隴南山地土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變分析

吳燕芳,石培基,劉寧寧

(西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州730070)

研究土地利用的空間結(jié)構(gòu)特征及其時(shí)間變化是研究一個(gè)地區(qū)自然、資源條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化配置的重要途徑之一,對區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局、土地的合理利用具有重要的指導(dǎo)意義[1-2]。土地本身是一個(gè)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,因此土地利用系統(tǒng)的有序程度可以用信息熵來描述和刻畫[3]。國內(nèi)已有不少學(xué)者借助該理論就不同尺度不同特點(diǎn)的研究區(qū)做了分析與探討[3-9],但對山地地形為主的經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的研究甚少。隴南山區(qū)地形復(fù)雜,地勢高差懸殊,氣候類型多樣,土地利用結(jié)構(gòu)特殊,分析并探討該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變特征,對于促進(jìn)山地區(qū)土地資源的合理配置和有效利用,推動(dòng)土地資源的可持續(xù)利用和有效保護(hù)有著積極的促進(jìn)作用,同時(shí)也為該市新一輪土地利用總體規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、資料與方法

1.1 研究區(qū)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(yù)。位于東經(jīng) 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(qū)。境內(nèi)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。現(xiàn)轄 1區(qū) 8縣,195個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),3 237個(gè)行政村。2008年末總?cè)丝跒?61.79萬人,國內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)121.6億元,人均生產(chǎn)總值4 396元。

1.2 資料與方法

研究所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(diào)查數(shù)據(jù)。借助信息熵和均衡度函數(shù)對隴南市土地利用結(jié)構(gòu)的時(shí)間演變及空間差異進(jìn)行對比分析。

1.3 土地利用分類系統(tǒng)

以《全國土地分類(過渡期間使用)》分類系統(tǒng)為基礎(chǔ),以保證數(shù)據(jù)完整性及時(shí)間序列可比性為原則,結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀特征,將該區(qū)土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、牧草地、居民點(diǎn)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(jié)構(gòu)的數(shù)量及速度變化

區(qū)域土地利用的結(jié)構(gòu)變化首先表現(xiàn)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(jié)構(gòu)變化的發(fā)展趨勢及特點(diǎn)。由表1可知,研究區(qū)13 a來面積呈增加趨勢的地類為園地、林地、居民點(diǎn)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(shù)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(dāng)。受山地地形的影響,全市位于退耕還林范圍內(nèi)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(zhuǎn)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(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)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(shù)量變化以農(nóng)用地為主,變化量比重高達(dá) 90.33%。因此,該區(qū)土地利用變化的主導(dǎo)方向是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

從各土地利用類型的年變化率可以看出,該區(qū)十多年來土地利用結(jié)構(gòu)的變化速度較慢,年均變化率達(dá)0.340%,其中以園地的增長最為顯著;其次是居民點(diǎn)工礦用地和耕地;這是特色產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的結(jié)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(zhì)災(zāi)害威脅的地區(qū),開發(fā)利用難度偏大。水域用地下降速度較快,區(qū)域生態(tài)環(huán)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(jié)構(gòu)的信息熵分析

3.1 信息熵、均衡度

土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的變化可綜合反映某區(qū)域在一定時(shí)段內(nèi)各種土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化及其轉(zhuǎn)換程度,同時(shí)也可用來描述和刻畫土地利用系統(tǒng)的有序程度。計(jì)算方法如式(1)。

式中：A——研究區(qū)土地總面積;n——該區(qū)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(qū)域土地總面積的比例Pi=Ai/A,即第i種地類在該區(qū)域土地利用類型中出現(xiàn)的可能性。依據(jù)Shannon熵公式定義土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵(H)[10-11]。

信息熵H是系統(tǒng)復(fù)雜性和均衡性的測度,熵值的高低可以反映區(qū)域用地結(jié)構(gòu)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(dāng)各地類面積相等即P1=P2=…=Pn=1/n時(shí),熵值達(dá)到最大且Hmax=ln(n)。表明區(qū)域已發(fā)展成熟,各土地類型已達(dá)到穩(wěn)定、均衡狀態(tài)。

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(qū)域土地類型之間的規(guī)模差異和結(jié)構(gòu)格局,特引入土地利用均衡度的概念,并基于信息熵函數(shù)構(gòu)造土地利用結(jié)構(gòu)均衡度函數(shù)。

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(dāng)E=0時(shí),區(qū)域土地利用系統(tǒng)處于最不均衡狀態(tài);而當(dāng)E=1時(shí),土地利用類型達(dá)到理想的平衡狀態(tài)。

3.2 隴南市土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化分析

隴南屬甘肅省經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū),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(nóng)用地為主,2008年農(nóng)用地占土地總面積的比重高達(dá)85.14%。其中,林地占主導(dǎo)地位,接近全市總面積的一半,其次為耕地與牧草地。研究區(qū)10多年來用地結(jié)構(gòu)的發(fā)展態(tài)勢呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：(1)耕地面積除1997年和1998年略有增加外,其他年份呈穩(wěn)定下降趨勢,年均下降0.06%,其中2003-2004年降幅達(dá)到最大值0.36%。主要是由于撤地建市后基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善使得建設(shè)用地外沿?cái)U(kuò)展不斷加劇占用大量耕地。園地發(fā)展迅速,除1997年和2002年稍有降低,總體呈上升趨勢。隨著該區(qū)特色農(nóng)產(chǎn)品和中藥材基地的確立,園地規(guī)模將不斷擴(kuò)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(qū)變化量最大的一個(gè)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(dòng)外,總體呈遞減趨勢,且減幅均勻。(2)居民點(diǎn)及工礦用地比重呈單調(diào)遞增趨勢,年均增長0.004個(gè)百分點(diǎn),增幅偏小。其中2008年的增長率最大為0.016%,主要由于災(zāi)后重建及新增建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施擴(kuò)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(qū)發(fā)展的主要瓶頸[3]。水域比重較小,基本穩(wěn)定在1.128%;未利用地比重除個(gè)別年份有所波動(dòng),總體呈遞減趨勢。全市未利用地比重遠(yuǎn)低于全省43.077%的現(xiàn)狀,土地利用率高達(dá)88.19%,后備土地資源嚴(yán)重緊缺。經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展使得河漫灘、灘涂等水域用地得到了充分利用,同時(shí)未利用地的利用率也得到了進(jìn)一步的提升。此外,建設(shè)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(jié)構(gòu)、信息熵及均衡度

3.3 隴南市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵動(dòng)態(tài)演變特征

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

分析發(fā)現(xiàn),隴南市土地利用結(jié)構(gòu)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(jīng)歷了3個(gè)階段：(1)1996-2000年為緩慢增長期,H值穩(wěn)定增長但增幅偏小,年均增長0.021%,用地結(jié)構(gòu)無序化進(jìn)程極度緩慢。區(qū)域發(fā)展中土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度逐漸上升,各地類比例的變化偏小,變動(dòng)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(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)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(fā)展。隴南市H值的演變過程表明：該區(qū)土地利用系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)波動(dòng)中向有序方向趨近。均衡度的變化與信息熵相似,呈現(xiàn)先升后降再趨回升的演變規(guī)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(yuǎn)。表明該市的用地結(jié)構(gòu)尚處于低水平的均衡狀態(tài),土地利用結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整。

深入分析發(fā)現(xiàn),隴南市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體呈下降趨勢的原因主要是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、非農(nóng)建設(shè)占用耕地趨勢的增強(qiáng)以及退耕還林的實(shí)施。使原本比重偏低的居民點(diǎn)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(yōu)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(shí),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(tǒng)農(nóng)業(yè)向特色農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型過程中,即以市場為導(dǎo)向的特色農(nóng)產(chǎn)品基地和中藥材基地的確立,使得園地規(guī)?？焖贁U(kuò)大;同時(shí)退耕還林工程的實(shí)施促進(jìn)了林地面積持續(xù)穩(wěn)定的上升,而花椒、核桃、油橄欖、銀杏、茶葉、蠶桑等特色經(jīng)濟(jì)林按兼用樹種納入退耕還林生態(tài)林政策補(bǔ)助范圍后,進(jìn)一步加快了特色農(nóng)業(yè)置換傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的步伐[13]。居民點(diǎn)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(nóng)建設(shè)用地與耕地和牧草地?cái)?shù)量間此消彼長。由此可見,園地面積的增加是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的結(jié)果,而退耕還林工程使林地面積增加的同時(shí)也改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,非農(nóng)建設(shè)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(yán)重,水域用地下降較快,未利用地開發(fā)難度大且受地質(zhì)災(zāi)害威脅嚴(yán)重等現(xiàn)象,但總體上隴南市土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵趨于下降,土地利用系統(tǒng)向低水平的有序狀態(tài)發(fā)展,結(jié)構(gòu)性趨于增加。

圖1 隴南市1996-2008年土地利用結(jié)構(gòu)熵值演變

3.4 隴南市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的空間差異分析

分別計(jì)算隴南市各縣區(qū)1996-2008年土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵,結(jié)果見表3。分析發(fā)現(xiàn),各縣區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵變化偏小,變化最快的是成縣與兩當(dāng)縣,年均變速為0.15%,其余縣區(qū)均小于0.1%。H值單調(diào)遞增的是徽縣和禮縣,區(qū)域土地處于快速開發(fā)利用中,系統(tǒng)向相對無序的狀態(tài)發(fā)展。成縣、兩當(dāng)縣與宕昌縣的信息熵呈階梯狀跳躍發(fā)展,表明上述3縣在H值出現(xiàn)跳躍的年份土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)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(shí)段為2003-2004年。撤地建市為縣城的發(fā)展提供了機(jī)遇,建設(shè)用地比重的大幅上升是信息熵變化的主要?jiǎng)右?。康縣與文縣的 H值除個(gè)別年份稍有波動(dòng)外,總體呈單調(diào)遞減趨勢;西和縣的土地利用系統(tǒng)相對無序,H值的變化規(guī)律較弱;武都區(qū)H值的演變曲線接近正態(tài)分布,經(jīng)歷了先升后降的發(fā)展階段,并于2004年后進(jìn)入了穩(wěn)定發(fā)展階段。表明該區(qū)的土地利用系統(tǒng)漸趨穩(wěn)定,且無序度有降低的趨向,系統(tǒng)向有序方向發(fā)展。各縣區(qū)中僅武都區(qū)與兩當(dāng)縣的土地利用結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,其余各縣尚處于顯著的動(dòng)態(tài)變化中。武都區(qū)作為隴南市的行政中心,具有優(yōu)勢的發(fā)展條件,區(qū)域開發(fā)相對成熟,各職能土地利用類型已趨于穩(wěn)定、均勻,土地利用系統(tǒng)已達(dá)到低水平的均衡狀態(tài)。兩當(dāng)縣是隴南市土地面積和人口最小的縣,人口對土地利用結(jié)構(gòu)的影響相對較小,除大的政策驅(qū)動(dòng)外,土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的變化甚微。

借助SPSS軟件對隴南市各縣區(qū)1996-2008年的信息熵進(jìn)行聚類分析,將其劃分為3大類型區(qū)。其中武都區(qū)、西和縣、禮縣和宕昌縣處于高值區(qū),表明4縣區(qū)用地系統(tǒng)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(qū),該類型區(qū)各縣經(jīng)濟(jì)處于快速發(fā)展階段,城鎮(zhèn)化水平較高,人口的急增,城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)使得各地類的比例在動(dòng)態(tài)中得以重新分配,用地結(jié)構(gòu)逐步向均衡方向發(fā)展。而兩當(dāng)縣為低值區(qū),該區(qū)林地比重長期波動(dòng)于82%居高不下,造成用地系統(tǒng)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(dá)0.059%,且波動(dòng)較大。表明自建市以來各縣區(qū)土地進(jìn)入大幅度的開發(fā)利用中,土地利用結(jié)構(gòu)加速變化。

4 結(jié)論與討論

(1)隴南市1996-2008年數(shù)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(dāng),表明耕地向林地的轉(zhuǎn)移是該區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的主要變化方向。全市土地利用的數(shù)量變化以農(nóng)用地為主,變化量比重高達(dá)90.33%。因此,土地利用變化的主導(dǎo)方向是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。研究區(qū)10多年來土地利用結(jié)構(gòu)的變化速度較緩,其中以園地和居民點(diǎn)工礦用地的增加速度最為顯著。

(2)研究區(qū)為長江上游重要的生態(tài)屏障,林地比重優(yōu)勢明顯。比重呈上升趨勢的地類為園地、林地、居民點(diǎn)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(guī)模發(fā)展迅速,居民點(diǎn)工礦用地比重偏小,交通用地增長緩慢,未利用地比重遠(yuǎn)低于全省平均水平,土地后備資源嚴(yán)重不足。

表3 隴南市各縣區(qū)1996-2008年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵

(3)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的演變經(jīng)歷了3個(gè)階段：1996-2000年為緩慢增長期,H值穩(wěn)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(dá)最高值,此時(shí)用地結(jié)構(gòu)的無序度最高,結(jié)構(gòu)性較差;2004年為最低值,土地利用系統(tǒng)的有序度最高,結(jié)構(gòu)性較好。研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵尚未趨向收斂,而是在動(dòng)態(tài)波動(dòng)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(tǒng)維持在一個(gè)低水平的有序狀態(tài)。在后備資源嚴(yán)重緊缺的背景下,適度加大對耕地及林地后備資源的開發(fā)利用,加強(qiáng)對居民點(diǎn)工礦及交通水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),進(jìn)一步提高土地利用的經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。

(5)通過對隴南市各縣區(qū)1996-2008年信息熵變化的分析發(fā)現(xiàn),熵值的區(qū)域差異顯著,且變化趨勢各異。各縣區(qū)中僅武都區(qū)與兩當(dāng)縣土地利用結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,其余各縣尚處于較顯著的變動(dòng)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(jìn)入快速變化階段,且波動(dòng)較大,表明各區(qū)域的土地利用系統(tǒng)仍處于較大程度的開發(fā)中。

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