熊建新，劉淑華，李文

（湖南文理學院資源環(huán)境與旅游學院，湖南 常德 415000）

洞庭湖區(qū)土地利用變化及其生態(tài)承載力響應

熊建新，劉淑華，李文

（湖南文理學院資源環(huán)境與旅游學院，湖南 常德 415000）

運用土地利用數(shù)量變化模型、程度變化模型以及生態(tài)承載力響應模型，對洞庭湖區(qū)2001～2010年土地利用時空格局及生態(tài)承載力響應進行分析。結果表明：第一，土地利用空間格局劃分為4類：一類是土地利用程度變化快而區(qū)域相對變化小，主要包括岳陽市區(qū)、常德市區(qū)和益陽市區(qū)；二類是土地利用程度變化快且區(qū)域相對變化大，主要包括漢壽縣、華容縣、汨羅市、岳陽縣和臨湘市；三類是土地利用程度變化和區(qū)域相對變化都較小，主要包括南縣、沅江市、桃江縣和湘陰縣；四類是土地利用程度變化較小而區(qū)域相對變化較大，主要包括澧縣、臨澧縣、桃源縣、津市和安鄉(xiāng)縣。第二，生態(tài)承載力對土地利用變化的響應狀態(tài)可分為4類：強超載、超載、弱低載和低載，與土地利用空間格局相一致。第三，生態(tài)承載力與土地利用程度變化量、土地利用程度變化率、區(qū)域差異綜合指數(shù)呈現(xiàn)較強的相關性，土地利用程度變化越快則生態(tài)承載力變化越大、土地利用程度越高則生態(tài)承載力越低。

土地利用變化；生態(tài)承載力；相關性；洞庭湖區(qū)

關于生態(tài)承載力的測算，RobbetGoodland等學者將生物資源、水資源、土地資源、氣候資源等各類資源折算為耕地、林地、牧草地、建設用地、水域和能源用地6大類生物生產(chǎn)性面積來求算①。由此看出，土地利用類型的變化勢必引起生態(tài)承載力的變化，不同時空角度下的這種變化關系已經(jīng)成為眾多學者研究的重點領域②。目前，兩者關系的研究集中在土地利用變化的生態(tài)環(huán)境響應、土地利用變化的生態(tài)服務價值、土地利用變化與生態(tài)承載力相關性、土地利用變化引起生態(tài)承載力時空動態(tài)變化③等方面，而基于土地利用數(shù)量和程度變化的生態(tài)承載力響應研究則處于初始階段④。隨著社會經(jīng)濟活動的不斷加強，人們對土地利用類型的數(shù)量、規(guī)模和程度也隨之加大和深入，關于如何協(xié)調人地關系，定量地權衡區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)對人類社會經(jīng)濟活動系統(tǒng)的支撐和供容能力的探討，具有極強的研究價值和現(xiàn)實意義。就洞庭湖區(qū)而言，其生態(tài)性極弱，而社會經(jīng)濟性極強，一直是各級政府和學術界最為關注的熱點和重點區(qū)域。目前，湖區(qū)已成為我國“十二五”期間構建“十大生態(tài)屏障”之一的長江流域的重點區(qū)域；湖南省委省政府已經(jīng)啟動了國家層面的“環(huán)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟圈”建設工作。學術界從土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響、退田還湖對生態(tài)承載力的影響評價、生態(tài)環(huán)境承載力分析、生態(tài)足跡評價、耕地集約利用評價、生態(tài)承載力綜合評價⑤等方面取得了定性和定量研究成果，而對洞庭湖區(qū)土地利用變化及其生態(tài)承載力響應狀態(tài)的分析則較少。因此，本文基于RS、Arc GIS和SPSS等技術支撐，利用土地利用數(shù)量變化模型、程度變化模型和生態(tài)承載力響應模型，分析土地利用變化引起的生態(tài)承載力響應狀態(tài)，反映洞庭湖區(qū)人類社會經(jīng)濟活動系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，為洞庭湖區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

一 研究區(qū)域概況

洞庭湖區(qū)地處長江中游荊江南岸，地跨湘、鄂兩省，介于28°44′N～29°35′N和111° 53′E～113°05′E之間，占據(jù)長江中游最敏感又脆弱的生態(tài)區(qū)位，大部分地區(qū)海拔高度低于50m，85%以上面積在湖南省轄境內[1]。本文研究范圍界定為岳陽、常德和益陽3個地級市的21個縣（市、區(qū)），其土地面積3.2×104km2，人口1 500萬，分別占湖南省的15%和21%以上。2001～2010年期間，三次產(chǎn)業(yè)結構從27.5:36.7:35.8調整為21.7:41.5：36.8，GDP從837.2億元上升到5 555.9億元。湖區(qū)屬于典型的亞熱帶季風氣候，年均降水量1 200～1 450mm，年均氣溫16.5～17.0℃。河網(wǎng)密布，湘、資、沅、澧四水流經(jīng)，水、土、氣、生物等資源要素豐富[1]。

二 數(shù)據(jù)來源與研究方法

（一）數(shù)據(jù)來源與指標選取

利用ERDAS和Arc GIS軟件對洞庭湖區(qū)2001～2010年遙感影像進行解譯和信息處理，提取洞庭湖區(qū)各種土地利用類型的原始數(shù)據(jù)，人類社會經(jīng)濟的指標數(shù)據(jù)主要通過《湖南省統(tǒng)計年鑒》、《常德市統(tǒng)計年鑒》、《岳陽市統(tǒng)計年鑒》和《益陽市統(tǒng)計年鑒》，以及環(huán)保局等相關部門提供的數(shù)據(jù)獲得。

生態(tài)承載力響應集中反映生態(tài)系統(tǒng)的承載和壓力狀態(tài)。因此，指標選取立足承載和壓力兩個方面，滿足科學性、全面性和可操作性[2]，結合洞庭湖區(qū)自然和社會經(jīng)濟概況，從資源環(huán)境和社會經(jīng)濟兩個方面共篩選出16項針對性較強、便于度量的指標，構建生態(tài)承載力響應指標體系（見表1），符合中國科學院可持續(xù)發(fā)展指標體系的要求⑥。為了消除指標數(shù)據(jù)間量綱和量級的影響，本文使用極差正規(guī)化法⑦，將原始數(shù)據(jù)有效歸一化在[0，1]之間，離散度具有一致性。

（二）研究方法

1.土地利用數(shù)量變化模型。土地利用數(shù)量變化模型用來比較各區(qū)域土地利用數(shù)量的相對變化率，通過區(qū)域差異綜合指數(shù)反映區(qū)域差異特征。常用的土地利用相對變化率（Pj）和區(qū)域差異綜合指數(shù)（Q）計算公式為：

式中，Saj、Sbj分別代表某區(qū)域某種土地利用類型研究初期及末期在本區(qū)域內的比例；Caj、Cbj分別代表全區(qū)某種土地利用類型研究初期及末期在全區(qū)內的比例；n為土地利用類型數(shù)。若P＞0，說明某區(qū)域某種土地類型利用變化幅度大于全區(qū)該類土地的變化，P＜0則表示小于全區(qū)該類土地的變化，而P=0則表示與全區(qū)該類土地變化同步[3]。

2.土地利用程度變化模型。土地利用程度變化模型是一個特定區(qū)域內多種土地利用類型程度變化的綜合結果，集中反映土地利用的廣度和深度，揭示土地利用的綜合水平和變化趨勢。常用的土地利用程度綜合指數(shù)（L）、程度變化量（△Lb-a）和程度變化率（R）計算公式為：

式中，Ai為區(qū)域內第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci為區(qū)域內第i級土地利用程度分級面積百分比；Cib和Cia分別為某區(qū)域b時間和a時間第i級土地利用程度面積百分比；m為土地利用程度分級數(shù)。若△Lb-a＞0或R＞0，表示該區(qū)域土地利用處于發(fā)展時期；若△Lb-a≤0或R≤0則表示該區(qū)域土地利用處于調整期或衰退期[4]。其中，L的值域為[100，400]。分級指數(shù)如表2所示。

3.生態(tài)承載力響應模型。生態(tài)承載力集中反映了生態(tài)系統(tǒng)的承載和壓力狀態(tài)，根據(jù)高吉喜對生態(tài)承載力承壓度判定模式，區(qū)域生態(tài)承載力響應模型可表示為：

式中，ES表示生態(tài)承載指數(shù)，EP表示生態(tài)壓力指數(shù)。RECC=1是一個表征區(qū)域維持最小程度上生態(tài)平衡的臨界值；理想狀態(tài)下，RECC≥1，表示生態(tài)可承載力可以消解生態(tài)壓力，處于低載狀態(tài)；RECC＜1，則表示生態(tài)壓力已超出生態(tài)可承載力的范圍，處于超載狀態(tài)[2]。

三 結果分析

（一）洞庭湖區(qū)土地利用變化的時序演變

第一，從近10年洞庭湖區(qū)土地利用總體情況（見圖1）來看，耕地、水域和未利用土地數(shù)量呈下降趨勢；園地、林地、牧草地和建設用地數(shù)量呈上升趨勢。其中，水域下降幅度較大，降幅達6.18%；耕地和未利用土地下降幅度較小，降幅分別達3.5%和1.83%；林地和建設用地升幅分別達4.28%和1.76%，園地和牧草地稍有增加，變化幅度不明顯。第二，從近10年洞庭湖區(qū)土地利用的相對變化幅度（見表3）來看，水域、林地、耕地、建設用地和未利用土地變化幅度較大，其中水域、耕地和未利用土地呈現(xiàn)負向變化，林地和建設用地呈現(xiàn)正向變化。這種變化趨勢既反映出“退耕還林還草”等生態(tài)工程措施取得了初步成效，也形成了建設用地與生態(tài)用地之爭的局面。隨著城鎮(zhèn)化進程的快速推進，城市建設用地不斷侵占生態(tài)用地的趨勢日漸突出，土地利用類型之間的流轉趨勢也日益明顯。

（二）洞庭湖區(qū)土地利用變化的區(qū)域差異

1.土地利用數(shù)量變化的區(qū)域差異。利用公式（1），測算出各類土地類型的相對變化率和區(qū)域差異綜合指數(shù)（見表4）?？梢钥闯觯旱谝唬愋蜕?，耕地的相對變化率漢壽縣最大，達5.756，津市和澧縣次之，沅江市等縣域變化較??；園地的相對變化率臨湘市最大，達3.468，益陽市區(qū)、常德市區(qū)次之，南縣等區(qū)域變化較?。涣值氐南鄬ψ兓式蚴凶畲?，達1.246，大部分區(qū)域變化較小，其中臨湘市最??；牧草地的相對變化率湘陰縣最大，達2.546，由于牧草地在整個土地類型中所占的比例最小，大部分區(qū)域變化不明顯；15個區(qū)域的建設用地變化幅度小于整個洞庭湖區(qū)的變化，只有南縣和桃江縣的變化幅度大于全區(qū)；16個區(qū)域的水域變化幅度小于整個洞庭湖區(qū)的變化，只有桃江縣的變化幅度大于全區(qū)；岳陽市和常德市13個區(qū)域的未利用土地變化幅度均大于整個洞庭湖區(qū)，而益陽市4個區(qū)域的變化幅度均小于全區(qū)。第二，總體變化上，湘陰縣、沅江市、南縣和桃江縣等4個區(qū)域差異綜合指數(shù)小于0；其余13個區(qū)域差異綜合指數(shù)大于0，其中臨澧縣和津市等2個區(qū)域差異綜合指數(shù)最高，達0.95左右；岳陽市區(qū)、常德市區(qū)和益陽市區(qū)等3個區(qū)域差異綜合指數(shù)較低，分別為0.139、0.157和0.187。

2.土地利用程度變化的區(qū)域差異。利用公式（2），測算出洞庭湖區(qū)各區(qū)域的土地利用程度綜合指數(shù)、土地利用程度變化量和土地利用程度變化率（見表5）?？梢钥闯觯旱谝?，土地利用程度變化率R＞0，土地處于發(fā)展期的地區(qū)主要包括：岳陽市區(qū)、華容縣、岳陽縣、臨湘市、常德市區(qū)、漢壽縣、桃源縣、澧縣、臨澧縣、汨羅市、安鄉(xiāng)縣、津市、益陽市區(qū)。其中，在R＞0的區(qū)域中，常德市區(qū)、岳陽市區(qū)、益陽市區(qū)土地利用程度變化較大，處于快速發(fā)展時期；岳陽縣、華容縣、汨羅市、臨湘市、漢壽縣土地利用程度變化不大，處于一般發(fā)展時期；安鄉(xiāng)縣、桃源縣、澧縣、臨澧縣、津市的土地利用程度變化較慢，處于一個慢速發(fā)展期。第二，土地利用程度變化率R＜0，土地處于調整或衰退期的地區(qū)主要包括：湘陰縣、南縣、桃江縣、沅江市。

3.土地利用變化的空間格局。根據(jù)土地利用數(shù)量變化模型和土地利用程度變化模型運行結果，可以將洞庭湖區(qū)的土地利用空間格局分為4類：一類區(qū)域是土地利用程度變化快而區(qū)域相對變化小，主要包括岳陽市區(qū)、常德市區(qū)和益陽市區(qū)。該類區(qū)域的特點是城市化水平較高，建設用地比例高，城市發(fā)展比較成熟。二類區(qū)域是土地利用程度變化快且區(qū)域相對變化大，主要包括漢壽縣、華容縣、汨羅市、岳陽縣和臨湘市。該類區(qū)域的特點是城市化水平快速增長，耕地數(shù)量迅速減少，建設用地持續(xù)快速增加。三類區(qū)域是土地利用程度變化和區(qū)域相對變化都較小，主要包括南縣、沅江市、桃江縣和湘陰縣。該類區(qū)域的特點是城市化水平平穩(wěn)增長，耕地平穩(wěn)遞減，建設用地平穩(wěn)增加。四類區(qū)域是土地利用程度變化較小而區(qū)域相對變化較大，主要包括澧縣、臨澧縣、桃源縣、津市和安鄉(xiāng)縣。該類區(qū)域的特點是城市化水平較慢，耕地數(shù)量減少也較慢。

（三）洞庭湖區(qū)生態(tài)承載力對土地利用變化的響應

運用SPSS統(tǒng)計軟件對標準化處理后的數(shù)據(jù)進行主成分分析，可得因子負荷矩陣和主成分因子特征值及方差的累積貢獻率（見表6、表7）。根據(jù)表6和表7的統(tǒng)計結果，各因子的方差累積貢獻率超過85%，較好地滿足了因子選取原則，并可以將上述指標分為承載類指標和壓力類指標。其中，因子2、因子3為壓力類指標，因子1、因子4為承載類指標。由此可以得出：

式中，P1、P2、P3、P4為各因子方差貢獻率，F(xiàn)1、F2、F3、F4為各因子得分。利用公式（3）和公式（4）計算2010年洞庭湖區(qū)各區(qū)域的生態(tài)承載力，參考高吉喜的觀點，將洞庭湖區(qū)生態(tài)承載力響應狀態(tài)劃分為4個層次（見表8）：強超載的區(qū)縣是岳陽市區(qū)、常德市區(qū)、益陽市區(qū)；超載的區(qū)縣是漢壽縣、華容縣、汨羅市、岳陽縣、臨湘市；低載的區(qū)縣是南縣、沅江市、桃江縣、湘陰縣；弱低載的區(qū)縣是澧縣、臨澧縣、桃源縣、津市、安鄉(xiāng)縣。由此可以看出，洞庭湖區(qū)各區(qū)域的生態(tài)承載力存在比較明顯的差異，在區(qū)域發(fā)展水平上表明洞庭湖區(qū)社會經(jīng)濟和資源環(huán)境的協(xié)調性不甚理想。

從生態(tài)承載力與土地利用程度變化量、土地利用程度變化率、區(qū)域差異綜合指數(shù)的相關性（見表9）可以看出，在1%顯著性水平下，洞庭湖區(qū)RECC與△Lb-a、R 和Q具有顯著的負相關，相關系數(shù)分別為-0.950、-0.798 和-0.812。結合土地利用數(shù)量變化和程度變化的分析結果，可以看出土地利用程度變化越快的地區(qū)，生態(tài)承載力的變化越大；土地利用程度越高的地區(qū)，生態(tài)承載力越低。反之亦然。

結論

2001年以來，洞庭湖區(qū)土地利用狀況發(fā)生了差異性變化。耕地、水域和未利用土地不斷減少，園地、林地、牧草地和建設用地不斷增加；水域、林地、耕地、建設用地和未利用土地變化幅度較大，其中水域、耕地和未利用土地呈現(xiàn)負向變化，林地和建設用地呈現(xiàn)正向變化。這種變化狀況反映出人類社會經(jīng)濟活動是造成各種土地利用類型之間流轉的主要驅動力。

洞庭湖區(qū)土地利用數(shù)量變化和程度變化引起了生態(tài)承載力的變化。研究發(fā)現(xiàn)，洞庭湖區(qū)生態(tài)承載力對土地利用變化的響應狀態(tài)可分為4類，與土地利用空間格局4類相一致。相關分析表明土地利用變化與生態(tài)承載力之間存在著較強相關性，土地利用程度變化越快的地區(qū)，生態(tài)承載力的變化越大；土地利用程度越高的地區(qū)，生態(tài)承載力越低。

影響生態(tài)承載力變化的因素較多，從土地利用變化的角度對其進行研究只是一個方面。由于指標選取欠全面，時間跨度較短，研究方法較單一，使得研究結果欠客觀。定量分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)對人類社會經(jīng)濟活動系統(tǒng)的承受和維育能力，還需要基于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和區(qū)域協(xié)調系統(tǒng)的視角，從不同時空角度，利用先進的研究方法對生態(tài)承載力動態(tài)變化作深入研究。

注釋：

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

②參見：趙先貴、肖玲、蘭葉霞《陜西省生態(tài)足跡和生態(tài)承載力動態(tài)研究》，載《中國農業(yè)科學》2005年第38卷第4期，第746-753頁；翁伯琦、王義祥、黃毅斌《福建省生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的動態(tài)變化》，載《應用生態(tài)學報》2006年第17卷第11期，第2153-2157頁。

③分別參見：涂小松、濮勵杰《蘇錫常地區(qū)土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應》，載《地理研究》2008年第27卷第3期，第583-593頁；劉慶、王靜、史衍璽等《經(jīng)濟發(fā)達區(qū)土地利用變化與生態(tài)服務價值損益研究》，載《中國土地科學》2007年第21卷第2期，第18-24頁；郭林、張浩、王祥榮《廣東佛山市土地利用格局與生態(tài)承載力相關性研究》，載《中國生態(tài)農業(yè)學報》2007年第15卷第5期，第193-196頁；岳東霞、杜軍、劉俊艷等《基于RS和轉移矩陣的涇河流域生態(tài)承載力時空動態(tài)評價》，載《生態(tài)學報》2011年第31卷第9期，第2550-2558頁。

④參見：顧康康、劉景雙、竇晶鑫《資源型城市生態(tài)承載力對土地利用變化的響應》，載《生態(tài)與農村環(huán)境學報》2007年第23卷第2期，第7-11頁。

⑤分別參見：謝春花、王克林、陳洪松等《土地利用變化對洞庭湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響》，載《長江流域資源與環(huán)境》2006年第15卷第2期，第191-195頁；陶衛(wèi)春、王克林、陳洪松等《退田還湖工程對洞庭湖生態(tài)承載力的影響評價》，載《中國生態(tài)農業(yè)學報》2007年第15卷第3期，第155-160頁；姜加虎、黃群《洞庭湖生態(tài)環(huán)境承載力分析》，載《生態(tài)環(huán)境》2004年第13卷第3期，第354-357頁；尹少華、安消云《基于可持續(xù)發(fā)展的洞庭湖流域生態(tài)足跡評價研究》，載《中南林業(yè)科技大學學報》2011年第31卷第6期，第107-110頁；張曄、鄧楚雄、謝炳庚等《湖南省環(huán)洞庭湖三市耕地集約利用模糊綜合評價》，載《武陵學刊》2011年第36卷第6期，第82-86頁；熊建新、陳端呂、謝雪梅《基于狀態(tài)空間法的洞庭湖區(qū)生態(tài)承載力綜合評價研究》，載《經(jīng)濟地理》2012年第32卷第11期，第138-142頁。

⑥參見：中國科學院可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究組《中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略報告》，科學出版社2008年版，第353-385頁。

⑦參見：胡秉民、王兆騫、吳建軍等《農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結構指標體系及其量化方法研究》，載《應用生態(tài)學報》1992年第3卷第2期，第144-148頁。

[1] 竇鴻身，姜加虎.洞庭湖[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2000：3-10.

[2] 高吉喜.可持續(xù)發(fā)展理論探討：生態(tài)承載力理論、方法與應用[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2001.

[3] 朱會義，李秀斌.關于區(qū)域土地利用變化指數(shù)模型方法的討論[J].地理學報，2003，58（5）：643-650.

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（責任編輯：田皓）

F301.24

A

1674-9014（2013）05-0024-06

2013-07-26

國家哲學社會科學基金項目“洞庭湖區(qū)生態(tài)承載力及其內部系統(tǒng)耦合協(xié)調發(fā)展研究”（13BJY025）；教育部人文社會科學規(guī)劃基金項目“生態(tài)承載力調控下洞庭湖區(qū)域經(jīng)濟、社會和環(huán)境響應機制及預警研究”（12YJAZH166）、“區(qū)域生態(tài)型城市化研究——以環(huán)洞庭湖區(qū)域為例”（12YJAZH146）；湖南省哲學社會科學基金項目“基于生態(tài)承載力的環(huán)洞庭湖區(qū)域協(xié)調發(fā)展研究”（11JD53）。

熊建新，男，湖南常德人，湖南文理學院資源環(huán)境與旅游學院副教授，碩士，研究方向為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。