基于信息熵的天水市農(nóng)業(yè)用地結(jié)構(gòu)演化分析

王新民，邸文鉑

（1.天水師范學院 生命科學與化學學院，甘肅 天水 741001；2.中國建設(shè)銀行信用卡中心，甘肅 蘭州 730000）

人類的長期生產(chǎn)實踐引起了土地利用結(jié)構(gòu)的演化，在不同的空間和時間尺度上對各類型的土地利用結(jié)構(gòu)造成影響。農(nóng)業(yè)用地在土地利用中占主導地位，所以其空間分布是影響該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。農(nóng)業(yè)用地的空間分布一方面是耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能等有序性特征，另一方也是一個未精確定義的系統(tǒng)，并具有復雜的系統(tǒng)的一般特性，如開放性、動態(tài)性、自組織性、自適應性等。而信息熵是對系統(tǒng)的無序性的一種量度，熵值越大則表明系統(tǒng)越無序，因此，農(nóng)業(yè)用地的空間分布的有序程度可以借助信息熵來加以度量。

1 研究區(qū)概況

天水市位于甘肅中部黃土高原、六盤山和秦嶺山地的交接處，地跨長江、黃河兩大水系，是陜、川兩省的交通要道，位置優(yōu)越，交通便利。天水屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫11°C左右，年平均降雨量531mm，平均年積溫3523°C，適宜于多種糧食作物、經(jīng)濟作物和林果瓜菜的生長。天水市是以種植業(yè)為主體的農(nóng)業(yè)城市，2010年全市常住人口為326.25萬人，其中農(nóng)村人口305.5萬人，占全市總?cè)丝诘?7%，十年間農(nóng)民人均純收入1800元/年，全市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值35.81億元，占全市生產(chǎn)總值196.2億元的18.3%，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟在全市經(jīng)濟中起著相當重要的作用，[1]所以天水市的農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)對全市的經(jīng)濟和人民的生活都具有絕對的影響力。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于《天水市統(tǒng)計年鑒》（2001～2010）、《甘肅省統(tǒng)計年鑒》（2001～2010）、天水市社會經(jīng)濟與發(fā)展統(tǒng)計公報（2001～2010）等。

2.2 研究方法

在本文中用信息熵的大小及變化來描述土地利用系統(tǒng)的有序程度。一般情況下，信息熵越小，系統(tǒng)就越有序，結(jié)構(gòu)性就越強；反之，信息熵越大，系統(tǒng)就越無序，結(jié)構(gòu)性就越差。[2]熵可以描述某個系統(tǒng)的存在狀態(tài)，熵的變化可以表征系統(tǒng)的演化方向，在研究土地利用結(jié)構(gòu)變化時定義土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵為：

式中:H為土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵；Pi為第i種土地類型所占的比例。[3]根據(jù)熵值最大和最小原理，當區(qū)域處于未開發(fā)狀態(tài)時，其土地利用結(jié)構(gòu)信息熵為0，即Hmax=0)；相反，當區(qū)域已發(fā)展成熟，各土地類型已趨于穩(wěn)定、均勻，且滿足熵最大化條件時，即p1=p2…=pn=1 n時，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵為最大，即Hmax=ln(n).[4]土地職能類型越多，各職能內(nèi)的土地面積相差越小，則其熵值也越大，某個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有序程度就可以用信息熵來反映，農(nóng)業(yè)用地具有結(jié)構(gòu)和功能的有序特征，故信息熵可用來度量農(nóng)業(yè)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序程度，同時反映出的是在特定的區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)用地內(nèi)部各土地子類別的動態(tài)演變規(guī)律及其相互轉(zhuǎn)換程度。假設(shè)1個區(qū)域農(nóng)業(yè)用地總面積為S，農(nóng)業(yè)用地可分為n種小類，每種類型的面積為Si，則有：S=i(i = 1,2,…,n )各種子類別占農(nóng)業(yè)用地總面積的比例為：

在實際應用中，由于不同的區(qū)域或同一區(qū)域的不同發(fā)展階段可能有不同的土地職能數(shù)，土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵往往缺乏可比性，由此將實際熵值與最大熵值之比作為區(qū)域土地利用構(gòu)成的均衡度(J).基于信息熵公式，土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度為：

因為H≤Hmax，所以0≤J≤1，當J=0時，表示土地利用結(jié)構(gòu)處于最不均勻狀態(tài)，而當J=1時，則表明土地利用類型達到理想的平衡狀態(tài).[3]將優(yōu)勢度表達式定義為：D=1-J，式中D表示優(yōu)勢度，它反映的是區(qū)域內(nèi)一種或者幾種土地類型影響該區(qū)域土地類型的程度。

3 結(jié)果與分析

3.1天水市農(nóng)業(yè)用地總體規(guī)模

本文將所用到的天水市所有的農(nóng)業(yè)用地劃分為耕地、園地、林地等。天水市耕地、園地、林地等用地總體規(guī)模2001年為68.49萬hm2，2010年為73.76萬hm2，10年間增加了5.27萬hm2，平均年增長率為0.23%，總的增長幅度不大，增長趨勢基本保持平穩(wěn)。

3.2天水市農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度分析

根據(jù)2001～2010年天水市農(nóng)業(yè)用地土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，把研究區(qū)土地利用類型按耕地、園地、林地等進行分類。根據(jù)上述方法，計算出2001～2010年天水市農(nóng)業(yè)用地結(jié)構(gòu)的信息熵（H）、均衡度（J）、優(yōu)勢度（D）。（見表1）

表1 天水市2001～2010年農(nóng)業(yè)用地利用結(jié)構(gòu)信息熵（Nat）

通過分析，可以得到：天水市農(nóng)業(yè)用地結(jié)構(gòu)信息熵總體呈波動趨勢，信息熵（H）的均值是0.6667，這就表明十年來天水市農(nóng)業(yè)土地的利用結(jié)構(gòu)沒有很好地向均衡狀態(tài)發(fā)展，各職能類型的農(nóng)業(yè)用地面積差別比較明顯，土地利用系統(tǒng)的無序度在增加。農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵從2001年的0.5294上升到2002年的0.7227，漲幅較大；而在2002～2004年間呈平穩(wěn)上升趨勢，從0.7227增加到0.7496；但在2004～2006年間又呈現(xiàn)出平穩(wěn)下降趨勢，從0.7496下降到0.6181.

圖1 2001～2010年天水市農(nóng)業(yè)用地利用結(jié)構(gòu)信息熵

結(jié)合表1和圖1可將天水市農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵波動分成了三個明顯的變化階段。第一階段：2001～2002年土地利用信息熵處于劇烈增長階段，從2001年的0.5294增長到2002年的0.7227，增長幅度較大，說在這段時間內(nèi)農(nóng)業(yè)土地利用種類增多，各職能內(nèi)的土地面積差額減小，系統(tǒng)無序程度增大。第二階段：2002～2004年處于平穩(wěn)上升階段，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵從2002年的0.7227增長到2004年的0.7496，增長較為穩(wěn)定，說明土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了比較合理的逐步變化。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)造成這種變化的主要原因是：這一階段天水市開始著力發(fā)展特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，不斷提升農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢，職能用地面積差異縮小，導致了土地利用結(jié)構(gòu)信息熵平穩(wěn)增加。第三階段：2005～2010年處于上升后穩(wěn)定階段，較前一階段增長后有所回落。從2004年的0.7496下降到2005年的0.6683.之后一直處于較平穩(wěn)狀態(tài)，變化較小?？梢娞焖型恋乩泌呌谄胶猓r(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，同時說明天水市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)正處于穩(wěn)定發(fā)展階段。此外，結(jié)合圖2可以看出：土地利用結(jié)構(gòu)均衡度變化與信息熵變化一致，優(yōu)勢度變化與均衡度、信息熵變化相反，呈下降趨勢，表明天水市土地利用類型正趨于平衡狀態(tài)。這一變化也符合土地結(jié)構(gòu)信息熵的動態(tài)演變規(guī)律。

3.3天水市各縣區(qū)農(nóng)業(yè)用地信息熵

由圖3可將天水市各縣區(qū)農(nóng)業(yè)用地信息熵變化情況分成3類：（1）信息熵較低且一直處于變化較大的狀態(tài)。2001～2010年張川縣、武山縣農(nóng)業(yè)用地信息熵一直處于較低水平，平均水平為0.5，低于天水市整體水平而且變化較大，一直是變動狀態(tài)且變動較為劇烈。說明張川縣、武山縣農(nóng)業(yè)用地用地內(nèi)部職能較單一，各職能類型土地面積相差較大，總體均衡度較差。（2）信息熵較高且比較平穩(wěn)。秦州區(qū)、麥積區(qū)兩區(qū)2001年農(nóng)業(yè)用地平均信息熵為0.54，與天水市整體水平基本持平。2001～2010年兩區(qū)農(nóng)業(yè)用地信息熵一直處于上升后的平穩(wěn)狀態(tài)，2010年兩區(qū)農(nóng)業(yè)用地平均信息熵為0.69.說明伴隨社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，兩區(qū)農(nóng)業(yè)用地職能數(shù)不斷增多，且地類面積差別逐漸減小，農(nóng)業(yè)用地的均質(zhì)性逐漸增強。（3）信息熵水平處于秦州區(qū)與張川縣之間且較為平穩(wěn)。此類型的代表縣區(qū)為秦安縣、甘谷縣、清水縣。2001年這三個縣農(nóng)業(yè)用地信息熵分別為0.48、0.62、0.48，到2002年信息熵值分別為0.71、0.74、0.71，增長幅度較大，之后一直處于基本平穩(wěn)趨勢。說明這三個縣農(nóng)業(yè)用地各職能數(shù)在較大增長后又處于平穩(wěn)狀態(tài)，近幾年沒有較大的發(fā)展?？傮w上，天水市整體農(nóng)業(yè)用地信息熵水平較低，且表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的態(tài)勢，說明就天水市兩區(qū)五縣整體農(nóng)業(yè)用地而言各類農(nóng)業(yè)用地面積相差較大，整體均衡度較差。

圖2 2001～2010年天水農(nóng)業(yè)用地利用結(jié)構(gòu)均衡度和優(yōu)勢度柱狀圖

圖3 2001～2010年天水市各縣區(qū)農(nóng)業(yè)用地信息熵變化趨勢

4 結(jié) 語

通過對2001～2010年天水市農(nóng)業(yè)用地結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度和優(yōu)勢度的計算，并對其變化趨勢的特點進行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）天水市2001～2010年農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度都處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，這表明在十年間天水市農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)逐步向均衡發(fā)展，但總體變化并不大，也就是說未能很好地發(fā)展各土地類型的職能，各土地利用職能類型的面積差別并沒有明顯的減小，土地利用系統(tǒng)無序度沒有得到很好的改善和發(fā)展。

（2）該區(qū)農(nóng)業(yè)用地結(jié)構(gòu)動態(tài)演變的信息熵經(jīng)歷了三個不同的變化階段：2001～2002年土地利用信息熵處于劇烈增長階段，從2001年的0.5294增長到2002年的0.7227，增長比較明顯。2002～2004年處于比較平穩(wěn)的上升階段，其農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵從2002年的0.7227增長到2004年的0.7496，增長較為穩(wěn)定，說明土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了比較合理的變化。2005～2010年處于上升后穩(wěn)定階段，較前一階段增長后有所回落。從2004年的0.7496下降到2005年的0.6683.2005年之后一直處于較平穩(wěn)狀態(tài)，變化較小。可見天水市土地利用趨于平衡，農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，從另一側(cè)面說明了天水市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)正處于穩(wěn)定發(fā)展階段。此外，農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)均衡度的變化與信息熵的變化基本一致。優(yōu)勢度變化與均衡度、信息熵變化相反，呈下降趨勢。以上分析表明天水市土地利用類型正趨于平衡狀態(tài)，這一變化也符合土地結(jié)構(gòu)信息熵的動態(tài)演變規(guī)律。

（3）天水市農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)的演變，除了區(qū)域的自然的環(huán)境條件和政策、制度等因素有關(guān)，結(jié)合十年內(nèi)天水市農(nóng)業(yè)產(chǎn)值及農(nóng)民的人均收入變化情況，影響天水市農(nóng)業(yè)用地利用結(jié)構(gòu)動態(tài)演變的經(jīng)濟社會驅(qū)動力有經(jīng)濟、人口、農(nóng)業(yè)投資、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營、名優(yōu)特產(chǎn)品的開發(fā)、科技水平和管理水平的增長等。

[1]陶志剛,郭健健,等.制約天水市農(nóng)業(yè)發(fā)展的因素及對策[J].甘肅農(nóng)業(yè),2009,(9):54-55.

[2]戎曉紅,李春俠,等.基于信息熵的徐州市土地利用結(jié)構(gòu)分析及其GM預測[J].國土資源科技管理,2013,(1).

[3]陳英,張仁陟,謝保鵬,等.基于信息熵的蘭州市各縣區(qū)建設(shè)用地變化及驅(qū)動力分析[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學學報,2012,(4):83-89.

[4]廖磊,唐國滔,等.基于信息熵的永州市土地利用結(jié)構(gòu)演化研究[J].北京農(nóng)業(yè),2008,(下):52-53.