利用結(jié)構(gòu)較單一，或以農(nóng)業(yè)為主，或以畜牧業(yè)為主，或以林業(yè)為主。總體上看，土地利用類型不均衡，土地利用結(jié)構(gòu)的有序性高。

圖2 1999年和2009年建三江分局土地利用信息熵

圖3 1999年和2009年建三江分局土地利用信息熵空間分布

3 信息熵變化驅(qū)動力分析

影響土地利用結(jié)構(gòu)變化的因素很多，包括自然、文化習(xí)俗和社會經(jīng)濟(jì)等因素［8］。由于時間尺度較短，自然驅(qū)動力相對較穩(wěn)定，人文驅(qū)動力則相對活躍［9］。因此主要考慮人文因素對土地利用變化的影響，著重從社會經(jīng)濟(jì)因素對土地利用變化的影響進(jìn)行分析。參考有關(guān)用地結(jié)構(gòu)及驅(qū)動力研究的經(jīng)驗和結(jié)論，本研究的驅(qū)動因素的選取遵循數(shù)據(jù)可獲取、可量化的原則，主要選取影響用地結(jié)構(gòu)變化的因子包括總?cè)丝凇⑷司鵊DP、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)增加值、工業(yè)總產(chǎn)值、固定資產(chǎn)投資額、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、糧食產(chǎn)量。利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法［10］對以上指標(biāo)與信息熵之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行定量分析，研究1999—2009年上述影響因子對土地利用結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動力見表2。

表2 1999－2009年建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與相關(guān)指標(biāo)匯總

經(jīng)過灰色關(guān)聯(lián)度計算，得到各影響因子與信息熵緊密程度（表3）。由表3可知，r總?cè)丝冢緍第三產(chǎn)業(yè)增加值＞＞r農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值＞r固定資產(chǎn)總投資。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與各影響因子均有很強(qiáng)的相關(guān)性，引起土地利用結(jié)構(gòu)變化的主導(dǎo)因素有總?cè)丝诘脑鲩L、第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、以及糧食產(chǎn)量的變化。最重要的影響因素是總?cè)丝诘脑鲩L。這是因為建三江分局是農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)試驗區(qū)，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，并肩負(fù)著黑龍江省千億斤糧食產(chǎn)能工程的重?fù)?dān)。因此，增加耕地面積是完成此項任務(wù)的辦法之一。并且農(nóng)業(yè)收入也是當(dāng)?shù)鼐用窠?jīng)濟(jì)的主要來源。而在農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，糧食作物面積占總播種面積的比例很高。因此，當(dāng)?shù)鼐用癯丝诩Z地外，不得不開墾新土地播種經(jīng)濟(jì)作物以增加收入。由此可見，人口增加是土地利用結(jié)構(gòu)最直接的誘導(dǎo)因素，驅(qū)使人們開墾更多的土地以滿足人民群眾生活需求。

表3 序列關(guān)聯(lián)度

4 結(jié)論與討論

（1）建三江分局1999—2009年，由于肩負(fù)著黑龍江省千億斤糧食產(chǎn)能工程的重?fù)?dān)，加之農(nóng)業(yè)收入是當(dāng)?shù)氐闹饕杖耄孛娣e大幅增加，11a間增加313 622 hm2；林地和居民點(diǎn)及工礦用地有小幅的增長，林地面積增加了40 849hm2，居民點(diǎn)及工礦用地面積增加了1 881hm2；未利用地面積大幅度下降，11a間減少了218 207hm2。

（2）土地利用結(jié)構(gòu)信息熵結(jié)果表明，建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)信息熵呈現(xiàn)先升后降的趨勢。建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)在1999—2004年間向無序狀態(tài)發(fā)展，有序度降低。自2005年起，建三江分局土地利用結(jié)構(gòu)由無序轉(zhuǎn)為有序，有序度在升高。

（3）通過1999年和2009年建三江分局熵值空間分布對比分析發(fā)現(xiàn)，各農(nóng)場的熵值有明顯的下降趨勢，信息熵低值區(qū)域擴(kuò)大，信息熵高值區(qū)域縮小。總體來看，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)單一，土地利用結(jié)構(gòu)不均衡。

（4）通過運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行定量分析。其中總?cè)丝诘脑鲩L、第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、糧食產(chǎn)量的增加、第二產(chǎn)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展等是主要的驅(qū)動因素。

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