长株潭城市群土地利用与生态环境的相互作用

杨佳宝 郑斌 刘杰

摘要：借助GIS和数理统计工具，采用土地利用转移矩阵、空间分析模型和耦合协调度模型，对长株潭城市群土地利用转型与生态环境的双向互动关系进行探索，为促进长株潭城市群土地利用转型与生态环境协调可持续发展提供借鉴。结果表明：1.在研究期内，各类用地面积呈现出“五减三增”的态势，城镇生活用地、工业生产用地和其他生态用地呈现出上升的态势，其他五类用地呈现出下降的态势，而生活用地和生产用地面积的扩张主要来源于生态用地面积的缩减。2.虽然研究区域土地利用转型和生态环境保护的耦合协调关系较高，但总体来说耦合协调水平呈下降趋势，而且区域生态环境滞后问题严重，影响了土地利用转型与生态环境的高度耦合。研究结果揭示，加强对工业固体废物的综合利用和提高森林覆盖率可促进长株潭城市群土地利用转型与生态环境协调可持续发展。

关键词：土地利用转型;生态环境;耦合协调关系;长株潭城市群

中图分类号：F301.2 文献标识码：A

文章编号：1001-9138-（2022）02-0039-08 收稿日期：2022-01-10

长期以来，由于我国实行的是快速城市化和工业化政策，虽然使得我国经济实力实现了快速增长，但是也带来了土地低效利用、生态系统功能退化等一系列突出问题。2021年11月，党的十九届六中全会公报指出，在生态文明建设上，党中央以前所未有的力度抓住生态文明建设，美丽中国建设迈出重大步伐。土地作为人类赖以生存与发展的最基本的自然资源和人类一切社会经济活动的空间载体，土地利用的变化对维持生态系统服务功能起着决定性作用（孙善良，2021）。在大力提倡生态文明建设的背景下，探索土地利用转型与生态环境的双向互动关系具有重要意义。

目前学术界对于土地利用转型和生态环境的研究成果大致可以分为以下两个方面：一是在解译遥感影像，获取土地利用数据的基础上，通过运用土地利用类型转移矩阵、生态环境质量指数以及土地利用转型生态贡献率等方法定量分析区域（王权，2019）、省份（董建红，2021）、市域 （汪容基，2021）、区县（何青泽，2019）、流域 （邓楚雄，2021）一段时间土地利用转型的生态环境效应;二是在借鉴国内外对于生态服务价值研究的最新成果的基础上，结合研究区域实际情况对生态系统服务价值系數进行修订，进而对研究区域的生态系统服务价值变化进行测度和分析（王权，2019;胡先培，2020）。

已有文献研究成果表明土地利用变化不仅对生态系统的要素、结构、功能产生深远的影响，土地利用变化和生态环境之间还存在有耦合关系（白娥，2020;李婧，2020），主要表现为以下两个方面：一是土地利用方式的改变及其相应覆盖格局的变化，可以在直接影响生物多样性和生态系统生产力的同时，导致城乡空间及其生态系统结构的变化，进而影响土地资源的承载功能和生态系统的服务功能（刘永强，2015）;二是生态环境综合水平是评估土地利用绩效、优化土地利用政策的必然要求，是影响土地利用转型的驱动因子（傅伯杰，2014）。但是纵观现有研究成果，多集中于土地利用转型对生态环境的影响，尚缺乏土地利用转型与生态环境的双向互动关系研究。

长株潭城市群作为中西部最具有发展潜力的重要区域，是长江中游经济区的重要组成部分，是湖南省经济发展的核心增长极。但是随着该区域城市化和区域一体化的加快，城市建设用地不断扩张，占用大量农用地和生态用地，对区域生态环境造成了巨大的压力（欧阳晓，2021）。基于此，研究以长株潭城市群为研究区域，对2005-2018年期间城市群土地利用转型与生态环境的相互作用通过构建指标体系进行定量分析，以期优化长株潭城市群国土空间规划开发格局，为增强该区域生态文明建设提供实证依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

长株潭城市群位于湖南省东部，湘中丘陵地区，作为湖南省人口最密集、资源最密集、经济活动最活跃的区域，是湖南省经济发展的核心增长极，同时也是开创中部地区崛起新局面的重要支撑，有望成为继京津冀、粤港澳、长三角和成渝双城经济圈之后的又一全国经济重要增长极。2019年，长株潭常住人口1530.45万人，城镇化率达73.5%，地区生产总值为1.68万亿元，占全省地区生产总值的42.4%。

1.2 数据来源与处理

研究采取的主要数据包括：（1）长株潭城市群2005-2018年的土地利用数据来源于中科院资源环境科学与数据中心数据平台（http：//www.resdc.cn）。参考罗刚（2018）的研究成果，根据土地利用的主导功能，对土地利用数据进行整合，建立以生产用地、生活用地和生态用地为一级地类的新土地利用分类系统（见表1）。（2）社会经济和生态环境方面的数据来源于2005年、2010年、2015年和2018年的《湖南省统计年鉴》《中国城市统计年鉴》以及长沙、株洲和湘潭三市的统计年鉴和政府工作报告。部分缺失的数据利用移动平均法计算得到。

1.3 研究方法

1.3.1 模型选择

（1）土地利用类型转移矩阵模型

土地利用功能转型主要通过土地利用类型转移矩阵模型来具体实现，其表达式为：

式（1）中，S为面积，S研究期内i类型土地利用地类转换成j类型土地利用地类的面积数量，n为土地利用类型数量。

（2）土地利用动态度模型

土地利用转型的综合活跃程度可以通过运用土地利用动态度模型来进行分析，其表达式为：

式（2）中，TR为土地利用类型总变化速率;LA和LA分别为某种土地利用类型在研究期初期和研究期末期的面积;ULA为第i种土地利用类型未变化的面积;i∈（1～n），n为区域内土地利用类型数量。

（3）耦合协调模型

土地利用转型和生态环境的耦合协调度采用协调度模型计算，其表达式为：

式（3）中，D、C、T分别表示土地利用转型评价指标体系和生态环境评价指标体系的协调度、耦合度和综合评价指数。为保证评价的客观性，取a=b=0.5，表示土地利用转型评价指标体系和生态环境评价指标体系处于同等地位。

1.3.2 模型实现

第一步，构建土地利用转型和生态环境的评价指标体系。在遵循科学性、系统性、易获取性等指标选取原则和参考其他研究成果（董晓庆，2021;熊曦，2021）的基础上，围绕PSR（Pressure-State-Response）模型，以“压力-状态-响应”为研究基本框架分别建立土地利用转型系统评价指标体系和生态环境系统评价指标体系，然后共同构建土地利用转型和生态环境的评价指标体系（见表2）。

第二步，指标标准化。根据指标正负性，利用极差标准化法对各项指标原始数据进行标准化处理，以避免因各指标单位和数量级不同而对评价结果造成影响。其表达式为：

正向指标的处理：

负向指标的处理：

式（4）、（5）中，X代表土地利用转型评级指标体系中第i个指标的标准化值，max （x）、min（x）分别代表土地利用转型评价指标体系中第个指标的最大和最小指标值。同理可得生态环境评价指标体系中第个指标的标准化值。

第三步，计算指标权重和指标综合评价指数。为避免指标赋权的主观性，采用熵值法对各指标权重进行赋值。根据指标评价结果，运用综合评价模型分别对土地利用转型评价指标体系和生态环境评价指标体系的综合评价指数进行计算。

土地利用转型评价指标体系综合评价指数公式：

生态环境评价指标体系综合评价指数公式：

式（6）、（7）中，F（x）、G（y）分别表示土地利用转型评价体系综合评价指数和生态环境评价指标体系综合评价指数，、分别表示土地利用转型评价体系和生态环境评价指标体系中第个指标和第个指标的权重，m、n分别表示土地利用转型评价体系和生态环境评价指标体系的指标数量。

第四步，计算土地利用转型和生态环境的耦合协调度。

第五步，耦合协调度分级。参照有关学者关于耦合协调度分类标准，依据长株潭城市群实际情况，构建研究区域土地利用转型和生态环境的耦合协调度的分类体系和划分标准（见表3）。

2 結果分析

2.1 长株潭城市群土地利用转型时空特征分析

基于Arcgis10.6得到长株潭城市群2005-2010年（见表4）、2010-2015年（见表5）、2015-2018年（见表6）三期土地利用转移矩阵。

从空间分布格局上来看，城镇生活用地主要分布在长沙市、株洲市和湘潭市的城区，农村生活用地、农业生产用地和工业生产用地主要分布在城市外围以及湘江两侧，生态用地主要分布在城市边缘。从时序上来看，2005-2018年期间，各类用地面积呈现出“五减三增”的态势，城镇生活用地、工业生产用地和其他生态用地呈现出上升的态势，其他五类用地呈现出下降的态势，而生活用地面积的扩张主要来源于生态用地面积的缩减。

分时期来看，2005-2010年期间，在所有用地类型中面积转移幅度最大的是工业生产用地，转移面积是研究初期面积的60.45%，其中工业生产用地转城镇生活用地是其主要用地变化类型。新增面积幅度最大的是工业生产用地，新增面积是研究初期面积的205.68%，其中，林地生态用地和农业生产用地是工业生产用地新增面积的主要来源。这表明区域在发展建设过程中，随着城镇化水平的提高，建设用地占用了大量的农业生产用地和林地生态用地。

2010-2015年期间，面积转移幅度和面积新增幅度最大的是生产用地，期间主要发生的土地利用转型为农业生产用地转变为工业生产用地。但期内各类用地转移面积和幅度相较于2005-2010年期间出现了明显下降，这表明研究区域的快速城镇化得到了控制，生活用地和生产用地占用生态用地的现象大幅减少。

2015-2018年期间，虽然转移面积最多的是农业业生产用地，但是面积转移幅度最大的是其他生态用地，而且二者的面积减少部分都是流向了林地生态用地。新增面积最多的是林地生态用地，面积增加幅度幅度最大的是工业生产用地，二者新增面积的主要来源都是农业生产用地。这表明，长株潭城市群工业生产用地扩张在避免占用生态用地的同时也进一步加强了区域退耕还林的力度。

2.2 长株潭城市群土地利用转型与生态环境耦合协调性分析

基于Excel计算得到长株潭城市群土地利用转型和生态环境指标体系各项指标的权重（见表2）和长株潭城市群2005-2010年、2010-2015年和2015-2018年三期土地利用转型指数、生态环境指数以及土地利用转型与生态环境耦合协调度（见表7）。

2005-2010年期间，研究区域土地利用转型与生态环境的耦合协调度耦合协调值为0.94，属于高度协调类，耦合协调类型为生态环境发展滞后型。在此期间，土地利用转型指数和生态环境综合指数相较于其他两期数值来说偏大，而且两者之间差距较大，这可能是由于长株潭城市群区域规划被正式批准后，区域发展建设得到了政府的大力支持，城镇生活用地和工业生产用地不断向外扩张，对生态用地形成了挤压的态势，土地利用转型和生态环境变化都非常激烈。2010-2015年期间，研究区域土地利用转型与生态环境的耦合协调值降低为0.61，属于较高协调类，其原因可能是研究区域为了响应“两型”社会改革建设工作要求，以长沙中心城区、株洲城区和湘潭城区为核心，采取了局部内涵式的紧凑集中发展，使得城镇生活用地和工业生产用地面积虽然仍有增加，但幅度变小，而且大量占用生态用地的现象也大量减少，具体可以表现为2005-2010年生态用地转移面积为416.62平方千米，而2010-2015年生态用地转移面积只有125.28平方千米。2015-2018年期间，虽然土地利用转型和生态环境的耦合协调类型依然为较高协调类，但其耦合协调度变化幅度略有下降，其原因可能是研究区域为了促进区域一体化，形成了三核相向发展的演进态势。同时在生态文明建设的背景下，区域发展又加强了对于生态绿心的建设，使得区域在生产用地扩张的同时对于区域内的生产用地进行了重新规划，将其复垦成了林地生态用地，具体表现为生产用地转型成为林地生态用地的面积占了林地新增面积的91.62%。

3 结论与讨论

以土地利用的“生产、生活、生态”功能为角度，利用土地利用矩阵、空间分析模型和耦合协调度模型对长株潭城市群土地利用转型和生态环境之间的耦合协调关系进行了研究，结果表明：一是在研究期内，长株潭城市群生态用地减少了281.73平方千米，生产用地减少了3.09平方千米，生活用地增加了284.71平方千米。城镇生活用地、工业生产用地和其他生态用地面积呈现出增加的态势，农村生活用地、农业生产用地、林地生态用地、草地生态用地和水域生态用地呈现出减少的态势。二是研究区域土地利用转型和生态环境保护的耦合协调关系较高，虽然2015-2018年期间耦合协调水平相比2010-2015年期间略有下降，但总体来说耦合协调水平呈下降趋势。

根据研究结果，研究区域在接下来的发展过程中应注意以下两个问题：一是进一步加强对于工业固体废物的综合利用。研究期间，工业固体废物的综合利用率总体上来看虽略有提高，但是自2010年之后，研究区域的工业固体废物的综合利用率就呈现出下降的态势，长沙和株洲两地的工业固体废物利用率分别从2010年的99.73%和96.90%下降到了2018年的82.04%和93.79%。而且，工业固体废物的综合利用率还远低于工业粉尘的去除率和工业废水的排放达标率。因此研究区域未来要注意加强对于工业固体废物的综合利用，进一步减轻区域土地利用对于生态环境的压力。二是进一步提高研究区域的森林覆盖率，并着重提高湘潭市森林覆盖率，提升区域生态涵养能力。研究期内，长株潭地区的森林覆盖率不仅远远低于湖南省整体森林覆盖率，并且还呈现出下降的态势，从2005年的52.25%降到了2018年的49.70%。特别是湘潭市，虽然其森林覆盖率呈现出上升的态势，但其森林覆盖率远低于长株潭平均水平，而且增长幅度偏低，2010-2018年期间，森林覆盖率只从46.13山升到了46.30%。因此要通过进一步提高区域森林覆盖率，特别是湘潭市森林覆盖率来提高区域生态涵养能力，促进区域生态文明建设。

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12.熊曦 肖俊.武陵山片区城镇化与生态环境耦合协调度时空分异研究——以六个中心城市为例.生态学报.2021.15

作者简介：杨佳宝，华中科技大学公共管理学院土地资源管理专业硕士研究生。

郑斌，华中科技大学公共管理学院硕士生导师，博士，副教授。

刘杰，华中科技大学公共管理学院本科生。