基于信息熵的内蒙古土地利用结构时空分异研究

赵忠旭 张宇 王佳兴 朱冉 柴璐佳

[摘要]基于信息熵对内蒙古自治区2009～2015年土地利用结构演变及其空间差异进行研究，并分析其影响因素。结果表明，首先，2009～2015年内蒙古自治区土地利用结构信息熵不断增大，区域土地利用结构均衡度不断提高，除受自然条件严重影响的盟市外，其他地区土地利用结构均趋于均衡；其次，相关分析表明城镇化进程、产业间协调发展、政策支持和交通等基础设施的改善促进了土地利用结构信息熵的提升。据此，未来应通过生态保护、惠牧政策、增减挂钩政策和用地相关技术改造等途径，不断提高区域土地利用结构均衡度。

[关键词]土地利用结构；信息熵；时空分异；内蒙古自治区

[中图分类号]F301 [文献标识码]A

土地利用系统不仅是一个由自然系统和人工系统相结合的复合系统，同时也是开放和运动着的耗散结构系统，具有承载、养育、仓储和景观等功能和结构，并在时间和空间上均呈现一定的变化演替规律。土地利用系统的有序程度可以用信息熵来度量，我国部分学者已经用信息熵对多个区域土地利用结构变化进行了研究，如刘筱非等（2004）分析了重庆市江北区的土地利用结构信息熵时序变化，得出信息熵是土地利用系统有序程度的标志，能够反映土地利用系统的状态和变化趋势；董杰等（2006）对山东省土地利用结构的研究认为土地利用结构信息熵在时间上有动态演变规律，且土地利用结构信息熵和均衡度可以综合反映某区域在一定时间段内各种土地利用类型的动态变化及其转换程度；刘敬才（2011）等对重庆市丰都县信息熵的时序变化进行研究，认为人口压力、产业结构调整是影响土地利用结构信息熵变化的主要因素。周子英等（2012）对长沙市信息熵时空变化进行研究，结果发现经济的快速发展，尤其是第二产业快速增长，是长沙市信息熵增长的根本原因。朱大帅等（2016）对合肥市土地利用变化时间序列和社会经济发展进行了关联分析，分析发现社会经济的迅猛发展是引起土地利用结构迅猛变化的根本原因。姬宇等（2017）运用信息熵分析了山东省城市用地结构的变化及其驱动因素，结果表明经济发展、城市交通建设和人口增长是山东省城市用地结构演变的主要驱动力。综合分析已有相关研究成果，可以看出对土地利用结构信息熵的研究由单一时序角度向更完善的时空角度发展，但目前相关研究的研究区域大多集中在经济相对发达，自然条件较好，土地利用变化较快的小范围区域，缺乏对于欠发达和相对较大范围区域的研究。本文选取内蒙古自治区为研究区域，区域面积广大，自然条件相对较差，为典型中西部欠发达省份，且为更准确体现社会经济因素对区域土地利用结构变化的影响，研究时间范围为2009～2015年，相对较短时间跨度尽可能排除自然等其他因素的干扰，对七年间自治区土地利用结构信息上变化和社会经济影响因素进行分析，以期为自然和社会经济条件类似的区域有序调解人地关系，促进土地资源可持续利用提供参考。

1 研究区域概况

内蒙古自治区位于我国北部边疆，区域土地总面积为118.3万km2，占我国土地面积12.3%，全区范围处于东经97°12′～126°04′，北纬37°34′～53°23′之间，由东北向西南呈狭长形。全区气候以温带大陆性气候为主，夏季短暂温和、冬季漫长严寒，全年少雨，昼夜温差大，年均温0～10℃，各盟（市）年降水量50-500mm，地貌以高原为主，间有山地、平原和丘陵等多种类型，海拔在1000米左右。自治区下属12个盟（市）、103个旗（县），2015年本地区总人口约为2511万人，城镇化率达60.3%，地区生产总值约为17831.51亿元。

自治区土地利用类型多样。2015年，农用地中牧草地、林地和耕地为主要用地类型，其中牧草地为495475.33km?，占土地总面积的41.88%，林地为232363.53km?，占19.64%，耕地为92379.87km2，占7.8%；建设用地中，城镇村及工矿用地为主要用地类型，约为13399.93km?，占土地总面积1.13%。随着社会经济的不断发展以及城镇人口的增多，2011～2015年建设用地比重持续上升，农用地则相应减少。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

随着“熵”在信息论和控制论等领域的广泛应用，其也从最初的物理学概念，逐步形成了信息熵，并用来测度土地利用系统的有序程度和土地利用结构的均衡度。结合信息论原理和Shannon熵公式，土地利用结构信息熵（H）公式如下：

式中H为土地利用结构信息熵，P i（i=1，2，3，……，n）为各种土地利用类型占区域土地总面积的比例，当各土地利用类型面积相等（P1=P2=…=Pn=1/n）时，信息熵值最大，相应地土地利用类型全面，用地结构也就越均衡。

由于研究期间参照的土地利用分类体系有所不同，根据不同分类标准计算出来的信息熵缺乏严格的可比性和直观性，因此，本研究引入均衡度概念，土地利用结构均衡度（J）公式为：

式中J为土地利用结构均衡度，其数值为实际熵值和最大熵值之比，其取值范围是J∈[0，1]，当J=0时，说明该区域土地利用均衡性差，各利用类型的土地面积差距大，当J=1时，说明各土地类型面积相等，区域土地利用趋于均衡。

均衡度用来反映趋于土地利用整体均衡性，优势度则是用来测度区域内一种或几种土地利用类型支配该区域土地利用结构的程度，与均衡度反映的土地利用均衡性和多样性意义相反，土地利用结构均衡度（I）公式可表达为：

式中I为优势度，反映区域内一种或几种土地利用类型对区域土地利用结构的支配程度，当I=1时，区域土地利用类型完全有某一类支配，土地利用不均衡，处于未开发状态，当I=0时，区域土地利用结构处于均衡状态。

2.2 数据来源

本文采用的土地利用数据来源于《中国国土资源统计年鉴（2016）》和2009～2015年内蒙古自治区土地变更调查数据，综合考虑《全国土地分类（2001）》和《土地利用现状分类（2007）》的分类标准以及数据间的比较，本研究将土地利用类型統一划分为耕地、园地、林地、牧草地、其它农用地、城镇村及工矿用地、交通用地、水利设施用地和其他土地8类，其中，各盟市土地利用数据中，其它农用地并入其他土地中。研究利用的社会经济数据来源于《内蒙古统计年鉴》。

3 结果与分析

3.1 内蒙古自治区土地利用结构时序变化分析

利用内蒙古自治区土地利用结构数据（表1）和相关公式计算自治区2009～2015年土地利用结构信息熵、均衡度和优势度，结果如表2所示。从计算结果可以直观发现，研究期内信息熵呈逐年增长趋势，均衡度相应提升，优势度逐年降低，信息熵的最高值出现在研究的最后一年（2015年），达到1.3458，较研究期第一年增长了5.5%，说明随着社会经济的发展，各类土地开发利用活动的开展，区域内各土地利用类型比重向均衡方向发展，土地利用结构均衡程度逐渐提升。结合具体的各土地利用结构数据可以看出，牧草地是自治区域内主导地位的土地利用类型，其比重的逐年降低是研究期内优势度降低的主要诱因。在牧草地比重下降的同时，各类建设用地比重相继提升，反映了研究期阶段社会经济快速发展和城镇化进程使得各类建设用地规模不断扩张的土地利用状况。此外，耕地的比重也有小幅度提升，2015年较2009年提升了0.03%，说明了在建设用地扩张同时，自治区的土地整治复垦和耕地保护工作取得了一定成效。牧草地以外的多类用地比重上升，进一步直观地说明七年内本地区土地利用结构向均衡状态发展。

3.2 内蒙古自治区土地利用结构空间差异分析

为与时序研究的时间跨度相匹配，选取2012年（本研究时间区间的中间年份）内蒙古自治区12盟（市）土地利用数据（表4）对土地利用结构信息熵、均衡度和优势度进行测算，结果如表4所示。

2012年内蒙古自治区12盟市间土地利用结构信息熵和均衡度相差较大，从地理位置来看，没有呈现显著地分异特征。其中，呼和浩特市、通辽市和乌海市三地信息熵均在1.4以上，呈现良好的土地利用结构均衡性，各土地利用类型所占比例相对均衡，土地利用开发程度相对较高。与此同时，锡林郭勒盟和阿拉善盟的土地利用结构信息熵相对较低，优势度较高，单一土地利用类型占据主导地位，土地利用系统的有序程度较高；锡林郭勒盟境内有我国第三大草原——锡林郭勒草原，面积约20万km2，盟内草原用地占全部土地面积的89.87%，导致区域土地利用开发较为困难，土地利用结构变化相对困难，草地处于长期支配地位。根据表3可以看出，其他土地在阿拉善盟土地利用结构中占60.24%，根据卫星遥感数据显示，阿拉善盟荒漠化面积达2487.50万hm2，该部分土地大多以沙地、裸地和戈壁滩的形式存在，开发难度较大，该区域不利的自然条件使得土地利用结构均衡程度难以在短时间内得到改善。

3.3 土地利用结构信息熵社会经济影响因素分析

本研究所分析的时间区间较短，考虑到在较短时间内，自然条件并不会产生显著变化，因此，对土地利用结构变化产生影响的更多是社会经济因素，结合已有相关研究及内蒙古自治区的区域实际，选取人口、收入、经济、政策和交通五个因素，研究社会经济状况对土地利用结构变化的影响，考虑数据的科学性和可获得性，选取市镇人口和乡村人口两项指标代表人口因素；由于政策因素体现形式复杂多样，因此在指标选取上主要考虑到政府财政投入和生态保护措施会在很大程度上影响研究区土地利用，所以选取财政支出和造林封育面积表征政策因素的指标；收入因素层面，除了考虑可综合反映城乡居民收入水平的城镇人均可支配收入和农村人均可支配收入外，还要考虑到内蒙古地区的特殊性，草地面积广大，牧民数量众多，所以将牧民纯收入纳入到收入因素的指标中；经济因素则选择能综合反映工、农、商业发展水平的工业总产值、农业总产值、社会消费品零售总额和全社会固定资产投资四项指标；交通因素对用地结构产生影响主要体现在交通通达性和运载能力两方面，选择交通线路长度和货物运输量两项指标表征交通因素。

相关分析结果如表5所示，除造林封育面积外，其余12项指标均与信息熵有显著相关性，其中10项指标在p<0.01的显著水平下与信息熵呈正相关，乡村人口与信息熵呈负相关，全社会固定资产投资在p<0.05的显著水平下与信息熵正相关。综合分析五类社会经影响因素与信息熵的相关性可以发现，自治区城镇化率的提升、交通条件的改善和优越的政策会使得区域土地利用朝均衡方向发展，为各类土地利用开发活动提供良好的客观条件；内蒙古地区工业、农牧业和商业的综合发展，保证了各行业居民收入，形成了相对成熟的产业结构，在保证草地数量相对稳定的情况下，促进了各行业用地比重的有序提升，提高了土地利用结构的均衡程度。

4 结论与讨论

内蒙古自治区2009～2015年间，土地利用结构信息熵逐年增加，土地利用结构趋均衡方向发展，土地利用系统向高级无序方向发展，在保证区域内草地基数基本稳定的前提下，耕地和建设用地比重不断增加，2015年耕地占比较2009年上升0.04%，城镇村及工矿用地所占比例上升0.1%。

内蒙古自治区十二盟市土地利用结构信息熵没有体现显著的空间分异规律，除锡林郭勒盟和阿拉善盟的土地利用严重受制于自然条件，土地利用结构均衡度不足0.4外，其他盟市土地利用结构信息熵均和均衡度保持较高值，土地利用结构相对均衡，开发利用程度较高。

对自治区土地利用结构信息熵与社会经济影响因素的相关分析表明，人口、经济、政策、收入和交通因素均对土地利用结构改变产生影响，因此，考虑到草地作为区域内比重最大利用类型的特殊性，以及宜耕土地资源的有限性，区域内应加强草原生态保护工作，不断完善惠牧政策，兼顾草地生态效益和经济效益；在区域内建设用地有限情况下，为保证城镇化进程和二、三产业发展所需建设用地，应加强增加挂钩政策实施力度；对于区域内大量受自然条件限制难以开发利用的土地，通过增加投入，利用技术手段改善自然和交通条件，逐步改造为可供开發利用的土地资源。

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