1978年改革开放政策实施以来,中国政治、经济和文化得到持续快速发展,其中土地资源的不断投入贡献60%以上的中国经济增长,而技术进步的贡献率却不足30%^[1]。作为经济发展较快的沿海地区,土地资源越来越珍贵,快速的城市化进程也显著改变了当地的土地利用结构。同时,土地利用结构的变化对城市化地区的生产生活环境以及自然地理环境造成极大的影响,早期的土地资源投入可以迅速提高当地经济水平,但是土地资源毕竟是有限的,过高的土地资源投入必然会导致当地自然环境的恶化,进而限制区域经济发展^[2]。因此,探索合理的土地利用结构布局是经济发达地区面临的一大难题^[3]。以住有大量学者对中国不同区域、不同尺度的土地利用结构进行分析^[4-6],但是土地利用结构信息熵演化机理仍需要进一步探索。

为了更好地研究土地利用结构变化,信息熵的概念逐渐被引用进来。信息熵的概念是由美国数学家香浓^[7]最早于1948年提出并使用的,随后被诸多领域学者推广应用^[8-10]。“熵”最早是一个热力学概念,在信息论中信息熵用于度量信息的无序度,根据耗散结构理论,用于确定系统的演变方向^[11]。土地系统是复杂的开放系统,具有典型的耗散结构系统特征,它是一定区域经济、文化、环境相互作用的复合生态系统。这种耗散结构系统特征主要体现在土地利用结构是在一定区域内在人类或非人类干扰因素的影响下,产生结构的演替和变化,具有自发性和不可逆性特征^[12]。土地利用结构信息熵经常被用作表征土地利用结构变化的有序程度和演化方向,其值越高,表示土地利用类型转换越快,结构越趋于均衡,系统无序性越强。例如,谭永忠等^[13]通过分析不同行政级别区域土地利用结构信息熵变化,发现土地利用结构信息熵值可以表征区域土地利用系统的演化方向。因此,众多学者采用信息熵模型作为一种重要的研究方法对不同区域、不同尺度的土地利用结构时空变化进行大量研究^[5,14-15]。

以往研究结果表明在研究期内土地利用结构信息熵总体呈现上升趋势^[6,16-19]。为了寻找土地利用结构信息熵变化驱动力,学者从社会经济方面出发,发现人口数量、经济发展和城市化是最主要的驱动力^[14,20-22]。并结合灰色模型预测未来土地利用结构信息熵的发展趋势,同样发现未来土地利用结构信息熵也是上升的^[23-26]。然而,正如王玉明等^[6]提出:“城市系统以及城市化地区系统均为有序的耗散结构系统,它们在城市发展过程中均应越来越有序”,因此土地利用结构信息熵应该是不断下降的。通过研究西安市、衡阳市和苏(州)(无)锡常(州)地区建设用地占比和耕地占比与土地利用结构信息熵关系发现:城市建设用地的快速增加是引起郊区土地利用结构信息熵上升的主要原因,但是并没有对土地利用信息熵的降低作出合理解释^[6]。于雪丽等^[14]采用熵值函数模型分析重庆市2009—2016年土地利用结构动态变化,发现土地利用结构信息熵呈现稳步增长—快速增长—持续降低3个阶段,但是这种持续降低的趋势也没有得到很好的解释。根据以往研究,人口数量、经济发展和城市化一般对土地结构信息熵的影响都是正向的^[14,20-22],那么随着社会经济的发展,土地结构信息熵应该持续增加,不会出现降低的情况。因此,土地结构信息熵的变化可能受到更多因素的影响,其中土地利用变化对信息熵的影响不该被忽视。耕地比重和建设用地比重变化是近年来土地结构变化的最主要来源^[23,27],而土地利用程度作为一个综合性评价指标,也可能对土地利用结构信息熵产生重要影响。因此本研究以广东省为例,在县区尺度上分析土地利用结构信息熵的时空演化特征,并从土地利用程度、耕地比重和建设用地比重3方面出发,试图揭示土地利用结构信息熵变化的原因。

本文选取广东省为研究区域,该省为改革开放的首批示范区,是我国国内生产总值最高、经济增长最快的省份之一,在国家经济发展大局中具有举足轻重的地位。广东省包括珠江三角洲、东翼、西翼和山区4个发展板块,其经济地位和城市化进程也有所不同,2019年《广东省统计年鉴》显示经济地位珠江三角洲>东翼>西翼>山区。然而对其进行土地利用结构演化的研究尚不多见。另一方面,作为首批改革开放示范区,城市化进程相对其他省份发展更快,特别是珠江三角洲地区。因此,对广东省土地利用结构信息熵时空分布特征及驱动力研究,不仅有利于广东省自身社会、经济、环境的健康和可持续发展,同时也可以为其他后起城市化地区未来土地利用结构调整、土地利用规划提供科学的决策依据,促进土地资源合理化和均衡化。

广东省位于中国东南地区(20°09'—25°31'N,109°41'—117°17'E),全省陆地总面积约17.83万km²,下辖21个地级市,北部与广西、湖南、江西及福建接壤,南部与香港、澳门接壤、并与海南隔海相望。该区域属于东亚季风区,全年气候温暖、热量丰富、降雨总量多。2018年末,地区生产总值9.73×10⁴亿元,同比增长6.8%,已连续30 a居全国第一位。然而,广东省地域分异明显,既有世界级城市群珠江三角洲,也有发展迅速的东翼和西翼,更有发展缓慢的山地丘陵(图1),珠江三角洲生产总值占全省比重为80.2%,东翼、西翼、山区分别占6.6%,7.4%,5.8%。2018年末,全省常住人口11 346.0万人,居全国第一,然而,面积只有17.97万km²,居全国15位。因此,人多地少是广东省未来发展的局限,合理布局和调整土地利用结构,是实现可持续发展的重要方向。

本研究以1990年、2000年、2010年、2018年广东省土地利用矢量数据为基础,探讨土地利用结构信息熵时空演变特征。数据源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx)。该数据中心提供中国精度最高的土地利用遥感监测数据产品,目前已经在国家土地资源调查、水文、生态研究中发挥着重要作用^[28-30]。

图1 广东省综合地域分布

“熵”作为表征耗散结构系统无序化程度的重要指标,其值越大,表示系统的有序性越低; 其值越小,表示系统的有序性越高^[7,31]。城市作为一个典型的耗散结构^[35],土地利用结构信息熵大量应用于现代城市化建设区域,综合表征某区域在一定时段内各种土地利用类型的动态变化及其转换程度,对于具体区域的土地利用结构调整及城市化建设具有一定的指导意义。本研究对广东省 1990—2018年的城市化进程中土地利用结构信息熵进行分析,结论如下:

(1)广东省土地利用结构信息熵均值在研究期呈现增加—平稳—增加的趋势,这与广东省的区域城市化进程不同有着重要关系,就四大区域而言,土地利用结构信息熵东翼>西翼>珠江三角洲>山区。尽管后期珠江三角洲土地利用结构信息熵有所降低,但是东西两翼及山区熵值的增加抵消了珠江三角洲的降低,并维持增加的趋势。

(2)研究期,广东省土地利用程度和建设用地比重不断增加,耕地比重不断减少,同样存在显著的时空差异。其中珠江三角洲土地利用结构变化最大,是导致广东省土地利用结构变化的重要地区,其他区域变化相对缓慢。

(3)通过相关分析发现,土地利用程度、耕地比重和建设用地比重都是影响土地利用结构信息熵的重要因素。它们与土地利用结构信息熵均存在倒“U”型关系,就该研究区及时间段分析表明:土地利用程度和建设用地比重与土地利用结构信息熵的倒“U”型关系更加明显。随着土地利用程度、耕地比重和建设用地比重的增加,土地利用结构信息熵先表现出增加状态,达到阈值后再表现为降低状态。其中珠江三角洲土地利用程度和耕地比重高于阈值的县区不断增加,从而也导致该区域土地利用结构信息熵向着降低的方向发展,另一方面,广东省各县区耕地比重大部分区域都处于阈值以下,而且大部分区域都处于降低阶段,因此耕地比重的变化也会导致信息熵的降低,珠江三角洲土地利用结构信息熵的降低也符合王玉明等^[6]提出的疑问。

目前而言,广东省大部分县区土地利用程度、耕地比重和建设用地比重都还处于阈值以下,随着城市化的快速发展,土地利用程度和建设用地比重到部分区域也处于持续上升阶段,因此平均土地利用结构信息熵还在不断增加。虽然耕地比重降低会导致信息熵降低,但是其相关性远小于土地利用程度和建设用地比重。特别是珠江三角洲区域,土地利用结构信息熵已经开始降低,这与该区域土地利用程度和建设用地比重超过阈值存在极大关系。因此在未来土地利用结构布局时应该考虑土地利用类型的阈值问题,特别是耕地比重和建设用地比重的阈值,对于建设用地比重接近阈值的县区进行严格控制,对于超过阈值的县区进行整改; 耕地是人类赖以生存的基本资源和条件,其比重不应该过度降低,合理控制土地利用结构的变化,才能使区域土地利用系统发挥最高的功能效率,进而促进区域土地的可持续利用。