趙丹丹 劉吉平 馬沖亞等

摘要：以洮兒河流域為研究對象，采用1986-2010年的5期土地利用數(shù)據(jù)，在SPSS、ArcGIS和CrimeStat軟件的支持下，采用土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、土地利用結(jié)構(gòu)均衡度、土地利用綜合動態(tài)度及熱點分析等方法，對1986-2010年洮兒河流域的土地利用結(jié)構(gòu)及土地利用動態(tài)變化進行研究。結(jié)果表明，1986-2010年，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度呈先減少后增加的趨勢，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的高值區(qū)由流域的中下游向下游區(qū)轉(zhuǎn)移，上游低值區(qū)消失；土地利用結(jié)構(gòu)均衡度的高值區(qū)由中下游地區(qū)向上游和下游地區(qū)轉(zhuǎn)移；土地利用動態(tài)變化熱點地區(qū)集中位于洮兒河流域上游和下游，其中下游面積較大；氣候、水文及人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和政策的綜合作用對洮兒河流域土地利用結(jié)構(gòu)變化起著決定性作用；除了2005-2010年信息熵變化率與綜合動態(tài)度、均衡度變化率與綜合動態(tài)度呈不相關(guān)性，1986-2010年，在0.01水平上顯著，信息熵變化率、均衡度變化率和綜合動態(tài)度三者之間均呈相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：信息熵；GIS；土地利用結(jié)構(gòu)；動態(tài)變化；洮兒河流域

中圖分類號：P301 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）14-3388-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.015

Evolution Analysis of Land Use Structure of Taoerhe Basin

Based on GIS and Information Entropy

ZHAO Dan-dan，LIU Ji-ping，MA Chong-ya，LIU Jia-fu

（College of Tourist and Geoscience， Jilin Normal University， Siping 136000， Jilin， China）

Abstract：In this paper， the land use structure of Taoerhe basin was studied using five periods land use data from 1986 to 2010. With the help of SPSS，ArcGIS and CrimeStat softwares， land use structure and dynamic changes of Taoerhe basin from 1986 to 2010 were investigated by land use structure information entropy， land use structure equilibrium degree， land use integrated dynamic degree and hot spots methods. The results showed that land use structure information entropy and equilibrium degree decreased first and then increased the high-value areas of land use structure information entropy transforms from mid-downstream to downstream，and upstream low-value areas disappear； The high-value areas land use structure equilibrium degree transform from mid-downstream to upstream and downstream； land use integrated dynamic degree alternately lies on upstream and downstream， and there is a low-value area in the north of midstream；the hot spots of land use dynamic changes concentrate in upstream and downstream of the basin， and downstream area is larger. The comprehensive effect of climate， hydrology， population increase， economic development and polices is a determining factor for land use structure changes. Information entropy rate and integrated dynamic degree as well asequilibrium degree rate and integrated dynamic degree showed no correlation. Information entropy rate， equilibrium eegree rate and integrated dynamic degree showed correlation from 1986 to 2010，and they are significant at the level of 0.01.

Key words：information entropy； GIS； land use structure； dynamic change； Taoerhe basin

土地利用結(jié)構(gòu)是指在一定區(qū)域范圍之內(nèi)，國民經(jīng)濟的各個部門所占用的特定的用地類型按照一定的構(gòu)成方式組成的集合，是經(jīng)濟結(jié)構(gòu)在土地上的表現(xiàn)方式[1]。國內(nèi)外學者主要單一從時間或空間對某個行政區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)進行研究和分析[2-10]，對研究區(qū)域土地利用信息熵和均衡度的時空變化涉及甚少。洮兒河流域是典型的生態(tài)脆弱帶，土地利用結(jié)構(gòu)的變化反映了區(qū)域發(fā)展和人類活動的強度，是土地利用演變的直接體現(xiàn)[11]。近幾十年，由于不合理的土地開發(fā)和過度利用使洮兒河流域土地利用結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。通過對洮兒河流域的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度、綜合動態(tài)度和土地利用結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動力進行分析，以指導(dǎo)洮兒河流域土地的合理利用，為流域內(nèi)土地的良性循環(huán)和社會經(jīng)濟與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洮兒河流域地處內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省的邊界，位于東經(jīng)120°-124°，北緯45°-47°，是嫩江下游的最大支流，流域東為嫩江，西臨大興安嶺，南接霍林河，北靠綽爾河，流域面積43 443 km2，其中內(nèi)蒙古境內(nèi)流域面積 31 812 km2，形狀狹長，從西北向東南高程逐漸減小[12]。洮兒河及其主要支流歸流河和蛟流河都發(fā)源于大興安嶺東南麓，自西北向東南流入嫩江。流域?qū)儆诘湫偷拇箨懶愿珊?半干旱季風氣候區(qū)[12]，冬季嚴寒而漫長，夏季炎熱而短暫，年平均氣溫1.25 ℃。流域多年平均降水量435 mm，從空間上看，降水量由上游的470 mm減小到下游380 mm，年蒸發(fā)量1 800～2 000 mm，最大值出現(xiàn)在4-5月[13]。自東南向西北，氣候從半干旱向半濕潤過渡，地貌從平原向山地過渡，植被從草原向森林過渡，是東北西部地區(qū)景觀的縮影，是典型的生態(tài)脆弱帶和生態(tài)敏感帶[14]。

1.2 資料來源

共采用5期土地利用數(shù)據(jù)，分別為1986、1995、2000、2005和2010年，其中洮兒河流域1986、2000、2005和2010年的4期以及1995年洮兒河流域中下游土地利用圖通過解譯TM遙感影像獲得，1995年洮兒河流域上游的內(nèi)蒙古部分資料來源于寒區(qū)旱區(qū)科學資料中心（http：//westdc.westgis.ac.cn），空間分辨率為30 m。土地利用分類參照IGBP的LUCC分類系統(tǒng)，結(jié)合洮兒河流域土地的實際利用情況，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、沙地、鹽堿地、濕地、居民用地和未利用土地9類。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學資料共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do），徑流量資料來源于洮兒河流域鎮(zhèn)西水文站，人口與GDP資料來源于《吉林省統(tǒng)計年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵 熵是系統(tǒng)有序程度的度量，熵值越高，系統(tǒng)有序程度越低，系統(tǒng)越紊亂，穩(wěn)定性越差[15]。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵（H）的其高低可反映區(qū)域土地系統(tǒng)有序程度[16，17]，同時反映土地利用類型的多少和各土地類型面積分布的均勻程度[18]。

H=-（Pi）ln（Pi） （1）

式（1）中，H是土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，m表示土地利用類型數(shù)，Pi表示第i類土地利用類型的面積比例。土地利用信息熵越大，各要素發(fā)展越均衡，土地利用系統(tǒng)的有序性程度越低，當系統(tǒng)完全達到平衡時，信息熵達到極大值。信息熵可綜合反映區(qū)域各類土地利用類型的動態(tài)演變規(guī)律及其轉(zhuǎn)換程度[19-22]，對土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用。

1.3.2 土地利用結(jié)構(gòu)均衡度 土地利用結(jié)構(gòu)均衡度（E）可用式（2）表示，其是基于信息熵函數(shù)構(gòu)建的反映土地利用結(jié)構(gòu)均衡性的量值[23]。

E=-[（Pi）ln（Pi）]/ln（m） （2）

式（2）中，E表示土地利用結(jié)構(gòu)均衡度，m表示土地利用類型數(shù)，Pi表示第i類土地利用類型的面積比例。E∈[0，1]，E值越大，均質(zhì)性越強；E=0、E=1分別表示土地利用結(jié)構(gòu)處于最不均衡和最理想平衡狀態(tài)。

1.3.3 綜合動態(tài)度 綜合動態(tài)度用于表征研究區(qū)土地利用的變化速度[24]，其可用式（3）表示。

Ks=ubi-uai/2=uai×T-1×100% （3）

式（3）中，uai、ubi分別是研究期初和研究期末某土地利用類型的面積；T為研究時段長；n為土地利用類型數(shù)。當T設(shè)定為年時，Ks值即為研究區(qū)內(nèi)所有土地利用類型面積變化的年綜合變化率。

1.3.4 熱點地區(qū) 分級熱點探測是全局聚集性檢驗方法之一，它是根據(jù)某種規(guī)則（如鄰近距離）來獲取“金字塔”型多層次空間熱點區(qū)域的。在分級熱點探測中，首先通過定義一個“聚集單元”的“極限距離或閾值”，然后將其與每一個空間點對的距離進行比較，當某一點與其他點（至少一個）的距離小于該極限距離時，該點被計入聚集單元。也可以指定聚集單元點的數(shù)目來強化聚集規(guī)則。依此類推，可以得到不同層次的熱點區(qū)域[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 1986-2010年洮兒河流域土地利用空間分布格局

基于ArcGIS技術(shù)，根據(jù)1986-2010年洮兒河土地利用數(shù)據(jù)，制作出洮兒河流域不同時期的土地利用空間分布圖，如圖1所示。

由圖1可以看出，林地大部分位于中上游地區(qū)，并呈先減少后增加的趨勢，到2010年，下游地區(qū)有大面積林地出現(xiàn)；濕地和水域主要位于中下游地區(qū)，并呈不斷減少的趨勢；居民地分散位于中下游；耕地主要位于流域中下游，呈先增多后減少的趨勢；草地在中上游地區(qū)分布較多，并呈不斷減少的趨勢；鹽堿地主要位于中下游地區(qū)，并不斷減少。

2.2 1986-2010年洮兒河流域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時空動態(tài)變化分析

為了研究土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，將洮兒河流域進行網(wǎng)格化，為了保證每個網(wǎng)格內(nèi)的信息完整性及準確性，在參考文獻[26，27]的基礎(chǔ)上，綜合考慮洮兒河流域面積的大小，將流域分為23 km×30 km的網(wǎng)格單元，共89個（邊緣部分網(wǎng)格進行合并），應(yīng)用ArcGIS軟件計算出整個流域不同時期網(wǎng)格信息熵的平均值。將不同時期的每個網(wǎng)格的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，進行Kriging插值，如圖2（a）所示。

由圖2（a）可知，1986-2010年，流域上游土地利用結(jié)構(gòu)信息熵低值區(qū)消失，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Ω咧祬^(qū)，土地利用系統(tǒng)有序程度降低，主要在于耕地和草地面積變化較大，呈先增加后減少的趨勢，林地呈先減少后增加趨勢；流域中游由高值區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Ω咧祬^(qū)，由于耕地面積值呈波狀分布，林地先減少后增加，喪失大面積草地；在下游的東北部和南部，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵一直處在高值區(qū)，主要由于耕地面積先增加后減少，出現(xiàn)大面積林地，草地持續(xù)喪失?？傊?，洮兒河流域的上、中游地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵逐漸增加，而下游地區(qū)信息熵的空間分布格局變化較小。

2.3 1986-2010年洮兒河流域土地利用結(jié)構(gòu)均衡度時空動態(tài)變化研究

基于ArcGIS軟件，計算出整個流域不同時期各網(wǎng)格均衡度的平均值，將不同時期的每個網(wǎng)格的土地利用結(jié)構(gòu)均衡度，進行Kriging插值如，圖2（b）所示。

由圖2（b）可知，1986-2000年，流域土地利用結(jié)構(gòu)均衡度分布格局類似，在上游和下游的中部存在一個低值區(qū)，中游和下游的東北部有一個高值區(qū)，到2005年和2010年，這種格局發(fā)生了明顯變化，上游由低值區(qū)變?yōu)楦咧祬^(qū)，中游由高值區(qū)變成低值區(qū)，而下游的格局沒有變化?？傊?，1986-2010年，土地利用結(jié)構(gòu)均衡度上、中游變化較大，上游逐漸增加，中游逐漸降低，而下游變化不大，說明流域上、中游土地利用結(jié)構(gòu)逐漸向均衡性發(fā)展。

2.4 洮兒河流域土地利用動態(tài)變化的熱點地區(qū)

利用Crimestat軟件，分別對4個時期89個網(wǎng)格土地利用綜合動態(tài)度進行熱點探測，可得洮兒河流域土地利用動態(tài)變化的熱點地區(qū)分布圖，如圖3所示。

由圖3可知，洮兒河流域4個時期的土地利用綜合動態(tài)變化熱點地區(qū)在不斷變化，1986-1995年的2個熱點地區(qū)主要位于上游和下游地區(qū)；1995-2000年，2個土地利用動態(tài)變化熱點地區(qū)向中下游轉(zhuǎn)移；2000-2005年，熱點地區(qū)范圍在擴大，并向上游轉(zhuǎn)移；2005-2010年，土地利用熱點地區(qū)面積在減小，位于流域上游和下游北部地區(qū)。總之，1986-2010年，除1995-2000年中游地區(qū)存在一個熱點地區(qū)外，土地利用綜合動態(tài)度熱點地區(qū)集中位于洮兒河流域上游和下游，土地利用結(jié)構(gòu)變化較大，熱點地區(qū)面積呈先增加后減小的趨勢，下游面積較大。

3 洮兒河流域土地利用結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力分析

3.1 自然因素

洮兒河流域不同的土地利用結(jié)構(gòu)與自然因素密切相關(guān)，例如氣候、地質(zhì)、植被、地貌、土壤和水文等因素。介于時間尺度較小的情況下，土壤、地質(zhì)和地貌等自然因素在短期內(nèi)不會發(fā)生較大變化，因此認為氣候和水文是影響洮兒河流域土地利用結(jié)構(gòu)的主要因素。圖4為1986-2010年洮兒河流域平均氣溫、降水量、徑流量、總?cè)丝诩叭司鵊DP變化情況。由圖4（a）可知，氣溫變化波動較大，在其它自然及人文社會因素不變的情況下，大大加快了蒸發(fā)過程，對濕地和水域也會造成一定程度的減少；由圖4（b）和4（c）可知，1986-2010年，因1998年洪澇災(zāi)害，使降水量和徑流量達到最大值，其他年份流域徑流量大體呈減少趨勢，導(dǎo)致水域被不斷利用，沼澤被開發(fā)，水域和濕地面積減少，同時會加劇草地退化，使草地面積在不斷減少[28]，使土地利用結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。

3.2 人文因素

洮兒河流域的土地利用結(jié)構(gòu)變化與人文因素息息相關(guān)，例如人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和政策的調(diào)控等。洮兒河流域上游是“以林為主”的地區(qū)，1986-1995年，內(nèi)蒙古地區(qū)人口在不斷增多[29]，生產(chǎn)力水平較低，迫于生存壓力及糧食需求，對耕地不斷進行開墾，使林地、草地和濕地面積有所減少，使土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。圖4（d）中，各地區(qū)人口數(shù)量在不斷增長，引起一些毀林開荒、破壞植被、開發(fā)水域等破壞土地利用結(jié)構(gòu)的活動；圖4（e）中，人均GDP在急劇增長，流域下游作為“以農(nóng)為主”的地區(qū)，加劇了對耕地的開墾，同時“打造吉林省西部大糧倉，開發(fā)大安灌區(qū)”使流域下游加快了對林地、草地和水域等其他用地的開墾，使耕地面積大幅度增加；政府實施的“家庭聯(lián)產(chǎn)承包責任制”增加了農(nóng)民開墾種田的積極性，使林地、草地等其它類型用地被開墾為農(nóng)田，并對一些生產(chǎn)力發(fā)展水平較低的生態(tài)脆弱區(qū)，實施一系列的生態(tài)工程，例如由1998年洪水及2000年沙塵暴引起的水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化，政府提出的大范圍“退耕還林還草”政策等，各種土地類型面積在不斷地調(diào)整，使洮兒河流域土地利用結(jié)構(gòu)在不斷發(fā)生變化。

4 小結(jié)與討論

4.1 討論

土地利用結(jié)構(gòu)信息熵是土地利用有序程度的度量，信息熵值越高，土地有序程度越低，穩(wěn)定性較差。均衡度表示土地均質(zhì)性，均衡度值大，均質(zhì)性較好。土地利用綜合動態(tài)度是土地動態(tài)變化的度量，其值越大，土地動態(tài)變化越大?；赟PSS軟件，對1986-2010年不同時間段信息熵變化率、均衡度變化率和動態(tài)度進行皮爾森相關(guān)系數(shù)分析，如表1所示。

由表1可知，在2005-2010年，信息熵變化率與綜合動態(tài)度、均衡度變化率與綜合動態(tài)度均呈不相關(guān)性；在1986-2010年，信息熵變化率與均衡度變化率具有相關(guān)性；1986-1995年，信息熵變化率與綜合動態(tài)度、均衡度變化率與綜合動態(tài)度呈負相關(guān)性。以1986-1995年第29個典型網(wǎng)格為例，如圖5（a）所示，土地利用綜合動態(tài)變化較大，該網(wǎng)格中土地利用類型減少，濕地消失，林地在減少，耕地面積增加，各種土地利用類型面積分布不均勻，使信息熵和均衡度在不斷減小，該網(wǎng)格系統(tǒng)有序程度不斷升高，穩(wěn)定性增強，均質(zhì)性變?nèi)酢?/p>

1995-2005年信息熵變化率與綜合動態(tài)度、均衡度變化率與綜合動態(tài)度呈正相關(guān)性，在0.01水平上顯著，如圖5（b），以2000-2005年第41個典型網(wǎng)格為例，土地利用綜合動態(tài)度較大，到2005年出現(xiàn)大量的耕地，濕地，草地面積在不斷減小，土地利用類型在增加，各種土地利用類型面積差在縮小，面積分布趨于均勻，使土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在不斷增加，同時均衡度也在不斷增加，均質(zhì)性變強。

4.2 小結(jié)

1）洮兒河流域主要的土地利用方式是耕地、林地和草地，1986-2010年，洮兒河流域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度呈先減少后增加趨勢，有序程度先增加后降低，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的高值區(qū)由流域的中下游向下游地區(qū)轉(zhuǎn)移，下游穩(wěn)定性較差，有序程度較低，上游低值區(qū)消失；土地利用結(jié)構(gòu)均衡度流域的高值區(qū)由中下游地區(qū)向上游和下游地區(qū)轉(zhuǎn)移，到2010年，上游和下游地區(qū)均質(zhì)性較好。

2）土地利用綜合動態(tài)度高值區(qū)交替位于上游和下游地區(qū)，因此在洮兒河流域上游和下游地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)交替變化較大，除2000-2005年以外，下游地區(qū)一直存在一個動態(tài)變化較大的區(qū)域，1986-2010年，土地利用綜合動態(tài)度熱點地區(qū)集中位于洮兒河流域上游和下游，熱點地區(qū)面積呈先增加后減小的趨勢，下游面積較大。

3）洮兒河流域1986-2010年徑流量不斷減少，降水量不斷減少；同時氣溫不斷升高，人口不斷增多，流域下游人口GDP在不斷增長，政府采取“家庭聯(lián)產(chǎn)承包責任制”、“吉林省百億斤糧食計劃”、“退耕還林”、“三北防護林”等一系列政策使土地利用結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，主要原因包括水文及氣候自然因素和人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和政策的變化等人文因素。

4）1986-2010年，信息熵變化率與均衡度變化率呈相關(guān)性；1986-1995年，信息熵變化率與綜合動態(tài)度、均衡度變化率與綜合動態(tài)度呈負相關(guān)性；1995-2005年，信息熵變化率與綜合動態(tài)度、均衡度變化率與綜合動態(tài)度呈正相關(guān)性，在0.01水平上顯著；2005-2010年，信息熵變化率與綜合動態(tài)度、均衡度變化率與綜合動態(tài)度無相關(guān)性。

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