黃春華，呂靖童，王志遠(yuǎn)，3*，張 考 ，李 欣

(1.南華大學(xué)建筑學(xué)院，衡陽(yáng) 421001；2.湖南省健康城市營(yíng)造工程技術(shù)研究中心，衡陽(yáng) 421001；3.生態(tài)型區(qū)域-城市規(guī)劃與管理衡陽(yáng)市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，衡陽(yáng) 421001)

土地利用/覆被變化受自然因素和人類活動(dòng)的共同影響，是人類活動(dòng)改變地球科學(xué)系統(tǒng)最直觀的表現(xiàn)，也是國(guó)土空間規(guī)劃關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。2019年第四屆全球土地計(jì)劃開放科學(xué)大會(huì)指出，從土地系統(tǒng)科學(xué)的視角來(lái)解決當(dāng)前人與自然耦合系統(tǒng)的復(fù)雜問(wèn)題正逐漸成為研究關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。中國(guó)人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模龐大，僅在1992—2018年，城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)了2.35倍，不斷擴(kuò)張的城鄉(xiāng)建設(shè)用地侵占了農(nóng)業(yè)和生態(tài)用地空間，人與自然之間，生產(chǎn)與生活活動(dòng)之間以及自然生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部均在不同空間尺度上存在著難以調(diào)和的矛盾，嚴(yán)重威脅到區(qū)域的生態(tài)安全，干擾到國(guó)土空間開發(fā)秩序[2]。

在城鄉(xiāng)建設(shè)用地演變的相關(guān)研究中，景觀指數(shù)是最常用的一種描述土地利用類型幾何特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)[3],但卻無(wú)法很好說(shuō)明引起土地利用變化的原因。因此，越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)Logistic回歸模型、多元線性回歸、地理探測(cè)器、地理加權(quán)回歸等方法探究土地利用演變驅(qū)動(dòng)力。王雅竹等[4]通過(guò)多元回歸和地理探測(cè)器從時(shí)間和空間兩個(gè)角度探究江蘇省建設(shè)用地?cái)U(kuò)張驅(qū)動(dòng)因子；Behera等[5]通過(guò)Logistic回歸模型分析了印度恒河流域土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素；Zhou等[6]將地理探測(cè)器和地理加權(quán)回歸模型結(jié)合起來(lái)，分別探究了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)用地演變驅(qū)動(dòng)因素的全局和局部影響。從研究尺度來(lái)看，驅(qū)動(dòng)因素在不同時(shí)空尺度下的結(jié)果差異顯著。Schneeberger等[7]分別從全球、國(guó)家、城市等多空間尺度對(duì)瑞士阿爾卑斯山北部景觀格局演變驅(qū)動(dòng)力因子進(jìn)行識(shí)別，研究顯示,全球尺度以技術(shù)因子主導(dǎo),城市尺度則以政策自然因子主導(dǎo)；吳健生等[8]對(duì)深圳市各區(qū)建設(shè)用地演變的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行研究，進(jìn)一步探討了因子在微觀尺度下的地區(qū)差異。此外，研究區(qū)域多集中于單個(gè)城市[9-10]或城市群[11-12]，對(duì)小城鎮(zhèn)的研究相對(duì)缺乏。在因子的選擇上，規(guī)劃政策方面的驅(qū)動(dòng)因子難以量化，盡管已有學(xué)者通過(guò)鄰域轉(zhuǎn)換規(guī)則思想，將生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線納入模型[13]，但較少考慮諸如道路交通建設(shè)、開發(fā)區(qū)建設(shè)等推動(dòng)城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃政策。因此，研究借助景觀擴(kuò)張指數(shù)[14]，定量化相關(guān)政策對(duì)于城鄉(xiāng)建設(shè)用地演變的積極影響，進(jìn)一步探究政策因素對(duì)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)作用。

洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分，是“共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”主體區(qū)域，優(yōu)化其國(guó)土空間開發(fā)保護(hù)格局具有典型意義。然而快速的城鎮(zhèn)化和復(fù)雜的湖垸、江湖關(guān)系使得該區(qū)生態(tài)脆弱性表現(xiàn)得特別突出[15-17]。目前，關(guān)于洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地利用演變的研究已經(jīng)取得了不少成果，主要集中在濕地保護(hù)[18]、土地利用變化[19]以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估[20]等方面，以往的研究主要關(guān)注耕地、濕地等生態(tài)用地的景觀格局演變，而對(duì)建設(shè)用地的變化及其驅(qū)動(dòng)因素研究較少。因此，現(xiàn)以洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的遙感影像為基礎(chǔ)，借助土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和景觀格局指數(shù)分析土地利用覆被演變過(guò)程；利用Logistic回歸模型分別探究全域和縣(市、區(qū))尺度下的建設(shè)用地演變驅(qū)動(dòng)因素；將景觀擴(kuò)張指數(shù)作為體現(xiàn)政策作用的量化指標(biāo)，補(bǔ)充模型在政策法規(guī)方面考慮的不足。

1 研究區(qū)概況

洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)處于長(zhǎng)江中游，位于27°98′～30°23′N，110°20′～114°14′E，主要地形為沖積平原、湖泊水網(wǎng)以及周邊的山地丘陵，地形復(fù)雜，對(duì)維護(hù)長(zhǎng)江流域生態(tài)系統(tǒng)健康起著重要的作用[21]。2014年4月14日，國(guó)務(wù)院正式批復(fù)了《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》，標(biāo)志著洞庭湖地區(qū)的開發(fā)正式上升為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。研究范圍如圖1所示，包括湖南省岳陽(yáng)市、常德市、益陽(yáng)市、長(zhǎng)沙市望城區(qū)以及湖北省荊州市，總面積60 500 km2。該區(qū)域城鎮(zhèn)發(fā)展迅速，土地利用覆被發(fā)生了較大變化。

圖1 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)行政區(qū)劃Fig.1 Administrative division of Dongting Lake eco-economic zone

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究采用的土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于2000年、2010年、2020年3個(gè)時(shí)期，空間分辨率為30 m的Landsat TM和Landsat ETM影像數(shù)據(jù)。在ArcGIS10.2和Erdas9.2中進(jìn)行監(jiān)督分類和目視修改，得到洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地利用類型，在ENVI 5.1中利用谷歌地球?qū)b感圖像進(jìn)行精度判定與修正，結(jié)果顯示精度達(dá)到91.3%可用于土地利用演變特征的研究。土地利用分類參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6種類型。利用國(guó)家地理信息中心提供的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)，進(jìn)行影像校正和坡度分析，獲得高程要素和坡度要素。此外，1 km網(wǎng)格的人口和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product，GDP)空間分布數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，道路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心數(shù)據(jù)下載自https://www.openstreetmap.org/，并運(yùn)用地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)的歐氏距離分析功能，提取柵格到主要公路、鐵路、水系和原有鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心的距離。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析

(1)土地利用年變化率和動(dòng)態(tài)度。采用土地利用年變化率和土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)分析研究區(qū)不同時(shí)段內(nèi)某種土地類型的變化速率及劇烈程度[22]，計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：Ki為第i類土地利用類型年變化率；Ui為監(jiān)測(cè)開始時(shí)第i類土地利用類型的總面積；ΔUi,j為監(jiān)測(cè)開始至結(jié)束時(shí)段內(nèi)第i類景觀類型與其他景觀類型j相互轉(zhuǎn)換后的凈變化面積；t為研究時(shí)長(zhǎng)。

(2)

式(2)中：Di為土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua為研究區(qū)總面積；|ΔUi,j|為監(jiān)測(cè)開始至監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型與其他類土地利用類型j相互轉(zhuǎn)化面積的絕對(duì)值。

(2)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映了研究時(shí)段內(nèi)由一種土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋偷拿娣e，以及由其他土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)榇送恋乩妙愋偷拿娣e[23]，表達(dá)式為

(3)

式(3)中：n為景觀類型總數(shù)；i為轉(zhuǎn)移前的景觀類型；j為轉(zhuǎn)移后的景觀類型；Sij為轉(zhuǎn)移前的i景觀類型換成轉(zhuǎn)移后的j景觀類型的面積。

2.2.2 景觀格局動(dòng)態(tài)分析

景觀指數(shù)是景觀格局分析中最常用的一種定量化方法[24]，主要借助Fragstats4.2軟件對(duì)景觀類型組成及其空間格局變化進(jìn)行分析[25]。研究選取斑塊數(shù)量(number of patches，NP)、平均斑塊面積(mean patch size，MPS)用于表征景觀破碎程度；香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon’s diversity index，SHDI)用于表征景觀多樣性；景觀形狀指數(shù)(landscape shape index，LSI)、邊緣密度(edge density，ED)、蔓延度(CONTAG)用于表征景觀形狀及分布，計(jì)算公式及生態(tài)學(xué)意義如表1所示。

表1 景觀格局指數(shù)及其生態(tài)學(xué)意義Table 1 Landscape indices and their ecological meaning

2.2.3 驅(qū)動(dòng)力分析

通過(guò)Logistic回歸模型分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與自然因素對(duì)城鄉(xiāng)建設(shè)用地的驅(qū)動(dòng)作用，利用景觀擴(kuò)張指數(shù)，定量化相關(guān)政策對(duì)城鄉(xiāng)建設(shè)用地演變的影響。

1)Logistic回歸分析

Logistic回歸分析被廣泛應(yīng)用于土地利用演變的驅(qū)動(dòng)力研究，能夠確定每個(gè)因素的重要性并包含空間信息[26-27]。研究運(yùn)用Logistic回歸模型篩選對(duì)土地利用變化影響較為顯著的因子，刪除影響不顯著的因子，從而獲得不同驅(qū)動(dòng)因素與景觀類型分布的關(guān)系[28]，其計(jì)算公式為

(4)

對(duì)Pi進(jìn)行對(duì)數(shù)變換后得

(5)

式中：Pi為轉(zhuǎn)化的用地中可能轉(zhuǎn)化為景觀類型i的概率；Pi/(1-Pi)為轉(zhuǎn)變?yōu)榈趇種景觀類型的機(jī)會(huì)比率；Xi為第i個(gè)驅(qū)動(dòng)因子；βi為其對(duì)應(yīng)的系數(shù)，表現(xiàn)為當(dāng)其他因素不變時(shí)，驅(qū)動(dòng)因子X(jué)i每增加一個(gè)單位所帶來(lái)的Pi的變化；β0為常數(shù)項(xiàng)。

由景觀演變分析可知，研究區(qū)建設(shè)用地是所有地類中擴(kuò)張最為顯著的，分析建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因素有助于緩和日益破碎的景觀生態(tài)系統(tǒng)，維持區(qū)域景觀格局穩(wěn)定性。因此，以是否轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地作為因變量，遵循全面性、相關(guān)性、可獲取性原則，結(jié)合已有學(xué)者的研究成果[29]，選取了常用的兩種驅(qū)動(dòng)因子類型，如表2所示。為避免數(shù)據(jù)的空間自相關(guān)性，且保證數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)性，研究采用隨機(jī)抽樣的方法選取研究區(qū)內(nèi)的10 000個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，將自變量生成的變化圖與隨機(jī)點(diǎn)疊加處理，提取建設(shè)用地轉(zhuǎn)化圖的樣本值作為因變量值，并將ArcGIS10.2中提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以排除量綱對(duì)分析結(jié)果的影響，通過(guò)Logistic回歸模型，采用正向逐步回歸與直接輸入法分別在全域及縣(市、區(qū))尺度對(duì)驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行篩選，進(jìn)而分析其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。該研究中使用方差膨脹因子(variance inflation factor，VIF)排除共線性影響，使用似然比檢驗(yàn)(likelihood ratio，LR)檢驗(yàn)回歸方程的擬合優(yōu)度，使用ROC檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)效果。

表2 城鎮(zhèn)景觀格局演變驅(qū)動(dòng)因素Table 2 Driving forces of urban landscape pattern

2)景觀擴(kuò)張指數(shù)

與傳統(tǒng)的景觀格局指數(shù)相比，景觀擴(kuò)張指數(shù)(landscape expansion index，LEI)能夠表達(dá)景觀格局的動(dòng)態(tài)信息，武鵬飛等[30]根據(jù)目前景觀擴(kuò)張指數(shù)的不足，提出一種新的景觀擴(kuò)張指數(shù)的定義與實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算公式為

(6)

式(6)中：LEI為斑塊水平的景觀擴(kuò)張指數(shù)；Ap為擴(kuò)張斑塊面積；A0為與擴(kuò)張斑塊處于相鄰關(guān)的斑塊面積；LEI將景觀擴(kuò)張模式分為兩種，當(dāng)LEI=1時(shí)，景觀的空間擴(kuò)張模式為外部擴(kuò)張式；當(dāng)-1

(7)

式(7)中：MLEI為斑塊類型水平的景觀擴(kuò)張指數(shù)，LEIi為第i個(gè)擴(kuò)張斑塊的景觀擴(kuò)張指數(shù)；n為該斑塊類型內(nèi)所有擴(kuò)張斑塊的數(shù)量，指數(shù)計(jì)算均在ArcGIS10.2的空間分析功能中完成。

土地相關(guān)的規(guī)劃政策能夠強(qiáng)制約束景觀格局形成。一般情況下，當(dāng)政策引導(dǎo)新增建設(shè)用地脫離原城鎮(zhèn)中心發(fā)展時(shí)，城鎮(zhèn)外部擴(kuò)張式斑塊較多，擴(kuò)張斑塊數(shù)量變化較小，MLEI升高；當(dāng)政策由鼓勵(lì)水平擴(kuò)張轉(zhuǎn)向優(yōu)化內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)時(shí)，擴(kuò)張斑塊數(shù)量變化較小，MLEI升高或幾乎不變；當(dāng)政策引導(dǎo)新增建設(shè)用地圍繞原中心向外擴(kuò)張時(shí)，新增擴(kuò)張斑塊以鄰接擴(kuò)張式為主，擴(kuò)張斑塊數(shù)量升高，MLEI下降。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用變化動(dòng)態(tài)特征

2000—2020年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地利用類型面積變化結(jié)果如表3所示，耕地和林地為研究區(qū)主要景觀類型，其面積占研究區(qū)總面積的80%左右，水域面積所占比例維持在12%以上，建設(shè)用地、未利用地和草地面積較小，均未超過(guò)4%。各土地利用類型空間分布如圖2所示，林地主要分布在南部及西部山區(qū)且狀態(tài)穩(wěn)定；耕地分布范圍最廣，但分布面積有所減少；草地和未利用地主要分布在水域周圍，空間波動(dòng)較大；水域空間分布穩(wěn)定，分布面積略有增加；建設(shè)用地主要分布在地勢(shì)較為平緩的低地且面積有逐漸增大趨勢(shì)。

圖2 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2000、2010和2020年土地利用類型分布圖Fig.2 Land-use types distribution of Dongting Lake Eco-economic Zone in 2000,2010 and 2020

根據(jù)土地利用類型的年變化率和土地利用類型動(dòng)態(tài)度公式計(jì)算結(jié)果如表3所示，2000—2020年，各景觀類型面積均發(fā)生了不同程度的變化，其中耕地面積變化較為劇烈并呈現(xiàn)單調(diào)的下降趨勢(shì)，且2010年之后變化的劇烈程度減弱、下降速度放緩；建設(shè)用地面積持續(xù)增加，2000—2020年，建設(shè)用地增加的速度最快，其年變化速率分別為1.968%、1.973%，2010—2020年動(dòng)態(tài)度僅次于耕地為0.082%，說(shuō)明城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)進(jìn)入較為活躍的發(fā)展時(shí)期；林地面積有所下降但總體保持相對(duì)穩(wěn)定，2000—2020年其年變化速率分別為0.002%、-0.070%；2000—2010年，水域面積增長(zhǎng)速度較快，變化較為劇烈，其年變化率為0.537%，動(dòng)態(tài)度為0.069%，2010—2020年水域面積變化趨于穩(wěn)定，年變化率和動(dòng)態(tài)度均大幅下降；草地和未利用地主要分布于洞庭湖周邊的灘涂以及河流的兩側(cè)，受水文影響，其面積變化呈現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的趨勢(shì)。

2000—2010年耕地、林地為主要的轉(zhuǎn)出類型，建設(shè)用地、水域?yàn)橹饕霓D(zhuǎn)入類型。根據(jù)研究區(qū)不同時(shí)段內(nèi)面積轉(zhuǎn)移矩陣如表4所示，2000—2010年耕地轉(zhuǎn)入類型中，水域的轉(zhuǎn)入面積最多，為415.81 km2,同時(shí)又有1 010.26 km2的耕地轉(zhuǎn)化為水域；除水域外，林地也是耕地的主要轉(zhuǎn)入類型，為153.86 km2，同時(shí)又有304.09 km2的耕地轉(zhuǎn)化為林地；耕地與林地、水域之間的相互轉(zhuǎn)化強(qiáng)度較大，耕地與建設(shè)用地之間也有相互轉(zhuǎn)移。2010—2020年，耕地的轉(zhuǎn)移特點(diǎn)基本與2000—2010年相同，耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積大幅增加，林地與耕地相互轉(zhuǎn)化的面積也有所增加。

表4 2000—2020年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Transform matrix of land use in Dongting Lake eco-economic zone from 2000 to 2020

2000—2010年建設(shè)用地的增加較為明顯，對(duì)其增加影響較大的景觀類型為耕地和林地，其中，耕地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)建設(shè)用地的面積高達(dá)323.78 km2，僅有71.8 km2建設(shè)用地轉(zhuǎn)移為耕地，即耕地成為湖區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的主要來(lái)源。2010—2020年，建設(shè)用地面積的增加來(lái)源與之前基本相同，且耕地和林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的幅度更大，分別為626.01 km2和162.16 km2，同時(shí)，僅有309.45 km2和26.67 km2建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為耕地和林地。

3.2 景觀格局變化特征

3.2.1 斑塊類型水平變化特征

2000—2020年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)各用地斑塊類型變化如圖3所示，斑塊數(shù)量均呈上升趨勢(shì)，除建設(shè)用地外，平均斑塊大小均呈下降趨勢(shì),說(shuō)明在快速城鎮(zhèn)化的影響下各斑塊個(gè)數(shù)不斷增加，建設(shè)用地的擴(kuò)張導(dǎo)致其他用地被分割的越來(lái)越多，面積越來(lái)越小，景觀破碎化加劇。

圖3 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)斑塊類型水平指數(shù)變化Fig.3 Changes of landscape metrics in class level of Dongting Lake eco-economic zone

從邊緣密度的動(dòng)態(tài)特征來(lái)看，建設(shè)用地的優(yōu)勢(shì)度逐年上升，但耕地和林地仍然是研究區(qū)的主要景觀，其優(yōu)勢(shì)地位穩(wěn)定，說(shuō)明盡管在城鎮(zhèn)擴(kuò)張的過(guò)程中存在不同程度的侵占，但隨著 “退耕還林”“移民建鎮(zhèn)”等政策措施的實(shí)施使得城鎮(zhèn)化進(jìn)程初期無(wú)序化擴(kuò)張的狀況逐漸改善，各景觀形狀的復(fù)雜程度有所減弱。水域的形狀指數(shù)和邊緣密度均呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明在“退田還湖”等生態(tài)保護(hù)政策的影響下，使得原本零散的水域斑塊逐漸恢復(fù)聯(lián)系，水域集聚程度增加，邊界趨于規(guī)則化。

3.2.2 景觀水平變化特征

2000—2020年隨著建設(shè)用地大斑塊的增加，耕地和林地景觀的連通性被打斷，破碎化程度升高，導(dǎo)致整體景觀蔓延度不斷降低。如圖4所示，景觀形狀指數(shù)升高說(shuō)明城鎮(zhèn)建設(shè)等人類活動(dòng)使得各景觀類型呈現(xiàn)出離散分布的趨勢(shì)，與平均斑塊大小結(jié)合來(lái)看，景觀離散度與破碎度增強(qiáng)，研究區(qū)受人類活動(dòng)的干擾程度加大，景觀格局由簡(jiǎn)單變得復(fù)雜。香農(nóng)多樣性指數(shù)持續(xù)增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速度加快，表明各景觀類型所占比例均衡化趨勢(shì)顯著，作為優(yōu)勢(shì)景觀類型的耕地和林地對(duì)整個(gè)景觀的控制作用減弱，土地開發(fā)利用速度加快。

圖4 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)景觀水平指數(shù)變化Fig.4 Changes of landscape metrics in landscape level of Dongting Lake eco-economic zone

3.3 城鄉(xiāng)建設(shè)用地演變驅(qū)動(dòng)因素分析

3.3.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然因素

2000—2020年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)全域尺度建設(shè)用地演變的Logistic回歸模型中，方差膨脹因子VIF在1.006～2.206，排除多重變量共線性；LR檢驗(yàn)的P=0.000，模型整體上是顯著的；受試者特征曲線(receiver operate curve，ROC)值為0.718，模型擬合效果較優(yōu)；預(yù)測(cè)正確率為78.3%，模型較為穩(wěn)定，相關(guān)分析結(jié)果如表5所示。

影響2000—2020年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)用地變化的驅(qū)動(dòng)因子主要為社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子，其中，人口密度及至鐵路、公路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心、水系距離的回歸系數(shù)分別為0.318、0.058、-0.468、-0.486、-0.171，人口密度和至鐵路距離系數(shù)為正，表明當(dāng)其他變量不變時(shí)，人口密度和至鐵路距離每增加一個(gè)單位，轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的可能性將增加到原來(lái)的e0.318倍和e0.058，即1.374倍和1.060倍。其余指標(biāo)系數(shù)均為負(fù)，表明當(dāng)其他變量不變時(shí)，距離水系、公路及鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心距離分別每增加1個(gè)單位，其他用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的可能分別減少到原來(lái)的0.843、0.626及0.615倍。由Wald統(tǒng)計(jì)量可知，距鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心距離對(duì)建設(shè)用地變化的貢獻(xiàn)量最大，貢獻(xiàn)率為435.241，其次為至公路距離和人口密度，貢獻(xiàn)率分別為369.345和209.735，距鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心距離、交通可達(dá)性及人口對(duì)研究區(qū)建設(shè)用地景觀分布影響顯著。由于人口不斷從距鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心距離較遠(yuǎn)、交通可達(dá)性較差的區(qū)域向城鎮(zhèn)及主要交通沿線聚攏，使得城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張更有可能發(fā)生在人口密度較大、社會(huì)經(jīng)濟(jì)資源豐富和交通可達(dá)性較好的區(qū)域。

在縣(市、區(qū))尺度上建設(shè)用地演變的Logistic回歸模型中，經(jīng)共線性診斷，保證方差膨脹因子VIF<5，所選因子不具備共線性；LR檢驗(yàn)的P均為0.000，模型整體上是顯著的；ROC值均大于70%，模型擬合效果良好，相關(guān)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)縣(市、區(qū))尺度建設(shè)用地演變驅(qū)動(dòng)因子回歸系數(shù)(P<0.1)Fig.5 Driving forces regression coefficients of construction land evolution in counties of Dongting Lake eco-economic zone (cities,districts)(P<0.1)

2000—2020年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)縣(市、區(qū))尺度建設(shè)用地驅(qū)動(dòng)因子在不同區(qū)域上的驅(qū)動(dòng)作用存在差異。距鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心距離與建設(shè)用地?cái)U(kuò)張呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即距鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心越近，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度越大，其他土地類型轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的可能越高。其中，南縣和沅江市受其驅(qū)動(dòng)作用最為突出。除社會(huì)因素外，區(qū)位因素也是促進(jìn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)因子，距鐵路、公路的距離越近，交通可達(dá)性越好的區(qū)域轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的機(jī)會(huì)越大，南縣、資陽(yáng)區(qū)及津市建設(shè)用地演變受交通可達(dá)性的影響最為顯著，資陽(yáng)區(qū)受鐵路的影響大于公路，而津市則相反，南縣受公路和鐵路的影響均較為顯著。這主要是由于其鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心鄰近主要道路，在社會(huì)因素與區(qū)位因素的共同作用下，城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的機(jī)會(huì)大大增加。由于交通可達(dá)性的驅(qū)動(dòng)作用略弱于鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心的帶動(dòng)作用，因此在鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心遠(yuǎn)離主要道路的區(qū)域，如松滋市，可達(dá)性因子反而呈現(xiàn)出一定的制約作用。

人口是促進(jìn)研究區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的又一驅(qū)動(dòng)因素，研究區(qū)總?cè)丝谠?000—2020年間增長(zhǎng)超過(guò)28萬(wàn)，常住人口不斷增加隨之而擴(kuò)張出新的建設(shè)用地，即人口越密集的地區(qū)，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的需求越大。由圖5可知，人口增長(zhǎng)對(duì)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)作用主要集中在華容縣、南縣、資陽(yáng)區(qū)和望城區(qū)。

自然驅(qū)動(dòng)因子中，高程和坡度對(duì)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的制約作用較弱，主要由于研究區(qū)屬于沖積平原，地形因素對(duì)大部分縣市區(qū)建設(shè)用地開發(fā)的影響較弱，僅對(duì)松滋市、石門縣、安化縣和平江縣等以山地和丘陵為主的區(qū)域具有顯著的約束作用。對(duì)于岳陽(yáng)樓區(qū)、赫山區(qū)等城鎮(zhèn)化水平較高的市鎮(zhèn)，其建設(shè)用地可擴(kuò)張的區(qū)域逐漸飽和，建設(shè)用地景觀甚至有向高地、坡地演進(jìn)的趨勢(shì)。

盡管研究區(qū)水資源豐富，但距水系距離對(duì)其建設(shè)用地景觀擴(kuò)張的影響相對(duì)較弱。其中，石門縣、桃源縣、津市、安化縣、赫山區(qū)、岳陽(yáng)樓區(qū)和平江縣有趨近水系開發(fā)的偏好，而南縣、華容縣、君山區(qū)和荊州市的大部分地區(qū)則趨于遠(yuǎn)離。這主要是由于前者的市鎮(zhèn)中心臨近水系，對(duì)其有較好的建設(shè)基礎(chǔ)與可達(dá)性。與其他市縣區(qū)相比，水系的驅(qū)動(dòng)作用主要集中在石門縣，這與近年來(lái)石門縣充分利用自然優(yōu)勢(shì)，積極發(fā)展鄉(xiāng)村旅游有關(guān)。

3.3.2 政策因素

2011年“湖北荊州承接轉(zhuǎn)移示范區(qū)”正式成立，區(qū)域功能完善，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加強(qiáng)，開發(fā)區(qū)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，僅2016年一年全市開發(fā)區(qū)面積增加8.66 km2，總規(guī)劃面積達(dá)555.37 km2。如圖6所示，在政策引導(dǎo)下，荊州市MLEI顯著上升，擴(kuò)張斑塊數(shù)量幾乎不變，說(shuō)明外部擴(kuò)張式斑塊較多，新增建設(shè)用地脫離城鎮(zhèn)建成區(qū)發(fā)展。2000—2020年，岳陽(yáng)市、常德市、益陽(yáng)市及長(zhǎng)沙市望城區(qū)MLEI下降，擴(kuò)張斑塊數(shù)量增加，說(shuō)明區(qū)域以鄰接擴(kuò)張式斑塊為主，新增建設(shè)用地圍繞城鎮(zhèn)建成區(qū)向外擴(kuò)張。2005年，國(guó)家發(fā)改委頒布了首部《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》，鼓勵(lì)已經(jīng)具備了一定產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)升級(jí)和優(yōu)化。岳陽(yáng)市最先于2008年開展“棚戶區(qū)改造”與“舊城改造”，加強(qiáng)對(duì)違法建設(shè)的控制，改善城區(qū)生態(tài)環(huán)境。在相關(guān)政策的影響下，云溪區(qū)、武陵區(qū)、津市及赫山區(qū)等基礎(chǔ)條件好、城鎮(zhèn)化水平較高的地區(qū)MLEI變化平緩，擴(kuò)張斑塊數(shù)量變化較小，說(shuō)明城鎮(zhèn)擴(kuò)張速度放緩，逐漸由分散無(wú)序的擴(kuò)張狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部功能結(jié)構(gòu)的調(diào)整和完善。2000年望城經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)成立，2011年望城撤縣設(shè)區(qū)；2008年《海運(yùn)協(xié)議》簽署，岳陽(yáng)城陵磯港成為重要的出海港口。望城區(qū)和岳陽(yáng)樓區(qū)持續(xù)繁榮導(dǎo)致其外部擴(kuò)張式斑塊不斷增加，MLEI下降。

圖6 2000—2020年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)各縣(市、區(qū))平均斑塊擴(kuò)張指數(shù)和擴(kuò)張斑塊數(shù)量變化Fig.6 Changes of MLEI and patch number in county (city,district)from 2000 to 2020 of Dongting Lake eco-economic zone

如表6所示，整體上，2000—2010年，研究區(qū)建設(shè)用地景觀擴(kuò)張以鄰接擴(kuò)張式為主，LEI處于(-1,-0.5)的斑塊占比92.62%，其次為外部擴(kuò)張式斑塊，占比4.83%。說(shuō)明研究區(qū)整體擴(kuò)張規(guī)模相對(duì)較小，大部分縣市區(qū)仍處于城鎮(zhèn)化進(jìn)程初期，城鎮(zhèn)發(fā)展凌亂且分散。由圖7可知，城鎮(zhèn)擴(kuò)張的中心偏北，新增建設(shè)用基本跳出現(xiàn)有斑塊，依托公路、鐵路、水運(yùn)等放射性擴(kuò)張。這是由于2006年《湖南省干線公路建設(shè)管理試行辦法》正式實(shí)施，交通運(yùn)輸用地大幅增加，城鎮(zhèn)擴(kuò)張逐漸顯現(xiàn)出明顯的導(dǎo)向性和可達(dá)性，帶動(dòng)周邊地區(qū)建制鎮(zhèn)用地與城市用地功能轉(zhuǎn)移、土地流轉(zhuǎn)，拓展區(qū)域發(fā)展框架，標(biāo)志著該區(qū)域“交通導(dǎo)向型發(fā)展”戰(zhàn)略實(shí)施。2010—2020年，LEI處于(-1,-0.5)的斑塊數(shù)量增長(zhǎng)1.59倍，而占比下降了1.9%；外部擴(kuò)張式斑塊數(shù)量小幅增加，占比下降2.89%。說(shuō)明研究區(qū)空間擴(kuò)張規(guī)模加大，但仍以鄰接擴(kuò)張式為主，新增建設(shè)用地多為城鎮(zhèn)建成區(qū)的擴(kuò)張蔓延。由圖7可知，全域建設(shè)用地?cái)U(kuò)張中心小幅南移，各市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度均衡。這是由于2014年國(guó)務(wù)院正式批復(fù)同意《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》，政策促進(jìn)了各縣市區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展，城鎮(zhèn)之間聯(lián)系加強(qiáng)，逐漸向一個(gè)整體的區(qū)域系統(tǒng)演進(jìn)。

表6 2000—2020年全域擴(kuò)張模式斑塊數(shù)量與占比Table 6 The patch numbers and proportion of different urban expansion modes from 2000 to 2020

圖7 2000—2020年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張過(guò)程Fig.7 The process of urban expansion from 2000 to 2020 of Dongting Lake eco-economic zone

4 結(jié)論

以洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)為例，通過(guò)對(duì)土地利用變化速率、強(qiáng)度、轉(zhuǎn)移情況和景觀格局指數(shù)的計(jì)算描述研究區(qū)土地利用演變特征，利用Logistic回歸模型探究建設(shè)用地演變驅(qū)動(dòng)因素的地區(qū)差異，借助景觀擴(kuò)張指數(shù)量化相關(guān)政策對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)作用，結(jié)論如下。

(1)2000—2010年，耕地的變化最為劇烈，建設(shè)用地增加的速度最快，且2010年后的增長(zhǎng)速度較之前加快，其年變化率由1.968%提高到1.973%，相應(yīng)的耕地面積呈減少趨勢(shì)，林地和水域面積較為穩(wěn)定。土地利用轉(zhuǎn)移方面，耕地、林地和水域相互轉(zhuǎn)化，建設(shè)用地面積的增加主要來(lái)源于耕地，但并未發(fā)現(xiàn)有明顯的土地利用類型由建設(shè)用地轉(zhuǎn)化而來(lái)。

(2)在景觀格局變化方面，建設(shè)用地景觀優(yōu)勢(shì)逐步增強(qiáng)，其斑塊數(shù)量最多，平均斑塊面積增加，導(dǎo)致整體景觀格局破碎化程度不斷加劇。林地和耕地表現(xiàn)出離散分布，但優(yōu)勢(shì)地位穩(wěn)定，水域由分散趨向于集聚，景觀形狀越來(lái)越規(guī)則，說(shuō)明在2000—2020年，對(duì)湖面的保護(hù)初見成效，但人類活動(dòng)的干擾依舊強(qiáng)烈，整體景觀趨向于離散化和復(fù)雜化。

(3)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中距鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心距離、交通可達(dá)性和人口密度對(duì)城鄉(xiāng)建設(shè)用地變化的作用較為明顯。當(dāng)其他變量不變時(shí)，距鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心距離每增加一個(gè)單位，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的可能僅為原來(lái)的0.615倍，全域擴(kuò)張模式以鄰接擴(kuò)張式為主，擴(kuò)張中心小幅南移。社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然與政策因素均表現(xiàn)出地區(qū)差異性。距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離對(duì)南縣、沅江市，交通可達(dá)性對(duì)南縣、資陽(yáng)區(qū)、津市，人口增長(zhǎng)對(duì)華容縣、南縣、資陽(yáng)區(qū)、望城區(qū)，高程和坡度對(duì)松滋市、石門縣、安化縣、平江縣驅(qū)動(dòng)分別最為突出。

(4)政策對(duì)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地利用變化具有重大影響。2008年岳陽(yáng)、常德、益陽(yáng)三市在“舊城更新”和“棚戶區(qū)改造”政策引導(dǎo)下，由無(wú)序擴(kuò)張轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化；2011年荊州市國(guó)家級(jí)承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)成立，各開發(fā)區(qū)和產(chǎn)業(yè)園脫離城鎮(zhèn)建成區(qū)發(fā)展；根據(jù)規(guī)劃，新增建設(shè)用地沿交通干道和水域軸線延伸趨勢(shì)明顯，交通運(yùn)輸用地顯著增加，周邊建制鎮(zhèn)用地與城市用地隨道路建設(shè)進(jìn)一步擴(kuò)張。

總體來(lái)看，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)各縣(市、區(qū))城鄉(xiāng)建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，對(duì)原有土地利用格局沖擊巨大，未來(lái)應(yīng)注重平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展和林地、耕地的保護(hù)，降低景觀生態(tài)系統(tǒng)的破碎化程度，維護(hù)景觀多樣性和均勻性。研究充分考慮了規(guī)劃政策對(duì)建設(shè)用地演變的驅(qū)動(dòng)作用，在驅(qū)動(dòng)因子的選取上體現(xiàn)了一定的客觀性，通過(guò)景觀擴(kuò)張指數(shù)對(duì)政策因素進(jìn)行量化，有助于制定更加符合城鎮(zhèn)發(fā)展特點(diǎn)的政策措施，優(yōu)化國(guó)土空間開發(fā)保護(hù)格局，實(shí)現(xiàn)人與生態(tài)和諧共生。