2000～2010年环渤海省市海岸带土地利用变化分析

吴 莉 , 侯西勇

(1. 中国科学院烟台海岸带研究所, 山东 烟台 264003； 2. 山东女子学院, 山东 济南 250002)

海岸带是陆海生态系统的交错带, 是具有海、陆两种不同属性特点的独特环境体系, 是人、海、陆交互作用最明显的地域类型, 生态环境具有一定的脆弱性[1]。近年来, 大量人口涌入海岸带, 沿海城市化进一步迅猛发展, 导致海岸带土地开发利用的规模和强度进一步增大, 海岸带面临的压力日益增强[2]。海岸带土地利用变化可引起海岸带多种资源与生态过程的改变, 例如, 地下蓄水层和海岸带水质污染,近海水体富营养化甚至赤潮发生等[3]。因此, 及时、准确、高效地获取海岸带土地利用变化信息, 揭示海岸带土地利用变化特征, 对海岸带开发、利用和管理等意义重大。近年来, 越来越多的学者对海岸带土地利用及相关问题进行研究, 如海岸带土地利用变化监测及过程[4-8]、驱动机制[9-13]、环境效应[14-17]等。

海岸带是海岸线向陆、海两侧扩展一定宽度的带型区域[18]。目前对海岸带空间范围的认定则因学科研究目的和研究手段等的不同而差异巨大。在 20世纪80年代全国海岸带和海涂资源综合调查规程中,海岸带是指自海岸线向陆的10 km的陆地及向海至10～15 m的浅海的狭长地带。已有的海岸带土地利用变化相关研究多以厦门[19]、盐城[20-21]、深圳[22]、上海[23]等典型海滨城市为研究区； 针对自然地理单元,如辽河三角洲[24]、黄河三角洲[25]、长江三角洲[26]、珠江三角洲[27]滨海湿地的研究也较多。吴泉源等[28]对龙口海岸带土地利用动态变化进行分析； 侯西勇和徐新良[29]对中国海岸带区域(海岸线向陆缓冲30 km范围)土地利用的数量、结构、空间格局以及集约化特征进行分析； 高义等[30]以广东省海岸线向陆纵深5 km为研究区, 分析海岸带土地利用变化及驱动因子； 许艳等[31]以2008年江苏省海岸线为基线, 以10 km缓冲半径建立缓冲区为研究区, 对 1980～2008年江苏省海岸带土地利用变化的行政单元差异与梯度分异特征进行分析。

本文选取环渤海省市的海岸带为研究区, 基于2000、2005和2010年的Landsat TM/ETM影像, 利用ArcGIS软件提取3个时期的土地利用数据, 分别在区域整体、缓冲带、行政单元尺度上分析2010年土地利用现状以及2000～2010年土地利用转移特征、综合土地利用动态度、土地利用程度的变化, 以深入揭示海岸带土地利用及其变化的空间差异特征。

1 研究区及数据

环渤海省市海岸带指辽宁、河北、山东、天津“三省一市”的海岸带, 跨16个地级市和1个直辖市, 由北向南依次为丹东、大连、营口、盘锦、锦州、葫芦岛、秦皇岛、唐山、天津、沧州、滨州、东营、潍坊、烟台、威海、青岛、日照。2000～2010年, 该区域主要通过围填海方式扩大盐田与养殖面积, 增加土地资源和拓展城市发展空间, 加上河口淤积造陆等过程, 海岸线总体向海显著推进。在本文中,采用20世纪80年代全国海岸带和海涂资源综合调查规程中的标准, 将研究区范围聚焦为环渤海省市海岸线向陆一侧10 km缓冲区, 但是为了便于操作, 直接选取 2010年土地利用数据的向海一侧边线代替海岸线(图 1), 由此确定的研究区总面积约2.9 万 km2, 位于 117°27′～125°42′E 与 35°4′～41°3′N之间。

图1 研究区位置与范围Fig. 1 Location of the study area

选取云量小于5%的2000年Landsat 7 ETM+影像、2005和2010年Landsat 5 TM影像, 每期14景,涉及轨道号为 p118r32、p119r32、p119r33、p119r34、p119r35、p120r32、p120r33、p120r34、p120r35、p120r36、p121r32、p121r33、p121r34 和 p122r33。基于卫星影像, 结合大量的野外考察和实测坐标数据, 采用屏幕数字化方法提取3个时期的土地利用数据。将土地利用类型分为耕地、林地、草地、建设用地、内陆水体、滨海自然湿地、人工湿地和未利用地8个大类。其中, 建设用地包括城镇、农村居民点以及交通工矿用地, 滨海自然湿地包括滩涂、河口水域及河口三角洲湿地, 人工湿地是指盐田和养殖。

2 研究方法

2.1 综合土地利用动态度

土地利用动态度可用来反映研究区土地利用变化的剧烈程度, 便于在不同空间尺度上找出土地利用变化的热点区域[32], 其公式如下：

式中,Ui为期初i类土地利用类型的面积； ΔUi-j表示时段内i类土地利用类型变为非i类(j类,j=1, 2,···,n)土地利用类型的面积；t为研究时段长；C表示综合土地利用动态度。

2.2 土地利用程度综合指数

庄大方和刘纪远[33]提出土地利用程度综合分析方法, 按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为若干级, 赋予分级指数(表 1), 并给出土地利用程度综合指数的定量化表达式。土地利用程度的大小不仅反映土地本身的自然属性, 也反映人类因素与自然环境因素的综合效应。某区域土地利用程度综合指数可表达为：

式中,Lj为某研究区域土地利用程度综合指数；Ai为研究区内第i级土地利用程度分级指数；Ci为研究区内第i级土地利用程度面积百分比；n为土地利用程度分级数。

表1 土地利用程度分级赋值表Tab.1 The classification values of land use degree

3 结果与分析

3.1 海岸带土地利用现状

2010年, 环渤海省市海岸带土地利用类型以耕地为主, 比例为 36.08%, 其次为建设用地和人工湿地, 其他类型面积比例由高到低依次为林地、滨海自然湿地、草地、内陆水体、未利用地。

3.1.1 海岸带土地利用行政单元差异

由表2可见, 17市域的土地利用结构差异明显：海岸带耕地比例最突出的城市为葫芦岛、威海、日照, 锦州、烟台和青岛海岸带耕地的比例也较高, 而滨州则最低, 仅为0.02%； 林地在丹东、大连及营口海岸带中的分布比例高于区域海岸带整体, 而草地在秦皇岛、东营、潍坊、烟台、青岛及日照海岸带中的分布比例高于区域海岸带整体； 海岸带建设用地的比例以天津为最高, 其次为秦皇岛、日照、青岛、营口及烟台, 比例最低的是潍坊, 仅为 0.88%； 海岸带内陆水体的比例以秦皇岛为最高； 辽河三角洲和黄河三角洲分别分布在盘锦和东营, 因而 2个城市海岸带滨海自然湿地的比例远高于其他城市, 海岸带滨海自然湿地比例最低的是丹东； 海岸带人工湿地比例最高的为沧州和潍坊； 东营和潍坊海岸带未利用地的比例较为突出, 其他城市则均较小。

3.1.2 海岸带土地利用海陆梯度差异

以2010年土地利用数据的向海一侧边线为基线,以0.5 km为间隔由海向陆建立20个缓冲带, 由海向陆顺次编号； 统计每个缓冲带中的土地利用结构,分析海岸带土地利用结构的海陆梯度差异。

图2可见, (1)耕地在各缓冲带中的比例由海向陆逐渐增加, 在 0～0.5 km 缓冲区范围为 11.95%,9.5～10 km范围上升到51.49%, 6 km以外上升速度加快； (2)建设用地在0～1 km缓冲区范围内是主导的土地利用类型, 在＞1 km范围, 建设用地在各缓冲带的比例由海向陆不断下降, 耕地超过建设用地成为主要土地利用类型； (3)人工湿地的比例在0.5～1 km缓冲区范围达到峰值, 1～5 km范围内则缓慢下降,＞5 km范围降速加剧, 在9.5～10 km缓冲区范围内达最小值(11.99%)； (4)林地在 0～0.5 km 缓冲区范围内的比例最低(9.89%), 其余缓冲带内的比例均超过13%； (5)滨海自然湿地在各缓冲带内的比例由海向陆呈不断下降趋势, 在0～0.5 km缓冲区范围内的比例为 24.82%, 0.5～1 km范围内比例骤降为 13.35%,＞7 km范围内的变化幅度较小； (6)草地在0～0.5 km缓冲区范围内比例最低, 为2.77%, 虽由海向陆波动上升, 但仅在6～9 km范围内的比例相对较高(＞5%)；(7)内陆水体在各缓冲带内的比例在 2.44%～5.77%波动变化, 规律不明显； (8)未利用地在0～3 km缓冲区范围内的比例明显下降, ＞3 km 范围内的比例不足1%, 波动下降但降幅较小。

表2 2010年各行政单元海岸带土地利用结构Tab. 2 Land use structure in different administrative regions in 2010

图2 2010年各缓冲带土地利用结构Fig. 2 Land use structure in different buffer zones in 2010

3.2 海岸带土地利用转移特征

对2000～2010年各土地利用面积统计(图3)发现耕地、草地、滨海自然湿地面积不断减少, 建设用地和人工湿地面积不断增加, 内陆水体与未利用地面积波动上升, 林地面积变化不大。由于在同一个研究时段各土地利用类型在不同空间位置的转入和转出使得其总量增减部分相互抵消, 因此仅分析土地利用净变化量在一定的程度上掩盖了土地利用变化的真实过程[34]。分别将2000与2005年、2005与2010年土地利用图进行叠加, 分析土地利用变化的转移和流向(表3)。

2000～2005年, 土地利用类型发生变化的面积为2 126.419 km2, 占总面积的7.31%, 其中17种主要转移类型占总变化面积的 80%以上。最突出的土地变化类型是耕地向建设用地转移, 面积达310.61 km2,占转移面积的14.61%； 人工湿地扩展(侵占滨海自然湿地)居第二位, 为 278.69 km2； 亦有 172.19 km2的人工湿地转化为建设用地。此外, 近海海域变为建设用地和滨海自然湿地的面积也较大。

图3 2000～2010年各地类面积变化Fig. 3 Land use changes during 2000 to 2010

2005～2010年, 土地利用类型发生变化的面积比前一时段增大, 为 3 092.39 km2, 占总面积的10.63%, 其中 20种主要转移类型占总变化面积的80%左右。位于前四位的分别是耕地、近海海域、人工湿地和滨海自然湿地转化为建设用地, 共占总转移面积的 36.19%, 说明滨海城市扩展、围填海、港口建设等是海岸带土地利用变化的主导特征。

为进一步分析海岸带土地利用转移的空间差异,分别统计各缓冲带、各行政单元内土地利用发生变化的面积以及转移面积最大转移类型(图4)。

由图4a可见, 东营市海岸带两个时段内的转移面积最突出, 2000～2005年最大的转移类型为草地变为耕地, 2005～2010年则为耕地变为人工湿地。在这10 a间, 大连市和天津市海岸带的转移面积也比较突出, 最大的转移类型分别为近海海域变为人工湿地、近海海域变为建设用地。

表3 主要土地利用变化类型列表Tab.3 The list of main land use transition types

由图4b可见, 各缓冲区内2005～2010年的土地利用变化幅度均超出 2000～2005年。在 0～4 km范围内, 两个时段土地利用转移面积均为由海向陆而急剧降低, 在4～5.5 km范围小幅回升, 但在＞5.5 km范围则呈现为由海向陆逐渐下降趋势。2000～2005年, 在 0～1 km范围最大的转移类型为近海海域变为建设用地, 6～6.5 km以及8～8.5 km范围内为滨海自然湿地变为建设用地, 其他区域最大的转移类型均为耕地变为建设用地。2005～2010年, 在0～1.5 km范围内最大的转移类型为近海海域变为建设用地, 其他区域均为耕地变为建设用地。

图4 海岸带土地利用转移面积的空间差异特征Fig. 4 Spatial differences of land use change

3.3 海岸带土地利用综合动态度

2000～2005年、2005～2010年综合土地利用动态度分别为0.73%, 1.06%。分别比较17城市海岸带及不同缓冲带之间的综合土地利用动态度(图 5), 由图5a可见： 丹东、锦州、沧州、潍坊海岸带后5 a土地利用综合动态度较前5 a下降, 其余城市则均为上升,其中, 唐山、天津、东营的上升幅度较高。由图 5b可见： 各缓冲带 2005～2010年的动态度均高于2000～2005年, 且0～2 km缓冲区范围内上升幅度较显著； 在 0～3.5 km 缓冲带内, 综合土地利用动态度由海向陆急剧下降, 在3.5～5.5 km范围为波动上升,在＞5.5 km范围为缓慢下降。

3.4 海岸带土地利用程度变化

2000、2005、2010年, 土地利用程度综合指数分别为 269.81、276.39、284.54, 不断升高, 说明环渤海省市海岸带土地利用处于发展期。比较17城市海岸带土地利用程度可发现, 除沧州和潍坊2010年较2005年土地利用程度有所下降, 其他城市海岸带土地利用程度均为不断上升(图6a)。盘锦、滨州、东营及潍坊市海岸带土地利用程度相对较低, 而天津、日照海岸带土地利用程度较高。

针对各缓冲带 3个年份的计算(图 6b)与比较发现： (1)2000～2010年, 各缓冲带土地利用程度均为增长； 以5 a为间隔比较, 在0～2 km范围内, 2005～2010年增长幅度大于2000～2005年, 而在＞2 km区域, 则与之相反。(2)2000、2005及2010年, 在0～3 km缓冲区范围内, 由海向陆土地利用程度不断升高； 2000年, 土地利用程度在3～3.5 km范围内达到峰值, 2005年和 2010年则均在 2.5～3 km 范围内达到峰值； 在4.5～6.5 km范围内, 3个年份的土地利用程度均为由海向陆而降低, 6.5 km以外土地利用程度波动变化。(3)各缓冲带土地利用程度变化幅度比较发现, 在0～0.5、0.5～1、1～1.5 km 缓冲带, 10 a间土地利用程度指数上升了56.60, 33.98, 21.57, 远高于其他缓冲带,说明0～1.5 km范围10 a间土地开发强度增加速度远高于其他区域。

图5 海岸带综合土地利用动态度空间差异特征Fig. 5 Spatial differences of the comprehensive land use dynamics degree

4 结论

基于 3个时期的土地利用数据, 对环渤海省市海岸带2010年土地利用现状以及2000～2010年土地利用转移特征、综合土地利用动态度、土地利用程度的变化进行分析, 结果表明如下。

1) 2010年, 环渤海省市海岸带土地利用面积比例由大到小依次为： 耕地＞建设用地＞人工湿地＞林地＞滨海自然湿地＞草地＞内陆水体＞未利用地； 各地类在不同行政单元及不同缓冲带之间的空间差异明显。滨州市海岸带耕地的比例最低, 仅为0.02%； 盘锦和东营分别因辽河三角洲和黄河三角洲而使得其海岸带滨海自然湿地的比例分别高达 48.54%,43.11%； 沧州市海岸带人工湿地的比例最高, 天津市海岸带建设用地的比例高达46.87%。耕地在各缓冲带的比例由海向陆不断增加, 建设用地、滨海自然湿地和人工湿地的比例则为由海向陆不断减少。

2) 2000～2005年、2005～2010年, 海岸带土地利用发生转移的面积分别为2 126.419 km2和3 092.39 km2； 建设用地扩展占用耕地、人工湿地和滨海自然湿地, 以及滨海自然湿地变为人工湿地是主导的变化过程, 但不同行政单元及不同缓冲带之间土地利用变化的空间差异明显。

3) 2000～2005年、2005～2010年, 环渤海省市海岸带综合土地利用动态度分别为 0.73%、1.06%； 17城市海岸带综合土地利用动态度以东营和天津较高,而丹东及葫芦岛则较低； 各缓冲带内综合土地利用动态度随时间不断增加； 在 0～3.5 km 缓冲带, 综合土地利用动态度由海向陆急速下降, 在 3.5～5.5 km范围波动上升, ＞5.5 km范围则缓慢下降。

4) 2000、2005、2010年, 环渤海省市海岸带土地利用程度整体上不断升高, 土地利用处于发展期；除沧州和潍坊, 其他城市海岸带土地利用程度随时间不断上升； 各缓冲带内土地利用程度随时间均有不同程度增长, 空间上则由海向陆波动上升。

总之, 环渤海省市的海岸带土地利用以耕地、建设用地和人工湿地为主； 2000～2010年土地利用变化剧烈, 综合土地利用动态度和土地利用程度不断上升, 但变化幅度存在一定的阶段差异； 建设用地不断扩展而大量占用耕地、滨海自然湿地和人工湿地,以及大范围滨海自然湿地变为人工湿地等是土地利用变化的主导过程； 而且, 环渤海省市的海岸带土地利用分布及变化的区域差异和陆海梯度特征非常显著, 天津、东营、唐山、大连、烟台等城市的海岸带区域是土地利用变化的热点区域。在我国, 东部沿海区域的工业化和城市化步伐明显超越了其他区域,成为海岸带土地利用变化、滨海自然湿地消失的重要原因。具体而言, 国家对海洋经济的重视促进了对临港产业的需求, 加速了港口与码头建设、围填海工矿用地发展等； 城市化与耕地保护之间的矛盾则促进了沿海城市中居住、交通、商业、旅游等用地类型的临水(向海)发展态势； 生活水平提高、食物结构改善需求增长等因素加剧了滩涂资源的围垦, 以获取更多的海产品。与此同时, 海岸带局部区域, 如,老黄河口、蓬莱—龙口海岸带等, 因入海泥沙消失、相对海平面变化、人为采砂等原因, 加剧了海岸侵蚀并导致滨海土地损失、自然湿地减少等问题。本文研究和证实了上述因素对海岸带土地利用变化, 尤其是滨海自然湿地减少等过程的影响, 包括数量与格局特征, 可为该区域土地利用规划和海岸带综合管理等提供有益的支持。

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