基于信息熵的內(nèi)蒙古土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)空分異研究

趙忠旭 張宇 王佳興 朱冉 柴璐佳

[摘要]基于信息熵對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)2009～2015年土地利用結(jié)構(gòu)演變及其空間差異進(jìn)行研究，并分析其影響因素。結(jié)果表明，首先，2009～2015年內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵不斷增大，區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)均衡度不斷提高，除受自然條件嚴(yán)重影響的盟市外，其他地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)均趨于均衡；其次，相關(guān)分析表明城鎮(zhèn)化進(jìn)程、產(chǎn)業(yè)間協(xié)調(diào)發(fā)展、政策支持和交通等基礎(chǔ)設(shè)施的改善促進(jìn)了土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的提升。據(jù)此，未來(lái)應(yīng)通過(guò)生態(tài)保護(hù)、惠牧政策、增減掛鉤政策和用地相關(guān)技術(shù)改造等途徑，不斷提高區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)均衡度。

[關(guān)鍵詞]土地利用結(jié)構(gòu)；信息熵；時(shí)空分異；內(nèi)蒙古自治區(qū)

[中圖分類(lèi)號(hào)]F301 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

土地利用系統(tǒng)不僅是一個(gè)由自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)，同時(shí)也是開(kāi)放和運(yùn)動(dòng)著的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，具有承載、養(yǎng)育、倉(cāng)儲(chǔ)和景觀等功能和結(jié)構(gòu)，并在時(shí)間和空間上均呈現(xiàn)一定的變化演替規(guī)律。土地利用系統(tǒng)的有序程度可以用信息熵來(lái)度量，我國(guó)部分學(xué)者已經(jīng)用信息熵對(duì)多個(gè)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了研究，如劉筱非等（2004）分析了重慶市江北區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)序變化，得出信息熵是土地利用系統(tǒng)有序程度的標(biāo)志，能夠反映土地利用系統(tǒng)的狀態(tài)和變化趨勢(shì)；董杰等（2006）對(duì)山東省土地利用結(jié)構(gòu)的研究認(rèn)為土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在時(shí)間上有動(dòng)態(tài)演變規(guī)律，且土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度可以綜合反映某區(qū)域在一定時(shí)間段內(nèi)各種土地利用類(lèi)型的動(dòng)態(tài)變化及其轉(zhuǎn)換程度；劉敬才（2011）等對(duì)重慶市豐都縣信息熵的時(shí)序變化進(jìn)行研究，認(rèn)為人口壓力、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是影響土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化的主要因素。周子英等（2012）對(duì)長(zhǎng)沙市信息熵時(shí)空變化進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尤其是第二產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)，是長(zhǎng)沙市信息熵增長(zhǎng)的根本原因。朱大帥等（2016）對(duì)合肥市土地利用變化時(shí)間序列和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，分析發(fā)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展是引起土地利用結(jié)構(gòu)迅猛變化的根本原因。姬宇等（2017）運(yùn)用信息熵分析了山東省城市用地結(jié)構(gòu)的變化及其驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)果表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市交通建設(shè)和人口增長(zhǎng)是山東省城市用地結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動(dòng)力。綜合分析已有相關(guān)研究成果，可以看出對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的研究由單一時(shí)序角度向更完善的時(shí)空角度發(fā)展，但目前相關(guān)研究的研究區(qū)域大多集中在經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，自然條件較好，土地利用變化較快的小范圍區(qū)域，缺乏對(duì)于欠發(fā)達(dá)和相對(duì)較大范圍區(qū)域的研究。本文選取內(nèi)蒙古自治區(qū)為研究區(qū)域，區(qū)域面積廣大，自然條件相對(duì)較差，為典型中西部欠發(fā)達(dá)省份，且為更準(zhǔn)確體現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化的影響，研究時(shí)間范圍為2009～2015年，相對(duì)較短時(shí)間跨度盡可能排除自然等其他因素的干擾，對(duì)七年間自治區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息上變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素進(jìn)行分析，以期為自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件類(lèi)似的區(qū)域有序調(diào)解人地關(guān)系，促進(jìn)土地資源可持續(xù)利用提供參考。

1 研究區(qū)域概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于我國(guó)北部邊疆，區(qū)域土地總面積為118.3萬(wàn)km2，占我國(guó)土地面積12.3%，全區(qū)范圍處于東經(jīng)97°12′～126°04′，北緯37°34′～53°23′之間，由東北向西南呈狹長(zhǎng)形。全區(qū)氣候以溫帶大陸性氣候?yàn)橹?，夏季短暫溫和、冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，全年少雨，晝夜溫差大，年均溫0～10℃，各盟（市）年降水量50-500mm，地貌以高原為主，間有山地、平原和丘陵等多種類(lèi)型，海拔在1000米左右。自治區(qū)下屬12個(gè)盟（市）、103個(gè)旗（縣），2015年本地區(qū)總?cè)丝诩s為2511萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率達(dá)60.3%，地區(qū)生產(chǎn)總值約為17831.51億元。

自治區(qū)土地利用類(lèi)型多樣。2015年，農(nóng)用地中牧草地、林地和耕地為主要用地類(lèi)型，其中牧草地為495475.33km?，占土地總面積的41.88%，林地為232363.53km?，占19.64%，耕地為92379.87km2，占7.8%；建設(shè)用地中，城鎮(zhèn)村及工礦用地為主要用地類(lèi)型，約為13399.93km?，占土地總面積1.13%。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及城鎮(zhèn)人口的增多，2011～2015年建設(shè)用地比重持續(xù)上升，農(nóng)用地則相應(yīng)減少。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

隨著“熵”在信息論和控制論等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其也從最初的物理學(xué)概念，逐步形成了信息熵，并用來(lái)測(cè)度土地利用系統(tǒng)的有序程度和土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度。結(jié)合信息論原理和Shannon熵公式，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵（H）公式如下：

式中H為土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，P i（i=1，2，3，……，n）為各種土地利用類(lèi)型占區(qū)域土地總面積的比例，當(dāng)各土地利用類(lèi)型面積相等（P1=P2=…=Pn=1/n）時(shí)，信息熵值最大，相應(yīng)地土地利用類(lèi)型全面，用地結(jié)構(gòu)也就越均衡。

由于研究期間參照的土地利用分類(lèi)體系有所不同，根據(jù)不同分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出來(lái)的信息熵缺乏嚴(yán)格的可比性和直觀性，因此，本研究引入均衡度概念，土地利用結(jié)構(gòu)均衡度（J）公式為：

式中J為土地利用結(jié)構(gòu)均衡度，其數(shù)值為實(shí)際熵值和最大熵值之比，其取值范圍是J∈[0，1]，當(dāng)J=0時(shí)，說(shuō)明該區(qū)域土地利用均衡性差，各利用類(lèi)型的土地面積差距大，當(dāng)J=1時(shí)，說(shuō)明各土地類(lèi)型面積相等，區(qū)域土地利用趨于均衡。

均衡度用來(lái)反映趨于土地利用整體均衡性，優(yōu)勢(shì)度則是用來(lái)測(cè)度區(qū)域內(nèi)一種或幾種土地利用類(lèi)型支配該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的程度，與均衡度反映的土地利用均衡性和多樣性意義相反，土地利用結(jié)構(gòu)均衡度（I）公式可表達(dá)為：

式中I為優(yōu)勢(shì)度，反映區(qū)域內(nèi)一種或幾種土地利用類(lèi)型對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的支配程度，當(dāng)I=1時(shí)，區(qū)域土地利用類(lèi)型完全有某一類(lèi)支配，土地利用不均衡，處于未開(kāi)發(fā)狀態(tài)，當(dāng)I=0時(shí)，區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)處于均衡狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)國(guó)土資源統(tǒng)計(jì)年鑒（2016）》和2009～2015年內(nèi)蒙古自治區(qū)土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)，綜合考慮《全國(guó)土地分類(lèi)（2001）》和《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)（2007）》的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)間的比較，本研究將土地利用類(lèi)型統(tǒng)一劃分為耕地、園地、林地、牧草地、其它農(nóng)用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通用地、水利設(shè)施用地和其他土地8類(lèi)，其中，各盟市土地利用數(shù)據(jù)中，其它農(nóng)用地并入其他土地中。研究利用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)時(shí)序變化分析

利用內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（表1）和相關(guān)公式計(jì)算自治區(qū)2009～2015年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度和優(yōu)勢(shì)度，結(jié)果如表2所示。從計(jì)算結(jié)果可以直觀發(fā)現(xiàn)，研究期內(nèi)信息熵呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，均衡度相應(yīng)提升，優(yōu)勢(shì)度逐年降低，信息熵的最高值出現(xiàn)在研究的最后一年（2015年），達(dá)到1.3458，較研究期第一年增長(zhǎng)了5.5%，說(shuō)明隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各類(lèi)土地開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)的開(kāi)展，區(qū)域內(nèi)各土地利用類(lèi)型比重向均衡方向發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)均衡程度逐漸提升。結(jié)合具體的各土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可以看出，牧草地是自治區(qū)域內(nèi)主導(dǎo)地位的土地利用類(lèi)型，其比重的逐年降低是研究期內(nèi)優(yōu)勢(shì)度降低的主要誘因。在牧草地比重下降的同時(shí)，各類(lèi)建設(shè)用地比重相繼提升，反映了研究期階段社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程使得各類(lèi)建設(shè)用地規(guī)模不斷擴(kuò)張的土地利用狀況。此外，耕地的比重也有小幅度提升，2015年較2009年提升了0.03%，說(shuō)明了在建設(shè)用地?cái)U(kuò)張同時(shí)，自治區(qū)的土地整治復(fù)墾和耕地保護(hù)工作取得了一定成效。牧草地以外的多類(lèi)用地比重上升，進(jìn)一步直觀地說(shuō)明七年內(nèi)本地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)向均衡狀態(tài)發(fā)展。

3.2 內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)空間差異分析

為與時(shí)序研究的時(shí)間跨度相匹配，選取2012年（本研究時(shí)間區(qū)間的中間年份）內(nèi)蒙古自治區(qū)12盟（市）土地利用數(shù)據(jù)（表4）對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度和優(yōu)勢(shì)度進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果如表4所示。

2012年內(nèi)蒙古自治區(qū)12盟市間土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度相差較大，從地理位置來(lái)看，沒(méi)有呈現(xiàn)顯著地分異特征。其中，呼和浩特市、通遼市和烏海市三地信息熵均在1.4以上，呈現(xiàn)良好的土地利用結(jié)構(gòu)均衡性，各土地利用類(lèi)型所占比例相對(duì)均衡，土地利用開(kāi)發(fā)程度相對(duì)較高。與此同時(shí)，錫林郭勒盟和阿拉善盟的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵相對(duì)較低，優(yōu)勢(shì)度較高，單一土地利用類(lèi)型占據(jù)主導(dǎo)地位，土地利用系統(tǒng)的有序程度較高；錫林郭勒盟境內(nèi)有我國(guó)第三大草原——錫林郭勒草原，面積約20萬(wàn)km2，盟內(nèi)草原用地占全部土地面積的89.87%，導(dǎo)致區(qū)域土地利用開(kāi)發(fā)較為困難，土地利用結(jié)構(gòu)變化相對(duì)困難，草地處于長(zhǎng)期支配地位。根據(jù)表3可以看出，其他土地在阿拉善盟土地利用結(jié)構(gòu)中占60.24%，根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)顯示，阿拉善盟荒漠化面積達(dá)2487.50萬(wàn)hm2，該部分土地大多以沙地、裸地和戈壁灘的形式存在，開(kāi)發(fā)難度較大，該區(qū)域不利的自然條件使得土地利用結(jié)構(gòu)均衡程度難以在短時(shí)間內(nèi)得到改善。

3.3 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素分析

本研究所分析的時(shí)間區(qū)間較短，考慮到在較短時(shí)間內(nèi)，自然條件并不會(huì)產(chǎn)生顯著變化，因此，對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生影響的更多是社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，結(jié)合已有相關(guān)研究及內(nèi)蒙古自治區(qū)的區(qū)域?qū)嶋H，選取人口、收入、經(jīng)濟(jì)、政策和交通五個(gè)因素，研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)變化的影響，考慮數(shù)據(jù)的科學(xué)性和可獲得性，選取市鎮(zhèn)人口和鄉(xiāng)村人口兩項(xiàng)指標(biāo)代表人口因素；由于政策因素體現(xiàn)形式復(fù)雜多樣，因此在指標(biāo)選取上主要考慮到政府財(cái)政投入和生態(tài)保護(hù)措施會(huì)在很大程度上影響研究區(qū)土地利用，所以選取財(cái)政支出和造林封育面積表征政策因素的指標(biāo)；收入因素層面，除了考慮可綜合反映城鄉(xiāng)居民收入水平的城鎮(zhèn)人均可支配收入和農(nóng)村人均可支配收入外，還要考慮到內(nèi)蒙古地區(qū)的特殊性，草地面積廣大，牧民數(shù)量眾多，所以將牧民純收入納入到收入因素的指標(biāo)中；經(jīng)濟(jì)因素則選擇能綜合反映工、農(nóng)、商業(yè)發(fā)展水平的工業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、社會(huì)消費(fèi)品零售總額和全社會(huì)固定資產(chǎn)投資四項(xiàng)指標(biāo)；交通因素對(duì)用地結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響主要體現(xiàn)在交通通達(dá)性和運(yùn)載能力兩方面，選擇交通線路長(zhǎng)度和貨物運(yùn)輸量?jī)身?xiàng)指標(biāo)表征交通因素。

相關(guān)分析結(jié)果如表5所示，除造林封育面積外，其余12項(xiàng)指標(biāo)均與信息熵有顯著相關(guān)性，其中10項(xiàng)指標(biāo)在p<0.01的顯著水平下與信息熵呈正相關(guān)，鄉(xiāng)村人口與信息熵呈負(fù)相關(guān)，全社會(huì)固定資產(chǎn)投資在p<0.05的顯著水平下與信息熵正相關(guān)。綜合分析五類(lèi)社會(huì)經(jīng)影響因素與信息熵的相關(guān)性可以發(fā)現(xiàn)，自治區(qū)城鎮(zhèn)化率的提升、交通條件的改善和優(yōu)越的政策會(huì)使得區(qū)域土地利用朝均衡方向發(fā)展，為各類(lèi)土地利用開(kāi)發(fā)活動(dòng)提供良好的客觀條件；內(nèi)蒙古地區(qū)工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)和商業(yè)的綜合發(fā)展，保證了各行業(yè)居民收入，形成了相對(duì)成熟的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，在保證草地?cái)?shù)量相對(duì)穩(wěn)定的情況下，促進(jìn)了各行業(yè)用地比重的有序提升，提高了土地利用結(jié)構(gòu)的均衡程度。

4 結(jié)論與討論

內(nèi)蒙古自治區(qū)2009～2015年間，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵逐年增加，土地利用結(jié)構(gòu)趨均衡方向發(fā)展，土地利用系統(tǒng)向高級(jí)無(wú)序方向發(fā)展，在保證區(qū)域內(nèi)草地基數(shù)基本穩(wěn)定的前提下，耕地和建設(shè)用地比重不斷增加，2015年耕地占比較2009年上升0.04%，城鎮(zhèn)村及工礦用地所占比例上升0.1%。

內(nèi)蒙古自治區(qū)十二盟市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵沒(méi)有體現(xiàn)顯著的空間分異規(guī)律，除錫林郭勒盟和阿拉善盟的土地利用嚴(yán)重受制于自然條件，土地利用結(jié)構(gòu)均衡度不足0.4外，其他盟市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均和均衡度保持較高值，土地利用結(jié)構(gòu)相對(duì)均衡，開(kāi)發(fā)利用程度較高。

對(duì)自治區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素的相關(guān)分析表明，人口、經(jīng)濟(jì)、政策、收入和交通因素均對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)改變產(chǎn)生影響，因此，考慮到草地作為區(qū)域內(nèi)比重最大利用類(lèi)型的特殊性，以及宜耕土地資源的有限性，區(qū)域內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)草原生態(tài)保護(hù)工作，不斷完善惠牧政策，兼顧草地生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益；在區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地有限情況下，為保證城鎮(zhèn)化進(jìn)程和二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需建設(shè)用地，應(yīng)加強(qiáng)增加掛鉤政策實(shí)施力度；對(duì)于區(qū)域內(nèi)大量受自然條件限制難以開(kāi)發(fā)利用的土地，通過(guò)增加投入，利用技術(shù)手段改善自然和交通條件，逐步改造為可供開(kāi)發(fā)利用的土地資源。

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