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基于強度分析與動態度模型的長株潭都市圈土地利用變化特征分析

2024-01-26 13:50鄧志位全斌謝紅群張海波
國土資源導刊 2023年4期
關鍵詞:強度分析土地利用變化

鄧志位 全斌 謝紅群 張海波

引用格式:鄧志位,全斌,謝紅群,等.基于強度分析與動態度模型的長株潭都市圈土地利用變化特征分析[J].國土資源導刊,2023,20(04):104-113.

Reference format:Deng Zhiwei,Quan Bin,Xie Hongqun,et al.Analysis of land use change characteristics in the Changsha-Zhuzhou-Xiangtan metropolitan area based on intensity analysis and dynamic degree model[J].Land & Resources Herald,2023,20(04):104-113.

摘 要:土地利用變化信息的測度是探索土地景觀動態特征及其趨勢和土地資源管理的重要基礎,但傳統的定量方法與思路尚未對用地類型動態轉換信息進行深入挖掘,難以系統提供多層次的過程理解。本研究基于地理信息系統(GIS)工具,采用強度分析與動態度模型,探討長株潭都市圈土地利用時空動態特征。結果表明,1980—2020年間,長株潭都市圈土地利用整體變化加速,其變化強度擴增16倍。建設用地的轉入與耕地的轉出表現為穩定的活躍。建設用地持續增加主要來源于耕地和林地。建設用地從林地處獲得較大面積,因此建設用地的面積穩定地趨向耕地,而穩定地避免林地。近40年來長株潭都市圈建設用地增長突出,致使生態、生產土地縮減明顯,該演化過程主要受社會經濟因素的驅動,未來該區應堅持生態優先、綠色發展的理念。此外,本研究闡釋了強度分析與其他量化手段的分析思想,可用于其他區域土地利用變化探測,以幫助決策者制定更有針對性的可持續土地管理策略。

關鍵詞:土地利用變化;強度分析;土地利用動態度;長株潭都市圈

中圖分類號:F301.24? ? ? ? 文獻標志碼:A? ? ? ? ? 文章編號:1672-5603(2023)01-104-10

Analysis of Land Use Change Characteristics in the Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area Based on Intensity Analysis and Dynamic Degree Model

Deng Zhiwei,Quan Bin,Xie Hongqun,Zhang Haibo

(College of Geography and Tourism, Hengyang Normal University, Hengyang Hunan 421002)

Abstract: The measurement of land use change information is an important foundation for exploring the dynamic characteristics and trends of land landscape and land resource management. However, traditional quantitative methods and approaches have not yet deeply explored the dynamic transformation information of land use types, making it difficult to provide a systematic understanding of multi-level processes. This study is based on geographic information system (GIS) tools and uses intensity analysis and dynamic degree models to explore the spatiotemporal dynamic characteristics of land use in the Changsha Zhuzhou Xiangtan metropolitan area. The results indicate that from 1980 to 2020, the overall land use change in the Changsha Zhuzhou Xiangtan metropolitan area accelerated, with a 16 times increase in intensity. The transfer of construction land and the transfer of cultivated land show stable and active behavior. The continuous increase in construction land mainly comes from cultivated land and forest land. Although construction land obtains a larger area from forest land, the increase in construction land steadily tends towards cultivated land, while steadily avoiding forest land. In the past 40 years, the growth of construction land in the Changsha Zhuzhou Xiangtan metropolitan area has been prominent, resulting in a significant reduction in ecological and production land. This evolutionary process is mainly driven by socio-economic factors. In the future, the area should adhere to ecological priority and green development. In addition, this study elucidates the analytical ideas of intensity analysis and other quantitative methods, which can be used for detecting land use changes in other regions to help decision-makers develop more targeted sustainable land management strategies.

Keywords: land use change; strength analysis; land use dynamic degree; Changsha- Zhuzhou-Xiangtan metropolitan area

0 引言

快速的城鎮化伴隨著社會經濟的蓬勃發展,同時也加快了地球表面土地利用演化進程[1]。土地利用變化作為反映人類活動對陸地表層系統作用的重要因素,被認為是導致全球環境變化的主要決定因素之一,對生態系統、全球生物地球化學循環、氣候變化和生物多樣性等產生重大影響[2]。同時,城市地區及其居民由于這些影響而面臨嚴重的風險??茖W評估土地利用變化時空動態有助于揭示人類活動與自然環境的交互機制[3]。

轉移矩陣作為表征土地變化信息常用的量化途徑,用于分析某一時段內土地利用類別之間的轉換規模差異[4]。然而,一方面傳統分析思路通常關注轉換規模大小,往往闡述規模較大的轉換過程,而忽視了規模較小的轉換信息單元。分析轉換規模思路固然直觀,但難以表達變化面積在所涉類別自身面積中的比率,致使未能有效描述用地類型動態變化的劇烈程度。另一方面,該方法應用多集中在對單一時期下不同土地利用類型的轉換過程以及轉入轉出狀況,缺乏對多個時段轉移矩陣信息進行整合并深入挖掘,導致無法提供更多的數值信息以供研究者分析連續多個時期形成的土地利用演化規律。這在一定程度上限制了對土地利用變化時序穩定性等特征的進一步理解。為此,Huang等[5]提出強度分析方法用于探測土地利用動態中哪些變化、轉換過程更為劇烈。目前,該方法已被廣泛應用于“三生”用地[6],流域景觀動態[7]、城鎮擴張[8]、草原沙漠化[9]等領域。

在2022年2月,長株潭都市圈發展規劃被國家批復同意,這意味著長株潭都市圈成為我國第四個國家級都市圈[10]。長株潭作為全國“資源節約型和環境友好型”社會典型示范區,近幾十年來,該區大量鄉村人口遷入城市,高強度的人類活動與土地利用開發引發了耕地流失、水資源短缺、空氣污染等系列問題[11]。一些學者在長株潭城市群、長沙中心城區尺度上開展了富有成效的土地變化相關研究[12],主要圍繞在生態系統服務評價[13]、土地利用模擬[14]、城市增長及其邊界劃設[15]、生態網絡構建[16]等方面。然而,在都市圈尺度上,開展長時間序列土地利用變化格局與過程的系統定量分析尚不多見。國家設立長株潭都市圈旨在加快未來長株潭一體化、同城化的步伐,這不可避免地會加速城鎮空間的增長,進而對當地生態環境承載帶來巨大壓力。鑒于此,本研究以最新規劃文本中長株潭都市圈為研究區,借助強度分析與動態度模型,探討1980—2020年間長株潭都市圈土地利用變化規模、強度以及穩定性特征,揭示該區城鎮擴張過程對土地景觀格局變化的影響機制,為該都市圈未來實現高質量發展和城市可持續發展提供參考依據。

1 研究區概況

長株潭都市圈地處111°53′32″~114°15′28″ E和27°13′31″~28°39′56″ N之間,位于湖南省中北部,作為長江中游城市群重要組成部分,是推動長江經濟帶協同發展的核心力量之一[10]。本研究以《長株潭都市圈發展規劃》(以下簡稱《規劃》)中所劃定的長株潭都市圈為研究區,包括長沙市全域、株洲市中心城區及醴陵市、湘潭市中心城區及韶山市和湘潭縣,面積1.89萬km2(圖1)。2021年,該區常住人口1 484萬,城鎮化率達到80.9%,經濟總量1.79萬億元,占全省經濟總量的40%[17]。此外,該區交通區位優勢凸顯,京廣、滬昆高鐵等多條交通路網交匯,基本構成“一縱一橫”交通網格局。

2 數據與方法

2.1 數據來源及處理

土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)。本研究采用5期土地利用數據,時間為1980、1990、2000、2010、2020年。該數據基于Landsat TM/ETM+/OLI多時相影像資料,通過人機交互解譯而成,空間分辨率30 m,解譯精度均在85%以上[18]。區域行政邊界、鐵路與公路等交通基礎設施、政府駐地數據來自國家基礎地理信息中心的全國地理信息資源目錄服務系統(http://www.webmap.cn/)。30 m分辨率DEM數據來自地理空間數據云中ASTER GDEM數據產品(http://www.gscloud.cn/)。土地利用分類參考最新修訂的《土地利用現狀分類》文件,并根據研究區實地調查,一級地類為耕地、林地、草地、水域和建設用地。

2.2 研究方法

2.2.1 強度分析

強度分析方法以轉移矩陣為基礎,由自上而下的間隔層、類別層和轉換層構成[19]。間隔層也被稱為“時間間隔層”,用于分析哪一時間間隔(時期)土地利用變化得相對快速或緩慢。用地類別層次是進一步解析某一時間間隔下哪些類別的增加(轉入)和減少(轉出)是相對活躍或沉寂的,而用地轉換層次則更深入地剖析其他地類轉換為某一特定地類是趨向或避免的。本研究采用該方法分析研究區土地利用動態的變化強度特征。圖2顯示了土地利用轉移矩陣的數學表達,其中J為用地類型總數;Ctij則表示t時段地類i轉換為地類j的面積規模,符號釋義下同。

時間間隔層次研究不同時段下的總體變化差異,計算不同時期的總體變化強度以及整個研究時段的平均變化強度,計算分別見公式(1)和公式(2)[12]。通過比較St與U的大小判斷不同時期總體變化快慢。若St > U,判斷該時期的變化是快速的;若St < U,判斷在t時段內的變化是緩慢的。

式中,St為t時段土地利用總體變化強度;U為t時段內St的平均強度;t為時段步長;T為整個研究時段長度,符號釋義下同。

類別層次研究各地類變化的差異,計算地類的轉出強度與轉入強度。通過比較Lti、Gtj和St的大小判斷地類的轉入、轉出是活躍或沉寂的,計算見公式(3)和公式(4)[12]。若Gtj > St,判斷類別j的轉入是活躍的;若Gtj < St,判斷類別j的轉入是沉寂的;對地類轉出的判斷亦同。

式中,Gtj為t時段地類j的轉入強度;Lti為t時段內地類i的轉出強度。

轉換層次研究其他地類轉換為某一地類時的轉換差異,計算其他地類轉換為某一地類的強度以及其他地類轉換為該地類的平均轉換強度,計算見公式(5)和公式(6)[12]。若Rtin > Wtn,判斷地類i趨向轉換為地類n,換言之,地類n是趨向從一種地類i處獲得增加;同理,若Rtin < Wtn,判斷地類i避免轉換為地類n。在該層次中,本研究的地類n選取了建設用地,旨在更進一步理解建設用地動態轉換過程。

式中,Rtin為t時段地類i轉換為特定地類n的轉換強度;Wtn為t時段其他地類轉換為特定地類n的平均轉換強度;地類n代表本研究中建設用地;Ctin為t時段地類i轉換為特定地類n的轉換規模面積。

2.2.2 動態度模型

動態度模型是測算土地利用/覆被變化劇烈程度的常用指標,可分為單一動態度與綜合動態度。單一動態度通常被用于描述不同地類在某一時段內的變化劇烈程度,見公式(7)[20]。綜合動態度旨在計算所有地類的總體變化劇烈程度,見公式(8)[20]。

式中,Ki為地類i的單一動態度值;Uib為地類i在t時段末的面積;Uia為地類i在t時段初的面積;LCt是t時段內所有地類的綜合動態度值;[LUij]為該時段內地類i的轉出面積;LUi代表地類i在該時段內初時的面積。

3 結果與分析

3.1土地利用結構特征

圖3顯示長株潭都市圈土地利用結構及其空間格局。從圖3可見,在1980—2020年間,長株潭都市圈土地利用類型面積最大為林地,耕地次之,兩者約占研究區域90%。這表明該區生態資源分布廣泛,擁有較好的資源稟賦。建設用地面積增長持續上升,占比從1980年的2.20%增加到7.52%;與之相反,耕地和林地從1980年的33.3%、61.5%縮減至2020年30.0%、59.3%。通過鷹眼放大觀察(圖4),可見湘潭市與醴陵市兩處建設用地迅速向外擴張與蔓延,不同程度地侵占周邊耕地與林地等生態資源,說明盡管建設用地初始時比重小,但其數量增長是該區最明顯的特征。

3.2 土地利用變化強度分析

3.2.1 土地利用變化時序分析

表1顯示了研究區四個時期土地利用總體變化的規模、強度以及動態度值。從表1可見,無論是變化規模、變化強度還是綜合動態度,都表現出上升趨勢。從變化強度可見,由于四個時期的變化強度都不等于整個研究時期的平均強度(0.26%),長株潭都市圈在1980—2020年間土地利用總體變化具有不穩定特征。值得注意的是,自2000年后,該區變化規模與強度出現突增,從1980—1990年的年均變化規模6.32 km2增加到2010—2020年的103.90 km2,說明前一個時期的總體變化相對于后一個時期是相對緩慢的。綜合動態度突增形勢基本與變化強度保持一致。

3.2.2 土地利用類別變化分析

表2和表3分別顯示1980—2000年與2000—2020年長株潭都市圈地類的年均變化規模、強度、單一動態度。從表2與表3可見,在1980—2020年間的4個時期,建設用地年均轉入面積分別為3.53 km2、7.55 km2、51.55 km2和46.78 km2,其轉入強度遠超平均強度,且在前3個時期呈現出遞增趨勢。此外,建設用地的轉出規模與強度均遠低于其轉入,進一步反映了建設用地處于相對活躍的數量增長狀態。與之相反,林地的轉入與轉出量較大,但由于林地的轉入與轉出強度在4個時期里均小于平均強度,因此表現為穩定沉寂。林地在整個研究期間轉出大于轉入,表現為凈減少。耕地的轉出強度始終大于轉入強度,并且由于耕地轉出強度始終大于平均強度,表現為穩定活躍,相反的是轉入強度一直小于平均強度,因此耕地轉入表現為穩定沉寂。耕地轉入規模出現逐漸增加的趨勢,這與自21世紀以來長株潭都市圈耕地占補平衡政策的有力執行和土地可持續發展的逐漸普及有關。水域表現為凈增加,其轉入與轉出強度均表現為穩定活躍。對于草地而言,除在2010—2020年間轉入強度小于平均強度以外,其余為大于平均強度,表現為活躍。

從單一動態度來看,在1980—2020年間,耕地與林地出現凈流失,呈現為負值,而建設用地與水域則表現出正值,反映建設用地與水域面積凈增加。建設用地第四個時期時動態度值相較于第一個時期擴大約5倍。值得注意的是,建設用地與耕地的動態度絕對值呈現“先增后降”趨勢,在2000—2010年達最大值9.17%、0.47%。在整個研究時段,草地的動態度值正負反復。

3.2.3基于建設用地增長的轉換過程分析

圖4顯示長株潭都市圈4個時期下其他地類轉換為建設用地的轉入規模與強度。從圖4左側的年均轉換規??梢?,在這4個時期耕地年均轉入建設用地面積分別為1.94 km2、4.00 km2、26.73 km2、24.93 km2,表現出“先升后降”的趨勢。由于耕地轉換強度大于均衡強度,耕地穩定地轉換為建設用地。相反,由于林地的轉換強度在4個時期都小于均衡強度,林地穩定地避免轉換為建設用地。但是,林地的轉換面積規模是巨大的,僅次于耕地,在這4個時期年均轉入建設用地面積分別為1.59 km2、3.11 km2、23.10 km2、20.84 km2。此外,草地穩定地避免轉換為建設用地。水域的轉換強度表明水域經歷了“輕微變化-劇烈變化-輕微變化”的轉換過程。某一地類轉入的均衡轉換強度可描述該地類擴張的劇烈程度。因此,該區建設用地的擴張均衡強度變化表現為先增加、后減少的狀態。

4 討論

4.1 量化土地利用/覆被動態信息

土地變化劇烈程度作為土地變化檢測和評價的重要信號之一,可以刻畫土地類別空間范圍動態過程和類別轉換的激烈程度[6]。多數關于遙感影像分類的土地利用變化探測的方法與指數,都能在不同程度上反映土地變化劇烈程度,譬如轉移矩陣、統計地類面積變化、單一與綜合土地利用動態度以及強度分析等。

轉移矩陣實質上是通過不同時期的土地利用地圖交互疊置,進而統計類別相互轉換面積數據而形成的特殊表格,可反映研究區內類別間轉換規模以及土地流向特征,為國內外廣泛采用[19]。此外,它也是馬爾科夫(Markov)模型計算地類轉移概率的重要基礎,有助于歷史趨勢情景下的土地變化預測分析。然而,一方面,轉移矩陣是以某一時段的表達形式出現,并不利于分析連續的不同時期下地類變化與轉移所形成的時序規律。另一方面,常見的一種思路是將類別間轉換規模作為變化劇烈程度的信號。例如,Zhang等[21]分析了衡陽市2010—2015年和2015—2018年土地利用轉移特征,發現林地流向建設用地規模最大。傳統的分析思路是聚焦轉換規模較大的動態信息,而對規模較小的轉換過程重視不足。直接利用轉換規模進行分析盡管直觀,但未能體現變化面積在所涉類別自身面積中的比率。相較于變化規模,變化強度(比率)更能體現變化劇烈程度[22]。若采用強度分析方法挖掘該研究中兩個時段的轉移矩陣結果,可發現耕地轉換為建設用地的劇烈程度遠比林地轉換為建設用地的大,且建設用地的增加穩定地避免林地。因此,大規模林地流向建設用地可解釋為林地的初始規模大,相比其他地類具備更大的可獲得性。

另一種量化思路是按類別統計凈變化面積以及凈變化大小占初始時間點所涉類別的大小,后者即為單一動態度的計算邏輯。單一動態度能表征地類凈變化的正負之分,即凈減少或凈增加,該指數未能同時體現在空間格局上同時發生的地類轉入(增加)與轉出(減少)。從圖5可見,在某一時段內,地類增加的部分與其初期的面積大小和空間分布并無直接聯系,卻構成其末期面積;換而言之,類別的減少面積必然是其初期面積的一部分。單一動態度在刻畫地類動態程度上存在對地類的分配變化的忽視。交換變化是指地類與其他地類在空間上發生區域的錯位,即相互轉化。因此,地類的總變化為區域A與B面積之和,凈變化為B與A面積之差,而總變化減去凈變化即為交換變化部分。

研究人員運用綜合動態度旨在比較分析區域內不同時期土地利用總體變化劇烈程度[20]。對比強度分析時間間隔層次公式(1)和綜合動態度公式(8)以及分析表1,不難發現公式(8)為公式(1)的一半。若觀察轉移矩陣,對角線上的元素即為某一時期內的不變區域,而其余部分應為動態區域。然而,綜合動態度在分母上為研究區面積的2倍,嘗試將地類的轉出轉入進行平均,這在一定程度上導致對區域內土地總體變化的低估。

強度分析作為一種定量分析框架,具有分層遞進式特征,可彌補傳統量化途徑的局限性,在間隔、類別和轉換層次上耦合土地變化的規模、強度以及穩定性[7]。強度分析是從早期的測度單一間隔的方法演化而來的,并且那些早期版本已經變得流行,早期方法成為系統性轉換分析方法[23]。然而,強度分析方法更易理解,鑒于它的層次清晰、圖形表達,特別是關于土地時間變化潛在原因有了更深刻的解釋[24]。例如,為什么地類X轉換為地類Y的規模大于其他地類轉換為地類Y的規模??赡茉蛴卸浩湟?,若在初始時間點地類X的面積比其他地類的大,那么自然擁有更多面積用于轉換成Y。倘若地類X只以均衡轉換強度從其他地類獲得轉換土地時,地類Y也會從地類X處獲得更多的面積轉換;其二,若在初始時間點,地類Y從地類X處獲得轉換面積,相比從其他地類處擁有更大的強度來獲得轉換面積。有時這兩種情況同時存在。強度分析提供了這樣的一種途徑,方便學者從關注土地變化格局再到分析相關的轉換過程。為了更全面且直觀地反映轉換特征,有研究在強度分析的轉換層次結果基礎上相繼提出了“轉換圖譜”,以豐富強度分析方法論[7-8,22]。

4.2長株潭都市圈土地利用變化及其過程

土地利用變化強度分析結果表明,2000年后的兩個時段內的總體變化速率明顯加快(表1),這可能與后期人口增長和經濟發展具有密切聯系。對于類別層次(表2和表3),建設用地是最大的轉入地類,相反耕地是最大的轉出地類。林地減少面積較大,同時林地又經歷著沉寂的減少。這一表征被描述為“地類沉寂現象”[25]。在轉換層次,建設用地增長主要來源于耕地與林地。同時,耕地、林地的景觀破碎化加劇,間接反映耕地與林地減少且其斑塊趨于縮小趨勢,進而加劇了耕地被侵占或撂荒的可能性。因為面積規模較小的斑塊更易被領域內的優勢斑塊侵吞占用,也容易被土地監管部門所忽視。耕地轉換為建設用地表現為穩定的趨向(圖5),這一轉換過程的變化與該地區非農經濟活動增長可能有關。

圖6表明,自1984年以來,長株潭地區的總人口穩步上升。2001—2019年期間城市人口的增長速度是1984—2000年間的3倍。自21世紀以來,該地區呈現出更快速的經濟發展。城市人口的急劇增加導致需要更多的住房、交通和其他基礎設施來滿足人類社會經濟發展。此外,本研究發現其他用地轉入建設用地的強度在前三個時段均呈上升趨勢,但在第四個時段內轉換強度稍有下降(表2、表3)。歐陽曉等[15]研究長株潭城市群城市用地發現其擴張強度呈現出先加速后減緩的趨勢,本研究結果與之類似。圖4顯示,在2000—2010年、2010—2020年間的建設用地是趨向轉換為耕地。在城市化背景下,建設用地幾乎難以轉換為耕地,故而發生這一過程通常被視為數據質量問題。然而在我國,這與現行的耕地占補平衡制度息息相關。近20年來,耕地占補平衡制度歷經了由國土部門注重數量保護的起步階段發展到數量與質量相耦合的發展階段,再到新型城鎮化背景下,數量、質量、生態三位一體階段[26]。

長株潭都市圈的設立旨在充分釋放長沙、株洲、湘潭三個地區的潛能,優勢互補[10]。相較于深圳、廣州、南京都市圈以及武漢都市圈的社會經濟,長株潭都市圈建設用地的適當蔓延仍然是該區社會經濟發展的內在需求,但其增長需符合生態文明建設與糧食安全保障的要求。城鎮擴張不僅造成城市周邊耕地與林地急劇減少以及潛在負面環境影響,也威脅了地區生態安全。城市的可持續能力依賴于城市區域中各種生態要素和生態過程所組成的景觀整體的穩定性與可持續性[16]。因此,未來研究綜合構建都市圈生態網絡,耦合斑塊生成土地利用模擬模型,優化該區城鎮增長邊界,提出城鎮增長管控策略。

5 結論

(1)長株潭都市圈土地利用主要類型為林地、耕地,兩者共占研究區比重約90%。通過研究1980—2020年土地利用時序總體變化,長株潭都市圈的變化區域持續上升,其變化強度增加16倍。這與幾十年的中國經濟高速發展和快速城市化具有密切聯系。

(2)在類別層次,耕地的減少、建設用地與水域的轉入表現出穩定性趨勢。相反,林地減少呈現為沉寂的,盡管其流失規模較大。在1980—2020年,建設用地的增加主要來源于耕地、林地,且建設用地的增加穩定地趨向耕地,但穩定地避免林地、草地。自2000年來,受“耕地占補平衡”政策影響,耕地的增加趨向建設用地。

(3)本研究以中部地區典型快速城市化區域為例,運用強度分析與動態度模型深入分析近40年土地利用演化信息與轉換規律,試圖揭示各模型在土地變化信息定量化表達上的能力與局限性,為進一步挖掘土地變化信息提供有益思考。

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