李菁　陳丹玲　尤耀林

摘要：運(yùn)用區(qū)位熵分解模型和空間洛倫茨曲線從土地利用類型變化方向、變化速率和變化態(tài)勢3方面分析武漢市及其各城區(qū)2009-2013年土地利用結(jié)構(gòu)的時(shí)序演變特征及空間分布差異。結(jié)果表明：①在變化方向上，除園地和其他土地外，其余各城區(qū)土地利用類型面積變化方向與全市總體趨同。②在變化速率上，各城區(qū)草地面積變化速率大于、小于或等于全市速率。其余各地類變化速率只有高于或低于全市平均水平兩種情況。③在變化態(tài)勢上，各地類熵值或下降或上升，空間洛倫茨曲線表現(xiàn)出明顯的“三近五遠(yuǎn)”特征。

關(guān)鍵詞：區(qū)位熵分解模型，洛倫茨曲線，土地利用結(jié)構(gòu)，武漢市

中圖分類號：F293.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1001-9138-（2016）09-0028-35 收稿日期：2016-07-06

1 引言

土地利用結(jié)構(gòu)變化是區(qū)域人地關(guān)系的直接反映，是不同土地利用類型之間互動、互斥直至相互平衡的動態(tài)發(fā)展過程，也是我國目前乃至未來可預(yù)見的時(shí)間里，土地利用系統(tǒng)演變的主要特征。一直以來，有關(guān)土地利用結(jié)構(gòu)變化的研究都是理論界探討的焦點(diǎn)，學(xué)者們圍繞不同尺度土地利用結(jié)構(gòu)變化的時(shí)空特征、驅(qū)動機(jī)制、地域差異及土地利用結(jié)構(gòu)變化與效益的相關(guān)性等方面展開了系統(tǒng)的思考與研究。在研究方法上，Kianoush利用GIS空間分析方法，研究了印度首都新德里土地利用變化對農(nóng)業(yè)盈利能力的影響。Wang以黃河流域1990-2010年陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)為樣本，利用土地利用指數(shù)動態(tài)模型，對導(dǎo)致土地利用變化的主要因素進(jìn)行探索。曲福田從農(nóng)轉(zhuǎn)非、農(nóng)用地內(nèi)部土地利用及非農(nóng)用地內(nèi)部土地利用3個方面總結(jié)土地利用變化對碳排放效應(yīng)的影響。孫哲基于Logistic-CA-Markov模型針對趨勢發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綜合發(fā)展3種情景，模擬和預(yù)測了無錫市2020年土地利用結(jié)構(gòu)變化，并對其驅(qū)動因子展開深入討論。也有學(xué)者運(yùn)用土地利用變化重要性指數(shù)、土地利用變化面積比重和林草植被變化指數(shù)等3個指標(biāo)，分析1998-2010年間黃河河口鎮(zhèn)—潼關(guān)地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化的數(shù)量及結(jié)構(gòu)特征。這些方法從不同角度揭示了土地利用結(jié)構(gòu)變化的復(fù)雜過程，對土地利用格局優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大理論和現(xiàn)實(shí)意義，但忽略對土地利用變化過程中具體指標(biāo)的測算，缺乏微觀上對區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化整體特征的把握。趙小汎通過對遼寧省土地利用結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化特征及地域差異的研究，認(rèn)為與傳統(tǒng)研究方法相比，區(qū)位熵分解模型可以更好地詮釋土地利用結(jié)構(gòu)變化特征，值得推廣并運(yùn)用。

武漢市是我國新型城鎮(zhèn)化的先行城市和中部崛起的戰(zhàn)略支點(diǎn)，是集華中金融、行政中心、人口及文化中心于一體的特大都市。近年來，武漢市開展了大規(guī)模的城市建設(shè)，土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整頻繁，在土地資源總量剛性約束的限制下，如何實(shí)現(xiàn)各地類之間的合理配置，并在此基礎(chǔ)上最大限度地發(fā)揮土地效益成為武漢市土地利用過程中亟需解決的關(guān)鍵問題。本文以武漢市2009-2013年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用改進(jìn)的區(qū)位熵分解模型和空間洛倫茨曲線對土地利用的數(shù)量及空間形態(tài)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究，揭示武漢市土地利用結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各土地利用類型的帕累托最優(yōu)配置提供科學(xué)支撐。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 區(qū)位熵分解模型

區(qū)位熵是衡量區(qū)域某生產(chǎn)要素空間分布狀態(tài)的重要指標(biāo)，由P.Haggett率先提出并運(yùn)用于區(qū)位分析中，其本質(zhì)涵義是比率的比率。將其應(yīng)用到土地利用結(jié)構(gòu)變化分析中，是指某區(qū)域某種土地利用類型的面積占區(qū)域該土地類型總面積的比重與該地區(qū)土地總面積占區(qū)域土地總面積比重之比。公式為：

各地類面積百分比/土地總面積百分比

式中：為區(qū)位熵；為某地區(qū)某種土地利用類型面積；為整個區(qū)域某種土地類型總面積；為某地區(qū)土地總面積；為整個區(qū)域土地總面積。

區(qū)位熵分解模型的基本原理是：

①區(qū)位熵變化方向模型

不同土地利用類型面積變化前后，和可能發(fā)生不定向變動，但研究區(qū)間內(nèi)武漢市各城區(qū)行政區(qū)劃界限并沒有進(jìn)行大規(guī)模調(diào)整，和相對固定不變。故此，區(qū)位熵變化方向模型可以表示為：

式中：和分別為武漢市各城區(qū)、武漢市土地利用類型面積的差值，和分別為2009年武漢市各城區(qū)、武漢市某種土地利用類型面積，和分別為2013年武漢市各城區(qū)、武漢市土地類型面積。通過和的計(jì)算，考察研究期內(nèi)武漢市及其各城區(qū)土地利用類型數(shù)量的增減變化特征及土地利用類型的變化方向。

②區(qū)位熵變化速率模型

在把握武漢市及其各城區(qū)土地利用類型的變化總體方向的基礎(chǔ)上，利用起始和終止時(shí)間段各土地利用類型占比的差值來考量各地類變化速率。其中，為土地利用類型變化速率指標(biāo)。

③區(qū)位熵變化態(tài)勢模型

土地利用結(jié)構(gòu)的變化不僅是總量上的靜態(tài)量化，也是伴隨時(shí)間序列逐步推移的動態(tài)演化過程。因此，該模型采用靜態(tài)區(qū)位熵和動態(tài)區(qū)位熵這兩個指標(biāo)對武漢市各城區(qū)不同地類區(qū)位熵變化態(tài)勢進(jìn)行分析。公式如下：

式中：、為靜態(tài)區(qū)位熵值，為動態(tài)區(qū)位熵值。

2.2 洛倫茨曲線

洛倫茨曲線（Lorrenze Curves）實(shí)質(zhì)是主要用于測度地區(qū)之間的收入差距及國民收入分配問題的一條分布曲線，最早由美國統(tǒng)計(jì)學(xué)家洛倫茨（M.Lorrenz）于1905年提出，又稱實(shí)際分配曲線。其基本內(nèi)涵是以收入獲得者在總?cè)丝谥械睦塾?jì)占比為橫軸，以各比例人口所得收入累計(jì)占比為縱軸，依據(jù)頻率的累計(jì)數(shù)繪制而得，并以此來表示收入在國民之間分配的不平等程度。當(dāng)洛倫茨曲線與橫坐標(biāo)呈45°夾角時(shí)，則把這條曲線稱為絕對平均線，此時(shí)表明每個人的收入是絕對均勻的。曲線斜率越大，則表示區(qū)域之間財(cái)富分配愈不均等。反之愈均等。

將洛倫茨曲線同區(qū)位熵分解模型相結(jié)合，通過分析武漢市及其各城區(qū)不同地類洛倫茨曲線的彎曲情況，實(shí)證測度各土地利用類型變化態(tài)勢。洛倫茨曲線圖的繪制過程如下：

①以區(qū)位熵分解模型所得熵值大小為依據(jù)，分別計(jì)算出武漢市及其下轄城區(qū)各地類面積和土地總面積的累計(jì)百分比；

②以土地總面積累計(jì)百分比為橫軸，以各地類面積累計(jì)百分比為縱軸，各取100為坐標(biāo)單位長度，將各坐標(biāo)點(diǎn)依次描繪成線，得到各土地利用類型的洛倫茨曲線圖。

2.3 數(shù)據(jù)來源

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于武漢市2009-2013年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，為研究之便，本研究將江岸、江漢、硚口、漢陽、武昌、洪山、青山7個區(qū)的土地資源數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入中心城區(qū)數(shù)據(jù)中，不另作分類。

3 結(jié)果分析

3.1 區(qū)位熵變化方向分析

依據(jù)武漢市各城區(qū)值的變化情況，將各地類面積增加方向定義為正，反之則為負(fù)。從圖中可以得出以下結(jié)論：2009-2013年間，全市各區(qū)耕地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地面積變化特征趨同，面積變化方向?yàn)樨?fù)。其中，江夏區(qū)與洪山區(qū)接壤，直接受到其經(jīng)濟(jì)輻射的影響，土地?cái)U(kuò)張迅速。同時(shí)該區(qū)也是未來工業(yè)發(fā)展聚集地，要順利實(shí)現(xiàn)組團(tuán)式推進(jìn)產(chǎn)業(yè)集聚升級和空間的輻射擴(kuò)散，必須積極推進(jìn)建設(shè)用地的開發(fā)，因此江夏區(qū)成為城鎮(zhèn)村及工礦用地面積增加最多，耕地、林地和草地面積減少最多的城區(qū)。林地減少量最少的是中心城區(qū)，為91.92hm2，漢南區(qū)未來將以發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)，因此其農(nóng)業(yè)用地面積在全市所轄城區(qū)里變化量最少。各城區(qū)城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地的面積變化量均為正，城鎮(zhèn)村及工礦用地面積增加量最多的3個城區(qū)為江夏區(qū)、蔡甸區(qū)和新洲區(qū)，分別為4611.3hm2、2723.13hm2、2570.55hm2。交通運(yùn)輸用地增加量及水域、水利設(shè)施用地減少量最多城區(qū)坐落在黃陂區(qū)。除蔡甸區(qū)和黃陂區(qū)園地面積有所增加以外，其余城區(qū)園地面積均有不同程度的減少。對其他土地而言，除中心城區(qū)和蔡甸區(qū)面積變化量為負(fù)，其余城區(qū)其他土地面積均呈現(xiàn)正方向變動。

從整個市域的角度分析，在研究區(qū)間內(nèi)，全市耕地減少幅度最大，其次為水域及水利設(shè)施用地和林地。相比之下，武漢市城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通運(yùn)輸用地面積在4年內(nèi)快速增加，反映其土地城鎮(zhèn)化主要是以犧牲農(nóng)用地為代價(jià)進(jìn)行的，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用地及生態(tài)用地的保護(hù)力度將是武漢市面臨的一大挑戰(zhàn)。如圖1、圖2所示。

3.2 區(qū)位熵變化速率分析

在把握武漢市及其各城區(qū)土地利用類型的變化總體方向的基礎(chǔ)上，利用起始和終止時(shí)間段各土地利用類型占比的差值來分析各地類面積變化速率。

2009-2013年間，黃陂區(qū)和新洲區(qū)耕地占比差值有所增加，且武漢市耕地面積總量明顯減少，因此黃陂和新洲兩區(qū)耕地面積減少速率小于市耕地面積減少速率，而中心城區(qū)、東西湖區(qū)、漢南區(qū)、蔡甸區(qū)及江夏區(qū)耕地面積雖有減少，但相應(yīng)占比下降，由此說明該5個區(qū)域耕地面積減少速率大于武漢市的減少速率。對于林地而言，只有黃陂區(qū)的林地減少速率低于武漢市，其余各城區(qū)的林地變化速率均高于黃陂區(qū)速率，也高于全市平均水平。對園地而言，存在兩種情況，其一，園地占比與園地面積變化方向一致，中心城區(qū)、東西湖、漢南及江夏4個區(qū)域園地面積減少速率大于全市速率。其二，園地占比與園地面積變化方向相反，新洲區(qū)園地面積有所減少，但其占比卻為正值，表明新洲區(qū)園地增加速率位于全市平均水平之上。對草地來說，中心城區(qū)、江夏、蔡甸及新洲4區(qū)草地減少速率大于全市速率。相比之下，漢南城區(qū)內(nèi)草地面積減少速率和武漢市的速率持平。從交通運(yùn)輸用地來看，漢南、江夏及黃陂3個區(qū)域交通運(yùn)輸用地面積增加速率高于全市速率，其余城區(qū)內(nèi)該地類變化速率低于全市速率。類似的，武漢市有兩個城區(qū)水域及水利設(shè)施用地面積減少速率略大于全市，但唯有黃陂區(qū)其他土地增加速率大于全市速率。如圖3、圖4所示。

3.3 區(qū)位熵變化態(tài)勢分析

結(jié)合區(qū)位熵變化速率，從區(qū)位熵來分析各地類變化態(tài)勢。各城區(qū)耕地區(qū)位熵變化態(tài)勢與耕地占比方向一致，但由于其耕地占比增減幅度不大，因此整個區(qū)域耕地區(qū)位熵值變化很小，漢南區(qū)耕地區(qū)位熵幾乎不變。中心城區(qū)耕地區(qū)位熵變化最大，黃陂和新洲兩區(qū)雖耕地占比變化速率不同，但區(qū)位熵值變化量趨同，均升高0.02，蔡甸區(qū)和江夏區(qū)也是如此，該兩區(qū)域區(qū)位熵值均下降0.01。對于園地而言，各城區(qū)區(qū)位熵值有升有降，但幅度并不顯著。對林地來說，區(qū)位熵最大的黃陂區(qū)，其區(qū)位熵上升了0.02，某種程度上加深了林地分布的不均勻化程度。對于草地而言，漢南和江夏兩區(qū)草地區(qū)位熵值近乎不變。其余城區(qū)熵值變化方向與占比變化方向一致。黃陂、江夏這兩個熵值最高的城區(qū)，其區(qū)位熵上升，而中心城區(qū)等熵值較低地區(qū)草地區(qū)位熵下降，表明相對于研究初期而言武漢市草地分布均衡度下降。各城區(qū)城鎮(zhèn)村工礦用地區(qū)位熵與其占比變化方向一致，中心城區(qū)和黃陂區(qū)雖區(qū)位熵值相差較大，但兩區(qū)域熵值均下降0.02。蔡甸區(qū)交通運(yùn)輸用地區(qū)位熵值保持不變，原因是其耕地占比幾乎不變。對水域及水利設(shè)施用地而言，黃陂和蔡甸區(qū)其熵值保持不變，其余均與該地類占比變化方向一致。其他水利設(shè)施用地除黃陂和新洲區(qū)熵值變化不顯著之外，中心城區(qū)和蔡甸區(qū)區(qū)位熵值呈現(xiàn)下降趨勢，其余地區(qū)均有不同程度上升。如圖5、圖6所示。

3.4 洛倫茨曲線分析

通過對2009和2013年的各地類洛倫茨曲線進(jìn)行對比分析，可以清晰看出：園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地的洛倫茨曲線上各城區(qū)的排列順序一直保持不變，說明2009-2013年間，該5地類增減幅度較接近于全市平均水平。值得注意的是，從耕地和水利水域設(shè)施用地來看，各城區(qū)熵值連線的斜率幾乎趨同，表明各城區(qū)該兩地類增減幅度與全市同步。對于耕地的洛倫茨曲線來說，曲線上各城區(qū)的排列順序由中心城區(qū)、東西湖區(qū)、漢南區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)和新洲區(qū)變?yōu)?013年的中心城區(qū)、東西湖區(qū)、江夏區(qū)、蔡甸區(qū)、黃陂區(qū)、漢南區(qū)和新洲區(qū)，其中中心城區(qū)和東西湖兩區(qū)的順序沒有發(fā)生改變，表明兩區(qū)域在研究區(qū)間內(nèi)耕地變化幅度較小。城鎮(zhèn)村及工礦用地面積增減幅度較大的為黃陂、新洲、江夏3區(qū)，所以其在區(qū)位熵曲線的位置相應(yīng)調(diào)整。其中東西湖區(qū)和中心城區(qū)這兩點(diǎn)間連線的斜率突然變大，說明該類用地在這兩區(qū)分布較為集中。交通運(yùn)輸用地曲線的各區(qū)位熵排列次序變動顯著。如圖7、圖8所示。

其次利用Geni系數(shù)對各地類分布的均衡程度進(jìn)行定量測度，從表1可知：2009-2013年間，Geni系數(shù)小于0.2的地類為耕地、交通運(yùn)輸用地及水域及水利設(shè)施用地，說明這3地類在全市分布處于高均衡狀態(tài)，其中又以交通運(yùn)輸用地分布最為均勻。相對而言，林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地和其他土地在全市的分布差異性很大，與洛倫茨曲線所表現(xiàn)出的空間分布特征相吻合。從變化方向上來看，Geni系數(shù)呈現(xiàn)“四增四減”態(tài)勢。耕地、林地、草地和水域及水利設(shè)施用地Geni系數(shù)增加，其余地類Geni系數(shù)則向減少方向變化。

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

（1）總體上，各地類面積量的變化表現(xiàn)為方向的變化，面積和方向直接影響占比差值，占比差值反映速率，同時(shí)占比差異作用于區(qū)位熵值，熵值反映態(tài)勢。它們共同構(gòu)成了土地利用結(jié)構(gòu)變化測度模型。

（2）從變化方向來看，區(qū)域地類面積的變化方向不單純依靠獨(dú)個城區(qū)力的推動，而是各區(qū)變化數(shù)量加權(quán)結(jié)果的體現(xiàn)。

（3）從變化速率來看，占比差值與面積二者的變化方向存在差異性，并非同步。從武漢市與各城區(qū)整體和部分的關(guān)系來看，各部分變化速率大小不一。

（4）從變化態(tài)勢來看，不同研究階段區(qū)位熵值和洛倫茨曲線的變化從不同維度揭示各地類的變化趨勢。二者在邏輯上相互補(bǔ)充，互為依賴。各地類熵值或下降或上升，空間洛倫茨曲線表現(xiàn)出明顯的“三近五遠(yuǎn)”特征，Geni系數(shù)呈現(xiàn)“四增四減”趨勢。

4.2 討論

本文與以往運(yùn)用傳統(tǒng)區(qū)位熵模型分析土地利用結(jié)構(gòu)變化的研究有所不同，更加注重土地利用變化過程中具體指標(biāo)的測算，并從微觀上對區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化整體特征進(jìn)行把握。但同時(shí)應(yīng)該意識到的是，時(shí)間指標(biāo)對土地利用系統(tǒng)演化速率的影響與制約，并且本研究采用的洛倫茨曲線和Geni系數(shù)只能反映各土地利用類型在全市分布的空間異質(zhì)性，而無法對各城區(qū)內(nèi)部各地類的集中和分散程度進(jìn)行定量計(jì)算。后續(xù)的研究思路將對各城區(qū)內(nèi)部土地利用類型的變化態(tài)勢及機(jī)理進(jìn)行更深入的分析和探索。

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作者簡介：

李菁，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橥恋亟?jīng)濟(jì)與房地產(chǎn)管理。

陳丹玲，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘型恋乩霉芾怼?/p>

尤耀林，西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)榈乩硇畔⒓夹g(shù)。