基于LandUSEM模型的山東半島海岸帶土地利用適宜性分析

宋歌，許景偉，楊志軍，韓芳，高蘭，穆豪祥

(1. 山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.山東省林業(yè)科學(xué)研究院, 山東 濟(jì)南 250014；3.山東省國(guó)土空間規(guī)劃院, 山東 濟(jì)南 250014)

海岸帶作為水圈、巖石圈、生物圈以及大氣圈相結(jié)合的敏感地帶，是地球上自然和人為雙重作用用力改造最為強(qiáng)烈的區(qū)域之一[1]。在快速城鎮(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(kāi)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[2-3]。土地利用變化能反映自然格局、過(guò)程與人類(lèi)社會(huì)之間最直接的相互關(guān)系，是人口、資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本問(wèn)題[4]。因此，研究海岸帶的土地利用變化顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者從驅(qū)動(dòng)力分析[5-6]、生態(tài)評(píng)價(jià)[7-8]和土地利用適宜性[9-10]等角度對(duì)土地利用進(jìn)行了研究。Olaniyi等[5]利用馬來(lái)西亞雪蘭莪1990和2006年的土地利用數(shù)據(jù)、生物物理數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對(duì)其土地利用變化和驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。黃巧等[9]將層次分析法、德?tīng)柗品ê虯rcgis地理空間分析技術(shù)相結(jié)合，對(duì)老撾沙灣水經(jīng)濟(jì)區(qū)的農(nóng)業(yè)用地、林業(yè)用地和建設(shè)用地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)。前人的研究為土地利用變化分析提供了多種分析角度和方法。但是，目前土地利用適宜性分析研究仍存在以下兩方面問(wèn)題：一是多采用層次分析法和德?tīng)柗品ù_定評(píng)價(jià)因子和權(quán)重，易受人為因素的干擾，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的主觀性；二是分析時(shí)間周期較短，在反應(yīng)土地利用長(zhǎng)時(shí)間序列變化方面存在不足。

本文以山東半島海岸帶為研究區(qū)，以土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取對(duì)土地利用布局產(chǎn)生重要影響的高程、坡度、坡向和土壤為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選用LandUSEM模型對(duì)1990—2015年山東半島各主要土地利用類(lèi)型分布的適宜性及變化過(guò)程進(jìn)行分析，進(jìn)而得到各用地類(lèi)型適宜分布的環(huán)境因子指標(biāo)范圍，在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)2020年山東半島海岸帶的土地利用現(xiàn)狀，以期為山東半島海岸帶土地及空間資源的優(yōu)化使用、保護(hù)海岸帶生態(tài)資源提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東半島35°05′～37°50′N(xiāo)、119°16′～122°42′E之間的海岸帶(以海岸線(xiàn)為基線(xiàn)，向陸延伸10 km的區(qū)域，且包括沿岸的島嶼[11])，行政區(qū)涉及濱州、東營(yíng)、濰坊、煙臺(tái)、威海、青島、日照7個(gè)地級(jí)城市。研究區(qū)地處暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，年平均溫度12.0～12.6 ℃，年平均降水量688 mm。

山東半島海岸帶包含黃河三角洲(泥質(zhì)海岸)、萊州灣(西岸泥質(zhì)海岸、東岸砂質(zhì)海岸)和屺坶島高角-繡針河口(巖質(zhì)海岸)3個(gè)岸段，地形以平原和丘陵為主，土壤類(lèi)型主要有棕壤、潮土、粗骨土和濱海鹽土4種類(lèi)型(圖1)，植被類(lèi)型以落葉闊葉林和針葉林為主。近30年來(lái)，伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，山東半島海岸帶土地利用發(fā)生很大變化，環(huán)境壓力和生態(tài)退化問(wèn)題日益加劇，風(fēng)暴潮、海岸侵蝕、濕地退化等災(zāi)害事件頻發(fā)[12-13]。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1)1∶100萬(wàn)數(shù)字化土壤圖。該數(shù)據(jù)是2005年由中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所集體制作的矢量數(shù)據(jù)，基本制圖單元為亞類(lèi)，共分12個(gè)土綱，61個(gè)土類(lèi)，226個(gè)亞類(lèi)。根據(jù)土壤分類(lèi)體系，研究區(qū)所包含的棕壤、濱海鹽土、粗骨土和潮土占總面積的90.47%。因此，將其余面積占比較小的土壤類(lèi)型歸為其他類(lèi)。

2)DEM數(shù)據(jù)。ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)。

3)土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)?；贚andsat TM/ETM+/OLI人工目視解譯的1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6期分辨率為100 m的柵格數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。土地利用類(lèi)型包括耕地、林地、草地、水域用地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地6個(gè)一級(jí)類(lèi)型以及25個(gè)二級(jí)類(lèi)型。根據(jù)該分類(lèi)體系，研究區(qū)所包含的土地利用類(lèi)型有耕地、林地、草地、河渠、湖泊、水庫(kù)坑塘、灘涂、灘地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地和未利用地12種。

2020年分辨率為30 m的土地覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)源于GLOBELAND30(http://www.globallandcover.com)。根據(jù)該現(xiàn)狀分類(lèi)體系，研究區(qū)所包含的土地覆蓋類(lèi)型有耕地、林地、草地、濕地、水體、人造地表和裸地。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)分級(jí)處理

利用DEM數(shù)據(jù)提取研究區(qū)坡度和坡向數(shù)據(jù)，參照國(guó)內(nèi)相關(guān)研究中的分級(jí)方法[14-15]并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)地特點(diǎn)，將高程、坡度和坡向數(shù)據(jù)分別劃分為5級(jí)(表1)，其中:高程分級(jí)根據(jù)研究區(qū)平原丘陵為主的地形和海岸帶特殊位置確定；坡度分級(jí)根據(jù)研究區(qū)地貌特征及參考粵東海岸分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定；坡向分級(jí)根據(jù)研究對(duì)象對(duì)方向敏感性的強(qiáng)弱采用4方向法確定。

表1 環(huán)境條件數(shù)據(jù)的分級(jí)

2.2.2 LandUSEM模型

在人們頻繁的土地改造活動(dòng)下，土地利用的適宜度可以有效、科學(xué)地反映土地利用情況，其值的計(jì)算顯得尤為重要。LandUSEM(land use suitability evaluation model)模型可以根據(jù)不同用地類(lèi)型與各影響因子結(jié)合的頻度得到土地類(lèi)型在不同影響程度下的適宜度。在人類(lèi)意識(shí)驅(qū)使下，地形因素(高程、坡度、坡向)和土壤類(lèi)型與土地利用布局之間存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系：如耕地一般分布在坡度小于2°且土壤肥沃、光照條件良好的區(qū)域；建設(shè)用地對(duì)土壤類(lèi)型選擇性較低，但通常分布在緩坡向陽(yáng)區(qū)域。該模型將每一類(lèi)土地類(lèi)型在各級(jí)評(píng)價(jià)因素中適宜度的整體均方差作為評(píng)價(jià)因子權(quán)重，可以排除人為因素的干擾，更具科學(xué)性[10]。此模型的計(jì)算過(guò)程分為疊加分析、標(biāo)準(zhǔn)化處理、面積百分化、環(huán)境因子權(quán)值獲取和綜合適宜度評(píng)價(jià)5步[10,16]，具體實(shí)現(xiàn)流程如下：

步驟1：將高程、坡度、坡向和土壤數(shù)據(jù)分別與6期土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)疊加，得到疊加矩陣。

步驟2：將疊加矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化及面積百分化處理。

步驟3：按公式(1)計(jì)算單一土地利用適宜度，計(jì)算單一適宜度矩陣行方向均方差STDEV以及矩陣方向整體均方差STDEV1。

(1)

式中：Zij是矩陣中第i類(lèi)土地利用類(lèi)型相對(duì)于第j種某項(xiàng)評(píng)價(jià)因素不同分級(jí)的適宜度；xij是土地利用面積百分化處理后面積矩陣中第i行第j列的值；yij是評(píng)價(jià)因素分級(jí)面積百分化處理后面積矩陣中第i行第j列的值。

步驟4：利用重分類(lèi)工具對(duì)各種疊加組合情況進(jìn)行賦值，得到單一因素下土地適宜度的柵格數(shù)據(jù)(Zij)r，按公式(2)將歸一化處理后的權(quán)重Kr進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，獲取綜合適宜度F。

(2)

式中：F為綜合適宜度;Kr為歸一化處理后的各因素權(quán)重。

步驟5：為定性評(píng)價(jià)土地利用適宜性，對(duì)綜合適宜度分級(jí)處理。因各評(píng)價(jià)因素均分為5級(jí)，對(duì)于百分化數(shù)據(jù)平均值為20，故將適宜度值域?yàn)?5以下定義為不適宜、(15，25]為臨界適宜、(25,35]為中等適宜、(35,45]為比較適宜、大于45為非常適宜。

3 結(jié)果與分析

3.1 1990—2015年土地利用適宜性的差異分析

經(jīng)土地利用適宜度模型計(jì)算，根據(jù)單一適宜度矩陣方向整體均方差STDEV1得出1990—2015年土地利用類(lèi)型在各評(píng)價(jià)因子下的適宜度權(quán)重(表2)，進(jìn)而獲得歷年土地利用適宜度的評(píng)價(jià)值。為利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行山東半島海岸帶土地利用適宜性研究，首先需對(duì)歷年各海岸帶綜合適宜性進(jìn)行分級(jí)分析，其次分析各岸段在不同時(shí)期的土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化情況，最后對(duì)比分析各用地類(lèi)型的適宜度差異。

表2 土地利用類(lèi)型在各評(píng)價(jià)因子下的綜合適宜度權(quán)重表

3.1.1 綜合適宜性分級(jí)分析

總體來(lái)看，由歷年數(shù)據(jù)得出山東半島海岸帶綜

合土地利用適宜性分級(jí)情況(圖2)。分析圖2得出：1990—1995年，濱州市和東營(yíng)市北部海岸帶大部分面積由非常適宜轉(zhuǎn)為中等適宜，萊州灣沿岸由比較適宜轉(zhuǎn)為臨界適宜；1995—2000年土地利用適宜性逐漸好轉(zhuǎn)，濱州市和東營(yíng)市北部海岸帶由中等適宜轉(zhuǎn)為比較適宜；2000—2005年，東營(yíng)市東南部不適宜土地面積減少，適宜性提高，體現(xiàn)在該地區(qū)不適宜類(lèi)型草地轉(zhuǎn)為中等適宜類(lèi)型耕地，耕地適宜性在棕壤和潮土類(lèi)型下高于濱海鹽土，而黃河三角洲地區(qū)土壤類(lèi)型為濱海鹽土，因此其它地區(qū)的耕地適宜性?xún)?yōu)于該地區(qū)；2005—2015年各區(qū)域土地適宜性趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 1990—2015年山東半島海岸帶綜合土地利用適宜性分級(jí)圖

3.1.2 各岸段土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化及適宜性分析

基于各時(shí)期土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)及綜合適宜度分級(jí)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算可知：黃河三角洲岸段土地利用變化最頻繁，1990—1995年土地利用變化最大的類(lèi)型為未利用地向水域用地轉(zhuǎn)化，在該轉(zhuǎn)化過(guò)程中適宜性降低的區(qū)域占25%，水域用地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地向未利用地轉(zhuǎn)化也導(dǎo)致適宜性降低；2000—2005年有29 716 hm2的草地向耕地轉(zhuǎn)化使土地適宜性提高，各時(shí)期未利用地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化均未造成土地適宜性降低。

萊州灣岸段在2000—2005年土地利用變化最頻繁且變化類(lèi)型復(fù)雜，以水域用地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用地以及草地轉(zhuǎn)化居多，其中，未利用地向草地轉(zhuǎn)化導(dǎo)致土地適宜性降低?？傮w來(lái)說(shuō)，該岸段主要土地利用變化類(lèi)型為水域用地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，未造成土地適宜性降低。

屺坶島高角-繡針河口岸段土地利用變化最小，各時(shí)期共有12 291 hm2土地適宜性降低，均由耕地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化導(dǎo)致；在1990—1995年未利用地向林地轉(zhuǎn)化過(guò)程中未造成土地適宜性變化。

研究區(qū)三岸段土地利用變化的共性體現(xiàn)在城鄉(xiāng)建設(shè)用地增多，說(shuō)明山東半島城市化進(jìn)程發(fā)展迅速。但減少的土地類(lèi)型存在差異，主要體現(xiàn)在黃河三角洲岸段多為未利用地，萊州灣岸段多為水域用地，屺坶島高角-繡針河口岸段為巖質(zhì)海岸且未利用地稀少、分布零散，為耕地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化。

3.1.3 用地類(lèi)型差異分析

山東半島海岸帶各時(shí)期耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地(城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地)、水域用地(河渠、湖泊、水庫(kù)坑塘、灘涂和灘地)、未利用地為中等適宜以上的面積普遍較大，而林地和草地大部分處在臨界適宜以下。各土地利用類(lèi)型與綜合適宜度的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可看出，耕地在各時(shí)期中等適宜以上占99%且以比較適宜類(lèi)型為主，綜合適宜度高，適宜性變化穩(wěn)定，耕地在黃河三角洲和萊州灣西部岸段多呈中等適宜狀態(tài)，在萊州灣東部和屺坶島高角-繡針河口岸段多呈比較適宜狀態(tài)；林地適宜性較差，各時(shí)期中等適宜以上占52%～58%且在各適宜類(lèi)型面積均勻分布；城鄉(xiāng)建設(shè)用地各時(shí)期中等適宜以上占94%～99%，且非常適宜類(lèi)型在2005年達(dá)到峰值后呈穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明該土地利用類(lèi)型適宜性呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)；水域用地和未利用地不同適宜類(lèi)型面積在各時(shí)期變化頻繁，但兩者中等適宜以上面積變化不大，分別占94%～96%和92%～99%。各時(shí)期未利用地和水域用地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化頻繁且適宜性變化穩(wěn)定，主要原因在于未利用地和水域用地主要分布于較平坦(坡度0°～2°)的濱海鹽土類(lèi)型區(qū)，而城鄉(xiāng)建設(shè)用地在該條件下適宜度高。

圖3 各土地利用類(lèi)型與綜合適宜度的關(guān)系

3.2 基于歷史數(shù)據(jù)的適宜性評(píng)價(jià)與現(xiàn)狀分析

根據(jù)1990—2015年各土地利用類(lèi)型在單一條件下的平均適宜度，利用重分類(lèi)工具分別為高程、坡度、坡向和土壤分級(jí)數(shù)據(jù)賦值，得到各土地利用類(lèi)型在單一條件下的適宜度柵格圖；根據(jù)6期單一適宜度矩陣行方向均方差STDEV求取行方向均值STDEV2并歸一化處理，得到各因子對(duì)各土地利用類(lèi)型的影響權(quán)重(表3)；進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，得到各土地利用類(lèi)型在研究區(qū)內(nèi)可適宜分布地區(qū)，利用土地利用類(lèi)型可適宜分布結(jié)果與2020年土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)疊加分析，對(duì)2020年土地利用適宜性現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 不同土地利用類(lèi)型在各評(píng)價(jià)因子下的適宜度權(quán)重表

3.2.1 主要用地的適宜地區(qū)分布

根據(jù)單一條件下土地利用類(lèi)型適宜度以及各因子對(duì)耕地、林地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地的影響權(quán)重，分析研究區(qū)耕地、林地及城鄉(xiāng)建設(shè)用地可適宜分布地區(qū)。適宜地分布的研究結(jié)果表明：耕地適宜分布在萊州灣岸段東部以及屺坶島高角-繡針河口岸段的大部分地區(qū)，萊州灣西部及黃河三角洲岸段為中等適宜的原因?yàn)樵摰貐^(qū)土壤類(lèi)型為濱海鹽土，受鹽漬化影響，屺坶島高角-繡針河口岸段不適宜發(fā)展耕地的地區(qū)主要受高程和坡度的制約；林地適宜分布在嶗山地區(qū)且處于非常適宜狀態(tài)，與該地區(qū)海拔高、坡度大有關(guān)，在煙臺(tái)市、威海市以及青島市的山地丘陵地區(qū)也適宜發(fā)展林業(yè)用地；城鄉(xiāng)建設(shè)用地在黃河三角洲岸段和萊州灣西部岸段0 m以下地區(qū)為臨界適宜狀態(tài)，在該地區(qū)高程0 m以下區(qū)域不宜開(kāi)發(fā)城鄉(xiāng)建設(shè)用地，在屺坶島高角-繡針河口岸段適宜性相對(duì)較差。

3.2.2 2020年土地利用現(xiàn)狀的適宜性分析

基于耕地、林地及城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)2020年土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖4)可知：耕地面積比較適宜以上占84%，適宜性較低的地區(qū)主要分布在黃河三角洲岸段，在該岸段主要受土壤條件的制約，黃河三角洲岸段耕地面積與1990年相比增加，增加的耕地處于中等適宜狀態(tài)，其它岸段與1990年相比減少，減少的耕地處于比較適宜以上狀態(tài)；研究區(qū)林地比較適宜以上占50%，林地在以海岸線(xiàn)為軸線(xiàn)、向內(nèi)陸延伸1 km范圍內(nèi)的沿海防護(hù)林區(qū)域適宜性比嶗山等山地地區(qū)稍低，但該區(qū)域也應(yīng)大力發(fā)展林業(yè)用地以保護(hù)海岸帶；城鄉(xiāng)建設(shè)用地比較適宜以上占70%，中等適宜地區(qū)分布在煙臺(tái)市、威海市和膠州灣沿岸。

圖4 2020年土地利用類(lèi)型適宜等級(jí)分布

4 結(jié)果與討論

1)總體來(lái)看，山東半島海岸帶各時(shí)期土地利用適宜性均以比較適宜和非常適宜為主，近年內(nèi)各區(qū)域土地適宜性趨于穩(wěn)定。在1990—2015年土地利用類(lèi)型變化存在差異，黃河三角洲岸段土地利用變化最頻繁，其次是萊州灣岸段，屺坶島高角-繡針河口岸段變化最小。

2)耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地在各時(shí)期均處于中等適宜以上水平，耕地綜合適宜度高且適宜性變化穩(wěn)定，林地的適宜性較差。各時(shí)期未利用地和水域用地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化頻繁且適宜性變化穩(wěn)定。

3)耕地適宜區(qū)分布在萊州灣岸段東部以及屺坶島高角-繡針河口岸段的大部分地區(qū)，林地適宜區(qū)分布在嶗山地區(qū)且處于非常適宜狀態(tài)；城鄉(xiāng)建設(shè)用地在屺坶島高角-繡針河口岸段適宜性較黃河三角洲岸段和萊州灣西部岸段稍低。

4)2020年山東半島海岸帶耕地適宜性與2015年相比未發(fā)生明顯變化；林地適宜性提高，比較適宜以上占比較2015年增加16%；城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性降低，比較適宜類(lèi)型以上占比較2015年減少11%。

由土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化及適宜性變化可知，土地利用類(lèi)型的變化不一定引起適宜等級(jí)的變化。在進(jìn)行土地利用開(kāi)發(fā)時(shí)，若開(kāi)發(fā)前后適宜性保持不變或?yàn)樘岣郀顟B(tài)，則說(shuō)明此種開(kāi)發(fā)模式可行性高；若適宜性降低，則說(shuō)明之前的土地利用類(lèi)型更適宜該地區(qū)，則應(yīng)調(diào)整開(kāi)發(fā)模式，將土地利用效率提高到最大化。根據(jù)以上研究，建議在土地利用規(guī)劃過(guò)程中，應(yīng)遵循土地適宜性原則，“宜農(nóng)則農(nóng)、宜林則林”；在耕地受城鎮(zhèn)化影響最大的屺坶島高角-繡針河口岸段，優(yōu)先開(kāi)發(fā)耕地適宜性較低的區(qū)域，推廣高效生態(tài)農(nóng)業(yè)土地利用模式；此外，黃河三角洲和萊州灣岸段未利用地和水域用地適宜性好，可開(kāi)發(fā)潛力大，在保護(hù)濕地的前提下，該區(qū)域可適當(dāng)適時(shí)開(kāi)發(fā)未利用地和水域用地以滿(mǎn)足區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要。

本研究?jī)H選取影響土地利用的底質(zhì)條件進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，未考慮社會(huì)發(fā)展?jié)摿σ蛩匾约昂０稁厥獾乩砦恢锰卣鳎裟軐⑦@兩者考慮其中，則可以更加理想地評(píng)價(jià)山東半島海岸帶土地利用適宜性；同時(shí)，本研究是針對(duì)6種土地利用類(lèi)型的綜合適宜性評(píng)價(jià)，從實(shí)踐意義上來(lái)看，針對(duì)特定的土地利用類(lèi)型評(píng)價(jià)以及規(guī)劃更有實(shí)際意義，是今后研究的主要方向。