喀斯特土地利用结构动态演变研究——以广西都安瑶族自治县为例<br/>

喀斯特土地利用结构动态演变研究——以广西都安瑶族自治县为例

2015-03-16苏广实

安徽农业科学 2015年12期

苏广实

(1．广西经济管理干部学院贸易经济系，广西南宁530007;2．中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵州贵阳550002)

土地利用结构是某一区域内各种土地利用类型的组成、对比关系以及空间格局［1］，是区域自然、经济、社会和科学技术诸条件的综合表现［2］。由于自然和社会经济等条件的地区差异性以及人们对土地利用目的和方式不同，便形成了不同的土地利用结构［3］。因此，通过研究土地利用结构变化可以具体把握区域土地利用现状［4］、土地资源的特点和优劣势［5］以及土地利用的合理性，对于优化配置土地资源、实现土地资源可持续利用具有指导意义。近年来，国内不少学者对土地利用结构开展了比较广泛的研究［6-10］，但对喀斯特地区的研究较少。我国西南喀斯特地区是少数民族聚居的贫困区，长期以来，随着人口急剧增加，过垦、滥伐等不合理的土地利用方式造成了喀斯特地区石漠化、水土流失、水质污染、土壤退化以及生物多样性减少等生态环境问题［11-12］。因此，分析和探讨西南喀斯特地区土地利用结构动态演变，对于当地土地资源的合理开发和保护、石漠化综合治理和土地资源可持续利用有着重要的指导意义。鉴于此，笔者运用信息熵和洛伦兹曲线-基尼系数分析方法，分析了喀斯特典

型县域——广西都安瑶族自治县(下称“都安县”)1977～2005年土地利用结构信息熵时空演变特征和空间差异规律，以期为其他类似喀斯特地区土地资源合理利用和喀斯特石漠化综合治理政策的制定提供参考。

1 研究区概况和数据来源

1．1 研究区概况都安县位于广西中部偏西，地理位置为107°46′～108°31′E、23°48′～24°35′N，地处云贵高原向广西盆地过渡的斜坡地带，都阳山脉东段，是广西典型的喀斯特大石山区。全境以喀斯特石山为主，地形复杂，岩石裸露，山高谷深，洼地遍布，只有少数地带有土山丘陵分布。山地、丘陵、台地和谷地平原分别占全县面积的77．9%、13．2%和8．9%，难利用面积占很大比例。气候为中亚热带季风气候与南亚热带季风气候区的过渡地带，年均气温18．2～21．7℃，年降雨量1 200～1 900 mm。雨量集中于夏季，约占年降雨量的68．3%，且以暴雨形式降落，常造成洪涝灾害。地表水系不发育，地下水丰富，但埋藏深，水量、水位动态不稳，春、秋干旱，水土流失日趋严重。

1．2 数据来源与处理数据来源包括1977年航片数据、1988和1999年TM影像数据、2005年SPOT-2/4影像数据。利用1∶50 000的地形图对2005年SPOT-2/4影像进行几何校正，在此基础上对1988与1999年的影像进行配准，配准误差控制在0．5个像元以内。综合考虑都安喀斯特土地利用特点及其相关数据源的科学性、可获取性、可操作性与可比性等，对都安喀斯特土地利用进行分类，分类结果包括有林地、灌丛地、疏林地、草地、沟谷耕地、坡耕地、水域(河流、塘、库)、建设用地和裸岩地。按1∶10万的比例尺对各期影像数据进行人工目视解译，得出1988、1999和2005年土地利用类型图。经检验，解译精度符合要求。采用1977年航片进行矢量化得出1977年1∶10万的土地利用类型图。经统计得到1977、1988、1999和2005年都安县及各乡镇各类用地构成数据。由于受地形地貌等自然条件的限制，水域面积比例很小，研究时段内，其空间分布和面积基本不变，因此，该研究不对水域进行分析。

2 都安喀斯特土地利用结构演变信息熵、均衡度和优势度

2．1 信息熵、均衡度和优势度土地利用本身就是一个复杂的巨系统，具有结构和功能的有序性特征。人类开发利用土地资源直接影响着土地利用系统的时空演变过程，进而对土地利用系统的有序程度产生影响。土地利用系统的有序程度可以用信息熵来描述和刻画［13］。

假定一个区域的土地总面积为A，该区域的土地利用类型可分成n种，每种类型的面积为Ai(i=1，2，…，n)，则第i种土地利用类型的面积占该区域土地总面积的比例为Pi=Ai/A。显然，Pi具有归一性。Pi是第i种土地利用类型在该区域土地中出现的可能性，相当于信息熵中事件发生的概率，因而可以依照Shannon熵公式定义土地利用结构的信息熵(H)［14-15］:

信息熵的高低可以反映土地利用结构的有序程度，熵值越高，表明区域土地利用的职能类型越多，各职能类型的面积相差越小，土地分布越均衡。当各用地类型的面积相等时，即P1=P2=P3=…=Pi=1/n，熵值达到最大，Hm=ln n，表明该区域土地利用达到了均衡状态。

由于同一区域的不同发展阶段或不同的区域可能出现不同的土地职能数，土地利用结构的信息熵会缺乏可比性，因此根据信息熵又引申出2个相关概念:均衡度和优势度［16］。均衡度(E)表示实际熵值和最大熵值的比值，反映一个区域土地利用的均衡程度，E值越大，土地利用的均质性就越强，其公式为:

优势度(D)反映区域内1种或几种土地利用类型支配该区域土地类型的程度，与均衡度的意义相反，其公式为:

2．2 都安县土地利用结构信息熵动态演变分析利用信息熵、均衡度和优势度计算公式和经解译统计得到1977、1988、1999、2005年都安县及各乡镇各类用地构成数据，计算出其土地利用结构信息熵(表1)。

表1 都安县1977～2005年喀斯特土地利用结构及信息熵、均衡度和优势度

结果表明，都安县土地利用结构信息熵总体上表现为先升高后下降再升高的变化趋势。根据信息熵描述刻画土地利用系统功能的原理，28年间都安县土地利用系统处于不稳定的动态演变过程，其演变过程表现为无序度先升高后下降再升高、有序度先下降后升高再下降的变化趋势。信息熵的变化过程经历了3个阶段:①1977～1988年信息熵呈升高趋势，增长了0．020 2，总体变化幅度较小，年均增长幅度为0．12%，1988年熵值为1．612 8，熵值达到最高值;②1988～1999年信息熵呈下降趋势，减少了0．040 6，下降幅度增大，年均下降幅度为0．23%，1999年熵值为1．572 2，熵值为最低值;③1999～2005年信息熵呈升高趋势，上升了0．027 3，与前2个时段相比，增长幅度较大，年均上升幅度为0．29%。均衡度变化趋势与信息熵类似，优势度则相反。都安县土地利用结构信息熵的动态演变过程与外界输入土地利用系统的负熵流有关，所谓的负熵流即人类活动强度对区域土地利用结构的影响程度，与区域经济发展水平、产业结构、区域开发模式以及人类生态环境建设对区域土地资源系统的保护水平有着密切关联，在土地系统中则具体表现为土地利用的结构［17］。

先天脆弱的喀斯特地质-生态背景导致了都安县土地利用系统抗干扰能力低，系统稳定性差;而经济发展、人口增长和政策等因素直接影响其熵值的时序变化。1977～1988年正处于改革开放头十年，广大农村实行了联产承包责任制，由于实施计划生育处于起步阶段，人口快速增长，同时缺乏生态环境保护意识，农民群众为了摆脱贫困，大量毁林毁草，陡坡开垦，灌丛地、疏林地、草地等急剧减少，水土流失加剧，岩石裸露;相应地，坡耕地和裸岩地面积增加。与此同时随着经济的快速发展，建设用地占用沟谷耕地较严重。因此，该阶段土地利用结构信息熵升高，土地利用系统向无序方向发展。1988～1999年，由于实行严格的计划生育政策，都安县人口快速增长势头得到了一定程度的遏制，人地矛盾有所缓解但依然严峻。期间，政府重视农业科技投入，耕作效率和粮食单产明显提高，优质的沟谷耕地面积有所增加，坡耕地、建设用地和裸岩地面积增速缓慢，因此，1988～1999年土地利用结构信息熵下降，土地利用系统向有序化方向发展，但毁林毁草现象仍然严重。1999年开始，随着退耕还林还草政策和石漠化综合治理的逐步实施，林草面积减少趋势得到逐步遏制，生态环境有所改善，为都安土地利用系统汇入了一定的负熵流。但随着西部大开发战略的实施，都安县土地利用结构发生了明显的变化，滥垦滥发现象依然屡禁不止，尽管实行严厉的耕地保护政策，建设用地占用沟谷耕地仍比较严重，汇入土地系统的正熵流依然较大，1999～2005年土地利用结构信息熵呈上升趋势。总体而言，在脆弱地质-生态环境背景、土地资源保护以及人类经济社会活动等综合作用下，1977～2005年的28年间都安喀斯特地区土地利用结构信息熵呈升高趋势。

2．3 都安县土地利用结构信息熵空间分布分析通过计算可得1977、1988、1999、2005年都安县及各乡镇土地利用结构信息熵，根据计算结果，将熵值分成＜1．0、1．0 ～1．2、1．2 ～1．3、1．3～1．4、＞1．4 共5个等级，并将熵值＜1．0的区域列为信息熵低值区，熵值＞1．4的区域列为信息熵高值区(图1)。

总体上看，1977、1988、1999和2005年都安县土地利用结构信息熵分布大体相似，东部和北部为信息熵高值区，东南部和西南部为低值区，其他区域熵值居中。具体而言，1977年，澄江、高岭、下坳、板岭、百旺5个乡镇为信息熵高值区，低值区仅有古山和三弄2个乡镇。1988年信息熵列入高值区和低值区的乡镇分别增加了3个，安阳、拉仁和加贵列入高值区，五竹、龙湾和菁盛列入低值区，因此，1988年全县土地利用结构信息熵总体水平较高。与1998年相比，1999年东庙乡列入信息熵低值区，高值区则减少了2个乡镇(安阳和澄江)，1999年全县土地利用结构信息熵总体水平较低。2005年信息熵空间分布情况与1999年基本相似，1999～2005年全县土地利用结构信息熵略有升高但变幅不大。

地形地貌、水文地质等自然因素以及区位条件、经济发展水平等社会经济因素的综合作用是导致都安土地利用结构信息熵空间差异的重要原因。下坳、板岭、百旺等乡镇自然条件相对优越，谷地、土山丘陵分布广，裸岩地面积在上述3个乡镇中分别仅占35．01%、35．82%和24．00%，为全县各乡镇中最小。刁江穿境而过，土地资源开发条件较好，因此，各类用地齐全。此外，上述乡镇交通便利，与经济相对发达的河池市金城江区和宜州市交界，经济发展水平较高，人口密度大，对土地系统干扰强度大，导致土地利用结构信息熵相对较高。古山、三弄、龙湾等乡镇石山广布，石漠化严重，岩石裸露面积在上述3个乡镇中分别占到75．86%、77．22%和75．37%，为全县各乡镇中占比最高。与此同时，地表水缺乏，土层薄，土地资源开发利用难度大，因而土地利用类型单一。又由于上述区域内山高谷深，交通闭塞，受外界干扰小，因此，土地利用结构信息熵低。

3 都安喀斯特土地利用结构演变的洛伦兹曲线和基尼系数

3．1 都安县各土地利用类型洛伦兹曲线的绘制根据洛伦兹曲线的基本原理，利用都安县1997、1988、1999和2005年各地类土地利用类型面积的原始数据，分别求出上述4个时段各乡镇某地类的区位商，区位熵又称为专门化率，指某一地区某土地利用类型面积占区域该土地类型总面积的比值与该地区土地总面积占区域土地总面积之比。其计算公式为:

式中，Q为区位熵;A1为某乡镇某种土地利用类型的面积;A2为都安县某土地利用类型总面积;A3为某乡镇土地总面积;A4为都安县土地总面积。

然后按区位熵大小依次列出各乡镇的区位熵，并计算该类土地利用面积的累计百分比和土地总面积的累计百分比。最后以总土地面积累计百分比为横坐标，以该地类面积累计百分比为纵坐标，各取100长度，绘出坐标图。以各累计数绘制坐标点，得到的曲线与绝对均匀线的离差就是该地类实际分布与在全县均匀分布的差异测度。依照上述方法和数据绘制成都安县1997、1988、1999和2005年各地类土地利用类型的洛伦兹曲线(图2)。

3．2 基尼系数的计算为了进一步定量地描述某种土地利用类型在全县空间分布的差异(或不均匀)的程度，引入基尼系数来描述土地利用类型的分布情况。基尼系数也称为洛伦兹系数，在洛伦兹曲线图上，其反映的几何意义是曲线与绝对均匀线之间面积和绝对均匀线以下的三角形面积之比。其计算公式为:

式中，G为基尼系数;Mi为某乡镇某一土地利用类型面积累计百分比;Qi为乡镇土地在全县土地面积的累计百分比。都安县包括22个乡镇，因此，i的取值范围是0＜i＜23，i为整数。基尼系数的计算结果见表2。

3．3 都安土地利用结构洛伦兹曲线和基尼系数结果分析由图2和表2可知，1977、1988、1999、2005年都安县土地利用结构洛伦兹曲线和基尼系数有很高的一致性。总体上看，坡耕地、裸岩地、建设用地、灌丛地与绝对均匀线距离较近，基尼系数较小，均小于0．383，说明这几种土地利用类型在都安县各乡镇的分布较分散，即分布在各乡镇的面积比例大致相等。其中，坡耕地和裸岩地与绝对均匀线距离最近，基尼系数最小，表明该2种土地利用类型在各乡镇的分布比建设用地和灌丛地更均衡。疏林地、有林地、草地、沟谷耕地与绝对均匀线距离较远，基尼系数较大，这几种土地利用类型主要集中分布在少数乡镇，在全县各乡镇的分布不均衡;但与草地和沟谷耕地相比，疏林地和有林地分布的不均衡性尤为突出。

从动态变化特征看，草地、沟谷耕地和灌丛地呈现远离绝对均匀线、基尼系数渐增的变化趋势，反映了该3种土地利用类型面积不断减少且朝着相对集中分布的方向发展，同时也说明，陡坡开垦导致草地和灌丛地受毁以及优质沟谷耕地被占用的现象比较严重。坡耕地、裸岩地、疏林地、有林地和建设用地呈现靠近绝对均匀线、基尼系数逐渐减少的趋势，表明这几种土地利用类型面积不断增大，向各乡镇均匀分布的方向发展。坡耕地面积增加的主因是随着人口的增加，陡坡毁林(主要是灌木林)毁草所致;而建设用地的扩张主要是占用优质的沟谷耕地;毁林毁草的结果导致大面积岩石裸露，土地石漠化问题日益严重;疏林地面积扩大与落实国家退耕还林还草政策以及园地面积的增加有关;由于喀斯特山区有林地大多分布于地形险峻区域，认为干扰少，当地政府加强对有林地的保护，使其分布面积逐渐扩大。从各时段各土地利用类型洛伦兹曲线和基尼系数的变化情况看，草地、灌丛地、疏林地、有林地和沟谷耕地在各用地类型中变化幅度较大，是决定都安县土地利用结构空间差异的主要土地利用类型。同时，也进一步印证了由于地形地貌、岩性、土壤、水文等自然因素以及滥垦、滥伐、滥牧、滥樵等人为因素的干扰，是造成都安县土地利用结构演变空间差异的主要原因。尤其是林草损毁严重，仅集中分布在少数几个乡镇;而

大面积陡坡开垦导致了坡耕地均衡分布于各乡镇，裸岩地面积扩大，石漠化加剧，生态环境恶化。

表2 都安县1997、1988、1999和2005年各地类土地利用类型基尼系数

4 结论

通过对喀斯特典型县域——广西都安县土地利用结构演变的信息熵和洛伦兹曲线-基尼系数分析，得到以下结论:

(1)1977～2005年28年间都安县土地利用系统演变过程表现为无序度先升高后下降再升高、有序度先下降后升高再下降的变化趋势。1977～1988年信息熵呈升高趋势，增长了0．020 2，总体变化幅度较小，年均增长幅度为0．12%;1988～1999年信息熵呈下降趋势，减少了0．040 6，下降幅度增大，年均下降幅度为0．23%;1999～2005年信息熵呈升高趋势，上升了0．027 3，与前2个时段相比，增长幅度较大，年均上升幅度为0．29%。

(2)1977～2005年都安县土地利用结构信息熵空间分布情况大体相似，东部和北部为信息熵高值区，东南部和西南部为低值区。1977年，有5个乡镇为信息熵高值区，低值区仅2个乡镇;1988年信息熵列入高值区和低值区的乡镇分别增加了3个，1988年全县信息熵总体水平较高;1999年信息熵低值区增加了1个乡镇，高值区减少了2个乡镇，1999年全县信息熵总体水平较1988年低;2005年信息熵空间分布情况与1999年基本相似，1999～2005年全县熵值略有升高但变幅不大。地形地貌、水文地质等自然因素以及区位条件、经济发展水平等社会经济因素的综合作用是导致都安土地利用结构信息熵空间差异的重要原因。

(3)1977～2005年都安县土地利用结构洛伦兹曲线和基尼系数有很高的一致性。坡耕地、裸岩地、建设用地、灌丛地与绝对均匀线距离较近，基尼系数较小，在各乡镇的分布较分散;疏林地、有林地、草地、沟谷耕地与绝对均匀线距离较远，基尼系数较大，主要集中分布在少数乡镇。

(4)从动态变化特征看，草地、沟谷耕地和灌丛地呈现远离绝对均匀线、基尼系数渐增的变化趋势;而坡耕地、裸岩地、疏林地、有林地和建设用地呈现靠近绝对均匀线、基尼系数逐渐减少的趋势。从各时段变化情况看，草地、灌丛地、疏林地、有林地和沟谷耕地在各用地类型中变化幅度较大，是决定都安县土地利用结构空间差异的主要土地利用类型。

(5)信息熵和洛伦兹曲线-基尼系数的有机结合为刻画区域土地利用结构和形态提供了简单而有效的研究途径［18］。与以往的研究手段与方法相比，该研究运用信息熵和洛伦兹曲线-基尼系数简明地揭示了都安各乡镇土地开发利用程度、各土地利用类型在各乡镇的配置及其对比关系和变化趋势，为喀斯特山区土地合理开发利用和石漠化综合防治决策提供了参考。然而，利用信息熵研究土地利用结构时，需进一步对区域土地利用结构合理性的临界值进行研究，将土地利用信息熵作为衡量土地利用结构合理程度的尺度［19］。此外，导致信息熵和洛伦兹曲线-基尼系数变化的驱动机制定量分析也有待进一步研究。

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