长沙市城区土地利用变化过程与生态格局研究

 肖景峰，刘白杨，于 德，江 雪 

（湖南农业大学洞庭湖区农村生态系统健康湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128）



长沙市城区土地利用变化过程与生态格局研究

肖景峰，刘白杨，于 德，江 雪

（湖南农业大学洞庭湖区农村生态系统健康湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128）

摘 要：以2007年和2013年两期ETM+影像，并结合相关辅助信息，进行长沙市市区的土地利用空间格局变化研究。采用动态度、土地利用转移矩阵等方法，揭示了长沙市城镇区域生态环境格局特点与土地利用变化的过程，并对所研究的驱动力进行分析和探讨。结果表明：耕地的减少和建设用地的增加是长沙市区土地利用变化的总体特征；矿产资源的分布影响长沙城市用地格局，城市建设用地扩展空间异性逐步增强；长沙市区土地利用格局和环境生态变迁的演化是由其自身的自然条件、生态环境变化、矿产资源分布、城市道路规划、经济因素限制等多种因素综合作用的结果。

关键词：土地利用变化；过程；格局；长沙

人类活动造成的土地利用与覆被变化是引起全球环境变化的关键因素之一[1]。土地可持续发展问题的重点是从整体和系统的观察点来研究人地关系，这也是土地利用变化在全球环境变化研究中的一个核心组成部分[2-4]。近年来我国对城市区域土地利用变化和生态环境演变研究的重要区域分别体现在“集中区”[5-8]和“分散区”[9-12]。20世纪以来，随着“人地”矛盾的日益突出，城区土地利用变化研究越来越受到国内外众多学者的关注[13-15]。

长沙市是湖南省会城市，是湖南省的政治、经济、文化枢纽和交通运输中心，是中国南部地区及其内陆重要的交通运转和航运中心，是著名的文化古城、星城之都、娱乐之都和绿色生态城市[11]。长沙地处我国内陆中部经贸发达区，经济建设开发扩张迅速、城市化进程多样化。2013年，长沙市在全国城市综合竞争力排行位于全国中上，20世纪90年代以后，长沙城市用地加速扩展，城市用地功能转换多样化，城市空间格局演化显著。因此，选取长沙市为典型案例，探讨城区土地利用变化过程和生态格局，对于深化认识长沙城区土地利用变化规律和优化调整城区土地利用生态结构均有重要意义。

1 研究区域概况及数据来源与处理

1.1 研究区概况

长沙位于湖南省的东部偏北方向，靠近湘江的下游河段，靠近西部边际方向的长浏盆地，全市土地面积1.1819万km2，其中城区面积2 185 km2，属亚热带季风气候，气候温和，降水充沛。长沙矿产种类繁多，尤以非金属矿独具特色，目前已探明的矿产资源种类多达50余种，海泡石储蓄总量位居全国首位，菊花石是全国独一无二的矿产资源，现有大型矿床有10处，小型矿床16处，矿点超过300处。

自1996年4月22日国务院批准望城县的霞凝乡划归长沙市开福区管辖以来，望城县各乡镇、街道相继划为长沙市市辖区，故研究以岳麓区、雨花区、天心区、芙蓉区、望城区（即望城县）和开福区为主要研究区（图1），研究其资源开发对长沙市土地利用的影响。

图1　长沙市城区示意图

1.2 数据来源与处理

以长沙市ETM+遥感影像为数据源，详细数据信息见表1。城市城区和郊区的土地利用，兼有城市用地和乡村用地的特点，因此其监测分类系统分为耕地、林地、草地或灌丛、水域、建设用地和其他用地6大类；社会经济资料来源于同期《湖南省统计年鉴》。

表1　遥感影像数据信息

在ENVI 4.8中，对研究区影像进行拼接、裁剪，采用非监督分类与目视解译的方法，得到2007年（图2）和2013年（图3）长沙市城区土地利用分布图，并对每一种土地类型进行统计。

2 研究方法

2.1 土地利用变化动态度分析

土地利用动态度[16-17]（P）指的是研究区域内一定时间内的一种土地利用变化类型数量的变化，其公式为：

式中，Ua、Ub是指研究初期及研究结尾某种土地利用变化类型的数量；T为某研究时段的年份。

2.2 土地利用变化强度分析

图2　2007年长沙城区土地利用分布图

图3　2013长沙城区土地利用分布图

土地变化强度[17-18]（I）是指用各个空间内每个单元的土地面积对它的年平均变化速度进行标准化数据处理，从而使不同的土地利用变化类型的速度具有可比性和权威性，其公式为：

式中，TUA是指研究区域内各单元土地的总面积，其他指标含义和公式（1）相同。

2.3 土地利用转移矩阵法

土地利用转移矩阵是定量表达土地利用变化的重要统计方法[19-20]，研究基于ENVI软件的Change Detection Statistics功能对2007～2013年长沙市各土地类型之间的转移变化进行分析。

3 结果分析

3.1 时间过程分析

以时间序列分析长沙主城区土地利用面积的动态变化。根据2007年土地利用分布图（图2）和2013年土地利用分布图（图3）统计数据和公式（1）、（2）计算的主城区变化土地面积与类型变化动态度（表2）可见，研究区2007～2013年间土地利用类型面积有很大的变化。

表2　长沙主城区土地利用类型面积变化（km2）

从表2可见，长沙市城区土地利用变化为：耕地、林地、水域、其他用地面积减少，建设用地、草地或灌丛面积增加。面积减少的地类中其他用地减少数量居首位，其次为林地，面积净增的地类中，建设用地增加居首位，草地或灌丛用地次之，从变化幅度来看，主城区建设用地变化幅度最大；其次是耕地；其三是草地或灌丛；最小的是其他用地；其中农用耕地的大幅度减少和城市建设用地的明显增加形成鲜明对比。

从表2可以分析长沙市城区土地利用类型面积变化。其中耕地面积减少了近1/4，并呈加速减少的态势。从土地利用变化过程和长沙主城区土地利用类型面积变化（表2）看，2007～2013年耕地减少的速度很快，而建设用地则继续增加，上升幅度加大。从2007年可以看出建设用地面积由原来的413.74 km2持续增加到2013年的535.309 2 km2。由表1可以看出，2007～2013年，城区建设用地继续扩大变化面积，动态度为4.90%。林地变现出比较急速的减少态势；水域呈缓慢下降趋势，河流区域建设改变是水域缓慢下降的重要表现；其他用地的面积总量比较小，对水域面积的改变影响不大。而相对的对比林地，变化快速，变化的强度值主要在2.1%～2.3%之间浮动；水域变化在2007～2013年表现出较小幅度的减少，变化动态度分别为-4.76%和-2.52%，其后变化幅度明显趋缓。从土地各利用类型的动态度可以看出，其他用地动态度最大，为-5.81%，这和其他用地在2007年基础面积较小有比较大的原因；第二为建设用地、林地和耕地，这几种土地利用类型的动态度相差不大，主要表现为林地和耕地向建设用地转变，从而达到土地利用平衡的效果。

3.2 空间格局分析

将2007年和2013年的城区土地利用图叠加，生成土地利用变化主类型图（图4），并借助空间分析模型，揭示土地利用变化的主要空间格局特征和统计各类型转变面积。

图4　2007～2013年建设用地空间格局变化

3.2.1 土地转移面积分析 通过对长沙市各土地利用类型的转变面积进行统计，得到2007～2013年长沙市土地利用移矩阵（表3）。

表3　2007～2013年土地利用转移矩阵（km2）

由表3可以看出，2007～2013年建设用地增加了121.57 km2，其中主要是由耕地转变而成，有137.35 km2，其次主要由草地/灌丛和林地转变而来，分别有90.02 km2和45.45 km2，其他用地转变的最少，这是因为其他用地位置较偏和利用价值不高，不适宜进行建设；林地减少了79.9 km2，其中主要是由草地或灌丛转变而成，有65.41 km2，其次主要由耕地和水域转变而来，分别有14.57 km2和6.90 km2，其他用地转变的最少；草地或灌丛用地年增加了304.82km2，其中主要是由耕地转变而成，有129.91 km2，其次主要是林地和建设用地转变而来的，分别有95.8 km2和94.0 km2，其他用地转变的最少；水域减少了20.37 km2，其中主要是转变为了建设用地和耕地，有283.02 km2和137.35 km2，其次主要是转变为了草地或灌丛，为90.02 km2，其他用地转变最少；其他用地减少了15.05 km2，其中主要是转变为了建设用地，有9.79 km2，其次主要是转变为了草地或灌丛，为7.95 km2，水域转变最少，因为地理原因和利用价值不高，不适合转变。

3.2.2 城区土地空间格局分析 由研究区2007年和2013年城区土地利用分布叠加分析，得到建设用地空间转变图（图4）、林地空间转变图（图5）、耕地空间转变图（图6）和草地空间转变图（图7），由于其他用地和水域面积过小，面积转入转出不明显，故在此没有对其他用地和水域的空间变化格局进行分析。

图5　2007～2013年林地空间格局变化

图6　2007～2013年耕地空间格局变化

（1）由图4建设用地空间格局变化看出，研究区不同类型用地重心在空间上有所分离，土地利用空间分异性很明显。建设用地转变为水域的范围很小，几乎没有变化；建设用地转变为林地主要集中在北部，其余分散在中部及城区边缘地带；建设用地转变为其他用地的范围几乎看不见；建设用地转草地的范围也很小，集中分布在城区零散地带；建设用地转变为耕地的在沿江地带比较明显，这是因为靠近水源，便于耕地的灌溉。从布局上看，建设用地重心分布跟随主城区分布，其他用地重心分布相对主城区较远，位于研究区的西部地区，建设用地自身生态资源分布及其开发演变影响着城市城区的土地用地格局。

（2）从图5林地空间格局变化看出，从不同类型用地重心变化轨迹看，林地转变差别不大，在东北角和西南部没有变化；林地转建设用地继续向西南方向偏移；林地转水域和其他用地基本没有变化；林地转草地持续向西及东南方向偏移;林地转耕地主要集中在西南边缘。林地的空间格局变化主要受地域和自然环境的影响。

（3）从图6耕地空间格局变化可以看出，耕地无变化的主要集中在北部，耕地的重心轨迹均表现为持续向南及东南偏移，耕地转变为草地的变化比较明显说明主城区对绿化建设对城市空间格局演变发挥了影响作用。

（4）从图7草地空间格局变化可以看出，草地无变化的区域集中在城区的南部，即望城区，草地集中的区域离老城区较远，也说明开发度没有老城区明显；草地转变为建设用地主要分布在城区中部和沿江地带，零散分布于东部边缘地带；草地转变为林地凸显在东北角，零散分布于西南地带；草地转变为其他用地分布不明显；草地转变为耕地主要分布在西南角和西北部的水域边。

3.2.3 土地利用变化及趋势 通过图形直观对比法将图2与图3进行对比分析，2007～2013年，城市建设用地主要呈现为在原有基础上向外扩张的变化趋势。具体而言，新增的城市用地在主城区南面经济区演变成为高值中心，在东北部的高桥经济区、西北部大河西经济区、浏阳河东南范围形成诸多较为明显的独立斑块；城市呈放射状向西北、南、东北和东部扩展，以填充式的形态连接经济区和城区；城市用地在东北和西部演化为两个强极中心，高桥、河东、河西新区逐步与主城区连成一块，城市土地整体的框架逐步展开，城市南部呈现出连片式发展的趋势；城市建设用地在新城区中快速进展，形成了一个与以往老城区上不同的高值中心， “老城+新城”的双中心演变格局成为了城市用地空间格局的主要体现。

对比图2和图3，以长沙市中心区的人民路和五一路交汇处为中心，2007年和2013年长沙城区土地利用分布图看出，2007年城市主要向东南和东北方向发展。城市的用地发展形态呈现双轴线的发展特征。2013年长沙主城区土地变化主要是由东北向北方向扩展，新增加的建设用地与主城区不像以往连绵成片。

图7　2007～2013年草地空间格局变化

4 驱动力分析

长沙市城区土地利用格局及其演化是由很多因素综合作用得出来的结果，期中因素包括自然条件、自然资源、经济因素、城市规划和交通等。

（1）城区土地利用空间格局形成与演化形成的最核心条件是自然条件。长沙城区北部和东北部有山地限制，北面受岳麓山分割和湘江阻碍，林地集中分布在西部偏南方向，所以研究区域的城市发展都存在不同程度的区域限制，特别明显的区域是城区的西南以及西北方向。长沙地势较为平坦，平原主要分布在城市的东边和东南部，地势低平，拥有比较好的地质条件，长沙城区土地利用逐渐向东边和东北部蔓延伸展。而且，湘江将岳麓区和芙蓉区分开，湘江的拦截是变化的一个重要影响，因而城市向西部的开发伸展受到了强烈的影响，而拓展强势表现为向南面伸展。

（2）土地利用空间格局的形塑作用主要体现在矿产资源的分布空间与地理区位上，其中矿产资源的生命周期对土地利用空间格局演变具有驱动作用。长期的矿产不断开采会导致城区出现小面积地面塌陷，从而形成坡耕地、季节性积水区和年降水量过大造成的小时间段积水区。由上述几个影响面，可以看出一是城区东部和东北部存在的积水塌陷区域越来越大；二是这个地带逐渐变成阻碍城市扩展的敏感区域，城市用地没有表现出向东北方向开发延伸。这也就表明了，长沙城区用地格局的形成是受矿产资源的分布和开发而影响的，在这个基础上，从而加速了城区的空间异性。也使城区用地结构和空间格局得到进一步的优化。

（3）经济因素也是城区土地利用结构演化的内在主导力量。由于城市化进程的加快和城市资源周期的产业转型，从而使政府不断进行优化配置，不断调整用地结构与产业结构。城市市区工业占GDP比重由2007年的48.7%，下降为2013年的22. 12%;逐渐改变的也有第三产业比重，由2007年的40.7%，上升为2013年的68.9%。未利用地开始减少；重污染工业开始被可持续发展与环保工业取代，城市建设用地利用率开始提高；同时，现代服务业在城市的快速发展中也逐渐占据一角，工矿用地随着生态化城市进程开始没落在城市的热点区，向城市边缘和郊区经济地带延伸，城市土地用地格局不断得到优化。

（4）城市总体规划对于长沙城区的土地利用格局调整与生态演化有着重要的调控影响。21世纪以来，长沙对城市的规划开始采用国外先进城市理念，推动大长沙观念，展现出长沙独特的城市魅力和区域中心功能，加快长沙以娱乐和中部经济小强龙独具一格的优势发展经济开发区和新型建设规划区的建设，进而改变单一的城市用地。

（5）城市用地空间改变的关键推动力是城市交通牵引。湘江运河、京广铁路、使得长沙资源的拓展更加迅速有力，奠定了长沙早期城市发展最基础的空间演变格局。1996年后，长沙扩大了城区主要干道、在原有道路基础上拓展了人民路、五一路，然后修建了京珠、连长沙段和环城高速公路，同时也推动了城市高铁线路系统的规划建设，逐步形成了长株潭城际道路路线，通过107等国道为主要的对外交通通道和东西南北各设立的长途汽车站点等相衔接的大型综合性城市立体交通网络。通过这一系列的建设，在这一过程中，首先成为城区建设用地演变的活跃地带的是三环线路，城区土地用地形式慢慢从原来的小圈点层拓展演变为放射形发展，城市立体结构框架被快速拉大。

5 结 论

（1）长沙市城区土地建设用地的快速增长和城区耕地面积的急剧减少是土地利用变化的总体特点。首先需要满足城区土地用地急速拓展的状态，其次又要改变原始的耕地滥用现状，保护已有的耕地资源，这是土地利用决策需要重视与协调的一对必要矛盾。

（2）改革开放以来，随着各大城市一体化进程的步伐加快，研究长沙城区土地利用用地和生态环境拓展的空间地域异性增强，呈现出独立的斑块状、放射式填充区、老城区加新城区双中心演化的阶段性特征。

（3）从宏观影响机理上看，长沙市本身的生态自然条件还是会持续影响土地利用的基本格局;而且矿产资源也会对土地利用格局形成特殊的机理和演变塑造，并且其推动作用将会持续影响该区域;城乡一体化进程、工业高科技新城和新型现代化产业功能结构调整等因素对土地利用格局演变的特定内在主导作用是会继续增强的，并且，城市空间的规划合理化与利用是城区内土地用地演化和城区内空间结构调整中必不可缺的核心一环。

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（责任编辑：贺 艺）

Land Use Change Process and Ecological Pattern of Changsha Urban Area

XIAO Jing-feng，LIU Bai-yang，YU De，JIANG Xue（Rural Ecosystem Health Laboratory of Hunan Dongting Lake Area, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, PRC）

Abstract：In this study, ETM+images of 2007 and 2013 and relevant ancillary data were used to monitor land use pattern change of Changsha. With methods such as the dynamic degree and land use transition matrix, the paper revealed the characteristics of regional ecological environmental pattern and the process of land use change in Changsha, and analyzed and discussed the driving forces. The results showed that the increase of construction land and the decrease of arable land was the main characteristic of land use change of Changsha. The distribution of mineral resources affected urban land use pattern of Changsha, and the expansion anisotropy of construction land gradually increased; the evolution of land use pattern and environmental ecological shift of Changsha was the combination results of natural conditions, ecological environmental change, mineral resource distribution, urban road planning, economic factor limitation, etc.

Key words：land use change; process; pattern; Changsha

作者简介：肖景峰（1990-），男，湖南长沙市人，硕士研究生，主要从事生态经济与管理方面的研究。

基金项目：国家社会科学基金项目（11BJY028）；国家科技支撑计划项目（2012BAD14B17）

收稿日期：2015-12-03

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.015

中图分类号：Q945.78

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）01-0047-06