太原师范学院地理科学学院,晋中 030619
Reasons for the increasing information entropy of suburban land use structure during the period of urbanization
WANGYuming, WANGRuikang收稿日期:2017-12-15
修回日期:2018-05-15
网络出版日期:2018-09-25
版权声明:2018《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.
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1 引言
1978年以来中国经济的持续快速发展,明显加快了国内许多地区的城市化速度,一些城市的规模正在迅速扩大,城市化地区的土地利用结构也发生了显著变化。这种变化对城市化地区的生态和自然地理环境演化有何重要影响?是否会影响到城市化地区土地系统的可持续利用?这些问题已经引起了土地科学、生态和环境科学等众多领域****们的广泛关注。陈彦光等研究了郑州、广州等城市的土地利用结构变化,总结出城市土地利用结构的信息熵值定律[1],并用均衡度概念反映土地利用结构特征[2];谭永忠等从不同区域土地利用结构信息熵变化分析出发,认为土地利用结构信息熵值可以反映土地利用系统的演化方向[3];赵晶等运用信息论分析1947-1996年上海市中心城区土地利用结构及信息熵的变化情况,揭示了城市土地利用结构与形态演变特征及这些特征的形成因素[4];毛良祥等基于信息熵理论对中国六大经济区域的土地利用结构进行了研究,分析了土地利用结构均衡化发展的主要诱因[5]等。这些研究中,土地利用结构信息熵被用作衡量一个区域土地利用系统有序程度及判别其演化方向的指标,土地利用结构信息熵越高,表示土地利用类型转换越快,土地利用结构越趋于均衡,土地利用系统向有序性降低的方向演化;反之亦然。土地利用结构信息熵指标还被引入不同等级、不同类型区域土地利用系统的研究之中,在城市化速度较快的地区的土地利用结构的研究之中更是得到了广泛应用,大量研究案例给出的普遍性认识是:城市化地区的土地利用结构信息熵是快速上升的[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。这就产生了一个至今尚未能得到很好解释的困惑: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,它们各自有着内在紧密联系的次一级子系统也应越来越有序,表征这些系统无序程度的熵值均应是逐步下降的,因而作为城市化地区系统次一级子系统的城市化地区土地利用系统,其熵值及城市化地区的土地利用结构信息熵也应是下降的;可是为什么已有的研究报道几乎一致地认为城市化地区的土地利用结构信息熵是上升的?本文试图解开这一疑惑。
中国已经进入到城市快速发展的中期阶段,城市化速度的选定将会深刻影响中国未来的经济社会发展进程[18]。较快的城市化速度一般会在中短期内带来较为巨大的经济社会效益,但同时也可能相应产生显著的生态环境压力,只有选取合适的城市化速率才能保证中国的经济社会发展具有长远的可持续性前景。何种城市化速度才是最优的?判断的标准特别依赖于不同城市化速度下环境生态影响的评价结果。土地利用结构信息熵指标可能是评判环境生态影响的最佳指标,应予以深入研究。许多研究者虽已关注到研究区域的土地利用结构信息熵在快速城市化时期是快速上升的,却未能指明上升的原因及其对自然地理环境演化趋势的影响,甚至有****把土地利用结构信息熵的上升归因于郊区耕地面积比例增加[19],或认为信息熵值上升意味着该地区土地利用结构向着有序性升高的方向演化[20]。本文拟在耦合土地利用结构信息熵和耗散结构理论的基础上,厘清此前普遍认为的所谓城市化地区土地利用结构信息熵上升的真实含义;查明城市化时期导致土地利用结构信息熵上升的主要原因;弄清楚土地利用结构信息熵的上升所表征的自然地理学含义。
2 郊区土地利用结构信息熵的计算依据
假定一个地区的用地面积总量为因而
土地利用结构信息熵反映了土地利用类型的多少和各类型土地面积分布的均匀程度。
在农村区域向城市建成区转变的过程中,最明显的变化是城市建设用地的快速扩张,与此同时,蔬菜园地、果园等用地也相应增多。各土地利用类型面积占比的相差会快速变小,土地利用结构信息熵会快速增大[1]。理论上说,当各种土地利用类型的面积变动到相等时(
用公式(2)算出的土地利用结构信息熵的大小及其所表征的自然地理学含义,依赖于土地利用的职能分类标准,因为正是土地利用类型发生了变动才导致土地利用结构信息熵发生相应变化,而土地利用类型是否发生了变动以及变动了多少在一定程度上依赖于所用的土地利用职能分类标准。参考前人研究[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],本文采用了1984年制定的《土地利用现状调查技术规程》划分标准,将土地利用类型划分为耕地、园地、林地、牧草地、居民点及工矿用地、交通用地、水域、未利用土地8个一级类。
从土地利用结构信息熵计算公式可以看出,在选定了某一套土地利用职能分类标准后,任一地区的土地利用结构信息熵的变动值,反映了在此土地利用职能分类标准下该地区内那些土地利用类型已发生了改变的区域其各自土地利用结构信息熵变动的加权平均值。该地区中那些土地利用类型未发生变动的集中成片区域,对整个地区的土地利用结构信息熵的变动不会有影响。研究期始已建成的存量城市建成区就属于这种对研究期内土地利用结构信息熵的变动基本上没有影响的区域,其对土地利用结构信息熵的上升没有贡献。
从图1可以看出,存量城市建成区内各种土地利用类型的面积占比在当前的土地利用职能分类标准下基本上未发生什么变动:存量城市建成区内在原有土地利用类型结构基础上进行的土地改进,如城中村改造、工矿业外迁、修建道路、绿化等,改进后的土地利用类型基本不变,如城中村改造前后的土地利用类型均属于居民点及工矿用地类型;工矿业外迁由原来的工矿业用地转变为商业住宅用地仍属于居民点及工矿用地类型;修建道路大多是在原有的平面交通基础上修建立体交通也依旧属于交通用地类型;绿化主要在居民点用地中的空闲处进行,绿化后的土地仍属于居民点及工矿用地类型。可以认为,存量城市建成区内的土地利用结构和功能已基本完善,各土地利用类型的占比在进一步城市化过程中基本保持稳定,不会对土地利用结构信息熵的上升有贡献;不仅如此,存量城市建成区内的土地利用结构在总体稳定基础上的稍有变化,多为居民点及工矿用地或交通用地类型占去了城市建成区内公园园地、水域或森林等的一部分,使土地利用结构向这些类型有所集中和均衡度有所降低,导致了土地利用结构信息熵有所下降。可见,城市建成区的土地利用结构信息熵在城市化时期不仅不会上升,反倒可能是有所下降的。
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图1城市化地区土地利用类型变化情况及对土地利用结构信息熵影响
-->Fig. 1Changes of land use types in urbanized areas and influences on the information entropy of land use structure
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郊区是新增城市建设用地的主要来源。郊区区域可划分为郊区农村、局部城市化区域和城市化水平已达到一定程度的半城市化区域。郊区农村的土地利用结构一般变动不大,土地利用结构信息熵也只应有少量增加。局部城市化区域的农用地在城市化时期较多较快地转化成了城市建设用地,并有一些耕地转变成了蔬菜园地、果园、景观林地和景观水域等,区域内各种土地利用类型的面积占比发生了显著变动,导致土地利用结构的均衡度和信息熵明显增大,对整个郊区的土地利用结构信息熵上升有着主要贡献。半城市化区域是一个特别的区域,区域内城市建设用地的进一步增加会导致土地利用结构向城市建设用地类型集中,使其土地利用结构的均衡度及信息熵不升反降,并对整个郊区的土地利用结构信息熵上升有抑制甚至抵消作用。在快速城市化阶段,城市建设用地出现了大规模的快速扩张,它们主要发生在郊区的局部城市化区域和半城市化区域,在郊区农村也会有一定的反映,这就会引起局部城市化区域土地利用结构的均衡度和信息熵明显上升,并推高整个郊区的土地利用结构信息熵。在此阶段,郊区农村区域的土地利用结构信息熵也会有一些上升,半城市化区域城市建设用地的进一步快速增加则会引起该区域土地利用结构信息熵的明显下降,其对整个郊区土地利用结构信息熵上升的抑制或抵消作用也明显增强。
郊区的土地利用结构信息熵是局部城市化区域、半城市化区域和郊区农村3个区域的土地利用结构信息熵按各自面积占比为权重的加权平均值,综上可以看出,其在城市化时期是上升的,在快速城市化阶段有较快上升。
城市化地区的土地利用结构信息熵是城市建成区、局部城市化区域、半城市化区域和郊区农村4个区域的土地利用结构信息熵以各自面积占比为权重的加权平均值。虽然局部城市化区域的土地利用结构信息熵是上升的,但是半城市化区域及城市建成区对信息熵的上升有抵消甚至反转作用。在城市化时期的早期阶段,前者由于城市建设用地快速增加而有明显上升,后者由于同样的原因也会增强,且还有着远大于局部城市化区域的面积占比及权重;在城市化时期的中晚期阶段,局部城市化区域的土地利用结构信息熵上升已不太显著,城市建成区和半城市化区域的面积占比及权重却仍然有持续的增加。综合起来考虑可以认为,整个城市化地区的土地利用结构信息熵在城市化时期应是下降的。
因此,在当前的土地利用类型划分标准下计算得到的土地利用结构信息熵快速上升,并不是此前****们普遍认为的整个城市化地区的土地利用结构信息熵的快速上升,而是指城市化地区郊区的土地利用结构信息熵上升。
3 城市化时期导致郊区土地利用结构信息熵上升的主要原因
陆地表层在未受到大规模人类活动干扰之前,具有有序的自然生态格局[21,22]。大规模人类活动介入后,原本有序性较好的自然生态系统受到不同强度人地作用的影响[22]。这种影响现时突出表现在城市化地区的土地利用类型转化上,大量郊区耕地转化成了城市建设用地,城市建设用地面积占比在城市化阶段快速增加,郊区耕地面积所占比例则快速减少(表1~表3,图2~图7),这种转化模式已成为中国城市化地区的普遍现象[23]。Tab. 1
表1
表11996-2007年西安市城市建设用地、耕地面积占比与郊区的土地利用结构信息熵值[
Tab. 1Proportions of urban construction land and cultivated land as well as information entropy of suburban land use structure in Xi'an City from 1996 to 2007 (Reference [6])
年份 | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
城市建设用地面积占比(%) | 10.13 | 10.23 | 10.34 | 10.43 | 10.61 | 10.78 | 11.03 | 11.31 | 11.74 | 11.92 | 12.28 | 12.43 |
耕地面积占比(%) | 34.08 | 33.86 | 33.79 | 33.74 | 33.5 | 33.35 | 32.84 | 32.22 | 31.48 | 31.35 | 31.08 | 31 |
土地利用结构信息熵值 | 1.4406 | 1.4611 | 1.4625 | 1.4637 | 1.4671 | 1.4696 | 1.4744 | 1.483 | 1.4825 | 1.4834 | 1.4859 | 1.4869 |
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Tab. 2
表2
表21996-2006年衡阳市城市建设用地、耕地面积占比与郊区的土地利用结构信息熵值[
Tab. 2Proportions of urban construction land and cultivated land as well as information entropy of suburban land use structure in Hengyang City from 1996 to 2006 (Reference [9])
年份 | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
城市建设用地面积占比(%) | 7.81 | 7.81 | 7.9 | 7.96 | 8.02 | 8.06 | 8.14 | 8.19 | 8.25 | 8.26 | 8.53 |
耕地面积占比(%) | 24.56 | 24.56 | 24.48 | 24.43 | 24.31 | 24.39 | 24.36 | 24.25 | 24.24 | 24.24 | 24.12 |
土地利用结构信息熵值 | 1.4868 | 1.4867 | 1.4895 | 1.4911 | 1.4922 | 1.4921 | 1.4934 | 1.4924 | 1.4924 | 1.4926 | 1.4952 |
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Tab. 3
表3
表31996-2007年苏锡常地区城市建设用地、耕地面积占比与郊区的土地利用结构信息熵值[
Tab. 3Proportions of urban construction land and cultivated land as well as information entropy of suburban land use structure in Taihu Lake Rim from 1996 to 2007 (Reference [8])
年份 | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
城市建设用地 面积占比(%) | 13.23 | 16.03 | 16.24 | 16.38 | 16.72 | 17.09 | 17.83 | 18.77 | 20.57 | 21.12 | 22.11 | 22.96 |
耕地面积占比(%) | 40.08 | 39.02 | 38.91 | 38.88 | 38.71 | 38.31 | 37.03 | 36.24 | 32.41 | 31.58 | 30.28 | 29.88 |
土地利用结构 信息熵值 | 1.6013 | 1.7167 | 1.7207 | 1.7269 | 1.7389 | 1.7516 | 1.7626 | 1.7823 | 1.8536 | 1.8678 | 1.8929 | 1.9026 |
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图21996-2007年西安市郊区的土地利用结构信息熵值及城市建设用地面积占比变化趋势
-->Fig. 2Diagram for the change trend of information entropy of suburban land use structure and proportion of urban construction land in Xi'an City from 1996 to 2007
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图31996-2007年西安市郊区的土地利用结构信息熵值及耕地面积占比变化趋势
-->Fig. 3Diagram for the change trend of information entropy of suburban land use structure and proportion of cultivated land in Xi'an City from 1996 to 2007
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图41996-2006年衡阳市郊区的土地利用结构信息熵值及城市建设用地面积占比变化趋势
-->Fig. 4Diagram for the change trend of information entropy of suburban land use structure and proportion of urban construction land in Hengyang City from 1996 to 2006
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图51996-2006年衡阳市郊区的土地利用结构信息熵值及耕地面积占比变化趋势
-->Fig. 5Diagram for the change trend of information entropy of suburban land use structure and proportion of cultivated land in Hengyang City from 1996 to 2006
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图61996-2007年苏锡常地区郊区的土地利用结构信息熵值及城市建设用地面积占比变化趋势
-->Fig. 6Diagram for the change trend of information entropy of suburban land use structure and proportion of urban construction land in Taihu Lake Rim from 1996 to 2007
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图71996-2007年苏锡常地区郊区的土地利用结构信息熵值及耕地面积占比变化趋势
注:城市建设用地主要由土地利用结构类型中的居民点及工矿用地,交通建设用地所组成,由于苏锡常地区的交通建设用地面积占比数据资料不全,由其居民点及工矿用地组成城市建设用地。
-->Fig. 7Diagram for the change trend of information entropy of suburban land use structure and proportion of cultivated land in Taihu Lake Rim from1996 to 2007
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选取西安市、衡阳市和苏(州)(无)锡常(州)地区为案例区,应用SPSS软件对三地的城市建设用地面积占比和耕地面积占比数据(表1~表3)进行的相关性分析显示,三地的城市建设用地面积占比与耕地面积占比之间均呈高度负相关,相关系数分别为-0.992、-0.962、-0.969。在城市化地区早期的土地利用结构中,耕地面积应占绝对比重;随着城市化过程中城市建设用地的不断增多,郊区的耕地面积会不断减少,二者面积占比之差值会缩小,土地利用类型的面积分布会向均衡化方向发展,土地利用结构信息熵则增大,如苏锡常地区1996年耕地面积占比与城市建设用地面积占比的差值多达26.85%,2007年降为6.92%,郊区的土地利用结构信息熵则增加了18.82%[8]。
应用SPSS软件对西安市、衡阳市和苏锡常地区的城市建设用地面积占比和郊区土地利用结构信息熵数据(表1~表3)进行的相关性分析显示,城市建设用地面积占比与郊区土地利用结构信息熵之间均呈高度正相关(图2、图4和图6),相关性系数分别为0.893、0.894、0.996。据此,并考虑到已有研究[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]中所指的城市化地区的土地利用结构信息熵实际上均应是指城市化地区的郊区的土地利用结构信息熵,可以认为:城市建设用地面积占比的迅速增加或耕地面积占比的迅速减少,是引起城市化时期郊区土地利用结构信息熵上升的主要原因。显然,若把上述讨论中的耕地面积换作农用地面积,结论同样成立。
以黑龙江省为代表的东北地区的土地利用结构信息熵的变动情况,从另一个侧面很好地支持了上述认识:黑龙江省1996年的城市化率为53.8%,高于30.48%的全国城市化率;到2008年,黑龙江省的城市化率为55.4%,全国的为45.68%,黑龙江省城市化增长速率平均每年为0.13%,远远低于全国的1.27%[24];1990年以来,由于国家对粮食需求的大量增加,作为中国粮食基地的黑龙江省增加了农田开垦,耕地面积不降反升[25],保证了耕地在土地利用结构中的优势度,土地利用结构信息熵从1996年的1.4243降低到2008年的1.4095[26]。在中国的六大经济区域中,东北地区的城市化速度逐年减慢,耕地面积是六大区域中唯一增加的地区,也是土地利用结构信息熵唯一持续下降的区域[5]。在全国城市化加速以及土地利用结构信息熵普遍增加的大背景下,以黑龙江省为代表的东北地区的土地利用结构信息熵反而是下降的。这也说明,城市建设用地面积占比的增加或耕地(农用地)面积占比的减少是引起土地利用结构信息熵上升的主要原因。
4 郊区土地利用结构信息熵上升所表征的自然地理学含义
城市是一个典型的耗散结构系统[27],整个城市化地区作为一个系统也是耗散结构系统。表征耗散结构系统无序化程度的指标是熵,熵值越大,系统的有序性越低;熵值越小,系统的有序性越高。熵增加原理与负熵概念的结合形成了一般熵理论,它可以阐明一个与外界有着广泛物质、能量和信息交流的开放系统也即耗散结构系统的演化趋势[28]。耗散结构系统通过开放交流从外界引入负熵流(有利于降低系统熵值和提升系统有序性的物质、能量与信息流;正熵流则相反),会使系统的演化趋势向有序性升高的方向发展[29]。城市建成区作为一个有序的耗散结构系统[27],其规模扩大、结构完善和等级提升都是有序性增加的表现[22]。不过这种有序化发展过程并非以创造负熵为主要目标,而是依靠郊区及更远地区向城市建成区转移和集中负熵流。城市建成区的熵变化:
式中:dis城市建成区表示城市建成区常规运行过程中排出的正熵数量,或维持城市建成区正常运行需消耗的负熵数量,恒有:dis城市建成区 > 0;des城市建成区是城市建成区与外部环境之间的熵交流,在正常的生态环境下,社会和市场从外部环境向城市建成区源源不断地供给充足的负熵流以抵消城市建成区常规运行所产生的内部熵增[22],并可保证其进一步的有序化发展,故有:des城市建成区 < 0。基于最低成本原理,这种熵交流首先发生在城市建成区与郊区之间,当郊区的负熵流满足不了需要或成本太高时,更远地区的负熵流会被充分引入,因而在城市常规运行及城市化时期,总能够引入数量多于dis城市建成区的足够充分的负熵流des城市建成区,以满足ds城市建成区 < 0[30],故城市建成区的熵值是下降的。这种机制不难推广到整个城市化地区,所以有:城市化地区的熵变化ds城市化地区 < 0,即整个城市化地区的熵值也是下降的。
郊区的农业区域是一个主要通过绿色植物的光合作用直接或间接地创造和保存负熵流的自然生态系统,郊区农用地上生长的粮食类作物通过固定和累积太阳能而直接或间接地生产人类生存和发展必需的重要负熵流——农牧业产品[28],其总量显然正比于郊区农用地(有时也可用耕地)的面积。郊区的存量民居、公共设施、交通道路及工矿企业等满足了人们在居住、交通、生活等方面的需要或是具有生产商品及生产资料的功能,是人类生存和发展必需的另一类重要负熵流或其重要源泉,这一类负熵流的总量与存量城市建设用地面积有一定的正相关关系。郊区系统在一段时间内创造出的负熵流总量是上述两类负熵流数量乘以各自权重系数的加权总值,这在概念上类似于郊区的绿色GDP总量。
城市化时期郊区系统的熵值,随着输入其中的正熵量增加而上升,随着郊区系统自身创造的负熵流数量增加而下降,后者则又与郊区的农用地面积以及存量城市建设用地面积呈一定的正相关关系。不过,郊区的新增城市建设用地在由农用地转化而来的最初相当长一段时间内是不创造负熵流的,它们既不再用于生产粮食,其上处于建设周期内的建筑和设施一时又不能发挥供人们居住、交通、生活或生产商品及生产资料的功能。城市化时期总有一定比例的新增城市建设用地处于建设周期内,它们在此期间不再创造负熵,相当于是损失了原本可以生产的农牧业产品负熵,所占比例越大则损失的负熵越多,由此会导致郊区系统的熵变化在城市化时期(快速城市化时期尤为显著)为正值,即ds郊区 > 0,使郊区熵值相对上升。这表明郊区熵值与郊区农用地面积比例负相关。这个结论相近于耕地面积比例与土地利用结构信息熵之间的高度负相关关系(图3、图5、图7,相关系数分别为-0.896、-0.911、-0.945),显示郊区的土地利用结构信息熵与郊区的熵值正相关,二者的含义也就应当相近。上述讨论说明,城市建设用地的增加或农用地(耕地)面积的减少是引起郊区土地利用结构信息熵及郊区熵值上升的主要原因。
特别是在快速城市化时期,不仅有大量的郊区农用地转化成了城市建设用地[31],而且在快速城市化时期的早期阶段,这些新增城市建设用地高比例地处于建设周期内,造成了郊区负熵存量迅速减少。快速城市化过程中工矿业的迅速发展还会向郊区排放大量“三废”及废热等正熵流和消耗郊区大量的原材料、能源等负熵流,从而造成郊区熵值较快上升和生态环境质量明显下降,在此期间郊区的自然地理环境演化是向着有序性降低的方向发展的。且在靠近城市建成区的近郊区域,土地利用类型转化剧烈,负熵存量减少明显,接收的正熵流数量巨大,熵值也有显著增加,对整个郊区的熵值上升有着主要贡献[32]。
可见,城市化时期城市建设用地的迅速增加导致了郊区熵值的较快上升,使郊区的熵变化ds郊区 > 0;郊区的土地利用结构信息熵上升与一般熵理论中的熵值上升具有相近的含义,表示郊区的自然地理环境演化在城市化时期是向着有序性降低的方向发展的。
5 结论
城市化时期城市建成区内各种土地利用类型的面积占比基本稳定,或向居民点及工矿用地、交通用地两种类型有所集中,使其土地利用结构信息熵基本不变或有所下降;郊区各种土地利用类型的面积占比在城市化时期发生了向均衡化方向的明显变动,引起了郊区土地利用结构信息熵的上升;郊区的局部城市化区域的各种土地利用类型面积占比发生了显著变动,引起了该区域土地利用结构信息熵的明显上升,并推高了整个郊区的土地利用结构信息熵。一直以来被当作是整个城市化地区的土地利用结构信息熵快速上升,应是指城市化地区郊区的土地利用结构信息熵上升。导致郊区土地利用结构信息熵上升的主要原因,是城市化时期郊区新增城市建设用地面积的快速增长和由此引起的郊区农用地或耕地面积的快速减少,使郊区的土地利用结构向均衡化方向快速发展,致使郊区的土地利用结构均衡度及信息熵明显升高。为防止郊区土地利用结构信息熵的过快增加,城市建设应走内涵挖潜之路,着力于提升城市建设用地的集约化利用水平。
城市化时期郊区的大量新增城市建设用地处于建设周期内,不能创造负熵,相当于是损失了用作农用地时可以创造的负熵,导致了郊区的负熵存量减少,城市化过程中向郊区排放的大量正熵又推升了郊区的熵值,二者的叠加作用加大了郊区系统正的熵变化,降低了郊区系统自然地理环境的有序性。城市化过程中应竭力减少排向郊区的正熵,并向郊区系统大力补充负熵,以促使郊区的自然地理环境演化尽快回归到有序性升高的方向。
The authors have declared that no competing interests exist.