洞庭湖区土地利用变化及其生态承载力响应

熊建新，刘淑华，李文

（湖南文理学院资源环境与旅游学院，湖南 常德 415000）

洞庭湖区土地利用变化及其生态承载力响应

熊建新，刘淑华，李文

（湖南文理学院资源环境与旅游学院，湖南 常德 415000）

运用土地利用数量变化模型、程度变化模型以及生态承载力响应模型，对洞庭湖区2001～2010年土地利用时空格局及生态承载力响应进行分析。结果表明：第一，土地利用空间格局划分为4类：一类是土地利用程度变化快而区域相对变化小，主要包括岳阳市区、常德市区和益阳市区；二类是土地利用程度变化快且区域相对变化大，主要包括汉寿县、华容县、汨罗市、岳阳县和临湘市；三类是土地利用程度变化和区域相对变化都较小，主要包括南县、沅江市、桃江县和湘阴县；四类是土地利用程度变化较小而区域相对变化较大，主要包括澧县、临澧县、桃源县、津市和安乡县。第二，生态承载力对土地利用变化的响应状态可分为4类：强超载、超载、弱低载和低载，与土地利用空间格局相一致。第三，生态承载力与土地利用程度变化量、土地利用程度变化率、区域差异综合指数呈现较强的相关性，土地利用程度变化越快则生态承载力变化越大、土地利用程度越高则生态承载力越低。

土地利用变化；生态承载力；相关性；洞庭湖区

关于生态承载力的测算，RobbetGoodland等学者将生物资源、水资源、土地资源、气候资源等各类资源折算为耕地、林地、牧草地、建设用地、水域和能源用地6大类生物生产性面积来求算①。由此看出，土地利用类型的变化势必引起生态承载力的变化，不同时空角度下的这种变化关系已经成为众多学者研究的重点领域②。目前，两者关系的研究集中在土地利用变化的生态环境响应、土地利用变化的生态服务价值、土地利用变化与生态承载力相关性、土地利用变化引起生态承载力时空动态变化③等方面，而基于土地利用数量和程度变化的生态承载力响应研究则处于初始阶段④。随着社会经济活动的不断加强，人们对土地利用类型的数量、规模和程度也随之加大和深入，关于如何协调人地关系，定量地权衡区域生态系统对人类社会经济活动系统的支撑和供容能力的探讨，具有极强的研究价值和现实意义。就洞庭湖区而言，其生态性极弱，而社会经济性极强，一直是各级政府和学术界最为关注的热点和重点区域。目前，湖区已成为我国“十二五”期间构建“十大生态屏障”之一的长江流域的重点区域；湖南省委省政府已经启动了国家层面的“环洞庭湖生态经济圈”建设工作。学术界从土地利用变化对生态系统服务价值的影响、退田还湖对生态承载力的影响评价、生态环境承载力分析、生态足迹评价、耕地集约利用评价、生态承载力综合评价⑤等方面取得了定性和定量研究成果，而对洞庭湖区土地利用变化及其生态承载力响应状态的分析则较少。因此，本文基于RS、Arc GIS和SPSS等技术支撑，利用土地利用数量变化模型、程度变化模型和生态承载力响应模型，分析土地利用变化引起的生态承载力响应状态，反映洞庭湖区人类社会经济活动系统与生态系统的可持续性，为洞庭湖区可持续发展提供决策依据。

一 研究区域概况

洞庭湖区地处长江中游荆江南岸，地跨湘、鄂两省，介于28°44′N～29°35′N和111° 53′E～113°05′E之间，占据长江中游最敏感又脆弱的生态区位，大部分地区海拔高度低于50m，85%以上面积在湖南省辖境内[1]。本文研究范围界定为岳阳、常德和益阳3个地级市的21个县（市、区），其土地面积3.2×104km2，人口1 500万，分别占湖南省的15%和21%以上。2001～2010年期间，三次产业结构从27.5:36.7:35.8调整为21.7:41.5：36.8，GDP从837.2亿元上升到5 555.9亿元。湖区属于典型的亚热带季风气候，年均降水量1 200～1 450mm，年均气温16.5～17.0℃。河网密布，湘、资、沅、澧四水流经，水、土、气、生物等资源要素丰富[1]。

二 数据来源与研究方法

（一）数据来源与指标选取

利用ERDAS和Arc GIS软件对洞庭湖区2001～2010年遥感影像进行解译和信息处理，提取洞庭湖区各种土地利用类型的原始数据，人类社会经济的指标数据主要通过《湖南省统计年鉴》、《常德市统计年鉴》、《岳阳市统计年鉴》和《益阳市统计年鉴》，以及环保局等相关部门提供的数据获得。

生态承载力响应集中反映生态系统的承载和压力状态。因此，指标选取立足承载和压力两个方面，满足科学性、全面性和可操作性[2]，结合洞庭湖区自然和社会经济概况，从资源环境和社会经济两个方面共筛选出16项针对性较强、便于度量的指标，构建生态承载力响应指标体系（见表1），符合中国科学院可持续发展指标体系的要求⑥。为了消除指标数据间量纲和量级的影响，本文使用极差正规化法⑦，将原始数据有效归一化在[0，1]之间，离散度具有一致性。

（二）研究方法

1.土地利用数量变化模型。土地利用数量变化模型用来比较各区域土地利用数量的相对变化率，通过区域差异综合指数反映区域差异特征。常用的土地利用相对变化率（Pj）和区域差异综合指数（Q）计算公式为：

式中，Saj、Sbj分别代表某区域某种土地利用类型研究初期及末期在本区域内的比例；Caj、Cbj分别代表全区某种土地利用类型研究初期及末期在全区内的比例；n为土地利用类型数。若P＞0，说明某区域某种土地类型利用变化幅度大于全区该类土地的变化，P＜0则表示小于全区该类土地的变化，而P=0则表示与全区该类土地变化同步[3]。

2.土地利用程度变化模型。土地利用程度变化模型是一个特定区域内多种土地利用类型程度变化的综合结果，集中反映土地利用的广度和深度，揭示土地利用的综合水平和变化趋势。常用的土地利用程度综合指数（L）、程度变化量（△Lb-a）和程度变化率（R）计算公式为：

式中，Ai为区域内第i级土地利用程度分级指数；Ci为区域内第i级土地利用程度分级面积百分比；Cib和Cia分别为某区域b时间和a时间第i级土地利用程度面积百分比；m为土地利用程度分级数。若△Lb-a＞0或R＞0，表示该区域土地利用处于发展时期；若△Lb-a≤0或R≤0则表示该区域土地利用处于调整期或衰退期[4]。其中，L的值域为[100，400]。分级指数如表2所示。

3.生态承载力响应模型。生态承载力集中反映了生态系统的承载和压力状态，根据高吉喜对生态承载力承压度判定模式，区域生态承载力响应模型可表示为：

式中，ES表示生态承载指数，EP表示生态压力指数。RECC=1是一个表征区域维持最小程度上生态平衡的临界值；理想状态下，RECC≥1，表示生态可承载力可以消解生态压力，处于低载状态；RECC＜1，则表示生态压力已超出生态可承载力的范围，处于超载状态[2]。

三 结果分析

（一）洞庭湖区土地利用变化的时序演变

第一，从近10年洞庭湖区土地利用总体情况（见图1）来看，耕地、水域和未利用土地数量呈下降趋势；园地、林地、牧草地和建设用地数量呈上升趋势。其中，水域下降幅度较大，降幅达6.18%；耕地和未利用土地下降幅度较小，降幅分别达3.5%和1.83%；林地和建设用地升幅分别达4.28%和1.76%，园地和牧草地稍有增加，变化幅度不明显。第二，从近10年洞庭湖区土地利用的相对变化幅度（见表3）来看，水域、林地、耕地、建设用地和未利用土地变化幅度较大，其中水域、耕地和未利用土地呈现负向变化，林地和建设用地呈现正向变化。这种变化趋势既反映出“退耕还林还草”等生态工程措施取得了初步成效，也形成了建设用地与生态用地之争的局面。随着城镇化进程的快速推进，城市建设用地不断侵占生态用地的趋势日渐突出，土地利用类型之间的流转趋势也日益明显。

（二）洞庭湖区土地利用变化的区域差异

1.土地利用数量变化的区域差异。利用公式（1），测算出各类土地类型的相对变化率和区域差异综合指数（见表4）。可以看出：第一，类型上，耕地的相对变化率汉寿县最大，达5.756，津市和澧县次之，沅江市等县域变化较小；园地的相对变化率临湘市最大，达3.468，益阳市区、常德市区次之，南县等区域变化较小；林地的相对变化率津市最大，达1.246，大部分区域变化较小，其中临湘市最小；牧草地的相对变化率湘阴县最大，达2.546，由于牧草地在整个土地类型中所占的比例最小，大部分区域变化不明显；15个区域的建设用地变化幅度小于整个洞庭湖区的变化，只有南县和桃江县的变化幅度大于全区；16个区域的水域变化幅度小于整个洞庭湖区的变化，只有桃江县的变化幅度大于全区；岳阳市和常德市13个区域的未利用土地变化幅度均大于整个洞庭湖区，而益阳市4个区域的变化幅度均小于全区。第二，总体变化上，湘阴县、沅江市、南县和桃江县等4个区域差异综合指数小于0；其余13个区域差异综合指数大于0，其中临澧县和津市等2个区域差异综合指数最高，达0.95左右；岳阳市区、常德市区和益阳市区等3个区域差异综合指数较低，分别为0.139、0.157和0.187。

2.土地利用程度变化的区域差异。利用公式（2），测算出洞庭湖区各区域的土地利用程度综合指数、土地利用程度变化量和土地利用程度变化率（见表5）。可以看出：第一，土地利用程度变化率R＞0，土地处于发展期的地区主要包括：岳阳市区、华容县、岳阳县、临湘市、常德市区、汉寿县、桃源县、澧县、临澧县、汨罗市、安乡县、津市、益阳市区。其中，在R＞0的区域中，常德市区、岳阳市区、益阳市区土地利用程度变化较大，处于快速发展时期；岳阳县、华容县、汨罗市、临湘市、汉寿县土地利用程度变化不大，处于一般发展时期；安乡县、桃源县、澧县、临澧县、津市的土地利用程度变化较慢，处于一个慢速发展期。第二，土地利用程度变化率R＜0，土地处于调整或衰退期的地区主要包括：湘阴县、南县、桃江县、沅江市。

3.土地利用变化的空间格局。根据土地利用数量变化模型和土地利用程度变化模型运行结果，可以将洞庭湖区的土地利用空间格局分为4类：一类区域是土地利用程度变化快而区域相对变化小，主要包括岳阳市区、常德市区和益阳市区。该类区域的特点是城市化水平较高，建设用地比例高，城市发展比较成熟。二类区域是土地利用程度变化快且区域相对变化大，主要包括汉寿县、华容县、汨罗市、岳阳县和临湘市。该类区域的特点是城市化水平快速增长，耕地数量迅速减少，建设用地持续快速增加。三类区域是土地利用程度变化和区域相对变化都较小，主要包括南县、沅江市、桃江县和湘阴县。该类区域的特点是城市化水平平稳增长，耕地平稳递减，建设用地平稳增加。四类区域是土地利用程度变化较小而区域相对变化较大，主要包括澧县、临澧县、桃源县、津市和安乡县。该类区域的特点是城市化水平较慢，耕地数量减少也较慢。

（三）洞庭湖区生态承载力对土地利用变化的响应

运用SPSS统计软件对标准化处理后的数据进行主成分分析，可得因子负荷矩阵和主成分因子特征值及方差的累积贡献率（见表6、表7）。根据表6和表7的统计结果，各因子的方差累积贡献率超过85%，较好地满足了因子选取原则，并可以将上述指标分为承载类指标和压力类指标。其中，因子2、因子3为压力类指标，因子1、因子4为承载类指标。由此可以得出：

式中，P1、P2、P3、P4为各因子方差贡献率，F1、F2、F3、F4为各因子得分。利用公式（3）和公式（4）计算2010年洞庭湖区各区域的生态承载力，参考高吉喜的观点，将洞庭湖区生态承载力响应状态划分为4个层次（见表8）：强超载的区县是岳阳市区、常德市区、益阳市区；超载的区县是汉寿县、华容县、汨罗市、岳阳县、临湘市；低载的区县是南县、沅江市、桃江县、湘阴县；弱低载的区县是澧县、临澧县、桃源县、津市、安乡县。由此可以看出，洞庭湖区各区域的生态承载力存在比较明显的差异，在区域发展水平上表明洞庭湖区社会经济和资源环境的协调性不甚理想。

从生态承载力与土地利用程度变化量、土地利用程度变化率、区域差异综合指数的相关性（见表9）可以看出，在1%显著性水平下，洞庭湖区RECC与△Lb-a、R 和Q具有显著的负相关，相关系数分别为-0.950、-0.798 和-0.812。结合土地利用数量变化和程度变化的分析结果，可以看出土地利用程度变化越快的地区，生态承载力的变化越大；土地利用程度越高的地区，生态承载力越低。反之亦然。

结论

2001年以来，洞庭湖区土地利用状况发生了差异性变化。耕地、水域和未利用土地不断减少，园地、林地、牧草地和建设用地不断增加；水域、林地、耕地、建设用地和未利用土地变化幅度较大，其中水域、耕地和未利用土地呈现负向变化，林地和建设用地呈现正向变化。这种变化状况反映出人类社会经济活动是造成各种土地利用类型之间流转的主要驱动力。

洞庭湖区土地利用数量变化和程度变化引起了生态承载力的变化。研究发现，洞庭湖区生态承载力对土地利用变化的响应状态可分为4类，与土地利用空间格局4类相一致。相关分析表明土地利用变化与生态承载力之间存在着较强相关性，土地利用程度变化越快的地区，生态承载力的变化越大；土地利用程度越高的地区，生态承载力越低。

影响生态承载力变化的因素较多，从土地利用变化的角度对其进行研究只是一个方面。由于指标选取欠全面，时间跨度较短，研究方法较单一，使得研究结果欠客观。定量分析区域生态系统对人类社会经济活动系统的承受和维育能力，还需要基于区域生态系统和区域协调系统的视角，从不同时空角度，利用先进的研究方法对生态承载力动态变化作深入研究。

注释：

①参见：Robbet GoodlandEnvironmental sustainability in agriculture dietmallers.Ecological Economics,1997年第23卷，第189-200页。

②参见：赵先贵、肖玲、兰叶霞《陕西省生态足迹和生态承载力动态研究》，载《中国农业科学》2005年第38卷第4期，第746-753页；翁伯琦、王义祥、黄毅斌《福建省生态足迹和生态承载力的动态变化》，载《应用生态学报》2006年第17卷第11期，第2153-2157页。

③分别参见：涂小松、濮励杰《苏锡常地区土地利用变化及其生态环境效应》，载《地理研究》2008年第27卷第3期，第583-593页；刘庆、王静、史衍玺等《经济发达区土地利用变化与生态服务价值损益研究》，载《中国土地科学》2007年第21卷第2期，第18-24页；郭林、张浩、王祥荣《广东佛山市土地利用格局与生态承载力相关性研究》，载《中国生态农业学报》2007年第15卷第5期，第193-196页；岳东霞、杜军、刘俊艳等《基于RS和转移矩阵的泾河流域生态承载力时空动态评价》，载《生态学报》2011年第31卷第9期，第2550-2558页。

④参见：顾康康、刘景双、窦晶鑫《资源型城市生态承载力对土地利用变化的响应》，载《生态与农村环境学报》2007年第23卷第2期，第7-11页。

⑤分别参见：谢春花、王克林、陈洪松等《土地利用变化对洞庭湖区生态系统服务价值的影响》，载《长江流域资源与环境》2006年第15卷第2期，第191-195页；陶卫春、王克林、陈洪松等《退田还湖工程对洞庭湖生态承载力的影响评价》，载《中国生态农业学报》2007年第15卷第3期，第155-160页；姜加虎、黄群《洞庭湖生态环境承载力分析》，载《生态环境》2004年第13卷第3期，第354-357页；尹少华、安消云《基于可持续发展的洞庭湖流域生态足迹评价研究》，载《中南林业科技大学学报》2011年第31卷第6期，第107-110页；张晔、邓楚雄、谢炳庚等《湖南省环洞庭湖三市耕地集约利用模糊综合评价》，载《武陵学刊》2011年第36卷第6期，第82-86页；熊建新、陈端吕、谢雪梅《基于状态空间法的洞庭湖区生态承载力综合评价研究》，载《经济地理》2012年第32卷第11期，第138-142页。

⑥参见：中国科学院可持续发展战略研究组《中国可持续发展战略报告》，科学出版社2008年版，第353-385页。

⑦参见：胡秉民、王兆骞、吴建军等《农业生态系统结构指标体系及其量化方法研究》，载《应用生态学报》1992年第3卷第2期，第144-148页。

[1] 窦鸿身，姜加虎.洞庭湖[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2000：3-10.

[2] 高吉喜.可持续发展理论探讨：生态承载力理论、方法与应用[M].北京：中国环境科学出版社，2001.

[3] 朱会义，李秀斌.关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J].地理学报，2003，58（5）：643-650.

[4] 郑国强，江南，刘兆德.长江下游沿江地区区域环境承载力对土地利用变化的响应[J].生态学杂志，2004，23(1)：16-19.

[5] 庄大方，刘纪元.中国土地利用程度的区域分异模型研究[J].自然资源学报，1997，12（2）：105-111.

（责任编辑：田皓）

F301.24

A

1674-9014（2013）05-0024-06

2013-07-26

国家哲学社会科学基金项目“洞庭湖区生态承载力及其内部系统耦合协调发展研究”（13BJY025）；教育部人文社会科学规划基金项目“生态承载力调控下洞庭湖区域经济、社会和环境响应机制及预警研究”（12YJAZH166）、“区域生态型城市化研究——以环洞庭湖区域为例”（12YJAZH146）；湖南省哲学社会科学基金项目“基于生态承载力的环洞庭湖区域协调发展研究”（11JD53）。

熊建新，男，湖南常德人，湖南文理学院资源环境与旅游学院副教授，硕士，研究方向为区域可持续发展。