1980-2015年山東省海岸帶土地利用變化分析

張小琿，蔡利平*，王亞男

（1. 曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，山東·日照 276826；2. 自然資源部海岸帶開發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇·南京 210024）

海岸帶作為人、海、陸三者交互作用最為顯著的地域類型，其生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，使其成為全球環(huán)境變化最為敏感和脆弱的地區(qū)之一[1-3]?？焖俪擎?zhèn)化背景下，大量人口涌入海岸帶地區(qū)，沿海城市迅猛發(fā)展，導(dǎo)致海岸帶地區(qū)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加[4-5]。近年來，眾多學(xué)者對海岸帶土地利用等方面進(jìn)行探索與實(shí)踐，如利用多源遙感數(shù)據(jù)對上海海岸帶土地利用格局的變化過程及驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行研究[6]，對中國30 km海岸帶區(qū)域土地利用的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、空間格局以及集約化特征進(jìn)行綜合分析[7]，對20年間廣東省海島海岸帶土地利用類型變化及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行研究[8]，以10km緩沖半徑為研究區(qū)對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[9]。

在此基礎(chǔ)上，本文基于1980、1990、2000、2010和2015年的TM影像，利用ArcGIS10.2軟件提取山東省5個(gè)時(shí)期的40km以內(nèi)海岸帶土地利用數(shù)據(jù)，對近35年來山東省海岸帶土地利用變化情況進(jìn)行定量分析，包括土地利用結(jié)構(gòu)、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用海陸梯度、土地利用動(dòng)態(tài)度和土地利用綜合指數(shù)，以揭示海岸帶土地利用變化的空間差異特征。

1 研究區(qū)概況

山東省位于中國東部沿海、黃河下游地區(qū)，北緯34°22.9′-38°24.01′東經(jīng) 114°47.5′-122°42.3′之間。海岸線全長3024.4 km，占全國海岸線的1/6，居全國第二位；沿海岸線有天然港灣20余處，沿海灘涂面積約3000 km2。近年來隨著對海岸帶土地資源開發(fā)利用強(qiáng)度加大，海岸帶土地利用方式、景觀特征等也發(fā)生了巨大變化。

本文選取山東省沿海地區(qū)40km以內(nèi)海岸帶作為研究對象，覆蓋范圍由北向南包括濱州、東營、濰坊、煙臺、威海、青島、日照七個(gè)沿海城市。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選擇1980199020002010和2015年的山東省海岸帶遙感影像（空間分辨率為30m）作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依據(jù)LUCC分類體系，結(jié)合山東省海岸帶的地理特征，將研究區(qū)劃分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用土地和海洋共7個(gè)土地利用類型，利用ArcGIS10.2輸出研究區(qū)5期土地利用空間分布圖（圖1）。

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[10-11]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

圖1 1980-2015年山東省海岸帶土地利用空間分布圖Fig.1 Spatial distribution map of land use in coastal zones of Shandong province from 1980 to 2015

式中：Sij為研究期內(nèi)第i類土地向第j類轉(zhuǎn)化的面積（km2）；i為第一時(shí)期土地利用類型；j為第二時(shí)期土地利用類型；n為土地利用類型的數(shù)量。

2.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度是通過土地利用動(dòng)態(tài)模型來度量土地利用變化速度，進(jìn)而反映研究區(qū)土地利用變化的劇烈程度，包括單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。

（1）單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度可以直觀反應(yīng)研究時(shí)段內(nèi)某土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化程度，其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：K為動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期和末期某一種土地利用類型的面積；T為研究時(shí)段長，單位為a。

（2）綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

綜合土地利用動(dòng)態(tài)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[12]，其值越高，表明研究區(qū)內(nèi)土地利用變化越活躍，整體穩(wěn)定性越差。其表達(dá)式為：

式中：IRj為研究區(qū)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；Zija、Zijb分別為研究區(qū)某土地利用類型的初始面積和變化后的面積；n為土地利用類型的數(shù)量；T為時(shí)間間隔，單位為a。

2.2.3 土地利用程度綜合指數(shù)

土地利用程度綜合分析方法是按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態(tài)分為若干級，賦予分級指數(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,也反映人為因素與自然因素的綜合效應(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級土地利用程度分級指數(shù)；Ci為研究區(qū)內(nèi)第i級土地利用程度面積百分比；n為土地利用程度分級數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析

從土地利用類型的構(gòu)成來看（表2），耕地是山東省海岸帶地區(qū)最主要的土地利用類型，占研究區(qū)總面積的50%以上，其次為草地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地，占到總面積的9%-17%，而林地、水域、未利用土地和海洋面積相對較小，占總面積比例不足9%。研究區(qū)土地利用類型變化集中體現(xiàn)為耕地、草地、水域、未利用土地和海洋面積的減少和建設(shè)用地面積的增加，林地基本保持不變。

耕地、草地面積及所占比例呈現(xiàn)波動(dòng)減少趨勢。耕地面積在1980-1990年期間增加154.10 km2，所占比重由55.11%增加至55.47%，而在1990-2015年，耕地面積逐漸減少，共減少453.00 km2，所占比重由55.47%減少至54.40%；草地面積1980-1990年期間增加225.95km2，所占比重由12.14%增加至12.67%，在1990-2015年，草地面積逐漸減少，共減少745.34 km2，所占比重由12.67%減少至10.92%。

林地面積及其所占比例在35年間基本保持不變，所占總面積比例在8.57%左右。

水域、海洋面積及所占比例呈現(xiàn)波動(dòng)變化，水域面積在1980-1990年期間減少810.15km2，所占比重由7.67%減少至5.76%，在1990-2015年水域面積基本保持不變，所占比重在5.70%-5.90%之間；海洋面積在1980-1990年期間減少327.12 km2，所占比重由1.83%減少至1.06%，在1990-2010年海洋的面積在逐漸增加，所占比重由1.06%增加至1.27%，在2010-2015年海洋的面積基本保持不變，所占比重在1.27%左右。

城鄉(xiāng)建設(shè)用地的面積及所占比重呈現(xiàn)逐漸增長趨勢。其面積從1980年-2015年增加3372.72 km2，所占比例由9.01%增加至16.93%，增幅約7.92%，是研究區(qū)面積變化最為明顯的土地利用類型。

未利用土地的面積及所占比重呈現(xiàn)逐漸減少趨勢。其面積從1980年-2015年減少1485.57 km2，所占研究區(qū)總面積由5.68%減少至2.19%，近五年未利用地面積趨于穩(wěn)定。隨著海岸帶地區(qū)城市的擴(kuò)張和人口數(shù)量的增長，大量的未利用土地進(jìn)行盤活，土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，使得城鎮(zhèn)化率不斷提高。

表2 1980-2015年山東省海岸帶各土地利用類型面積及比例Table 2 Area and proportion of land use types in coastal zones of Shandong province from 1980 to 2015

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

本文將1980年和2015年土地利用空間分布圖進(jìn)行疊加，分析35年間土地利用變化的轉(zhuǎn)移和流向（表3），可以看出：（1）在研究期間，草地減少820.05 km2，主要向耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、水域轉(zhuǎn)移，其中草地向耕地轉(zhuǎn)移的幅度最大，轉(zhuǎn)移面積達(dá)到475.25 km2，草地減少量占1980年草地面積的15.86%；草地新增300.68 km2，主要是由海洋、水域和未利用土地轉(zhuǎn)化而來，其中120.11 km2的未利用土地轉(zhuǎn)化為草地，草地增加量占2015年草地面積的6.47%。（2）城鄉(xiāng)建設(shè)用地新增3392.49 km2，主要是由耕地、水域和未利用土地轉(zhuǎn)化而來，其中1334.03 km2的耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)建設(shè)用地，城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加量占2015年城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積的47.06%,；城鄉(xiāng)建設(shè)用地減少20.02 km2，減少量僅占1980年城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積的0.52%。（3）耕地減少1505.04 km2，主要向城鄉(xiāng)建設(shè)用地和水域轉(zhuǎn)移，其中耕地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的幅度最大，轉(zhuǎn)移面積達(dá)到1334.03 km2，耕地減少量占1980年耕地面積的6.41%；耕地新增1206.24 km2，主要是由草地、水域和未利用土地轉(zhuǎn)化而來，耕地增加量占2015年耕地面積的5.21%。（4）海洋減少317.20 km2，主要向草地和水域轉(zhuǎn)移，其中海洋向水域轉(zhuǎn)移的幅度最大，轉(zhuǎn)移面積為231.66 km2，海洋減少量占1980年海洋面積的40.64%；海洋新增74.73 km2，主要是由水域和未利用土地轉(zhuǎn)化而來，其中52.77 km2的水域轉(zhuǎn)化為海洋，海洋增加量占2015年海洋面積的13.89%。（5）林地的增加和減少在35年間變化均不明顯，增加量僅占2015年林地面積的1.11%，減少量僅占1980年林地面積的1.18%；（6）水域減少1458.87 km2，主要向城鄉(xiāng)建設(shè)用地和耕地轉(zhuǎn)移，其中水域向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)移幅度最大，轉(zhuǎn)移面積為972.13 km2，水域減少量占1980年水域面積44.69%；水域新增635.25 km2，主要是由草地、耕地、海洋和未利用土地轉(zhuǎn)化而來，水域增加量占2015年水域面積的26.02%。（7）未利用地減少1574.95 km2，主要向城鄉(xiāng)建設(shè)用地和耕地轉(zhuǎn)移，其中未利用地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的面積最大，轉(zhuǎn)移量達(dá)到917.40 km2，未利用土地減少量占1980年未利用土地面積的65.14%；未利用土地新增89.40 km2，主要是由草地、耕地和水域轉(zhuǎn)化而來，未利用土地增加量占2015年未利用土地面積的9.59%。

表3 1980-2015年山東省海岸帶土地利用面積變化轉(zhuǎn)移矩陣（km2）Table 3 Change and transfer matrix of land use area in Shandong coastal zone from 1980 to 2015（km2）

總的來說，在研究期間土地利用類型變化主要為建設(shè)用地面積的增加和草地、耕地、海洋、水域、未利用土地面積的減少，土地利用類型轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在草地、水域、未利用土地、耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地之間，尤其是“草地—耕地、耕地—城鄉(xiāng)建設(shè)用地、水域—耕地、水域—城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用土地—耕地、未利用土地—城鄉(xiāng)建設(shè)用地”土地利用類型轉(zhuǎn)移，各轉(zhuǎn)移面積在300 km2以上。

3.3 土地利用海陸梯度分析

以1980、1990、2000、2010和2015年的山東省海岸線為基線，以10 km為間隔由海向陸建立4個(gè)緩沖帶，由海向陸順次編號：0-10 km為條帶1、10-20 km為條帶2、20-30 km為條帶3、30-40 km為條帶4。統(tǒng)計(jì)每個(gè)緩沖帶中的土地利用結(jié)構(gòu)，分析5個(gè)時(shí)期土地利用海陸梯度差異。

對五個(gè)時(shí)期的各緩沖帶土地利用結(jié)構(gòu)圖（圖2）進(jìn)行比較分析，可以得到以下結(jié)論：（1）耕地在5個(gè)時(shí)期各緩沖帶中由海向陸逐漸所占比例增加，所占比例在65%以上，是各緩沖帶的主要地類；（2）城鄉(xiāng)建設(shè)用地在5個(gè)時(shí)期各緩沖帶中由海向陸所占比例逐漸減少；隨著時(shí)間的推移，城鄉(xiāng)建設(shè)用地在相同條帶中所占的比重逐漸增加，例如在條帶1中，城鄉(xiāng)建設(shè)用地在1980年所占比重為5.65%，在2015年所占比重為14.57%，共增加8.92的百分點(diǎn)；（3）海洋在5個(gè)時(shí)期中都只存在由前兩個(gè)緩沖帶，且由海向陸逐所占比例漸減少；（4）未利用土地和水域在5個(gè)時(shí)期各緩沖帶中由海向陸所占比例逐漸減少；（5）林地和草地在5個(gè)時(shí)期各緩沖帶中的所占比例變化不太明顯。

3.4 土地利用動(dòng)態(tài)度

3.4.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

不同時(shí)期各種土地利用類型的單一動(dòng)態(tài)度計(jì)算結(jié)果（表4）表明：（1）1980-1990年間，海洋和城鄉(xiāng)建設(shè)用地的變化幅度較大，動(dòng)態(tài)度分別為-4.19%和3.48%；其次是水域和未利用土地，動(dòng)態(tài)度分別為-2.48%和-2.37%，耕地、林地和草地的動(dòng)態(tài)變化速度很小。（2）1990-2000年間，未利用土地的變化幅度較大，動(dòng)態(tài)度為-2.09%；其次是城鄉(xiāng)建設(shè)用地和海洋，動(dòng)態(tài)度分別是1.25和1.46；耕地、林地、草地和水域的動(dòng)態(tài)變化速度很小。（3）2000-2010年間，未利用土地的變化幅度較大，動(dòng)態(tài)度為-3.58%；其次為城鄉(xiāng)建設(shè)用地和草地，動(dòng)態(tài)度分別為2.18%和-1.2%；耕地、水域和海洋的動(dòng)態(tài)變化速度很小，林地的動(dòng)態(tài)變化速度為0。（4）2010-2015年間，7個(gè)地類的變化速度都較小，動(dòng)態(tài)度均小于0.4%。

圖2 1980-2015年各緩沖帶土地利用結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Land use structure of each belt from 1980 to 2015

3.4.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度如表4所示，可以看出：1980-1990年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度最大，為0.40%；其次為2000-2010年，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為0.30%；再次為1990-2000年，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為0.18%；最后為2010-2015年，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為0.06%。表明1980-1990年和2000-2010年兩個(gè)時(shí)期土地利用變化比較劇烈，而1990-2000年和2010-2015年兩個(gè)時(shí)期土地利用變化較和緩。

表4 不同時(shí)期土地利用動(dòng)態(tài)度Table 4 Dynamic attitude of land use in different periods

3.5 土地利用綜合指數(shù)

土地利用集約水平可以通過土地利用綜合指數(shù)來反映，數(shù)值從1980年的265.61增加到1990年的274.36、2000年的277.41、2010年的284.42、2015年的284.81，35年間增加了19.20，可以看出土地利用集約化水平將繼續(xù)攀升，人類社會對海岸帶土地資源的影響程度仍在增強(qiáng)，區(qū)域土地利用處于發(fā)展期。

4 結(jié)論

通過解譯1980、1990、2000、2010和2015年的TM影像，對近35年來山東省海岸帶土地利用變化情況進(jìn)行定量分析，結(jié)果表明：

（1）山東省海岸帶土地利用類型以耕地為主，耕地面積占總面積的一半以上；城鄉(xiāng)建設(shè)用地的面積迅速增加，未利用土地面積顯著減少；草地、水域和海洋的面積從1980-2015年在逐年減少，但是減少比例逐漸下降，并趨于穩(wěn)定；林地面積在35年間面積基本保持不變。

（2）土地利用類型轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在“草地—耕地、耕地—城鄉(xiāng)建設(shè)用地、水域—耕地、水域—城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用土地—耕地、未利用土地—城鄉(xiāng)建設(shè)用地”之間，各轉(zhuǎn)移面積在300 km2以上。

（3）耕地在5個(gè)時(shí)期各緩沖帶中由海向陸所占比例逐漸增加，所占比例在65%以上，是各緩沖帶的主要地類；城鄉(xiāng)建設(shè)用地、海洋、水域和未利用土地在5個(gè)時(shí)期各緩沖帶中由海向陸所占比例逐漸減少；林地和草地在5個(gè)時(shí)期各緩沖帶中的所占比例基本不變。

（4）研究期間，城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用土地和海洋的土地利用動(dòng)態(tài)度變化程度較大;草地和水域的土地利用動(dòng)態(tài)度變化程度較小；耕地和林地的土地利用動(dòng)態(tài)度基本保持不變。土地利用綜合指數(shù)從1980年的265.61增加到2015年的284.81，土地利用集約化水平在繼續(xù)攀升，區(qū)域土地利用仍然處于發(fā)展期。

城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展以及山東藍(lán)色半島經(jīng)濟(jì)區(qū)、黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)等戰(zhàn)略的實(shí)施，使得海岸帶地區(qū)工業(yè)化步伐明顯超越了其他區(qū)域。海岸帶作為資源環(huán)境條件最為優(yōu)越的人文活動(dòng)區(qū)域，土地開發(fā)利用度不斷增大，進(jìn)而出現(xiàn)了海平面上升、近海水體富營養(yǎng)化等問題。因此，通過對山東省海岸帶地區(qū)土地利用進(jìn)行分析，可以更好地掌握土地利用變化的過程，為山東省海岸帶地區(qū)土地資源集約利用與近海資源可持續(xù)利用提供借鑒。