湖北省土地结构演变与驱动力分析

摘要：目前湖北省土地结构利用不合理，土地价值没有得到充分体现。基于此，利用信息熵和皮尔逊分析理论对湖北省1999-2014年土地利用结构的演变过程和驱动力因素进行相关研究。结果表明，湖北省土地利用结构的信息熵在下降，利用结构相对趋于稳定；土地利用结构由单一趋于复杂，由居民用地占主导逐步演变成居民、工业、建筑、商业等用地组成的多元消费结构：社会经济因素驱动土地利用结构演变，主要影响因素是人口密度、城镇化率和工业化率。

关键词：土地结构：演变：信息熵：驱动力：湖北省

中图分类号：F301 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）09-2233-05

土地资源是社会经济发展的基石，其利用变化是地球环境变化的主要原因和组成部分。近年来，土地资源利用变化成为地学和生态环境相关领域的研究重点，土地利用变化不仅包括资源环境的变化，而且还包含着社会经济方面的发展趋势。土地的城镇化势必引起土地利用结构的变动，进而影响着土地相关领域的制度变革。因此，土地利用方式和结构等成为当下研究的热点问题之一。目前，已有许多学者对土地利用结构进行了相关研究，主要集中在区域土地利用结构的时空变化特征及其驱动机制、区域土地利用结构合理度评价与优化、区域土地利用结构变化的环境影响等方面。一方面，土地利用系统是一个包涵资源、环境、社会、经济的复杂系统：另一方面，信息熵理论可以用来刻画复杂系统内部的变动趋势。因此，信息熵理论被引入到土地利用结构的研究中，用来测度土地结构演变的动态性和有序性。本研究引入信息熵理论来分析湖北省1999-2014年土地利用结构变动趋势及演变原因，检验土地驱动的影响因素。

目前湖北省土地结构利用不合理，土地自身的市场价值没有得到充分的体现。土地利用结构是复杂系统的典例，其利用结构的变化与经济、社会等变化有着紧密联系，土地利用结构系统在不断的演变。信息熵原本是热力学物理研究中的方法，但其可以定量测度复杂系统的扰动，因而被引入到社会经济研究领域，也出现了被引入到土地资源变化的研究中。在经济效应最大化的目标推动下，如何发挥土地资源的最大价值受到广泛关注，这就要求决策者要充分考虑土地利用结构，合理地规划使用土地类型，实现其市场效益最大化。土地使用类型的划分和布局将直接影响一个地区的发展与进步，通过信息熵的研究将有利于对土地使用类型的深入研究。因此土地利用结构的演变与驱动力问题值得进一步研究，以期为类似地区的土地资源可持续利用和人地关系调控提供科学决策依据。

1 研究区域概况与方法

1.1 研究区域概况

湖北省位于长江中下游。地貌类型种类较多，山地约占国土面积的55.5%，岗地丘陵占国土面积的24.5%，平原湖区约占国土面积的20%，地势起伏较大，西部神农顶地区海拔最高，而东南部则主要为平原。全省东、西、北三面被众山环绕。中南部则为“鱼米之乡”之称的江汉平原。2012年全省土地总面积18.59万km2，其中，耕地389.99万hm2、园地59.87万hm2、林地586.04万hm2、牧草地7.58万hm2。湖北省完整的土地利用形式将有助于利用信息熵对其利用结构进行研究。2014年地区生产总值达2.74万亿元，增速为9.7%，人均地区生产总值为47192.69元。全省城镇化率提高到55.67%，经济社会的快速发展加速了土地资源的多样化利用，这也为研究土地变革的驱动力分析提供了基础。

1.2 研究方法与数据来源

公式（1）可以用来描述研究区内土地利用结构的变动，探究其演变趋势。

通常情况，如果研究区内经济发展较慢，土地资源利用结构相对单一，利用种类较少，且多集中在某一两个使用类型上。如果出现极端情况，整个地区只有一种土地资源利用形式，此时Hmin=0；相反，若所有类行业土地资源使用量的比例相等，即m1=m2=…=mn=1/M，则此时Hmax=lnM。然而在现实生活中，这两种情况均不会出现，信息熵一般会介于两者之间，熵是概率分布不确定性估计的一种有效方法。为了进一步深入分析，学者基于申农信息熵提出土地利用的均衡度概念。基于信息熵公式，均衡度（J）的表达式为：

即均衡度是信息熵和最大熵之间的比值，取值范围为0～1，其值越大，各类型土地利用量的比例差别就越小，当J=0时，土地资源利用结构的复杂程度最低。均衡度是通过描述土地利用类型之间面积分布的均匀程度来揭示土地的结构特征。优势度（D）的表达式为：D=1-J，反映了一类或几类行业支配土地资源利用的程度，与均衡度的意义正好相反。

1.2.2 数据采集 根据《湖北省城乡建设统计年鉴》（2000-2014）、《中国国土资源统计年鉴》（2000-2014）、《湖北省统计年鉴》（2000-2015），笔者整理出1999-2014年期间湖北省各项土地利用消耗量数据作为本研究的基础。

2 结果与分析

2.1 土地结构的演变

湖北省1999-2014年土地利用消费结构趋势如图1所示。根据土地消费结构变动趋势，可以将1999-2014年分成3个阶段：1999-2003年，居民用地面积所占比例由27.09%增加至29.06%，工业用地和公共设施用地面积所占比例则有所下降，其他类型用地量基本持平：2003-2009年，公共基础设施用地面积所占比例从13.90%上升到15.02%，居民用地面积所占比例有所下降，期间工业用地面积所占比例和道路广场用地面积所占比例则相对稳定，绿地和仓储用地面积所占比例都有不同程度的下降：2009-2014年，各类土地利用类型所占比例变化平缓。由此可见，随着湖北省经济社会的发展进步，城市化进程加速推进，产业结构优化，湖北省的土地利用结构在不断地调整和变动。

笔者利用湖北省城乡建设统计年鉴和中国国土资源统计年鉴公布的1999-2014年居民用地、公共设施用地、工业用地、仓储用地、绿地等土地利用数据，根据“1.2.1”中的公式（1）和公式（2），计算得出1999-2014年湖北省土地利用结构及其信息熵、均衡度和优势度，计算结果如表1所示。

对表1中1999-2014年湖北省土地利用结构信息熵以及均衡度和优势度的动态变化情况作图，结果如图2所示。从表1和图2可知，1999-2014年，湖北省土地利用结构信息熵值呈现下降趋势：信息熵最高值为1.940 Nat（1999年）。最低值为1.897 Nat（2010年）：信息熵值变化的过程可以划分为3个阶段（1999-2007年、2007-2009年、2009-2014年），每个阶段土地利用结构信息熵都有不同程度的增长或下降。1999-2007年土地结构信息熵值在下降，说明该地区土地利用结构逐渐稳定：2007-2009年土地结构信息熵上升。说明土地利用结构不稳定：2009-2014年土地结构信息熵值在波动中下降，可以说明湖北省的土地利用形式又发生新一轮的变化，城镇化速度进一步加快。同时根据图2中优劣度和均衡度变化趋势，同样可以划分为3个阶段：1999-2007年、2007-2009年、2009-2014年，发现土地利用结构的均衡度与信息熵的变动趋势一致，而优势度则与信息熵的变动趋势相反，

在研究期内，信息熵值在1.897-1.940 Nat稳定波动，说明湖北省土地利用结构在1999-2014年整体稳定，土地利用朝有序方向发展，但土地利用结构的均衡性下降，而单一类型土地利用形式的优势度增加，可以预见在将来的一段时期内，信息熵值将由稳定变成振动上升，但最终仍趋于一个特定值。进一步分析湖北省土地利用结构的变动，形成以上趋势的原因如下：①2007年之前，国家和湖北省行政部门加大了对违章利用土地行为的查处，从而此阶段湖北省土地利用相对平稳：②2007年之后，全球金融危机的爆发，国家在基础建设领域投入4万亿，湖北省的基础设施领域建设得到快速发展，建设用地面积增速较快，同时随着城市化的推进，城镇人口增加，城市面积不断扩大，用地结构得到完善：③2009-2010年，全国房价飞涨，住房面积激增。随后国家加大对住房调控。严打投机、炒房等非法行为，住房用地得到遏制，其他基础建设用地也得到控制，因而此阶段湖北省土地利用结构变化平缓。④2010年之后，随着经济复苏，外商投资、固定资产投资增加。建设用地面积比例上升，城镇化速度进一步加快，土地城镇化成为土地利用加速的动力，然而另一方面由于国家的宏观调控政策以及耕地的红线政策，土地利用又受到约束，因此，信息熵在2010年之后出现先升后降的变动趋势。

2.2 土地结构演变的驱动力

土地利用结构信息熵的变化本质上是土地利用结构的变化。根据湖北省土地利用结构信息熵和均衡度的分析，进一步深入分析湖北省城乡土地利用结构变化的驱动因素，为其土地结构调整和产业结构优化提供智力支持。笔者根据前人研究，从社会驱动因素和经济驱动因素中选取了人均GDP（元/人）、人口密度（人/m2）、经济密度（万元/m2）、固定资产投资总额（万元）、城镇化率、农民人均纯收入（元/人）、第三产业率和工业化率。

基于所选出的影响指标，根据湖北省统计年鉴，运用统计学软件SPSS16.0对1999-2014年的数据进行处理。通过SPSS软件中的Correlate命令，对所选的8个指标与土地结构信息熵做Pearson相关性分析，结果如表2所示。

从表2可以看出，总体上这些指标因素对湖北省土地利用有较强的影响力和驱动力。进一步分析可以看出，主要的影响因素有人口密度、城镇化率以及工业化率。由此可见，社会经济迅速发展是引起湖北省土地利用信息熵变动的主要驱动力，湖北省人口密度的增加和经济总量的增加导致总体用地量的增加和用地类型的增多，因而推动土地结构信息熵的演变：城镇化和工业化加速推进影响着土地利用种类的变化，农业用地也随之变成工业用地、建设用地等，耕地面积不断减少说明产业结构的变革也推动着土地利用结构信息熵的改变。

3 结论

利用信息熵和Pearson相关性分析方法对湖北省土地利用结构动态演变及驱动力进行分析，很好地观测到不同行业土地的利用比例变化趋势，驱动及其变化的因素，如果采用预测熵模型还可以对湖北省未来土地利用结构的信息熵及均衡度、优势度进行预测。本研究得到以下几点结论：

1）通过对湖北省土地利用结构信息熵的分析，可以计算出信息熵值在不断下降，表明湖北省的土地利用形式趋于稳定。湖北省的土地利用形式由单一走向复杂，由过去的居民用地占主导逐步演变为居民、工业、建筑和商业用地的多元利用局面。

2）通过Pearson相关性分析，发现推动目前湖北省土地利用结构出现的主要因素为人口密度、城镇化率和工业化率。土地利用结构的变化是产业结构演化的重要外在表现。因此，土地利用结构信息熵是一地区可持续发展能力的重要表征。作为一种研究方法，土地利用结构信息熵无论在国家尺度上。还是对于单个城市，甚至具体到某一地区这样的领域，都是非常适用的。

3）城市化进程中出现的各种倒U型曲线，它们之间应该存在某种耦合关系，如何将土地利用结构信息熵的变化与城市化进程、工业化进程、城市环境变化等因素结合起来，统一到地区生态文明建设中，这是下一步有待于研究的问题。

4）信息熵值仅仅反映土地利用是否有序，而不能表征土地利用结构是否合理。由于土地资源利用功能不一，如果相对比例保持不变。而土地利用类型互换，最终测度出来的信息熵值也是不变的，然而此时土地的利用状态和之前相比已发生明显变化。因此。需要后续进一步研究，拓展信息熵的理论与实践范围，使其成为测度土地资源利用是否合理的指标之一。

5）本研究仅针对1999-2014年湖北省这一特定时间段、特定研究区域内的土地资源结构演变和驱动力做了定量分析。湖北省土地利用类型完整且多样，但是地形也相对复杂，不同地形条件之间的社会经济条件差异较大，因此影响土地利用变化的驱动因子也存在差异。由于统计资料的限制，这些因素的差异没有被完全考虑，此外还有自然资源的影响因素遗漏，这些都将是后续研究的方向和目标。为了进一步客观地分析湖北省土地资源利用现状和演变趋势，需要在这些限制条件、遗漏条件上进一步挖掘，进行深入的研究。