长江经济带土地利用与景观格局的长期演变及其驱动机制研究

《Land》：Long-Term Evolution of Land Use and Landscape Patterns and Their Driving Mechanisms in the Yangtze River Economic Belt, China

　　

作为中国重要的经济走廊和生态屏障，长江经济带(Yangtze River Economic Belt, YREB)经历了显著的土地利用变化，深刻影响了区域景观格局与可持续性。然而，景观格局的长期演变及其驱动机制仍未被充分理解，特别是考虑到不同区域间的空间异质性。本研究基于1993年至2023年的土地利用数据集，整合土地利用转移分析、基于网格的景观格局指数和地理探测器(Geodetector)模型，考察了长江经济带景观格局的时空演变及其驱动因素。结果表明，耕地面积从34.63%下降到32.78%，林地面积从51.51%增加到52.36%，建设用地面积从1.36%扩展到3.61%。快速的城市扩张是景观格局变化的主要驱动力，导致景观破碎化程度和景观复杂性增加。研究观察到显著的区域差异，上游地区景观结构相对稳定，中游地区呈现过渡性变化，下游地区则经历着剧烈的景观重组。自然因素和社会经济因素共同影响景观演变，而它们的交互作用通常比单一因素具有更强的解释力。这些发现为长江经济带的生态保护、土地利用优化和国土空间规划提供了有价值的支持。

# 长江经济带土地利用与景观格局长期演变及其驱动机制研究解读

## 一、研究背景与科学问题

景观格局重组作为土地利用/覆被变化驱动的核心过程，是区域环境动态研究的关键组成部分。土地利用结构与空间配置的变化能够重塑生态系统的组成和功能，同时影响生态过程的时空动态、生态系统服务供给及区域生态安全格局。长江经济带横跨中国东、中、西部，在地形、气候、生态特征和社会经济发展水平上呈现显著的空间异质性，是研究快速城市化背景下生态保护、经济发展与土地利用转型交互作用的代表性区域。该区域支撑着全国超过40%的人口和经济产出，同时承担着生态安全屏障功能，面临着协调社会经济发展与生态可持续性的日益严峻的挑战。

尽管已有大量研究关注长江经济带的土地利用变化，但仍存在以下不足：第一，多数研究集中于特定时段或单一行政单元，难以揭示全流域景观格局变化的长期轨迹和阶段特征；第二，对不同河段景观演变轨迹的比较分析有限；第三，驱动机制的空间异质性以及自然环境条件与人类活动之间的交互效应尚未在统一的分析框架内得到系统量化。为此，研究人员开展本研究，旨在探讨1993—2023年长江经济带土地利用与景观格局的时空动态及其驱动因素的空间异质性。该研究成果发表于《Land》期刊。

## 二、研究数据与方法概述

本研究基于武汉大学发布的30米分辨率中国土地覆盖数据集(CLCD)，选取1993、1998、2003、2008、2013、2018和2023年共7期土地利用数据。将土地利用类型重分类为建设用地、林地、耕地、水域、草地和未利用地6类。社会经济与自然环境数据包括数字高程模型(DEM)及其衍生的坡度数据、年均气温、年均降水量、夜间灯光(NTL)和国内生产总值(GDP)数据。在研究方法上，研究人员主要采用了以下关键技术：土地利用转移矩阵方法，用于定量揭示不同土地利用类型间的转换方向、规模与强度；40 km × 40 km规则网格分析法，以统一空间分析单元消除行政边界效应的影响；景观格局指数体系，在景观水平选取斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、最大斑块指数(LPI)、聚集度指数(AI)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)8项指标，在类型水平选取景观面积百分比(PLAND)、景观形状指数(LSI)、斑块结合度指数(COHESION)等6项指标，运用Fragstats 4.2进行定量计算；地理探测器模型，通过因子探测和交互作用探测量化单一因子及因子交互作用对景观格局空间分异的解释力。

## 三、主要研究结果

### 3.1 土地利用类型转化特征

1993至2023年间，长江经济带耕地面积由708,071.39 km2减少至670,206.24 km2，占比从34.63%降至32.78%；林地面积从1,053,239.75 km2增加至1,070,472.12 km2，占比从51.51%升至52.36%，始终保持主导地位；草地面积持续减少，占比从10.02%降至8.93%；建设用地扩张最为显著，面积从27,715.03 km2增至73,772.29 km2，占比从1.36%升至3.61%，且2008年后增长明显加速。空间上，耕地主要分布于四川盆地、江汉平原、洞庭湖平原、鄱阳湖平原和长江三角洲等主要平原与盆地地区；林地集中分布于上中游山区和丘陵区；建设用地扩张集中于长三角、武汉都市圈和成渝经济圈等主要城市群。

### 3.2 土地利用转移矩阵分析

根据土地利用转移特征，研究期可分为五个阶段。1993—1998年以耕地、林地和草地间的双向转换为主，属于自然资源重新配置阶段；1998—2008年为生态调整与快速城市化的过渡阶段，建设用地扩张日益明显；2008—2013年进入快速城市化阶段，大量耕地转为建设用地，林地也有一定程度的转出；2013—2018年建设用地扩张最为突出，成为研究期内最大的土地利用转移类型；2018—2023年整体变化强度趋于稳定，土地利用逐渐向“开发—保护协调”模式转变。

### 3.3 景观格局时空动态

在景观水平上，上游地区斑块数量(NP)从16,553降至11,073，降幅达33.1%，边缘密度(ED)和斑块密度(PD)同步下降，表明景观破碎化程度减弱，结构趋于完整连续；最大斑块指数(LPI)维持在60%—63%高位，聚集度指数(AI)保持在91%—93%，蔓延度指数(CONTAG)稳定在72%—73%，显示生态用地特别是林地的主导地位持续稳固。中游地区NP和PD下降幅度略小，但ED呈现明显波动特征，指示景观格局仍处于持续调整阶段。下游地区NP和PD总体变化相对温和，但ED自2003年显著上升，从41.420 m/ha增至46.427 m/ha，表明破碎化主要表现为边缘复杂度的增强；LPI从68.135%显著降至62.023%，SHDI从0.585增至0.706，景观结构由单一主导型向多类型共存型转变，反映了快速城市化对区域景观格局的深刻重塑作用。

在类型水平上，耕地PLAND在三个区域均呈下降趋势，以减幅最大的下游地区最为显著，且下游地区耕地的NP、ED和景观形状指数(LSI)上升，呈现更加破碎和不规则的格局。林地作为上中游地区的主要生态景观类型，各区域NP、ED和LSI普遍下降，斑块形态趋于简化，聚集度指数(AI)和斑块结合度指数(COHESION)保持高位并略有上升。草地展现出最强的区域异质性，高度集中分布于上游地区，2023年PLAND超过16%，而中下游地区占比不足0.1%。建设用地变化最为剧烈，下游地区PLAND从5.09%增至12.81%，三个区域的NP、ED、LSI、AI和COHESION均持续上升，表明建设用地在面积扩张的同时，连通性和聚集程度也不断增强。

### 3.4 景观指数变化驱动因素分析

研究人员选取边缘密度(ED)表征上游地区、斑块数量(NP)表征中游地区、香农多样性指数(SHDI)表征下游地区的景观格局变化，运用地理探测器分析6个驱动因子(高程、坡度、年均气温、年均降水量、夜间灯光和GDP)的解释力。

单因子探测结果表明，上游地区年均气温和GDP的解释力(q值)长期较高，高程的解释力相对稳定，夜间灯光和年均降水量的解释力随时间逐渐上升；中游地区坡度和夜间灯光在所有年份均保持最高解释力，至2023年q值均超过0.38，表明景观破碎化与地形条件和人类活动增强均呈现强烈空间关联；下游地区高程、坡度和夜间灯光整体解释力较高，但GDP在2018年后解释力显著下降，表明高度城市化背景下景观多样性的空间分异不再主要由经济规模单一主导。

交互作用探测显示，三个区域的所有驱动因子组合均呈现双因子增强效应。上游地区地形因子间的交互作用最为稳定，高程与坡度的交互q值长期维持在0.361—0.401之间；中游地区地形和气候因子的交互作用持续增强，坡度与年均气温、坡度与年均降水量、年均气温与年均降水量的交互q值从1993年的0.235—0.283增至2023年的0.407—0.451；下游地区夜间灯光与地形或气候因子的交互作用始终表现出最高的解释力，2008—2013年间夜间灯光与年均降水量、夜间灯光与年均气温的组合q值均超过0.50。总体而言，自然因子提供了景观格局发展的基础框架，社会经济因子则日益深刻地塑造着景观转型的强度与方向。

## 四、讨论与结论

本研究发现，长江经济带土地利用结构的总体稳定与内部组成的持续调整并存，土地利用转移经历了从自然资源调整向人类主导的空间重构转变。景观格局的区域差异反映了地理环境约束、社会经济发展和政策干预的综合作用——上游地区以生态用地为主导，景观结构稳定；中游地区为农业与城市过程共同塑造的过渡型景观；下游地区经历了广泛的人类驱动的景观重构。值得注意的是，景观多样性的增加不应被简单视为景观质量的改善：在生态用地占主导的区域，多样性增加可能有助于增强生态韧性；而在高度城市化地区，多样性增加往往伴随着破碎化加剧和连通性下降。

驱动力分析支持“自然基础—人类修正”的景观演变认知框架。自然因素与社会经济因素并非独立发挥作用，而是通过影响土地利用转换的可行性和强度，联合驱动景观格局演变。基于研究结果，研究人员提出差异化的土地管理策略：上游地区应保持森林连通性和生态完整性；中游地区需协调耕地保护、生态修复与城市发展；下游地区应控制城市蔓延、提高土地利用效率并加强生态廊道网络建设。本研究也存在一定的局限性，包括土地利用分类精度、数据时空一致性等不确定性，以及未纳入人口密度、交通可达性、土壤属性和政策变量等因素。未来研究应结合结构方程模型、路径分析等因果推断方法，并进一步探讨尺度效应和多分辨率特征，为长江经济带的可持续土地利用规划提供更全面的科学支撑。