田立鑫, 韩 美, 王 敏, 魏 帆, 孔凡彪, 孔祥伦

(山东师范大学 地理与环境学院, 济南 250358)

海岸带受海陆相互作用，是全球三大生态环境脆弱带之一[1]。近年来，沿岸城市化、工业化等人类活动与日俱增，海岸带地区成为资源开发热点区域[2]，作为人类活动对地球表层系统影响最直接的表现形式[3]，海岸带土地利用时空格局的变化不仅会带来资源的变化，还会引起生态过程的改变[4]，例如水动力条件改变[5]、滩涂萎缩[6]、海水入侵[7]与土壤次生盐渍化等[8]。探究海岸带土地利用演变过程及模式，可为海岸带环境变化研究和资源可持续管理与开发等提供理论支撑[9]。

海岸带是以海岸线为基准向陆地和海洋两侧各延伸一定宽度的带状区域[10]。关于海岸带的范围国际上和国内至今未有统一界定，根据不同的海岸带类型和研究内容，各学者界定的海岸带宽度也不尽相同[11]。近年来，关于海岸带土地利用，国内外学者聚焦视角在不同时空尺度和不同海岸带类型中，研究内容囊括海岸带土地利用动态变化监测[12-13]、土地开发模式的数量和空间变化预测[14-15]、驱动机制研究[16-17]、土地利用评价[18]以及生态环境响应[19-21]等方面。在研究土地利用结构数量变化特征时，马尔柯夫链模型[22]、土地利用动态度[23]、土地利用程度等[24]相关模型被大多学者使用，这些模型可以在一定程度上反映其动态变化，但难以具体分析土地利用演变过程、模式与其稳定性。Pontius等创建了一种称为强度分析的方法，通过独立的计算来分析两个时间点之间类别的损失和受益[25]，后被Aldwaik等进一步发展为一种土地利用变化强度分析框架，从时间间隔、地类和转换3个层面综合分析土地利用变化强度特征和土地利用模式[26]，已被一些学者应用于土地利用变化研究[27-29]，但该方法无法应用于土地利用动态变化过程分析，各层次的利用强度也不能空间化表示。

本文利用1989—2019年Landsat卫星的4期遥感影像为数据源，运用图谱分析从土地利用结构变化和地类转化两方面分析土地利用动态演化，同时通过强度分析和交叉列联表研究土地利用演变的稳定性特征，并讨论土地利用时空演变过程和特征与社会经济驱动因素的联系，以深入探究海岸带土地利用变化过程模式，细化该区域土地利用变化过程以及探究其变化模式，可为今后国土空间开发提供理论借鉴。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区域

莱州湾南岸海岸带位于118°32′—119°37′E，36°25′—37°19′N，海岸线西起淄脉沟口，东至胶莱河河口，北邻莱州湾，南至县级行政区域的边界，属淤泥质堆积海岸[30]，总面积为5 702.95 km2，陆域范围以行政边界为标准确定，包括潍坊市的寿光市、寒亭区和昌邑市三县区，参照以往学者对海岸带的划分标准[31]，同时结合研究内容，确定海域边界以-6 m等深线为界线，整个研究区包含上述陆域部分以及海域部分。研究区地势平坦开阔，属冲积平原地貌，港口建设、海水养殖、盐化工等人类活动在此集聚，土地利用变化剧烈。

1.2 数据来源

本文所用遥感影像数据来源于美国地质调查局USGS(http:∥www.usgs.gov/)、地理空间数据云(www.gscloud.cn)，包括1989年、1999年、2009年和2019年10月份的LandsatTM，ETM+和OLI影像，经过几何、大气校正等预处理，通过eCognition9.0软件利用面向对象最邻近法，参考自然资源部最新土地利用现状分类标准(GB/T21010—2017)和国际地圈—生物圈计划(IGBP)土地利用/土地覆被分类系统[32]、莱州湾南岸的地理特征，结合相关学者的分类标准[33]，将研究区土地利用类型划分为耕地等十种地类。结合野外实测，采用人机交互法进行人工修正，经验证，人工修正后各地类精度均高于93%，Kappa系数均大于0.85，分类精度满足研究需求。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用图谱分析 土地利用图谱是将土地利用时空变化通过地理图谱单元来记录的一种方法[34]，该方法弥补了非空间属性数据在地理位置上变化表达的不足[35]。本文通过图谱分析，探究莱州湾南岸海岸带各地类转入转出的时空变化规律及发展过程。土地利用图谱的主要构造步骤如下：

(1) 基本单元的确定。首先确定图谱空间单元。结合研究区自然条件和研究需求，选取30 m空间分辨率网格采样构建图谱。其次确定图谱时序单元，根据研究区4个时间节点的遥感影像，确定1989—1999年、1999—2009年、2009—2019年为图谱时序单元。

(2) 图谱构建。首先，在ArcGIS 10.2中将相邻两期土地利用数据做相交处理；其次，将初、末期土地利用编码进行代数运算，初期土地利用编码乘以十，再加上末期土地利用编码，生成3期土地利用变化图谱。

(3) 涨落势图谱构建。在图层空间分析生成的地类转入、转出数据中，涨势图谱即为其他地类转入该地类面积的集合表示；相反，落势图谱则为该地类转为其他地类面积的集合。

1.3.2 强度分析 强度分析是一种基于转移矩阵的地类变化过程分析框架[28]，它通过3个逐渐细化的层次，将地类变化过程可视化展示。本文通过强度分析法，探究莱州湾南岸海岸带在研究时段内的地类转化过程以及土地利用变化稳定性。它具体包括时间间隔、地类、转换3个层面的分析。

(1) 间隔层面:分析不同时间间隔地类的总体变化速率。如果St的值在每个时间点t都相等的话，则St=U，说明不同时间段地类均匀变化，即地类变化在时间尺度上具有绝对稳定性。若St>U则说明该时期地类变化为快速，反之地类变化为慢速。

(1)

(2)

式中:St为时间间隔[Yt,Yt+1]的地类变化强度;Ctij为从Yt年份的地类i转换至Yt+1年份的地类j的面积;U为整个研究时段内地类的平均变化强度;J为地类数量;i表示起始时间点的地类类别;j表示时间间隔末时间点的地类类别;T为时间间隔的数量;下标t是[Yt,Yt+1]期间的某一时间点,1

(2) 地类层面：分析不同地类在不同时间间隔内的增加或减少变化强度，通过对比增加减少强度与各地类变化平均强度St的大小，可以反映不同地类增长或减少的活跃程度。若增加和减少强度均等于各地类变化强度即Lti=St，Gtj=St时，说明在特定时间间隔内该地类的变化是绝对稳定的；若Lti>St，Gtj>St时，说明在特定时间间隔内各地类变化是较为活跃的；若Lti

(3)

式中:Gtj为j地类在时间间隔[Yt,Yt+1]中的年均增加强度。

(4)

式中:Lti为i地类在时间间隔[Yt,Yt+1]中的年均减少强度。

(3) 转换层面：分析不同时间间隔内不同地类间相互转换强度的大小。在地类转入强度方面，若地类n从期初各个地类i中同比例获取相同转入面积，则Rtin=Wtn，说明地类n从期初不同地类获取转入的过程是均匀的。若Rtin>Wtn，则说明地类n倾向于从地类i获取转入面积，否则说明地类n避免从地类i获取转入。如果地类n在整个研究时段内都表现出倾向或者都表现出避免从地类i中获取转入，则说明从地类i到地类n的转入过程具有稳定性[29]。

(5)

式中:Rtin为i地类至n(i≠n)地类在[Yt,Yt+1]中的年转换强度。

(6)

式中:Wtn为[Yt,Yt+1]中从时间点Yt的非n地类至n地类的统一转换强度。

在地类转出强度方面，若地类m以地类j(j≠m)的面积同比例转出为地类j，则Qtmj=Vtm，说明地类m转出为地类j的过程是均匀的，其变化较少受到外部因素的驱动。若Qtmj>Vtm，则说明地类m倾向于转出为地类j，否则说明地类m避免转出为地类j。如果地类m在研究时段内，都表现出倾向或者都表现出避免转出为地类j，则说明从地类m向j转出的过程具有稳定性。

(7)

式中:Qtmj为在[Yt,Yt+1]中地类m至地类j(j≠m)的年转换强度。

(8)

式中:Vtm为在[Yt,Yt+1]中从时间点Yt+1的地类m转换至所有非地类m的强度。

1.3.3 交叉列联表 在进行地类转换层面变化强度分析时，由于时间间隔和地类数量较多，从多种转换过程中识别地类变化稳定性较为繁琐，所以本文借鉴其他学者，将地类转换过程通过交叉列联表进行可视化[29]。交叉列联表以网格表示期初地类i和期末地类j之间的转入转出。由图1看出，网格a表示在时间间隔1内地类j是否倾向于从地类i获取转入，是则为深灰色，否则为浅灰色；单元格b表示在相同时间间隔内，地类i是否倾向于转出为地类j，是则为深灰色，否则为浅灰色。单元格c，d和e，f表示其他时间间隔内地类i和j之间的转换模式。若横向中a和b同色，则表示时间间隔1内期初地类向期末地类的转换具有系统性特征(倾向性或避免性)；纵向上如果a，c，e(或者b，d，f)同色，则表示期初地类向期末地类的转化具有稳定性；如果所有单元格具有相同的颜色，则说明地类i向地类j的转化是一种稳定性的系统变化模式[29]。

图1 地类转换模式交叉列联表

2 结果与分析

2.1 土地利用结构变化分析

1989—2019年莱州湾南岸海岸带土地利用结构以耕地、盐田养殖池、城乡建设用地为主(附图1)。浅海水域、滩涂、盐田养殖池等地类呈带状分布在北部沿海地区，耕地和建设用地大多分布在南部内陆地区。建设用地面积呈上升趋向，其占比由1989年的6.15%上升至12.72%；耕地面积在1989—2009年迅速下降，面积由1989年的33.45万hm2(58.65%)下降至2009年的29.44万hm2(51.62%)，之后又缓慢上升至2019年的31.33万hm2(54.93%)；盐田养殖池面积占比由12.35%增加至15.94%，浅海水域和滩涂面积占比分别由8.36%和10.04%下降至3.48%和7.86%；未利用地面积由1.63%下降至0.85%。相对于耕地和建设用地等主要土地利用类型，林地和草地的面积没有明显变化。从土地利用结构空间变化上来说，耕地和滩涂面积减少最多，建设用地和盐田养殖池扩张面积最大。由此可见，近30 a来研究区盐田养殖池、建设用地等以人类活动为主的人工地貌激增。

2.2 不同土地利用转化分析

2.2.1 土地利用转移图谱分析 1989—2019年3个时间间隔内，莱州湾南岸海岸带土地利用转移图谱共有66，74，74类图谱单元发生了变化(附图2)。其中以耕地和建设用地之间的相互转换占比最大，主要发生在研究区南部内陆地区。“耕地—建设用地(编码17)”在1989—2009年转换面积最大，达30 293.56 hm2，主要集中分布在寿光市南部镇街道以及寒亭区南部街道。2009—2019年“耕地—建设用地(编码17)”的转换面积逐渐减少，为13 036.39 hm2，但“建设用地—耕地(编码71)”的转换面积由1999—2009年的15 509.66 hm2上升至22 778.48 hm2。研究时段内“滩涂—盐田养殖池(编码86)”的转换面积仅次于建设用地和耕地相互转换的面积，其转换面积由2 247.49 hm2(1989—1999年)增长至8 790.84 hm2(1999—2009年)，又下降到7 021.88 hm2(2009—2019年)。

图2 莱州湾南岸海岸带间隔层面土地利用变化强度

2.2.2 土地利用涨落势图谱分析 利用图谱分析方法生成莱州湾南岸海岸带1989—1999年、1999—2009年和2009—2019年3个时序单元的涨落势图谱(附图3)。1989—2009年中，建设用地涨势最强，转入面积高达36 255.54 hm2，主要集中分布在研究区南部城镇附近；在此期间，盐田养殖池的涨势也较为明显，集中分布于北部沿海区域。2009—2019年耕地的涨势最强，转入面积合计为35 081.55 hm2，主要以各地镇为中心，呈“摊饼式”分别向四周蔓延分布；建设用地涨势趋缓，转入面积为25 053.59 hm2。整个土地利用变化过程中，耕地的落势最强，主要转出为建设用地和盐田养殖池两地类；其次为2009—2019年建设用地的落势，转出面积达24 027.74 hm2。

2.3 土地利用演变稳定性分析

2.3.1 间隔层面变化 在间隔层面，计算并对比3个时间间隔的地类变化强度(0刻度线右侧)及1989—2019年的平均变化强度(虚线)。由结果(图2)可知图中右侧整个研究时段平均变化强度均小于每一个时间间隔内的地类变化强度，这说明莱州湾南岸海岸带地类在1989—2019年的变化均为快速。由图中左侧不同时间间隔的变化面积来看，1999—2009年地类变化面积最大，2009—2019年次之，1989—1999年地类变化面积最小。

2.3.2 地类层面变化 在地类层面，从图3右侧的变化强度来看，耕地和浅海水域的转入和转出的变化强度均小于平均变化强度，所以两地类在整个研究时间范围内的变化均不活跃；建设用地、林地、草地、河流、其他用地在3个时间间隔内转入变化强度和转出变化强度均大于平均值，在1989—2019年内的变化都是活跃的；盐田养殖池在1989—2009年的增加强度上升较明显，其变化强度也较剧烈；整个研究时段内滩涂的减少变化强度较大。在整个研究时段，除滩涂和盐田养殖池外，其余地类面积的增长均表现为稳定性；除盐田养殖池和水库坑塘外，其余地类面积的减少均表现出稳定性。

图3 莱州湾南岸海岸带地类层面土地利用变化强度

2.3.3 转换层面变化 从转换层面的交叉列联表(图4)可以看出，莱州湾南岸海岸带各地类土地利用变化呈现多种转换模式，其中草地—其他用地、耕地—建设用地、河流—滩涂、其他用地—滩涂等地类转换过程是一种稳定的倾向性转换模式；草地—建设用地、耕地—盐田养殖池、建设用地—河流、建设用地—滩涂、盐田养殖池—建设用地等转换过程是稳定的避免性转换模式。

图4 1989-2019年莱州湾南岸海岸带转换层面土地利用变化模式交叉列联表

3 讨 论

研究区面积减少最多的地类为耕地和滩涂，建设用地和盐田养殖池扩张面积最大。我国其他沿海区域的建设用地和耕地变化也较为活跃，在2010年之前，沿海区域土地利用变化特征主要表现为建设用地的增加和耕地的减少[35]，建设用地侵占耕地被认为是我国东部沿海地区耕地流失的主要原因之一[36-37]，与本文的研究结果具有一致性。

1989—2009年莱州湾南岸海岸带建设用地涨势最强，耕地的落势最为显著，并且“耕地—建设用地(编码17)”图谱类型转换主要集中于寿光市和昌邑市且分布范围不断扩大。城市化进程伴随经济的增长开始快速推进，大量农民涌入城市，新修住宅和道路等建设用地不断增加，加之莱州湾南岸地势平坦，为人类开发活动提供了有利的地势基础，人类生产生活强度大，经济开发区、工业园迅速建设，提升了耕地的开发强度。寿光市经济相对较发达，位居潍坊市之首，耕地转出为建设用地的面积增长较快，寒亭区城镇化起步相对较晚，所以耕地向建设用地转换的速度相对缓慢。2009—2019年莱州湾南岸海岸带耕地面积呈现增长态势，2009年国家提出“划定和管控永久基本农田”等相关举措，制定严格的基本农田管控措施，保护耕地红线，将城市周边易被占用的生产条件较好的耕地划为永久性基本农田，强制拆除违规占用耕地的农业园以及直接在耕地上违法违规建设的别墅、休闲娱乐场所等用地，加之随着农业机械化水平的提升和灌溉设施的改进，一些荒地、低洼泥沼地被开垦为耕地，细碎耕地连接成片，耕地面积逐渐增加。

1989—2009年“滩涂—盐田养殖池”的转换面积剧增。中国沿海地区围海活动从20世纪80年代起进入高潮，因其自然条件优越，莱州湾盐场作为中国开发最早的盐区——山东盐场的一部分，盐田和养殖池广布；2002年《中华人民共和国海域使用管理法》开始施行，围填海活动强度减弱，海岸带开发进入“蛰伏期”[38]，但地类转换仍在继续；2009—2019年，随着经济的进步，莱州湾海岸带围填海活动进入“城市扩张期”，围填海的主要土地利用类型由盐田养殖池向建设用地转换，港口、临海工业园等大量在沿海地区建设，故“盐田养殖池—建设用地”变化的面积在第三时间间隔(2009—2019年)内仅次于“耕地—建设用地”的变化面积。耕地和建设用地的相互转化为稳定的倾向性系统变化模式，其相互转换受自然或人类有目的的土地利用行为影响而不断增强，另一方面也是由于两者面积较大，其转出转入概率相对较高，同样具有稳定的倾向性转换模式的地类例如林地和盐田养殖池，林地和其他地类等也是因为地类之间存在紧密镶嵌的空间分布格局有关。

本文在分析莱州湾南岸海岸带地类结构的基础上，通过构建地理信息图谱，将研究区地类转化进行空间化表示，同时运用强度分析和交叉列联表分析了莱州湾南岸海岸带土地利用的变化速度、地类转入转出层面的转化模式。地理信息图谱弥补了强度分析在空间上无法展示的不足，强度分析能够用一种层层深入的方式分析不同地类间相互转化的过程，不同的地类转换稳定性也反映了其变化背后的不同机制，为后期分析土地利用变化模式分析奠定基础，有助于管理者基于人地耦合关系视角制定合适的区域发展战略。本文对于莱州湾南岸海岸带土地利用变化过程的影响因素仅进行了初步定性分析，未来还将进一步定量分析影响研究区内部地类转变的驱动机制，提出相应的规划建议。

4 结 论

在土地利用结构变化方面，浅海水域、滩涂、盐田养殖池等地类呈带状分布在北部沿海地区，耕地和建设用地大多分布在内陆地区。耕地和滩涂面积减少最多，建设用地和盐田养殖池扩张面积最大。

在不同地类转化方面，近30 a来研究区土地利用以耕地与建设用地、滩涂与盐田养殖池、耕地与盐田养殖池的转移为主。1989—2009年，莱州湾南岸海岸带建设用地涨势最强，耕地的落势最为显著；2009—2019年耕地面积不断增长，建设用地的落势最为明显。

在土地利用演变的稳定性方面，3个时间间隔(1989—1999年、1999—2009年、2009—2019年)地类变化均为快速，除滩涂和盐田养殖池外，其余地类面积的增加表现出时间上的相对稳定性；除盐田养殖池和水库坑塘外，在时间尺度上其余地类面积的减少均表现出相对稳定性。从转换层面来看，耕地—建设用地、林地—盐田养殖池、林地—其他用地、河流—滩涂、其他用地—滩涂等转换过程是一种稳定的倾向性转换模式；耕地—其他用地、耕地—盐田养殖池、草地—建设用地、盐田养殖池—建设用地等转换过程是稳定的避免性转换模式。