長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空測(cè)度與演變特征分析

周 霞，曹逢羽

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

0 引言

作為國(guó)家參與國(guó)際分工與全球競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵地域單元，城市群將決定21世紀(jì)政治經(jīng)濟(jì)的格局[1]。國(guó)家“十四五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)要立足資源環(huán)境承載能力，發(fā)揮各地比較優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建國(guó)土空間開發(fā)保護(hù)新格局。長(zhǎng)三角城市群作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要引擎，在當(dāng)前“雙循環(huán)”新格局發(fā)展背景下，對(duì)國(guó)內(nèi)、國(guó)際資源配置的優(yōu)化起著關(guān)鍵作用。作為城市群發(fā)展的主要載體，城市土地利用結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是一個(gè)與外界有著廣泛關(guān)系的非線性開放系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)變化是城市土地利用系統(tǒng)內(nèi)部各組成要素之間、系統(tǒng)整體與外部環(huán)境之間不斷進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)與能量交換的結(jié)果[2]，是土地被承載主體“博弈均衡”的響應(yīng)。隨著長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、對(duì)不同類型用地需求的不斷攀升，其用地結(jié)構(gòu)發(fā)生著不可逆的演替和變化，這將直接影響城市土地利用系統(tǒng)和城市群整體功能的發(fā)揮[3]。因此，探究長(zhǎng)三角城市群近年來土地利用結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律及演變特征，對(duì)其未來經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

19世紀(jì)前期，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的學(xué)者最先對(duì)國(guó)內(nèi)區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。當(dāng)前，國(guó)外學(xué)者在此研究方面具有較大的影響，例如，White R和Engelen G開發(fā)元胞自動(dòng)機(jī)模型進(jìn)而研究城市土地利用的空間結(jié)構(gòu)[4]，Waddell P提出城市仿真模型及其應(yīng)用[5]，同時(shí)國(guó)外學(xué)者也基于景觀指標(biāo)對(duì)中國(guó)城市土地利用進(jìn)行量化研究[6]。近幾年，國(guó)外研究開始關(guān)注土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)城市氣候[7]和生態(tài)系統(tǒng)[8]的影響、城市空間規(guī)劃對(duì)土地利用的作用[9]以及城市熱島效應(yīng)與土地利用之間的關(guān)系[10]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者于20世紀(jì)初開始運(yùn)用近代的科學(xué)理論和方法對(duì)我國(guó)土地利用結(jié)構(gòu)展開研究。從研究尺度看，徐士珺等從宏觀層面發(fā)現(xiàn)我國(guó)城市土地利用結(jié)構(gòu)存在土地產(chǎn)出效益差、土地價(jià)值不能顯化等問題[11]；在中觀層面上，董杰等從省域角度分析了土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空演變特征[12]，匡兵、許蕓鷺等則進(jìn)一步探討了城市群土地利用結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在機(jī)理和演變規(guī)律[13-14]；喬偉峰等從微觀層面研究了城市土地利用結(jié)構(gòu)演化及驅(qū)動(dòng)因素[15]。從研究?jī)?nèi)容看，以往研究主要集中在單一城市或特定區(qū)域（如城市群）的土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空格局[16]、動(dòng)力機(jī)制[17]、結(jié)構(gòu)優(yōu)化[18]、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬[19]等內(nèi)容，少數(shù)學(xué)者就生態(tài)足跡[20-21]進(jìn)行了定量分析和理論分析。從研究方法看，學(xué)者們主要運(yùn)用分形理論[22]、信息熵理論[23]、基尼系數(shù)法[24]和洛倫茲曲線[25]等，部分學(xué)者借助面板數(shù)據(jù)模型[26]對(duì)城市土地利用結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究?？傮w來看，信息熵可以對(duì)區(qū)域內(nèi)土地利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有序程度進(jìn)行描述和分析?；诖?，本文從時(shí)間和空間角度對(duì)長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以期為土地資源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和布局調(diào)控提供參考。

1 研究區(qū)域概況

作為中國(guó)快速城鎮(zhèn)化地區(qū)，長(zhǎng)三角城市群發(fā)展的日新月異伴隨著人口急劇膨脹、土地利用快速更迭，各城市高質(zhì)量、行致遠(yuǎn)的發(fā)展需求與土地利用建設(shè)潛力不協(xié)調(diào)、不同步的矛盾日益加劇，顯現(xiàn)出無(wú)節(jié)制、粗放式的過度開發(fā)等問題[27]，對(duì)區(qū)域國(guó)土空間整體結(jié)構(gòu)和利用效率產(chǎn)生一定影響。同時(shí)，由于長(zhǎng)三角城市群在產(chǎn)業(yè)分工、環(huán)境治理等方面具有單一城市無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，所以其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與土地環(huán)境保護(hù)之間的平衡問題也較單一城市更為復(fù)雜多樣。因此，本文以長(zhǎng)三角城市群為研究對(duì)象，對(duì)其土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析。

2 數(shù)據(jù)資料來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料來源

為保證研究數(shù)據(jù)具有連續(xù)性和一致性，土地面積等數(shù)據(jù)資料均采用自然資源部門2009—2016年第二次全國(guó)土地調(diào)查成果及其年度變更數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2007），并對(duì)《土地利用現(xiàn)狀分類》中的05、06、07、08、09一級(jí)類和103、121二級(jí)類進(jìn)行歸并。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用類型動(dòng)態(tài)度

土地利用類型動(dòng)態(tài)度（D）可描述一定時(shí)間內(nèi)某一種土地利用類型的數(shù)量變化，計(jì)算方法如公式（1）。

式中：Wa、Wb分別為初期、末期某種土地利用類型的數(shù)量，T為研究時(shí)長(zhǎng)年限。

2.2.2 信息熵

假定某區(qū)域總面積為B，其中共有n種土地利用類型，第i種土地利用類型面積為Bi（i=1，2，…，n），第i種土地利用類型所占面積比例為Pi，Pi計(jì)算方法如公式（2）。

則信息熵表達(dá)式為公式（3）。

均衡度（J）和優(yōu)勢(shì)度（I）的計(jì)算方法分別如公式（4）和（5）。

2.2.3 灰色GM（1，1）模型

假 設(shè) 初 始 序 列 x（0）（t）=（x（0）（1），x（0）（2），…，x（0）（n）），對(duì)其進(jìn)行一次累加，則其微分方程為，β和u均為常數(shù)。

3 土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空演變特征與分析

3.1 土地利用類型面積與信息熵時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

由表1可知，從數(shù)量變化看，園地和草地面積凈減少，其中，園地面積減少0.0506萬(wàn)km2，草地面積減少0.0026萬(wàn)km2。從變化幅度看，交通運(yùn)輸用地變化幅度最大，變化幅度為2.56%；其次是城鎮(zhèn)村及工礦用地，變化幅度為2.00%；水域及水利設(shè)施用地變化幅度最小，變化幅度僅為0.18%。

表1 2009—2016年長(zhǎng)三角城市群土地類型面積變化情況

根據(jù)公式（2）～（5），通過相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得出研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵（H）、均衡度（J）和優(yōu)勢(shì)度（I），如表2所示。

表2 長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)情況

總體上，研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵由2009年的1.4418Nat逐漸上升到2016年的1.4496Nat。2010年，長(zhǎng)三角城市群發(fā)布了《土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》，各城市依據(jù)規(guī)劃內(nèi)容進(jìn)行調(diào)控和部署。整體上，2009—2013年長(zhǎng)三角城市群保持耕地面積基本穩(wěn)定，但伴隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地逐年增加，園地、林地和草地逐年減少，各類用地呈現(xiàn)出向各類型均衡的方向變化，導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)信息熵不斷上升。自2012年國(guó)務(wù)院印發(fā)《全國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》以來，長(zhǎng)三角城市群實(shí)行了更為嚴(yán)格的耕地保護(hù)和節(jié)約用地制度，2014年耕地面積穩(wěn)步上升，加之其他各類用地均衡變化，2014年的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵增長(zhǎng)最快；自2015年開始，各類用地變化幅度減少，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵增長(zhǎng)幅度減緩。長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化情況如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化情況

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化分析

根據(jù)公式計(jì)算各城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，結(jié)合長(zhǎng)三角地域特點(diǎn)，通過征詢專家意見，按照信息熵變化率（S）將各城市分為4種類型，即慢速下降區(qū)（-5%＜S＜-1%）、基本穩(wěn)定區(qū)（-1%≤S＜1%）、慢速上升區(qū)（1%≤S≤5%）、快速上升區(qū)（S＞5%），選取2009、2016年長(zhǎng)三角城市群土地利用的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，利用自然斷點(diǎn)分類法將26個(gè)城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分為高熵值區(qū)、中熵值區(qū)和低熵值區(qū)。長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空分異如表3所示。

表3 長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空分異

根據(jù)表3可知，時(shí)間維上，信息熵慢速下降區(qū)包括嘉興和蕪湖2個(gè)城市；基本穩(wěn)定區(qū)包括上海、南京、杭州等18個(gè)城市；慢速上升區(qū)包括南通、泰州、馬鞍山、池州和宣城5個(gè)城市；快速上升區(qū)為合肥市?？臻g維上，7年間上海、蕪湖和銅陵市由高熵值區(qū)變?yōu)橹徐刂祬^(qū)，合肥市由低熵值區(qū)變?yōu)橹徐刂祬^(qū)，各城市信息熵差異越來越小。近年來，上海市全面貫徹執(zhí)行耕地保護(hù)政策，耕地面積基本維持不變，交通運(yùn)輸用地面積有所增加，園地、林地和草地的面積不斷減少，信息熵由2009年的1.5011 Nat減少至2016年的1.4956 Nat；蕪湖和銅陵市保持耕地和林地面積不減情況下，城鎮(zhèn)村及工礦用地和水域及水利設(shè)施用地面積逐年穩(wěn)步增加，信息熵分別由2009年的1.5287 Nat和1.5299 Nat減少至2016年的1.4790 Nat和1.5174 Nat?？傮w上，3個(gè)城市土地利用的均質(zhì)性有所降低，土地利用結(jié)構(gòu)向相對(duì)有序的方向發(fā)展。合肥市由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快、城鎮(zhèn)化進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn)，在嚴(yán)格控制耕地面積的前提下，城鎮(zhèn)村及工礦用地、水域及水利設(shè)施用地等面積逐步增加，土地利用結(jié)構(gòu)愈發(fā)均衡，信息熵由2009年的1.3354 Nat增至2016年的1.4117 Nat。

3.3 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化預(yù)測(cè)分析

本文利用公式（6）和（7）預(yù)測(cè)研究區(qū)域2020—2035年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度和優(yōu)勢(shì)度情況，土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型如表4所示。

表4 土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型

利用EViews 11進(jìn)行殘差檢驗(yàn)，通過平均絕對(duì)誤差驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型精度，誤差越小證明精度越高。由表4可知，信息熵、均衡度和優(yōu)勢(shì)度的平均絕對(duì)誤差值分別為0.07%、0.03%、0.03%，證明預(yù)測(cè)模型精確度較高。本文將預(yù)測(cè)值與實(shí)際值進(jìn)行比較，計(jì)算相對(duì)誤差，對(duì)比結(jié)果如表5所示。其結(jié)果均小于5%，進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的可信度。

表5 2016年信息熵預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比結(jié)果

通過檢驗(yàn)后，利用表4中的預(yù)測(cè)模型分別計(jì)算2020—2035年長(zhǎng)三角城市群的信息熵、均衡度和優(yōu)勢(shì)度，2020—2035年土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵將不斷上升，2035年增至1.4746Nat。2019年，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布的《長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》指出，將進(jìn)一步加強(qiáng)長(zhǎng)三角區(qū)域省際重大水利工程建設(shè)，可推測(cè)未來研究區(qū)域在“協(xié)調(diào)共進(jìn)”發(fā)展理念下水域及水利設(shè)施用地面積增加，在“綠色共?！鄙鷳B(tài)理念下土地利用均質(zhì)性增強(qiáng)，導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)信息熵逐步上升。

表6 2020—2035年土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果

綜上，未來長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)將延續(xù)相對(duì)均衡的發(fā)展方向，信息熵雖不斷上升，但2035年的長(zhǎng)三角城市群整體信息熵值仍未達(dá)高熵值區(qū)，同時(shí)信息熵逐步上升符合規(guī)劃綱要的正確發(fā)展理念，因此，研究區(qū)域是有序發(fā)展的。

4 結(jié)論

（1）從變化數(shù)量看，長(zhǎng)三角城市群園地和草地面積凈減，其中，園地面積減少0.0506萬(wàn)km2，草地面積減少0.0026萬(wàn)km2。從變化幅度看，交通運(yùn)輸用地變化幅度最大，變化幅度為2.56%；其次是城鎮(zhèn)村及工礦用地，變化幅度為2.00%；水域及水利設(shè)施用地變化幅度最小，變化幅度僅為0.18%。隨著長(zhǎng)三角城市化水平不斷提高，為避免出現(xiàn)生態(tài)退耕，研究區(qū)域執(zhí)行了嚴(yán)格的耕地保護(hù)和節(jié)約用地制度，自2013年起耕地面積逐漸回升。長(zhǎng)三角城市群應(yīng)繼續(xù)堅(jiān)持 “一要吃飯、二要建設(shè)”基本原則長(zhǎng)期不動(dòng)搖，依據(jù)土地利用總體規(guī)劃開展各項(xiàng)建設(shè)。

（2）2009—2016年長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)。通過灰色GM（1，1）模型預(yù)測(cè)可知，到2035年長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)信息熵將繼續(xù)上升。長(zhǎng)三角城市群土地利用結(jié)構(gòu)將延續(xù)相對(duì)均衡的發(fā)展方向，雖然信息熵不斷上升，但至2035年長(zhǎng)三角城市群整體信息熵值仍未達(dá)高熵值區(qū)，同時(shí)信息熵逐步上升符合規(guī)劃綱要的正確發(fā)展理念，研究區(qū)域是有序發(fā)展的。因此，長(zhǎng)三角城市群需針對(duì)不同城市定位，合理布局優(yōu)化城市用地，進(jìn)一步提升集約利用水平和土地資源配置效率。

（3）長(zhǎng)三角城市群26個(gè)城市在土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)間維體現(xiàn)了區(qū)域差異。信息熵慢速下降區(qū)包括嘉興市和蕪湖市，基本穩(wěn)定區(qū)包括上海市等18個(gè)城市，慢速上升區(qū)包括南通市等5個(gè)城市，快速上升區(qū)為合肥市。而在空間維上，2016年，高熵值區(qū)包括南京市等8個(gè)城市，中熵值區(qū)包括上海市等11個(gè)城市；低熵值區(qū)包括杭州市等7個(gè)城市。