近15年來(lái)環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用變化及其景觀效應(yīng)

胡文敏 ，趙 京 ，何介南 ，李 毅

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) a商學(xué)院；b繼續(xù)教育學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

近15年來(lái)環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用變化及其景觀效應(yīng)

胡文敏1，趙 京1，何介南1，李 毅2a，b

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) a商學(xué)院；b繼續(xù)教育學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

基于1996－2011年landsat TM遙感影像以及土地利用動(dòng)態(tài)變化和景觀指數(shù)模型對(duì)湖區(qū)近15 a來(lái)土地利用特征和景觀效應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)變化和驅(qū)動(dòng)因素分析，結(jié)果表明：1996－2011年期間，湖區(qū)利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，建設(shè)用地過(guò)快增長(zhǎng)，耕地、林地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移程度較大，建設(shè)用地增加程度達(dá)78%，耕地的增幅僅6.2%，但耕地面積變化總量大，達(dá)36 km2；湖區(qū)建設(shè)用地、耕地、林地景觀破碎化程度均降低，而水體破碎化增加，湖區(qū)總體上的蔓延度、分維度增加，反映出近年來(lái)湖區(qū)城市建設(shè)與農(nóng)業(yè)發(fā)展較為活躍，但景觀多樣性有所降低，且有集中連片趨勢(shì)；快速城市化和GDP增長(zhǎng)是湖區(qū)景觀變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，重視中心城市的合理規(guī)劃和湖區(qū)濕地保護(hù)有助于提升湖區(qū)土地生態(tài)環(huán)境。

林地；遙感；土地景觀；景觀模型；多樣性

隨著中國(guó)中部崛起計(jì)劃的實(shí)施，湖南省成為該計(jì)劃的主要省份，同時(shí)洞庭湖經(jīng)濟(jì)生態(tài)發(fā)展區(qū)成為重要的核心發(fā)展區(qū)域，從2014年“環(huán)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)圈”戰(zhàn)略計(jì)劃的正式實(shí)施，環(huán)洞庭湖區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題引起了高度重視[1-2]，湖區(qū)“資源節(jié)約、環(huán)境友好”成為建設(shè)的主要目標(biāo)[3]。雖然洞庭湖是我國(guó)第二大淡水湖，擁有重要水資源和濕地資源優(yōu)勢(shì)，但從現(xiàn)狀來(lái)看，長(zhǎng)期泥沙淤積和湖盆降低嚴(yán)重破壞水資源利用，三峽水庫(kù)建設(shè)以及維護(hù)墾殖對(duì)湖區(qū)生態(tài)環(huán)境和濕地景觀造成了嚴(yán)重破壞[4-5]。近年來(lái)，土地利用/覆被變化研究技術(shù)和手段日趨成熟，對(duì)于典型區(qū)域的土地景觀和格局演變?nèi)找媸艿疥P(guān)注[6]，眾多研究多從景觀生態(tài)和自然地理角度出發(fā)[7]，一些研究常常結(jié)合區(qū)域重大建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為基礎(chǔ)，土地規(guī)劃、土地整理、土地評(píng)價(jià)、土地生態(tài)安全等關(guān)注較多[8-9]，這對(duì)于解決區(qū)域?qū)嶋H經(jīng)濟(jì)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展有重要作用[10]。典型湖泊區(qū)的土地景觀和效應(yīng)與土地利用，尤其是區(qū)域土地的集約化和資源利用聯(lián)系緊密，目前從宏觀角度或者大尺度上探討土地利用變化過(guò)程和機(jī)制較多，而從區(qū)域尺度上探討較少[11-12]，缺乏相關(guān)理論和事實(shí)的補(bǔ)充，尤其對(duì)于典型生態(tài)區(qū)[13]。本研究通過(guò)3S技術(shù)和景觀生態(tài)學(xué)方法探討區(qū)域尺度上湖區(qū)土地利用和景觀變化特點(diǎn)，整理和調(diào)查典型湖區(qū)洞庭湖自新發(fā)展方向15 a以來(lái)土地利用變化及其景觀效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)影響湖區(qū)的主要驅(qū)動(dòng)因素，以期為未來(lái)湖區(qū)土地資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境優(yōu)化提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

本研究涉及12個(gè)縣市區(qū)，東洞庭湖區(qū)：南縣、湘陰縣、岳陽(yáng)縣、岳陽(yáng)市區(qū)、汨羅市，中洞庭湖區(qū)：赫山區(qū)、資陽(yáng)區(qū)、沅江市、華容縣；西洞庭湖區(qū)：武陵區(qū)、鼎城區(qū)、漢壽縣。如圖1所示。湖區(qū)城市發(fā)展迅速，城市化率自1996年的16.8%上升到2011年的38.5%，建設(shè)用地和農(nóng)用地變化劇烈，2011年建設(shè)用地面積較2001年增長(zhǎng)60%，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，湖區(qū)土地利用產(chǎn)生的景觀效應(yīng)日益顯著。

圖1 研究區(qū)域——洞庭湖區(qū)Fig.1 Study area: Dongting lake area

2 研究方法

2.1 單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度

單一動(dòng)態(tài)是相對(duì)綜合土地利用動(dòng)態(tài)而言，強(qiáng)調(diào)的是在一定時(shí)期內(nèi)單個(gè)類型的利用狀況[14]， 表達(dá)式為：式（1）中：L為單一土地利用動(dòng)態(tài)度，代表某一土地利用類型年變化率，其正負(fù)表示增加和減少；Ra、Rb分別初期和末期土地利用類型面積數(shù)；T為持續(xù)時(shí)間，單位為年。

2.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

相對(duì)單一土地利用而言，綜合土地的利用反映的是一個(gè)地區(qū)或者區(qū)域的發(fā)展?fàn)顩r[14]，表達(dá)式為：

式（2）中：dSi為開(kāi)始時(shí)態(tài)指定類型的土地面積，ΔdSi-j為從開(kāi)始到研究結(jié)束時(shí)刻的土地轉(zhuǎn)移絕對(duì)值，T為研究時(shí)間段，年為單位，S值代表研究區(qū)土地利用年變化率。

2.3 景觀格局分析方法

研究采用景觀格局指數(shù)分析方法，從土地景觀學(xué)角度來(lái)看，有利于揭示景觀環(huán)境過(guò)程的內(nèi)在關(guān)系。具體采用了（圖2、圖3）：斑塊指數(shù)Pnp、Ppd；邊緣與斑塊面積比指數(shù)Ped、Plpi；形狀指數(shù)Slsi；以及蔓延度指數(shù)Contag、散布指數(shù)Siji、香農(nóng)指數(shù)Shdi、分維數(shù)Frac。前者Ppd、Ped、Plpi、Pnp反映了景觀物內(nèi)部的破碎化和空間異質(zhì)性[15]，Slsi反映景觀的相似程度，Contag反映景觀的延展和聚集程度，Siji反映景觀斑塊的分散程度，Shdi反映景觀斑塊的均勻程度，F(xiàn)rac反映景觀斑塊的復(fù)雜程度[15]。

2.4 遙感數(shù)據(jù)分類

研究采用了Landsat7和Landsat8遙感衛(wèi)星1996－2011年的數(shù)據(jù)，構(gòu)成了連續(xù)15 a的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心，遙感圖像均經(jīng)過(guò)圖像解譯和標(biāo)準(zhǔn)化處理，借鑒土地利用/覆被分類方法[16]，將類型分為了：建設(shè)用地、耕地、林地、水體、草地、其他用地6個(gè)類型。數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)采用ArcGIS10。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化特征

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

從表1可以看出:（1）1996至2011年15 a間，土地利用結(jié)構(gòu)比和轉(zhuǎn)移幅度變化顯著，建設(shè)用地、耕地、林地、水體、草地和未利用地的結(jié)構(gòu)比由：8.0∶4.4∶24.1∶18.1∶12.2∶3.2變化到14.2∶36.6∶19.4∶16.1∶7.9∶5.9，由表1可以看出，建設(shè)用地變化最為突出，轉(zhuǎn)移輔助最大，其主要途徑是通過(guò)侵占耕地和林地；（2）林地總體減少，前5 a間有小幅增加，但2007年后的10 a均在減少，主要由于前期實(shí)施退耕和鼓勵(lì)發(fā)展楊樹(shù)主導(dǎo)的林業(yè)經(jīng)濟(jì)，但后期注重耕地保護(hù)和湖區(qū)生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致林地面積逐漸下降；（3）水體，草地呈小幅下降，耕地相對(duì)穩(wěn)定，主要由于湖區(qū)第一產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比保持穩(wěn)定，農(nóng)業(yè)GDP增加值占總GDP的比值一直維持在15%左右。因此，土地利用結(jié)構(gòu)變化結(jié)果反映了在這期間湖區(qū)退耕還林、退田還湖、耕地保護(hù)等政策的實(shí)施力度不足。

表1 1996－2011環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用類型空間變化Table 1 Space changes of land use types in Dongting lake from 1996 to 2011 km2

3.1.2 土地利用變化程度特征

表2分析了1996－2011年湖區(qū)的土地利用動(dòng)態(tài)變化情況，綜合來(lái)看，年均土地利用動(dòng)態(tài)度達(dá)到1.53，總體土地利用動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，導(dǎo)致綜合動(dòng)態(tài)變化的主要因素在于建設(shè)用地、耕地變化，從變化方向上來(lái)看，正向動(dòng)態(tài)以建設(shè)用地和耕地變化為主，林地為負(fù)向變化，水體和草地變化方向不平穩(wěn)，這主要由于湖區(qū)遙感解譯存在季節(jié)交替誤差，因此暫不考慮水體和草地的變化，但耕地和林地的動(dòng)態(tài)變化不存在上述誤差。因此，建設(shè)用地、耕地與林地的正負(fù)變化反映了湖區(qū)耕地與林地發(fā)展的失衡。自1999年《關(guān)于切實(shí)做好占補(bǔ)平衡的通知》的實(shí)施，要求建設(shè)用地占一補(bǔ)一，結(jié)合表1，湖區(qū)2001—2011年耕地面積由6 691 km2上升到6 991 km2，增加300 km2，而建設(shè)用地由1 833 km2上升至 2 373 km2，增加540 km2，占補(bǔ)相差達(dá)240 km2，湖區(qū)耕地占補(bǔ)失衡較為顯著。

表2 1996－2011年洞庭湖土地利用動(dòng)態(tài)變化Table 2 Land use dynamic change in Dongting Lake from 1996 to 2011

3.2 土地利用景觀效應(yīng)

3.2.1 土地類型景觀格局變化

圖2 環(huán)洞庭湖土地利用類型景觀格局特征Fig.2 Characteristics of landscape pattern in land use types in Dongting lake area

圖2反映了不同土地利用類型上景觀格局變化的時(shí)序特征，可以看出建設(shè)用地和耕地破碎度逐漸減少，整體景觀耕地占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，其次是林地和建設(shè)用地，破碎度先增加后減少，農(nóng)用地的Ppd，Ped，逐漸降低，片區(qū)農(nóng)業(yè)和城市擴(kuò)張使得建設(shè)用地Plpi、Shape增加，耕地類型有連片趨勢(shì)，耕地成為湖區(qū)的優(yōu)勢(shì)地類。Slsi除水體外均有減少，這因?yàn)樗w在土地利用過(guò)程中，部分被轉(zhuǎn)變成為耕地，如一些坑塘，養(yǎng)殖水面。區(qū)域的Siji和Contag有所降低，這主要由于區(qū)域上的草地的蔓延度的增強(qiáng)?？傮w上湖區(qū)景觀格局變化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展有直接關(guān)系，從經(jīng)濟(jì)模式上，在1996至2001期間，湖區(qū)的經(jīng)營(yíng)模式從粗放式經(jīng)營(yíng)逐步向集約化轉(zhuǎn)變，一方面來(lái)自于國(guó)家宏觀調(diào)控層面，如建設(shè)環(huán)洞庭湖經(jīng)濟(jì)區(qū)，另一方面湖區(qū)土地上的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)逐步向大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐漸向工業(yè)化轉(zhuǎn)變[18]。

3.2.2 總體景觀格局變化分析

圖3顯示了湖區(qū)整體水平上的土地景觀格局空間特征，從時(shí)序變化來(lái)看，由于地區(qū)土地開(kāi)發(fā)方式和自然環(huán)境差異，各地區(qū)變化有所不同，Contag、Plpi、Frac呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖3 環(huán)洞庭湖土地利用總體景觀格局水平變化特征Fig.3 The land use change characteristics of total landscape pattern in Dongting lake area

4 建議與優(yōu)化

4.1 合理城市化與生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展

通過(guò)對(duì)環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用變化和景觀效應(yīng)分析表明，湖區(qū)快速的城市化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展是影響湖區(qū)變化的主要影響因素，根據(jù)1996至2011年湖區(qū)城市化率和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)變化來(lái)看，見(jiàn)圖4，1996到2011年湖區(qū)GDP增長(zhǎng)迅速，地區(qū)GDP增長(zhǎng)達(dá)到20至30倍，伴隨經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，區(qū)域的土地破碎化程度和斑塊密度有所降低，原有零碎的用地類型逐漸聚集，受中心城市規(guī)劃布局影響，區(qū)域的最大板塊面積Plpi逐漸增加。同時(shí)城市的功能分區(qū)規(guī)劃使得土地景觀多樣性Shdi增大，土地類型的蔓延度Contag減少。湖區(qū)GDP增長(zhǎng)和城市化發(fā)展對(duì)土地利用景觀變化有直接的驅(qū)動(dòng)聯(lián)系，需重視合理城市化布局和功能分區(qū)。

4.2 優(yōu)化城市與農(nóng)村建設(shè)用地布局

圖4 環(huán)洞庭湖區(qū)GDP與城市化率年際變化（各縣）Fig.4 The changes of GDP and urbanization in Dongting lake area (Each county)

景觀格局的時(shí)序變化表明湖區(qū)局部地區(qū)生態(tài)穩(wěn)定性有所降低，平均分維數(shù)和蔓延度降低，主要表現(xiàn)在水體、林地和草地的土地類型上，作為湖區(qū)濕地的主要構(gòu)成部分，影響著湖區(qū)濕地功能的穩(wěn)定性[17]，合理湖區(qū)土地利用和濕地生態(tài)保護(hù)有重要意義。由于湖區(qū)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，耕地面積總體增長(zhǎng)較大，在城市化過(guò)程中過(guò)快的增長(zhǎng)導(dǎo)致湖區(qū)生態(tài)用地類型被占用，圖5顯示了湖區(qū)常德市中心城擴(kuò)展的歷程，表明中心城市布局的發(fā)展嚴(yán)重影響土地景觀多樣性，加大了生態(tài)承載力度，因而，在城市發(fā)展過(guò)程中，需要進(jìn)一步合理土地利用景觀的合理布局，適當(dāng)采用多中心布局，特定城市生態(tài)功能分區(qū)等措施，同時(shí)考慮土地生態(tài)效益，生態(tài)承載力，生態(tài)脆弱性等因素，以緩解生態(tài)環(huán)境壓力，促進(jìn)土地集約利用。

圖5 環(huán)洞庭湖區(qū)常德市市轄區(qū)城市化過(guò)程Fig.5 The urbanization process in Changde city of Dongting lake district

4.3 優(yōu)化農(nóng)田設(shè)施布局

土地利用變化顯示湖區(qū)耕地面積占整個(gè)湖區(qū)的近2/5，耕地是湖區(qū)主要土地景觀，在15 a間，增幅雖然只有6.2%，但面積達(dá)到2.2×105hm2，總量在所有類型面積上最高，因此合理湖區(qū)的農(nóng)業(yè)用地布局尤為重要。從湖區(qū)歷史發(fā)展上來(lái)看，自1997年，楊樹(shù)栽培在湖區(qū)逐漸興起，取代了一部分農(nóng)業(yè)，但占用了大量草地和耕地，盲目的種植已經(jīng)威脅到湖區(qū)的農(nóng)田和濕地景觀。且在2006年，隨著三峽工程的正式實(shí)施，湖區(qū)為解決自身農(nóng)業(yè)和城市用水問(wèn)題大力興建水庫(kù)，截至2012年湖區(qū)水庫(kù)和水壩數(shù)量較2006年數(shù)量多出50%，對(duì)湖區(qū)水資源和湖泊造成嚴(yán)重影響，因而，優(yōu)化農(nóng)田和農(nóng)業(yè)水利設(shè)施布局是面臨的重要問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比其他同緯度湖區(qū)的布局來(lái)看，見(jiàn)圖6，農(nóng)村居民點(diǎn)布局和農(nóng)田斑塊上可以看出，洞庭湖居民點(diǎn)多呈現(xiàn)條帶狀，農(nóng)田斑塊較為破碎；鄱陽(yáng)湖居民點(diǎn)多成團(tuán)聚體狀，田塊不規(guī)則；而五大湖區(qū)居民點(diǎn)多成點(diǎn)狀，形狀極為規(guī)則。因此，在農(nóng)業(yè)和農(nóng)村居民點(diǎn)布局上，中國(guó)式的農(nóng)業(yè)布局有待進(jìn)一步改進(jìn)，當(dāng)然這與我國(guó)目前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展有重要制約關(guān)系，但可以逐步正確引導(dǎo)土地向高效利用方向發(fā)展。

5 結(jié) 論

圖6 不同地區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)與農(nóng)業(yè)布局Fig.6 The rural residential and agricultural distribution in different areas

基于1996—2011年landsat TM遙感影像以及土地利用動(dòng)態(tài)變化和景觀指數(shù)模型對(duì)湖區(qū)土地利用和景觀效應(yīng)特征進(jìn)行了動(dòng)態(tài)變化和驅(qū)動(dòng)因素分析。湖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)上，建設(shè)用地增長(zhǎng)過(guò)快，土地利用結(jié)構(gòu)變化顯著，15 a間，建設(shè)用地增幅達(dá)78.7%，其中耕地和林地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移幅度較大。而耕地的增幅相比建設(shè)用地最小，僅6.2%，但面積總量較大，達(dá)到36 km2，反映了期間退耕還林、退田還湖、耕地保護(hù)力度不足等狀況；土地景觀格局變化上，湖區(qū)建設(shè)用地、耕地、林地景觀的破碎化程度均降低，但水體破碎化程度增加。整體上，景觀多樣性、蔓延度和分維度降低，反映出近年來(lái)湖區(qū)城市建設(shè)與農(nóng)業(yè)發(fā)展較為活躍，但土地利用生態(tài)多樣性有所降低，且東洞庭湖地區(qū)的退化程度較其他地區(qū)明顯，城市擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)湖區(qū)土地利用與景觀變化的影響明顯，景觀格局發(fā)生顯著變化；快速城市化和GDP增長(zhǎng)是湖區(qū)景觀變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，重視合理的中心城市規(guī)劃以及農(nóng)業(yè)用地規(guī)劃有助于提升湖區(qū)土地集約利用和生態(tài)環(huán)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

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016JJ4121）；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（16C1692）

胡文敏，講師，博士

李 毅，講師，博士，E-mail：yibsen@163.com

胡文敏，趙 京，何介南，等.近15年來(lái)環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用變化及其景觀效應(yīng)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017,37(12): 91-97.

[本文編校：文鳳鳴]