長沙市城區土地利用變化過程與生態格局研究

?肖景峰，劉白楊，于 德，江 雪?

（湖南農業大學洞庭湖區農村生態系統健康湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128）

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長沙市城區土地利用變化過程與生態格局研究

肖景峰，劉白楊，于 德，江 雪

（湖南農業大學洞庭湖區農村生態系統健康湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128）

摘 要：以2007年和2013年兩期ETM+影像，并結合相關輔助信息，進行長沙市市區的土地利用空間格局變化研究。采用動態度、土地利用轉移矩陣等方法，揭示了長沙市城鎮區域生態環境格局特點與土地利用變化的過程，并對所研究的驅動力進行分析和探討。結果表明：耕地的減少和建設用地的增加是長沙市區土地利用變化的總體特征；礦產資源的分布影響長沙城市用地格局，城市建設用地擴展空間異性逐步增強；長沙市區土地利用格局和環境生態變遷的演化是由其自身的自然條件、生態環境變化、礦產資源分布、城市道路規劃、經濟因素限制等多種因素綜合作用的結果。

關鍵詞：土地利用變化；過程；格局；長沙

人類活動造成的土地利用與覆被變化是引起全球環境變化的關鍵因素之一[1]。土地可持續發展問題的重點是從整體和系統的觀察點來研究人地關系，這也是土地利用變化在全球環境變化研究中的一個核心組成部分[2-4]。近年來我國對城市區域土地利用變化和生態環境演變研究的重要區域分別體現在“集中區”[5-8]和“分散區”[9-12]。20世紀以來，隨著“人地”矛盾的日益突出，城區土地利用變化研究越來越受到國內外眾多學者的關注[13-15]。

長沙市是湖南省會城市，是湖南省的政治、經濟、文化樞紐和交通運輸中心，是中國南部地區及其內陸重要的交通運轉和航運中心，是著名的文化古城、星城之都、娛樂之都和綠色生態城市[11]。長沙地處我國內陸中部經貿發達區，經濟建設開發擴張迅速、城市化進程多樣化。2013年，長沙市在全國城市綜合競爭力排行位于全國中上，20世紀90年代以后，長沙城市用地加速擴展，城市用地功能轉換多樣化，城市空間格局演化顯著。因此，選取長沙市為典型案例，探討城區土地利用變化過程和生態格局，對于深化認識長沙城區土地利用變化規律和優化調整城區土地利用生態結構均有重要意義。

1 研究區域概況及數據來源與處理

1.1 研究區概況

長沙位于湖南省的東部偏北方向，靠近湘江的下游河段，靠近西部邊際方向的長瀏盆地，全市土地面積1.1819萬km2，其中城區面積2 185 km2，屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和，降水充沛。長沙礦產種類繁多，尤以非金屬礦獨具特色，目前已探明的礦產資源種類多達50余種，海泡石儲蓄總量位居全國首位，菊花石是全國獨一無二的礦產資源，現有大型礦床有10處，小型礦床16處，礦點超過300處。

自1996年4月22日國務院批準望城縣的霞凝鄉劃歸長沙市開福區管轄以來，望城縣各鄉鎮、街道相繼劃為長沙市市轄區，故研究以岳麓區、雨花區、天心區、芙蓉區、望城區（即望城縣）和開福區為主要研究區（圖1），研究其資源開發對長沙市土地利用的影響。

圖1　長沙市城區示意圖

1.2 數據來源與處理

以長沙市ETM+遙感影像為數據源，詳細數據信息見表1。城市城區和郊區的土地利用，兼有城市用地和鄉村用地的特點，因此其監測分類系統分為耕地、林地、草地或灌叢、水域、建設用地和其他用地6大類；社會經濟資料來源于同期《湖南省統計年鑒》。

表1　遙感影像數據信息

在ENVI 4.8中，對研究區影像進行拼接、裁剪，采用非監督分類與目視解譯的方法，得到2007年（圖2）和2013年（圖3）長沙市城區土地利用分布圖，并對每一種土地類型進行統計。

2 研究方法

2.1 土地利用變化動態度分析

土地利用動態度[16-17]（P）指的是研究區域內一定時間內的一種土地利用變化類型數量的變化，其公式為：

式中，Ua、Ub是指研究初期及研究結尾某種土地利用變化類型的數量；T為某研究時段的年份。

2.2 土地利用變化強度分析

圖2　2007年長沙城區土地利用分布圖

圖3　2013長沙城區土地利用分布圖

土地變化強度[17-18]（I）是指用各個空間內每個單元的土地面積對它的年平均變化速度進行標準化數據處理，從而使不同的土地利用變化類型的速度具有可比性和權威性，其公式為：

式中，TUA是指研究區域內各單元土地的總面積，其他指標含義和公式（1）相同。

2.3 土地利用轉移矩陣法

土地利用轉移矩陣是定量表達土地利用變化的重要統計方法[19-20]，研究基于ENVI軟件的Change Detection Statistics功能對2007～2013年長沙市各土地類型之間的轉移變化進行分析。

3 結果分析

3.1 時間過程分析

以時間序列分析長沙主城區土地利用面積的動態變化。根據2007年土地利用分布圖（圖2）和2013年土地利用分布圖（圖3）統計數據和公式（1）、（2）計算的主城區變化土地面積與類型變化動態度（表2）可見，研究區2007～2013年間土地利用類型面積有很大的變化。

表2　長沙主城區土地利用類型面積變化（km2）

從表2可見，長沙市城區土地利用變化為：耕地、林地、水域、其他用地面積減少，建設用地、草地或灌叢面積增加。面積減少的地類中其他用地減少數量居首位，其次為林地，面積凈增的地類中，建設用地增加居首位，草地或灌叢用地次之，從變化幅度來看，主城區建設用地變化幅度最大；其次是耕地；其三是草地或灌叢；最小的是其他用地；其中農用耕地的大幅度減少和城市建設用地的明顯增加形成鮮明對比。

從表2可以分析長沙市城區土地利用類型面積變化。其中耕地面積減少了近1/4，并呈加速減少的態勢。從土地利用變化過程和長沙主城區土地利用類型面積變化（表2）看，2007～2013年耕地減少的速度很快，而建設用地則繼續增加，上升幅度加大。從2007年可以看出建設用地面積由原來的413.74 km2持續增加到2013年的535.309 2 km2。由表1可以看出，2007～2013年，城區建設用地繼續擴大變化面積，動態度為4.90%。林地變現出比較急速的減少態勢；水域呈緩慢下降趨勢，河流區域建設改變是水域緩慢下降的重要表現；其他用地的面積總量比較小，對水域面積的改變影響不大。而相對的對比林地，變化快速，變化的強度值主要在2.1%～2.3%之間浮動；水域變化在2007～2013年表現出較小幅度的減少，變化動態度分別為-4.76%和-2.52%，其后變化幅度明顯趨緩。從土地各利用類型的動態度可以看出，其他用地動態度最大，為-5.81%，這和其他用地在2007年基礎面積較小有比較大的原因；第二為建設用地、林地和耕地，這幾種土地利用類型的動態度相差不大，主要表現為林地和耕地向建設用地轉變，從而達到土地利用平衡的效果。

3.2 空間格局分析

將2007年和2013年的城區土地利用圖疊加，生成土地利用變化主類型圖（圖4），并借助空間分析模型，揭示土地利用變化的主要空間格局特征和統計各類型轉變面積。

圖4　2007～2013年建設用地空間格局變化

3.2.1 土地轉移面積分析 通過對長沙市各土地利用類型的轉變面積進行統計，得到2007～2013年長沙市土地利用移矩陣（表3）。

表3　2007～2013年土地利用轉移矩陣（km2）

由表3可以看出，2007～2013年建設用地增加了121.57 km2，其中主要是由耕地轉變而成，有137.35 km2，其次主要由草地/灌叢和林地轉變而來，分別有90.02 km2和45.45 km2，其他用地轉變的最少，這是因為其他用地位置較偏和利用價值不高，不適宜進行建設；林地減少了79.9 km2，其中主要是由草地或灌叢轉變而成，有65.41 km2，其次主要由耕地和水域轉變而來，分別有14.57 km2和6.90 km2，其他用地轉變的最少；草地或灌叢用地年增加了304.82km2，其中主要是由耕地轉變而成，有129.91 km2，其次主要是林地和建設用地轉變而來的，分別有95.8 km2和94.0 km2，其他用地轉變的最少；水域減少了20.37 km2，其中主要是轉變為了建設用地和耕地，有283.02 km2和137.35 km2，其次主要是轉變為了草地或灌叢，為90.02 km2，其他用地轉變最少；其他用地減少了15.05 km2，其中主要是轉變為了建設用地，有9.79 km2，其次主要是轉變為了草地或灌叢，為7.95 km2，水域轉變最少，因為地理原因和利用價值不高，不適合轉變。

3.2.2 城區土地空間格局分析 由研究區2007年和2013年城區土地利用分布疊加分析，得到建設用地空間轉變圖（圖4）、林地空間轉變圖（圖5）、耕地空間轉變圖（圖6）和草地空間轉變圖（圖7），由于其他用地和水域面積過小，面積轉入轉出不明顯，故在此沒有對其他用地和水域的空間變化格局進行分析。

圖5　2007～2013年林地空間格局變化

圖6　2007～2013年耕地空間格局變化

（1）由圖4建設用地空間格局變化看出，研究區不同類型用地重心在空間上有所分離，土地利用空間分異性很明顯。建設用地轉變為水域的范圍很小，幾乎沒有變化；建設用地轉變為林地主要集中在北部，其余分散在中部及城區邊緣地帶；建設用地轉變為其他用地的范圍幾乎看不見；建設用地轉草地的范圍也很小，集中分布在城區零散地帶；建設用地轉變為耕地的在沿江地帶比較明顯，這是因為靠近水源，便于耕地的灌溉。從布局上看，建設用地重心分布跟隨主城區分布，其他用地重心分布相對主城區較遠，位于研究區的西部地區，建設用地自身生態資源分布及其開發演變影響著城市城區的土地用地格局。

（2）從圖5林地空間格局變化看出，從不同類型用地重心變化軌跡看，林地轉變差別不大，在東北角和西南部沒有變化；林地轉建設用地繼續向西南方向偏移；林地轉水域和其他用地基本沒有變化；林地轉草地持續向西及東南方向偏移;林地轉耕地主要集中在西南邊緣。林地的空間格局變化主要受地域和自然環境的影響。

（3）從圖6耕地空間格局變化可以看出，耕地無變化的主要集中在北部，耕地的重心軌跡均表現為持續向南及東南偏移，耕地轉變為草地的變化比較明顯說明主城區對綠化建設對城市空間格局演變發揮了影響作用。

（4）從圖7草地空間格局變化可以看出，草地無變化的區域集中在城區的南部，即望城區，草地集中的區域離老城區較遠，也說明開發度沒有老城區明顯；草地轉變為建設用地主要分布在城區中部和沿江地帶，零散分布于東部邊緣地帶；草地轉變為林地凸顯在東北角，零散分布于西南地帶；草地轉變為其他用地分布不明顯；草地轉變為耕地主要分布在西南角和西北部的水域邊。

3.2.3 土地利用變化及趨勢 通過圖形直觀對比法將圖2與圖3進行對比分析，2007～2013年，城市建設用地主要呈現為在原有基礎上向外擴張的變化趨勢。具體而言，新增的城市用地在主城區南面經濟區演變成為高值中心，在東北部的高橋經濟區、西北部大河西經濟區、瀏陽河東南范圍形成諸多較為明顯的獨立斑塊；城市呈放射狀向西北、南、東北和東部擴展，以填充式的形態連接經濟區和城區；城市用地在東北和西部演化為兩個強極中心，高橋、河東、河西新區逐步與主城區連成一塊，城市土地整體的框架逐步展開，城市南部呈現出連片式發展的趨勢；城市建設用地在新城區中快速進展，形成了一個與以往老城區上不同的高值中心， “老城+新城”的雙中心演變格局成為了城市用地空間格局的主要體現。

對比圖2和圖3，以長沙市中心區的人民路和五一路交匯處為中心，2007年和2013年長沙城區土地利用分布圖看出，2007年城市主要向東南和東北方向發展。城市的用地發展形態呈現雙軸線的發展特征。2013年長沙主城區土地變化主要是由東北向北方向擴展，新增加的建設用地與主城區不像以往連綿成片。

圖7　2007～2013年草地空間格局變化

4 驅動力分析

長沙市城區土地利用格局及其演化是由很多因素綜合作用得出來的結果，期中因素包括自然條件、自然資源、經濟因素、城市規劃和交通等。

（1）城區土地利用空間格局形成與演化形成的最核心條件是自然條件。長沙城區北部和東北部有山地限制，北面受岳麓山分割和湘江阻礙，林地集中分布在西部偏南方向，所以研究區域的城市發展都存在不同程度的區域限制，特別明顯的區域是城區的西南以及西北方向。長沙地勢較為平坦，平原主要分布在城市的東邊和東南部，地勢低平，擁有比較好的地質條件，長沙城區土地利用逐漸向東邊和東北部蔓延伸展。而且，湘江將岳麓區和芙蓉區分開，湘江的攔截是變化的一個重要影響，因而城市向西部的開發伸展受到了強烈的影響，而拓展強勢表現為向南面伸展。

（2）土地利用空間格局的形塑作用主要體現在礦產資源的分布空間與地理區位上，其中礦產資源的生命周期對土地利用空間格局演變具有驅動作用。長期的礦產不斷開采會導致城區出現小面積地面塌陷，從而形成坡耕地、季節性積水區和年降水量過大造成的小時間段積水區。由上述幾個影響面，可以看出一是城區東部和東北部存在的積水塌陷區域越來越大；二是這個地帶逐漸變成阻礙城市擴展的敏感區域，城市用地沒有表現出向東北方向開發延伸。這也就表明了，長沙城區用地格局的形成是受礦產資源的分布和開發而影響的，在這個基礎上，從而加速了城區的空間異性。也使城區用地結構和空間格局得到進一步的優化。

（3）經濟因素也是城區土地利用結構演化的內在主導力量。由于城市化進程的加快和城市資源周期的產業轉型，從而使政府不斷進行優化配置，不斷調整用地結構與產業結構。城市市區工業占GDP比重由2007年的48.7%，下降為2013年的22. 12%;逐漸改變的也有第三產業比重，由2007年的40.7%，上升為2013年的68.9%。未利用地開始減少；重污染工業開始被可持續發展與環保工業取代，城市建設用地利用率開始提高；同時，現代服務業在城市的快速發展中也逐漸占據一角，工礦用地隨著生態化城市進程開始沒落在城市的熱點區，向城市邊緣和郊區經濟地帶延伸，城市土地用地格局不斷得到優化。

（4）城市總體規劃對于長沙城區的土地利用格局調整與生態演化有著重要的調控影響。21世紀以來，長沙對城市的規劃開始采用國外先進城市理念，推動大長沙觀念，展現出長沙獨特的城市魅力和區域中心功能，加快長沙以娛樂和中部經濟小強龍獨具一格的優勢發展經濟開發區和新型建設規劃區的建設，進而改變單一的城市用地。

（5）城市用地空間改變的關鍵推動力是城市交通牽引。湘江運河、京廣鐵路、使得長沙資源的拓展更加迅速有力，奠定了長沙早期城市發展最基礎的空間演變格局。1996年后，長沙擴大了城區主要干道、在原有道路基礎上拓展了人民路、五一路，然后修建了京珠、連長沙段和環城高速公路，同時也推動了城市高鐵線路系統的規劃建設，逐步形成了長株潭城際道路路線，通過107等國道為主要的對外交通通道和東西南北各設立的長途汽車站點等相銜接的大型綜合性城市立體交通網絡。通過這一系列的建設，在這一過程中，首先成為城區建設用地演變的活躍地帶的是三環線路，城區土地用地形式慢慢從原來的小圈點層拓展演變為放射形發展，城市立體結構框架被快速拉大。

5 結 論

（1）長沙市城區土地建設用地的快速增長和城區耕地面積的急劇減少是土地利用變化的總體特點。首先需要滿足城區土地用地急速拓展的狀態，其次又要改變原始的耕地濫用現狀，保護已有的耕地資源，這是土地利用決策需要重視與協調的一對必要矛盾。

（2）改革開放以來，隨著各大城市一體化進程的步伐加快，研究長沙城區土地利用用地和生態環境拓展的空間地域異性增強，呈現出獨立的斑塊狀、放射式填充區、老城區加新城區雙中心演化的階段性特征。

（3）從宏觀影響機理上看，長沙市本身的生態自然條件還是會持續影響土地利用的基本格局;而且礦產資源也會對土地利用格局形成特殊的機理和演變塑造，并且其推動作用將會持續影響該區域;城鄉一體化進程、工業高科技新城和新型現代化產業功能結構調整等因素對土地利用格局演變的特定內在主導作用是會繼續增強的，并且，城市空間的規劃合理化與利用是城區內土地用地演化和城區內空間結構調整中必不可缺的核心一環。

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（責任編輯：賀 藝）

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

作者簡介：肖景峰（1990-），男，湖南長沙市人，碩士研究生，主要從事生態經濟與管理方面的研究。

基金項目：國家社會科學基金項目（11BJY028）；國家科技支撐計劃項目（2012BAD14B17）

收稿日期：2015-12-03

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.015

中圖分類號：Q945.78

文獻標識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）01-0047-06