福建省海岸帶土地利用/覆蓋變化及其驅(qū)動力

吳琛璐, 王 強, 董 政, 陳文惠

(福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 福建 福州 350007)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與人口規(guī)模的不斷增加，區(qū)域資源環(huán)境承載壓力日益加劇，嚴(yán)重影響著人地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，從而引起政界與學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。土地利用/覆蓋變化(LUCC)作為人地系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要研究內(nèi)容之一，是人文—經(jīng)濟(jì)地理學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)長期關(guān)注的重大命題。1992年，聯(lián)合國“21世紀(jì)議程”明確提出將加強土地利用與覆被變化(LUCC)研究作為21世紀(jì)工作的重點[1]。土地覆被變化不僅牽涉到大量的陸地表層物質(zhì)循環(huán)與生命過程，同時在特定時空下能夠揭示人類文化對自然資源的作用過程[2]。此外，海岸帶作為陸地和海洋的交界地帶，是臨海國家寶貴的國土資源，也是經(jīng)濟(jì)、文化和對外貿(mào)易的紐帶，成為沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“黃金地帶”。但如今海岸帶開發(fā)力度的不斷加大對海岸帶土地環(huán)境造成越來越大的壓力，部分近岸海域的海洋生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的問題，海岸帶開發(fā)與保護(hù)的矛盾無法回避，可持續(xù)發(fā)展問題成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”[3]。如何實現(xiàn)海岸帶地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展以及進(jìn)步，正成為迫切需要面對的問題。

土地利用/覆蓋變化(LUCC)是國際地圈—生物圈計劃(IGBP)和全球環(huán)境變化的人類因素計劃(IHDP)共同關(guān)注的核心內(nèi)容[4-7]，國內(nèi)外學(xué)者對其研究方法和中國土地利用/覆蓋變化進(jìn)行了許多研究[8]，LUCC一直是國內(nèi)外科學(xué)家研究的熱點問題[9-11]。從文獻(xiàn)檢索來看，全球土地覆被變化研究一般以區(qū)域案例為基礎(chǔ)進(jìn)行[12-13]，其分類、動態(tài)監(jiān)測、驅(qū)動力分析和環(huán)境影響評價一直是LUCC研究的熱點[14]。然而目前針對海岸帶地區(qū)的實證研究較為少見。因此，本文基于ArcGIS 10.2軟件，擬對福建省海岸帶地區(qū)2005—2015年土地利用/覆蓋變化(LUCC)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，采用灰色關(guān)聯(lián)度法對驅(qū)動力進(jìn)行定量分析，以期為福建省海岸帶開發(fā)提供輔助決策。

1 基本概念及研究區(qū)概況

1.1 海岸帶的概念

海岸帶是地球上各圈層相互作用、相互影響的場所。廣義的海岸帶由以下幾個基本單元組成[15]：①海岸：平均高潮線以上的沿岸陸地部分，通常稱潮上帶； ②潮間帶：介于平均高潮線與平均低潮線之間； ③水下岸坡：平均低潮線以下的淺水部分，一般稱潮下線； ④古海岸帶：已脫離波浪活動影響的沿岸陸地部分。這是從地球?qū)W方面進(jìn)行定義的，沒有把人類活動的空間區(qū)域作為研究對象。而在現(xiàn)實研究中，主要以人類活動的陸地區(qū)域為研究對象，將覆被變化與城鎮(zhèn)區(qū)域相結(jié)合，研究二者的變化特征和趨勢。綜合上述定義，考慮到研究區(qū)域的實際情況，本文所指“海岸帶”范圍設(shè)定為縣級尺度下，具有海岸線的市轄區(qū)、縣域以及縣級市行政區(qū)范圍。

1.2 研究區(qū)概況

福建省海岸線長度居全國第2位，陸地海岸線長達(dá)3 751.5 km，沿海1 202個島嶼星羅棋布，海岸各河流入口處多成三角港或三角灣，形成許多天然良港和港口群。福建沿海屬亞熱帶海洋和大陸架淺海，是寒暖流交匯的地方，有閩東、閩中、閩南、閩外和臺灣淺灘五大漁場，海洋生物資源豐富，為福建發(fā)展海洋漁業(yè)提供了良好的條件。沿海主要有福州、廈門、泉州、漳州、莆田、寧德等市。2015年，沿海城市總?cè)丝跒? 061萬人，GDP為19 580億元，占全省GDP總量的75%左右。本文以福建省沿海地區(qū)25個市縣級行政單位福鼎市、霞浦縣、福安市、寧德市、羅源縣、連江縣、福州市、長樂市、平潭縣、福清市、莆田市、惠安縣、泉州市、石獅市、晉江市、廈門市、龍海市、漳浦縣、云霄縣、東山縣、詔安縣、金門縣、同安區(qū)、南安市、仙游縣為研究對象，海岸帶地區(qū)即為研究區(qū)域。

2 方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

研究選用2005和2015年2期多光譜遙感影像，應(yīng)用ENVI遙感影像處理軟件對獲取影像進(jìn)行幾何糾正、輻射定標(biāo)、大氣糾正等處理，利用ArcGIS 10.2軟件，得到2005年土地利用圖和2015年土地利用圖。根據(jù)研究的需要，由于土地利用2級分類過于繁雜，因此將2級分類進(jìn)行合并，得到6種土地利用類型： ①耕地， ②林地， ③草地， ④水域， ⑤城鄉(xiāng)、工礦、居民用地， ⑥未利用土地。

用于區(qū)域土地利用/覆被變化研究的模型方法較多，對2期遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以及影像裁剪，然后結(jié)合監(jiān)督分類和目視解譯的方法對處理后的影像進(jìn)行分類，得到各期土地利用/覆被分類圖；并在ArcGIS平臺上以此分析研究區(qū)LUCC時空變化情況，通過對不同時期的土地利用/覆蓋圖進(jìn)行疊加得到不同土地類型之間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量，從而分析各類型土地轉(zhuǎn)化的趨勢[16-17]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量和方向定量研究的主要方法，它能夠具體的反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類型間的轉(zhuǎn)移方向[18]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

(1)

式中：Sij——研究期內(nèi)第i類土地向第j類轉(zhuǎn)化的面積(km2)；i——第一時期土地利用類型；j——第二時期土地利用類型；n——土地利用類型的數(shù)量。利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析福建省海岸帶2005—2015年不同土地利用類型的轉(zhuǎn)移方向和數(shù)量[18]。

2.2.2 土地利用動態(tài)變化計算 采用變化量和變化幅度2個指標(biāo)，對土地利用變化的數(shù)量和變化率進(jìn)行定量分析。前者表示土地利用類型面積的變化，后者表示土地利用變化的劇烈程度[19]。具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

ΔS=Sb-Sa

(2)

(3)

式中：Sa，Sb——第一時段某種土地利用類型的面積和第二時段相同土地利用類型的面積(km2)； ΔS——2個時段土地利用類型的變化量；K——2個時段土地利用類型的變化幅度。

2.2.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析方法[20]

(1) 原始數(shù)據(jù)變換。由于系統(tǒng)中各因素的量綱(或單位)不一定相同，且有時數(shù)值的數(shù)量級相差懸殊，這樣的數(shù)據(jù)很難直接進(jìn)行比較，且它們的幾何曲線比例也不同。因此，對原始數(shù)據(jù)需要消除量綱(或單位)，轉(zhuǎn)換為可比較的數(shù)據(jù)序列。目前，原始數(shù)據(jù)的變換有以下幾種常用方法：均值化變換、初值化變換、標(biāo)準(zhǔn)化變換。

(2) 求絕對差值。|X0(k)-Xi(k)|表示X0數(shù)列與Xi數(shù)列在k點的絕對差；min/k|X0(k)-Xi(k)|為Xi與X0在點k=1，2，…，n上的最小絕對差，也稱1級最小差；min/imin/k|X0(k)-Xi(k)|為因素i=1，2，…，m在點k=1，2，…，n上的最小絕對差，也稱2級最小差；max/imax/k|X0(k)-Xi(k)|為2級最大差。

(3) 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)?！靑(k)=〔min/imin/k|X0(k)-Xi(k)|+ρmax/imax/k|X0(k)-Xi(k)|〕/〔|X0(k)-Xi(k)|+ρmax/imax/k|X0(k)-Xi(k)|〕為X0與Xi在k點的關(guān)聯(lián)系數(shù)。ρ為分辨系數(shù)，其取值在0～1之間，一般取ρ=0.5。

(4) 排關(guān)聯(lián)序，列出關(guān)聯(lián)矩陣。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆蓋變化分析

3.1.1 土地利用/覆蓋結(jié)構(gòu)變化分析 從表1可以看出，福建省海岸帶主要土地利用類型為林地、耕地、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，約占到土地總面積的95%。2005年，林地在所有用地類型中占主導(dǎo)地位，比例為69.36%；其次為耕地16.59%，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地8.52%和水域4.58%，而草地和未利用土地所占比重較低。2015年，林地在所有土地利用類型中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，比例為63.70%；耕地占有18.21%，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和水域分別占有13.14%和4.06%，草地所占比重基本不變，未利用土地比重減少0.05%。

表1 福建省海岸帶2005-2015年土地利用結(jié)構(gòu)及其變化趨勢 %

整體來看，福建省海岸帶2005—2015年兩期土地利用結(jié)構(gòu)變化主要表現(xiàn)為林地、水域和未利用土地面積減少，耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積增加。其中，林地面積相比2005年減少5.66%，面積變化量居所有土地利用類型首位；城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積變化量僅次于林地，增加4.62%；耕地面積比2005年增加1.62%，水域面積則減少0.52%；草地和未利用土地面積總量較少，所以其面積基本不變。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣特征 從表2可知，研究期間：①耕地主要向林地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)移，其中耕地向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的轉(zhuǎn)移幅度最大，轉(zhuǎn)移面積達(dá)到589.81 km2。②林地主要向耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)移，其中林地向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的轉(zhuǎn)移幅度最大，轉(zhuǎn)移面積達(dá)到483.10 km2。③草地向林地轉(zhuǎn)移幅度最大，轉(zhuǎn)移面積達(dá)到43.20 km2。④水域主要向耕地、林地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)移，其中水域向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的轉(zhuǎn)移幅度最大，轉(zhuǎn)移面積達(dá)到81.84 km2。⑤城鄉(xiāng)、工礦、居民用地主要向耕地、林地和水域轉(zhuǎn)移，其中城鄉(xiāng)、工礦、居民用地向耕地的轉(zhuǎn)移幅度最大，轉(zhuǎn)移面積達(dá)到143.88 km2。⑥未利用土地向林地的轉(zhuǎn)移幅度最大，轉(zhuǎn)移面積達(dá)到47.91 km2，向其他用地類型的轉(zhuǎn)移不明顯。⑦2005—2015年土地利用類型主要向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)移。

表2 福建省海岸帶2005-2015年土地利用面積變化轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 土地利用/覆蓋變化驅(qū)動力分析

3.2.1 驅(qū)動因子的選取 土地利用變化驅(qū)動力包括自然和人為兩方面，自然因素是影響區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的最基本要素，人文社會作用在短時間尺度內(nèi)的強烈程度與合理力度對土地利用結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生顯著影響[21]?？紤]到自然因素在短期內(nèi)對土地利用變化的影響較小，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展是驅(qū)動土地利用變化的主要動力[22-24]，本研究主要以福建省海岸帶25個縣級行政單元的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素進(jìn)行研究。結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)，并根據(jù)福建省實際情況以及現(xiàn)有資料統(tǒng)計水平，選取10個驅(qū)動因子：行政區(qū)域面積X1(km2)，人口X2(萬人)，第一產(chǎn)業(yè)增加值X3(萬元)，第二產(chǎn)業(yè)增加值X4(萬元)，規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值X5(萬元)，糧食總產(chǎn)量X6(t)，油料產(chǎn)量X7(t)，農(nóng)業(yè)機械總動力X8(104kW)，城鄉(xiāng)居民儲蓄存款余額X9(萬元)，固定資產(chǎn)投資完成額X10(萬元)。即土地驅(qū)動力(X1)、人口驅(qū)動力(X2)、經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力(X3，X4，X5)、技術(shù)驅(qū)動力(X6，X7，X8)、社會富裕程度(X9，X10)。本文數(shù)據(jù)來源于《中國縣域統(tǒng)計年鑒(縣市卷)》。

3.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果分析 本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對研究區(qū)域土地利用變化的社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因素進(jìn)行量化，從土地利用變化驅(qū)動力因子關(guān)聯(lián)矩陣(表3)和土地利用類型變化驅(qū)動因子關(guān)聯(lián)度可以看出，按關(guān)聯(lián)度排序影響福建省海岸帶土地利用類型面積變化的因子依次為：城鄉(xiāng)居民儲蓄存款余額>糧食總產(chǎn)量>固定資產(chǎn)投資完成額>人口>行政區(qū)域面積>油料產(chǎn)量>第二產(chǎn)業(yè)增加值>第一產(chǎn)業(yè)增加值>農(nóng)業(yè)機械總動力>規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值。根據(jù)關(guān)聯(lián)度可以看出，影響福建省海岸帶土地利用類型面積變化的主要驅(qū)動力為社會富裕程度、技術(shù)驅(qū)動力和人口驅(qū)動力，其次為土地驅(qū)動力和經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力。

表3 福建省海岸帶土地利用變化驅(qū)動力因子關(guān)聯(lián)矩陣

根據(jù)土地利用類型變化驅(qū)動因子關(guān)聯(lián)度可以看出，驅(qū)動因子X1的關(guān)聯(lián)度為0.321 5，驅(qū)動因子X2的關(guān)聯(lián)度為0.367 1，驅(qū)動因子X3的關(guān)聯(lián)度為0.296 8，驅(qū)動因子X4的關(guān)聯(lián)度為0.328 7，驅(qū)動因子X5的關(guān)聯(lián)度為0.297 2，驅(qū)動因子X6的關(guān)聯(lián)度為0.446 8，驅(qū)動因子X7的關(guān)聯(lián)度為0.329 0，驅(qū)動因子X8的關(guān)聯(lián)度為0.296 8，驅(qū)動因子X9的關(guān)聯(lián)度為0.516 8，驅(qū)動因子X10的關(guān)聯(lián)度為0.396 2。

2005—2015年研究期內(nèi)，各驅(qū)動力因素分析如下。 ①耕地變化。耕地向其他用地類型轉(zhuǎn)移，主要為耕地向林地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)移，隨著社會富裕程度和人口的增長導(dǎo)致城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程加快，不斷開墾耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，導(dǎo)致耕地面積發(fā)生變化。②林地變化。林地向其他用地類型轉(zhuǎn)移，主要為林地向耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)移，林地開發(fā)難度較大，技術(shù)水平的提高以及人口增加對耕地需求加大，建設(shè)用地面積也隨之增加，林地面積隨之減少。③草地變化。草地向其他用地類型轉(zhuǎn)移，主要為草地向林地轉(zhuǎn)移幅度最大，草地難以創(chuàng)造社會財富，隨著福建提出建設(shè)生態(tài)文明先行示范區(qū)的目標(biāo)，草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?。④水域變化。水域向其他用地類型轉(zhuǎn)移，主要為水域向耕地、林地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)移，社會財富收入增長、農(nóng)業(yè)技術(shù)水平的提高以及人口增加都會導(dǎo)致耕地、林地和建設(shè)用地的增加。⑤城鄉(xiāng)、工礦、居民用地變化。城鄉(xiāng)、工礦、居民用地向其他用地類型轉(zhuǎn)移，主要為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地向耕地、林地和水域轉(zhuǎn)移，經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的建設(shè)用地隨著社會富裕程度的加快和土地開發(fā)力度的加大，使其建設(shè)用地轉(zhuǎn)而被開發(fā)為其他用地。⑥未利用土地變化。未利用土地向林地的轉(zhuǎn)移幅度最大，林地是福建重要的自然資源，為了實現(xiàn)生態(tài)福建的建設(shè)目標(biāo)，大面積種植樹木，提高未開發(fā)土地的利用率，久之逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍?/p>

4 結(jié) 論

基于25縣統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，對土地利用變化的驅(qū)動力進(jìn)行分析。

(1) 研究期內(nèi)福建省海岸帶土地利用類型以耕地、林地、水域和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地為主，草地和未利用土地所占比重較少。不同土地利用類型變化的差異較大，林地、水域和未利用土地相比2005年面積都有所減少，僅耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積增加，草地面積在研究期內(nèi)基本不變。其中，林地面積變化量最為顯著，相比2005年減少5.66%。

(2) 2005—2015年，福建省海岸帶土地利用變化主要受到社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力的影響，主要包括城鄉(xiāng)居民儲蓄存款余額、糧食總產(chǎn)量、固定資產(chǎn)投資完成額、人口，其次為行政區(qū)域面積、油料產(chǎn)量、第二產(chǎn)業(yè)增加值、第一產(chǎn)業(yè)增加值、農(nóng)業(yè)機械總動力、規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值。其中社會富裕程度、技術(shù)驅(qū)動力和人口驅(qū)動力是主要的驅(qū)動力因素。

依據(jù)上述結(jié)論，結(jié)合福建省實際情況，提出如下建議，以實現(xiàn)科學(xué)利用土地。

(1) 林地是重要的自然資源，福建省是全中國南方重點林區(qū)，也是中國南方地區(qū)重要的生態(tài)屏障，森林覆蓋率居全國首位。但近10 a來，福建海岸帶林地面積不斷減少，與福建省深入實施生態(tài)省戰(zhàn)略目標(biāo)相悖。因此，為加快建設(shè)生態(tài)文明先行示范區(qū)和實現(xiàn)“機制活、產(chǎn)業(yè)優(yōu)、百姓富、生態(tài)美”的新福建目標(biāo)，充分發(fā)揮福建省生態(tài)優(yōu)勢，促進(jìn)人與自然和諧相處，必須合理劃定林地、草地和水域等生態(tài)空間，加強生態(tài)保護(hù)和修復(fù)，統(tǒng)籌考慮海岸帶開發(fā)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系，強化土地資源保護(hù)，為實現(xiàn)“清新福建，一見傾心”的生態(tài)建設(shè)目標(biāo)共同努力。

(2) 耕地是保障糧食安全的基礎(chǔ)，據(jù)第二次全國土地調(diào)查主要數(shù)據(jù)顯示，福建耕地總量為1.34×106hm2，人均耕地0.04 hm2，約為全國人均耕地0.11 hm2的36%。近10 a福建省耕地面積有所增加，但福建省的糧食安全問題仍面臨巨大挑戰(zhàn)。因此必須正確分析全省的糧食安全狀況，擴大城市周邊基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)域，優(yōu)化耕地利用效率，提高糧食產(chǎn)量，提升農(nóng)業(yè)技術(shù)水平，確保全省糧食安全問題得到圓滿解決。

(3) 土地資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，福建省人多地少，做好土地資源的節(jié)約和永續(xù)利用，改善土地資源承載力，把握土地資源承載力引導(dǎo)生態(tài)文明建設(shè)[25]，科學(xué)利用每一寸土地，合理確定沿海城市、鎮(zhèn)域開發(fā)邊界，適當(dāng)增加新增建設(shè)用地數(shù)量，確立海岸帶國土空間集聚開發(fā)、分類保護(hù)與綜合整治“三位一體”總體格局，對于實現(xiàn)沿海地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。