近15年来环洞庭湖区土地利用变化及其景观效应

胡文敏 ，赵 京 ，何介南 ，李 毅

（1.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2.湖南农业大学 a商学院；b继续教育学院，湖南 长沙 410128）

近15年来环洞庭湖区土地利用变化及其景观效应

胡文敏1，赵 京1，何介南1，李 毅2a，b

（1.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2.湖南农业大学 a商学院；b继续教育学院，湖南 长沙 410128）

基于1996－2011年landsat TM遥感影像以及土地利用动态变化和景观指数模型对湖区近15 a来土地利用特征和景观效应进行了动态变化和驱动因素分析，结果表明：1996－2011年期间，湖区利用结构发生了显著变化，建设用地过快增长，耕地、林地向建设用地的转移程度较大，建设用地增加程度达78%，耕地的增幅仅6.2%，但耕地面积变化总量大，达36 km2；湖区建设用地、耕地、林地景观破碎化程度均降低，而水体破碎化增加，湖区总体上的蔓延度、分维度增加，反映出近年来湖区城市建设与农业发展较为活跃，但景观多样性有所降低，且有集中连片趋势；快速城市化和GDP增长是湖区景观变化的主要驱动因素，重视中心城市的合理规划和湖区湿地保护有助于提升湖区土地生态环境。

林地；遥感；土地景观；景观模型；多样性

随着中国中部崛起计划的实施，湖南省成为该计划的主要省份，同时洞庭湖经济生态发展区成为重要的核心发展区域，从2014年“环洞庭湖生态经济圈”战略计划的正式实施，环洞庭湖区的生态经济问题引起了高度重视[1-2]，湖区“资源节约、环境友好”成为建设的主要目标[3]。虽然洞庭湖是我国第二大淡水湖，拥有重要水资源和湿地资源优势，但从现状来看，长期泥沙淤积和湖盆降低严重破坏水资源利用，三峡水库建设以及维护垦殖对湖区生态环境和湿地景观造成了严重破坏[4-5]。近年来，土地利用/覆被变化研究技术和手段日趋成熟，对于典型区域的土地景观和格局演变日益受到关注[6]，众多研究多从景观生态和自然地理角度出发[7]，一些研究常常结合区域重大建设和经济发展作为基础，土地规划、土地整理、土地评价、土地生态安全等关注较多[8-9]，这对于解决区域实际经济生态的可持续发展有重要作用[10]。典型湖泊区的土地景观和效应与土地利用，尤其是区域土地的集约化和资源利用联系紧密，目前从宏观角度或者大尺度上探讨土地利用变化过程和机制较多，而从区域尺度上探讨较少[11-12]，缺乏相关理论和事实的补充，尤其对于典型生态区[13]。本研究通过3S技术和景观生态学方法探讨区域尺度上湖区土地利用和景观变化特点，整理和调查典型湖区洞庭湖自新发展方向15 a以来土地利用变化及其景观效应，发现近年来影响湖区的主要驱动因素，以期为未来湖区土地资源的可持续利用和生态环境优化提供参考和借鉴。

1 研究区域与数据源

本研究涉及12个县市区，东洞庭湖区：南县、湘阴县、岳阳县、岳阳市区、汨罗市，中洞庭湖区：赫山区、资阳区、沅江市、华容县；西洞庭湖区：武陵区、鼎城区、汉寿县。如图1所示。湖区城市发展迅速，城市化率自1996年的16.8%上升到2011年的38.5%，建设用地和农用地变化剧烈，2011年建设用地面积较2001年增长60%，随着社会经济发展，湖区土地利用产生的景观效应日益显著。

图1 研究区域——洞庭湖区Fig.1 Study area: Dongting lake area

2 研究方法

2.1 单一土地利用类型动态度

单一动态是相对综合土地利用动态而言，强调的是在一定时期内单个类型的利用状况[14]， 表达式为：式（1）中：L为单一土地利用动态度，代表某一土地利用类型年变化率，其正负表示增加和减少；Ra、Rb分别初期和末期土地利用类型面积数；T为持续时间，单位为年。

2.2 综合土地利用动态度

相对单一土地利用而言，综合土地的利用反映的是一个地区或者区域的发展状况[14]，表达式为：

式（2）中：dSi为开始时态指定类型的土地面积，ΔdSi-j为从开始到研究结束时刻的土地转移绝对值，T为研究时间段，年为单位，S值代表研究区土地利用年变化率。

2.3 景观格局分析方法

研究采用景观格局指数分析方法，从土地景观学角度来看，有利于揭示景观环境过程的内在关系。具体采用了（图2、图3）：斑块指数Pnp、Ppd；边缘与斑块面积比指数Ped、Plpi；形状指数Slsi；以及蔓延度指数Contag、散布指数Siji、香农指数Shdi、分维数Frac。前者Ppd、Ped、Plpi、Pnp反映了景观物内部的破碎化和空间异质性[15]，Slsi反映景观的相似程度，Contag反映景观的延展和聚集程度，Siji反映景观斑块的分散程度，Shdi反映景观斑块的均匀程度，Frac反映景观斑块的复杂程度[15]。

2.4 遥感数据分类

研究采用了Landsat7和Landsat8遥感卫星1996－2011年的数据，构成了连续15 a的动态变化数据集，数据来源于中国科学院资源与环境数据中心，遥感图像均经过图像解译和标准化处理，借鉴土地利用/覆被分类方法[16]，将类型分为了：建设用地、耕地、林地、水体、草地、其他用地6个类型。数据分析处理平台采用ArcGIS10。

3 结果与分析

3.1 土地利用动态变化特征

3.1.1 土地利用结构变化

从表1可以看出:（1）1996至2011年15 a间，土地利用结构比和转移幅度变化显著，建设用地、耕地、林地、水体、草地和未利用地的结构比由：8.0∶4.4∶24.1∶18.1∶12.2∶3.2变化到14.2∶36.6∶19.4∶16.1∶7.9∶5.9，由表1可以看出，建设用地变化最为突出，转移辅助最大，其主要途径是通过侵占耕地和林地；（2）林地总体减少，前5 a间有小幅增加，但2007年后的10 a均在减少，主要由于前期实施退耕和鼓励发展杨树主导的林业经济，但后期注重耕地保护和湖区生态环境，导致林地面积逐渐下降；（3）水体，草地呈小幅下降，耕地相对稳定，主要由于湖区第一产业结构比保持稳定，农业GDP增加值占总GDP的比值一直维持在15%左右。因此，土地利用结构变化结果反映了在这期间湖区退耕还林、退田还湖、耕地保护等政策的实施力度不足。

表1 1996－2011环洞庭湖区土地利用类型空间变化Table 1 Space changes of land use types in Dongting lake from 1996 to 2011 km2

3.1.2 土地利用变化程度特征

表2分析了1996－2011年湖区的土地利用动态变化情况，综合来看，年均土地利用动态度达到1.53，总体土地利用动态变化趋势较为平稳，导致综合动态变化的主要因素在于建设用地、耕地变化，从变化方向上来看，正向动态以建设用地和耕地变化为主，林地为负向变化，水体和草地变化方向不平稳，这主要由于湖区遥感解译存在季节交替误差，因此暂不考虑水体和草地的变化，但耕地和林地的动态变化不存在上述误差。因此，建设用地、耕地与林地的正负变化反映了湖区耕地与林地发展的失衡。自1999年《关于切实做好占补平衡的通知》的实施，要求建设用地占一补一，结合表1，湖区2001—2011年耕地面积由6 691 km2上升到6 991 km2，增加300 km2，而建设用地由1 833 km2上升至 2 373 km2，增加540 km2，占补相差达240 km2，湖区耕地占补失衡较为显著。

表2 1996－2011年洞庭湖土地利用动态变化Table 2 Land use dynamic change in Dongting Lake from 1996 to 2011

3.2 土地利用景观效应

3.2.1 土地类型景观格局变化

图2 环洞庭湖土地利用类型景观格局特征Fig.2 Characteristics of landscape pattern in land use types in Dongting lake area

图2反映了不同土地利用类型上景观格局变化的时序特征，可以看出建设用地和耕地破碎度逐渐减少，整体景观耕地占主导优势，其次是林地和建设用地，破碎度先增加后减少，农用地的Ppd，Ped，逐渐降低，片区农业和城市扩张使得建设用地Plpi、Shape增加，耕地类型有连片趋势，耕地成为湖区的优势地类。Slsi除水体外均有减少，这因为水体在土地利用过程中，部分被转变成为耕地，如一些坑塘，养殖水面。区域的Siji和Contag有所降低，这主要由于区域上的草地的蔓延度的增强。总体上湖区景观格局变化与经济发展有直接关系，从经济模式上，在1996至2001期间，湖区的经营模式从粗放式经营逐步向集约化转变，一方面来自于国家宏观调控层面，如建设环洞庭湖经济区，另一方面湖区土地上的农业产业逐步向大农业生产转变，产业结构逐渐向工业化转变[18]。

3.2.2 总体景观格局变化分析

图3显示了湖区整体水平上的土地景观格局空间特征，从时序变化来看，由于地区土地开发方式和自然环境差异，各地区变化有所不同，Contag、Plpi、Frac呈增长趋势。

图3 环洞庭湖土地利用总体景观格局水平变化特征Fig.3 The land use change characteristics of total landscape pattern in Dongting lake area

4 建议与优化

4.1 合理城市化与生态经济发展

通过对环洞庭湖区土地利用变化和景观效应分析表明，湖区快速的城市化和经济发展是影响湖区变化的主要影响因素，根据1996至2011年湖区城市化率和经济增长变化来看，见图4，1996到2011年湖区GDP增长迅速，地区GDP增长达到20至30倍，伴随经济的快速增长，区域的土地破碎化程度和斑块密度有所降低，原有零碎的用地类型逐渐聚集，受中心城市规划布局影响，区域的最大板块面积Plpi逐渐增加。同时城市的功能分区规划使得土地景观多样性Shdi增大，土地类型的蔓延度Contag减少。湖区GDP增长和城市化发展对土地利用景观变化有直接的驱动联系，需重视合理城市化布局和功能分区。

4.2 优化城市与农村建设用地布局

图4 环洞庭湖区GDP与城市化率年际变化（各县）Fig.4 The changes of GDP and urbanization in Dongting lake area (Each county)

景观格局的时序变化表明湖区局部地区生态稳定性有所降低，平均分维数和蔓延度降低，主要表现在水体、林地和草地的土地类型上，作为湖区湿地的主要构成部分，影响着湖区湿地功能的稳定性[17]，合理湖区土地利用和湿地生态保护有重要意义。由于湖区农业的快速发展，耕地面积总体增长较大，在城市化过程中过快的增长导致湖区生态用地类型被占用，图5显示了湖区常德市中心城扩展的历程，表明中心城市布局的发展严重影响土地景观多样性，加大了生态承载力度，因而，在城市发展过程中，需要进一步合理土地利用景观的合理布局，适当采用多中心布局，特定城市生态功能分区等措施，同时考虑土地生态效益，生态承载力，生态脆弱性等因素，以缓解生态环境压力，促进土地集约利用。

图5 环洞庭湖区常德市市辖区城市化过程Fig.5 The urbanization process in Changde city of Dongting lake district

4.3 优化农田设施布局

土地利用变化显示湖区耕地面积占整个湖区的近2/5，耕地是湖区主要土地景观，在15 a间，增幅虽然只有6.2%，但面积达到2.2×105hm2，总量在所有类型面积上最高，因此合理湖区的农业用地布局尤为重要。从湖区历史发展上来看，自1997年，杨树栽培在湖区逐渐兴起，取代了一部分农业，但占用了大量草地和耕地，盲目的种植已经威胁到湖区的农田和湿地景观。且在2006年，随着三峡工程的正式实施，湖区为解决自身农业和城市用水问题大力兴建水库，截至2012年湖区水库和水坝数量较2006年数量多出50%，对湖区水资源和湖泊造成严重影响，因而，优化农田和农业水利设施布局是面临的重要问题。通过对比其他同纬度湖区的布局来看，见图6，农村居民点布局和农田斑块上可以看出，洞庭湖居民点多呈现条带状，农田斑块较为破碎；鄱阳湖居民点多成团聚体状，田块不规则；而五大湖区居民点多成点状，形状极为规则。因此，在农业和农村居民点布局上，中国式的农业布局有待进一步改进，当然这与我国目前农业现代化发展有重要制约关系，但可以逐步正确引导土地向高效利用方向发展。

5 结 论

图6 不同地区农村居民点与农业布局Fig.6 The rural residential and agricultural distribution in different areas

基于1996—2011年landsat TM遥感影像以及土地利用动态变化和景观指数模型对湖区土地利用和景观效应特征进行了动态变化和驱动因素分析。湖区土地利用结构上，建设用地增长过快，土地利用结构变化显著，15 a间，建设用地增幅达78.7%，其中耕地和林地向建设用地的转移幅度较大。而耕地的增幅相比建设用地最小，仅6.2%，但面积总量较大，达到36 km2，反映了期间退耕还林、退田还湖、耕地保护力度不足等状况；土地景观格局变化上，湖区建设用地、耕地、林地景观的破碎化程度均降低，但水体破碎化程度增加。整体上，景观多样性、蔓延度和分维度降低，反映出近年来湖区城市建设与农业发展较为活跃，但土地利用生态多样性有所降低，且东洞庭湖地区的退化程度较其他地区明显，城市扩张和经济发展对湖区土地利用与景观变化的影响明显，景观格局发生显著变化；快速城市化和GDP增长是湖区景观变化的主要驱动因素，重视合理的中心城市规划以及农业用地规划有助于提升湖区土地集约利用和生态环境效益。

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Land use change and its landscape effect around Dongting lake in recently 15 years

HU Wenmin1, ZHAO Jing1, HE Jienan1, Yi Li2a,b
(1.Central South University of Forestry and Technology, School of forestry, Changsha 410004, Hunan, China;2. Hunan Agricultural University a. Business School; b. School of Continuing Education, Changsha 410128, Hunan, China)

Land use dynamic change characteristics and driving factors of landscape effects was analyzed, using landsat TM remote data of 1996-2011 by land use dynamic model and landscape index model , The result showed that significant changes in land use structure, 1) The construction land in the lake area was growing too fast, and the land use structure had changed signi fi cantly. During the 15 years, the construction land increased by more than 78.7%. Cultivated land and forest land to construction land transfer is larger.The farmland compared to the contrast land was smaller, only 6.2%, but farmland total area was larger, reaching 36 km2; 2) The degree of fragmentation of the construction land and farmland landscape was decreased, but the agricultural land increased. On the whole,landscape diversity, degree of spread and fractal dimension were reduced, which re fl ected that the urban construction and agricultural development in the lake area were more active in recent years, but the ecological stability was reduced. 3)T he rapid growth of GDP and urbanization is the main driving factors. Attaches great importance to the layout of central city, the planning of agricultural industry and forest protection could increase the landscape environment so that promote the development of ecological economy in the lake area.

forest land; remote sensing; land landscape; landscape model; diversity

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.12.015

http: //qks.csuft.edu.cn

S718.52+4；X21

A

1673-923X(2017)12-0091-07

2017-06-10

湖南省自然科学基金项目（2016JJ4121）；湖南省教育厅科学研究项目（16C1692）

胡文敏，讲师，博士

李 毅，讲师，博士，E-mail：yibsen@163.com

胡文敏，赵 京，何介南，等.近15年来环洞庭湖区土地利用变化及其景观效应[J].中南林业科技大学学报，2017,37(12): 91-97.

[本文编校：文凤鸣]