廣東省土地利用結構信息熵時空演變特征分析

楊 超,張少偉,陳萬旭,鐘明星

(1.中山職業技術學院 經濟管理學院,廣東 中山 528403;2.河南省鶴壁水文水資源勘測局, 河南 鶴壁 458000;3.中國地質大學 地理與信息工程學院,武漢 430078;4.信陽師范學院 旅游學院,河南 信陽 464000)

1978年改革開放政策實施以來，中國政治、經濟和文化得到持續快速發展，其中土地資源的不斷投入貢獻60%以上的中國經濟增長，而技術進步的貢獻率卻不足30%[1]。作為經濟發展較快的沿海地區，土地資源越來越珍貴，快速的城市化進程也顯著改變了當地的土地利用結構。同時，土地利用結構的變化對城市化地區的生產生活環境以及自然地理環境造成極大的影響，早期的土地資源投入可以迅速提高當地經濟水平，但是土地資源畢竟是有限的，過高的土地資源投入必然會導致當地自然環境的惡化，進而限制區域經濟發展[2]。因此，探索合理的土地利用結構布局是經濟發達地區面臨的一大難題[3]。以住有大量學者對中國不同區域、不同尺度的土地利用結構進行分析[4-6]，但是土地利用結構信息熵演化機理仍需要進一步探索。

為了更好地研究土地利用結構變化，信息熵的概念逐漸被引用進來。信息熵的概念是由美國數學家香濃[7]最早于1948年提出并使用的，隨后被諸多領域學者推廣應用[8-10]。“熵”最早是一個熱力學概念，在信息論中信息熵用于度量信息的無序度，根據耗散結構理論，用于確定系統的演變方向[11]。土地系統是復雜的開放系統，具有典型的耗散結構系統特征，它是一定區域經濟、文化、環境相互作用的復合生態系統。這種耗散結構系統特征主要體現在土地利用結構是在一定區域內在人類或非人類干擾因素的影響下，產生結構的演替和變化，具有自發性和不可逆性特征[12]。土地利用結構信息熵經常被用作表征土地利用結構變化的有序程度和演化方向，其值越高，表示土地利用類型轉換越快，結構越趨于均衡，系統無序性越強。例如，譚永忠等[13]通過分析不同行政級別區域土地利用結構信息熵變化，發現土地利用結構信息熵值可以表征區域土地利用系統的演化方向。因此，眾多學者采用信息熵模型作為一種重要的研究方法對不同區域、不同尺度的土地利用結構時空變化進行大量研究[5,14-15]。

以往研究結果表明在研究期內土地利用結構信息熵總體呈現上升趨勢[6,16-19]。為了尋找土地利用結構信息熵變化驅動力，學者從社會經濟方面出發，發現人口數量、經濟發展和城市化是最主要的驅動力[14,20-22]。并結合灰色模型預測未來土地利用結構信息熵的發展趨勢，同樣發現未來土地利用結構信息熵也是上升的[23-26]。然而，正如王玉明等[6]提出：“城市系統以及城市化地區系統均為有序的耗散結構系統，它們在城市發展過程中均應越來越有序”，因此土地利用結構信息熵應該是不斷下降的。通過研究西安市、衡陽市和蘇(州)(無)錫常(州)地區建設用地占比和耕地占比與土地利用結構信息熵關系發現：城市建設用地的快速增加是引起郊區土地利用結構信息熵上升的主要原因，但是并沒有對土地利用信息熵的降低作出合理解釋[6]。于雪麗等[14]采用熵值函數模型分析重慶市2009—2016年土地利用結構動態變化，發現土地利用結構信息熵呈現穩步增長—快速增長—持續降低3個階段，但是這種持續降低的趨勢也沒有得到很好的解釋。根據以往研究，人口數量、經濟發展和城市化一般對土地結構信息熵的影響都是正向的[14,20-22]，那么隨著社會經濟的發展，土地結構信息熵應該持續增加，不會出現降低的情況。因此，土地結構信息熵的變化可能受到更多因素的影響，其中土地利用變化對信息熵的影響不該被忽視。耕地比重和建設用地比重變化是近年來土地結構變化的最主要來源[23,27]，而土地利用程度作為一個綜合性評價指標，也可能對土地利用結構信息熵產生重要影響。因此本研究以廣東省為例，在縣區尺度上分析土地利用結構信息熵的時空演化特征，并從土地利用程度、耕地比重和建設用地比重3方面出發，試圖揭示土地利用結構信息熵變化的原因。

本文選取廣東省為研究區域，該省為改革開放的首批示范區，是我國國內生產總值最高、經濟增長最快的省份之一，在國家經濟發展大局中具有舉足輕重的地位。廣東省包括珠江三角洲、東翼、西翼和山區4個發展板塊，其經濟地位和城市化進程也有所不同，2019年《廣東省統計年鑒》顯示經濟地位珠江三角洲>東翼>西翼>山區。然而對其進行土地利用結構演化的研究尚不多見。另一方面，作為首批改革開放示范區，城市化進程相對其他省份發展更快，特別是珠江三角洲地區。因此，對廣東省土地利用結構信息熵時空分布特征及驅動力研究，不僅有利于廣東省自身社會、經濟、環境的健康和可持續發展，同時也可以為其他后起城市化地區未來土地利用結構調整、土地利用規劃提供科學的決策依據，促進土地資源合理化和均衡化。

1 研究區概況與數據來源

廣東省位于中國東南地區(20°09′—25°31′N，109°41′—117°17′E)，全省陸地總面積約17.83萬km2，下轄21個地級市，北部與廣西、湖南、江西及福建接壤，南部與香港、澳門接壤、并與海南隔海相望。該區域屬于東亞季風區，全年氣候溫暖、熱量豐富、降雨總量多。2018年末，地區生產總值9.73×104億元，同比增長6.8%，已連續30 a居全國第一位。然而，廣東省地域分異明顯，既有世界級城市群珠江三角洲，也有發展迅速的東翼和西翼，更有發展緩慢的山地丘陵(圖1)，珠江三角洲生產總值占全省比重為80.2%，東翼、西翼、山區分別占6.6%，7.4%，5.8%。2018年末，全省常住人口11 346.0萬人，居全國第一，然而，面積只有17.97萬km2，居全國15位。因此，人多地少是廣東省未來發展的局限，合理布局和調整土地利用結構，是實現可持續發展的重要方向。

圖1 廣東省綜合地域分布

本研究以1990年、2000年、2010年、2018年廣東省土地利用矢量數據為基礎，探討土地利用結構信息熵時空演變特征。數據源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn/Default.aspx)。該數據中心提供中國精度最高的土地利用遙感監測數據產品，目前已經在國家土地資源調查、水文、生態研究中發揮著重要作用[28-30]。

2 研究方法

2.1 土地利用結構信息熵

(1)

式中:Pi為事件的概率,進一步計算土地利用結構信息熵,公式如下：

(2)

土地利用結構信息熵表征的是土地利用系統的有序程度和土地利用結構的均衡度。隨著人口數量的增加，耕地面積增加迅速。近年來隨著城市化進程的加快，最明顯的變化為城市建設用地面積的快速擴張[6,17]。根據陳彥光等[31]城市土地利用結構的熵值定律，隨著各類土地利用類型面積的快速均衡化，土地利用結構信息熵會快速增大，當各土地利用類型的面積達到相等時(A1=A2=…=An)，熵值達到最大，土地利用結構最均衡。而在實際土地利用過程中，耕地和建設用地是城市化進程中最重要的兩類土地利用類型。因此合理布局耕地比重和建設用地比重對土地利用結構信息熵值變化至關重要。

2.2 土地利用程度

土地利用程度可以用來表征人類活動對土地資源利用或干擾程度，進而揭示在人類活動干擾下土地資源自然綜合體的狀態[9,32]。基于劉紀遠[33]提出的土地利用程度計算方法，為實現土地利用程度更加準確的評估，采用Li等[34]的改進后的賦值方法，計算土地利用程度指數：

(3)

式中：LAi為第i類土地利用類型的面積；n為土地利用類型數量；Di為各土地利用類型土地利用程度賦值。

3 結果與分析

3.1 廣東省土地利用結構信息熵時空分布

1990年、2000年、2010年和2018年廣東省土地利用結構信息熵均值分別為1.056，1.063，1.063，1.077，總體呈現增加—平穩—增加的趨勢(圖2)。分區域分析發現東翼、西翼、珠江三角洲和山區土地利用結構信息熵均值分別為1.280，1.107，1.056，0.817，即東翼>西翼>珠江三角洲>山區。1990年、2000年、2010年和2018年，東翼土地利用結構信息熵均值分別為1.273，1.277，1.280，1.290，總體呈現持續增加的趨勢；西翼土地利用結構信息熵均值分別為1.097，1.106，1.104，1.123，總體呈現增加—平穩—增加的趨勢；珠江三角洲土地利用結構信息熵均值分別為1.050，1.061，1.058，1.054，總體呈現增加—持續降低的趨勢；山區土地利用結構信息熵均值分別為0.806，0.808，0.810，0.817，總體呈現持續增加的趨勢。1990—2000年，珠江三角洲土地利用結構信息熵增加最大(0.011)，西翼次之(0.009)，東翼第三(0.004)，山區最小(0.002)，說明主要是由珠江三角洲和西翼土地結構信息熵的增加導致廣東省平均信息熵的增加。2000—2010年珠江三角洲和西翼土地利用結構信息熵分別降低0.003，0.002，而東翼和山區分別增加0.003，0.002，因此保持了廣東省土地利用結構信息熵的平穩。2010—2018年珠江三角洲土地利用結構信息熵降低0.004，而西翼、東翼和山區分別增加0.019，0.010，0.007，從而導致廣東省該時期土地利用結構信息熵增加。

圖2 廣東省不同區域土地利用結構信息熵

圖3進一步展示了縣區行政區土地利用結構信息熵，可以發現廣東省土地利用結構信息熵存在顯著的空間差異。廣東省南部沿海及中部地區土地利用結構信息熵較高(高于0.95)，而北部和西部山區土地利用結構信息熵處于最低水平(低于0.95)。其中，東翼沿海大部分縣區土地利用結果信息熵長期保持1.16以上，個別縣區長期保持在1.36以上；珠江三角洲各縣區土地利用結構信息熵大部分維持在1.16以上，但是變化趨勢不同，深圳市和東莞市附近土地利用結構信息熵隨時間有高值區向中值區發展，廣州市中心區域土地利用結構信息熵低值區區域隨時間有所增加；西翼土地利用結構信息熵處于中高值區，到2018年麻章區和江城區信息熵增加到1.36以上。

圖3 廣東省土地利用結構信息熵時空分布

3.2 廣東省土地利用程度、耕地比重和建設用地比重時空分布

如圖4所示，1990年、2000年、2010年和2018年廣東省土地利用程度年均值分別為3.53，3.62，3.78，3.88，表現為持續增加的趨勢；其西翼均值分別為4.57，4.62，4.63，4.60，珠江三角洲均值分別為4.03，4.21，4.58，4.78，東翼均值分別為3.92，3.95，4.03，3.99，山區均值分別為2.16，2.15，2.19，2.27。結果表明區域總體呈現為西翼>珠江三角洲>東翼>山區，土地利用程度在東西兩翼呈現增加—增加—降低的趨勢，在珠江三角洲呈現持續增加的趨勢，山區呈現輕微降低—增加—快速增加的趨勢。

圖4 廣東省土地利用結構

1990年、2000年、2010年和2018年廣東省耕地比重均值分別為31.57%，30.00%，27.86%，27.23%，表現為持續降低的趨勢；其西翼均值分別為44.40%，42.17%，40.86%，41.19%，珠江三角洲均值分別為31.55%，27.04%，21.89%，20.93%，東翼均值分別為32.56%，32.94%，31.49%，30.06%，山區均值分別為17.74%，17.77%，17.18%，16.74%。結果表明區域耕地比重總體呈現為西翼>東翼>珠江三角洲>山區，耕地比重在西翼呈現降低—降低—增加的趨勢，在東翼呈現增加—降低—降低的趨勢，在珠江三角洲呈現降低—快速降低—降低的趨勢，山區呈現輕微增加—持續降低的趨勢。

對建設用地比重分析發現，1990年、2000年、2010年和2018年廣東省建設用地比重均值分別為9.60%，11.39%，14.13%，15.10%，表現為持續增加的趨勢；其西翼均值分別為11.16%，13.40%，14.25%，13.50%，珠江三角洲均值分別為13.73%，18.61%，26.28%，29.18%，東翼均值分別為11.70%，11.78%，13.60%，14.09%，山區均值分別為1.80%，1.76%，2.33%，3.62%。結果表明區域建設用地比重總體呈現為珠江三角洲>西翼>東翼>山區，建設用地比重在西翼呈現增加—增加—降低的趨勢，在東翼呈現持續增加的趨勢，在珠江三角洲呈現持續快速增加的趨勢，山區呈現輕微降低—持續增加的趨勢。

3.2.1 土地利用程度時空分布 進一步分析了廣東省土地利用程度的時空分布(圖5)，可以發現廣東省土地利用程度存在顯著的空間差異。廣東省南部沿海及中部地區土地利用程度較高(高于2.95)，而北部和西部山區土地利用程度處于最低水平(低于2.95)。其中，東翼的個別縣區長期保持在4.15以上；珠江三角洲中心縣區土地利用程度高值區增加迅速，到2018年大于5.66的縣區明顯增多；西翼的化州市和電白縣(不包括)以南土地利用程度長期處于4.15以上。

3.2.2 耕地比重時空分布 從圖6可以看出，耕地比重和土地利用程度空間分布相似，以珠江三角洲中心區和東、西翼沿海縣區耕地比重最高。隨著時間的推移，耕地比重高值區顯著減少，其中珠江三角洲中心城區耕地比重減少最為明顯，低于15.00%的縣區由1990年的一個增加到2018年的廣州市中心區、深圳市和東莞市周邊的12個區，高于52.90%的區域也由1990年的6個區減少到2018年的一個南沙區，而東西兩翼耕地比重時空分布基本保持不變或輕微降低。到2018年只有東翼的澄海區、珠江三角洲的南沙區、西翼的個別縣區耕地比重保持高于52.90%的狀態。

圖6 不同年份廣東省耕地比重時空分布

3.2.3 建設用地比重時空分布 建設用地比重高值區同樣也以珠江三角洲中心區和東西翼沿海縣區建設用地比重最高(圖7)。隨著時間的推移，建設用地比重高值區顯著增加，其中珠江三角洲中心城區建設用地比重增加最為明顯，具體來說建設用地比重大于30.00%的縣區由1990年的廣州中心六區和深圳市中心三區，逐漸擴展到2018年20個縣區，并且隨著中心區建設用比重的升級，周邊縣區建設用地比重也在不斷擴大和升級，而東西兩翼建設用地比重大部分維持在低于20.00%的水平，只有少數縣區持續高于30.00%。

圖7 廣東省建設用地比重時空分布

3.3 廣東省土地利用結構信息熵驅動因子分析

為了揭示廣東省土地利用結構信息熵分別與土地利用程度、耕地比重和建設用地比重的空間關系，本研究根據土地利用結構信息熵分別與土地利用程度，耕地比重和建設用地比重的散點圖做進一步分析(圖8)。

圖8 廣東省土地利用結構信息熵與土地利用程度、耕地比重、建設用地比重的關系

從1990年、2000年、2010年和2018年4個時間點散點圖可以看出土地利用程度、耕地比重和建設用地比重都與土地利用結構信息熵存在倒U型關系。從平方線性擬合函數可以看出，R2分別在0.71，0.42，0.42以上，說明擬合函數可以很好地解釋土地結構信息熵與三者的關系。這些結果說明在土地利用的初期，隨著土地利用程度的增加，會促進土地利用結構信息熵的增加，而土地利用達到一定程度以后，土地利用程度的增加會導致土地利用結構信息熵的降低。為了確定函數的拐點數值，通過普通最小二乘法回歸分析結果可以得出1990—2018年土地利用程度閾值分別為5.003，5.084，5.127，5.105，對應土地利用結構信息熵閾值為1.273，1.295，1.311，1.306；耕地比重閾值分別46.3%，48.0%，41.8%，46.4%，對應土地利用結構信息熵閾值為1.220，1.224，1.255，1.253；建設用地比重閾值為34.6%，35.8%，36.5%，36.4%，對應土地利用結構信息熵閾值為1.380，1.370，1.357，1.333。因此可以發現1990—2010年土地利用程度、耕地比重和建設用地比重的閾值總體在不斷增加，而2010—2018年均有所下降。然而，土地利用程度和耕地比重所對應的土地利用信息熵閾值，1990—2010年呈現增加趨勢，2010—2018年呈現下降趨勢；建設用地比重所對應的土地利用結構信息熵閾值，1990—2018年呈現持續降低趨勢。

根據土地利用程度、耕地比重和建設用地比重閾值分別將各縣區行政區分為小于閾值區和大于閾值區，并進行統計。結果發現1990年、2000年、2010年和2018年廣東省土地利用程度大于閾值的區域占比分別為20.325%，19.512%，21.138%，23.577%；耕地比重大于閾值的區域占比分別為18.699%，11.382%，8.130%，9.756%；建設用地比重大于閾值的區域占比分別為8.130%，9.756%，13.008%，16.260%。由此可見土地利用程度大于閾值的區域1990—2000年先下降，2000—2018年后升高；耕地比重大于閾值的區域1990—2010年先下降，2010—2018年后升高；然而建設用地比重大于閾值的區域1990—2018年持續升高。

為了進一步揭示廣東省土地利用程度、耕地比重和建設用地比重在1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年的變化規律，本研究對它們的變化進行了空間分布作圖(圖9)。

圖9 廣東省土地利用結構、耕地比重和建設用地比重變化的時空分布

結果發現，1990—2000年廣東省土地利用程度變化大于0.80的市區主要出現在珠江三角洲部分縣區及西翼的湛江市赤坎區，小于-0.15的市區主要出現在珠江三角洲和西翼的個別縣區；然而耕地比重變化小于-14.00%區域主要分布在珠江三角洲中心區和西翼少部分區域，而其他區域大于-6.00%，少數縣區大于3.00%；建設用地比重變化大于13.00%的區域在珠江三角洲及東翼個別縣區，小于-3.00%的區域主要在汕頭市金平區。2000—2010年廣東省土地利用程度變化普遍處于增加狀態，其中珠江三角洲中心部分縣區變化大于0.80，然而只有個別縣區小于-0.15，耕地比重變化普遍處于降低狀態，只有珠江三角洲個別縣區小于14.00%，建設用地比重大部分處于增加狀態，其中珠江三角洲的中心區部分縣區變化大于13.00%，只有遂溪縣小于-3.00%。2010—2018年廣東省土地利用程度變化大部分處于增加狀態，其中珠江三角洲個別縣區變化大于0.80，變化低于-0.15的縣區在沿海縣區零星分布，耕地比重變化大部分處于輕度降低狀態，其中只有廣州市荔灣區變化小于-14.00%，然而北部和西部山區耕地比重有所增加，珠江三角洲中心個別縣區變化大于3.00%，建設用地比重大部分處于增加狀態，其中珠江三角洲中心個別縣區變化大于13.00%，而個別縣區小于-3.00%。

4 結論與討論

“熵”作為表征耗散結構系統無序化程度的重要指標，其值越大，表示系統的有序性越低；其值越小，表示系統的有序性越高[7,31]。城市作為一個典型的耗散結構[35]，土地利用結構信息熵大量應用于現代城市化建設區域，綜合表征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，對于具體區域的土地利用結構調整及城市化建設具有一定的指導意義。本研究對廣東省 1990—2018年的城市化進程中土地利用結構信息熵進行分析，結論如下：

(1)廣東省土地利用結構信息熵均值在研究期呈現增加—平穩—增加的趨勢，這與廣東省的區域城市化進程不同有著重要關系，就四大區域而言，土地利用結構信息熵東翼>西翼>珠江三角洲>山區。盡管后期珠江三角洲土地利用結構信息熵有所降低，但是東西兩翼及山區熵值的增加抵消了珠江三角洲的降低，并維持增加的趨勢。

(2)研究期，廣東省土地利用程度和建設用地比重不斷增加，耕地比重不斷減少，同樣存在顯著的時空差異。其中珠江三角洲土地利用結構變化最大，是導致廣東省土地利用結構變化的重要地區，其他區域變化相對緩慢。

(3)通過相關分析發現，土地利用程度、耕地比重和建設用地比重都是影響土地利用結構信息熵的重要因素。它們與土地利用結構信息熵均存在倒“U”型關系，就該研究區及時間段分析表明：土地利用程度和建設用地比重與土地利用結構信息熵的倒“U”型關系更加明顯。隨著土地利用程度、耕地比重和建設用地比重的增加，土地利用結構信息熵先表現出增加狀態，達到閾值后再表現為降低狀態。其中珠江三角洲土地利用程度和耕地比重高于閾值的縣區不斷增加，從而也導致該區域土地利用結構信息熵向著降低的方向發展，另一方面，廣東省各縣區耕地比重大部分區域都處于閾值以下，而且大部分區域都處于降低階段，因此耕地比重的變化也會導致信息熵的降低，珠江三角洲土地利用結構信息熵的降低也符合王玉明等[6]提出的疑問。

目前而言，廣東省大部分縣區土地利用程度、耕地比重和建設用地比重都還處于閾值以下，隨著城市化的快速發展，土地利用程度和建設用地比重到部分區域也處于持續上升階段，因此平均土地利用結構信息熵還在不斷增加。雖然耕地比重降低會導致信息熵降低，但是其相關性遠小于土地利用程度和建設用地比重。特別是珠江三角洲區域，土地利用結構信息熵已經開始降低，這與該區域土地利用程度和建設用地比重超過閾值存在極大關系。因此在未來土地利用結構布局時應該考慮土地利用類型的閾值問題，特別是耕地比重和建設用地比重的閾值，對于建設用地比重接近閾值的縣區進行嚴格控制，對于超過閾值的縣區進行整改；耕地是人類賴以生存的基本資源和條件，其比重不應該過度降低，合理控制土地利用結構的變化，才能使區域土地利用系統發揮最高的功能效率，進而促進區域土地的可持續利用。