亚热带山—湖平原地区土地利用变化与景观格局分析中空间范围、空间粒度与地貌背景的解耦研究

《CATENA》：Disentangling spatial extent, spatial grain, and geomorphic context in land-use change and landscape pattern analyses of a subtropical mountain–lake plain region

　　

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  山区森林保持稳定；湖平原显示出活跃的土地 - 水体转换。
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  仅在 5.01–15.03 公里范围内，景观形状指数（LSI）表现出显著响应。
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  空间粒度显著影响所有五个景观指数。
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  在从 30 米到 60 米的粗化过程中，斑块密度（PD）和景观形状指数（LSI）变化最强。
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  山区土地利用变化（LUCC）与地形有关；湖平原 LUCC 与水文有关。

引言

土地利用/覆盖变化（LUCC）是全球环境变化的主要组成部分。它通过改变地表能量和水通量、生物地球化学循环、栖息地结构和生态系统服务来重组陆地生态系统（Foley et al., 2005）。在地貌异质性区域，土地利用转变路径很少反映单一因素。相反，它们源于地形、水文条件、土壤性质、可达性和人类压力的空间结合效应（Mitsuda and Ito, 2011; Wang and Cheng, 2023）。这种耦合在山区 - 湖平原系统中尤为显著，其中地形约束、河流 - 湖泊连通性、季节性淹没、农业垦殖、生态修复和城市扩张共同重组了森林、耕地、水体和不透水表面的镶嵌格局（Guo et al., 2022; Yang et al., 2020）。在洞庭湖区域，湿地和水体的长期变化与水文制度的变化以及主要人类干预密切相关，反映了湖平原土地系统强烈的水文动力学（Gao et al., 2020; Liu et al., 2024）。这些条件表明，LUCC 路径在湖平原和周围山区景观之间可能存在显著差异（Wang and Cheng, 2023）。因此，区域 LUCC 不应被视为空间上均匀的反应，而应视为受特定地貌和水文背景约束的土地系统重组（Meyfroidt et al., 2022; Verburg et al., 2015）。

尺度具有两个分析上不同的组成部分。空间范围是衡量图案的总面积，而空间粒度是代表该图案的最小空间单位（Levin, 1992; Wu, 2004）。改变空间范围会改变采样的景观域及其组成。改变空间粒度会通过聚合修改对小斑块和边界的表示（Turner et al., 1989）。因此，景观格局指数通常比基于景观组成的多样性指数更敏感于粒度变化和边界简化（Kato and Motobe, 2024; Zhang et al., 2020）。直接比较面积、形状、地貌组成和分区不同的行政单位，可能会混淆空间范围效应与背景差异，并可能受可修正面积单元问题（MAUP）的影响（Fotheringham and Sachdeva, 2022; Jelinski and Wu, 1996）。同样，分类栅格的聚合规则可能会合并稀有斑块或简化斑块边界。因此，粒度响应可能反映初始景观组成、边界几何形状和聚合方法的综合效应（Lausch and Herzog, 2002; Lustig et al., 2015）。因此，可靠地识别空间范围效应和空间粒度效应需要复制的控制设计，在保持地貌背景、分析窗口几何形状和其他空间属性尽可能恒定的情况下，改变一个尺度维度（Turner et al., 1989; Wiersma, 2022）。

LUCC 相关因素的识别也具有尺度和时间依赖性（Aspinall et al., 2021）。地理探测器量化空间分层异质性以及解释因素与响应变量之间的空间关联。然而，其 q 统计量代表解释力而非因果效应（Akbari et al., 2023）。结果还可能取决于统计支持度、因素离散化以及用于检验显著性的方法（Song et al., 2020; Zhang et al., 2023）。此外，LUCC 可能对累积的前驱环境和社会经济条件的反应比对并发条件更强。因此，必须明确指定解释变量与 LUCC 期间之间的时间对齐（Aspinall et al., 2021; Verburg et al., 2015）。在湖平原环境中，静态的水体距离不能完全代表随时间变化的水文暴露，而多年地表水频率提供了关于水文动力学的互补信息（Pekel et al., 2016; Yang et al., 2020）。因此，可靠的评估需要将控制的尺度实验与固定的统计支持度、时间滞后设计和显著性检验相结合（Song et al., 2020; Wiersma, 2022）。

湖南省为本分析提供了合适的场所。该省西部和中部的山地和丘陵过渡到洞庭湖平原，在同一亚热带区域内创造了显著的地貌和水文对比（Li et al., 2020a）。安化县代表了森林为主的山区背景，而沅江市代表了以耕地 - 水体为主的湖平原背景，具有动态的土地 - 水体边界（Shi et al., 2024; Yang et al., 2020）。这种地貌和水文对比使得可以在不同的环境背景下进行可比的控制尺度实验。此外，30 米中国土地覆盖数据集（CLCD）提供了按年分辨且空间一致观测。这些数据支持了四十年 LUCC 的重建以及基于共同分类网格的空间范围分析（Yang and Huang, 2026）。

在此背景下，我们为湖南省、益阳市、安化县和沅江市开发了 1985–2025 年的多尺度框架。该框架结合了行政 - 地貌背景之间的描述性比较、县内受控尺度实验，以及固定统计支持度下的时间滞后地理探测器分析。我们解决了三个问题：(1) 土地利用组成、转变路径和时间轨迹在四个行政 - 地貌背景下有何不同？(2) 当地貌背景、窗口几何形状和其他尺度维度保持不变时，景观指数如何响应空间范围变化和空间粒度变化，以及这些响应在山区和湖平原背景下是否不同？(3) 在固定统计支持度和时间滞后设计下，哪些解释因素和相互作用与不同的 LUCC 响应显著相关，以及这些关联对替代分析设置的稳健性如何？通过区分区域背景、空间范围、空间粒度和统计支持度，本研究为解释山区和湖平原环境中的土地系统演化和景观重组提供了更严格的基础。

章节片段

研究区

本研究涵盖了四个行政 - 地貌背景：湖南省、益阳市、安化县和沅江市。湖南省位于中国中南地区（24°38′–30°08′ N, 108°47′–114°15′ E），包括山脉、丘陵、平原和洞庭湖区域。该地区属于亚热带季风气候，年降水量为 1200–1700 毫米，年平均气温为 16–18°C (https://www.hunan.gov.cn/)。益阳市位于湖南中北部，跨越

不同行政 - 地貌背景下的土地利用变化模式和轨迹

从 1985 年到 2025 年，森林和耕地共同占据了四个行政 - 地貌背景的大部分土地，尽管它们的相对主导地位和转变路径存在显著差异（图 3，图 4；附图 1；附表 2–18）。在湖南省，森林占总面积的 61.82–64.91%，耕地占 31.60–34.69%，而不透水表面从 1985 年的 1713.86 平方公里扩大到 2025 年的 5481.72 平方公里。耕地 - 森林交换代表了最大的转变

不同行政 - 地貌背景下 LUCC 轨迹的分化

从 1985 年到 2025 年，湖南省和益阳市的森林和耕地比例总体保持稳定。然而，土地利用转移矩阵揭示了在这种表面组成稳定之下，持续存在的耕地 - 森林交换、耕地 - 水体转换和不透水表面扩张（图 4）。稳定的面积比例并不一定意味着转变过程稳定，因为相反的转变流在净变化估计中可能会相互抵消

结论

本研究表明，多尺度 LUCC 评估应区分空间范围、空间粒度、地貌背景和统计支持度，而不是将它们视为单一的尺度层级。尽管森林和耕地主导了区域土地系统，但安化和沅江遵循了相反的轨迹：前者保留了相对稳定的森林矩阵，而后者经历了活跃的耕地 - 水体转换和不透水表面扩张。空间范围和粒度

CRediT 作者贡献声明

Chanyuan Qin：撰写 – 审查与编辑，撰写 – 初稿，软件，调查，数据管理，概念化。Kainan Xiang：撰写 – 审查与编辑，可视化。Dengming Yan：调查，形式分析。Ziheng Pang：调查，形式分析。Kui Li：调查。Zhiyong Liu：调查。Yelan Yu：形式分析。Zeheng Li：监督。Hua Wang：撰写 – 审查与编辑，项目管理，方法论，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号 42377319）、湖南省生态环境厅（批准号 HBKYXM-2024017）、HARS 专项资金（批准号 HARS-07）以及湖南省研究生科研创新项目（批准号 LXBZZ2024133 和 CX20251065）的支持。

Chanyuan Qin|Kainan Xiang|Dengming Yan|Ziheng Pang|Kui Li|Zhiyong Liu|Yelan Yu|Zeheng Li|Hua Wang