土地利用结构变化及其社会经济效应研究

张天中 王雯 刘春芳

摘要以陇南市为例，运用熵值函数模型和灰色关联分析方法，采用土地利用结构信息熵对西部山地过渡区土地利用结构变化及其社会经济发展效应进行分析。结果表明：①由于分类体系的变化，1997～2013年隴南市土地利用结构变化可分为1997～2003年、2004～2008年和2009～2013年3个阶段。②1997～2013年陇南市土地利用结构信息熵呈现波动式增长趋势，2004～2008年为一个缓慢增长阶段，2009～2013年达到一个高速增长的水平。③陇南市土地利用结构信息熵与社会商品零售总额、固定资产投资总额、人均GDP、单位土地面积GDP、非农产业与农业产业产值比、城镇化率呈现强关联。关联分析结果显示，除政策影响之外，社会经济发展是间接引起该区域土地利用结构信息熵变化的主要内在驱动力。

关键词西部山地过渡区；土地利用结构；社会经济效应

中图分类号S-9文献标识码A文章编号0517-6611（2015）31-125-03

Land Use Structural Changes and Its Social Economic Effects— A Case of Longnan Mountain Area

ZHANG Tianzhong1，2 ， WANG Wen1，2*， LIU Chunfang3

（1.Land Resource Planning and Research Institute of Gansu Province， Lanzhou，Gansu 730000， 2.Gansu Scientific Research Base， Key Lab of Land Use， China Institute of Land Surveying and Planning， Ministry of Land and Resources， Lanzhou，Gansu 730000；3.College of Geography and Environment Science， Northwest normal university， Lanzhou ，Gansu 730000）

Abstract In this paper， the entropy function model and gray relational analysis have been applied to analyze the relationship between the entropy of land use structure and social economic development in Longnan. The results showed that，①Due to the change of classification system， the land use structure change can be divided into three phases in Longnan from 1997 to 2013，1997-2003， 2004-2008 and 2009-2013. ②The information entropy of land use structure showed a trend of fluctuation growth in Longnan from 1997 to 2013，in 2004-2008 for a slow growth stage， and to achieve a rapid growth in 2009-2013.③In Longnan， the information entropy of land use structure had a strong relationship with the social total retail sales of commodities， gross fixed asset investment， per capita GDP， unit land area GDP， nonagricultural and agricultural industries output value ratio and urbanization rate.Correlation analysis results showed that besides policy， social and economic development which were indirectly caused the regional land use structure information entropy change was the mainly internal driving force.

Key words Western mountain transition zone；Land use structure； Social Economic Effects

土地资源系统是一个典型的社会经济环境复合生态系统，具有开放的、可调控的耗散结构系统的显著特征。区域土地利用结构变化是人们有目的的行为对土地资源系统施加的一种人为的干扰，这种干扰对土地资源系统的有序程度会带来不同程度的影响[1-7]。它不仅在空间与功能上表现不同结构格局，而且在时间上表现出演替的阶段、过程和规律[8]。土地利用结构调整是在有目的的行为指导下对土地利用系统施加的一种人为干扰[3]，人类对土地综合体施加的这种干扰有正负之分[4]，它在不同时空尺度上对土地利用系统的有序程度产生影响，这种有序程度可以用信息熵来描述和刻画[5]。信息熵是对均衡度和无序度的量度。它是不确定性的量度，不确定性越大越无序，所以信息熵也是无序性的一种量度[5]。土地利用信息熵越大，各要素发展越均衡，土地利用系统的有序性程度愈低，当系统完全达到平衡时，熵达到极大值。

1研究方法与数据来源

1.1研究区概况

陇南市位于104°01′～106°35′ E、32°35′～34°32′ N，东接陕西，南通四川，素有“秦陇锁月，巴蜀咽喉”之说，地质上属秦岭褶皱系，是甘肃省唯一属于长江水系并拥有亚热带气候的地区。境内高山、河谷、丘陵、盆地交错，海拔550～4 200 m；热、温、寒带气候并存，年平均气温9～16 ℃，降水量400～1 000 mm，日照时数1 600 h以上，无霜期160～240 d。总面积2.79万km2，东西长约237 km，南北宽约203 km。2013年全市总人口257.52万，其中城镇人口6358万。全市国内生产总值为249.5亿元，人均GDP达9 690元。

1.2研究方法

1.2.1土地利用结构信息熵计算。假定区域总面积为A，区域内的土地按其职能可分成m种，每个职能类面积为Ai，第i种土地利用类型在该区域所有土地利用类型中出现的可能性用Pi表示，则有：Pi=Ai/A；按照信息论的原理，并参考ShannonWeaner指数，则定义土地利用结构的信息熵函数为：

H=-mi=1（Pi）lnPi（1）

由信息熵函数可知，信息熵高低可以反映区域用地结构均衡程度，熵值越高，表明不同职能的用地类型数越多，各职能类型的面积相差越小，土地分布越均衡。当区域内各用地类型的面积相等，即A1=A2=…=AM=1/m时，熵值达到最大，则表明区域土地利用达到了均衡状态。为了显示土地利用结构熵年度变化速度的大小，更好地反映土地利用结构变化，可定义土地利用结构熵变化率（Vt）[6]：

Vt=Ht-Ht-1Ht-1×100%（2）

式中，Vt为第t年的土地利用结构熵变化率；Ht为第t年的土地利用结构熵；Ht-1为第t-1年的土地利用结构熵。

1.2.2灰色关联模型。由于土地利用结构与区域社会经济发展系统的关联性和复杂性，采用灰色关联分析方法是对土地利用结构熵与区域社会经济发展间的关系进行刻画的一种较好的方法。该方法的分析思路为：

（1）确定分析序列。将土地利用结构熵序列组（xi）作为参考序列，研究区域社会经济序列组（yj）作为比较序列。

（2）无量纲化处理。由于选取的多个指标的量纲不同，不便于统计分析，可进行初值化处理，把所有的数据均用每个序列的第一个数据相除，可得一无量纲的新数列。这个新的数列即是各个不同时刻的值相对于第一个时刻值的百分比，从而使数列灵敏地呈现事物变化增长后的情形。初值化计算公式为：

xi（k）=x′i（k）/x′1（k）

yj（k）=y′j（k）/y′1（k）（k=1，2，…，n）（3）

（3）求绝对差z（k）。计算序列组（yj）与序列组（xi）数列差的绝对值，并找出最小值和最大值。计算公式为：

z（k）=|xi（k）-yj（k）|（4）

（4）求关联函数ξij（k）。计算公式为：

ξij（k）=z（k）min+ρz（k）maxz（k）+ρz（k）max（5）

式中，ρ为分辨系数，其意义是削弱因最大绝对差数值太大而引起的失真，提高关联系数之间的差异显著性。ρ∈（0，1），该研究参照文献[9-10]ρ取值为0.50。在此基础上计算关联度rij。

（5）计算关联度rij。计算公式为：

rij=1nnk=1ξij（k）（6）

1.3数据来源

土地利用数据来源于陇南市1997～2013年土地利用变更调查统计数据；社会经济数据来自《甘肃年鉴》和《陇南统计年鉴》。由于1997～2013年土地利用变更调查共使用了3种分类体系：1984年土地利用分类系统（全国农业区划委员会颁布）、2002年颁布的《全国土地分类》（试行）和2007年颁布的《土地利用分类》（GB/T21010-2007）。该研究以GB/T21010-2007为标准对历年土地调查数据整理成耕地、林地、草地、城镇及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地及其他用地8大类。1997～2013年陇南市土地利用结构见表1。

2结果与分析

2.1隴南市土地利用结构变化分析根据相关数据，利用公式（1）～（5），计算得出1997～2013年陇南市土地利用结构信息熵和熵变率（图1）。

1997～2013年陇南市土地利用结构变化可分为3个阶段，即 1997～2003年、2004～2008年和2009～2013年。2003年土地利用结构信息熵由1.378 7变成2004年的1.375 3；2008年1.377 2变成2009年的1.284 0；熵变率高达-0.002 4和-0.067 6，与历年变化差距较大，而变化年份与土地利用分类体系变化年份正好相同，因此可认为这2个年度的变化是由分类体系的不同引起的。因此，以分类体系变更为时间界限，将1997～2013年陇南市土地利用结构变化分为1997～2003年、2004～2008年和2009～2013年3个阶段，对分类体系相同的年份做对比研究（图1）。

第一阶段（1997～2003年），又分为2个不同的阶段，1997～2000年陇南市土地利用结构信息熵为一个小幅增长时期，从1997年的1.378 7增长到2000年的1.379 8，年均熵变率为0.036%，2000年达到顶峰后出现下滑态势，至2003年又恢复到1997年的1.378 7，年均熵变率为-0.036%；第二阶段（2004～2008年）为陇南市土地利用信息熵加速增长时期，2004年为1.375 3，2008年达到1.377 2，年均熵变率为0.048%，相比第一阶段增长速度加快；第三阶段（2009～2013年），为土地利用结构信息熵持续增长时期，由2009年的1284增加到2013年的1.286 7，年均熵变率为0.068%，为各个阶段增长率的最高时期。由3个阶段熵变率变化情况来看，自1997年以来，陇南市土地利用结构信息熵呈现波动式增长趋势，1997～2003年阶段呈现先增长后下降的抛物线趋势，2004～2008年为一个缓慢增长阶段，2009～2013年达到一个高速增长的水平，年均增长率为历年最高水平。

2.2土地利用类型变化对土地利用结构信息熵的影响

土地利用信息熵表征了土地利用结构的情况，土地利用的变化引起土地利用结构信息熵的变化，所以对陇南市各个阶段的土地利用类型与信息熵的相关性进行分析，结果见表2。

结果发现，1997～2003年，各地类与信息熵的相关性不是很强，相关性最强的是园地和城镇及工矿用地，分别是0402和0.401；相关性最低的是水域和耕地，分别是0.159和-0.162，说明1997～2003年信息熵变化是各类土地利用变化共同作用的结果。2004～2008年，耕地、其他用地与信息熵相关性为-0.96和-0.91，园地、城镇工矿用地相关性为0.97和0.92，说明由于耕地和其他用地的减少及园地和城镇工矿用地的增加，导致了该阶段土地利用信息熵的增大；2009～2013年，耕地、园地、林地及其他用地都与信息熵成负相关，相关系数高达-0.96、-0.92、-0.91和-0.93；而城镇工矿用地和交通运输用地与信息熵成正相关，相关系数高达0.98和0.95，说明该阶段土地利用主要是由耕地、园地、林地及其他用地向城镇工矿用地和交通运输用地流转，间接说明了陇南市由于城镇化建设和社会经济发展直接导致了耕地、园地、林地及其他用地的减少。

2.3土地利用结构与社会经济相关性分析

以灰色关联理论为指导，结合陇南市实际情况，选取土地经济密度（单位土地面积GDP）、人均GDP、非农产业与农业产业产值比、城镇化率、社会商品零销售总额、固定资产投资等6个反映社会经济发展的重要指标与土地利用结构熵建立灰色关联模型，计算其关联度，揭示土地利用结构熵与社会经济发展的关联关系。利用所选社会经济指标，通过灰色关联模型进行数据处理，可获得土地利用结构信息熵与社会经济发展关联度结果（表3）。

由表3可知，1997～2013年陇南市土地利用结构熵与社会经济发展的关联度由大到小排序为y3、y1、y4、y2、y5、y6。其中，关联度最高的是非农产值与农业产值比社会商品零销售总额，最弱的是固定资产投资总额。从关联度来看，土地利用结构熵与社会商品零售总额、固定资产投资总额、人均GDP、单位土地面积GDP、非农产业与农业产业产值比、城镇化率都呈中度关联。上述分析说明，陇南市社会经济发展与土地利用结熵的变化存在较为密切的内在关系，是引起土地利用结构熵变化的主要驱动力。

3结论与讨论

通过对陇南市土地利用结构熵特征及其土地利用结构熵与社会经济发展的关联性的分析，可得出以下结论：①由于分类体系的变更，1997～2013年陇南市土地利用结构变化可分为1997～2003年、2004～2008年和2009～2013年3个阶段。②自1997年以来，陇南市土地利用结构信息熵呈现波动式增长趋势。1997～2003年呈现先增长后下降的抛物线趋势，2004～2008年为一个缓慢增长阶段，至2009～2013年达到一个高速增长的水平。③陇南市土地利用结构熵与社会商品零售总额、固定资产投资总额、人均GDP、单位土地面积GDP、非农产业与农业产业产值比、城镇化率呈现强关联。关联分析结果表明，除政策影响之外，社会经济发展是间接引该区域土地利用结构熵变化的主要内在驱动力。基于实证研究形成的基本认识，笔者认为西部地区的开发建设以及所实施的相关工业化、城市化推战略，应格外关注社会经济快速发展可能引起的土地利用系统过度无序和土地利用结构的不合理，防止土地利用生态背景恶化。

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