洞庭湖生態經濟區土地利用變化特征及地形梯度效應

摘要：以洞庭湖生態經濟區為研究區域，依據湖南省土地利用數據以及DEM數據，通過構建土地利用動態變化度、地形位以及地形位分布指數，探究洞庭湖生態經濟區的土地利用變化特征以及地形梯度效應。結果表明，洞庭湖生態經濟區土地利用類型以耕地和林地為主，耕地、草地呈減少趨勢，林地先減少后增加，水域先增加后減少，城鄉建設用地快速擴張，未利用地面積不斷擴大；耕地主要分布在低地形位，林地主要分布在中高和高地形位，水域、城鄉建設用地和未利用地主要分布在低地形位，草地在各個地形位均有分布，但不具有分布優勢；穩定變化型是主要土地利用變化圖譜，持續變化型、反復變化型主要是低地形位的耕地、水域、未利用地之間的轉化，前期變化型和后期變化型中，耕地、林地轉變為城鄉建設用地主要分布在中低地形位，退耕還林主要分布在中高地形位。基于上述分析，將洞庭湖生態經濟區分為綜合功能區、高品質鄉村地區和生態保育區，并提出了相應的土地利用以及社會經濟發展策略。

關鍵詞：土地利用；地形位指數；地形位分布指數；洞庭湖經濟區

中圖分類號：F301.21" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）03-0080-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.03.015 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Change characteristics and terrain gradient effects of land use in Dongting Lake Ecological Economic Zone

ZHANG Lan-yue，MAO De-hua

（School of Geographical Sciences， Hunan Normal University， Changsha" 410016， China）

Abstract： Taking Dongting Lake Ecological Economic Zone as the research area， based on the land use data and DEM data of Hunan Province， the dynamic change degree， terrain niche and terrain niche distribution index of land use were constructed， and the land use change characteristics and terrain gradient effects were analyzed. The results showed that cultivated land and woodland were the main types of land use， cultivated land and grassland showed a decreasing trend， woodland decreased first and then increased， waters area increased first and then decreased， urban and rural construction land expanded rapidly， and the area of unused land expanded continuously. The dominant position of cultivated land lied in the low terrain niche， woodland centrally located in the middle-high and high terrain niche， water， urban and rural construction land and unused land were mainly distributed in the low terrain niche， and grassland was distributed in all terrain niche， but had no distribution advantage. Stable change type was the main land use change mapping. Continuous change type and repeated change type were mainly the conversion among cultivated land， waters and unused land in the low terrain niche. In the early change type and late change type， the conversion of cultivated land and woodland into urban and rural construction land was mainly located in the middle and low terrain niche， and the conversion of cultivated land to woodland was mainly located in the middle and high terrain niche. Based on the above analysis， the Dongting Lake Ecological Economic Zone was divided into comprehensive functional areas， high quality rural areas and ecological conservation areas， and the corresponding strategies of land use and social and economic development were put forward.

Key Words： land use； terrain niche； distribution index of terrain niche； Dongting Lake Ecological Economic Zone

湖區處于多種土地利用競爭的熱點區域，湖區的土地利用變化對區域糧食安全與生態安全影響重大。尤其是地形平坦、水源豐富的湖區更是主要的農業主產區，同時具有十分重要的生態價值，提供了多種生態系統服務。洞庭湖生態經濟區是全國大湖流域生態文明建設區、保障糧食安全的現代農業生產基地以及“兩型”引領的“四化”同步發展先行區。當前，國內外學者對洞庭湖生態經濟區的研究主要集中在洪災防治［1，2］、水位演變［3］、生態環境效應［4］、區域經濟可持續發展［5］等方面。土地利用/覆被變化（LUCC）是全球環境變化研究的核心話題之一［6］，是由社會、生態以及地理因素相互作用的復雜過程［7］。地形因素不僅會影響到地表物質的遷移與能量轉換，還會影響到各種土地利用類型的分布與土地利用類型的轉變。因此，土地利用/土地覆被變化與地形變化受到廣泛研究。

當前，學者們探討了流域［8］、山地丘陵地區［9］以及區縣市［10］的土地利用/覆被變化與地形之間的關系，對推進研究區域土地可持續利用以及環境保護具有重要意義。洞庭湖生態經濟區包括洞庭湖平原以及武陵山區、雪峰山區以及羅霄山區的部分地區，呈北面低，西面、東面、南面高的特征，主要土地利用類型為耕地、林地以及水域。《洞庭湖生態經濟區規劃》中明確了區域定位，加快了洞庭湖生態經濟區城鎮化進程，也推動了洞庭湖生態經濟區土地利用變化。基于此，本研究以洞庭湖生態經濟區為研究區域，根據湖南省土地利用數據以及涵蓋高程、坡度等地形信息的DEM數據，研究2000—2020年的土地利用變化特征以及地形梯度效應，并探究主要影響因素，從而豐富洞庭湖生態經濟區的研究，為洞庭湖生態經濟區土地合理利用、推動區域經濟可持續發展提供參考。

1 研究區域概況

洞庭湖生態經濟區在湖南省域范圍內主要包括岳陽市、常德市、益陽市以及長沙市望城區，區域內有25個縣（市、區），面積4.64萬km2。本研究區域為岳陽、常德、益陽3市，其研究區域地理位置見圖1。洞庭湖生態經濟區屬亞熱帶季風濕潤氣候，四季分明，夏熱冬寒、春雨秋旱；區域以平原地貌為主。洞庭湖生態經濟區是中國重要的糧食、棉花、油料、淡水魚等重要農產品生產基地，實現經濟發展與生態保護的良性互動是洞庭湖生態經濟區可持續發展的前提。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 土地利用變化圖譜 土地利用變化圖譜是通過對土地利用變化過程進行多尺度的圖形運算來研究土地利用/土地覆被變化及其環境因素之間規律性的空間關系［11］。根據本研究時間段，將土地利用變化圖譜劃分為穩定變化型、持續變化型、反復變化型、前期變化型和后期變化型。其中，穩定變化型指在研究時間段內土地利用類型維持穩定狀態，未與其他用地類型發生轉變；持續變化型指在2000年、2010年、2020年土地利用類型均不一致；反復變化型指2000—2020年土地利用類型發生變化，但2020年土地利用類型又變為與2000年相同的類型；前期變化型指在2000—2010年土地利用類型發生變化，2010—2020年土地利用類型維持穩定；后期變化型指2000—2010年土地利用類型維持不變，2010—2020年土地利用類型發生變化。

2.1.2 土地利用變化動態度 綜合土地利用變化動態度反映的是一定時間段內區域內所有土地利用類型的變化速度指標，其計算公式如式（1）所示。

式中，[S]為綜合土地利用變化動態度；[ΔSi-j]為研究時間段內第i種土地利用類型轉換為第j種土地利用類型的面積；[Si]為研究時間段內第i種土地利用類型的總面積；[t]為研究時間段。

單一土地利用變化動態度是反映一定時段內某種土地利用類型的變化速度指標，其計算公式如式（2）所示。

式中，[K]為某種土地利用類型的變化動態度；[Ui]、[Uj]分別為某種土地利用類型初期面積、末期面積；[T]為研究時間段。

2.1.3 地形位指數 地形位可反映坡度和高程的綜合影響程度［12］，其表達式如式（3）所示。

式中，[T]為地形位；[E]、[F]分別為某個柵格點的高程和坡度；[E0]、[F0]分別為整個區域內平均高程以及平均坡度。

采用等數量重分類（Quantile reclassify）法［13］對地形位進行分級，將地形位分為低、中低、中高、高地形位4個地形位區，并使用幾何間隔法將各個地形位分為12個等級。

2.1.4 地形位分布指數 地形位分布指數是反映土地利用類型或者圖譜類型在不同地形位分布情況的指標［14］，其表達式如式（4）所示。

式中，[DI]為地形位分布指數；[Aij]為第i種土地利用類型或者土地利用變化圖譜在第j地形位的分布面積；[Ai]為第i種土地利用類型或者土地利用變化圖譜的總面積；[Aj]為第j地形位的總面積；[TA]為研究區域的總面積。

[DI]指數大于1，表明某種土地利用類型在該地形位具有分布優勢。

2.2 數據來源

本研究主要使用中國科學院資源與科學數據中心提供的2000年、2010年和2020年100 m×100 m湖南省土地利用數據，提取洞庭湖生態經濟區土地利用數據，并將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉建設用地以及未利用地6種。DEM數據來源于地理空間數據云平臺。

3 洞庭湖生態經濟區土地利用變化特征與地形梯度效應分析

3.1 土地利用變化特征

3.1.1 土地利用變化動態度

1）綜合土地利用變化動態度。根據式（1）計算得到洞庭湖生態經濟區綜合土地利用變化動態度，2000—2010年整個區域綜合土地利用變化動態度為1.645%/年，整個區域內土地利用變化較為平緩；2010—2020年綜合土地利用變化動態度下降到1.171%/年，土地利用變化程度呈減緩趨勢。根據劉紀遠等［15］對土地利用變化動態度的分類方法，動態度在21%/年～61%/年為急劇變化型、在15%/年～25%/年為快速變化型、在5%/年～15%/年為慢速變化型、lt;5%/年為極緩慢變化型，可知洞庭湖生態經濟區的土地利用變化屬于極緩慢變化型。

2）單一土地利用變化動態度。由圖2可知，單一土地利用動態度變化最快的是城鄉建設用地，2000—2010年、2010—2020年的值分別為1.54%/年、2.86%/年；其次為草地和未利用地，草地呈逐漸減少的趨勢，兩個階段內的變化動態度分別為-0.60%/年、" -0.66%/年，未利用地呈逐漸增加的趨勢，兩個階段內的變化動態度分別為0.47%/年、1.95%/年；再次為耕地和水域，耕地呈逐漸減少的趨勢，水域表現為先增加后減少；變化最小的為林地，兩個階段內的變化動態度絕對值均小于0.03%/年。

3.1.2 土地利用結構變化特征 由表1可知，洞庭湖生態經濟區土地利用類型以耕地、林地為主，耕地所占區域土地總面積的比例呈小幅下降趨勢，其減少面積由2000—2010年的215.08 km2增加到2010—2020年的354.13 km2。林地面積呈先減少后增加的趨勢，2000—2010年減少了36.84 km2，2010—2020年增加了27.84 km2。水域占區域總面積的比例基本維持在10.20%左右，水域面積先增加后減少。城鄉建設用地呈快速擴張趨勢，其擴張面積由2000—2010年的144.94 km2增加到2010—2020年的375.19 km2，洞庭湖生態經濟區的城鎮化進程加快。未利用地、草地在洞庭湖生態經濟區分布較少，草地面積在研究時間段內呈減少趨勢，未利用地則表現為逐漸增加的變化趨勢。

表2反映了各土地利用類型轉移情況。前期耕地主要轉移為林地、水域和城鄉建設用地，耕地新增面積較少；后期耕地轉移面積明顯增大，新增面積同樣較大，主要來源于林地和水域。前期林地主要轉移為城鄉建設用地，新增林地來源于耕地和草地；后期林地主要轉移為耕地，新增林地來源除耕地外，主要為草地、水域和城鄉建設用地。前期草地主要轉移為水域，新增草地面積較少；后期草地主要轉移為耕地和林地，新增草地面積來源與草地轉移去向相同。前期水域主要轉移為耕地、草地和未利用地，后期主要轉移為耕地、林地和未利用地，新增水域也主要來源于耕地、林地和未利用地。由于城鄉建設用地恢復為耕地、林地、草地受到技術限制，因此前期城鄉建設用地較少轉移為耕地、林地以及草地，前期新增城鄉建設用地主要來源于耕地、林地；后期由于城鄉建設用地增減掛鉤政策的實施，城鄉建設用地主要轉移為耕地和林地，主要來源為耕地、林地和水域。前期未利用地主要轉移為水域，后期未利用地主要轉移為耕地和水域，其中水域是新增未利用地的主要來源。

3.1.3 土地利用變化圖譜 洞庭湖生態經濟區土地利用變化圖譜差異化明顯（圖3）。穩定變化型占洞庭湖生態經濟區土地總面積的98.04%，穩定變化型以林地—林地—林地、耕地—耕地—耕地圖譜為主（表3）。前期變化型占洞庭湖生態經濟區土地總面積的0.94%，包括水域—耕地—耕地、耕地—城鄉建設用地—城鄉建設用地、耕地—水域—水域等圖譜。后期變化型占土地總面積的0.95%，包括耕地—耕地—城鄉建設用地、林地—林地—城鄉建設用地等圖譜。反復變化型占土地總面積的0.03%，以未利用地—水域—未利用地、水域—耕地—水域圖譜為主。持續變化型占土地總面積的0.04%，以耕地—水域—未利用地、耕地—水域—城鄉建設用地圖譜為主。除穩定變化型在整個區域廣泛分布以外，其余變化類型主要集中分布在洞庭湖平原地區，西北方向的武陵山區、西南邊的雪峰山區、東部的羅霄山區土地利用類型較少發生轉變，基本維持穩定狀態。

3.2 土地利用地形梯度效應

3.2.1 土地利用結構的地形梯度效應 經計算，洞庭湖生態經濟區36.55%的區域處于低地形位，中低地形位占整個區域面積的23.03%，中高地形位、高地形位分別占總面積的24.16%、16.26%。

由圖4可知，從地形分布上來看，耕地和林地在各個地形位等級上均有分布，其中耕地在第1～9地形位呈優勢分布，在第2地形位分布指數最高（圖4a）；林地在第3～11地形位呈優勢分布，在第10地形位分布指數最高（圖4b）。水域（圖4c）、城鄉建設用地（圖4d）以及未利用地（圖4e）多在第1～6地形位等級上有分布，在第7～12地形位上分布較少，且這3種地類均在第2地形位分布指數最高。由于草地占洞庭湖生態經濟區土地總面積的比例較低，草地在各個地形位上并不具有分布優勢，地形位分布指數均小于1，且草地在第3地形位分布最低，在第11地形位分布指數最高（圖4f）。

從時間時序尺度來看，2000—2020年，耕地在第1～5地形位的分布指數增加，在第8～11地形位的分布指數下降；林地則相反，其在第1～4地形位的分布指數下降，在第8～10地形位的分布指數上升，林地分布朝高地形位集中；水域在第1地形位的分布指數下降，在第2地形位的分布指數上升，這是受洞庭湖水位動態變化的影響，造成水域與其他用地類型轉化頻繁；城鄉建設用地在第1～5地形位上的分布指數逐漸升高，2020年第2地形位的分布指數大于1，城鄉建設用地在低地形位上的分布范圍逐漸擴大，高地形位區的城鄉建設用地分布指數呈下降趨勢；未利用地逐漸向第1、第2地形位逐漸集中，第3地形位的未利用地逐漸轉為其他用地類型；草地主要集中分布在第9～12地形位，低地形位的草地受洞庭湖水位變化的影響逐漸減少。

3.2.2 土地利用變化圖譜的地形梯度效應 由圖5可知，穩定變化型在各個地形位均有分布，其中耕地—耕地—耕地在第1～5地形位分布面積最大，林地—林地—林地主要分布在第5～12地形位。持續變化型和反復變化型集中分布在第1、第2地形位。前期變化型在第1地形位、第3～12地形位皆有分布，主要在第1地形位與第3地形位具有分布優勢，耕地—林地—林地主要分布在第7～9地形位，耕地—水域—水域、水域—耕地—耕地、未利用地—水域—水域主要分布在第1、第3地形位，耕地—城鄉建設用地—城鄉建設用地主要分布在第1～5地形位，林地—城鄉建設用地—城鄉建設用地主要分布在第4～6地形位，草地—林地—林地分布在第10～12地形位（表4）。后期變化型在第1～10地形位皆有分布，其中第1～4地形位分布最為廣泛。耕地—耕地—水域、耕地—耕地—城鄉建設用地、草地—草地—水域、水域—水域—未利用地、未利用地—未利用地—水域主要分布在第1、第2地形位，耕地—耕地—林地分布在第5地形位，林地—林地—城鄉建設用地分布在第3～6地形位。

洞庭湖生態經濟區各土地利用變化類型中，耕地主要分布在低地形位，各地形位的耕地部分轉移為林地、水域以及城鄉建設用地。林地優勢分布在第3～11地形位，并且逐漸向高地形位集中。水域、耕地以及未利用地3種土地利用類型在低地形位持續轉換以及反復轉換。前期耕地、林地主要在第3～7地形位轉換為城鄉建設用地，后期低地形位耕地、中低地形位林地轉換為城鄉建設用地。受退耕還林政策的影響，中高地形位的耕地轉化為林地。

4 洞庭湖生態經濟區土地利用變化影響因素及區域發展定位

4.1 影響因素分析

4.1.1 自然因素 水位變化、高程、坡度等自然因素會影響洞庭湖生態經濟區的土地利用變化。近20年來，洞庭湖水位呈偏低—偏高—偏低的動態變化特征［16］。水位降低，部分水域轉化為灘涂或者未利用地，高程較高、距離城鄉居民點較近的灘涂或者未利用地受人類活動影響轉變為耕地，部分在自然條件下轉化為耕地；水位升高又重新淹沒這部分區域，洞庭湖水位動態變化是影響洞庭湖湖區水域、耕地、未利用地以及草地持續和反復變化的主要原因［17］。武陵山區、雪峰山區、羅霄山區的土地利用變化主要受到包括高程、坡度在內的地形因素影響，此區域的平均高程在800 m以上，平均坡度大于20°，人類在山區主要生活在小部分山間盆地，地形條件限制了人類對山區的土地開發，山區土地利用類型基本維持穩定，以林地為主。高地形位草地多轉換為林地，主要是由于2000年以前人類隨意開荒，毀壞植被，但由于高地形位距離居民點較遠，開墾的耕地逐漸荒廢，在自然條件的影響下逐漸恢復為草地和林地。

4.1.2 社會經濟因素 根據《湖南省2001年統計年鑒》和《湖南省2021年統計年鑒》，洞庭湖生態經濟區的年末常住人口數由2000年的1 575萬人減少到2020年的1 418萬人，人均GDP由5 752元增加到67 736元。隨著經濟發展對城鄉建設用地需求的擴大，距離原城鄉建設用地較近的中低地形位的耕地、林地為新增城鄉建設用地的主要來源。修建防洪水利設施、港口碼頭等原因，部分水域轉為城鄉建設用地。2000—2020年，部分耕地轉變為城鄉建設用地，由于洞庭湖湖區人口數量的增加，加劇了建設用地與耕地間的矛盾，盡管洞庭湖湖區嚴格執行退田還湖政策，但仍有少量水域被農民私自轉化為耕地。

4.1.3 政策因素 《湖南省土地利用總體規劃（2006—2020）》中提出在山區應加強山區防護林建設，積極安排陡坡退耕還林，合理利用陡坡山丘地，推動了高地形位耕地轉化為林地，高地形位的林地數量基本維持穩定。對洞庭湖湖區明確提出通過實行平垸行洪、退田還湖等加快洞庭湖治理的措施，增加洞庭湖水面面積。洞庭湖湖區耕地與水域之間的轉化除了受自然因素的影響，退田還湖政策是推動耕地轉化為水域的影響因素之一。

4.2 區域發展定位分析

基于洞庭湖生態經濟區土地利用變化特征以及地形因素對土地利用變化的影響分析，本研究將洞庭湖生態經濟區分為綜合功能區、高品質鄉村地區以及生態保育區。

4.2.1 綜合功能區 該區主要包括岳陽市建成區、益陽市建成區、常德市建成區、各縣城建成區和各經濟開發區，為洞庭湖生態經濟區的經濟發展、產業結構升級、“兩型”社會建設的核心區域。基于經濟發展以及滿足新增人口的需要，綜合功能區主要用地轉換類型為低坡度、低地形位的耕地和林地轉換為城鎮建設用地，主要用于大力完善交通基礎設施，以此構建與長株潭城市群核心區域之間的快速便捷交通網絡，與長株潭城市群核心區域協同發展，同時嚴格制定并且執行耕地占補平衡計劃。對于部分處于較低地形位的城鎮，做好防洪工作。

4.2.2 高品質鄉村地區 該區主要包括洞庭湖湖區、西北武陵山區、西南雪峰山區以及東部羅霄山區的農村居民點、耕地以及林地等受人為活動影響較大的地區。借鑒當前美麗鄉村建設模式［18］，合理制定農村發展規劃，進行農村居民點土地整治，提高農村建設用地集約節約度，嚴格限制農村居民點無規劃占用周邊耕地和林地。同時由于洞庭湖湖區耕地、山區林地呈塊狀分布，適合農業規模化發展。結合洞庭湖水鄉特色以及山區少數民族特色，大力發展水鄉旅游業以及山區旅游業，推動美麗鄉村建設。

4.2.3 生態保育區 該區主要包括洞庭湖湖區、西北武陵山區、西南雪峰山區以及東部羅霄山區受人為活動干擾程度較低的地區。洞庭湖湖區主要包括洞庭湖水域以及水域周邊的未利用地、林地以及草地等受人為活動影響程度較少的低坡度、低地形位區域。洞庭湖水位動態變化使得土地利用類型處于反復變化或者持續變化的過程中，洞庭湖湖區承擔著防洪蓄水、保護生態多樣性等方面的功能，湖區土地利用類型應維持水域為主，遵循自然動態變化的原則，嚴格限制填湖造田、開墾未利用地等行為。武陵山區、雪峰山區以及羅霄山區主要土地利用類型為林地，高坡度、高地形位限制了該區域的開發，山區的土地利用變化基本維持穩定狀態，不合理的人為開發將可能會引起泥石流、滑坡等自然災害，也會加重水土流失，加重洞庭湖泥沙淤積以及加重洞庭湖防洪負擔，此類區域應以發展保持水土為主，結合生態優勢優先發展生態旅游業以及生態農業。

5 小結

本研究分析了洞庭湖生態經濟區的土地利用變化特征以及地形梯度效應，并對整個區域發展定位進行了探討，得到了以下結果與啟示。

1）洞庭湖生態經濟區主要土地利用類型為耕地和林地，土地利用變化過程比較緩慢。土地利用結構變化主要表現為耕地、草地面積持續減少，林地先減少后增加，城鄉建設用地持續擴張的變化特征。

2）各土地利用類型地形位分布指數趨勢呈垂直狀走向。耕地、林地在各個地形位均有分布，耕地主要分布在低地形位，林地主要分布在中高和高地形位；水域、城鄉建設用地以及未利用地主要分布在低地形位；草地在各個地形位均有分布，但在各個地形位并不具有分布優勢。

3）洞庭湖生態經濟區各土地利用變化圖譜中，穩定變化型圖譜主要為耕地—耕地—耕地、林地—林地—林地，在各個地形位廣泛分布。持續變化型和反復變化型主要分布在低地形位，以水域、耕地、未利用地之間的變化為主。前期變化型中，耕地與水域、未利用地與水域之間的變化主要集中在低地形位，耕地、林地轉化為城鄉建設用地主要分布在中低地形位，退耕還林主要分布在中高地形位，高地形位主要是草地與林地之間的變化。后期變化型中，耕地、草地、水域與未利用地之間的變化依然集中在低地形位，耕地、城鄉建設用地的變化主要集中在低地形位，退耕還林主要分布在中高地形位。

4）自然因素中，水位動態變化是影響洞庭湖生態經濟區耕地、水域、未利用地以及草地動態變化的主要因素，坡度、高程是維持山區土地利用類型穩定的主要因素。人口增加、社會經濟發展以及商品糧生產基地定位是影響土地利用變化的主要社會經濟因素。《湖南省土地利用總體規劃（2006—2020年）》中退田還湖、退耕還林等是影響土地利用變化的主要政策因素。

5）洞庭湖生態經濟區持續變化型、反復變化型、前期變化型和后期變化型土地利用變化圖譜主要分布在地形較為平坦、受人類活動影響程度較高的洞庭湖平原地區，周邊的武陵山區、雪峰山區、羅霄山區土地利用基本維持穩定狀態，基于此將洞庭湖生態經濟區劃分為綜合功能區、高品質鄉村地區以及生態保育區，各區域應基于人與自然可持續發展的要求合理用地。

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