基于強(qiáng)度分析與動態(tài)度模型的長株潭都市圈土地利用變化特征分析

鄧志位 全斌 謝紅群 張海波

引用格式：鄧志位，全斌，謝紅群，等.基于強(qiáng)度分析與動態(tài)度模型的長株潭都市圈土地利用變化特征分析[J].國土資源導(dǎo)刊，2023，20（04）：104-113.

Reference format：Deng Zhiwei，Quan Bin，Xie Hongqun，et al.Analysis of land use change characteristics in the Changsha-Zhuzhou-Xiangtan metropolitan area based on intensity analysis and dynamic degree model[J].Land & Resources Herald，2023，20（04）：104-113.

摘 要：土地利用變化信息的測度是探索土地景觀動態(tài)特征及其趨勢和土地資源管理的重要基礎(chǔ)，但傳統(tǒng)的定量方法與思路尚未對用地類型動態(tài)轉(zhuǎn)換信息進(jìn)行深入挖掘，難以系統(tǒng)提供多層次的過程理解。本研究基于地理信息系統(tǒng)（GIS）工具，采用強(qiáng)度分析與動態(tài)度模型，探討長株潭都市圈土地利用時空動態(tài)特征。結(jié)果表明，1980—2020年間，長株潭都市圈土地利用整體變化加速，其變化強(qiáng)度擴(kuò)增16倍。建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入與耕地的轉(zhuǎn)出表現(xiàn)為穩(wěn)定的活躍。建設(shè)用地持續(xù)增加主要來源于耕地和林地。建設(shè)用地從林地處獲得較大面積，因此建設(shè)用地的面積穩(wěn)定地趨向耕地，而穩(wěn)定地避免林地。近40年來長株潭都市圈建設(shè)用地增長突出，致使生態(tài)、生產(chǎn)土地縮減明顯，該演化過程主要受社會經(jīng)濟(jì)因素的驅(qū)動，未來該區(qū)應(yīng)堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念。此外，本研究闡釋了強(qiáng)度分析與其他量化手段的分析思想，可用于其他區(qū)域土地利用變化探測，以幫助決策者制定更有針對性的可持續(xù)土地管理策略。

關(guān)鍵詞：土地利用變化；強(qiáng)度分析；土地利用動態(tài)度；長株潭都市圈

中圖分類號：F301.24? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1672-5603（2023）01-104-10

Analysis of Land Use Change Characteristics in the Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Metropolitan Area Based on Intensity Analysis and Dynamic Degree Model

Deng Zhiwei，Quan Bin，Xie Hongqun，Zhang Haibo

（College of Geography and Tourism， Hengyang Normal University， Hengyang Hunan 421002）

Abstract： The measurement of land use change information is an important foundation for exploring the dynamic characteristics and trends of land landscape and land resource management. However， traditional quantitative methods and approaches have not yet deeply explored the dynamic transformation information of land use types， making it difficult to provide a systematic understanding of multi-level processes. This study is based on geographic information system （GIS） tools and uses intensity analysis and dynamic degree models to explore the spatiotemporal dynamic characteristics of land use in the Changsha Zhuzhou Xiangtan metropolitan area. The results indicate that from 1980 to 2020， the overall land use change in the Changsha Zhuzhou Xiangtan metropolitan area accelerated， with a 16 times increase in intensity. The transfer of construction land and the transfer of cultivated land show stable and active behavior. The continuous increase in construction land mainly comes from cultivated land and forest land. Although construction land obtains a larger area from forest land， the increase in construction land steadily tends towards cultivated land， while steadily avoiding forest land. In the past 40 years， the growth of construction land in the Changsha Zhuzhou Xiangtan metropolitan area has been prominent， resulting in a significant reduction in ecological and production land. This evolutionary process is mainly driven by socio-economic factors. In the future， the area should adhere to ecological priority and green development. In addition， this study elucidates the analytical ideas of intensity analysis and other quantitative methods， which can be used for detecting land use changes in other regions to help decision-makers develop more targeted sustainable land management strategies.

Keywords： land use change; strength analysis; land use dynamic degree; Changsha- Zhuzhou-Xiangtan metropolitan area

0 引言

快速的城鎮(zhèn)化伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，同時也加快了地球表面土地利用演化進(jìn)程[1]。土地利用變化作為反映人類活動對陸地表層系統(tǒng)作用的重要因素，被認(rèn)為是導(dǎo)致全球環(huán)境變化的主要決定因素之一，對生態(tài)系統(tǒng)、全球生物地球化學(xué)循環(huán)、氣候變化和生物多樣性等產(chǎn)生重大影響[2]。同時，城市地區(qū)及其居民由于這些影響而面臨嚴(yán)重的風(fēng)險。科學(xué)評估土地利用變化時空動態(tài)有助于揭示人類活動與自然環(huán)境的交互機(jī)制[3]。

轉(zhuǎn)移矩陣作為表征土地變化信息常用的量化途徑，用于分析某一時段內(nèi)土地利用類別之間的轉(zhuǎn)換規(guī)模差異[4]。然而，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)分析思路通常關(guān)注轉(zhuǎn)換規(guī)模大小，往往闡述規(guī)模較大的轉(zhuǎn)換過程，而忽視了規(guī)模較小的轉(zhuǎn)換信息單元。分析轉(zhuǎn)換規(guī)模思路固然直觀，但難以表達(dá)變化面積在所涉類別自身面積中的比率，致使未能有效描述用地類型動態(tài)變化的劇烈程度。另一方面，該方法應(yīng)用多集中在對單一時期下不同土地利用類型的轉(zhuǎn)換過程以及轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出狀況，缺乏對多個時段轉(zhuǎn)移矩陣信息進(jìn)行整合并深入挖掘，導(dǎo)致無法提供更多的數(shù)值信息以供研究者分析連續(xù)多個時期形成的土地利用演化規(guī)律。這在一定程度上限制了對土地利用變化時序穩(wěn)定性等特征的進(jìn)一步理解。為此，Huang等[5]提出強(qiáng)度分析方法用于探測土地利用動態(tài)中哪些變化、轉(zhuǎn)換過程更為劇烈。目前，該方法已被廣泛應(yīng)用于“三生”用地[6]，流域景觀動態(tài)[7]、城鎮(zhèn)擴(kuò)張[8]、草原沙漠化[9]等領(lǐng)域。

在2022年2月，長株潭都市圈發(fā)展規(guī)劃被國家批復(fù)同意，這意味著長株潭都市圈成為我國第四個國家級都市圈[10]。長株潭作為全國“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”社會典型示范區(qū)，近幾十年來，該區(qū)大量鄉(xiāng)村人口遷入城市，高強(qiáng)度的人類活動與土地利用開發(fā)引發(fā)了耕地流失、水資源短缺、空氣污染等系列問題[11]。一些學(xué)者在長株潭城市群、長沙中心城區(qū)尺度上開展了富有成效的土地變化相關(guān)研究[12]，主要圍繞在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價[13]、土地利用模擬[14]、城市增長及其邊界劃設(shè)[15]、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[16]等方面。然而，在都市圈尺度上，開展長時間序列土地利用變化格局與過程的系統(tǒng)定量分析尚不多見。國家設(shè)立長株潭都市圈旨在加快未來長株潭一體化、同城化的步伐，這不可避免地會加速城鎮(zhèn)空間的增長，進(jìn)而對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境承載帶來巨大壓力。鑒于此，本研究以最新規(guī)劃文本中長株潭都市圈為研究區(qū)，借助強(qiáng)度分析與動態(tài)度模型，探討1980—2020年間長株潭都市圈土地利用變化規(guī)模、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性特征，揭示該區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張過程對土地景觀格局變化的影響機(jī)制，為該都市圈未來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和城市可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長株潭都市圈地處111°53′32″～114°15′28″ E和27°13′31″～28°39′56″ N之間，位于湖南省中北部，作為長江中游城市群重要組成部分，是推動長江經(jīng)濟(jì)帶協(xié)同發(fā)展的核心力量之一[10]。本研究以《長株潭都市圈發(fā)展規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）中所劃定的長株潭都市圈為研究區(qū)，包括長沙市全域、株洲市中心城區(qū)及醴陵市、湘潭市中心城區(qū)及韶山市和湘潭縣，面積1.89萬km2（圖1）。2021年，該區(qū)常住人口1 484萬，城鎮(zhèn)化率達(dá)到80.9%，經(jīng)濟(jì)總量1.79萬億元，占全省經(jīng)濟(jì)總量的40%[17]。此外，該區(qū)交通區(qū)位優(yōu)勢凸顯，京廣、滬昆高鐵等多條交通路網(wǎng)交匯，基本構(gòu)成“一縱一橫”交通網(wǎng)格局。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/）。本研究采用5期土地利用數(shù)據(jù)，時間為1980、1990、2000、2010、2020年。該數(shù)據(jù)基于Landsat TM/ETM+/OLI多時相影像資料，通過人機(jī)交互解譯而成，空間分辨率30 m，解譯精度均在85%以上[18]。區(qū)域行政邊界、鐵路與公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施、政府駐地?cái)?shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理信息中心的全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（http：//www.webmap.cn/）。30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云中ASTER GDEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品（http：//www.gscloud.cn/）。土地利用分類參考最新修訂的《土地利用現(xiàn)狀分類》文件，并根據(jù)研究區(qū)實(shí)地調(diào)查，一級地類為耕地、林地、草地、水域和建設(shè)用地。

2.2 研究方法

2.2.1 強(qiáng)度分析

強(qiáng)度分析方法以轉(zhuǎn)移矩陣為基礎(chǔ)，由自上而下的間隔層、類別層和轉(zhuǎn)換層構(gòu)成[19]。間隔層也被稱為“時間間隔層”，用于分析哪一時間間隔（時期）土地利用變化得相對快速或緩慢。用地類別層次是進(jìn)一步解析某一時間間隔下哪些類別的增加（轉(zhuǎn)入）和減少（轉(zhuǎn)出）是相對活躍或沉寂的，而用地轉(zhuǎn)換層次則更深入地剖析其他地類轉(zhuǎn)換為某一特定地類是趨向或避免的。本研究采用該方法分析研究區(qū)土地利用動態(tài)的變化強(qiáng)度特征。圖2顯示了土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)，其中J為用地類型總數(shù)；Ctij則表示t時段地類i轉(zhuǎn)換為地類j的面積規(guī)模，符號釋義下同。

時間間隔層次研究不同時段下的總體變化差異，計(jì)算不同時期的總體變化強(qiáng)度以及整個研究時段的平均變化強(qiáng)度，計(jì)算分別見公式（1）和公式（2）[12]。通過比較St與U的大小判斷不同時期總體變化快慢。若St > U，判斷該時期的變化是快速的；若St < U，判斷在t時段內(nèi)的變化是緩慢的。

式中，St為t時段土地利用總體變化強(qiáng)度；U為t時段內(nèi)St的平均強(qiáng)度；t為時段步長；T為整個研究時段長度，符號釋義下同。

類別層次研究各地類變化的差異，計(jì)算地類的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度與轉(zhuǎn)入強(qiáng)度。通過比較Lti、Gtj和St的大小判斷地類的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出是活躍或沉寂的，計(jì)算見公式（3）和公式（4）[12]。若Gtj > St，判斷類別j的轉(zhuǎn)入是活躍的；若Gtj < St，判斷類別j的轉(zhuǎn)入是沉寂的；對地類轉(zhuǎn)出的判斷亦同。

式中，Gtj為t時段地類j的轉(zhuǎn)入強(qiáng)度；Lti為t時段內(nèi)地類i的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度。

轉(zhuǎn)換層次研究其他地類轉(zhuǎn)換為某一地類時的轉(zhuǎn)換差異，計(jì)算其他地類轉(zhuǎn)換為某一地類的強(qiáng)度以及其他地類轉(zhuǎn)換為該地類的平均轉(zhuǎn)換強(qiáng)度，計(jì)算見公式（5）和公式（6）[12]。若Rtin > Wtn，判斷地類i趨向轉(zhuǎn)換為地類n，換言之，地類n是趨向從一種地類i處獲得增加；同理，若Rtin < Wtn，判斷地類i避免轉(zhuǎn)換為地類n。在該層次中，本研究的地類n選取了建設(shè)用地，旨在更進(jìn)一步理解建設(shè)用地動態(tài)轉(zhuǎn)換過程。

式中，Rtin為t時段地類i轉(zhuǎn)換為特定地類n的轉(zhuǎn)換強(qiáng)度；Wtn為t時段其他地類轉(zhuǎn)換為特定地類n的平均轉(zhuǎn)換強(qiáng)度；地類n代表本研究中建設(shè)用地；Ctin為t時段地類i轉(zhuǎn)換為特定地類n的轉(zhuǎn)換規(guī)模面積。

2.2.2 動態(tài)度模型

動態(tài)度模型是測算土地利用/覆被變化劇烈程度的常用指標(biāo)，可分為單一動態(tài)度與綜合動態(tài)度。單一動態(tài)度通常被用于描述不同地類在某一時段內(nèi)的變化劇烈程度，見公式（7）[20]。綜合動態(tài)度旨在計(jì)算所有地類的總體變化劇烈程度，見公式（8）[20]。

式中，Ki為地類i的單一動態(tài)度值；Uib為地類i在t時段末的面積；Uia為地類i在t時段初的面積；LCt是t時段內(nèi)所有地類的綜合動態(tài)度值；[LUij]為該時段內(nèi)地類i的轉(zhuǎn)出面積；LUi代表地類i在該時段內(nèi)初時的面積。

3 結(jié)果與分析

3.1土地利用結(jié)構(gòu)特征

圖3顯示長株潭都市圈土地利用結(jié)構(gòu)及其空間格局。從圖3可見，在1980—2020年間，長株潭都市圈土地利用類型面積最大為林地，耕地次之，兩者約占研究區(qū)域90%。這表明該區(qū)生態(tài)資源分布廣泛，擁有較好的資源稟賦。建設(shè)用地面積增長持續(xù)上升，占比從1980年的2.20%增加到7.52%；與之相反，耕地和林地從1980年的33.3%、61.5%縮減至2020年30.0%、59.3%。通過鷹眼放大觀察（圖4），可見湘潭市與醴陵市兩處建設(shè)用地迅速向外擴(kuò)張與蔓延，不同程度地侵占周邊耕地與林地等生態(tài)資源，說明盡管建設(shè)用地初始時比重小，但其數(shù)量增長是該區(qū)最明顯的特征。

3.2 土地利用變化強(qiáng)度分析

3.2.1 土地利用變化時序分析

表1顯示了研究區(qū)四個時期土地利用總體變化的規(guī)模、強(qiáng)度以及動態(tài)度值。從表1可見，無論是變化規(guī)模、變化強(qiáng)度還是綜合動態(tài)度，都表現(xiàn)出上升趨勢。從變化強(qiáng)度可見，由于四個時期的變化強(qiáng)度都不等于整個研究時期的平均強(qiáng)度（0.26%），長株潭都市圈在1980—2020年間土地利用總體變化具有不穩(wěn)定特征。值得注意的是，自2000年后，該區(qū)變化規(guī)模與強(qiáng)度出現(xiàn)突增，從1980—1990年的年均變化規(guī)模6.32 km2增加到2010—2020年的103.90 km2，說明前一個時期的總體變化相對于后一個時期是相對緩慢的。綜合動態(tài)度突增形勢基本與變化強(qiáng)度保持一致。

3.2.2 土地利用類別變化分析

表2和表3分別顯示1980—2000年與2000—2020年長株潭都市圈地類的年均變化規(guī)模、強(qiáng)度、單一動態(tài)度。從表2與表3可見，在1980—2020年間的4個時期，建設(shè)用地年均轉(zhuǎn)入面積分別為3.53 km2、7.55 km2、51.55 km2和46.78 km2，其轉(zhuǎn)入強(qiáng)度遠(yuǎn)超平均強(qiáng)度，且在前3個時期呈現(xiàn)出遞增趨勢。此外，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出規(guī)模與強(qiáng)度均遠(yuǎn)低于其轉(zhuǎn)入，進(jìn)一步反映了建設(shè)用地處于相對活躍的數(shù)量增長狀態(tài)。與之相反，林地的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出量較大，但由于林地的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出強(qiáng)度在4個時期里均小于平均強(qiáng)度，因此表現(xiàn)為穩(wěn)定沉寂。林地在整個研究期間轉(zhuǎn)出大于轉(zhuǎn)入，表現(xiàn)為凈減少。耕地的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度始終大于轉(zhuǎn)入強(qiáng)度，并且由于耕地轉(zhuǎn)出強(qiáng)度始終大于平均強(qiáng)度，表現(xiàn)為穩(wěn)定活躍，相反的是轉(zhuǎn)入強(qiáng)度一直小于平均強(qiáng)度，因此耕地轉(zhuǎn)入表現(xiàn)為穩(wěn)定沉寂。耕地轉(zhuǎn)入規(guī)模出現(xiàn)逐漸增加的趨勢，這與自21世紀(jì)以來長株潭都市圈耕地占補(bǔ)平衡政策的有力執(zhí)行和土地可持續(xù)發(fā)展的逐漸普及有關(guān)。水域表現(xiàn)為凈增加，其轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出強(qiáng)度均表現(xiàn)為穩(wěn)定活躍。對于草地而言，除在2010—2020年間轉(zhuǎn)入強(qiáng)度小于平均強(qiáng)度以外，其余為大于平均強(qiáng)度，表現(xiàn)為活躍。

從單一動態(tài)度來看，在1980—2020年間，耕地與林地出現(xiàn)凈流失，呈現(xiàn)為負(fù)值，而建設(shè)用地與水域則表現(xiàn)出正值，反映建設(shè)用地與水域面積凈增加。建設(shè)用地第四個時期時動態(tài)度值相較于第一個時期擴(kuò)大約5倍。值得注意的是，建設(shè)用地與耕地的動態(tài)度絕對值呈現(xiàn)“先增后降”趨勢，在2000—2010年達(dá)最大值9.17%、0.47%。在整個研究時段，草地的動態(tài)度值正負(fù)反復(fù)。

3.2.3基于建設(shè)用地增長的轉(zhuǎn)換過程分析

圖4顯示長株潭都市圈4個時期下其他地類轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入規(guī)模與強(qiáng)度。從圖4左側(cè)的年均轉(zhuǎn)換規(guī)模可見，在這4個時期耕地年均轉(zhuǎn)入建設(shè)用地面積分別為1.94 km2、4.00 km2、26.73 km2、24.93 km2，表現(xiàn)出“先升后降”的趨勢。由于耕地轉(zhuǎn)換強(qiáng)度大于均衡強(qiáng)度，耕地穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地。相反，由于林地的轉(zhuǎn)換強(qiáng)度在4個時期都小于均衡強(qiáng)度，林地穩(wěn)定地避免轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地。但是，林地的轉(zhuǎn)換面積規(guī)模是巨大的，僅次于耕地，在這4個時期年均轉(zhuǎn)入建設(shè)用地面積分別為1.59 km2、3.11 km2、23.10 km2、20.84 km2。此外，草地穩(wěn)定地避免轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地。水域的轉(zhuǎn)換強(qiáng)度表明水域經(jīng)歷了“輕微變化-劇烈變化-輕微變化”的轉(zhuǎn)換過程。某一地類轉(zhuǎn)入的均衡轉(zhuǎn)換強(qiáng)度可描述該地類擴(kuò)張的劇烈程度。因此，該區(qū)建設(shè)用地的擴(kuò)張均衡強(qiáng)度變化表現(xiàn)為先增加、后減少的狀態(tài)。

4 討論

4.1 量化土地利用/覆被動態(tài)信息

土地變化劇烈程度作為土地變化檢測和評價的重要信號之一，可以刻畫土地類別空間范圍動態(tài)過程和類別轉(zhuǎn)換的激烈程度[6]。多數(shù)關(guān)于遙感影像分類的土地利用變化探測的方法與指數(shù)，都能在不同程度上反映土地變化劇烈程度，譬如轉(zhuǎn)移矩陣、統(tǒng)計(jì)地類面積變化、單一與綜合土地利用動態(tài)度以及強(qiáng)度分析等。

轉(zhuǎn)移矩陣實(shí)質(zhì)上是通過不同時期的土地利用地圖交互疊置，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)類別相互轉(zhuǎn)換面積數(shù)據(jù)而形成的特殊表格，可反映研究區(qū)內(nèi)類別間轉(zhuǎn)換規(guī)模以及土地流向特征，為國內(nèi)外廣泛采用[19]。此外，它也是馬爾科夫（Markov）模型計(jì)算地類轉(zhuǎn)移概率的重要基礎(chǔ)，有助于歷史趨勢情景下的土地變化預(yù)測分析。然而，一方面，轉(zhuǎn)移矩陣是以某一時段的表達(dá)形式出現(xiàn)，并不利于分析連續(xù)的不同時期下地類變化與轉(zhuǎn)移所形成的時序規(guī)律。另一方面，常見的一種思路是將類別間轉(zhuǎn)換規(guī)模作為變化劇烈程度的信號。例如，Zhang等[21]分析了衡陽市2010—2015年和2015—2018年土地利用轉(zhuǎn)移特征，發(fā)現(xiàn)林地流向建設(shè)用地規(guī)模最大。傳統(tǒng)的分析思路是聚焦轉(zhuǎn)換規(guī)模較大的動態(tài)信息，而對規(guī)模較小的轉(zhuǎn)換過程重視不足。直接利用轉(zhuǎn)換規(guī)模進(jìn)行分析盡管直觀，但未能體現(xiàn)變化面積在所涉類別自身面積中的比率。相較于變化規(guī)模，變化強(qiáng)度（比率）更能體現(xiàn)變化劇烈程度[22]。若采用強(qiáng)度分析方法挖掘該研究中兩個時段的轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的劇烈程度遠(yuǎn)比林地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的大，且建設(shè)用地的增加穩(wěn)定地避免林地。因此，大規(guī)模林地流向建設(shè)用地可解釋為林地的初始規(guī)模大，相比其他地類具備更大的可獲得性。

另一種量化思路是按類別統(tǒng)計(jì)凈變化面積以及凈變化大小占初始時間點(diǎn)所涉類別的大小，后者即為單一動態(tài)度的計(jì)算邏輯。單一動態(tài)度能表征地類凈變化的正負(fù)之分，即凈減少或凈增加，該指數(shù)未能同時體現(xiàn)在空間格局上同時發(fā)生的地類轉(zhuǎn)入（增加）與轉(zhuǎn)出（減少）。從圖5可見，在某一時段內(nèi)，地類增加的部分與其初期的面積大小和空間分布并無直接聯(lián)系，卻構(gòu)成其末期面積；換而言之，類別的減少面積必然是其初期面積的一部分。單一動態(tài)度在刻畫地類動態(tài)程度上存在對地類的分配變化的忽視。交換變化是指地類與其他地類在空間上發(fā)生區(qū)域的錯位，即相互轉(zhuǎn)化。因此，地類的總變化為區(qū)域A與B面積之和，凈變化為B與A面積之差，而總變化減去凈變化即為交換變化部分。

研究人員運(yùn)用綜合動態(tài)度旨在比較分析區(qū)域內(nèi)不同時期土地利用總體變化劇烈程度[20]。對比強(qiáng)度分析時間間隔層次公式（1）和綜合動態(tài)度公式（8）以及分析表1，不難發(fā)現(xiàn)公式（8）為公式（1）的一半。若觀察轉(zhuǎn)移矩陣，對角線上的元素即為某一時期內(nèi)的不變區(qū)域，而其余部分應(yīng)為動態(tài)區(qū)域。然而，綜合動態(tài)度在分母上為研究區(qū)面積的2倍，嘗試將地類的轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)入進(jìn)行平均，這在一定程度上導(dǎo)致對區(qū)域內(nèi)土地總體變化的低估。

強(qiáng)度分析作為一種定量分析框架，具有分層遞進(jìn)式特征，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)量化途徑的局限性，在間隔、類別和轉(zhuǎn)換層次上耦合土地變化的規(guī)模、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性[7]。強(qiáng)度分析是從早期的測度單一間隔的方法演化而來的，并且那些早期版本已經(jīng)變得流行，早期方法成為系統(tǒng)性轉(zhuǎn)換分析方法[23]。然而，強(qiáng)度分析方法更易理解，鑒于它的層次清晰、圖形表達(dá)，特別是關(guān)于土地時間變化潛在原因有了更深刻的解釋[24]。例如，為什么地類X轉(zhuǎn)換為地類Y的規(guī)模大于其他地類轉(zhuǎn)換為地類Y的規(guī)模。可能原因有二：其一，若在初始時間點(diǎn)地類X的面積比其他地類的大，那么自然擁有更多面積用于轉(zhuǎn)換成Y。倘若地類X只以均衡轉(zhuǎn)換強(qiáng)度從其他地類獲得轉(zhuǎn)換土地時，地類Y也會從地類X處獲得更多的面積轉(zhuǎn)換；其二，若在初始時間點(diǎn)，地類Y從地類X處獲得轉(zhuǎn)換面積，相比從其他地類處擁有更大的強(qiáng)度來獲得轉(zhuǎn)換面積。有時這兩種情況同時存在。強(qiáng)度分析提供了這樣的一種途徑，方便學(xué)者從關(guān)注土地變化格局再到分析相關(guān)的轉(zhuǎn)換過程。為了更全面且直觀地反映轉(zhuǎn)換特征，有研究在強(qiáng)度分析的轉(zhuǎn)換層次結(jié)果基礎(chǔ)上相繼提出了“轉(zhuǎn)換圖譜”，以豐富強(qiáng)度分析方法論[7-8，22]。

4.2長株潭都市圈土地利用變化及其過程

土地利用變化強(qiáng)度分析結(jié)果表明，2000年后的兩個時段內(nèi)的總體變化速率明顯加快（表1），這可能與后期人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有密切聯(lián)系。對于類別層次（表2和表3），建設(shè)用地是最大的轉(zhuǎn)入地類，相反耕地是最大的轉(zhuǎn)出地類。林地減少面積較大，同時林地又經(jīng)歷著沉寂的減少。這一表征被描述為“地類沉寂現(xiàn)象”[25]。在轉(zhuǎn)換層次，建設(shè)用地增長主要來源于耕地與林地。同時，耕地、林地的景觀破碎化加劇，間接反映耕地與林地減少且其斑塊趨于縮小趨勢，進(jìn)而加劇了耕地被侵占或撂荒的可能性。因?yàn)槊娣e規(guī)模較小的斑塊更易被領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢斑塊侵吞占用，也容易被土地監(jiān)管部門所忽視。耕地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地表現(xiàn)為穩(wěn)定的趨向（圖5），這一轉(zhuǎn)換過程的變化與該地區(qū)非農(nóng)經(jīng)濟(jì)活動增長可能有關(guān)。

圖6表明，自1984年以來，長株潭地區(qū)的總?cè)丝诜€(wěn)步上升。2001—2019年期間城市人口的增長速度是1984—2000年間的3倍。自21世紀(jì)以來，該地區(qū)呈現(xiàn)出更快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。城市人口的急劇增加導(dǎo)致需要更多的住房、交通和其他基礎(chǔ)設(shè)施來滿足人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。此外，本研究發(fā)現(xiàn)其他用地轉(zhuǎn)入建設(shè)用地的強(qiáng)度在前三個時段均呈上升趨勢，但在第四個時段內(nèi)轉(zhuǎn)換強(qiáng)度稍有下降（表2、表3）。歐陽曉等[15]研究長株潭城市群城市用地發(fā)現(xiàn)其擴(kuò)張強(qiáng)度呈現(xiàn)出先加速后減緩的趨勢，本研究結(jié)果與之類似。圖4顯示，在2000—2010年、2010—2020年間的建設(shè)用地是趨向轉(zhuǎn)換為耕地。在城市化背景下，建設(shè)用地幾乎難以轉(zhuǎn)換為耕地，故而發(fā)生這一過程通常被視為數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。然而在我國，這與現(xiàn)行的耕地占補(bǔ)平衡制度息息相關(guān)。近20年來，耕地占補(bǔ)平衡制度歷經(jīng)了由國土部門注重?cái)?shù)量保護(hù)的起步階段發(fā)展到數(shù)量與質(zhì)量相耦合的發(fā)展階段，再到新型城鎮(zhèn)化背景下，數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)三位一體階段[26]。

長株潭都市圈的設(shè)立旨在充分釋放長沙、株洲、湘潭三個地區(qū)的潛能，優(yōu)勢互補(bǔ)[10]。相較于深圳、廣州、南京都市圈以及武漢都市圈的社會經(jīng)濟(jì)，長株潭都市圈建設(shè)用地的適當(dāng)蔓延仍然是該區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)在需求，但其增長需符合生態(tài)文明建設(shè)與糧食安全保障的要求。城鎮(zhèn)擴(kuò)張不僅造成城市周邊耕地與林地急劇減少以及潛在負(fù)面環(huán)境影響，也威脅了地區(qū)生態(tài)安全。城市的可持續(xù)能力依賴于城市區(qū)域中各種生態(tài)要素和生態(tài)過程所組成的景觀整體的穩(wěn)定性與可持續(xù)性[16]。因此，未來研究綜合構(gòu)建都市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，耦合斑塊生成土地利用模擬模型，優(yōu)化該區(qū)城鎮(zhèn)增長邊界，提出城鎮(zhèn)增長管控策略。

5 結(jié)論

（1）長株潭都市圈土地利用主要類型為林地、耕地，兩者共占研究區(qū)比重約90%。通過研究1980—2020年土地利用時序總體變化，長株潭都市圈的變化區(qū)域持續(xù)上升，其變化強(qiáng)度增加16倍。這與幾十年的中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和快速城市化具有密切聯(lián)系。

（2）在類別層次，耕地的減少、建設(shè)用地與水域的轉(zhuǎn)入表現(xiàn)出穩(wěn)定性趨勢。相反，林地減少呈現(xiàn)為沉寂的，盡管其流失規(guī)模較大。在1980—2020年，建設(shè)用地的增加主要來源于耕地、林地，且建設(shè)用地的增加穩(wěn)定地趨向耕地，但穩(wěn)定地避免林地、草地。自2000年來，受“耕地占補(bǔ)平衡”政策影響，耕地的增加趨向建設(shè)用地。

（3）本研究以中部地區(qū)典型快速城市化區(qū)域?yàn)槔?，運(yùn)用強(qiáng)度分析與動態(tài)度模型深入分析近40年土地利用演化信息與轉(zhuǎn)換規(guī)律，試圖揭示各模型在土地變化信息定量化表達(dá)上的能力與局限性，為進(jìn)一步挖掘土地變化信息提供有益思考。

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