长三角城市群土地利用结构信息熵时空测度与演变特征分析

周 霞，曹逢羽

（北京建筑大学，北京 100044）

0 引言

作为国家参与国际分工与全球竞争的关键地域单元，城市群将决定21世纪政治经济的格局[1]。国家“十四五”规划强调要立足资源环境承载能力，发挥各地比较优势，构建国土空间开发保护新格局。长三角城市群作为国家经济发展重要引擎，在当前“双循环”新格局发展背景下，对国内、国际资源配置的优化起着关键作用。作为城市群发展的主要载体，城市土地利用结构本质上是一个与外界有着广泛关系的非线性开放系统，它的结构变化是城市土地利用系统内部各组成要素之间、系统整体与外部环境之间不断进行物质循环与能量交换的结果[2]，是土地被承载主体“博弈均衡”的响应。随着长三角经济的高速发展、对不同类型用地需求的不断攀升，其用地结构发生着不可逆的演替和变化，这将直接影响城市土地利用系统和城市群整体功能的发挥[3]。因此，探究长三角城市群近年来土地利用结构的变化规律及演变特征，对其未来经济的可持续发展具有重要意义。

19世纪前期，西方发达国家的学者最先对国内区域的土地利用结构进行研究。当前，国外学者在此研究方面具有较大的影响，例如，White R和Engelen G开发元胞自动机模型进而研究城市土地利用的空间结构[4]，Waddell P提出城市仿真模型及其应用[5]，同时国外学者也基于景观指标对中国城市土地利用进行量化研究[6]。近几年，国外研究开始关注土地利用结构对城市气候[7]和生态系统[8]的影响、城市空间规划对土地利用的作用[9]以及城市热岛效应与土地利用之间的关系[10]。

国内学者于20世纪初开始运用近代的科学理论和方法对我国土地利用结构展开研究。从研究尺度看，徐士珺等从宏观层面发现我国城市土地利用结构存在土地产出效益差、土地价值不能显化等问题[11]；在中观层面上，董杰等从省域角度分析了土地利用结构时空演变特征[12]，匡兵、许芸鹭等则进一步探讨了城市群土地利用结构变化的内在机理和演变规律[13-14]；乔伟峰等从微观层面研究了城市土地利用结构演化及驱动因素[15]。从研究内容看，以往研究主要集中在单一城市或特定区域（如城市群）的土地利用结构时空格局[16]、动力机制[17]、结构优化[18]、结构动态模拟[19]等内容，少数学者就生态足迹[20-21]进行了定量分析和理论分析。从研究方法看，学者们主要运用分形理论[22]、信息熵理论[23]、基尼系数法[24]和洛伦兹曲线[25]等，部分学者借助面板数据模型[26]对城市土地利用结构关系进行研究。总体来看，信息熵可以对区域内土地利用系统结构的有序程度进行描述和分析。基于此，本文从时间和空间角度对长三角城市群土地利用结构进行分析，以期为土地资源结构优化和布局调控提供参考。

1 研究区域概况

作为中国快速城镇化地区，长三角城市群发展的日新月异伴随着人口急剧膨胀、土地利用快速更迭，各城市高质量、行致远的发展需求与土地利用建设潜力不协调、不同步的矛盾日益加剧，显现出无节制、粗放式的过度开发等问题[27]，对区域国土空间整体结构和利用效率产生一定影响。同时，由于长三角城市群在产业分工、环境治理等方面具有单一城市无法比拟的优势，所以其经济增长与土地环境保护之间的平衡问题也较单一城市更为复杂多样。因此，本文以长三角城市群为研究对象，对其土地利用现状进行深入分析。

2 数据资料来源与研究方法

2.1 数据资料来源

为保证研究数据具有连续性和一致性，土地面积等数据资料均采用自然资源部门2009—2016年第二次全国土地调查成果及其年度变更数据。数据采用国家标准《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2007），并对《土地利用现状分类》中的05、06、07、08、09一级类和103、121二级类进行归并。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用类型动态度

土地利用类型动态度（D）可描述一定时间内某一种土地利用类型的数量变化，计算方法如公式（1）。

式中：Wa、Wb分别为初期、末期某种土地利用类型的数量，T为研究时长年限。

2.2.2 信息熵

假定某区域总面积为B，其中共有n种土地利用类型，第i种土地利用类型面积为Bi（i=1，2，…，n），第i种土地利用类型所占面积比例为Pi，Pi计算方法如公式（2）。

则信息熵表达式为公式（3）。

均衡度（J）和优势度（I）的计算方法分别如公式（4）和（5）。

2.2.3 灰色GM（1，1）模型

假 设 初 始 序 列 x（0）（t）=（x（0）（1），x（0）（2），…，x（0）（n）），对其进行一次累加，则其微分方程为，β和u均为常数。

3 土地利用结构时空演变特征与分析

3.1 土地利用类型面积与信息熵时空动态变化

由表1可知，从数量变化看，园地和草地面积净减少，其中，园地面积减少0.0506万km2，草地面积减少0.0026万km2。从变化幅度看，交通运输用地变化幅度最大，变化幅度为2.56%；其次是城镇村及工矿用地，变化幅度为2.00%；水域及水利设施用地变化幅度最小，变化幅度仅为0.18%。

表1 2009—2016年长三角城市群土地类型面积变化情况

根据公式（2）～（5），通过相关数据计算得出研究区域土地利用结构信息熵（H）、均衡度（J）和优势度（I），如表2所示。

表2 长三角城市群土地利用结构情况

总体上，研究区域土地利用结构信息熵由2009年的1.4418Nat逐渐上升到2016年的1.4496Nat。2010年，长三角城市群发布了《土地利用总体规划（2006—2020年）》，各城市依据规划内容进行调控和部署。整体上，2009—2013年长三角城市群保持耕地面积基本稳定，但伴随着经济建设的高速发展，城镇村及工矿用地和交通运输用地逐年增加，园地、林地和草地逐年减少，各类用地呈现出向各类型均衡的方向变化，导致土地利用结构信息熵不断上升。自2012年国务院印发《全国现代农业发展规划（2011—2015年）》以来，长三角城市群实行了更为严格的耕地保护和节约用地制度，2014年耕地面积稳步上升，加之其他各类用地均衡变化，2014年的土地利用结构信息熵增长最快；自2015年开始，各类用地变化幅度减少，土地利用结构信息熵增长幅度减缓。长三角城市群土地利用结构信息熵变化情况如图1所示。

图1 长三角城市群土地利用结构信息熵变化情况

3.2 土地利用结构信息熵变化分析

根据公式计算各城市土地利用结构信息熵，结合长三角地域特点，通过征询专家意见，按照信息熵变化率（S）将各城市分为4种类型，即慢速下降区（-5%＜S＜-1%）、基本稳定区（-1%≤S＜1%）、慢速上升区（1%≤S≤5%）、快速上升区（S＞5%），选取2009、2016年长三角城市群土地利用的变化数据进行计算和分析，利用自然断点分类法将26个城市土地利用结构信息熵分为高熵值区、中熵值区和低熵值区。长三角城市群土地利用结构信息熵时空分异如表3所示。

表3 长三角城市群土地利用结构信息熵时空分异

根据表3可知，时间维上，信息熵慢速下降区包括嘉兴和芜湖2个城市；基本稳定区包括上海、南京、杭州等18个城市；慢速上升区包括南通、泰州、马鞍山、池州和宣城5个城市；快速上升区为合肥市。空间维上，7年间上海、芜湖和铜陵市由高熵值区变为中熵值区，合肥市由低熵值区变为中熵值区，各城市信息熵差异越来越小。近年来，上海市全面贯彻执行耕地保护政策，耕地面积基本维持不变，交通运输用地面积有所增加，园地、林地和草地的面积不断减少，信息熵由2009年的1.5011 Nat减少至2016年的1.4956 Nat；芜湖和铜陵市保持耕地和林地面积不减情况下，城镇村及工矿用地和水域及水利设施用地面积逐年稳步增加，信息熵分别由2009年的1.5287 Nat和1.5299 Nat减少至2016年的1.4790 Nat和1.5174 Nat。总体上，3个城市土地利用的均质性有所降低，土地利用结构向相对有序的方向发展。合肥市由于经济发展速度较快、城镇化进程稳步推进，在严格控制耕地面积的前提下，城镇村及工矿用地、水域及水利设施用地等面积逐步增加，土地利用结构愈发均衡，信息熵由2009年的1.3354 Nat增至2016年的1.4117 Nat。

3.3 土地利用结构信息熵变化预测分析

本文利用公式（6）和（7）预测研究区域2020—2035年土地利用结构信息熵、均衡度和优势度情况，土地利用结构预测模型如表4所示。

表4 土地利用结构预测模型

利用EViews 11进行残差检验，通过平均绝对误差验证预测模型精度，误差越小证明精度越高。由表4可知，信息熵、均衡度和优势度的平均绝对误差值分别为0.07%、0.03%、0.03%，证明预测模型精确度较高。本文将预测值与实际值进行比较，计算相对误差，对比结果如表5所示。其结果均小于5%，进一步验证了预测模型的可信度。

表5 2016年信息熵预测值与实际值对比结果

通过检验后，利用表4中的预测模型分别计算2020—2035年长三角城市群的信息熵、均衡度和优势度，2020—2035年土地利用结构预测结果如表6所示。结果表明，研究区域土地利用结构信息熵将不断上升，2035年增至1.4746Nat。2019年，中共中央、国务院发布的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》指出，将进一步加强长三角区域省际重大水利工程建设，可推测未来研究区域在“协调共进”发展理念下水域及水利设施用地面积增加，在“绿色共保”生态理念下土地利用均质性增强，导致土地利用结构信息熵逐步上升。

表6 2020—2035年土地利用结构预测结果

综上，未来长三角城市群土地利用结构将延续相对均衡的发展方向，信息熵虽不断上升，但2035年的长三角城市群整体信息熵值仍未达高熵值区，同时信息熵逐步上升符合规划纲要的正确发展理念，因此，研究区域是有序发展的。

4 结论

（1）从变化数量看，长三角城市群园地和草地面积净减，其中，园地面积减少0.0506万km2，草地面积减少0.0026万km2。从变化幅度看，交通运输用地变化幅度最大，变化幅度为2.56%；其次是城镇村及工矿用地，变化幅度为2.00%；水域及水利设施用地变化幅度最小，变化幅度仅为0.18%。随着长三角城市化水平不断提高，为避免出现生态退耕，研究区域执行了严格的耕地保护和节约用地制度，自2013年起耕地面积逐渐回升。长三角城市群应继续坚持 “一要吃饭、二要建设”基本原则长期不动摇，依据土地利用总体规划开展各项建设。

（2）2009—2016年长三角城市群土地利用结构信息熵总体呈现不断上升趋势。通过灰色GM（1，1）模型预测可知，到2035年长三角城市群土地利用结构信息熵将继续上升。长三角城市群土地利用结构将延续相对均衡的发展方向，虽然信息熵不断上升，但至2035年长三角城市群整体信息熵值仍未达高熵值区，同时信息熵逐步上升符合规划纲要的正确发展理念，研究区域是有序发展的。因此，长三角城市群需针对不同城市定位，合理布局优化城市用地，进一步提升集约利用水平和土地资源配置效率。

（3）长三角城市群26个城市在土地利用结构信息熵时间维体现了区域差异。信息熵慢速下降区包括嘉兴市和芜湖市，基本稳定区包括上海市等18个城市，慢速上升区包括南通市等5个城市，快速上升区为合肥市。而在空间维上，2016年，高熵值区包括南京市等8个城市，中熵值区包括上海市等11个城市；低熵值区包括杭州市等7个城市。