近四十年來冀津海岸帶土地利用時空變化及驅動因素

程 林， 田海蘭， 武愛彬， 劉西漢， 王艷霞

(河北省科學院 地理科學研究所， 河北省地理信息開發應用工程技術研究中心， 河北 石家莊 050011)

海岸帶是復雜、動態的地球表層自然系統[1]， 同時也是人類經濟社會活動密集分布區。相比于內陸地區， 海岸帶地區的海洋性特征和高強度的人類活動使得土地資源的利用出現時空雙維的高強度復雜變化， 海岸帶地區城市空間不斷擴張[2-4]、圍填海開發規模不斷增大[5]。而這種變化也必將反作用于人類經濟社會活動和海岸帶生態環境系統， 在促進沿海地區經濟社會發展的同時， 也造成濱海濕地萎縮、海岸帶環境質量降低[6-8]和生態系統服務功能下降[9-11]。因此， 開展海岸帶土地利用變化研究對海岸帶生態環境保護[7，12-13]、海岸帶資源統籌規劃與管理[14-17]具有重要意義。

冀津海岸帶地區位于渤海西岸， 是國內主要的平原型潮灘分布區[18]， 同時也是目前國內圍填海連片開發地區、港口集中分布區及濱海鹽場集中分布區。近40年來， 尤其是2000年以來， 冀津沿海地區經濟社會取得顯著發展， 土地資源及海洋資源開發強度不斷提高， 土地利用特征也出現相應的變化。現有土地利用變化研究[19-23]多基于中國科學院土地資源分類系統[24]， 以行政區為單元進行分析， 對于冀津沿海地區的特殊用地類型分析不足， 對于土地利用時空變化特征的刻畫有待深入， 研究時間段相對較短。為解決上述問題， 本文在現有土地資源分類系統的基礎上， 參考相關文獻研究及冀津地區土地資源利用現狀特征， 對海岸帶土地利用分類系統進行相應調整。在此基礎上， 充分利用GIS工具， 對改革開放以來冀津地區海岸帶土地利用時空變化及強度進行分析， 以期為冀津地區海岸帶國土資源陸海統籌管理及生態環境保護提供數據支撐與決策參考。

1 研究區域

本文研究區域為河北省、天津市兩地海岸帶地區(圖1)。為綜合考慮統計單元完整性和劃分科學性， 陸域部分確定為冀津兩地沿海縣市區， 海域部分根據國際濕地公約[25]延伸至水深6 m的區域， 總面積達17 308.64 km2， 共涉及12個縣市區。研究區域2018年GDP總值達11 156.52億元[26-27]， 人口共計760.24萬人，分別占冀津兩地總量的24.33%、8.34%。研究區范圍內主要入海水系為灤河和海河水系； 氣候為溫帶海洋性季風氣候， 多年平均降水量介于500 mm～650 mm；陸地地貌以濱海平原為主， 海拔多在10 m以下， 僅在研究區域北側有丘陵和山地分布； 近海灘涂廣布，曹妃甸及秦皇島市區附近海域深水岸線資源優良。

圖1 研究區域Fig. 1 Location of the research area

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本文所使用的主要數據為中國科學院土地利用現狀遙感監測數據庫(www.resdc.cn)所提供的1980年、1990年、2000年、2010年、2018年共5期土地利用矢量數據。該數據通過人機交互式目視判讀的方式構建[28]， 土地利用分類系統為中國科學院土地資源分類系統[24]， 主要包含耕地、林地、草地、內陸水體、建設用地、未利用地等6類， 該系統考慮了遙感解譯特征及內陸地區普遍存在的用地類型。

為更好反映研究地區灘涂寬闊、圍填海及城鎮建設強度大的狀況， 本文在分類系統的基礎上， 參考Feng等[29]、邸向紅等[30]的研究成果并考慮實際開發利用特征， 引入養殖鹽田用地、待利用地、濱海灘涂、淺海海域等4類。養殖與鹽田用地主要指用于漁業養殖及制鹽等沿海低強度涉水開發活動的用地類型， 原多劃分為內陸水體或建設用地， 是研究區域淺海及水域重要的利用類型。待利用地是指處于由其他用地類型向建設用地的過渡階段但尚閑置待建設的土地類型， 原多劃分為未利用地， 對于識別土地開發效率和城鎮擴張趨勢有重要意義， 因此本文將其單獨識別并進行分析。濱海灘涂指理論最低潮面到海岸線之間的土地類型， 原屬于未利用地， 是研究區域分布廣闊的特色土地類型。淺海海域指理論最低潮面以下及水深6 m以上的海域。養殖與鹽田用地、待利用地的解譯標志見表1。基于改進的土地利用分類體系， 采用對研究時段Landsat影像的目視解譯方法， 對中國科學院土地利用現狀遙感監測數據進行核實， 劃分出養殖與鹽田用地及待利用地， 并進一步補充濱海灘涂及淺海海域圖斑， 形成冀津海岸帶地區土地利用數據(圖2)。結合WorldView等更高精度影像及野外經驗判別， 遙感核實結果符合土地利用實際開發狀態。

圖2 冀津海岸帶土地利用分布Fig. 2 Land-use map of Hebei and Tianjin in coastal zones

表1 養殖鹽田用地及待利用地解譯標志Tab. 1 Interpretation index of the aquaculture land &salt pan and land to be used

2.2 土地利用變化及其驅動力分析方法

本文采用土地利用數量動態變化分析方法、土地利用強度分析方法及土地利用類型轉換分析方法來反映改革開放以來冀津海岸帶土地利用時空變化特征， 并使用地理加權回歸的方法對土地利用分布及其變化驅動因素進行分析。

土地利用數量動態變化分析方法： 采用土地利用年變化率及土地利用動態度指數。土地利用年變化率(Ki)[31]反映了指定土地利用類型i的年變化速率，土地利用動態度S[28，32]可反映研究區域內土地利用動態變化的總體情況。土地利用變化的計算方法為：

其中Si是研究時段開始時間第i類土地利用類型總面積， ΔSi,j是研究時段內第i類土地利用類型與其他土地利用類型j相互轉換后的凈面積變化，Si-j是研究時段內由i類型轉變為其他土地類型的面積的總和，Sa為研究區土地利用總面積，t1—t0為研究時段時長。

土地利用強度指數變化反映了土地由低級利用類型向高級利用類型的演變[33]， 具體計算方法可見式(3)。本文在此基礎上， 為反映土地利用強度時間變化特征， 引入土地利用強度變化量， 見式(4)。

其中，L是土地利用程度綜合指數，Ai是第i級的土地利用程度分級指數，Ci是第i級的土地利用程度分級面積百分比。Ls是土地利用強度變化速率，Lt1和Lt0分別是研究末期和初期的土地利用強度。對于土地利用分級指數， 莊大方等[34]基于土地利用極限給出了各土地利用類型的程度的分級指數， 其后部分文獻[29， 35]均基于研究區特征對該指數有適當調整。本文基于Feng等[29]調整結果和所劃定的土地利用類型， 對土地利用強度進行分級賦值， 結果見表2。

表2 土地利用強度分級Tab. 2 Classification values of land-use utilization

土地利用轉移矩陣分析方法是常見的土地利用變化分析方法， 最早可見于Singh[36]， 轉移矩陣分析可以直接反映出土地的來源與去向， 全面顯示區域土地利用的變化特征[37]， 計算方法見式(5)。

式中，Pij為狀態轉移矩陣， 其中元素為不同土地利用類型轉移的面積或比例。

地理加權回歸分析方法(GWR)是由Fotheringham[38]等基于局部回歸分析和變參數的設想提出的處理空間異質性的主要手段之一， 計算方法見式(6)。

其中，yi是第i點的預測值， (ui，vi)是第i點的位置，β0(ui，vi)是第i點的回歸常數，βk(ui，vi)是第k個變量在第i點的回歸參數，xik是第i點第k個變量的值，p是變量總數，ε是不確定性誤差。βk(ui，vi)由周圍一定樣本數量根據權重核函數確定。本文選擇應用二次核函數(Wij)確定每一個樣本點的回歸參數， 見式(7)。

其中，dij是參與局部回歸的樣本點與該點的距離。b為參與局部歸回的樣本點的最遠距離， 又稱為帶寬，可人為設定， 也可選擇自適應帶寬并由模型迭代計算確定。本文選擇自適應帶寬， 并以AICc準則作為模型計算帶寬確定方法， 具體及可見文獻[39]。

3 研究結果

3.1 土地利用空間分布及動態變化

改革開放初期， 土地面積較大且分布廣泛的類型為耕地、淺海海域、養殖鹽田用地、灘涂、建設用地，其初始占比分別達46.76%、15.56%、8.76%、8.71%、7.59%； 未利用地集中分布在北大港、南大港及曹妃甸濕地等地區， 林地及草地主要分布在北部燕山山地，內陸水體主要沿河流分布， 待利用地占比極小且僅分布在天津港附近。1980年以來， 耕地、海域、灘涂、未利用地一直處于減少趨勢， 其中未利用地和灘涂降幅最大， 年變化率達–1.60%及–1.29%， 耕地面積縮減量最大， 達1 056.56 km2。養殖鹽田用地面積在研究初期出現快速增加， 2000年之后開始不斷減少， 累計變化率達1.07%。建設用地面積年變化率達2.46%， 且累計增量為各類型中最高， 達1 227.15 km2。待利用地2000年以來增幅明顯， 新增區域集中分布于黃驊、濱海新區及曹妃甸； 研究期內年變化率最高， 達409.16%， 且其累計增量僅次于建設用地。其他利用類型中， 內陸水體處于持續減少狀態， 林地及草地近年來由減少轉為增加， 年變化率相對較低。

土地利用動態度分析顯示， 近40 a以來冀津海岸帶地區總動態度為0.48%。不同時段的動態度差異顯著， 2000—2010年達0.83%， 為各時段最高； 1990—2000年最低， 為0.33%； 其他年份介于0.5%～0.6%。

為進一步了解土地利用動態度變化的空間差異， 分析研究區域1 km×1 km格網內土地利用動態度， 并依據其動態度值域范圍及自然斷裂法，將各時段動態度結果分為無變化(0%)、極慢(1%～3%)、慢速(3%～6%)、快速(6%～8%)、極快(8%～10%)5個級別。結果見圖3。極快變化區集中分布在距離海岸帶3～8 km范圍內。其中1980—1990年極快變化區占2.90%， 主要分布在滄州沿海、灤河口沿海地區。1990—2000年極快變化區面積僅占1.28%，零星分布于海河河口、南大港濕地及曹妃甸沿海。2000—2010年研究區域極快變化區面積高達4.18%，廣泛分布于濱海新區、曹妃甸等地區及樂亭、黃驊、秦皇島市區沿海。2010年以來， 研究區域極快變化區下降至1.99%， 零星分布在海海地區及濱海新區、曹妃甸區、豐南區等地區。

3.2 土地利用類型轉移

近40 a來， 冀津海岸帶地區累計發生利用方式轉移的面積占研究區域的18.22%， 各土地類型之間的轉換情況見表3。主要的土地利用主要轉移特征可匯總為3大類： 耕地、養殖鹽田用地、灘涂轉為建設用地(6.20%)， 主要位于濱海新區、曹妃甸、樂亭、秦皇島市區及黃驊； 耕地、未利用地、灘涂轉為養殖鹽田用地(5.61%)， 主要位于黃驊、海興、曹妃甸； 灘涂、海域、養殖鹽田用地轉為待利用地(3.80%)， 主要位于濱海新區、曹妃甸、黃驊。

表3 1980—2018年冀津海岸帶地區土地利用轉換情況(km2)Tab. 3 Conversion matrix of land-use types during 1980-2018 (km2)

土地利用類型轉移特征具有時段差異性(圖4)。2000—2010年土地利用類型發生轉移的面積最大，達8.22%， 主要為耕地、養殖鹽田轉建設用地及灘涂、海域轉待利用地。1980—1990年土地利用類型發生轉移的面積占比達5.25%， 主要為耕地、灘涂及未利用地轉為養殖鹽田用地。其他時間段土地利用類型發生轉移的面積均低于5%， 其中1990—2000年主要的轉移類型為耕地轉為養殖鹽田用地， 2010—2018年主要的轉移類型包括耕地、養殖鹽田用地、待利用地轉為建設用地及養殖鹽田用地、海域轉為待利用地。

臨近海岸線的部分區域發生過兩次或以上的土地利用類型轉換(圖4)。其中發生過兩次土地利用轉換的區域總面積達453.11 km2， 占比達2.63%， 主要轉換類型包括耕地→養殖鹽田用地→建設用地、未利用地→養殖鹽田用地→建設用地、未利用地→耕地→養殖鹽田用地、灘涂→養殖鹽田用地→待利用地、未利用地→養殖鹽田用地→待利用地。發生過3次土地利用轉換的區域主要位于曹妃甸和樂亭， 總面積達32.23 km2， 轉換類型為灘涂、未利用地、耕地→養殖與鹽田用地→待利用地→建設用地。

圖4 土地利用轉換及空間分布Fig. 4 Land-use conversion types and its spatial distributions

3.3 土地利用強度及其變化

通過土地利用強度指數及其變化分析方法， 分別分析了研究區域各時期總體及分格網的土地利用強度及其變化， 結果見圖5。就全部研究區域而言，各時期土地利用強度分別為247.67、253.88、258.21、274.86、283.27， 總體呈現出持續上升的趨勢， 其中2000年后利用強度出現顯著增加。

借助3.2節生成的空間格網， 進一步分析了研究區域土地利用強度變化時空差異及變化特征(圖5)。結果顯示， 研究區域土地利用強度變化顯著的區域在陸域集中于濱海新區、秦皇島市區， 在海域范圍內集中于濱海新區、曹妃甸、樂亭、黃驊等地區， 其中土地利用強度出現3個層級及以上的變化區域占研究區域的3.93%， 主要位于黃驊、濱海新區、曹妃甸圍填海區域及樂亭沿海陸域， 港口或臨海工業區的建設使這些區域出現從難利用土地向最高強度的建設用地變化。

圖5 土地利用強度變化Fig. 5 Spatial and temporal variations in the intensity of land use utilization

時間變化上， 1980—2000年， 土地利用強度變化高值區面積僅占0.01%， 且多屬于零星分布， 主要的強度變化表現為從難利用土地向中等利用強度變化。2000年以來， 土地利用強度變化高值區明顯增加， 強度變化級別上表現為從難利用、中等強度向高強度變化； 其中2000—2010年土地利用強度顯著變化區集中于曹妃甸、濱海新區及黃驊港圍填海區域，2010年以來集中分布于濱海新區。

3.4 主要土地利用類型二級分類變化

建設用地、待利用地、養殖及鹽田用地是最主要的土地利用轉移目標。在中科院土地利用分類系統的基礎上， 結合土地利用實際特征， 對主要土地利用類型進行二級分類調整及分析。將建設用地劃分為城鎮用地、農村居民點用地、工礦用地、陸域交通用地、港口堆場用地， 將養殖與鹽田用地劃分為養殖用地、鹽田用地， 將待利用地劃分為待利用土地和待利用圍海。各二級分類累計增幅、年變化率及時空變化情況見表4及圖6。

圖6 土地利用轉移主要目的類型二級分類時間變化特征Fig. 6 Temporal variation in the secondary classification of the main aim land-use conversion types

表4 土地利用轉移主要目的類型二級分類空間變化特征Tab. 4 Spatial variation in the secondary classification of the main aim land-use conversion types

結果顯示， 待利用土地、工礦用地、養殖用地及城鎮用地在研究期內顯著增長， 增量均在300 km2以上； 待利用地、港口堆場用地、工礦用地增長較快，年變化率均在10%以上， 其中待利用地甚至接近400%。時間變化上， 近年來養殖用地及鹽田用地面積近年來都出現下降， 農村居民點用地相對平穩，面積增長有限； 城鎮用地2000—2010年出現顯著增加， 2010年以來增量出現回落。工礦用地、待利用土地2000年以來仍處于持續增長之中。

空間變化上， 滄州市城鎮用地、農村居民點用地、交通用地、及鹽田用地年變化率居首位， 其中鹽田用地凈增量為各地市最高。秦皇島市城鎮用地、養殖用地年變化率居首位， 其中城鎮用地凈增量為各地市最高。唐山市工礦用地、交通用地年變化率居研究區域首位，港口用地、陸域交通用地、養殖用地增量為各地市最高。天津市工礦用地、待利用土地增量為各地市最高。

4 討論

4.1 海岸帶土地利用變化驅動因素定量分析

前述研究顯示， 研究區域各類型土地顯著變化時段為2000—2010年。受篇幅及自變量數據所限，本文僅討論2000—2010年陸域部分土地利用變化驅動因素。以數值連續且有意義的土地利用強度為因變量， 選擇可以量化且弱共線性的參數為自變量，使用地理加權回歸模型(GWR)對驅動因素進行量化分析。自變量包括地形， 與河流、城市中心、縣城中心、海岸線、港口、工業區、開放型交通線(國道與省道)、封閉型交通線(鐵路與高速公路)的距離， 人口[40]，GDP[41]， 共計12個自變量。受人口、GDP等自變量數據格式所限， 本文將研究區域劃分為1′為單位的網格， 計算各網格的因變量及自變量值并輸入模型。結果顯示， 2000年及2010年模擬結果的最優帶寬均為72(即使用72個周圍樣本點參與局部回歸)， 調整后R2分別達0.837及0.836， 顯示模型擬合效果較好， 各影響因素均值及中值見表5。

表5 顯示， 除回歸常數之外， 回歸系數絕對值較高的影響因子包括地形、與城市中心距離、GDP、人口及與港口距離， 回歸系數絕對值的中值均在0.5以上， 顯示了中心城市、社會經濟、人口分布、港口建設對土地利用強度的強大作用力以及自然條件對于開發利用活動的限制。地形、回歸常數、與城市中心距離、與工業區距離、與開放型及封閉性交通線距離、與港口距離以負相關為主， 與河流距離、人口、GDP以正相關為主。

表5 GWR模型計算結果統計表Tab. 5 Regression Coefficient of Geographically Weighted Regression (GWR) model

2000年及2010年， 各驅動因素的回歸系數出現了一定變化。地形、GDP、回歸常數等因素的驅動效應相對減弱， 一方面顯示了技術進步逐漸克服地形的限制， 另一方面也顯示了2000年以來新城區規劃、建設與經濟發展水平之間不匹配性區域增多。人口、與港口距離等因子的驅動效應顯著增強， 顯示了人口聚集、港口建設是影響土地利用變化的剛性因素。

對于驅動效應顯著增強的驅動因子， 將P≤0.05的網格區落于圖內(圖7)。結果顯示， 相比于2000年，2010年人口、與港口距離、與城市中心距離、與工業區距離等因子所能解釋的區域有所增多： 主城區以外地區的人口數量對制約土地利用強度的正相關效應增強， 天津港、京唐港和黃驊港對土地利用強度的驅動效應及影響面積不斷擴大。

圖7 驅動效應增強的回歸系數的時空差異Fig. 7 Spatiotemporal differences in regression coefficients with the enhanced driving effect

4.2 海岸帶土地利用變化政策性驅動因素

自然資源管理及生態環境保護政策的實施是近年來土地利用變化的重要影響因素。農耕地保護方面， 2009年國家開始實施永久基本農田保護制度[42]，有效保護了基本農田， 降低了耕地的年動態度變化幅度。濱海灘涂保護方面， 2011年國家發改委及國家海洋局出臺了圍填海計劃管理辦法[43]， 對各沿海省份每年的新增圍填海面積進行指標限定， 2017年國家海洋局出臺《關于進一步加強渤海生態環境保護工作的意見》[44]， 暫停渤海海域圍填海； 2018年初國務院文件《關于加強濱海濕地保護嚴格管控圍填海的通知》[45]進一步作出在全國范圍內嚴禁新增圍填海的決定， 這些決定和政策使得2010年以來冀津沿海地區灘涂轉換為其他用地類型的面積顯著減少。

土地財政依賴性強、土地開發后繼乏力是2000年來待利用地激增的主要原因。土地出讓是政府部門的重要財政收入來源。近年來， 地方政府為增加財政收入， 往往編制不符合當地發展條件和規律的城鎮規劃， 并借此多征地、多占地， 將大量土地提前納入儲備計劃[46]， 或在沿海地區超前推動大規模填海造陸。而由于部分地區產業發展、城市發展及人口增長并沒有隨時間變化出現城鎮規劃所設計的增長情景， 如曹妃甸圍填海區、黃驊圍填海區、濱海新區的漢沽及大港等地， 導致城市土地開發后繼乏力， 儲備土地及填海土地大量閑置。

5 結論

改革開放以來， 冀津海岸帶地區土地利用動態度達0.48%， 土地利用強度也由247.67上升至283.27，土地利用逐漸向養殖鹽田用地、待利用地及建設用地轉換。土地利用空間變化主要出現在濱海新區、曹妃甸等地區及樂亭、黃驊、秦皇島市區沿海， 且集中在距離海岸帶3 km～8 km范圍內。時間變化方面土地利用動態度峰值、強度增長峰值區出現在2000—2010年。海岸帶土地利用變化主要受到地形、中心城市、GDP、人口、港口、政策等因素影響， 其中人口與GDP為強正相關因子， 地形、與中心城市距離、與港口距離為強負相關因子。相比于2010年， 地形、GDP、回歸常數等因素的驅動效應相對減弱， 而人口、與港口距離等因子的驅動效應顯著增強。政策性因素方面， 土地財政依賴性強、過于超前的規劃及后續開發乏力導致待利用地迅速增長， 而2010年以來基本農田保護制度、濱海濕地保護及嚴禁圍填海的政策的實施有效減弱了耕地及灘涂面積的下降趨勢。

為推動冀津海岸帶地區土地資源高效及可持續利用， 保護沿海地區海洋生態環境， 當前應當進一步提高待利用地使用效率， 進一步加強耕地及濱海灘涂資源保護， 加強土地利用高強度變化區域的生態環境監測與修復。加強對囤積土地等行為的打擊力度， 加強待利用地的政府收儲管理， 鼓勵新增建設項目優先布局在待利用土地， 對長期閑置的待利用土地試行梯級開發或就地建設為臨時綠地。嚴格執行耕地及濱海濕地保護政策， 控制永久基本農田、生態紅線區及自然保護區附近的土地利用變化率及強度增加趨勢， 在重要河口、重要濕地分布區推行退養還海還灘政策。對于由難利用地或低強度利用土地直接轉變為建設用地的區域， 如曹妃甸、濱海新區、黃驊及樂亭沿海地區， 應當加強陸域和海域生態環境的調查監測， 識別富營養化、重金屬污染、濕地退化等問題， 及早對破損的生態系統和受污染的環境進行修復。