1980-2015年山东省海岸带土地利用变化分析

张小珲，蔡利平*，王亚男

（1. 曲阜师范大学地理与旅游学院，山东·日照 276826；2. 自然资源部海岸带开发与保护重点实验室，江苏·南京 210024）

海岸带作为人、海、陆三者交互作用最为显著的地域类型，其生态环境的复杂性和特殊性，使其成为全球环境变化最为敏感和脆弱的地区之一[1-3]。快速城镇化背景下，大量人口涌入海岸带地区，沿海城市迅猛发展，导致海岸带地区土地开发利用的规模和强度进一步增大，海岸带面临的压力日益增加[4-5]。近年来，众多学者对海岸带土地利用等方面进行探索与实践，如利用多源遥感数据对上海海岸带土地利用格局的变化过程及驱动机制进行研究[6]，对中国30 km海岸带区域土地利用的数量、结构、空间格局以及集约化特征进行综合分析[7]，对20年间广东省海岛海岸带土地利用类型变化及驱动力进行研究[8]，以10km缓冲半径为研究区对1980-2008年江苏省海岸带土地利用变化的行政单元差异与梯度分异特征进行分析[9]。

在此基础上，本文基于1980、1990、2000、2010和2015年的TM影像，利用ArcGIS10.2软件提取山东省5个时期的40km以内海岸带土地利用数据，对近35年来山东省海岸带土地利用变化情况进行定量分析，包括土地利用结构、土地利用转移矩阵、土地利用海陆梯度、土地利用动态度和土地利用综合指数，以揭示海岸带土地利用变化的空间差异特征。

1 研究区概况

山东省位于中国东部沿海、黄河下游地区，北纬34°22.9′-38°24.01′东经 114°47.5′-122°42.3′之间。海岸线全长3024.4 km，占全国海岸线的1/6，居全国第二位；沿海岸线有天然港湾20余处，沿海滩涂面积约3000 km2。近年来随着对海岸带土地资源开发利用强度加大，海岸带土地利用方式、景观特征等也发生了巨大变化。

本文选取山东省沿海地区40km以内海岸带作为研究对象，覆盖范围由北向南包括滨州、东营、潍坊、烟台、威海、青岛、日照七个沿海城市。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本文选择1980199020002010和2015年的山东省海岸带遥感影像（空间分辨率为30m）作为基础数据，依据LUCC分类体系，结合山东省海岸带的地理特征，将研究区划分为耕地、林地、草地、水域、城乡建设用地、未利用土地和海洋共7个土地利用类型，利用ArcGIS10.2输出研究区5期土地利用空间分布图（图1）。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是土地利用类型间相互转化的数量和方向定量研究的主要方法，它能够具体反映土地利用变化的结构特征和各类型间的转移方向[10-11]。土地利用转移矩阵的数学表达为：

图1 1980-2015年山东省海岸带土地利用空间分布图Fig.1 Spatial distribution map of land use in coastal zones of Shandong province from 1980 to 2015

式中：Sij为研究期内第i类土地向第j类转化的面积（km2）；i为第一时期土地利用类型；j为第二时期土地利用类型；n为土地利用类型的数量。

2.2.2 土地利用动态度

土地利用动态度是通过土地利用动态模型来度量土地利用变化速度，进而反映研究区土地利用变化的剧烈程度，包括单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。

（1）单一土地利用动态度

单一土地利用动态度可以直观反应研究时段内某土地利用类型的动态变化程度，其数学模型如下：

式中：K为动态度；Ua、Ub分别为研究初期和末期某一种土地利用类型的面积；T为研究时段长，单位为a。

（2）综合土地利用动态度

综合土地利用动态度便于在不同空间尺度上找出土地利用变化的热点区域[12]，其值越高，表明研究区内土地利用变化越活跃，整体稳定性越差。其表达式为：

式中：IRj为研究区综合土地利用动态度；Zija、Zijb分别为研究区某土地利用类型的初始面积和变化后的面积；n为土地利用类型的数量；T为时间间隔，单位为a。

2.2.3 土地利用程度综合指数

土地利用程度综合分析方法是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，赋予分级指数（表1），并给出土地利用程度综合指数的定量化表达式。土地利用程度的大小不仅反映土地本身的自然属性,也反映人为因素与自然因素的综合效应。某区域土地利用程度综合指数可表达为：

式中：Lj为某研究区域土地利用程度综合指数；Ai为研究区内第i级土地利用程度分级指数；Ci为研究区内第i级土地利用程度面积百分比；n为土地利用程度分级数。

3 结果分析

3.1 土地利用结构分析

从土地利用类型的构成来看（表2），耕地是山东省海岸带地区最主要的土地利用类型，占研究区总面积的50%以上，其次为草地和城乡建设用地，占到总面积的9%-17%，而林地、水域、未利用土地和海洋面积相对较小，占总面积比例不足9%。研究区土地利用类型变化集中体现为耕地、草地、水域、未利用土地和海洋面积的减少和建设用地面积的增加，林地基本保持不变。

耕地、草地面积及所占比例呈现波动减少趋势。耕地面积在1980-1990年期间增加154.10 km2，所占比重由55.11%增加至55.47%，而在1990-2015年，耕地面积逐渐减少，共减少453.00 km2，所占比重由55.47%减少至54.40%；草地面积1980-1990年期间增加225.95km2，所占比重由12.14%增加至12.67%，在1990-2015年，草地面积逐渐减少，共减少745.34 km²，所占比重由12.67%减少至10.92%。

林地面积及其所占比例在35年间基本保持不变，所占总面积比例在8.57%左右。

水域、海洋面积及所占比例呈现波动变化，水域面积在1980-1990年期间减少810.15km2，所占比重由7.67%减少至5.76%，在1990-2015年水域面积基本保持不变，所占比重在5.70%-5.90%之间；海洋面积在1980-1990年期间减少327.12 km2，所占比重由1.83%减少至1.06%，在1990-2010年海洋的面积在逐渐增加，所占比重由1.06%增加至1.27%，在2010-2015年海洋的面积基本保持不变，所占比重在1.27%左右。

城乡建设用地的面积及所占比重呈现逐渐增长趋势。其面积从1980年-2015年增加3372.72 km2，所占比例由9.01%增加至16.93%，增幅约7.92%，是研究区面积变化最为明显的土地利用类型。

未利用土地的面积及所占比重呈现逐渐减少趋势。其面积从1980年-2015年减少1485.57 km2，所占研究区总面积由5.68%减少至2.19%，近五年未利用地面积趋于稳定。随着海岸带地区城市的扩张和人口数量的增长，大量的未利用土地进行盘活，土地利用类型发生转变，使得城镇化率不断提高。

表2 1980-2015年山东省海岸带各土地利用类型面积及比例Table 2 Area and proportion of land use types in coastal zones of Shandong province from 1980 to 2015

3.2 土地利用转移矩阵分析

本文将1980年和2015年土地利用空间分布图进行叠加，分析35年间土地利用变化的转移和流向（表3），可以看出：（1）在研究期间，草地减少820.05 km2，主要向耕地、城乡建设用地、水域转移，其中草地向耕地转移的幅度最大，转移面积达到475.25 km2，草地减少量占1980年草地面积的15.86%；草地新增300.68 km2，主要是由海洋、水域和未利用土地转化而来，其中120.11 km2的未利用土地转化为草地，草地增加量占2015年草地面积的6.47%。（2）城乡建设用地新增3392.49 km2，主要是由耕地、水域和未利用土地转化而来，其中1334.03 km2的耕地转化为城乡建设用地，城乡建设用地增加量占2015年城乡建设用地面积的47.06%,；城乡建设用地减少20.02 km2，减少量仅占1980年城乡建设用地面积的0.52%。（3）耕地减少1505.04 km2，主要向城乡建设用地和水域转移，其中耕地向城乡建设用地转移的幅度最大，转移面积达到1334.03 km2，耕地减少量占1980年耕地面积的6.41%；耕地新增1206.24 km2，主要是由草地、水域和未利用土地转化而来，耕地增加量占2015年耕地面积的5.21%。（4）海洋减少317.20 km2，主要向草地和水域转移，其中海洋向水域转移的幅度最大，转移面积为231.66 km2，海洋减少量占1980年海洋面积的40.64%；海洋新增74.73 km2，主要是由水域和未利用土地转化而来，其中52.77 km2的水域转化为海洋，海洋增加量占2015年海洋面积的13.89%。（5）林地的增加和减少在35年间变化均不明显，增加量仅占2015年林地面积的1.11%，减少量仅占1980年林地面积的1.18%；（6）水域减少1458.87 km2，主要向城乡建设用地和耕地转移，其中水域向城乡建设用地转移幅度最大，转移面积为972.13 km2，水域减少量占1980年水域面积44.69%；水域新增635.25 km2，主要是由草地、耕地、海洋和未利用土地转化而来，水域增加量占2015年水域面积的26.02%。（7）未利用地减少1574.95 km2，主要向城乡建设用地和耕地转移，其中未利用地向城乡建设用地转移的面积最大，转移量达到917.40 km2，未利用土地减少量占1980年未利用土地面积的65.14%；未利用土地新增89.40 km2，主要是由草地、耕地和水域转化而来，未利用土地增加量占2015年未利用土地面积的9.59%。

表3 1980-2015年山东省海岸带土地利用面积变化转移矩阵（km²）Table 3 Change and transfer matrix of land use area in Shandong coastal zone from 1980 to 2015（km²）

总的来说，在研究期间土地利用类型变化主要为建设用地面积的增加和草地、耕地、海洋、水域、未利用土地面积的减少，土地利用类型转移主要发生在草地、水域、未利用土地、耕地和城乡建设用地之间，尤其是“草地—耕地、耕地—城乡建设用地、水域—耕地、水域—城乡建设用地、未利用土地—耕地、未利用土地—城乡建设用地”土地利用类型转移，各转移面积在300 km2以上。

3.3 土地利用海陆梯度分析

以1980、1990、2000、2010和2015年的山东省海岸线为基线，以10 km为间隔由海向陆建立4个缓冲带，由海向陆顺次编号：0-10 km为条带1、10-20 km为条带2、20-30 km为条带3、30-40 km为条带4。统计每个缓冲带中的土地利用结构，分析5个时期土地利用海陆梯度差异。

对五个时期的各缓冲带土地利用结构图（图2）进行比较分析，可以得到以下结论：（1）耕地在5个时期各缓冲带中由海向陆逐渐所占比例增加，所占比例在65%以上，是各缓冲带的主要地类；（2）城乡建设用地在5个时期各缓冲带中由海向陆所占比例逐渐减少；随着时间的推移，城乡建设用地在相同条带中所占的比重逐渐增加，例如在条带1中，城乡建设用地在1980年所占比重为5.65%，在2015年所占比重为14.57%，共增加8.92的百分点；（3）海洋在5个时期中都只存在由前两个缓冲带，且由海向陆逐所占比例渐减少；（4）未利用土地和水域在5个时期各缓冲带中由海向陆所占比例逐渐减少；（5）林地和草地在5个时期各缓冲带中的所占比例变化不太明显。

3.4 土地利用动态度

3.4.1 单一土地利用动态度

不同时期各种土地利用类型的单一动态度计算结果（表4）表明：（1）1980-1990年间，海洋和城乡建设用地的变化幅度较大，动态度分别为-4.19%和3.48%；其次是水域和未利用土地，动态度分别为-2.48%和-2.37%，耕地、林地和草地的动态变化速度很小。（2）1990-2000年间，未利用土地的变化幅度较大，动态度为-2.09%；其次是城乡建设用地和海洋，动态度分别是1.25和1.46；耕地、林地、草地和水域的动态变化速度很小。（3）2000-2010年间，未利用土地的变化幅度较大，动态度为-3.58%；其次为城乡建设用地和草地，动态度分别为2.18%和-1.2%；耕地、水域和海洋的动态变化速度很小，林地的动态变化速度为0。（4）2010-2015年间，7个地类的变化速度都较小，动态度均小于0.4%。

图2 1980-2015年各缓冲带土地利用结构图Fig.2 Land use structure of each belt from 1980 to 2015

3.4.2 综合土地利用动态度

综合土地利用动态度如表4所示，可以看出：1980-1990年综合土地利用动态度最大，为0.40%；其次为2000-2010年，综合土地利用动态度为0.30%；再次为1990-2000年，综合土地利用动态度为0.18%；最后为2010-2015年，综合土地利用动态度为0.06%。表明1980-1990年和2000-2010年两个时期土地利用变化比较剧烈，而1990-2000年和2010-2015年两个时期土地利用变化较和缓。

表4 不同时期土地利用动态度Table 4 Dynamic attitude of land use in different periods

3.5 土地利用综合指数

土地利用集约水平可以通过土地利用综合指数来反映，数值从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年间增加了19.20，可以看出土地利用集约化水平将继续攀升，人类社会对海岸带土地资源的影响程度仍在增强，区域土地利用处于发展期。

4 结论

通过解译1980、1990、2000、2010和2015年的TM影像，对近35年来山东省海岸带土地利用变化情况进行定量分析，结果表明：

（1）山东省海岸带土地利用类型以耕地为主，耕地面积占总面积的一半以上；城乡建设用地的面积迅速增加，未利用土地面积显著减少；草地、水域和海洋的面积从1980-2015年在逐年减少，但是减少比例逐渐下降，并趋于稳定；林地面积在35年间面积基本保持不变。

（2）土地利用类型转移主要发生在“草地—耕地、耕地—城乡建设用地、水域—耕地、水域—城乡建设用地、未利用土地—耕地、未利用土地—城乡建设用地”之间，各转移面积在300 km2以上。

（3）耕地在5个时期各缓冲带中由海向陆所占比例逐渐增加，所占比例在65%以上，是各缓冲带的主要地类；城乡建设用地、海洋、水域和未利用土地在5个时期各缓冲带中由海向陆所占比例逐渐减少；林地和草地在5个时期各缓冲带中的所占比例基本不变。

（4）研究期间，城乡建设用地、未利用土地和海洋的土地利用动态度变化程度较大;草地和水域的土地利用动态度变化程度较小；耕地和林地的土地利用动态度基本保持不变。土地利用综合指数从1980年的265.61增加到2015年的284.81，土地利用集约化水平在继续攀升，区域土地利用仍然处于发展期。

城镇化的快速发展以及山东蓝色半岛经济区、黄河三角洲高效生态经济区等战略的实施，使得海岸带地区工业化步伐明显超越了其他区域。海岸带作为资源环境条件最为优越的人文活动区域，土地开发利用度不断增大，进而出现了海平面上升、近海水体富营养化等问题。因此，通过对山东省海岸带地区土地利用进行分析，可以更好地掌握土地利用变化的过程，为山东省海岸带地区土地资源集约利用与近海资源可持续利用提供借鉴。