福建省海岸帶土地利用/覆蓋變化及其驅動力

2018-07-26 00:42:12吳琛璐陳文惠

水土保持通報 2018年3期

關鍵詞：耕地

吳琛璐, 王強, 董政, 陳文惠

(福建師范大學地理科學學院, 福建福州 350007)

隨著社會經濟的快速發展與人口規模的不斷增加，區域資源環境承載壓力日益加劇，嚴重影響著人地生態系統可持續發展，從而引起政界與學術界的極大關注。土地利用/覆蓋變化(LUCC)作為人地系統可持續發展的重要研究內容之一，是人文—經濟地理學與空間規劃學長期關注的重大命題。1992年，聯合國“21世紀議程”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循環與生命過程，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，也是經濟、文化和對外貿易的紐帶，成為沿海地區經濟發展的“黃金地帶”。但如今海岸帶開發力度的不斷加大對海岸帶土地環境造成越來越大的壓力，部分近岸海域的海洋生態系統出現了嚴重的問題，海岸帶開發與保護的矛盾無法回避，可持續發展問題成為制約經濟發展的“瓶頸”[3]。如何實現海岸帶地區的可持續發展以及進步，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)和全球環境變化的人類因素計劃(IHDP)共同關注的核心內容[4-7]，國內外學者對其研究方法和中國土地利用/覆蓋變化進行了許多研究[8]，LUCC一直是國內外科學家研究的熱點問題[9-11]。從文獻檢索來看，全球土地覆被變化研究一般以區域案例為基礎進行[12-13]，其分類、動態監測、驅動力分析和環境影響評價一直是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2005—2015年土地利用/覆蓋變化(LUCC)數據進行詳細分析，采用灰色關聯度法對驅動力進行定量分析，以期為福建省海岸帶開發提供輔助決策。

1 基本概念及研究區概況

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。這是從地球學方面進行定義的，沒有把人類活動的空間區域作為研究對象。而在現實研究中，主要以人類活動的陸地區域為研究對象，將覆被變化與城鎮區域相結合，研究二者的變化特征和趨勢。綜合上述定義，考慮到研究區域的實際情況，本文所指“海岸帶”范圍設定為縣級尺度下，具有海岸線的市轄區、縣域以及縣級市行政區范圍。

1.2 研究區概況

福建省海岸線長度居全國第2位，陸地海岸線長達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，為福建發展海洋漁業提供了良好的條件。沿海主要有福州、廈門、泉州、漳州、莆田、寧德等市。2015年，沿海城市總人口為3 061萬人，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、南安市、仙游縣為研究對象，海岸帶地區即為研究區域。

2 方法及數據來源

2.1 數據基礎

研究選用2005和2015年2期多光譜遙感影像，應用ENVI遙感影像處理軟件對獲取影像進行幾何糾正、輻射定標、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、工礦、居民用地， ⑥未利用土地。

用于區域土地利用/覆被變化研究的模型方法較多，對2期遙感影像進行數據預處理以及影像裁剪，然后結合監督分類和目視解譯的方法對處理后的影像進行分類，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LUCC時空變化情況，通過對不同時期的土地利用/覆蓋圖進行疊加得到不同土地類型之間相互轉化的數量，從而分析各類型土地轉化的趨勢[16-17]。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉移矩陣土地利用轉移矩陣是土地利用類型間相互轉化的數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構特征和各類型間的轉移方向[18]。土地利用轉移矩陣的數學表達為：

(1)

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

2.2.2 土地利用動態變化計算采用變化量和變化幅度2個指標，對土地利用變化的數量和變化率進行定量分析。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]。具體的數學表達式如下：

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 灰色關聯度分析方法[20]

(1) 原始數據變換。由于系統中各因素的量綱(或單位)不一定相同，且有時數值的數量級相差懸殊，這樣的數據很難直接進行比較，且它們的幾何曲線比例也不同。因此，對原始數據需要消除量綱(或單位)，轉換為可比較的數據序列。目前，原始數據的變換有以下幾種常用方法：均值化變換、初值化變換、標準化變換。

(4) 排關聯序，列出關聯矩陣。

3 結果與分析

3.1 土地利用/覆蓋變化分析

3.1.1 土地利用/覆蓋結構變化分析從表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、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地位，比例為69.36%；其次為耕地16.59%，城鄉、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主導地位，比例為63.70%；耕地占有18.21%，城鄉、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年土地利用結構及其變化趨勢 %

整體來看，福建省海岸帶2005—2015年兩期土地利用結構變化主要表現為林地、水域和未利用土地面積減少，耕地和城鄉、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、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、工礦、居民用地轉移，其中耕地向城鄉、工礦、居民用地的轉移幅度最大，轉移面積達到589.81 km2。②林地主要向耕地和城鄉、工礦、居民用地轉移，其中林地向城鄉、工礦、居民用地的轉移幅度最大，轉移面積達到483.10 km2。③草地向林地轉移幅度最大，轉移面積達到43.20 km2。④水域主要向耕地、林地和城鄉、工礦、居民用地轉移，其中水域向城鄉、工礦、居民用地的轉移幅度最大，轉移面積達到81.84 km2。⑤城鄉、工礦、居民用地主要向耕地、林地和水域轉移，其中城鄉、工礦、居民用地向耕地的轉移幅度最大，轉移面積達到143.88 km2。⑥未利用土地向林地的轉移幅度最大，轉移面積達到47.91 km2，向其他用地類型的轉移不明顯。⑦2005—2015年土地利用類型主要向城鄉、工礦、居民用地轉移。

表2 福建省海岸帶2005-2015年土地利用面積變化轉移矩陣 km2

3.2 土地利用/覆蓋變化驅動力分析

3.2.1 驅動因子的選取土地利用變化驅動力包括自然和人為兩方面，自然因素是影響區域土地利用結構的最基本要素，人文社會作用在短時間尺度內的強烈程度與合理力度對土地利用結構將產生顯著影響[21]。考慮到自然因素在短期內對土地利用變化的影響較小，社會經濟發展是驅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濟發展因素進行研究。結合相關參考文獻，并根據福建省實際情況以及現有資料統計水平，選取10個驅動因子：行政區域面積X1(km2)，人口X2(萬人)，第一產業增加值X3(萬元)，第二產業增加值X4(萬元)，規模以上工業總產值X5(萬元)，糧食總產量X6(t)，油料產量X7(t)，農業機械總動力X8(104kW)，城鄉居民儲蓄存款余額X9(萬元)，固定資產投資完成額X10(萬元)。即土地驅動力(X1)、人口驅動力(X2)、經濟驅動力(X3，X4，X5)、技術驅動力(X6，X7，X8)、社會富裕程度(X9，X10)。本文數據來源于《中國縣域統計年鑒(縣市卷)》。

3.2.2 灰色關聯度結果分析本文采用灰色關聯分析法對研究區域土地利用變化的社會經濟驅動因素進行量化，從土地利用變化驅動力因子關聯矩陣(表3)和土地利用類型變化驅動因子關聯度可以看出，按關聯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：城鄉居民儲蓄存款余額>糧食總產量>固定資產投資完成額>人口>行政區域面積>油料產量>第二產業增加值>第一產業增加值>農業機械總動力>規模以上工業總產值。根據關聯度可以看出，影響福建省海岸帶土地利用類型面積變化的主要驅動力為社會富裕程度、技術驅動力和人口驅動力，其次為土地驅動力和經濟驅動力。

表3 福建省海岸帶土地利用變化驅動力因子關聯矩陣

根據土地利用類型變化驅動因子關聯度可以看出，驅動因子X1的關聯度為0.321 5，驅動因子X2的關聯度為0.367 1，驅動因子X3的關聯度為0.296 8，驅動因子X4的關聯度為0.328 7，驅動因子X5的關聯度為0.297 2，驅動因子X6的關聯度為0.446 8，驅動因子X7的關聯度為0.329 0，驅動因子X8的關聯度為0.296 8，驅動因子X9的關聯度為0.516 8，驅動因子X10的關聯度為0.396 2。

2005—2015年研究期內，各驅動力因素分析如下。 ①耕地變化。耕地向其他用地類型轉移，主要為耕地向林地和城鄉、工礦、居民用地轉移，隨著社會富裕程度和人口的增長導致城鎮化建設進程加快，不斷開墾耕地轉變為建設用地，導致耕地面積發生變化。②林地變化。林地向其他用地類型轉移，主要為林地向耕地和城鄉、工礦、居民用地轉移，林地開發難度較大，技術水平的提高以及人口增加對耕地需求加大，建設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移，主要為草地向林地轉移幅度最大，草地難以創造社會財富，隨著福建提出建設生態文明先行示范區的目標，草地轉變為林地。④水域變化。水域向其他用地類型轉移，主要為水域向耕地、林地和城鄉、工礦、居民用地轉移，社會財富收入增長、農業技術水平的提高以及人口增加都會導致耕地、林地和建設用地的增加。⑤城鄉、工礦、居民用地變化。城鄉、工礦、居民用地向其他用地類型轉移，主要為城鄉、工礦、居民用地向耕地、林地和水域轉移，經濟不發達地區的建設用地隨著社會富裕程度的加快和土地開發力度的加大，使其建設用地轉而被開發為其他用地。⑥未利用土地變化。未利用土地向林地的轉移幅度最大，林地是福建重要的自然資源，為了實現生態福建的建設目標，大面積種植樹木，提高未開發土地的利用率，久之逐漸轉變為林地。

4 結論

基于25縣統計年鑒數據，對土地利用變化的驅動力進行分析。

(1) 研究期內福建省海岸帶土地利用類型以耕地、林地、水域和城鄉、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、工礦、居民用地面積增加，草地面積在研究期內基本不變。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濟驅動力的影響，主要包括城鄉居民儲蓄存款余額、糧食總產量、固定資產投資完成額、人口，其次為行政區域面積、油料產量、第二產業增加值、第一產業增加值、農業機械總動力、規模以上工業總產值。其中社會富裕程度、技術驅動力和人口驅動力是主要的驅動力因素。

依據上述結論，結合福建省實際情況，提出如下建議，以實現科學利用土地。

(1) 林地是重要的自然資源，福建省是全中國南方重點林區，也是中國南方地區重要的生態屏障，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省戰略目標相悖。因此，為加快建設生態文明先行示范區和實現“機制活、產業優、百姓富、生態美”的新福建目標，充分發揮福建省生態優勢，促進人與自然和諧相處，必須合理劃定林地、草地和水域等生態空間，加強生態保護和修復，統籌考慮海岸帶開發和生態環境的協調關系，強化土地資源保護，為實現“清新福建，一見傾心”的生態建設目標共同努力。

(2) 耕地是保障糧食安全的基礎，據第二次全國土地調查主要數據顯示，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。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田保護區域，優化耕地利用效率，提高糧食產量，提升農業技術水平，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，福建省人多地少，做好土地資源的節約和永續利用，改善土地資源承載力，把握土地資源承載力引導生態文明建設[25]，科學利用每一寸土地，合理確定沿海城市、鎮域開發邊界，適當增加新增建設用地數量，確立海岸帶國土空間集聚開發、分類保護與綜合整治“三位一體”總體格局，對于實現沿海地區可持續發展具有重要意義。