基于LandUSEM模型的山东半岛海岸带土地利用适宜性分析

宋歌，许景伟，杨志军，韩芳，高兰，穆豪祥

(1. 山东理工大学 建筑工程学院, 山东 淄博 255049；2.山东省林业科学研究院, 山东 济南 250014；3.山东省国土空间规划院, 山东 济南 250014)

海岸带作为水圈、岩石圈、生物圈以及大气圈相结合的敏感地带，是地球上自然和人为双重作用用力改造最为强烈的区域之一[1]。在快速城镇化背景下，大量人口涌入海岸带地区，沿海城市迅猛发展，导致海岸带地区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加[2-3]。土地利用变化能反映自然格局、过程与人类社会之间最直接的相互关系，是人口、资源、环境可持续发展的基本问题[4]。因此，研究海岸带的土地利用变化显得尤为重要。

国内外有很多学者从驱动力分析[5-6]、生态评价[7-8]和土地利用适宜性[9-10]等角度对土地利用进行了研究。Olaniyi等[5]利用马来西亚雪兰莪1990和2006年的土地利用数据、生物物理数据和社会经济数据对其土地利用变化和驱动力进行分析。黄巧等[9]将层次分析法、德尔菲法和Arcgis地理空间分析技术相结合，对老挝沙湾水经济区的农业用地、林业用地和建设用地进行适宜性评价。前人的研究为土地利用变化分析提供了多种分析角度和方法。但是，目前土地利用适宜性分析研究仍存在以下两方面问题：一是多采用层次分析法和德尔菲法确定评价因子和权重，易受人为因素的干扰，评价结果具有一定的主观性；二是分析时间周期较短，在反应土地利用长时间序列变化方面存在不足。

本文以山东半岛海岸带为研究区，以土地利用类型数据、DEM数据和土壤类型数据为基础，选取对土地利用布局产生重要影响的高程、坡度、坡向和土壤为评价指标，选用LandUSEM模型对1990—2015年山东半岛各主要土地利用类型分布的适宜性及变化过程进行分析，进而得到各用地类型适宜分布的环境因子指标范围，在此基础上评价2020年山东半岛海岸带的土地利用现状，以期为山东半岛海岸带土地及空间资源的优化使用、保护海岸带生态资源提供理论参考。

1 研究区概况

研究区位于山东半岛35°05′～37°50′N、119°16′～122°42′E之间的海岸带(以海岸线为基线，向陆延伸10 km的区域，且包括沿岸的岛屿[11])，行政区涉及滨州、东营、潍坊、烟台、威海、青岛、日照7个地级城市。研究区地处暖温带湿润季风区，年平均温度12.0～12.6 ℃，年平均降水量688 mm。

山东半岛海岸带包含黄河三角洲(泥质海岸)、莱州湾(西岸泥质海岸、东岸砂质海岸)和屺坶岛高角-绣针河口(岩质海岸)3个岸段，地形以平原和丘陵为主，土壤类型主要有棕壤、潮土、粗骨土和滨海盐土4种类型(图1)，植被类型以落叶阔叶林和针叶林为主。近30年来，伴随着经济社会的迅速发展和城市化进程的加快，山东半岛海岸带土地利用发生很大变化，环境压力和生态退化问题日益加剧，风暴潮、海岸侵蚀、湿地退化等灾害事件频发[12-13]。

图1 研究区概况图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

1)1∶100万数字化土壤图。该数据是2005年由中国科学院南京土壤研究所集体制作的矢量数据，基本制图单元为亚类，共分12个土纲，61个土类，226个亚类。根据土壤分类体系，研究区所包含的棕壤、滨海盐土、粗骨土和潮土占总面积的90.47%。因此，将其余面积占比较小的土壤类型归为其他类。

2)DEM数据。ASTER GDEM 30 m分辨率数字高程数据来源于中国科学院地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)。

3)土地利用类型数据。基于Landsat TM/ETM+/OLI人工目视解译的1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6期分辨率为100 m的栅格数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域用地、城乡建设用地和未利用地6个一级类型以及25个二级类型。根据该分类体系，研究区所包含的土地利用类型有耕地、林地、草地、河渠、湖泊、水库坑塘、滩涂、滩地、城镇用地、农村居民点、其他建设用地和未利用地12种。

2020年分辨率为30 m的土地覆盖数据来源于GLOBELAND30(http://www.globallandcover.com)。根据该现状分类体系，研究区所包含的土地覆盖类型有耕地、林地、草地、湿地、水体、人造地表和裸地。

2.2 研究方法

2.2.1 数据分级处理

利用DEM数据提取研究区坡度和坡向数据，参照国内相关研究中的分级方法[14-15]并结合研究区的实地特点，将高程、坡度和坡向数据分别划分为5级(表1)，其中:高程分级根据研究区平原丘陵为主的地形和海岸带特殊位置确定；坡度分级根据研究区地貌特征及参考粤东海岸分级标准确定；坡向分级根据研究对象对方向敏感性的强弱采用4方向法确定。

表1 环境条件数据的分级

2.2.2 LandUSEM模型

在人们频繁的土地改造活动下，土地利用的适宜度可以有效、科学地反映土地利用情况，其值的计算显得尤为重要。LandUSEM(land use suitability evaluation model)模型可以根据不同用地类型与各影响因子结合的频度得到土地类型在不同影响程度下的适宜度。在人类意识驱使下，地形因素(高程、坡度、坡向)和土壤类型与土地利用布局之间存在较强的耦合关系：如耕地一般分布在坡度小于2°且土壤肥沃、光照条件良好的区域；建设用地对土壤类型选择性较低，但通常分布在缓坡向阳区域。该模型将每一类土地类型在各级评价因素中适宜度的整体均方差作为评价因子权重，可以排除人为因素的干扰，更具科学性[10]。此模型的计算过程分为叠加分析、标准化处理、面积百分化、环境因子权值获取和综合适宜度评价5步[10,16]，具体实现流程如下：

步骤1：将高程、坡度、坡向和土壤数据分别与6期土地利用类型数据叠加，得到叠加矩阵。

步骤2：将叠加矩阵进行标准化及面积百分化处理。

步骤3：按公式(1)计算单一土地利用适宜度，计算单一适宜度矩阵行方向均方差STDEV以及矩阵方向整体均方差STDEV1。

(1)

式中：Zij是矩阵中第i类土地利用类型相对于第j种某项评价因素不同分级的适宜度；xij是土地利用面积百分化处理后面积矩阵中第i行第j列的值；yij是评价因素分级面积百分化处理后面积矩阵中第i行第j列的值。

步骤4：利用重分类工具对各种叠加组合情况进行赋值，得到单一因素下土地适宜度的栅格数据(Zij)r，按公式(2)将归一化处理后的权重Kr进行加权运算，获取综合适宜度F。

(2)

式中：F为综合适宜度;Kr为归一化处理后的各因素权重。

步骤5：为定性评价土地利用适宜性，对综合适宜度分级处理。因各评价因素均分为5级，对于百分化数据平均值为20，故将适宜度值域为15以下定义为不适宜、(15，25]为临界适宜、(25,35]为中等适宜、(35,45]为比较适宜、大于45为非常适宜。

3 结果与分析

3.1 1990—2015年土地利用适宜性的差异分析

经土地利用适宜度模型计算，根据单一适宜度矩阵方向整体均方差STDEV1得出1990—2015年土地利用类型在各评价因子下的适宜度权重(表2)，进而获得历年土地利用适宜度的评价值。为利用历史数据进行山东半岛海岸带土地利用适宜性研究，首先需对历年各海岸带综合适宜性进行分级分析，其次分析各岸段在不同时期的土地利用类型转化情况，最后对比分析各用地类型的适宜度差异。

表2 土地利用类型在各评价因子下的综合适宜度权重表

3.1.1 综合适宜性分级分析

总体来看，由历年数据得出山东半岛海岸带综

合土地利用适宜性分级情况(图2)。分析图2得出：1990—1995年，滨州市和东营市北部海岸带大部分面积由非常适宜转为中等适宜，莱州湾沿岸由比较适宜转为临界适宜；1995—2000年土地利用适宜性逐渐好转，滨州市和东营市北部海岸带由中等适宜转为比较适宜；2000—2005年，东营市东南部不适宜土地面积减少，适宜性提高，体现在该地区不适宜类型草地转为中等适宜类型耕地，耕地适宜性在棕壤和潮土类型下高于滨海盐土，而黄河三角洲地区土壤类型为滨海盐土，因此其它地区的耕地适宜性优于该地区；2005—2015年各区域土地适宜性趋于稳定状态。

图2 1990—2015年山东半岛海岸带综合土地利用适宜性分级图

3.1.2 各岸段土地利用类型转化及适宜性分析

基于各时期土地利用类型数据及综合适宜度分级数据经计算可知：黄河三角洲岸段土地利用变化最频繁，1990—1995年土地利用变化最大的类型为未利用地向水域用地转化，在该转化过程中适宜性降低的区域占25%，水域用地和城乡建设用地向未利用地转化也导致适宜性降低；2000—2005年有29 716 hm2的草地向耕地转化使土地适宜性提高，各时期未利用地向城乡建设用地转化均未造成土地适宜性降低。

莱州湾岸段在2000—2005年土地利用变化最频繁且变化类型复杂，以水域用地向城乡建设用地、未利用地以及草地转化居多，其中，未利用地向草地转化导致土地适宜性降低。总体来说，该岸段主要土地利用变化类型为水域用地向城乡建设用地转化，未造成土地适宜性降低。

屺坶岛高角-绣针河口岸段土地利用变化最小，各时期共有12 291 hm2土地适宜性降低，均由耕地向城乡建设用地转化导致；在1990—1995年未利用地向林地转化过程中未造成土地适宜性变化。

研究区三岸段土地利用变化的共性体现在城乡建设用地增多，说明山东半岛城市化进程发展迅速。但减少的土地类型存在差异，主要体现在黄河三角洲岸段多为未利用地，莱州湾岸段多为水域用地，屺坶岛高角-绣针河口岸段为岩质海岸且未利用地稀少、分布零散，为耕地向城乡建设用地转化。

3.1.3 用地类型差异分析

山东半岛海岸带各时期耕地、城乡建设用地(城镇用地、农村居民点和其他建设用地)、水域用地(河渠、湖泊、水库坑塘、滩涂和滩地)、未利用地为中等适宜以上的面积普遍较大，而林地和草地大部分处在临界适宜以下。各土地利用类型与综合适宜度的关系如图3所示。从图3中可看出，耕地在各时期中等适宜以上占99%且以比较适宜类型为主，综合适宜度高，适宜性变化稳定，耕地在黄河三角洲和莱州湾西部岸段多呈中等适宜状态，在莱州湾东部和屺坶岛高角-绣针河口岸段多呈比较适宜状态；林地适宜性较差，各时期中等适宜以上占52%～58%且在各适宜类型面积均匀分布；城乡建设用地各时期中等适宜以上占94%～99%，且非常适宜类型在2005年达到峰值后呈稳定状态，说明该土地利用类型适宜性呈好转趋势；水域用地和未利用地不同适宜类型面积在各时期变化频繁，但两者中等适宜以上面积变化不大，分别占94%～96%和92%～99%。各时期未利用地和水域用地向城乡建设用地转化频繁且适宜性变化稳定，主要原因在于未利用地和水域用地主要分布于较平坦(坡度0°～2°)的滨海盐土类型区，而城乡建设用地在该条件下适宜度高。

图3 各土地利用类型与综合适宜度的关系

3.2 基于历史数据的适宜性评价与现状分析

根据1990—2015年各土地利用类型在单一条件下的平均适宜度，利用重分类工具分别为高程、坡度、坡向和土壤分级数据赋值，得到各土地利用类型在单一条件下的适宜度栅格图；根据6期单一适宜度矩阵行方向均方差STDEV求取行方向均值STDEV2并归一化处理，得到各因子对各土地利用类型的影响权重(表3)；进行加权运算，得到各土地利用类型在研究区内可适宜分布地区，利用土地利用类型可适宜分布结果与2020年土地利用类型数据叠加分析，对2020年土地利用适宜性现状进行评价。

表3 不同土地利用类型在各评价因子下的适宜度权重表

3.2.1 主要用地的适宜地区分布

根据单一条件下土地利用类型适宜度以及各因子对耕地、林地和城乡建设用地的影响权重，分析研究区耕地、林地及城乡建设用地可适宜分布地区。适宜地分布的研究结果表明：耕地适宜分布在莱州湾岸段东部以及屺坶岛高角-绣针河口岸段的大部分地区，莱州湾西部及黄河三角洲岸段为中等适宜的原因为该地区土壤类型为滨海盐土，受盐渍化影响，屺坶岛高角-绣针河口岸段不适宜发展耕地的地区主要受高程和坡度的制约；林地适宜分布在崂山地区且处于非常适宜状态，与该地区海拔高、坡度大有关，在烟台市、威海市以及青岛市的山地丘陵地区也适宜发展林业用地；城乡建设用地在黄河三角洲岸段和莱州湾西部岸段0 m以下地区为临界适宜状态，在该地区高程0 m以下区域不宜开发城乡建设用地，在屺坶岛高角-绣针河口岸段适宜性相对较差。

3.2.2 2020年土地利用现状的适宜性分析

基于耕地、林地及城乡建设用地适宜性评价结果对2020年土地利用现状进行评价(图4)可知：耕地面积比较适宜以上占84%，适宜性较低的地区主要分布在黄河三角洲岸段，在该岸段主要受土壤条件的制约，黄河三角洲岸段耕地面积与1990年相比增加，增加的耕地处于中等适宜状态，其它岸段与1990年相比减少，减少的耕地处于比较适宜以上状态；研究区林地比较适宜以上占50%，林地在以海岸线为轴线、向内陆延伸1 km范围内的沿海防护林区域适宜性比崂山等山地地区稍低，但该区域也应大力发展林业用地以保护海岸带；城乡建设用地比较适宜以上占70%，中等适宜地区分布在烟台市、威海市和胶州湾沿岸。

图4 2020年土地利用类型适宜等级分布

4 结果与讨论

1)总体来看，山东半岛海岸带各时期土地利用适宜性均以比较适宜和非常适宜为主，近年内各区域土地适宜性趋于稳定。在1990—2015年土地利用类型变化存在差异，黄河三角洲岸段土地利用变化最频繁，其次是莱州湾岸段，屺坶岛高角-绣针河口岸段变化最小。

2)耕地和城乡建设用地在各时期均处于中等适宜以上水平，耕地综合适宜度高且适宜性变化稳定，林地的适宜性较差。各时期未利用地和水域用地向城乡建设用地转化频繁且适宜性变化稳定。

3)耕地适宜区分布在莱州湾岸段东部以及屺坶岛高角-绣针河口岸段的大部分地区，林地适宜区分布在崂山地区且处于非常适宜状态；城乡建设用地在屺坶岛高角-绣针河口岸段适宜性较黄河三角洲岸段和莱州湾西部岸段稍低。

4)2020年山东半岛海岸带耕地适宜性与2015年相比未发生明显变化；林地适宜性提高，比较适宜以上占比较2015年增加16%；城乡建设用地适宜性降低，比较适宜类型以上占比较2015年减少11%。

由土地利用类型转化及适宜性变化可知，土地利用类型的变化不一定引起适宜等级的变化。在进行土地利用开发时，若开发前后适宜性保持不变或为提高状态，则说明此种开发模式可行性高；若适宜性降低，则说明之前的土地利用类型更适宜该地区，则应调整开发模式，将土地利用效率提高到最大化。根据以上研究，建议在土地利用规划过程中，应遵循土地适宜性原则，“宜农则农、宜林则林”；在耕地受城镇化影响最大的屺坶岛高角-绣针河口岸段，优先开发耕地适宜性较低的区域，推广高效生态农业土地利用模式；此外，黄河三角洲和莱州湾岸段未利用地和水域用地适宜性好，可开发潜力大，在保护湿地的前提下，该区域可适当适时开发未利用地和水域用地以满足区域经济建设需要。

本研究仅选取影响土地利用的底质条件进行适宜性评价，未考虑社会发展潜力因素以及海岸带特殊地理位置特征，若能将这两者考虑其中，则可以更加理想地评价山东半岛海岸带土地利用适宜性；同时，本研究是针对6种土地利用类型的综合适宜性评价，从实践意义上来看，针对特定的土地利用类型评价以及规划更有实际意义，是今后研究的主要方向。