吳 莉 , 侯西勇

(1. 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東 煙臺(tái) 264003； 2. 山東女子學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250002)

海岸帶是陸海生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)帶, 是具有海、陸兩種不同屬性特點(diǎn)的獨(dú)特環(huán)境體系, 是人、海、陸交互作用最明顯的地域類型, 生態(tài)環(huán)境具有一定的脆弱性[1]。近年來, 大量人口涌入海岸帶, 沿海城市化進(jìn)一步迅猛發(fā)展, 導(dǎo)致海岸帶土地開發(fā)利用的規(guī)模和強(qiáng)度進(jìn)一步增大, 海岸帶面臨的壓力日益增強(qiáng)[2]。海岸帶土地利用變化可引起海岸帶多種資源與生態(tài)過程的改變, 例如, 地下蓄水層和海岸帶水質(zhì)污染,近海水體富營(yíng)養(yǎng)化甚至赤潮發(fā)生等[3]。因此, 及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地獲取海岸帶土地利用變化信息, 揭示海岸帶土地利用變化特征, 對(duì)海岸帶開發(fā)、利用和管理等意義重大。近年來, 越來越多的學(xué)者對(duì)海岸帶土地利用及相關(guān)問題進(jìn)行研究, 如海岸帶土地利用變化監(jiān)測(cè)及過程[4-8]、驅(qū)動(dòng)機(jī)制[9-13]、環(huán)境效應(yīng)[14-17]等。

海岸帶是海岸線向陸、海兩側(cè)擴(kuò)展一定寬度的帶型區(qū)域[18]。目前對(duì)海岸帶空間范圍的認(rèn)定則因?qū)W科研究目的和研究手段等的不同而差異巨大。在 20世紀(jì)80年代全國(guó)海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查規(guī)程中,海岸帶是指自海岸線向陸的10 km的陸地及向海至10～15 m的淺海的狹長(zhǎng)地帶。已有的海岸帶土地利用變化相關(guān)研究多以廈門[19]、鹽城[20-21]、深圳[22]、上海[23]等典型海濱城市為研究區(qū)； 針對(duì)自然地理單元,如遼河三角洲[24]、黃河三角洲[25]、長(zhǎng)江三角洲[26]、珠江三角洲[27]濱海濕地的研究也較多。吳泉源等[28]對(duì)龍口海岸帶土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析； 侯西勇和徐新良[29]對(duì)中國(guó)海岸帶區(qū)域(海岸線向陸緩沖30 km范圍)土地利用的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、空間格局以及集約化特征進(jìn)行分析； 高義等[30]以廣東省海岸線向陸縱深5 km為研究區(qū), 分析海岸帶土地利用變化及驅(qū)動(dòng)因子； 許艷等[31]以2008年江蘇省海岸線為基線, 以10 km緩沖半徑建立緩沖區(qū)為研究區(qū), 對(duì) 1980～2008年江蘇省海岸帶土地利用變化的行政單元差異與梯度分異特征進(jìn)行分析。

本文選取環(huán)渤海省市的海岸帶為研究區(qū), 基于2000、2005和2010年的Landsat TM/ETM影像, 利用ArcGIS軟件提取3個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù), 分別在區(qū)域整體、緩沖帶、行政單元尺度上分析2010年土地利用現(xiàn)狀以及2000～2010年土地利用轉(zhuǎn)移特征、綜合土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用程度的變化, 以深入揭示海岸帶土地利用及其變化的空間差異特征。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

環(huán)渤海省市海岸帶指遼寧、河北、山東、天津“三省一市”的海岸帶, 跨16個(gè)地級(jí)市和1個(gè)直轄市, 由北向南依次為丹東、大連、營(yíng)口、盤錦、錦州、葫蘆島、秦皇島、唐山、天津、滄州、濱州、東營(yíng)、濰坊、煙臺(tái)、威海、青島、日照。2000～2010年, 該區(qū)域主要通過圍填海方式擴(kuò)大鹽田與養(yǎng)殖面積, 增加土地資源和拓展城市發(fā)展空間, 加上河口淤積造陸等過程, 海岸線總體向海顯著推進(jìn)。在本文中,采用20世紀(jì)80年代全國(guó)海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查規(guī)程中的標(biāo)準(zhǔn), 將研究區(qū)范圍聚焦為環(huán)渤海省市海岸線向陸一側(cè)10 km緩沖區(qū), 但是為了便于操作, 直接選取 2010年土地利用數(shù)據(jù)的向海一側(cè)邊線代替海岸線(圖 1), 由此確定的研究區(qū)總面積約2.9 萬 km2, 位于 117°27′～125°42′E 與 35°4′～41°3′N之間。

圖1 研究區(qū)位置與范圍Fig. 1 Location of the study area

選取云量小于5%的2000年Landsat 7 ETM+影像、2005和2010年Landsat 5 TM影像, 每期14景,涉及軌道號(hào)為 p118r32、p119r32、p119r33、p119r34、p119r35、p120r32、p120r33、p120r34、p120r35、p120r36、p121r32、p121r33、p121r34 和 p122r33?；谛l(wèi)星影像, 結(jié)合大量的野外考察和實(shí)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù), 采用屏幕數(shù)字化方法提取3個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)。將土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、內(nèi)陸水體、濱海自然濕地、人工濕地和未利用地8個(gè)大類。其中, 建設(shè)用地包括城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)以及交通工礦用地, 濱海自然濕地包括灘涂、河口水域及河口三角洲濕地, 人工濕地是指鹽田和養(yǎng)殖。

2 研究方法

2.1 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度可用來反映研究區(qū)土地利用變化的劇烈程度, 便于在不同空間尺度上找出土地利用變化的熱點(diǎn)區(qū)域[32], 其公式如下：

式中,Ui為期初i類土地利用類型的面積； ΔUi-j表示時(shí)段內(nèi)i類土地利用類型變?yōu)榉莍類(j類,j=1, 2,···,n)土地利用類型的面積；t為研究時(shí)段長(zhǎng)；C表示綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。

2.2 土地利用程度綜合指數(shù)

莊大方和劉紀(jì)遠(yuǎn)[33]提出土地利用程度綜合分析方法, 按照土地自然綜合體在社會(huì)因素影響下的自然平衡狀態(tài)分為若干級(jí), 賦予分級(jí)指數(shù)(表 1), 并給出土地利用程度綜合指數(shù)的定量化表達(dá)式。土地利用程度的大小不僅反映土地本身的自然屬性, 也反映人類因素與自然環(huán)境因素的綜合效應(yīng)。某區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)可表達(dá)為：

式中,Lj為某研究區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為研究區(qū)內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Ci為研究區(qū)內(nèi)第i級(jí)土地利用程度面積百分比；n為土地利用程度分級(jí)數(shù)。

表1 土地利用程度分級(jí)賦值表Tab.1 The classification values of land use degree

3 結(jié)果與分析

3.1 海岸帶土地利用現(xiàn)狀

2010年, 環(huán)渤海省市海岸帶土地利用類型以耕地為主, 比例為 36.08%, 其次為建設(shè)用地和人工濕地, 其他類型面積比例由高到低依次為林地、濱海自然濕地、草地、內(nèi)陸水體、未利用地。

3.1.1 海岸帶土地利用行政單元差異

由表2可見, 17市域的土地利用結(jié)構(gòu)差異明顯：海岸帶耕地比例最突出的城市為葫蘆島、威海、日照, 錦州、煙臺(tái)和青島海岸帶耕地的比例也較高, 而濱州則最低, 僅為0.02%； 林地在丹東、大連及營(yíng)口海岸帶中的分布比例高于區(qū)域海岸帶整體, 而草地在秦皇島、東營(yíng)、濰坊、煙臺(tái)、青島及日照海岸帶中的分布比例高于區(qū)域海岸帶整體； 海岸帶建設(shè)用地的比例以天津?yàn)樽罡? 其次為秦皇島、日照、青島、營(yíng)口及煙臺(tái), 比例最低的是濰坊, 僅為 0.88%； 海岸帶內(nèi)陸水體的比例以秦皇島為最高； 遼河三角洲和黃河三角洲分別分布在盤錦和東營(yíng), 因而 2個(gè)城市海岸帶濱海自然濕地的比例遠(yuǎn)高于其他城市, 海岸帶濱海自然濕地比例最低的是丹東； 海岸帶人工濕地比例最高的為滄州和濰坊； 東營(yíng)和濰坊海岸帶未利用地的比例較為突出, 其他城市則均較小。

3.1.2 海岸帶土地利用海陸梯度差異

以2010年土地利用數(shù)據(jù)的向海一側(cè)邊線為基線,以0.5 km為間隔由海向陸建立20個(gè)緩沖帶, 由海向陸順次編號(hào)； 統(tǒng)計(jì)每個(gè)緩沖帶中的土地利用結(jié)構(gòu),分析海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)的海陸梯度差異。

圖2可見, (1)耕地在各緩沖帶中的比例由海向陸逐漸增加, 在 0～0.5 km 緩沖區(qū)范圍為 11.95%,9.5～10 km范圍上升到51.49%, 6 km以外上升速度加快； (2)建設(shè)用地在0～1 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)是主導(dǎo)的土地利用類型, 在＞1 km范圍, 建設(shè)用地在各緩沖帶的比例由海向陸不斷下降, 耕地超過建設(shè)用地成為主要土地利用類型； (3)人工濕地的比例在0.5～1 km緩沖區(qū)范圍達(dá)到峰值, 1～5 km范圍內(nèi)則緩慢下降,＞5 km范圍降速加劇, 在9.5～10 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)達(dá)最小值(11.99%)； (4)林地在 0～0.5 km 緩沖區(qū)范圍內(nèi)的比例最低(9.89%), 其余緩沖帶內(nèi)的比例均超過13%； (5)濱海自然濕地在各緩沖帶內(nèi)的比例由海向陸呈不斷下降趨勢(shì), 在0～0.5 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)的比例為 24.82%, 0.5～1 km范圍內(nèi)比例驟降為 13.35%,＞7 km范圍內(nèi)的變化幅度較??； (6)草地在0～0.5 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)比例最低, 為2.77%, 雖由海向陸波動(dòng)上升, 但僅在6～9 km范圍內(nèi)的比例相對(duì)較高(＞5%)；(7)內(nèi)陸水體在各緩沖帶內(nèi)的比例在 2.44%～5.77%波動(dòng)變化, 規(guī)律不明顯； (8)未利用地在0～3 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)的比例明顯下降, ＞3 km 范圍內(nèi)的比例不足1%, 波動(dòng)下降但降幅較小。

表2 2010年各行政單元海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)Tab. 2 Land use structure in different administrative regions in 2010

圖2 2010年各緩沖帶土地利用結(jié)構(gòu)Fig. 2 Land use structure in different buffer zones in 2010

3.2 海岸帶土地利用轉(zhuǎn)移特征

對(duì)2000～2010年各土地利用面積統(tǒng)計(jì)(圖3)發(fā)現(xiàn)耕地、草地、濱海自然濕地面積不斷減少, 建設(shè)用地和人工濕地面積不斷增加, 內(nèi)陸水體與未利用地面積波動(dòng)上升, 林地面積變化不大。由于在同一個(gè)研究時(shí)段各土地利用類型在不同空間位置的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出使得其總量增減部分相互抵消, 因此僅分析土地利用凈變化量在一定的程度上掩蓋了土地利用變化的真實(shí)過程[34]。分別將2000與2005年、2005與2010年土地利用圖進(jìn)行疊加, 分析土地利用變化的轉(zhuǎn)移和流向(表3)。

2000～2005年, 土地利用類型發(fā)生變化的面積為2 126.419 km2, 占總面積的7.31%, 其中17種主要轉(zhuǎn)移類型占總變化面積的 80%以上。最突出的土地變化類型是耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移, 面積達(dá)310.61 km2,占轉(zhuǎn)移面積的14.61%； 人工濕地?cái)U(kuò)展(侵占濱海自然濕地)居第二位, 為 278.69 km2； 亦有 172.19 km2的人工濕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。此外, 近海海域變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和濱海自然濕地的面積也較大。

圖3 2000～2010年各地類面積變化Fig. 3 Land use changes during 2000 to 2010

2005～2010年, 土地利用類型發(fā)生變化的面積比前一時(shí)段增大, 為 3 092.39 km2, 占總面積的10.63%, 其中 20種主要轉(zhuǎn)移類型占總變化面積的80%左右。位于前四位的分別是耕地、近海海域、人工濕地和濱海自然濕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地, 共占總轉(zhuǎn)移面積的 36.19%, 說明濱海城市擴(kuò)展、圍填海、港口建設(shè)等是海岸帶土地利用變化的主導(dǎo)特征。

為進(jìn)一步分析海岸帶土地利用轉(zhuǎn)移的空間差異,分別統(tǒng)計(jì)各緩沖帶、各行政單元內(nèi)土地利用發(fā)生變化的面積以及轉(zhuǎn)移面積最大轉(zhuǎn)移類型(圖4)。

由圖4a可見, 東營(yíng)市海岸帶兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的轉(zhuǎn)移面積最突出, 2000～2005年最大的轉(zhuǎn)移類型為草地變?yōu)楦? 2005～2010年則為耕地變?yōu)槿斯竦?。在這10 a間, 大連市和天津市海岸帶的轉(zhuǎn)移面積也比較突出, 最大的轉(zhuǎn)移類型分別為近海海域變?yōu)槿斯竦?、近海海域變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。

表3 主要土地利用變化類型列表Tab.3 The list of main land use transition types

由圖4b可見, 各緩沖區(qū)內(nèi)2005～2010年的土地利用變化幅度均超出 2000～2005年。在 0～4 km范圍內(nèi), 兩個(gè)時(shí)段土地利用轉(zhuǎn)移面積均為由海向陸而急劇降低, 在4～5.5 km范圍小幅回升, 但在＞5.5 km范圍則呈現(xiàn)為由海向陸逐漸下降趨勢(shì)。2000～2005年, 在 0～1 km范圍最大的轉(zhuǎn)移類型為近海海域變?yōu)榻ㄔO(shè)用地, 6～6.5 km以及8～8.5 km范圍內(nèi)為濱海自然濕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地, 其他區(qū)域最大的轉(zhuǎn)移類型均為耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。2005～2010年, 在0～1.5 km范圍內(nèi)最大的轉(zhuǎn)移類型為近海海域變?yōu)榻ㄔO(shè)用地, 其他區(qū)域均為耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。

圖4 海岸帶土地利用轉(zhuǎn)移面積的空間差異特征Fig. 4 Spatial differences of land use change

3.3 海岸帶土地利用綜合動(dòng)態(tài)度

2000～2005年、2005～2010年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分別為0.73%, 1.06%。分別比較17城市海岸帶及不同緩沖帶之間的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度(圖 5), 由圖5a可見： 丹東、錦州、滄州、濰坊海岸帶后5 a土地利用綜合動(dòng)態(tài)度較前5 a下降, 其余城市則均為上升,其中, 唐山、天津、東營(yíng)的上升幅度較高。由圖 5b可見： 各緩沖帶 2005～2010年的動(dòng)態(tài)度均高于2000～2005年, 且0～2 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)上升幅度較顯著； 在 0～3.5 km 緩沖帶內(nèi), 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度由海向陸急劇下降, 在3.5～5.5 km范圍為波動(dòng)上升,在＞5.5 km范圍為緩慢下降。

3.4 海岸帶土地利用程度變化

2000、2005、2010年, 土地利用程度綜合指數(shù)分別為 269.81、276.39、284.54, 不斷升高, 說明環(huán)渤海省市海岸帶土地利用處于發(fā)展期。比較17城市海岸帶土地利用程度可發(fā)現(xiàn), 除滄州和濰坊2010年較2005年土地利用程度有所下降, 其他城市海岸帶土地利用程度均為不斷上升(圖6a)。盤錦、濱州、東營(yíng)及濰坊市海岸帶土地利用程度相對(duì)較低, 而天津、日照海岸帶土地利用程度較高。

針對(duì)各緩沖帶 3個(gè)年份的計(jì)算(圖 6b)與比較發(fā)現(xiàn)： (1)2000～2010年, 各緩沖帶土地利用程度均為增長(zhǎng)； 以5 a為間隔比較, 在0～2 km范圍內(nèi), 2005～2010年增長(zhǎng)幅度大于2000～2005年, 而在＞2 km區(qū)域, 則與之相反。(2)2000、2005及2010年, 在0～3 km緩沖區(qū)范圍內(nèi), 由海向陸土地利用程度不斷升高； 2000年, 土地利用程度在3～3.5 km范圍內(nèi)達(dá)到峰值, 2005年和 2010年則均在 2.5～3 km 范圍內(nèi)達(dá)到峰值； 在4.5～6.5 km范圍內(nèi), 3個(gè)年份的土地利用程度均為由海向陸而降低, 6.5 km以外土地利用程度波動(dòng)變化。(3)各緩沖帶土地利用程度變化幅度比較發(fā)現(xiàn), 在0～0.5、0.5～1、1～1.5 km 緩沖帶, 10 a間土地利用程度指數(shù)上升了56.60, 33.98, 21.57, 遠(yuǎn)高于其他緩沖帶,說明0～1.5 km范圍10 a間土地開發(fā)強(qiáng)度增加速度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。

圖5 海岸帶綜合土地利用動(dòng)態(tài)度空間差異特征Fig. 5 Spatial differences of the comprehensive land use dynamics degree

4 結(jié)論

基于 3個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù), 對(duì)環(huán)渤海省市海岸帶2010年土地利用現(xiàn)狀以及2000～2010年土地利用轉(zhuǎn)移特征、綜合土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用程度的變化進(jìn)行分析, 結(jié)果表明如下。

1) 2010年, 環(huán)渤海省市海岸帶土地利用面積比例由大到小依次為： 耕地＞建設(shè)用地＞人工濕地＞林地＞濱海自然濕地＞草地＞內(nèi)陸水體＞未利用地； 各地類在不同行政單元及不同緩沖帶之間的空間差異明顯。濱州市海岸帶耕地的比例最低, 僅為0.02%； 盤錦和東營(yíng)分別因遼河三角洲和黃河三角洲而使得其海岸帶濱海自然濕地的比例分別高達(dá) 48.54%,43.11%； 滄州市海岸帶人工濕地的比例最高, 天津市海岸帶建設(shè)用地的比例高達(dá)46.87%。耕地在各緩沖帶的比例由海向陸不斷增加, 建設(shè)用地、濱海自然濕地和人工濕地的比例則為由海向陸不斷減少。

2) 2000～2005年、2005～2010年, 海岸帶土地利用發(fā)生轉(zhuǎn)移的面積分別為2 126.419 km2和3 092.39 km2； 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展占用耕地、人工濕地和濱海自然濕地, 以及濱海自然濕地變?yōu)槿斯竦厥侵鲗?dǎo)的變化過程, 但不同行政單元及不同緩沖帶之間土地利用變化的空間差異明顯。

3) 2000～2005年、2005～2010年, 環(huán)渤海省市海岸帶綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分別為 0.73%、1.06%； 17城市海岸帶綜合土地利用動(dòng)態(tài)度以東營(yíng)和天津較高,而丹東及葫蘆島則較低； 各緩沖帶內(nèi)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度隨時(shí)間不斷增加； 在 0～3.5 km 緩沖帶, 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度由海向陸急速下降, 在 3.5～5.5 km范圍波動(dòng)上升, ＞5.5 km范圍則緩慢下降。

4) 2000、2005、2010年, 環(huán)渤海省市海岸帶土地利用程度整體上不斷升高, 土地利用處于發(fā)展期；除滄州和濰坊, 其他城市海岸帶土地利用程度隨時(shí)間不斷上升； 各緩沖帶內(nèi)土地利用程度隨時(shí)間均有不同程度增長(zhǎng), 空間上則由海向陸波動(dòng)上升。

總之, 環(huán)渤海省市的海岸帶土地利用以耕地、建設(shè)用地和人工濕地為主； 2000～2010年土地利用變化劇烈, 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度和土地利用程度不斷上升, 但變化幅度存在一定的階段差異； 建設(shè)用地不斷擴(kuò)展而大量占用耕地、濱海自然濕地和人工濕地,以及大范圍濱海自然濕地變?yōu)槿斯竦氐仁峭恋乩米兓闹鲗?dǎo)過程； 而且, 環(huán)渤海省市的海岸帶土地利用分布及變化的區(qū)域差異和陸海梯度特征非常顯著, 天津、東營(yíng)、唐山、大連、煙臺(tái)等城市的海岸帶區(qū)域是土地利用變化的熱點(diǎn)區(qū)域。在我國(guó), 東部沿海區(qū)域的工業(yè)化和城市化步伐明顯超越了其他區(qū)域,成為海岸帶土地利用變化、濱海自然濕地消失的重要原因。具體而言, 國(guó)家對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)的重視促進(jìn)了對(duì)臨港產(chǎn)業(yè)的需求, 加速了港口與碼頭建設(shè)、圍填海工礦用地發(fā)展等； 城市化與耕地保護(hù)之間的矛盾則促進(jìn)了沿海城市中居住、交通、商業(yè)、旅游等用地類型的臨水(向海)發(fā)展態(tài)勢(shì)； 生活水平提高、食物結(jié)構(gòu)改善需求增長(zhǎng)等因素加劇了灘涂資源的圍墾, 以獲取更多的海產(chǎn)品。與此同時(shí), 海岸帶局部區(qū)域, 如,老黃河口、蓬萊—龍口海岸帶等, 因入海泥沙消失、相對(duì)海平面變化、人為采砂等原因, 加劇了海岸侵蝕并導(dǎo)致濱海土地?fù)p失、自然濕地減少等問題。本文研究和證實(shí)了上述因素對(duì)海岸帶土地利用變化, 尤其是濱海自然濕地減少等過程的影響, 包括數(shù)量與格局特征, 可為該區(qū)域土地利用規(guī)劃和海岸帶綜合管理等提供有益的支持。

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