张掖市土地利用结构信息熵变化及其驱动因素研究

金伊宁，王文棣

（甘肃农业大学 管理学院，兰州730070）

土地利用结构的合理化能够带来土地资源的可持续利用。近几年我国一些学者应用信息熵理论对土地利用结构变动进行了一系列研究分析，如石培基、居玲华对我国西部土地利用结构进行了分析研究，并得出结论，西部地区生态环境相对脆弱，土地资源面临利用困难、利用结构不合理、利用效率低，土地质量退化等问题[1]。李冬梅等对吴江土地信息熵转变诱因进行研究，采用土地利用结构信息熵测算模型和多元回归分析[2]。朱光明对长春市土地利用构造变更及优化研究，进行定性与定量分析相结合，基于信息熵、空间分析法进行研究[3]。本文研究区域是张掖市，从土地利用结构信息熵出发，通过对张掖市土地利用结构十年动态变化进行调研，并结合主成分分析法对张掖市土地利用结构变化的驱动因素进行分析。

1 研究区概况

自然环境状况：其地域范围为东经97°12′～102°20′，北纬37°28′～39°57′，位于甘肃省河西走廊中段。

经济状况：近年来，张掖市经济持续健康稳定发展，截至2016 年年底，全市生产总值399.94亿元，比上年增长8%。其中，第一产业增长5.5%；第二产业增长7.9%；第三产业增长9.3%。按常住人口计算，人均生产总值32 729元。

土地利用情况： 全市区域总面积3 859 205.96hm2， 截 至 2016 年 年 底， 耕地 354 828.44hm2。 林 地 421 075.44hm2； 草地2 108 903.88hm2； 水 域165 100.83hm2； 交通 道 路 27 480.14hm2， 城 乡 建 筑 和 居 民用 地 仅 占 48 506.91hm2， 占 总 面 积 的1.25% ； 盐 碱 地、 裸 土、 沙 漠 戈 壁 等难利用地占地726 096.96hm2。

生态情况：市内植被大体分为三类：荒漠植被、草甸草原、半荒漠草原植被。辖区内森林总面积507 269.20hm2，草场面积2 546 512.73hm2。

2 研究方法与数据来源

2.1 土地利用结构信息熵

土地利用结构信息熵主要是衡量一个地区土地利用现状的有序程度、均衡度程度和集中程度能综合反映一定时期研究区域内各种土地的转换水平以及动态变化，对优化土地利用结构具有一定指导作用[4]。

①土地利用结构信息熵。信息熵的定义如下：

式中，H为土地利用结构信息熵，Pi为各土地利用类型占该区域土地总面积比例。其中Pi=Ai/A,A表示区域土地总面积，Ai为各种土地类型的面积[5]。

②土地利用结构的均衡度及集中度。构建的均衡度公式如下：

式中，H表示信息熵，由于H≤Hmax,故J的变化区间为[0,1]，J表示均衡度，是实际土地利用结构信息熵值与最大熵值之比，基于均衡度的概念，构建出土地利用结构的集中度公式：

式中，I用来表示土地利用的集中度，反映了区域内一种或几种占优势的土地利用类型支配该区域土地的程度。

2.2 主成分分析法

坚持指标选取的科学性、目的性、系统性、数据的可获取性，本文选取12 个指标作为分析张掖市土地利用结构的驱动因素。这12 个因素涵盖了人口、产业结构、经济发展水平、城市化进程等影响土地利用结构变化的社会经济因素。

2.3 数据来源

本文研究的张掖市各土地利用类型面积数据来源于2007—2016 年《张掖综合年鉴》和《甘肃省统计年鉴》。本文土地利用分类沿用8 大地类分类系统。根据《中华人民共和国国家标准(GB/T21010-2007)：土地利用现状分类》，对数据做出如下调整：①耕地、园地、林地、牧草地保持不变，按照原始数据处理；②将水域以及水利设施用地和沟渠土地用地类型分类并入水域及水利设施用地；③把田坎从其他农用地归入未利用。

3 研究结果与分析

3.1 张掖市土地利用结构现状统计

根据2016 年《张掖综合年鉴》土地利用结构图如表1 所示，张掖市土地利用类型主要是以耕地、林地、草地园地、其他用地为主、交通用地所占比例很小，都不到1%。张掖市各区县的土地利用差别比较明显，山丹县、肃南县的土地类型以草为主，尤其是肃南县草地用地面积的比例达到71.27%，民乐县主要以耕地为主，其他地区土地利用类型的差别不是很明显。

3.2 张掖市土地利用结构信息熵、均衡度、集中度分析

根据信息熵、均衡度、集中度的公式计算出张掖市2007—2016 年土地利用结构信息熵、均衡度和集中度数值。计算结果见表2。

由表2和图1可以看出，2007—2016年中张掖市土地利用结构信息熵总体的变化趋势为：缓慢增长—增长—迅速增长，信息熵值平均为1.296 68。从总体上来看，均衡度呈上升趋势，集中度呈下降趋势。说明张掖市土地利用系统有序性降低，土地利用结构逐步向均衡状态发展。

根据张掖市土地利用结构信息熵值的波动规律，能够发现张掖市土地利用结构变化经历了三个比较显著的阶段：第一阶段，缓慢增长阶段，2007 年土地利用结构信息熵值1.282 3 增长到2009年的1.283 0,年增长率为0.023 3%。这个阶段变化最大的是耕地、水域及水利设施用地、城镇村及工矿用地的增多，园地、草地、其他用地的减少。第二阶段土地利用结构信息熵呈加速增长期，从2009 年土地利用结构信息熵值的1.283 0 增长到2014 年的1.290 3，年增长率为0.146%。土地利用结构信息熵值开始大幅度提高，说明张掖市土地利用结构出现大规模调整，其稳定度变化明显。第三阶段土地结构信息熵呈大幅度增长期，从2014年的1.290 3增长到2016年的1.342 6，年增长率为1.74% ，相比较前两个阶段增长幅度最大。说明张掖市土地利用结构出现大规模调整，其稳定度变化明显。尤其是耕地，比2014 年所占耕地总面积增加了38.81%，另外园地及其他土地减少，可见其他土地的利用率提高。

张掖市土地利用结构信息熵值不断变化，整体表现为：平稳—微调整—调整，在这个过程中，土地利用一直处于调整的状态，由刚开始的平稳增长到快速增长，最后到大幅度增长。

3.3 张掖市各区县土地利用信息熵值变化分析

通过对张掖市各区（县）2016年土地利用结构信息熵进行计算（见表3），可以看出张掖市各区（县）土地利用结构熵值由大到小依次是肃南县、山丹县、高台县、临泽县、民乐县、甘州区。可以将张掖市五县一区的区域差异分为两种类型，①信息熵高值区（H≧1），包括高台县、山丹县、肃南县，占全市土地总面积的72.37%。这三个县经济发展相对较快，土地利用结构变化也相对较大，草地及农业结构调整占地较多，土地利用结构信息熵值高。主要土地利用结构类型为：草地、林地。2016年三个县区草地、林地共2 071 517.02hm2，占全市土地总面积的53.68%。②信息熵低值区（H≦1），包括甘州区、临泽县、民乐县，占全市总面积的22.35%。这三个区县位于张掖市的中心地带，经济较为发达，人口密度相对较大，经济建设发展程度较高。2016 年，该区域交通运输用地为14 786.74hm2，占全市交通用地总面积的53.82%,该区域城镇及工矿用地为x3 733.35hm2，占全市城镇及工矿用地区的62.23%。

图1 张掖市2007—2016年土地利用结构信息熵

3.4 运用主成分分析法对张掖市土地利用结构变化驱动因素进行分析

通过运用SPSS 软件，计算张掖市土地利用结构驱动因素指标体系的相关关系数矩阵。

①从本文选取的张掖市土地利用结构变化的12 个指标之间有着不同的相关性，其中城镇居民均可支配收入与农村居民纯收入的相关系数达到0.999，表明它们存在信息上的重叠，有必要对其进行主成分分析。②依据主成分分析法计算各驱动因素的特征值及驱动因素的贡献率。第一、第二主成分的累积贡献率为95.415，其充分反映张掖市土地利用结构变化的综合状况。③进一步求出两个主成分的荷载矩阵。对上述12 个因子进行分析，第一主成分的贡献率为86.002%，所反映的信息比较全面，主要反映了经济发展、城市化对张掖市土地利用变化结构的影响。第二主成分贡献率为9.413%，主要反映了工业发展对张掖市土地利用结构变化的影响。根据分析结构，把选取的12 个驱动因子归纳为：城市化、经济发展状况、工业发展三类。

表1 张掖市2016年土地利用类型结构图

表2 张掖市2007—2016年各区县土地利用结构及信息熵、均衡度、集中度

表3 张掖市各区县2016年土地利用结构及其信息熵

计算主成分分数及驱动因素综合得分将因子得分矩阵见表8，得到的主成分分数系数乘以标准化后的数据，得到主要成分分数，并得出各个年份的土地利用结构变化驱动力得分。

由图2 可以看出，从2006—2016 年影响张掖市土地利用结构变化的驱动因素综合得分值逐年增加：2006—2010 年的驱动因素得分为负。2011—2016 年驱动因素综合得分均大于0，从2009 年起大幅度增加，说明张掖市土地利用结构变化的驱动因素不断加强。

图2 驱动因素综合得分图

根据上述分析结果得出，影响张掖市土地利用结构变化的主要驱动力为：工业的发展、城市化进程、经济发展水平。①人类所进行的各种工业进程最终都会体现在土地利用结构的变化上，张掖市工业增加值从2005 年的24.38 亿元到2016年72.7亿元，翻了一番多，可见其工业发展迅速。②随着张掖市经济的不断发展，城镇及工矿用地、交通运输用地不断增加，为经济快速发展奠定基础，同时扩大了居民和企业的活动空间，城市建设不断向郊区农村发展。③经济发展明显的标志是人民生活水平的不断提高和产业结构的不断改进。经济发展促使产业结构不断升级改造，引起土地资源的各个部门对土地进行调整，所以土地利用结构不断变化。

4 结论

①从2007—2016 年的10 年间，张掖市土地利用结构信息熵表现为平缓—上升—加速上升的趋势，说明土地利用在经历一个稳定期后进入变化期，再由变化期进入快速变化期，总体而言，张掖市土地利用结构信息熵会持续增加，土地利用结构有序性会降低，但是各土地之间的结构的均衡性区域增强。②张掖市五县一区中土地利用结构信息熵具有明显的区域差异，高台县、山丹县、肃南县土地利用结构信息熵高于全市平均水平；甘州区、临泽县、民乐县则低于全市平均水平。也就是说相对于甘州区、临泽县、民乐县，高台县、山丹县、肃南县的土地利用结构的有序性高、集中度低。③土地利用结构变化的主成分分析法结果表明，工业化发展、城市化进程、经济发展这3 个因素是张掖市近10 年来土地利用变化的主导社会驱动因素。④本文仅计算了张掖市的土地利用结构信息熵，对于某一城市，它的土地利用结构信息熵具体多少合适，才能促进土地资源的可持续化利用、促进紧急、社会效益的同步实现，有待进一步研究。