基于信息熵的土地利用結(jié)構(gòu)研究——以江蘇省南京市為例

劉智超，趙姚陽(yáng)

（河海大學(xué)公共管理學(xué)院，江蘇南京210098）

土地利用結(jié)構(gòu)是指一定區(qū)域內(nèi)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門所占用的特定的用地類型按一定的構(gòu)成方式組成的集合，是經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)在土地上的表現(xiàn)方式[1]。土地利用結(jié)構(gòu)的變化反映了區(qū)域發(fā)展和人類活動(dòng)的強(qiáng)度，是土地利用演變的直接體現(xiàn)。信息熵是對(duì)均衡度和無(wú)序度的量度，是不確定的量度，不確定性越大越無(wú)序，所以信息熵也是無(wú)序性的一種量度。土地利用信息熵越大，各要素發(fā)展越均衡，土地利用系統(tǒng)的有序性程度越低，當(dāng)系統(tǒng)完全達(dá)到平衡時(shí)，信息熵達(dá)到極大值。信息熵可綜合反映區(qū)域各類土地利用類型的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律及其轉(zhuǎn)換程度[2]，對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用。南京地處長(zhǎng)江中下游地區(qū)，是國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)大省江蘇的省會(huì)，作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)勁的長(zhǎng)江三角洲的中心城市之一，其工商業(yè)發(fā)達(dá)。

本研究基于Shannon信息熵理論，研究南京整體及市內(nèi)各片區(qū)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，揭示影響南京市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度變化的驅(qū)動(dòng)因素，為土地資源在部門間的均衡配置、在空間上的合理布局以及保持土地利用系統(tǒng)的良性循環(huán)，提高土地利用的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和決策參考。

1 研究理論方法與模型的構(gòu)建

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于南京市國(guó)土資源局統(tǒng)計(jì)的2005—2010年南京市土地變更調(diào)查資料，根據(jù)2002年發(fā)布的《土地分類標(biāo)準(zhǔn)》（過(guò)渡期適用），把2005—2010年的土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分為耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地、交通設(shè)施用地、水利設(shè)施用地、未利用地和其他土地10大類來(lái)分析計(jì)算。

1.2 研究方法

信息熵原是一個(gè)物理學(xué)的概念，用來(lái)測(cè)度系統(tǒng)的復(fù)雜性和均衡性[3-4]。一般來(lái)說(shuō)，信息熵值越高，其系統(tǒng)有序度越低，系統(tǒng)越紊亂[5]。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵可以綜合地反映一定時(shí)期研究區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化以及轉(zhuǎn)化的程度，對(duì)優(yōu)化和調(diào)整區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)具有一定指導(dǎo)作用[6]。

H 的高低可以反映城市土地利用的均衡程度，熵值越高表明不同職能的土地利用類型越多，各職能類型的面積相差越小，土地分布越均衡。當(dāng)城市各用地類型的面積相等時(shí)，熵值達(dá)到最大，則表明城市土地利用達(dá)到了均衡狀態(tài)。

理論上，當(dāng)各種土地利用結(jié)構(gòu)類型的面積相等時(shí)，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵達(dá)到最大值，有：

由此可見(jiàn)，熵值大小反映土地利用類型的多少及各土地類型面積分布的均勻程度，即土地類型越多，各類型土地面積的百分比相差越小，熵值越大。

基于信息熵函數(shù)引入土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度公式為：

顯然，J 取值介于0～1之間，J 值越大表明土地利用的均衡性越強(qiáng)。

2 實(shí)證研究

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)槟暇┦校湮挥陂L(zhǎng)江下游中部富庶地區(qū)，江蘇省西南部。市域地理坐標(biāo)為北緯31°14′～32°37′，東經(jīng)118°22′～119°14′。市中心（新街口）地理坐標(biāo)為北緯32°02′38″，東經(jīng)118°46′43″。全市行政區(qū)域總面積6 587.02 km2。南京市跨江而居，北連遼闊的江淮平原，東接富饒的長(zhǎng)江三角洲，與鎮(zhèn)江市、揚(yáng)州市、常州市及安徽省滁州市、馬鞍山市、宣州市接壤。南京地貌特征屬寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵地區(qū)，以低山緩崗為主，低山占土地總面積的3.5%，丘陵占4.3%，崗地占53%，平原、洼地及河流湖泊占土地總面積的39.2%。全市湖泊、水庫(kù)棋布，河流網(wǎng)織，水域面積達(dá)11%以上。

2.2 南京市整體土地利用的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化

南京作為長(zhǎng)江三角洲的中心城市之一，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平領(lǐng)先全省，但市內(nèi)各片區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展欠均衡，區(qū)域內(nèi)不同類型經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r差異較大。不同片區(qū)的工業(yè)化水平相差很大，到目前為止，郊縣的工業(yè)總產(chǎn)值大大高于主城區(qū)，尤其是棲霞區(qū)、江寧區(qū)、六合區(qū)的工業(yè)總產(chǎn)值始終躍居全市前三甲。不同片區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)差別也很大，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)以江北和南部片區(qū)為主。而這種經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的片區(qū)差異為研究土地利用結(jié)構(gòu)演化特征帶來(lái)了天然的便利條件，比較不同片區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)均衡度，從中發(fā)現(xiàn)城市問(wèn)題，優(yōu)化土地利用布局，尋找更為科學(xué)合理的土地利用方式。

選擇南京并把南京分為6個(gè)片區(qū)2個(gè)層面研究各種不同類型用地面積的變化。南京下轄兩縣十一區(qū)。為便于比較，根據(jù)其土地資源所在的地理位置，劃分南京經(jīng)濟(jì)區(qū)劃，分別是主城區(qū)（玄武區(qū)、白下區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)、鼓樓區(qū)、下關(guān)區(qū)），東北片區(qū)（棲霞區(qū)），西南片區(qū)（雨花臺(tái)區(qū)），東南片區(qū)（江寧區(qū)），江北片區(qū)（浦口區(qū)、六合區(qū)）和南部片區(qū)（溧水縣、高淳縣）。將這6大片區(qū)作為基本評(píng)價(jià)單元。南京整體與片區(qū)相結(jié)合，突出了研究的戰(zhàn)略性和層次性；片區(qū)與片區(qū)相比較，突出了研究的針對(duì)性和可用性。

根據(jù)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度的計(jì)算公式（1）和（2），對(duì)南京市該期間內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度進(jìn)行了計(jì)算（表1）。2005—2010年南京土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化趨勢(shì)如圖1所示。

由表1可知，根據(jù)2005—2010年的土地變更數(shù)據(jù)，南京市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度近6 a呈現(xiàn)波動(dòng)中趨向上升的狀態(tài)，表明土地利用類型轉(zhuǎn)換程度逐步加劇，但土地利用結(jié)構(gòu)趨于均衡。2005年的全國(guó)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度最低，說(shuō)明當(dāng)時(shí)南京土地利用結(jié)構(gòu)變化較小，但各種土地利用類型所占比例最不均衡；此后，2005—2008年土地利用結(jié)構(gòu)均衡度呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，2009年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度有較大幅度提高并達(dá)到最高點(diǎn)，表明土地利用結(jié)構(gòu)變化加快，各類用地比例不斷調(diào)整,說(shuō)明此時(shí)土地利用結(jié)構(gòu)變化最大，而各類用地比例差別最?。?010年的結(jié)構(gòu)均衡度較2009年有所降低。經(jīng)分析，形成這種趨勢(shì)的原因主要是從2009年開(kāi)始農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，使耕地和牧草地減少，園地、林地、居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地和交通設(shè)施用地等建設(shè)用地面積增加，未利用地和其他土地面積減少，可見(jiàn)，生態(tài)退耕及興建園林、城市建設(shè)是導(dǎo)致南京土地利用結(jié)構(gòu)加快調(diào)整、各類用地轉(zhuǎn)換增加的主要根源。

表1 2005—2010 年南京土地利用結(jié)構(gòu)、信息熵和均衡度

2.3 南京市片區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)均衡度的時(shí)空演化

根據(jù)國(guó)土資源部2002年發(fā)布的《土地分類標(biāo)準(zhǔn)》（過(guò)渡期適用），雖然其他土地算作未利用地小計(jì)之中，但未利用地是指荒草地、鹽堿地、沼澤地、沙地、裸土地、裸巖石礫地等難以利用或利用成本較高的土地，而其他土地指河流水面、湖泊水面、葦?shù)?、灘涂、冰川及永久積雪等水域，二者存在區(qū)別；南京市2005—2010年未利用地和其他土地平均占比分別為1.694%和7.525%，二者存在較大差距。為保證土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度的精確性，故將二者分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算。分析得出土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度，并進(jìn)行比較（表2，3）。分析表2，3的結(jié)果，總的判斷是：南京市各片區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)均衡度在2005—2010年期間的時(shí)空分異特征表現(xiàn)得十分突出。

表2 2005—2010 年南京各片區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵

由圖2可知，2005—2010年，所有區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)均衡度均呈波動(dòng)的態(tài)勢(shì)，但變化的趨勢(shì)不盡相同。其中，主城區(qū)、東北和西南片區(qū)先下降后上升，之后又下降；南部片區(qū)則與以上3個(gè)區(qū)域相反，表現(xiàn)為先上升后下降，之后再上升；東南和江北片區(qū)保持上升勢(shì)頭，只分別在2008年和2010年略有下降；而主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)均衡度僅僅達(dá)到其他片區(qū)平均水平的1/2多一點(diǎn)，空間分異特征表現(xiàn)十分突出；只有南部片區(qū)2009年土地利用結(jié)構(gòu)均衡度為6 a最低，而其余片區(qū)均在這一年達(dá)到最高點(diǎn)。

表3 2005—2010 年南京各片區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)均衡度

從空間上比較，2005年南京市各片區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)均衡度大小排名是東北、東南、江北、西南、南部、主城區(qū)，而到2010年南部片區(qū)排名上升了1位，與西南片區(qū)交換了位置，說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)東北片區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的均衡質(zhì)性最強(qiáng)，主城區(qū)最弱，而南部片區(qū)上升迅速。分析發(fā)現(xiàn)，主要是因?yàn)闁|北片區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)最為分散，除了耕地面積占21.19%、居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地面積占33.99%領(lǐng)先外，其余各類型土地面積分布相對(duì)不如其他地區(qū)差距顯著；主城區(qū)則過(guò)于集中到居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地上，這一類土地就占了73.1%，而耕地只占2.3%，水利設(shè)施用地占0.61%，未利用地占0.2%，各類型土地面積分布差異顯著；而南部片區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換最為明顯，尤其表現(xiàn)為耕地、園地和林地的減少，居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地和交通設(shè)施用地的增加，分散了各類型用地的面積。

2.4 南京市片區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)均衡度的影響因素分析

2.4.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因素的影響 基于近年來(lái)南京棲霞區(qū)新港開(kāi)發(fā)區(qū)、南京濱江開(kāi)發(fā)區(qū)、雨花臺(tái)、溧水、六合、棲霞、浦口、高淳等經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)以及南京海峽兩岸科技工業(yè)園等的大力推行，東北、西南、東南、江北以及南部片區(qū)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展。主城區(qū)的第三產(chǎn)業(yè)占比達(dá)到80%以上，且比例在逐年上升，而第三產(chǎn)業(yè)所需要的商服用地、住宅用地、公共管理及公共服務(wù)用地包含在居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地之中，因此，主城區(qū)的居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地面積比例占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先的地位。而第一產(chǎn)業(yè)最高不超過(guò)0.2%，且比例在逐年下降。因此，耕地占比與其他類型用地尤其是居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地占比懸殊，致使與其他片區(qū)相比，主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度處在較低水平。而距離主城區(qū)較近的東北和西南片區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)雖呈逐年下降趨勢(shì)，但相比主城區(qū)來(lái)說(shuō)大大提高，第二產(chǎn)業(yè)得到大力發(fā)展，因此，耕地占有一定的比例，建設(shè)用地占有較大比例。距離主城區(qū)較遠(yuǎn)的東南、江北和南部片區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，同時(shí)第二產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展也占到30%左右的比例，因此，各種不同類型的用地占比差距較小，土地利用結(jié)構(gòu)均衡度較高。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)因素的影響 土地利用結(jié)構(gòu)與特定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件相聯(lián)系[9]。南京市江北和南部片區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)落后，土地利用結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，而主城區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密集，商服用地、住宅用地、公共管理及公共服務(wù)用地以及交通設(shè)施用地等需求量大，土地利用結(jié)構(gòu)變化較快；2008年還經(jīng)歷了全球金融危機(jī)，外部市場(chǎng)萎縮，國(guó)內(nèi)外企不景氣，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)緩慢也減輕了土地壓力，然而，政府運(yùn)用靈活審慎的宏觀調(diào)控機(jī)制通過(guò)拉動(dòng)內(nèi)需促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)帶動(dòng)了用地需求?？梢钥闯觯喜科瑓^(qū)的高淳縣和溧水縣外，其余5個(gè)片區(qū)在2009年的土地利用結(jié)構(gòu)均衡度都達(dá)到了最高點(diǎn)。

2.4.3 制度因素的影響 依照2006年南京市國(guó)土資源局重申的《土地復(fù)墾規(guī)定》（國(guó)務(wù)院令第19號(hào)），對(duì)在生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中，因挖損、塌陷、壓占等造成破壞的土地，根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理的原則和其自然條件以及土地破壞狀態(tài)，在符合城市規(guī)劃的框架下采取整治措施，使其恢復(fù)到可供利用的狀態(tài)，從而達(dá)到合理高效地利用土地、改善生態(tài)環(huán)境的目的，以及《土地利用年度計(jì)劃管理辦法》和江蘇省國(guó)土資源廳《關(guān)于做好2004年度耕地占補(bǔ)平衡補(bǔ)充耕地項(xiàng)目庫(kù)建設(shè)工作的通知》等行政法規(guī)的貫徹執(zhí)行，對(duì)南京市控制建設(shè)用地總量、保護(hù)耕地起了很大作用，有效地控制了農(nóng)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的總量和速度。近年來(lái)，南京市加大城市綠化環(huán)保工作力度，整治園林景觀，重視綠化覆蓋率、城市行道樹(shù)、經(jīng)濟(jì)林園和農(nóng)田林網(wǎng)的建設(shè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，主城區(qū)主要是園地、林地和交通設(shè)施用地增速較快，而耕地、未利用地和其他土地減速較快；東北片區(qū)主要是交通設(shè)施土地和未利用地增速較快，園地有增加，耕地和其他土地減速較快；西南片區(qū)主要是園地、居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦土地、交通設(shè)施用地增速較快，而耕地、牧草地、其他農(nóng)用地、未利用地和其他土地減速較快；東南片區(qū)主要是園地、居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地、交通設(shè)施用地增速較快，而其他農(nóng)用地和未利用地減速較快；江北片區(qū)主要是園地、居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地、交通設(shè)施用地增速較快，而牧草地、其他農(nóng)用地、未利用地減速較快。南部片區(qū)主要是耕地、林地、牧草地、居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地、交通設(shè)施用地增速較快，而其他農(nóng)用地、未利用地減速較快，該片區(qū)也是南京市耕地面積增加的唯一區(qū)域。

3 結(jié)論與建議

本研究結(jié)果表明，2005—2010年南京市整體土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度近6 a呈現(xiàn)波動(dòng)中趨向上升的狀態(tài)，表明土地利用類型轉(zhuǎn)換程度逐步加劇，總體來(lái)說(shuō)土地利用結(jié)構(gòu)趨于均衡狀態(tài)，但仍需要將建設(shè)占用耕地的總量和速度控制在合理的范圍內(nèi)。建議引導(dǎo)南京市優(yōu)先利用平原、丘陵等適宜建設(shè)用地區(qū)域進(jìn)行建設(shè)，避免對(duì)山林、水體的破壞；在山區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)域，加大退耕還林、還草的力度，維護(hù)好南京市的整體生態(tài)環(huán)境；在居民區(qū)、生活休閑區(qū)域，增加生態(tài)綠地、生態(tài)水域等生態(tài)用地的建設(shè)和保護(hù)，提高居民的生活品質(zhì)[10]。要遵循自然規(guī)律和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律，正確認(rèn)識(shí)并處理好人口、資源、環(huán)境、發(fā)展之間與各種不同類型用地的相互作用關(guān)系[11]，實(shí)施農(nóng)、工、商協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)其土地資源的各種利用類型進(jìn)行更加合理的數(shù)量安排和空間布局，以提高土地利用效率和效益，維持土地生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)平衡，實(shí)現(xiàn)土地利用系統(tǒng)的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。

鑒于南京市6個(gè)片區(qū)各自不同的土地利用的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化，尤其是主城區(qū)與其他5個(gè)片區(qū)相比顯著的空間分異特征，則應(yīng)按照發(fā)揮比較優(yōu)勢(shì)、優(yōu)化資源配置的原則制定相應(yīng)的對(duì)策。主城區(qū)由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)特別是商業(yè)快速發(fā)展、人口密集，應(yīng)在現(xiàn)代城市的中心重視林業(yè)發(fā)展，提高綠化覆蓋率和人均公共綠地面積。而將大面積的商服用地、居住用地、機(jī)關(guān)團(tuán)體及科教文衛(wèi)娛樂(lè)用地等建設(shè)用地向城市邊緣區(qū)和郊縣分散，使主城區(qū)和其他片區(qū)的各職能類型的面積相差越小，各土地類型占比差距小。使土地資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各地區(qū)、各產(chǎn)業(yè)、各部門合理分配和集約利用[12]，這樣不僅可以緩解主城區(qū)的交通壓力、生活壓力、土地壓力、改善城市中心的自然、人文環(huán)境，還可以促進(jìn)郊縣商業(yè)經(jīng)濟(jì)、科教文衛(wèi)事業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大城市圈，提高主城區(qū)和南京其他片區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度。而相對(duì)第一產(chǎn)業(yè)占有一定比例、第二產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的城市邊緣區(qū)和郊縣來(lái)說(shuō)，應(yīng)本著合理高效利用土地的原則，統(tǒng)一規(guī)劃和科學(xué)利用土地[13]，采取有效措施加強(qiáng)城鎮(zhèn)以及工礦用地的集體節(jié)約利用程度[14]，杜絕工業(yè)用地布局凌亂、低效利用的問(wèn)題發(fā)生，嚴(yán)控建設(shè)占用耕地的總量和速度，禁止將耕地擅自改作他用，切實(shí)保護(hù)好耕地；加強(qiáng)對(duì)違法用地的懲罰，降低未利用土地的比例[15]。并且重視交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完善陸路交通立體網(wǎng)絡(luò)，使主城區(qū)與郊縣之間交通快捷、便利與舒適。盡可能提高未利用地的利用率，使其余5個(gè)片區(qū)的用地類型結(jié)構(gòu)更加合理化和均衡化。

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