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30年来象山港海岸带土地开发利用强度时空变化研究

2017-06-26冯佰香李加林龚虹波刘永超叶梦姚姜忆湄史作琦何改丽

海洋通报 2017年3期
关键词:海岸带时段土地利用

冯佰香,李加林,2,龚虹波,刘永超,叶梦姚,姜忆湄,史作琦,何改丽

(1.宁波大学地理与空间信息技术系,浙江宁波315211;2.浙江省海洋文化与经济研究中心,浙江宁波315211;3.宁波大学公共管理系,浙江宁波315211)

30年来象山港海岸带土地开发利用强度时空变化研究

冯佰香1,李加林1,2,龚虹波3,刘永超1,叶梦姚1,姜忆湄1,史作琦1,何改丽1

(1.宁波大学地理与空间信息技术系,浙江宁波315211;2.浙江省海洋文化与经济研究中心,浙江宁波315211;3.宁波大学公共管理系,浙江宁波315211)

以象山港海岸带为研究区域,利用1985年,1995年,2005年和2015年4期TM遥感影像数据,将土地利用类型分为8大类,通过计算土地利用类型动态度、土地利用转移矩阵、土地利用结构信息熵以及土地开发利用强度综合指数4种指标模型,分析了象山港海岸带1985-2015年土地开发利用的速度、结构、程度以及时空变化。结果表明:(1)1985-2015年象山港海岸带养殖用地及盐田扩张速度最快,动态度最高可达11.97%,建设用地扩张速度次之,但面积增幅最为显著,滩涂缩减速度最大,耕地面积明显减少;(2)30年间土地类型主要转变方向为耕地转为建设用地,其次为林地转变为耕地;(3)信息熵逐时期增加,土地利用结构均质性不断加强,区域发展在逐渐走向成熟;(4)各时期土地利用强度指数变化率均大于零,象山港海岸带土地开发利用强度不断增强。

土地利用;开发强度;时空变化;象山港海岸带

土地利用变化是全球变化的重要组成部分,也是国际地圈生物圈计划(IGBP)的研究热点(刘纪远等,2014)。海岸带地区因交通便利、资源丰富而成为全球社会经济发展水平最高和人口最密集的区域(吴孟孟等,2015),也是土地利用变化最剧烈和开发利用强度最大的区域之一。海岸带地区土地利用变化已成为海岸带陆海相互作用(LOICZ)研究的重点之一,并取得了大量研究成果。相关成果主要涉及海岸带土地利用信息提取(Pice,1900;王彩艳等,2014)、海岸带土地利用特征(Sumeyra,2013;吴源泉等,2006)、海岸带土地利用/覆被变化(徐艳等,2012;Jean et al,2011)、海岸带土地利用空间格局演变及驱动机制(王德志等,2014;侯西勇等,2011;欧维新等,2004)、海岸带土地资源管理(Volkan et al,2016)等方面。但是,当前对于港湾地区海岸带土地开发利用强度的分析研究仍相对较少(俞腾等,2015),难以满足港湾海岸带土地持续利用的需要。本研究拟选择开发利用历史悠久的浙江象山港海岸带(刘永超等,2016),分析其土地开发利用强度时空变化特征,以期为预测土地利用变化趋势、优化港湾地区土地利用结构提供科学依据。

1 研究区概况

象山港位于浙江省宁波市东南部沿海,介于29°24′-30°07′N,121°43′-122°23′E之间,跨越象山、宁海、奉化、鄞州、北仑五县(市、区),北面紧靠杭州湾,南邻三门湾,东侧为舟山群岛,是一个NE-SW走向的狭长型潮汐通道海湾。象山港潮汐汊道内有西沪港、铁港和黄墩港3个次级汊道。从港口到港底全长约60 km,港内多数地区宽度5~6 km,平均水深10 m,入港河川溪流众多,水域总面积为630 km2(刘永超等,2015)。多年平均降水量约为1 500 mm,沿岸有大小溪流95条注入港湾,多年平均径流量为12.9×108 m2。

本文所指的象山港海岸带,是象山港周边的象山、宁海、奉化、鄞州和北仑5个县(市、区)最终地表水汇入港湾的陆域部分(袁麒翔等,2014)(图1),即采用水平精度为30 m的ASRTER GDEM V2数字高程模型,提取并获得2015年象山港流域边界,来确定本文象山港海岸带的研究范围,面积为1 476 km2,不包含海湾海域部分(图1)。由于象山港的围填海与淤积较为明显(徐谅慧等,2015),因此,按2015年边界确定的象山港海岸带范围在1985年、1995年、2005年则包括了部分近岸海域。

图1 研究区地理位置

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究所采用的基本遥感数据为象山港流域1985年、1995年、2005年和2015年4个时期的TM、OLI影像,空间分辨率均为30 m,每个时期包括轨道号为118-39、118-40的2景影像,其他研究数据还包括1∶50 000象山港地形图等。

本研究采用ENVI4.7遥感影像处理软件对遥感数据进行大气校正、几何精校正、假彩色合成和图像拼接等数据预处理(郭意新等,2015),然后运用2015年象山港流域边界进行影像裁剪,得到研究区影像数据。再次利用ENVI4.7软件,对研究区4期遥感影像进行土地利用类型的目视解译和人机交互解译,得到不同时期的土地利用数据。为保证解译精度,在每幅矢量图中产生检验点200个,经检验精度均在0.87以上,符合研究要求。本研究的土地分类系统根据我国常用的土地分类标准,并结合研究区实际确定,包括建设用地、养殖用地及盐田、未利用地、耕地、河流湖泊、林地、海域和滩涂等8大类型。

图2 象山港海岸带各时期土地利用现状图

2.2 研究方法

本文采用土地利用数量动态模型、土地利用类型转移模型、土地利用结构模型和土地利用开发强度模型来对象山港海岸带近30年土地利用的时空变化进行分析。

土地开发利用数量动态模型包括单一土地利用类型动态度和综合土地利用类型动态度。单一土地利用类型动态度研究各类型土地面积的数量和速度变化,可以描述研究时段内不同土地类型的总量变化、变化态势以及结构变化趋势(张安定等,2007),具体模型参见文献(刘纪远等,2000;王思远等,2001)。综合土地利用类型动态度具有刻画区域土地利用变化程度的效用,可以用来研究区域在一定时段内综合的土地利用类型的数量变化情况,是分析与描述热点区域的一条捷径,具体模型参见文献(刘艳芳,2007)。

土地利用类型相互转化模型可以反映研究时段始末各土地类型面积之间的相互转化关系,不仅具有详实的各时段静态土地利用类型面积,还隐含着不同时段的动态变化信息(王德志等,2014),便于了解各类型土地面积增加和减少的来源出处,具体模型参见文献(刘艳芳,2007)。

土地利用结构模型包括信息熵和均衡度。信息熵可以对土地系统的有序度进行量度与评价(谭永忠等,2003),本文采用Shannon公式来定义土地利用结构的信息熵模型(张群等,2013)。均衡度是更完善表征土地系统结构性的指标,具体模型参见文献(陈彦光等,2001)。

土地利用强度主要反映土地利用的广度和深度,它不仅反映土地本身的自然属性,同时也反映人类因素与自然环境因素的综合效应(王秀兰等,1999)。本文根据刘纪远等提出的土地利用程度综合分析方法(攀玉山等,1994),将土地利用强度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为若干级,并赋予分级指数,从而给出土地利用强度综合指数及土地利用强度变化模型的定量化表达式(梁治平等,2006)。

本文针对研究区域内8类土地各自所担负的功能作用,参考庄大方等(1997)对土地利用程度的分级标准,并结合研究实际,将各类土地进行强度赋值,最终得到5种土地利用强度分级指数(表1)。表1所列为理想状态的土地利用分级,与实际情况略有不同,现实中各类型土地会按照相关权重来对区域开发程度进行贡献(朱忠显,2014),但在进行理论分析时此模型仍可适用。

表1 土地利用强度分级表

3 结果与分析

3.1 土地利用变化特征分析

3.1.1 总量变化分析

1985-2015年,象山港各土地利用类型面积发生了显著变化(表2)。从30年各土地利用类型总体变化趋势来看:建设用地、养殖用地及盐田面积增加显著,至研究期末增长比例分别99.49%、310.48%,未利用地面积增加较慢,增长率为45.65%;耕地、林地和滩涂面积在逐年减少,滩涂面积减少幅度最大,为56.19%,耕地面积次之,为25.22%;湖泊河流呈先增加后减少的变化趋势。分时段来看,建设用地面积增加较为显著,各时段增幅分别为35.375 9 km2、20.538 1 km2与18.954 0 km2,增长率在不断下降,由2.40%衰减为1.28%;养殖用地及盐田面积增幅也较明显,其增长率波动较大,1995-2005年时段达到极值水平;减幅较为明显的土地类型为耕地,各时期减少面积分别为40.6512km2、39.6154km2和8.2093km2,面积变化比率不断下降,截止2005-2015年时段比率变为0.56%,达到最低水平。

表2 象山港海岸带各年份各时段土地利用类型面积及其变化(km)2

3.1.2 土地利用类型相互转化分析

通过对象山港海岸带1985-1995年、1995-2005年和2005-2015年三个时段8类土地面积转移矩阵的分析(表3、表4和表5),发现:30年来象山港海岸带各土地利用类型之间的转移有以下特征:①建设用地面积增加显著,主要由耕地、养殖用地及盐田和林地转变而来,耕地所占比例最大。随着城镇化水平的不断提高,区域对于建设用地的需求急剧增大。②养殖用地及盐田面积增加仅次于建设用地,且其30年间变化率最高,主要来源于耕地和滩涂的转化,尤其是耕地。③耕地面积减少数量最大,主要转化为建设用地、养殖用地及盐田和林地,其中转为建设用地的面积最多。耕地转为建设用地是耕地的非农化,是城镇化进程推进的必然结果;耕地转为养殖用地及盐田主要受经济效益的驱动;耕地转为林地的主要驱动因素在于政府退耕还林等政策的强制性要求。④林地面积减少也较为明显,主要转变为耕地和建设用地,林地转为耕地主要是出于耕地占补平衡而实施异地置换的结果。

表31985 -1995年象山港海岸带8类土地面积转移矩阵(km)2

表41995 -2005年象山港海岸带8类土地面积转移矩阵(km)2

表52005 -2015年象山港海岸带8类土地面积转移矩阵(km)2

3.2 土地利用结构与动态度分析

3.2.1 信息熵

由表6可知,随着时间推移,象山港海岸带土地利用结构信息熵和均衡度逐时期上升,土地系统的结构性和有序性在逐渐变差,各类型土地面积之间的差异在逐步缩减。其中,1985年信息熵值最低,为0.931 6,此时海岸带土地结构的有序度较高,系统稳定性较强,各类型面积分布的均匀程度较低,土地受人类活动的干扰较小;1995年信息熵增幅为0.051 7,各土地利用类型仍存在较大的面积差,系统的均衡度增加了0.024 9,土地结构的有序性在缓慢的变小;2005年土地利用结构信息熵仍在小幅度增加,土地稳定性在缓慢变弱;2015年信息熵增幅最小,仅增加了0.013 7,但是却达到了研究时段的最高值,为1.040 3,说明随着人类对于海岸带土地的开发利用,研究区土地的结构性变得较为脆弱,各职能土地在不断走向有序化,土地利用趋于复杂化。

表6 象山港海岸带1985年、1995年、2005年和2015年土地利用结构信息熵、均衡度及优势度

3.2.2 单一土地利用类型动态度

由图3可知,30年间,养殖用地及盐田面积年变化率最大,为10.35%,其次是建设用地,为3.32%,海域、未利用地和滩涂年变化率也相对较高,其余类型的年变化率则较小。各时段分析可得:1985-1995年,养殖用地及盐田(8.66%)年变化率远大于其他类型,建设用地(4.70%)和海域(4.44%)年变化率相当,此外年变化率较为明显的还有滩涂(2.39%);1995-2005年,各类土地面积的年变化率相比其他时期起伏较大,基本处于极值水平,如养殖用地及盐田,这一时期其年变化率为11.97%,为3个时段年变化率最大值;2005-2015年,各土地利用类型年变化率相当,且差异较小。

图3 1985-1995年,1995-2005年,2005-2015年和1985-2015年四个时段单一土地利用类型动态度

由上可知,象山港海岸带1985-1995年时段各类型土地的开发利用处于一个较高的发展水平,在1995-2005年时段土地开发利用高速加快,各土地类型间年变化率起伏较为剧烈,在2005-2015年时段各类型土地的发展又变得比较平缓。

3.2.3 综合土地利用类型动态度

通过计算,得到象山港海岸带1985-1995年、1995-2005年以及2005-2015年3个时段的区域综合土地利用动态度分别为0.27%,0.31%和0.19%。可以看出,随时间推移象山港海岸带综合土地利用动态度呈先增后减的变化趋势,土地利用类型间的转换程度处于波动变化状态。其中,1995-2005年时段综合土地利用动态度最高,说明该时段土地利用变化较大,区域土地利用类型间的相互转化幅度较大,土地开发利用速度较快;2005-2015年时段综合土地利用动态度最小,区域内各土地利用类型间的相互转化趋于平缓,面积转化幅度较小。

3.3 土地开发利用强度时空变化分析

本文通过土地利用强度综合指数模型计算了象山港海岸带1985年、1995年、2005年和2015年4个年份的土地利用强度指数,并通过分等分级统计了各强度等级土地所占比例(表7);借助ArcGIS10.2软件,利用强度分级、土地利用综合指数及其变化量模型依次生成象山港海岸带各时期土地开发利用强度现状图(图4)和各时段土地开发利用强度变化量图(图5),数图结合,以期更好的分析象山港海岸带土地开发利用强度的时空变化特征。

(1)通过统计各期土地利用综合指数(表7),发现:1985年象山港海岸带土地开发利用水平处于中等偏上,中等强度及以上的土地所占比例为44.16%,其中较强水平的土地所占比例最大,为20.58%,其次为开发利用程度中等的土地,所占比例为19.60%;1995年,相比1985年而言,高强度水平的土地面积比例显著增加,增加比例为2.23%,增长率为4期间最高,为56.03%,其他强度等级的土地面积比例均在下降,其中下降比例较大的为中等水平的土地,这一时期土地开发利用强度相对于1985年略有下降,但总体发展水平仍为中等偏上;2005年,强度水平为最高级别的土地所占面积比例仍在持续增加,比例增长1.84%,此外,除中等强度的土地比例略有增加外,其它强度等级的土地比例均在下降,但比之1995年,比例下降速度变缓变慢;2015年,高强度的土地面积比例增速仍较为剧烈,比例增加1.20%,增速为14.91%,与前两个年份相比,较强强度和中等的土地面积比例增加,分别增加0.16%和0.15%。

(2)分析各期综合指数分级图(图4),可以看出:象山港海岸带土地开发利用强度受地形地貌影响较为重大。低山和丘陵地带,地势起伏较小,交通便利,土地易于被开发利用,因此土地开发利用强度较大;沿岸地段,资源较为丰富,人类活动频繁,且宜于生产生活,土地开发利用强度也较大。各级行政中心对于象山港海岸带土地开发利用强度的影响也不可忽略。宁海县周边是整个象山港海岸带地区开发强度等级最高的聚集地,由于其距海较近,区位条件优越,人类经济活动与海岸带土地的开发利用联系较为密切,且两者发展相互促进,使得强度随时间的推移越来越深入;强度为强和较强等级的地段多存于县或村级行政单位,这些地区人口相对稠密,对土地资源的需求较大,使得海岸带土地的开发利用处于一个较高的水平。

(3)从土地开发利用综合指数的时间变化来看(图5),30年间象山港海岸带土地开发利用综合指数变化量有正有负,其中土地利用综合指数变化量处于零值以上的面积高达19.83%,象山港海岸带土地开发利用活动较为活跃、剧烈。城镇化水平的提高以及城镇的扩张,使城镇周边的土地被开发利用,原有城区的土地开发利用程度加强。单时段分析:1985-1995年象山港海岸带处于发展期的土地面积比例达到12.87%,1995-2005年和2005-2015年比例分别为10.43%和9.71%。对于每个时段而言,期末与期初相比,都有10%左右的土地开发利用在进入发展期,尽管对于不同阶段的10年,进入发展期的土地面积比例存在差异,但是各阶段其开发利用强度比之初期都有所增加和深入,这与人类活动对海岸带土地开发利用更为频繁的干预息息相关,其中经济利益驱动是引起这种变化最为直接的原因,区域发展对于土地的依托在此也显得尤为明显和重要。

表7 各时期强度水平划分、面积及比例

由上可知,象山港海岸带土地开发利用强度在逐时期增加,城镇周边的土地开发利用速度最快,这体现了象山港地区城镇扩张迅速;乡镇居民点周边土地开发利用强度也较大,建设用地的大量需求使区域土地开发利用的强度远远高于其他地区。象山港海岸带30年间各土地利用类型间面积差别逐渐在减小,区域土地利用结构正在向均衡状态发展,速度稳中有进,具有良好的发展前景和趋势。

图4 象山港海岸带1985年、1995年、2005年和2015年四期土地利用强度综合指数图

(图待续)

图5 全时段和分时段土地利用强度综合指数变化图

4 结论

(1)1985-2015年象山港海岸带各土地利用类型面积变化显著。近30年来,建设用地面积显著增加,增幅为74.868 0 km2,变化率为99.48%;耕地明显减少,减少面积为88.475 9 km2,变化比例为25.22%;养殖用地及盐田面积增长率最高,为310.48%;滩涂面积减少速度最快,变化率为56.19%。1985-1995年、1995-2005年和2005-2015年3个时段中建设用地面积均增长明显,养殖用地及盐田和耕地面积变化只有前两个时段较为突出。

(2)土地的主要转移类型为耕地转为建设用地、林地转为耕地,且这4种土地类型间的转移面积在逐时期减少。1985-1995年、1995-2005年和2005-2015年,耕地转为建设用地的面积分别为35.121 6 km2,21.250 3 km2和14.072 8 km2,林地转为耕地的面积分别为9.897 2 km2,8.307 9 km2和8.640 6 km2,土地类型间的转移程度在逐步减小,象山港各土地类型的开发利用比例正在趋于协调。

(3)象山港海岸带4个时期的土地利用结构信息熵和均衡度均呈现逐渐上升趋势,8大类土地面积之间的差别在逐渐缩小,海岸带土地利用结构在不断走向均衡状态。单一土地利用类型动态度变化中,除养殖用地及盐田动态度变化较大外,其他类型的土地动态度变化水平较为一般,1995-2005年各类型土地动态度变化最为明显;象山港海岸带综合土地利用动态度在先增后减,土地利用类型间的转换程度由大到小。

(4)象山港海岸带土地开发利用在不断的深入和加强,较低水平为主体,中等和较高强度水平为辅是其1985-2015年主要的变化趋势,而其中又交织着强等级水平土地的扩张和低强度水平土地的缩减。1985-1995年、1995-2005年和2005-2015年3个时段中,象山港海岸带土地的开发利用均处于发展期,土地开发利用水平在逐渐提高,但区域土地开发利用存在发展不平衡,尽管不断的有土地进入发展期,但是处于调整期的土地比例仍较大,区域土地发展需要进一步的统筹和协调。此外,象山港海岸带土地开发利用强度受地形地貌和行政中心影响较为明显,在此后的土地开发利用规划和调整中应积极考虑这些因素的影响,以期更好的进行海岸带土地的开发利用。

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(本文编辑:袁泽轶)

Temporal and spatial variation of land development and utilization intensity in coastal zone of the Xiangshangang Bay

FENG Bai-xiang1,LI Jia-lin1,2,GONG Hong-bo3,LIU Yong-chao1,YE Meng-yao1, JIANG Yi-mei1,SHI Zuo-qi1,HE Gai-li1

(1.Department of Geography&Spatial Information Techniques,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.Research Center for Marine Culture and Economy,Zhejiang Province,Ningbo 315211,China;3.Department of Public Management,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

Taking the coastal zone of Xiangshangang Bay as a study area,based on the information of four TM images of 1985,1995,2005 and 2015,the land use types are divided into eight categories.Then,through calculating four kinds of index models:land-use dynamic index,conversion matrix,land use structure information entropy,and comprehensive index of land development and utilization intensity,researched and analyzed the speed,structure,degree,and the temporal and spatial variation in the land development and utilization of Xiangshangang Bay coastal zone from 1985 to 2015.The results showed that:(1)From 1985 to 2015,the expansion speed of farming land and salt pan of Xiangshangang Bay coastal zone was the fastest,the highest dynamic degree could up to 11.97%,construction land expansion ranked the second,and its increase in the area was the most significant;tidal flats reduced by a maximum speed,and the area of farmland decreased obviously.(2)In the past 30 years,the main trend of land type change in Xiangshangang Bay coastal zone was arable landturn into construction land,followed by woodland turn into farmland.(3)Information entropy increased by period,the land use structure heterogeneity constantly strengthened and regional development became gradually mature.(4)The change rate of land use intensity in each period was greater than zero,and the intensity of land development and utilization in Xiangshang Bay coastal zone land is enhanced continuously.

land use;development intensity;temporal and spatial variation;coastal zone of xiangshangang Bay

P748

A

1001-6932(2016)02-0250-10

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.03.002

2016-06-29;

2016-08-13

国家自然科学基金(U1609203,41471004);浙江省社科基金(16JDHH005);浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目(2016R405073)。

冯佰香(1993-),硕士,主要从事海岸带环境与生态研究。电子邮箱:1821453200@qq.com。

李加林,博士,教授,博士生导师,主要从事海岸带环境与资源开发研究。电子邮箱:nbnj2001@163.com。

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