土地利用系统演化的动向

一、土地利用系统演化的动向

从系统演化的起点到终点的走向，代表系统演化的方向。总体上看，系统既有向上的前进的演化，又有向下的后退的演化，但前进的演化占主导地位。一般来讲，从无序到有序，从无组织到有组织，从低度有序到高度有序，从简单到复杂，是向上的演化；否则，是向下的演化。土地利用系统从人们一开始利用土地起，就无时无刻不在进行着自组织和他组织的交叉活动，发生着土地利用系统的不断演化。从土地利用系统发展演化的历史来看，土地利用系统越来越复杂，土地利用的程度和水平也不断提高，而且土地资源的开发利用越来越得到人们的重视，这种种趋势都表明土地利用系统的演化是一种向上的前进的演化，它的无序度在逐步提高。因此，本书在研究土地利用系统演化方向时着重明确系统无序程度变化的情况，如图4－1所示。

图4－1　系统转型演化的序列

（一）土地利用系统演化方向的熵理分析

系统正负熵流源于系统内部和外部，其中系统内部正熵降低了系统的免疫能力，系统外部，正熵则增强了系统的外部威胁，而系统内部的负熵则提高了系统的免疫能力，外部负熵会增强系统的外部抵抗力。

土地利用系统是一个非平衡的开放系统，它具有耗散结构的特性，系统内部及系统内外都发生着物质、能量和信息的交流，从而形成系统的正熵流和负熵流。具体来看，土地利用系统在耗散过程中所形成的熵流主要有：

1.土地利用系统中的物质流

人类在土地利用系统中要从事生产和生活活动，这一过程需要输入大量的生产和生活原材料，同时输出各种产品并排出废弃物，土地利用系统输入和输出物中以实物形式存在并进行流动的系统耗散主体称为物质流，其主要特点就是系统内外交流的物质化。普通意义上土地利用系统输入和输出的物质实体涵盖自然、社会、经济各子系统，这里不再赘述，主要分析向来不太受人们重视的废物流。随着社会经济的发展及人们生活水平的提高，土地利用系统的废弃物迅速增长，对生态环境造成了重大威胁。对于系统输出的废弃物，虽然开展了废物回收的活动，但总的来说，我国目前得到处理的垃圾还是少量的，大部分垃圾在未经任何处理的情况下就投放到环境中，污染了地表水、地下水以及土地资源，严重损害了生态环境。因此，在处理土地利系统的废物流时，应该对可重复利用的资源进行回收利用，依据循环经济以及可持续发展的思想，构建土地利用系统的废物流网络，按照生态学原理和系统工程方法运用具有高效的资源代谢过程，将生产、流通、消费、回收、环保建设结合起来，建立资源的高效利用和减少有害废物排放的废物流系统，如图4－2所示。

图4－2　土地利用系统耗散结构网络

2.土地利用系统中的能量流

能量的传递与转化是物质运动的一个基本属性，地球上的一切能力来源于太阳，能量流按照原生能源、次生能源、有用能源、最终能源等过程流动。原生能源是指直接从自然界获取的能量形式，如太阳能、生物能、矿物燃料、核能、风能、海洋能、低热能等，日常生活中的煤炭、石油、天然气均属此列。次生能源是原生能源经过加工转化的能量形式，如电灯的光能、马达的机械能等。最终能源是能量使用的最终目的，其中一部分被储存在产品中，一部分投入到环境中，变为热能耗散掉。

3.土地利用系统的信息流

在土地利用系统中信息流主要指以人类活动过程中以人为载体的生活信息、文教信息、经营信息和社会信息等的传播和扩散。系统中的人既是信息的源，又是信息的汇，还是信息的加工厂。人类在利用土地的活动中收集、加工和传播信息。随着经济的发展，社会分工越来越细，土地利用系统中流动的信息量呈爆炸式发展，面对如此庞大的信息流，如果处理得当，就可以保证土地利用系统的有序运行，让信息更好地为人类服务；如果处理不当，将导致信息流的传导机制失灵或路径堵塞，那将会给整个系统带来难以估量的损失。

运用熵理论来研究土地利用系统时，就会发现土地利用系统的可持续发展所追求的实际上是一种负熵的实现、克服熵增的过程。不可持续的发展则使系统的总熵值增大，无序性增强。在土地利用系统的运行中，系统的总熵值处于变动状态，可持续发展就是运用经济、法律、行政等各种手段，使系统的总熵值降低或维持稳定。土地利用系统的熵增原理是，如果它与外界处于封闭状态，那么不可避免地会使这个系统逐渐向无效、无序和混乱化的方向运行，比如能源的耗竭、环境的恶化、社会经济秩序的混乱。但实际上，土地利用系统具有耗散结构，它是对外开放的复合系统，它的开放性使其与环境交换物质、能源和信息成为可能，这个交换就是负熵过程。

在土地利用大系统中，太阳辐射为地球输入了巨大的能源，通过绿色植物的光合作用，太阳能被转化为系统的能量，这是最大的负熵过程。自然、社会、经济三大子系统为了维持自身的有序，彼此竞争，争夺进入系统的负熵流。自然子系统可以直接从太阳那里获取负熵流。而经济和社会子系统却不可以，它们一方面通过利用自然界的物质和能量来获得，这对社会经济系统来说是熵减过程，对自然界却是熵增过程；另一方面，在自然资源开发利用过程中，总会有一定量的资源不可被利用而以废物和废热的形式释放到自然界，还有人类的生活废弃物也被排放到自然界，这些废物和废热排放使人类社会的熵值降低，却使自然系统的熵值增大。

运用熵的状态函数来描述土地利用系统的熵变化模型：dS＝d_iS＋d_eS，其中：dS是土地利用系统的熵变化值，d_iS是系统内部不可逆过程引起的熵增加，｜d_eS｜是系统与外部环境进行物质和能量交换引起的负熵流，其中，d_iS＞0，｜d_eS｜＞0。所以系统处于熵增状态还是熵减状态取决于d_iS和｜d_eS｜的相对大小。

运用熵变量分析土地利用系统演变的方向，得出：

（1）当｜d_eS｜＜d_iS时，dS＞0，表明系统与外界环境交换获得的负熵流不足以抵消系统内部的熵增加，这样土地利用系统只能朝着熵增大的方向进行无序演化，最终倾向于各类过程的差异消失，变成完全均衡的混乱状态，即系统解体。

（2）当｜d_eS｜＝d_iS时，dS＝0，表明系统与外界环境交换获得的负熵流恰好抵消系统内部的熵增加，这时系统处于热力学意义上的定态。

（3）当｜d_eS｜＞d_iS时，dS＜0，系统与外界环境交换获得的负熵流可以抵消系统内部的熵增加，这样系统可以通过自组织作用向有序化方向继续演化，这时的系统就是进化的、可持续的，也正是人类社会发展的目标。

在人类社会不很发达的阶段，土地利用系统的熵减过程足以抵消系统的熵增过程，使土地利用系统的演化维持有序状态。但是到了近现代，为了维持地球上过度增长的人口和满足人类无限膨胀的欲望，人类只能通过掠夺自然界的资源和环境来发展自身。然而自然界的资源和环境毕竟是有限的，因此人与自然形成了尖锐的矛盾，出现了自然、经济、社会子系统发展的不协调状态，造成土地利用系统运行过程的熵流增加变快，也就是熵变化模型中的d_iS快速增加，而且由于自然生态系统被破坏，｜d_eS｜又日渐变小。当｜d_eS｜＜d_iS时，系统的熵减过程已不足以抵消系统的熵增加，土地利用系统的总熵值不断增加，其表现就是各种环境污染、生态破坏、资源短缺和能源危机。

（二）土地利用系统演化方向的评判

根据系统演化的自组织理论，土地利用系统自身的演化应该朝着从无序到有序，或者从低级有序到高级有序的方向进行；然而在土地利用系统演化的过程中，不仅仅受自组织作用力的影响，更受到他组织的作用力影响，而这种他组织的作用力则主要来源于人类活动的直接后果。假设没有他组织的作用，土地利用系统自然会朝着有序的方向进行，那么有了他组织的影响，土地利用系统是否会朝着有序的方向演化呢？这是本节需要解决的一个关键问题。对于这个问题的分析，本书拟采取定量研究的方法，应用熵值理论构建土地利用系统无序度评价模型M，主要对人类活动影响下土地利用系统的无序程度进行评判，应用该模型对一个时间断面的土地利用系统无序度指数进行测算，可以评判一个区域土地利用系统演化的大致方向。

1.无序度评价指标体系构建

1）指标选取的原则

（1）科学性原则：土地利用系统无序度的指标选取必须要有充分的科学基础，在有关理论基础上，科学选择指标，构建严密的框架体系；明确指标的涵义、计算方法、统计口径、分类等。

（2）系统性原则：评价地域上人类活动的无序程度，必须从系统角度来设计其指标体系，既要有反映土地利用系统自身发展的指标，又要有人类活动对土地利用系统影响的指标。

（3）可操作性原则：建立的指标体系要充分考虑到贯彻的难易程度，指标选择是否有代表性？评价方法是否具有可操作性？理论上的研究在现实中是否具有可行性？指标选择是否可以量化？资料是否可取？

（4）简明性原则：由于人类活动设计范围较广泛，把所有的指标都罗列在内是不现实的，且常常导致指标体系庞大臃肿，增大计算量，故在选择指标时，一定要把反映某方面的精干指标取出，用尽量少的指标包容该方面大部分信息。

2）评价指标的选择与解释

人类在土地上开展的各项活动，其主要目的就是为了满足人们日益增长的生产和生活需求，从而实现全社会的和谐发展。在土地利用系统中，人们通过对土地自然子系统、土地社会子系统和土地经济子系统的利用活动，以期促进土地利用大系统的有序演进。评价指标的选择主要是依据土地利用活动的实现目标而定的，土地利用的有序化具体来讲就是要实现土地自然子系统的平衡发展，土地社会子系统的协调发展和土地经济子系统的快速发展，因此，指标体系的准则层设置为土地生态发展指数、社会发展指数和经济发展指数三类，具体到指标层，本书在这里选择指标的思路是：暂且不考虑土地的承载能力，仅从人类的土地行为入手，即人类在各类用地上投入的人力、物力、财力等活动，分析人类对土地开展的各项活动是促进土地系统发展的还是会延缓甚至阻碍土地系统发展的，也就是人类活动对土地系统的压力状况，评价土地上人类活动的无序程度。

依据以上的筛选思路，本书以实现生态、经济和社会的综合发展为出发点，分别选取了5项生态发展指标，6项社会发展指标和5项经济发展指标，力求反映土地利用系统中人类活动对系统演化的影响。指标体系如表4－1所示：

表4－1　土地利用系统无序度评价指标体系

在上面构建的指标体系中，一些指标的含义和计算方法是简洁易懂的，有部分指标的计算方法较为复杂，这里就部分指标的说明如下：

（1）土地利用结构多样性指数M₁₁

式中：M11——区域土地利用结构的多样性指数；p_i——第i类土地面积所占比例；n——土地类型的数量。

土地利用结构多样性指数是土地生态系统组织结构合理程度的重要指标，多样的土地利用结构可以使土地生态系统维持良好的功能，并逐步增强。土地利用结构多样性指数用耕地、林地、园地、牧草地、其他农用地、居民点工矿用地、交通运输用地、水利用地、未利用土地和其他土地等二级地类土地利用面积来计算。指标值越大，表示土地生态系统的结构多样性越大，生态系统发展比较稳定。

（2）单位面积工业废水排放量（10³t/公顷）M₁₂

该指标用来衡量工业生产对土地生态环境的污染程度，指标值越大，表明土地系统受工业污染的程度越深，影响越大，则不利于土地利用系统的发展演进。由于工业废水主要是工业生产中排放的，所以这里分母选用工矿用地的面积作比，M₁₃，M₁₄同理可得。

（3）单位面积化肥施用量（t/公顷）M15

该指标反映了农业生产中由于化肥的使用对土地生态系统的污染，是负向指标，指标值越大，土地生态系统受污染的程度越深，越不利于土地利用系统的演进。由于化肥的使用主要出现在农业生产中，所以这里分母用农用地面积作比。

（4）恩格尔系数（%）M₂₁

该项指标反映了一个区域居民的生活水平状况，国际上一般认为恩格尔系数在60%以上为绝对贫困，50%～59%为勉强糊口，40%～49%为小康，40%以下为富裕。

（5）人口城市化水平（%）M₂₄

该项指标反映了区域城市化进程的速度，也反映了城乡一体化的发展和农村城镇化的进程，指标值越大，表明区域城乡一体化发展的趋势比较好，整个社会的协调发展水平比较高，土地利用系统的演化相对有序。

（6）人口压力指数M₂₅

该项指标反映了人类的自生产活动对土地利用系统形成的压力，在人均食物消费标准一致的情况下，一个区域所能承载的人口数量最大值是一个定值，这时区域的实际人口越多则对土地利用系统产生的压力就越大，土地人口承载潜力就会不断减少，土地系统发展的空间会受到限制。

（7）土地利用率（%）M₂₆

该项指标反映了区域土地开发利用的水平，土地利用率越高，表明土地利用系统的发展水平比较高，演化进程比较快。

（8）单位面积货运量（t/公顷）M₃₁

该项指标指一定时期内，各种运输工具实际运送的货物数量，反映了土地利用系统中运输业为国民经济和人民生活服务的水平，指标值越大表明土地利用系统发展越有序；单位面积客运量同理可得。

（9）单位面积固定资产投资（万元/公顷）M₃₃

该项指标反映了土地利用系统中经济投入的强度大小，指标值越大，土地经济子系统的发展动力就越大，从而也会推动整个土地利用系统的演进。

（10）单位面积农业机械总动力（kwh/公顷）M₃₄

该项指标反映了农、林、牧、渔业各种动力机械的投入强度，包括耕作机械、排灌机械、收获机械等，指标值越大农业经济发展的力度就越大。

（11）复种指数（%）M₃₅

复种指数（种植指数）是耕作制度研究中衡量耕地资源集约化利用程度的基础性指标，也是国家宏观评价耕地资源利用基本状况的重要技术指标。复种指数越高，表明区域农业经营越集约，农业经济发展速度较快，农业用地的人类活动强度比较大。

2.无序度评价指标熵值法赋权

据研究，确定指标权重的方法主要有主观赋值法和客观赋值法，前者是指根据评价者主观上对各指标的重视程度来决定权重的方法，如层次分析法、专家经验评估法等；后者是指根据客观原始数据信息的联系强度或各指标所提供的信息量来决定指标权重大小的方法，如熵值法、因子分析法、复相关系数法等。本书认为，对区域可持续发展能力评估的方法，也同样适用于土地利用系统无序度的评估。同时，还认为，依靠专家经验进行赋值，常常因选取专家的不同而差异较大，使分析结果趋于不稳定，故本书采用客观分析法。

1）熵值法赋权的基本原理

设m个指标，n个待评对象，形成原始数据矩阵X＝（X_ij）_m×n，对于某项指标Xj，若指标值X_ij差距越大，则该指标在综合评价中所起作用也就越大；反之就越小。若某项指标的指标值全部相等，则该指标在综合评价中不起作用。在信息论中，存在函数关系：H（x）＝－∑p（x_k）lnp（x_k）。式中，H（x）为信息熵，是系统无序程度的度量；∑p（x_k）lnp（x_k）为信息，是系统有序程度的度量。两者绝对值相等，符号相反。某项指标的指标值离散程度越大，则H（x）就越小，该指标所提供的信息量就越大，故其权重也应越大；反之，指标间离散程度越小，信息熵就越大，其容纳的信息量也就越小，权重理应越小。所以，根据指标间的离散程度，用信息熵来确定指标权重，为区域土地利用系统演化的无序程度的量化评估提供了科学依据。

2）熵值法赋权的基本步骤

第一步：将各指标同度量化，计算第j项指标下第i个待评对象指标值的比重p_ij。

第二步：计算第j项指标的熵值e_j）

第三步：计算第j项指标的差异性系数g_j，熵值越小，指标间差异越大，指标就越重要。

g_j＝1－e_j 　　　　　（4.14）

第四步：计算第j项指标的权数a_j

3.无序度评价模型构建

将土地利用系统无序度评价指标体系的原始数据无量纲化之后，应用熵值法的原理给各项指标赋权，借鉴综合评价方法的思路，构建土地利用系统无序度（M_kl）模型如下：

式中：k为评价年份；l为评价区域，j为评价指标项。

应用该无序度模型可以测算出不同时点、不同区域的土地利用系统无序程度指数，从而可以评判一个区域土地利用系统演化的方向。

明确了无序度的熵理意义之后，可以知道由系统某时点的熵值及两个时点间的熵变，能够分析土地利用系统在这期间的演化态势，这样就可以简化复杂的系统演化过程，能够将繁杂、动态、长期的土地利用系统演化状况具体化、定量化。具体来看就是通过对同一个区域不同时点的土地利用系统无序度熵值变化进行比较，以此得出土地利用系统演化的方向：如果熵变ΔM＞0，则土地利用系统在该时段朝着无序的方向在演化；如果ΔM＜0，则该时段内系统朝着有序的方向在演化；如果ΔM＝0，则土地利用系统处于一种近似平衡状态，该时段系统内的正负熵流互相抵消，系统总熵基本上不变，系统处于“原地踏步”的演化状态，实际上，这是一种比较理论化的状态，土地利用系统的演化是一个非常复杂的过程，系统的正负熵流也是形式多样、变幻多端，基本上很难出现系统正负熵流各自参半的情况。如果连续两个时段内一个区域的土地利用系统都是朝着有序的方向在演化，而且后一个时段的系统负熵变绝对量是高于前一个时段系统负熵变绝对量（｜ΔM₁｜＜｜ΔM₂｜），那么就可以认为该土地利用系统是朝着低级有序向高级有序的方向进行演化；同理，如果土地利用系统连续时段的负熵变绝对量是减少的（｜ΔM₁｜＞｜ΔM₂｜），或者从负熵变转向正熵变（ΔM₁＜0，ΔM₂＞0），那么土地利用系统就在朝着高级有序向低级有序、低级有序向无序状态发展的反方向演化。