長(zhǎng)沙市土地利用景觀格局時(shí)空演變及驅(qū)動(dòng)因素研究

陳憲周，范正根，吳 巍

（江西師范大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，江西 南昌 330022）

0 引言

土地是人類(lèi)生存和發(fā)展所必需的基礎(chǔ)資源［1］，土地利用/覆被變化是人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與自然環(huán)境互相影響的重要體現(xiàn)［2-3］，反映了各土地利用類(lèi)型的時(shí)空變化特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，能夠總結(jié)出自然因素與人類(lèi)因素產(chǎn)生的影響規(guī)律，從而為政府的土地利用政策規(guī)劃提供決策參考［4］。景觀格局變化是指在一定時(shí)空范圍內(nèi)由于各類(lèi)景觀要素的改變而產(chǎn)生的景觀空間結(jié)構(gòu)的變化［5］，它是土地利用變化最直觀的表現(xiàn)形式，通過(guò)對(duì)景觀格局進(jìn)行分析可以有效反映土地利用變化的空間格局［6-7］。隨著我國(guó)工業(yè)化與城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各地在快速城市化的過(guò)程中用地需求持續(xù)增大，頻繁的土地開(kāi)發(fā)活動(dòng)必然對(duì)區(qū)域景觀格局產(chǎn)生影響，因此，將土地利用與景觀格局結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析能更加全面地把握區(qū)域土地資源的利用狀況，對(duì)加強(qiáng)土地資源的管理和保護(hù)具有重要的理論意義［8-9］。

目前，學(xué)者們針對(duì)土地利用景觀格局演變的研究主要從省域［10］、市域［11］、縣域［12］、城市群［13］、流域片區(qū)［14］等尺度展開(kāi)，研究對(duì)象也復(fù)雜多樣，既有針對(duì)單一土地利用類(lèi)型的研究［15］，也有針對(duì)區(qū)域所有土地利用類(lèi)型的綜合性研究［16］。在研究?jī)?nèi)容方面，既有針對(duì)引起土地利用景觀格局變化驅(qū)動(dòng)因素的研究［17-18］，也有預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用狀況情景模擬的研究［19-20］。但從整體來(lái)看，現(xiàn)有文獻(xiàn)選擇的研究區(qū)域大多集中在東部地區(qū)的發(fā)達(dá)城市［21］以及中西部某些特殊的水系流域［22］與生態(tài)區(qū)［23］，針對(duì)近些年快速崛起的中部尤其是長(zhǎng)江中游地區(qū)的節(jié)點(diǎn)城市進(jìn)行分析研究的較為缺乏。自2006年國(guó)家開(kāi)始實(shí)施中部崛起戰(zhàn)略后，借助水運(yùn)條件的便捷和承東啟西的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)江中游城市進(jìn)入了經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化高速推進(jìn)的階段，土地資源逐步被大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，原先的用地結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了巨大改變，人地矛盾、生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題也愈加凸顯。2018年5月11日中國(guó)共產(chǎn)黨湖南省第十一屆委員會(huì)第五次全體會(huì)議通過(guò)的《關(guān)于堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展深入實(shí)施長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略大力推動(dòng)湖南高質(zhì)量發(fā)展的決議》明確提出：長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶要以生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展為導(dǎo)向，推動(dòng)區(qū)域高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展。這對(duì)“三生空間”沖突逐年加劇的長(zhǎng)江中游城市提出了更高的土地規(guī)劃要求，因此，開(kāi)展對(duì)長(zhǎng)江中游城市土地利用景觀格局變化的研究，對(duì)指導(dǎo)中部城市土地資源合理分配、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。

長(zhǎng)沙市作為長(zhǎng)江中游地區(qū)的發(fā)達(dá)省會(huì)城市，承擔(dān)著引領(lǐng)中部崛起的重要任務(wù)，同時(shí)長(zhǎng)沙也是典型的國(guó)家森林城市，其境內(nèi)有諸如天際嶺國(guó)家森林公園、黑麋峰國(guó)家森林公園等重要的生態(tài)片區(qū)，此外，由于水熱充足且具有較好的糧食生產(chǎn)基礎(chǔ)，長(zhǎng)沙市還是國(guó)家重要的糧食生產(chǎn)基地。由此可以看出，長(zhǎng)沙市在發(fā)展過(guò)程中需要同時(shí)協(xié)調(diào)城市建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)保護(hù)等不同用地需求，這也使得其土地利用及景觀格局變化情況復(fù)雜且具有代表性。因此，本文選取長(zhǎng)沙市作為研究對(duì)象，對(duì)其2005—2020年間的土地利用變化過(guò)程和景觀格局演變特征進(jìn)行分析，探討土地利用變化與驅(qū)動(dòng)因素間的內(nèi)在聯(lián)系，以期為優(yōu)化長(zhǎng)沙市土地利用布局和后續(xù)土地管理工作提供有益借鑒。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)沙市位于我國(guó)東南部，湖南省東部偏北，湘江下游和長(zhǎng)瀏盆地西緣，是湖南省的省會(huì)城市，也是長(zhǎng)江中游城市群和長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶重要的節(jié)點(diǎn)城市，地域范圍為111°53′~ 114°15′E，27°51′~28°41′N(xiāo)。長(zhǎng)沙市轄6個(gè)區(qū)、1個(gè)縣、代管2個(gè)縣級(jí)市，其行政區(qū)劃圖如圖1所示。根據(jù)《長(zhǎng)沙市統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示，截至2020年末，全市總面積為11815.96 km2，常住人口數(shù)為1006.08萬(wàn)，地區(qū)生產(chǎn)總值為12142.52億元。長(zhǎng)沙市屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，境內(nèi)地貌類(lèi)型復(fù)雜多樣，東北、西北兩端山地環(huán)繞，中部為盆地平原，湘江由南向北貫穿中部，東南部多為丘陵，整體地勢(shì)南高北低。

圖1 長(zhǎng)沙市行政區(qū)劃圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)2005、2010、2015、2020年4期的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所（http://www.resdc.cn）提供的柵格數(shù)據(jù)（分辨率30 m×30 m），該數(shù)據(jù)是基于Landsat TM/ETM和Landsat 8 OLI衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)人工交互解譯獲得，解譯精度高于90%，符合研究要求。DEM數(shù)據(jù)(分辨率30 m×30 m)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)。本研究借助ArcGIS軟件，參考《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》(GB/T 21010—2017)與研究區(qū)的實(shí)際情況，先將原數(shù)據(jù)中研究區(qū)的土地利用類(lèi)型重新劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6個(gè)一級(jí)類(lèi)，再進(jìn)行投影變換、柵格轉(zhuǎn)面等預(yù)處理后，對(duì)各用地類(lèi)型的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用于后續(xù)相關(guān)指數(shù)的計(jì)算與時(shí)空變化過(guò)程的分析。驅(qū)動(dòng)因素分析使用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《長(zhǎng)沙統(tǒng)計(jì)年鑒》，政策文件數(shù)據(jù)來(lái)源于政府官方網(wǎng)站。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用動(dòng)態(tài)度指標(biāo)可以定量描述區(qū)域內(nèi)土地利用變化的速度，按分析對(duì)象的不同，其可分為單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度［24］。

（1）單一土地利用動(dòng)態(tài)度。單一土地利用動(dòng)態(tài)度是用于描述研究區(qū)某種土地利用類(lèi)型在一定時(shí)間范圍內(nèi)數(shù)量變化情況的指標(biāo)［25］，計(jì)算公式為：

式（1）中：K表示研究時(shí)段內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的單一土地利用動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別表示某種土地利用類(lèi)型在研究初期和研究末期的面積；T表示研究年限。

（2）綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。綜合土地利用動(dòng)態(tài)度是用于描述研究時(shí)段內(nèi)整體土地利用變化速度的指標(biāo)［26］，計(jì)算公式為：

式（2）中：Lc表示研究時(shí)段內(nèi)的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；△LUij表示研究時(shí)段內(nèi)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)榈趈類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積；LUi表示第i類(lèi)土地利用類(lèi)型在研究初期的面積；T表示研究年限。

2.2.2 土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以定量描述研究時(shí)段內(nèi)各土地利用類(lèi)型間相互轉(zhuǎn)移的方向和面積大小，明確研究初期的土地利用結(jié)構(gòu)和研究末期各用地類(lèi)型的構(gòu)成來(lái)源［27］，在土地利用變化相關(guān)研究中被廣泛采用，其具體數(shù)學(xué)形式如下：

式（3）中：Sij表示研究時(shí)段內(nèi)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型向第j類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化的面積；i表示轉(zhuǎn)化前的原土地利用類(lèi)型；j表示轉(zhuǎn)化后的土地利用類(lèi)型；n表示土地利用類(lèi)型的數(shù)量。

2.2.3 景觀格局演變分析 景觀格局指數(shù)主要由斑塊、類(lèi)型、景觀3個(gè)層級(jí)的分析指數(shù)構(gòu)成［28］，采用景觀格局指數(shù)法能高度濃縮景觀格局的信息，定量描述研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)組成與空間配置特征，更好地解釋景觀時(shí)空變化的趨勢(shì)和特點(diǎn)［29］。為全面準(zhǔn)確地對(duì)研究區(qū)景觀格局變化進(jìn)行分析，本研究在借鑒其他相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，分別從類(lèi)型水平和景觀水平上選取參數(shù)指標(biāo)，其中類(lèi)型水平指數(shù)方面選擇了斑塊數(shù)目(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、斑塊結(jié)合度(COHESION)、景觀分離度(DIVISION)；在景觀水平指數(shù)方面選擇了斑塊密度(PD)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)。上述指標(biāo)借助Fragstats 4.2軟件對(duì)研究區(qū)各期土地利用分類(lèi)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算獲得。

2.2.4 主成分分析法 由于對(duì)土地利用產(chǎn)生影響的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子較多，且各因子間的相關(guān)性較強(qiáng)，為了揭示各變量間的相互作用關(guān)系，獲得影響土地利用的主要驅(qū)動(dòng)因子，本研究采用主成分分析法(PCA)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行分析。主成分分析法是一種基于降維思想的多變量分析方法，采用該方法可以通過(guò)線(xiàn)性變換將多個(gè)變量指標(biāo)壓縮為少數(shù)幾個(gè)綜合性指標(biāo)，這幾個(gè)指標(biāo)不僅無(wú)關(guān)聯(lián)性且能夠反映多個(gè)原始變量的大部分信息［30-31］，簡(jiǎn)化了變量的分析過(guò)程。在結(jié)合其他研究成果的基礎(chǔ)上，本文利用SPSS 25軟件對(duì)長(zhǎng)沙市2005—2020年間的14項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體指標(biāo)為總?cè)丝?X1)、人均GDP(X2)、城鎮(zhèn)人口比重(X3)、農(nóng)村居民人均可支配收入(X4)、糧食總產(chǎn)量(X5)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值(X6)、林業(yè)產(chǎn)值(X7)、牧業(yè)產(chǎn)值(X8)、固定資產(chǎn)投資總額(X9)、地方財(cái)政收入(X10)、地方財(cái)政支出(X11)、第一產(chǎn)業(yè)占比(X12)、第二產(chǎn)業(yè)占比(X13)、第三產(chǎn)業(yè)占比(X14)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用面積變化及動(dòng)態(tài)度分析

根據(jù)長(zhǎng)沙市2005、2010、2015、2020年4期土地利用分類(lèi)結(jié)果（圖2）和各用地類(lèi)型面積與動(dòng)態(tài)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（表1~表2），可以發(fā)現(xiàn)耕地、林地、建設(shè)用地3種用地類(lèi)型面積最大，三者共同構(gòu)成了長(zhǎng)沙市主要的用地類(lèi)型，并且在城鎮(zhèn)化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)的背景下，建設(shè)用地正以侵占外圍耕地、林地的方式實(shí)現(xiàn)向外擴(kuò)張。

表1 2005—2020年長(zhǎng)沙市各土地利用類(lèi)型面積及其占比情況

表2 2005—2020年長(zhǎng)沙市各時(shí)段土地利用動(dòng)態(tài)度 %

圖2 2005—2020年長(zhǎng)沙市4期土地利用分類(lèi)圖

總體來(lái)看，2005—2020年各地類(lèi)整體年變化速率為0.30%，3個(gè)研究時(shí)段的動(dòng)態(tài)度呈先減少后增加的變化趨勢(shì)，其中2005—2010年時(shí)段內(nèi)綜合動(dòng)態(tài)度達(dá)到最大峰值，為0.45%，說(shuō)明該時(shí)段長(zhǎng)沙市各地類(lèi)間的轉(zhuǎn)化最為劇烈，而2010—2015時(shí)段綜合動(dòng)態(tài)度最小，為0.20%，說(shuō)明該時(shí)段各用地類(lèi)型變化波動(dòng)較為平緩，整體變化速度相對(duì)緩慢。

從單個(gè)用地類(lèi)型看，林地是研究區(qū)覆蓋面積最大的單一土地利用類(lèi)型，其主要分布在長(zhǎng)沙市東部的瀏陽(yáng)市和西部的寧鄉(xiāng)市域內(nèi)，2005—2020年間林地面積由7333.10 km2減少至7120.85 km2，面積占比由62.02%下降至60.23%，呈逐年遞減的趨勢(shì)，其中2005—2010年時(shí)段減速最快，年均減少21.43 km2，動(dòng)態(tài)度為-0.29%。耕地分布在西南、中部和東北區(qū)域，范圍跨度較大，其面積由2005年的3688.51 km2減少至2020年的3378.20 km2，面積占比由31.20%下降至28.57%，也呈逐年遞減的趨勢(shì)，是研究時(shí)段內(nèi)面積減少量最大的用地類(lèi)型，2005—2010年耕地面積減少的幅度最大，年均減少量達(dá)31.50 km2，動(dòng)態(tài)度為-0.85%。

建設(shè)用地主要聚集于中部的開(kāi)福區(qū)、芙蓉區(qū)等中心城區(qū)和西北、東部各縣城區(qū)，這些區(qū)域的地形多為崗地、平原，地勢(shì)較為平緩，為建設(shè)開(kāi)發(fā)提供了優(yōu)越的地理?xiàng)l件。2005—2020年間，建設(shè)用地總面積由403.70 km2增長(zhǎng)至925.07 km2，面積占比由3.41%上升至7.82%，年均增長(zhǎng)量為34.76 km2，動(dòng)態(tài)度為8.61%，是增長(zhǎng)速度最快的用地類(lèi)型，表明15 a間長(zhǎng)沙市建設(shè)空間開(kāi)發(fā)成效明顯，城鎮(zhèn)化建設(shè)取得較大進(jìn)展。未利用地主要以碎片化的小地塊形式散布在整個(gè)市域內(nèi)，其面積占比自2010年后一直穩(wěn)定在0.06%，規(guī)模較小。但在動(dòng)態(tài)度方面，未利用地動(dòng)態(tài)度達(dá)到7.05%，其中2005—2010年變化速率最快，動(dòng)態(tài)度高達(dá)27.88%，這主要是因?yàn)樵摃r(shí)段建設(shè)用地在過(guò)快擴(kuò)張的過(guò)程中產(chǎn)生了部分?jǐn)R置地以及大批農(nóng)民進(jìn)城務(wù)工，耕地拋荒現(xiàn)象頻發(fā)，部分耕地退化導(dǎo)致未利用地面積迅速增加。水域分布在中部湘江及其支流流域，草地零散鑲嵌于其他地類(lèi)中，兩者面積變化量較小，各階段動(dòng)態(tài)度波動(dòng)較為平緩，無(wú)明顯變化特征。

3.2 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化特征分析

通過(guò)土地利用類(lèi)型變化分布圖（圖3）和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表3）可以發(fā)現(xiàn)，研究時(shí)段內(nèi)耕地、林地、建設(shè)用地這3類(lèi)用地間的轉(zhuǎn)變最為突出，且主要呈現(xiàn)林、耕地多轉(zhuǎn)出，建設(shè)用地多轉(zhuǎn)入的變化態(tài)勢(shì)。

表3 2005—2020年長(zhǎng)沙市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

圖3 2005—2020年長(zhǎng)沙市林地、耕地、建設(shè)用地變化分布圖

建設(shè)用地主要以老城區(qū)為中心呈輻射狀向外延伸擴(kuò)展，其主要轉(zhuǎn)入來(lái)源為耕地和林地，轉(zhuǎn)入量呈先減少后增加的趨勢(shì)，其中2005—2010年轉(zhuǎn)入規(guī)模最大，達(dá)到292.27 km2，說(shuō)明該期間長(zhǎng)沙市在開(kāi)拓建設(shè)空間，擴(kuò)大城市規(guī)模的過(guò)程中侵占了周邊大量的耕地和林地，導(dǎo)致兩者面積總量明顯減少，這與長(zhǎng)沙市建設(shè)大河西先導(dǎo)區(qū)、構(gòu)建“一城雙心”城市格局、打造高新科技產(chǎn)業(yè)新城的政策引導(dǎo)密切相關(guān)。

耕地的轉(zhuǎn)出對(duì)象主要為建設(shè)用地和林地，分別在3個(gè)研究時(shí)段向這2種土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)出216.41、115.72、255.10 km2，向建設(shè)用地轉(zhuǎn)出的區(qū)域多集中在寧鄉(xiāng)市等舊縣城區(qū)與岳麓區(qū)、雨花區(qū)等中心城區(qū)的邊緣，易受到城市建設(shè)用地開(kāi)發(fā)工程的影響；向林地轉(zhuǎn)出的區(qū)域主要分布在森林生態(tài)保護(hù)區(qū)與原農(nóng)田的邊緣交界處，這是由于政府對(duì)侵占林區(qū)違法開(kāi)墾的農(nóng)田進(jìn)行退耕還林，使得生態(tài)區(qū)周邊的耕地重新恢復(fù)為林地屬性。而耕地的轉(zhuǎn)入來(lái)源主要為林地、建設(shè)用地和水域，3個(gè)時(shí)段的轉(zhuǎn)入總面積分別為78.23、53.61、185.27 km2，其中2015—2020年間耕地轉(zhuǎn)入面積較上2個(gè)時(shí)段明顯提升，但轉(zhuǎn)入量仍遠(yuǎn)小于土地轉(zhuǎn)出量。

林地主要向耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，其中向耕地共轉(zhuǎn)出246.33 km2，轉(zhuǎn)出區(qū)域主要分布在原有耕地附近；向建設(shè)用地共轉(zhuǎn)出260.58 km2，轉(zhuǎn)出區(qū)域主要為與各城區(qū)相鄰的外圍林地。林地的轉(zhuǎn)入來(lái)源主要為耕地，年均轉(zhuǎn)入面積呈先減小后增大的趨勢(shì)，3個(gè)時(shí)段共轉(zhuǎn)入325.37 km2，但仍遠(yuǎn)小于其轉(zhuǎn)出土地的總面積，這表明林地被侵占的勢(shì)頭雖有所改善，但總體仍處于萎縮狀態(tài)。

3.3 景觀格局指數(shù)分析

基于Fragstats 4.2軟件進(jìn)行景觀格局指數(shù)分析，得到斑塊類(lèi)型級(jí)別的指數(shù)變化統(tǒng)計(jì)圖（圖4）與景觀級(jí)別的指數(shù)統(tǒng)計(jì)表（表4）。通過(guò)對(duì)斑塊類(lèi)型水平的變化進(jìn)行分析可以從微觀層面掌握不同類(lèi)型斑塊的演變特征，而通過(guò)對(duì)景觀水平的變化進(jìn)行分析可以從宏觀層面掌握整個(gè)研究區(qū)的景觀格局變化狀況。

表4 2005—2020年長(zhǎng)沙市景觀水平指數(shù)

圖4 2005—2020年長(zhǎng)沙市斑塊類(lèi)型水平指數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.3.1 斑塊類(lèi)型水平變化特征 根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：林地的邊緣密度在2005—2020年3個(gè)研究時(shí)段的變化幅度較小，數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定，而斑塊數(shù)量和斑塊密度則呈現(xiàn)先遞增后保持不變的趨勢(shì)，分離度指數(shù)從0.9352略微增加至0.9389，說(shuō)明在2005—2020年間林地總體上零散斑塊數(shù)量增多，景觀破碎度沒(méi)有發(fā)生明顯改善。此外，林地在各研究時(shí)段的最大斑塊指數(shù)最大，這表明長(zhǎng)沙市內(nèi)仍有規(guī)模較大的完整林地，這主要?dú)w功于政府對(duì)生態(tài)區(qū)保護(hù)力度的加強(qiáng)，阻止了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)部分連片優(yōu)質(zhì)生態(tài)區(qū)的干擾影響。

耕地的斑塊數(shù)量和斑塊密度在3個(gè)研究時(shí)段呈先遞增后略微下降的趨勢(shì)，最大斑塊指數(shù)和斑塊結(jié)合度呈遞減趨勢(shì)，分離度指數(shù)由研究初期的0.9870上升至末期的0.9975，這表明耕地的景觀破碎化程度加劇，零碎小斑塊比例增大，大面積連片耕地的完整性遭到破壞。這主要是由于建設(shè)用地的持續(xù)擴(kuò)張使周邊耕地被用于開(kāi)發(fā)建設(shè)，交通路網(wǎng)向外大規(guī)模延展使得遠(yuǎn)郊農(nóng)田被道路切割的程度加大，連片耕地被細(xì)分為多個(gè)小地塊，碎片化分布的傾向加重。

建設(shè)用地的邊緣密度在研究時(shí)段呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，表明其景觀優(yōu)勢(shì)度持續(xù)上升，對(duì)周邊其他景觀類(lèi)型的干擾程度加深，斑塊數(shù)量和斑塊密度均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，最大斑塊指數(shù)和斑塊結(jié)合度指數(shù)呈遞增趨勢(shì)，分離度指數(shù)呈逐年遞減，說(shuō)明城市建設(shè)用地正向集中連片趨勢(shì)發(fā)展，零散小地塊正在逐步連接形成更大面積的完整斑塊。

草地和水域的邊緣密度處于小幅波動(dòng)狀態(tài)，斑塊數(shù)量、最大斑塊指數(shù)和斑塊結(jié)合度等指標(biāo)均未出現(xiàn)明顯變化，這表明草地和水域的斑塊變化較為平穩(wěn)，景觀穩(wěn)定性較好。未利用地的斑塊數(shù)量、最大斑塊指數(shù)等景觀指標(biāo)數(shù)值較小，在6類(lèi)用地類(lèi)型中均為最低，說(shuō)明未利用地在長(zhǎng)沙市的景觀格局構(gòu)成中產(chǎn)生的影響作用極其有限，其綜合景觀效應(yīng)基本可以忽略。

3.3.2 景觀水平格局變化特征 從長(zhǎng)沙市整體景觀水平變化情況來(lái)看，斑塊密度由2005年的0.4756增長(zhǎng)至2020年的0.5997，呈先遞增后保持穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，說(shuō)明了研究區(qū)的斑塊數(shù)量在2005—2020年間增長(zhǎng)明顯，各斑塊分布的離散程度加深。景觀的蔓延度指數(shù)呈遞減趨勢(shì)，由2005年的69.0052下降至2020年的66.2319，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)景觀斑塊的連接度降低，多種景觀要素呈散布格局，景觀破碎度加劇。香農(nóng)多樣性指數(shù)與香農(nóng)均勻度指數(shù)均呈遞增趨勢(shì)，表明景觀類(lèi)型的多樣性逐漸增強(qiáng)，同時(shí)其分布更加趨向均勻化和均衡化，產(chǎn)生這種變化主要是因?yàn)榻ㄔO(shè)用地對(duì)林地、耕地等其他地類(lèi)進(jìn)行侵占轉(zhuǎn)化，破壞了原有的優(yōu)勢(shì)自然景觀，削弱了不同土地景觀間的連接性，加深了整體景觀的破碎化程度，區(qū)域內(nèi)景觀類(lèi)型的表現(xiàn)也因此更趨于多樣化。

3.4 驅(qū)動(dòng)因素分析

土地利用變化是一個(gè)受自然環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)共同作用的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，隨著各地城鎮(zhèn)化、工業(yè)化水平的快速提升，人類(lèi)干擾作用的影響比重已明顯超過(guò)自然約束。因此，本研究從自然因素和人為因素兩大宏觀層面入手，結(jié)合自然地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、政策規(guī)劃3個(gè)方面的細(xì)化因素探討長(zhǎng)沙市土地利用景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制（圖5）。

圖5 長(zhǎng)沙市土地利用景觀格局驅(qū)動(dòng)機(jī)制

3.4.1 自然地形因素 自然地貌是決定土地利用和城市開(kāi)發(fā)方式的重要因素之一，尤其是坡度直接影響農(nóng)田建設(shè)選址、農(nóng)林牧業(yè)的開(kāi)發(fā)適宜性。因此，本研究基于GIS軟件與DEM高程數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)沙市境內(nèi)地形進(jìn)行坡度分析，將研究區(qū)的坡度劃分為6個(gè)類(lèi)別（表5），并以長(zhǎng)沙市2020年的土地利用分類(lèi)數(shù)據(jù)為樣例，分別統(tǒng)計(jì)不同坡度范圍下各土地利用類(lèi)型的面積占比情況。由表5可知，隨著坡度的增大，林地和草地的面積占比均呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì)，而建設(shè)用地、耕地、水域3種土地利用類(lèi)型的面積占比均呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。林地面積在0°~5°的坡度范圍占比為32.63%，而當(dāng)坡度達(dá)到20°~25°時(shí)，其占比則上升至92.10%；耕地面積在0°~5°的坡度范圍占比為50.16%，而當(dāng)坡度大于15°時(shí)，其占比則下降至10.00%以下，這與其他研究［32］所總結(jié)的“坡度15°以下地形適合耕地開(kāi)墾，25°為農(nóng)田開(kāi)發(fā)限制坡度，25°以上坡地適合從事林業(yè)、畜牧業(yè)生產(chǎn)”的結(jié)論相吻合。

表5 2020年長(zhǎng)沙市不同坡度下各用地類(lèi)型面積占比

建設(shè)用地、耕地主要分布在0°~10°坡度范圍，這些坡度范圍的土地主要為盆地平原、崗地、山間的谷地，其地形較為平坦，適合城市建設(shè)與農(nóng)業(yè)發(fā)展。耕地、林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的區(qū)域主要在城區(qū)東西兩側(cè)坡度為0°~15°的平原地段和10°~15°的丘陵地帶，連片平緩的地形降低了土地開(kāi)發(fā)難度與成本，便于城市進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)展，因而政府和開(kāi)發(fā)商具有極大動(dòng)力對(duì)外圍其他用地進(jìn)行征收轉(zhuǎn)化；耕地轉(zhuǎn)化為林地的區(qū)域主要在兩者交界處的10°~20°坡度范圍，這些坡地更適宜用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)，但由于耕地的過(guò)度開(kāi)墾已對(duì)生態(tài)平衡造成了嚴(yán)重破壞，致使政府對(duì)大量生態(tài)區(qū)周邊的違規(guī)農(nóng)田進(jìn)行土地整治，推動(dòng)了耕地向林地的轉(zhuǎn)化。

另外，長(zhǎng)沙市是典型的跨江城市，湘江自南向北穿過(guò)中心城區(qū)，形成“一江兩岸”的城市布局，江流的阻隔使得城區(qū)中部的建設(shè)用地只能沿江岸縱向擴(kuò)張，促使兩岸邊的耕地、林地被大規(guī)模轉(zhuǎn)化，形成市區(qū)建設(shè)用地“十字形”分布的空間形態(tài)。

3.4.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素 經(jīng)濟(jì)、人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素對(duì)一個(gè)地區(qū)的土地利用變化起著重要的主導(dǎo)作用，人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)往往能在短期內(nèi)迅速改變土地利用結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)整各地類(lèi)間的轉(zhuǎn)化方向。結(jié)合其他土地利用變化相關(guān)的研究成果［33-35］，本文選取了總?cè)丝?、人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)占比等14個(gè)社會(huì)因子指標(biāo)，收集了2005—2020年長(zhǎng)沙市相關(guān)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并通過(guò)SPSS軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了主成分分析，研究影響土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果中主成分特征值和累積貢獻(xiàn)率的數(shù)值大小確定主成分個(gè)數(shù)，選取特征值大于1的成分進(jìn)行分析，共得到2個(gè)符合要求的成分。由表6可知：第1主成分和第2主成分的特征值分別為10.645、2.203，對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別為76.035%、15.732%，兩者的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到91.767%，這表明第1、第2主成分已經(jīng)能充分代表研究區(qū)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，為了便于對(duì)主成分進(jìn)行解釋?zhuān)捎米畲蠓讲罘▽?duì)成分荷載矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理，結(jié)果如表7所示。從旋轉(zhuǎn)后的矩陣結(jié)果可以看出，總?cè)丝?、人均GDP、農(nóng)村居民人均可支配收入、固定資產(chǎn)投資總額、地方財(cái)政收入與第1主成分呈顯著的正向相關(guān)性，且均為經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的相關(guān)指標(biāo)，這說(shuō)明長(zhǎng)沙市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r是該市土地利用變化的重要驅(qū)動(dòng)因素之一；第三產(chǎn)業(yè)占比與第2主成分呈顯著的正相關(guān)，第二產(chǎn)業(yè)占比和牧業(yè)產(chǎn)值與第2主成分呈負(fù)相關(guān)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和林業(yè)產(chǎn)值與第2主成分呈正相關(guān)，這些指標(biāo)均與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相關(guān)，說(shuō)明長(zhǎng)沙市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整對(duì)土地利用變化也具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)作用。綜上所述，2005—2020年長(zhǎng)沙市土地利用變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力主要為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、人口數(shù)量增長(zhǎng)與城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。

表6 主成分特征值和貢獻(xiàn)率

表7 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

3.4.3 政策規(guī)劃因素 土地相關(guān)政策與城市發(fā)展規(guī)劃對(duì)一個(gè)區(qū)域的土地利用方式起著重要的引導(dǎo)和約束作用。《長(zhǎng)沙市城市總體規(guī)劃(2003—2020年)》中明確提出：構(gòu)建“一主兩次五組團(tuán)”的城市空間結(jié)構(gòu)，而2005—2020年間建設(shè)用地的新擴(kuò)展區(qū)域與“五組團(tuán)”的劃定區(qū)域相一致，說(shuō)明城市規(guī)劃對(duì)建設(shè)用地的擴(kuò)張方向和空間布局具有較強(qiáng)的限制作用。同時(shí)，由于湘江的阻隔，市區(qū)兩岸間人口和生產(chǎn)要素的相互流動(dòng)被極大抑制，為此，2007年長(zhǎng)沙市政府作出跨江建設(shè)河西新區(qū)的戰(zhàn)略部署，大力推進(jìn)高新產(chǎn)業(yè)投資，有效推動(dòng)福元路大橋、營(yíng)盤(pán)路隧道等過(guò)江通道工程建設(shè)。跨江交通基礎(chǔ)設(shè)施的完善降低了兩岸運(yùn)輸成本，增強(qiáng)了濱江區(qū)域的可達(dá)性，高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的建設(shè)促進(jìn)了人口遷移，帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增大了城市對(duì)建設(shè)用地的需求量，促使政府與開(kāi)發(fā)商對(duì)周邊土地進(jìn)行大規(guī)模的轉(zhuǎn)化開(kāi)發(fā)。2013年長(zhǎng)沙市政府又出臺(tái)了《長(zhǎng)沙市建設(shè)用地節(jié)約集約利用考核辦法》，遏制了建設(shè)用地低效利用和無(wú)序擴(kuò)張趨勢(shì)，建設(shè)用地?cái)U(kuò)展速率開(kāi)始放緩，這與其單一動(dòng)態(tài)度從2005—2010年的13.08%降至2010—2015年的3.46%的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，表明區(qū)域政策對(duì)建設(shè)用地與其他地類(lèi)間的轉(zhuǎn)化狀況具有明顯的宏觀調(diào)控作用。在耕地方面，長(zhǎng)沙市政府通過(guò)加強(qiáng)對(duì)耕地的監(jiān)管力度，強(qiáng)化耕地占補(bǔ)平衡，并在2010年出臺(tái)的《長(zhǎng)沙市農(nóng)村土地綜合整治試行辦法》和2018年公布的《長(zhǎng)沙市國(guó)土資源局關(guān)于規(guī)范和改進(jìn)農(nóng)村宅基地管理的實(shí)施意見(jiàn)》中強(qiáng)調(diào)集中連片推進(jìn)土地平整，推動(dòng)農(nóng)村空閑宅基地復(fù)墾，增加有效耕地面積，因此2010—2020年間耕地轉(zhuǎn)入面積呈上升趨勢(shì)。另外，為恢復(fù)被開(kāi)墾破壞的生態(tài)林地，政府也實(shí)行了一系列退耕還林和生態(tài)修復(fù)政策，嚴(yán)格禁止耕地對(duì)林地違法侵占，這與轉(zhuǎn)入林地的區(qū)域主要為生態(tài)區(qū)周邊耕地的情況相一致，說(shuō)明政策因素是用地類(lèi)型轉(zhuǎn)變的重要驅(qū)動(dòng)因素之一。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本研究基于2005—2020年長(zhǎng)沙市4期土地利用分類(lèi)結(jié)果與相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合地理學(xué)、生態(tài)學(xué)分析方法對(duì)長(zhǎng)沙市土地利用與景觀格局的變化特征及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行探究，得出以下結(jié)論：

（1）長(zhǎng)沙市主要土地利用類(lèi)型為林地、耕地和建設(shè)用地。在2005—2020年間，林地、耕地總量持續(xù)減少，而建設(shè)用地以各縣城、市區(qū)為中心，呈輻射狀向外快速擴(kuò)展，規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。水域和草地面積變化較為平緩，而未利用地受耕地拋荒等因素的影響，單一動(dòng)態(tài)度達(dá)到7.05%，是變化速率最快的用地類(lèi)型。

（2）在土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化方面主要以耕地、林地、建設(shè)用地這3類(lèi)用地類(lèi)型間的轉(zhuǎn)化為主，且主要呈現(xiàn)林地、耕地多轉(zhuǎn)出，建設(shè)用地多轉(zhuǎn)入的變化態(tài)勢(shì)。耕地和林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)出的區(qū)域主要集中在各縣舊城區(qū)和中心城區(qū)的邊緣地帶，這是由于長(zhǎng)沙市在開(kāi)拓城市建設(shè)空間過(guò)程中侵占了周邊大量的耕地、林地導(dǎo)致的。耕地轉(zhuǎn)為林地的區(qū)域多為生態(tài)區(qū)周邊兩者交界的地帶，說(shuō)明近年來(lái)生態(tài)修復(fù)、退耕還林政策的實(shí)施效果顯著。

（3）在景觀格局方面，林地有連片且規(guī)模較大的完整斑塊，但其景觀破碎度未得到改善；耕地最大斑塊指數(shù)減小，分離度指數(shù)增大，景觀破碎化程度加??；建設(shè)用地景觀優(yōu)勢(shì)度上升，斑塊正朝集中連片趨勢(shì)發(fā)展；水域、草地、未利用地斑塊變化較為平穩(wěn)，景觀穩(wěn)定性較好。整體來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)景觀斑塊的連接度降低，景觀類(lèi)型的多樣性增強(qiáng)，多種景觀要素呈散布格局，景觀破碎程度加劇。

（4）長(zhǎng)沙市土地利用和景觀格局演變的主要驅(qū)動(dòng)因素為自然地形因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和政策規(guī)劃因素。自然地貌決定城市開(kāi)發(fā)方式，影響農(nóng)作物栽培與植被生長(zhǎng)的空間分布，人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整能在短期內(nèi)改變土地利用結(jié)構(gòu)，影響地類(lèi)轉(zhuǎn)化方向，而土地相關(guān)政策與城市發(fā)展規(guī)劃能對(duì)整個(gè)區(qū)域的土地利用方式進(jìn)行引導(dǎo)和約束。

4.2 建議

長(zhǎng)沙市作為長(zhǎng)江中游區(qū)域的經(jīng)濟(jì)中心之一，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)肩負(fù)著較強(qiáng)的糧食生產(chǎn)與生態(tài)林區(qū)保護(hù)職能，相較于更偏向經(jīng)濟(jì)發(fā)展的下游城市而言，對(duì)其土地資源的分配有著更高的協(xié)調(diào)性需求。從研究結(jié)果來(lái)看，耕地、林地的面積逐年減少，而建設(shè)用地規(guī)模以較快的擴(kuò)展速率不斷擴(kuò)大，其景觀優(yōu)勢(shì)度的持續(xù)上升也反映出人類(lèi)的建設(shè)活動(dòng)對(duì)其他地類(lèi)的影響干擾程度加深，這顯然對(duì)長(zhǎng)沙市維持生態(tài)、產(chǎn)糧、建設(shè)三方平衡帶來(lái)了巨大風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)上述長(zhǎng)沙市土地利用景觀格局變化結(jié)果提出以下對(duì)策建議：

（1）借助當(dāng)下國(guó)土空間規(guī)劃的契機(jī)，以土地集約利用為導(dǎo)向，對(duì)城市各片區(qū)建設(shè)空間的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行合理優(yōu)化，通過(guò)“騰籠換鳥(niǎo)”的方式進(jìn)一步對(duì)市區(qū)內(nèi)的低效工業(yè)企業(yè)進(jìn)行遷出，引入具有高附加值的新興綠色產(chǎn)業(yè)，提高現(xiàn)有建設(shè)用地的利用效率和生態(tài)價(jià)值。

（2）加強(qiáng)對(duì)區(qū)域內(nèi)土地利用狀況的監(jiān)管力度，嚴(yán)格落實(shí)基本農(nóng)田與生態(tài)保護(hù)紅線(xiàn)，完善各片區(qū)土地資源承載力評(píng)估數(shù)據(jù)，提升城區(qū)內(nèi)部綠地覆蓋占比，確保在建設(shè)開(kāi)發(fā)的同時(shí)不破壞自然環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)與生物多樣性，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與綠色生態(tài)的有效融合。

（3）加大對(duì)農(nóng)村土地整治工程的投入，將城區(qū)周邊零散的耕地斑塊重新整合，發(fā)揮連片種植的優(yōu)勢(shì)，提升農(nóng)田作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收益，保障糧食生產(chǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。