长江经济带土地利用时空演变及相关社会要素分析

萧峻琼 郝洁 徐高洪 鞠琴 李妍清 陈玺

摘要：基于長江经济带五期土地利用遥感监测数据，利用土地利用转移矩阵、动态度及土地利用强度指数分析土地利用时空变化，并分析其与社会政策、人口密度及用水量的关系。结果表明：长江经济带土地利用变化主要表现为水田减少、城镇用地和水域增加;土地利用变化的时空差异较大，与上中游相比，下游土地利用变化时间较早，土地利用动态度和土地利用强度较大;1990年后土地利用强度持续增加且生态环境有所改善，土地利用动态度在2010～2015年最大，2000～2010年最小;土地利用变化受社会经济政策影响较为显著，同时土地利用强度与用水量、人口呈正相关关系。

关 键 词：土地利用/覆被变化; 资源开发与利用; 土地利用动态度; 土地利用强度指数; 长江经济带

中图法分类号： P967

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.011

0 引 言

经济社会的高速发展使得人类活动强度与日俱增，较为显著地影响了地表下垫面条件[1-2]，土地利用/覆被变化（LUCC）作为下垫面的重要组成之一，反映了区域内人类活动和自然资源情况，在一定程度上也反映了自然条件和人类活动对社会、经济和政治干扰的脆弱性[3]，对于社会经济发展具有重要指导作用。近几十年来，长江经济带城市化与工业化高速发展的同时，也使得区域内生态环境质量[4]和土地的生态服务价值[5]有所下降。社会因素诸如政治、经济与土地利用政策及其引起的人口聚集等是短时间内改变土地利用最显著的因素，因此，对长江流域的土地利用变化与相关社会因素的关系成为了诸多学者的研究焦点：伍星等[6]发现20世纪70年代至21世纪初，长江上游耕地先显著减少再略有增加，而林地草地变化相反，认为人类活动是关键的影响因素，需严格控制耕地数量，防止盲目退耕还林;傅世琼[7]发现1986～2003年长三角地区耕地大量流失和早期的土地利用结构使得农业用地等土地资源的持续利用受到阻碍;Li等[8]发现1995～2015年长三角沿海及其附近地区土地利用变化显著，耕地大量减少、城市化土地迅速增加，但受政策影响2010年后土地变化速度下降，城市化向土地资源集约利用过渡;边晓辉等[9]研究2001～2017年赣州土地利用变化，认为人口增加、经济发展及宏观政策产生的影响较大。

1980～2015年是中国社会经济迅速发展的时期，2010年长江流域的城镇人口已增至2亿，城镇化率达到44%[10]，城市化与人类活动显著，加上各省市的自然资源与土地利用规划差异较大，使得各区域的土地利用变化较为复杂。水土资源作为国民经济发展必不可少的资源，两者关系密不可分[11]，区域可利用水量决定着土地利用结构、变化趋势以及经济发展程度;同时水资源又是环境组成的基本要素，生态用地和城市用地通过改变水环境压力和承载力而影响到水环境质量[12]。因此，本文以长江经济带为研究对象，基于遥感解译的土地利用数据，采用土地利用动态度、土地利用强度指数、转移矩阵等指标，分析土地利用结构及利用强度的时空变化及其与社会政策、人口密度和用水量3项相关要素的关系，以期为长江经济带各省市的土地开发管理、经济发展与环境保护的共同发展提供参考依据。

1 研究区域概况

长江经济带面积约205万km2（见图1），区域内地形气候适宜、水源充裕、交通发达，是中国人口密集地区之一，也是目前经济产业密度最高的地区之一。长江经济带包括东中西部发展最快的三大城市（上海、武汉、重庆），区域GDP贡献高达全国40%，因此该区域在促进国家经济发展和战略支撑方面具有非常重要的意义。长江经济带地势西北高东南低，由于区域内地形地貌多样，经济社会发展不均衡，一般将长江经济带分为上游（云贵川渝），中游（湘赣鄂）以及下游（江浙沪皖）3个分区。

2 研究数据与方法

2.1 研究数据

长江经济带土地利用数据（1980～2015年共5期）和人口密度数据（1990～2015年共4期）均下载于中国科学院资源环境科学数据中心，用水量来自各省市2015年水资源公报。在全国土地分类标准的基础上，结合区域土地利用特征，在ArcGIS软件中将各期土地数据重分类为7种地类：水田、旱地、林地、草地、水域、城镇用地和未利用地。

2.2 研究方法

本文分析长江经济带土地利用变化主要包括土地利用结构变化趋势、变化速率、开发利用程度3个方面，分别选取土地利用转移矩阵、土地利用强度指数、土地利用动态度3项指标进行反映。

（1） 土地利用转移矩阵。

土地利用转移矩阵展示了研究期初和研究期末各地类面积的相互转换情况，能反映各地类变化趋势，从而分析其内在因素，其格式如下：

Sij=a11a12…a1na21a22…a2nan1an2…ann（1）

式中：n为土地利用类型;Sij为期初的第i种地类转换成期末的第j种地类的面积（i，j = 1，2，…，n），km2;当i =j时，则表示未发生变化的面积。

（2） 土地利用动态度。

采用单一土地利用动态度和综合土地利用动态度定量反映单位时间内特定一种地类和区域内所有地类数量变化的速度。公式表达如下：

KI=S′i-SiSi×1T×100%（2）

KC=ni=1S′i-Si2ni=1Si×1T×100%（3）

式中：KI和KC分别表示单一土地利用动态度和综合土地利用动态度，%/a;Si和S′i分别表示第i种地类在研究期初与期末的面积，km2;T为时段长，a。

（3） 土地利用强度综合指数。

土地利用强度综合指数La反映了人类对土地开发利用的程度，La越大，则说明人类对土地开发得越充分。其计算公式为[13]CA096A47-EFD7-4C1E-BB65-04BCC16A87AD

La=100×ni=1Ai·Bi（4）

式中：Ai为第i级地类面积的占比;Bi为第i级的土地利用强度分级指数，根据刘纪远[14]提出的土地利用强度分级表选取。土地利用强度分级赋值如表1所列。

3 土地利用时空演变

3.1 土地利用结构变化及其区域分异

土地利用结构及其变化能反映区域的资源条件、人类活动和经济发展情况[15-16]，图2为长江经济带在研究期初1980年和研究期末2015年的土地利用分布图。2015年长江经济带土地利用主要为林地，占总面积的46%，其次为草地、水田和旱地，3种地类分别占总面积的16.61%，15.58%，15.44%。研究时段内城镇用地、水域和未利用土地面积扩大;而水田、旱地组成的生产用地以及草地、林地组成的生态用地面积缩减。其中，城镇用地、水域的增加以及水田、旱地的减少最为显著，与1980年相比，变化幅度分别达到67.71%、5.65%、-6.19%和-2.86%，主要发生在中下游水田分布區以及上游成都平原的西北部。截止至2015年，除城镇用地面积比例超过同期水域面积比例外，其他土地利用结构变化不大。

图3给出了1980年和2015年长江经济带上中下游土地利用结构。可以看出上中游区域内部土地利用结构相似，而区域间的土地利用结构差距较大：长江下游的水域、水田和城镇用地的面积比例显著大于上游，林地、草地自上游向下游逐渐减少;水田、旱地和城镇用地自上游向下游逐渐增加。上海市城镇用地和水田的变化比例高达24%，是其他省市变化比例的5倍以上，除上海市以外的各省市土地利用变化情况如图4所示，可以看出水田、旱地减少与水域、城镇用地增加是各省市的共同变化特征，下游地区的变化显著大于上中游地区。

综合各省市土地利用结构及其变化可以发现各分区有如下特征：① 下游：除浙江省以外的其他省市以水田、城镇用地为主，城镇用地的增长与水田的减少十分显著;浙江省主要地类为林地，且林地面积增加显著，其原因是改革开放后浙江省实行林业生产责任制、限额采伐等生态保护措施，对造林和高标准平原绿化等生态建设工程高度重视[17]。② 中游：江西、湖南两省土地利用结构相似，主要地类为林地，而湖北省的林地面积偏小，旱地面积偏大;3省的变化主要体现在城镇用地的增长与水田的减少，其中湖北和湖南省水域面积大幅增加，说明两省江河湖泊水系整治成效显著。③ 上游：主要地类为林地，其中贵州和云南达省50%以上，其次为旱地和草地;四川省未利用面积比例远大于其他省市;城镇用地为上游各省市土地利用变化最大的地类;其中重庆市受到退耕还林和城市化的影响[18]，旱地减少而林地、城镇用地增加的趋势十分显著。

为更好地分析各地类变化趋势与变化因素，表2给出了1980～2015年间区域土地的转移矩阵，在面积扩增的地类中，城镇用地规模的增加主要是从旱地、水田和林地的转入而来;水域面积的增加是源于水田和旱地的转入;未利用地稍有增加，主要由水域转入引起，反映了部分水域生态质量退化。面积显著减少的地类中，水田和旱地最显著的发展趋势是转变为城镇用地，水田转为城镇用地的面积最大且集中在中下游地区;旱地还有很大一部分转变为林地，反映了退耕还林政策成效显著;林地与草地变化比例较小，转入与转出相对平衡，但两者与草地间发生大量的相互交换，反映了生态环境在人类活动过程中的不稳定性。

3.2 土地利用动态度及其区域分异

为分析35 a间土地利用面积变化速度的时间差异，将2010年以前每10 a划分一个时段，计算各时期综合土地利用动态度和单一土地利用动态度，结果见图5。从各地类变化来看，城镇用地与水田变化趋势相反，城镇用地动态度最大，是唯一持续增加趋势的地类，而水田表现出持续减少态势，两种地类分别在1990～2000年间达到动态度的最大与最小值;旱地、林地、水域和未利用地4种地类在前两个时段的动态度较大，2000年后动态度均有减少;4个时期内，旱地、林地和未利用地的面积则表现为增加与减少交替出现，水域面积在1990年前大量减少，1990年后水域面积持续增加;35 a间草地面积的动态度较小，面积较为稳定。从时间角度来看，2010～2015年土地利用综合动态度最大，2000～2010年最小。1980～1990年为改革开放初期，动态度较大，城镇用地增加显著，而旱地、水田大量减少;1990～2000年城镇用地、旱地和水域显著增加，而林地和水田减少，其中城镇用地变化最快，甚至超过上一阶段城镇用地变化速度;2000～2015年城市化为主导趋势，土地利用变化主要表现在水田、旱地的减少和城镇用地的增加，其余各地类变化速率较小。

图6反映了各时段综合动态度的空间差异。1980～1990年间，上海市和浙江省综合动态度最大，其次为重庆市;除长江下游地区以外，这一时期综合动态度的分布以长江为界，北高南低。1990～2000年间综合动态度整体偏小，仅有江浙沪和重庆市变化的土地较快;2000～2010年，下游地区综合动态度最大，中游地区综合动态度比上一时期有所增加;2010～2015年，自上游向下游综合动态度逐渐增加，上中游地区受到国家中西部重大发展战略的影响，综合动态度比上一阶段显著增加。整个时段来看土地利用动态度的区域差异较大，土地利用动态度高值地区逐渐从下游向上游扩张，上海市的动态度最大，浙江省、江苏省和重庆市次之。

3.3 土地利用强度指数变化及其区域分异

图7展示了整个长江经济带及各省市在各时段的土地利用强度指数La，可以看出：1990年的土地利用强度最小，1990年后区域土地利用持续发展，2015年土地利用强度最大。土地利用强度变化在各区域间呈现如下特征：① 下游：上海市的土地利用强度最大且逐时段增长，总体增幅最大;江苏省的土地利用强度仅次于上海市，在后3个时段有较为显著的增长;安徽省的土地利用强度位居第3，整体呈现小幅增长;浙江省的土地利用强度最低，2000年前土地利用强度略有降低，但在2000年后有较大增长。② 中游：湖北省的土地利用强度最大，整体呈现出首末时段变化大而中间时段变化小的规律;受中部崛起战略影响，江西和湖南省2000年后土地利用强度才稍有增长。③ 上游：重庆市土地利用强度最大且增幅最大，呈现出逐时段增加的态势;2010年前重庆市和贵州省土地利用强度较为平稳，2010年后才有所增加;云南省土地利用强度最低，且基本无变化。CA096A47-EFD7-4C1E-BB65-04BCC16A87AD

總体而言，长江经济带各省市的土地利用强度在1980～2015年间都有不同幅度的增加，长江下游城市化导致耕地转化为城镇用地，因此土地利用强度增加较大。除湖北、江西省以外，研究期初土地利用强度越大的省市，城市化与工业化发展越充分，土地利用强度增幅越大，一定程度上反映了自然条件对城市发展的约束。

4 土地利用时空演变的相关社会要素分析

4.1 社会经济政策

综合各时期不同地类变化速度，发现1980～1990年改革开放初期城市化发展较快，城镇用地迅速增加，导致这一时期生态环境恶化，未利用地增加显著，水域迅速减少。1990年后，区域经济与土地利用的强度持续上升，在土地利用动态度上表现出城镇用地的持续增长、未利用地有所减少或小幅波动，受水源涵养、重点湖泊保护等措施的影响，区域整体水域面积持续增加。总体而言，人们开发土地资源的意识在1990年左右有所转变，生态环境质量也得以改善，尤其是自1998年大洪水以来，各部门高度重视生态环境建设，在长江中下游各地实施了退田还湖、退耕还林等生态工程，在浙江省[17]、江西省[18]、重庆市[19]等地退耕还林、植树造林政策均有较大成效。

4.2 人口密度

上海市人口密度在1990～2000，2000～2010，2010～2015年这3个时段分别增加了676.4，1083.4，184.1人/km2，土地利用强度与人口密度的增加幅度达到其他省市的9～108倍，远大于其他各省市。

分析除上海市以外的其余10个省市土地利用强度变化与人口密度变化的关系，发现两者呈现正相关关系，相关系数达到0.87，图8给出了其余10个省市在各时段的人口密度变化。1990～2000年各省市人口密度均有增加，下游增加幅度最大，中上游增加幅度差距较小，这一时期长江下游沿海地区土地利用变化迅速且土地利用强度增加显著;2000～2010年长江下游省市人口密度与土地利用强度增加显著，而重庆市、湖北省受三峡工程移民的影响，人口密度大幅减小，土地利用的速度下降[20]，全区域土地利用动态度为研究期的最小值，重庆市在研究期间大量旱地流失，说明人口的流失在一定程度上抑制了土地的开发利用;2010～2015年，国务院2012年发布的赣南中央苏区振兴计划使得江西省经济文化受到大力发展，江西省人口密度大幅增加，使得江西省在这一时段快速变化[21]，土地利用动态度在研究时段中首次超过0.1%/a;此间长江中游城市群以及成渝城市群的吸引力增加，下游地区部分传统产业向中、上游地区转移，长江经济带土地利用强度和动态度均达到最大值。

4.3 用水量

长江经济带上游的贵州、云南等省市水资源量较为充沛，但复杂的地形加大了水资源开发难度，导致实际可用水量较小，因此上游耕地以旱地为主，而中下游则以水田为主;同时，水源充沛、地形平缓的地区更易吸引人口聚集，使得用水较多的耕地和城镇用地的比例上升。由于资料条件限制，在此笔者采用2015年的单位面积用水量与同期土地利用强度进行分析，发现两者呈现正相关关系，相关系数达到0.85。从图9可以看出：长江下游的土地利用强度与单位面积用水总量显著大于长江上游，而在各分区内的土地利用强度与单位面积用水总量变化趋势十分吻合。分析土地利用强度在230～240之间的浙江、江西、湖南和贵州4个省的单位面积用水量，可以发现，尽管它们土地利用强度相近，但中下游省市的单位面积用水量要显著大于上游，一方面是由于地形条件导致上游省市实际开发范围有限，实际用水面积较小;另一方面则是因为高耗水的工业较少。

5 结论与建议

以长江经济带为研究对象，利用多项土地利用指标，分析1980～2015年长江经济带各省市的土地利用特征的时空演变规律，结论如下：① 1980～2015年间长江经济带土地利用结构变化较小，水田转为城镇用地和水域为全区土地利用主要变化;② 上中下游各区域间的土地利用空间差异较大，与上中游相比，下游土地利用变化时间较早，土地利用动态度和土地利用强度较大;③ 在研究时段内，土地利用综合动态度波动变化，从大到小分别为2010～2015年>1980～1990年=1990～2000年>2000～2010年;④ 土地开发利用强度在1990年后持续增长，同时水域面积大幅增加，使得区域内生态环境质量有所提高;⑤ 土地利用变化受社会政策以及人口密度的影响较为显著，各省市单位面积用水量与土地利用强度呈正相关关系。

根据长江经济带土地利用时空演变研究初步成果，建议长江经济带各省市贯彻落实长江大保护国家战略的同时，要密切关注水土资源利用之间的关系，以及土地利用与人口流动趋势的关系，充分协调各分区的水资源条件，优化用水结构，适当促进人口、产业向中上游转移，促进长江经济带经济社会均衡发展。

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（编辑：黄文晋）

Spatial temporal evolution law of land use in Yangtze River Economic Belt and analysis of related social factors

XIAO Junqiong1，HAO Jie2，XU Gaohong3，JU Qin1，LI Yanqing3，CHEN Xi1，3

（1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210024，China; 2.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China; 3.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The land use transfer matrix，dynamic degree and land use intensity index are used to analyze the spatial-temporal changes of land use in the Yangtze River Economic Belt based on the five-phase land use remote sensing monitoring data，and its relationship with social policies，population density and water consumption are also being detected.The results show that the land use change in the Yangtze River Economic Belt are mainly manifested in the reduction of paddy fields，the increase of urban land and water areas.The spatial and temporal differences in land use change are evident.Compared with the upper and middle reaches，the downstream land use change is earlier，and the land use dynamic attitude and land use intensity are larger.Since 1990，the intensity of land use has continued to increase and the ecological environment has improved.The dynamic degree of land use was the largest from 2010 to 2015 and the smallest from 2000 to 2010.Land use change is significantly influenced by socio-economic policies，and at the same time，land use intensity is positively correlated with water consumption and population.

Key words：

land use/cover change;resource development and utilization;land use dynamic degree;land use intensity index;Yangtze River Economic BeltCA096A47-EFD7-4C1E-BB65-04BCC16A87AD