连云港海岸带土地利用变化生态效应量化研究

吴孟孟，贾培宏，2，潘少明，2，杨鲁永

（1.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023；2.南京大学 连云港高新技术研究院，江苏 连云港 222000）

海岸带是人类活动最密集的地带，也是全球变化影响最敏感最显著的地带。土地利用变化既是全球环境变化的重要组成部分，也是造成全球环境变化的重要因素，是当前国际上十分关注的研究领域（Vitousek，1994）。连云港是中国于1984年首批提出沿海开放的14 座城市之一，位于中国沿海中部，区位优势极为突出，《全国海洋开发规划》将其列为全国3 个“海洋特殊开发区”之一，《中国21 世纪议程》强调将连云港建设成连接太平洋沿岸国家与中亚地区的国际港口城市、环境优美的旅游中心、国际贸易中心和交通枢纽，江苏省委、省政府明确要求连云港加快建设成为江苏北部发展振兴的“第一增长极”。为了加快城市发展进程，连云港市海岸带土地利用率普遍提高，土地利用状态变化活跃。

生态足迹（Ecological Footprint，EF），是由加拿大生态经济学家Rees 等1992年提出，并在1996年由其博士生Wackernage 完善的一种衡量人类对自然资源利用程度以及自然界为人类提供生命支持的方法，也是一种度量环境生态系统承载力的方法，又称为生态占用、生态痕迹、生态脚印。其主要是计算给定人口和经济条件下，通过将个人消耗的资源以及吸纳人类所排放的废物折合成全球统一的具有生产力的地域面积，来计算区域生态的供给与需求差值—生态赤字或生态盈余，以测度不同区域内人类活动对生态环境现状的影响，其度量单位是“全球性公顷”（hm2）。

本研究选择1987-2012年4 个时相的ETM+遥感影像，运用GIS 空间分析技术，进行土地利用类型影像解译判读、地类图斑数据采集、处理、分析及数量计算，获取研究区近25年来生态足迹及海岸带土地利用变化状况之间的数量关系，实现海岸带土地利用变化对区域生态环境影响效应的定量化评价。

1 材料和方法

1.1 研究区范围

连云港海岸带主要包括砂质海岸、基岩海岸和淤泥质海岸。连云港市自解放以来兴建、整修了从北到南的沿海大堤，通常情况下，海堤是人工岸线的标志性界线，本研究以海堤作为淤泥质海岸线位置（刘艳芬，2007）。

中国在进行海岸带调查时，规定调查范围一般为：自海岸线向陆方向延伸10 km 左右，向海至10～15 m 等深线位置；在河口地区，则是向陆延至潮区界，向海延至深水线或淡水舌。我国黄海和东海海底基本处于大陆架上，坡度很小，一般不超过0.1°，根据连云港海岸带水下地形状况计算得出，10～15 m 等深线距海岸线约9 km 左右。海域面积变化值是本研究一个重要的影响因素，本研究规定的海岸带范围为：自海岸线向陆、向海两方向各延伸延展10 km。由此计算出本文研究区海岸带面积为2 084.97 km2（图1）。

图1 连云港海岸带的范围

1.2 数据来源

研究选用遥感数据源为：1987年9月21日的Landsat-5 TM 影 像、 2002年12月27日 的Landsat-7 ETM+影像、2007年5月7日的TM 影像以及2012年4月26日的ETM+影像。以1987年为起点，2012年为终点，以五年为单位依次选取2002年、2007年的Landsat 遥感影像，这一时间序列与国家五年计划相对应，研究结果可以在一定程度上反映连云港在“十五计划”、“十一五规划”与“十二五规划”期间的海岸带土地利用变化状况。

生态足迹模型数据源选自2003年、2008年和2013年《连云港统计年鉴》，各生物生产性土地面积具体用到的数据有：①耕地：谷类（小麦、稻谷、玉米）、豆类、薯类、油料、棉花、茶叶；②林地：水果、纸板；③草地：猪肉、牛肉、羊肉、禽肉、奶类、禽蛋、蜂蜜；④水域：水产品；⑤建筑用地：热力、电力；⑥化石能源用地：原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油气（连云港市统计局，2003；连云港市统计局，2008；连云港市统计局，2013）。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用分类方法

根据遥感数据源特点及研究目标，本研究运用美国ARCGIS 软件进行数据采集、处理、土地利用图斑提取、空间数据综合分析、数理统计计算等，影像判读解译选用美国ENVI 软件。

首先，用ENVI 软件对各年代遥感影像进行多波段合成处理，得到真彩色影像，运用软件提供的图像增强技术进行影像增强，提高影像上各类地物的辨别效果，再对增强后的影像进行几何纠正、空间配准（邓书斌，2010）。

根据国土资源部、国土局、建设部的土地分类体系，参照美国海岸土地利用/土地覆盖分类标准，将我国沿海土地利用/土地覆盖按照潮上带、潮间带和近岸海域分别建立分类体系（刘宝银 等，2005）。为方便对连云港海岸带土地利用变化进行研究，数据提取中，将连云港海岸带潮上带、潮间带和近岸海域的分类进行统一化和适当合并，选取耕地、林地、建筑用地、海域、其他水域、滩涂、盐场、未利用地8 个土地利用类型。运用ENVI 软件对遥感图像解译生成训练样本（ROI），接着基于预定义ROI 用最大似然法进行监督分类和精度评价（邓书斌，2010）。再将不同时期的连云港海岸带土地利用分类栅格图像分别按照国家标准的土地利用分类进行矢量提取、输出，同时运用ArcGIS 软件对部分地物信息进行重分类、修整等。在ArcGIS 软件中，以海岸线为中心线，向海向陆各建10 km 宽度的缓冲区，界定出本研究的海岸带工作区。运用生成的研究区边界作为裁剪范围线对所有分类图像分别进行裁剪输出所有研究数据层。

1.3.2 生态足迹计算方法

生态足迹的基本思想是将人类消费需要的自然资产的“利息”（生态足迹）与自然资产产生的“利息”（生态承载力）转化为可以共同比较的土地面积，二者的比较用来判断人类对自然资产的过度利用情况（Wackernagel et al， 2006；徐中民等，2006）。

生态足迹计算公式（Wackernagel et al，1997；岳东霞等，2004）为：

式中，EF 为总的生态足迹，N 为总人口数，ef 为人均生态足迹，ri为均衡因子，ai为生产第i种产品的生物生产性土地面积。

生态承载力计算公式（Wackernagel et al，1997；岳东霞等，2004）为：

式中，EC 为总的生态承载力，ec 为人均生态承载力，aj为人均拥有生物生产性土地面积，rj为均衡因子（与计算生态足迹时所用的均衡因子相同），yj为产量因子。

在计算生态足迹时，根据海岸带生物生产性特点，土地面积计算主要考虑6 种类型：耕地、林地、草地、水域、建筑用地和化石能源用地。为了将这6 种具有不同生物生产力的土地面积转化为可加总比较的具有相同生态生产力的土地面积，需要对各生物生产性土地面积乘以均衡因子。某类生物生产性土地面积的均衡因子等于全球该类生物生产性土地面积的平均生态生产力除以全球所有生物生产性土地面积的平均生态生产力（张志强等，2001）。参考Wackernagel 等（1997，1999） 计算的世界各国生态足迹估算的结果可以确定均衡因子的取值。并且在计算生态承载力时，为了比较不同国家和地区同类生物生产性土地面积，需要对各面积再乘以产量因子。某国家或地区某类土地面积的产量因子等于其平均生产力除以世界同类土地的平均生产力（张志强等，2001）。由于市范围内商品和资源的流通与交易量难以统计，且考虑到生态系统的完整性，本文选用江苏省产量因子来计算连云港市生态承载力。结合文献（Wackernagel，1999）中计算中国生态足迹时的取值，江苏省产量因子可以根据全国产品平均产量与江苏省平均产量之间的比值确定（张芳怡等，2006）。WCED 的报告《我们共同的未来》建议应留出12%的生物生产面积以保护生物多样性（徐中民等，2001），因此在生态承载力计算时扣除12%的生物多样性保护面积（Haberl et al，2001）。

若生态足迹与生态承载力差值为正，表示生态赤字，反之即生态盈余。在不影响数据分析的前提下，为方便计算，用人均数值计算生态赤字或盈余情况。

2 结果和讨论

2.1 土地利用变化

海岸带土地利用变化包括土地利用类型面积变化和类型转换。面积变化反映不同类型的数量变化。通过分析海岸带土地利用类型的数量变化，可以在一定程度上了解土地利用变化态势和结构变化（高志强等，1999；刘纪远，1996）。

2.1.1 土地利用类型面积变化

监督分类精度评价结果（表1）显示各年份遥感图像总分类精度和Kappa 系数均超过90%，说明分类方式合理，分类精度高，后续计算结果可靠。

表1 1987-2012年监督分类精度评价

运用ENVI 和ArcGIS 软件对遥感图像进行处理后获得1987年、2002年、2007年和2012年的土地利用分类专题图（图2a-d）。根据遥感解译结果，分别统计1987年、2002年、2007年和2012年连云港海岸带土地利用分类专题图面积信息，如表2 所示。

图2 （a） 1987年分类专题图

图2 （b） 2002年分类专题图

图2 （c） 2007年分类专题图

图2 （d） 2012年分类专题图

表2 1987-2012年各土地利用类型面积（单位：km2）及其百分比（%）

由表2 中4 个时相各地物类型土地利用面积所占比例，可看出连云港海岸带土地利用特征为：①1987-2012年用地类型主要是海域、盐场、建筑用地和耕地，林地、未利用地、滩涂和其他水域面积占比较小。②海域面积近五年有大幅减少，2012年较2007年减少51.744 6 km2。③盐场面积波动幅度较大，1987-2002年减少84.189 1 km2；2002-2007年增加61.230 6 km2；2007年至2012年又减少48.216 8 km2。④建筑用地面积基本呈增长趋势，且涨幅较大，1987-2002年增加182.890 0 km2；2002-2007年小幅减少13.484 8 km2； 2007-2012年又增加109.524 6 km2。⑤耕地面积基本呈减少趋势，1987-2002年减少186.903 7 km2；2002-2007年小幅增加32.614 0 km2；2007-2012年又减少34.025 2 km2。

2.1.2 土地利用类型转换 利用ArcGIS 软件根据矢量层交集操作进行空间叠加分析，得到1987-2002年、2002-2007年和2007-2012年3 个时期内连云港海岸带土地利用转换矩阵（表3-5）。

转换结果显示：①耕地1987-2002年主要转化为建筑用地和盐场；2002-2007年主要转化为建筑用地、未利用地和林地；2007-2012年主要转化为建筑用地。②林地1987-2002年主要转化为耕地和建筑用地；2002-2007年主要转化为建筑用地和未利用地；2007-2012年主要转化为建筑用地和耕地。③建筑用地1987-2002年主要转化为耕地和盐场；2002-2007年主要转化为盐场和耕地，其次转化成未利用地和林地；2007-2012年主要转化为盐场和耕地。④海域面积所占比例大，1987-2002年主要转化为滩涂、盐场和建筑用地；2002-2007年主要转化为建筑用地、滩涂和盐场；2007-2012年主要转化为盐场和建筑用地。⑤其他水域1987-2002年主要转化为盐场和建筑用地；2002-2007年主要转化为盐场和建筑用地，其次转化成林地和未利用地；2007-2012年主要转化为盐场和海域。⑥滩涂1987-2002年主要转化为盐场和建筑用地；2002-2007年主要转化为盐场、建筑用地和耕地；2007-2012年主要转化为海域、盐场、建筑用地和耕地。⑦盐场1987-2002年主要转化为建筑用地和滩涂；2002-2007年主要转化为建筑用地、耕地和其他水域；2007-2012年主要转化为海域、其他水域和建筑用地。⑧未利用地在三个时期内转化率都很高，说明未利用地开发程度很高，1987-2002年主要转化为耕地和建筑用地，2002-2012年主要转化为建筑用地、盐场和耕地。

表3 1987-2002年土地利用转换矩阵（单位：km2）及其百分比（%）

表4 2002-2007年土地利用转换矩阵（单位：km2）及其百分比（%）

表5 2007-2012年土地利用转换矩阵（单位：km2）及其百分比（%）

2.1.3 土地利用变化驱动力分析 美国全球变化委员会将土地利用变化驱动力分为自然驱动与人力驱动两类：自然驱动指由于流体地球与固体地球变化对地球表层所造成的影响，其突出标志是气候—水文过程对地表的改造；人力驱动主要包括工业新陈代谢与土地转变，Turner 等进一步将其分为人口与其收入的变化、技术变化、政治/经济制度变化和文化变化（卢玲等，2001）。

2.1.3.1 自然驱动分析 自然驱动包括气候水文、地质地貌、土壤植被等诸多要素。土壤是构成土地的核心要素，是影响土地利用最深刻的因素之一。土壤对土地利用的影响主要表现在两个方面：其一，土壤肥力大小直接影响土地生产力高低；其二，土壤类型差异与土地利用形式、可耕性、耕作方式、轮作制度等密切相关（李吉英，2006）。连云港在地貌上位于淮北平原与鲁中南丘陵的结合部，地势西北高、东南低，境内海洋、高山、平原齐观，丘陵、河湖、滩涂俱备。农田主要分布在连云港市东南区，土壤类型适合农作物生长；城镇主要建设在西部岗岭区，土壤类型较为坚固不易松散；盐田和滩涂主要位于东部沿海区，土壤含盐量较高。土壤条件是形成土地利用类型分布的重要因素，同时也在一定程度上限制各土地利用类型间的转换。

土地利用变化剧烈之处，往往受人类的干扰活动相对容易。平原地带地势平坦、交通发达，建设用地与农用地之间转换较普遍，因此连云港海岸带建设用地增加多是由位于平原地带的耕地或林地转换来；海拔越高对林地的变化限制越大，林地变化大都发生在海拔较低处，所以连云港内山脉山脚处林地受人类活动干扰较严重，变化较剧烈；滩涂由于离城区较远，所以受人类活动干扰相对较轻。

2.1.3.1 人力驱动分析 人口变化是导致土地利用变化的主要原因。连云港市总人口从1987年的311.72 万增至2002年的464.03 万，2007年增至482.23 万，2012年又增至510.99 万。随着连云港市总人口的变化，连云港海岸带建设用地面积也发生了相应变化，从1897年的206.131 0 km2增至2002年的389.021 0 km2，2007年小幅降至375.536 2 km2，2012年又大幅增至485.060 8 km2。对比人口变化趋势和建设用地变化趋势，可以发现2002-2007年人口数增加而建设用地面积却呈小幅减少趋势，说明该时间段内建设用地发展尚集中在内陆，沿海岸带开发规模不大。建设用地增加必然导致农业用地减少，1987-2012年农业用地的变化趋势与建筑面积的变化趋势有很好的对应关系。

除了人口变化这一重要因素之外，经济增长、技术进步、制度及政策因素等也对土地利用变化产生着不同程度的影响。

2.2 生态足迹分析

连云港市身为海滨城市，各县乡依托海堤公路和沿海铁路，沿海土地利用类型的模式及其转化，直接反映出临海产业链发展的规模及特点，因此，生态足迹可以反映出连云港海岸带土地利用变化的生态效应。由表8 看出，连云港市人均生态足迹由2002年的1.850 8 hm2/人增至2007年的2.369 9 hm2/人，又进一步增至2012年的2.908 2 hm2/人，而人均生态承载力则由2002年的0.614 7 hm2/人降至2007年的0.810 2 hm2/人，至2012年又降至0.581 5 hm2/人，可见生态承载力需求（生态足迹）与生态承载力供给呈反方向发展趋势。计算表明，2002年就开始倾向生态赤字，人均生态赤字为1.236 1 hm2/人，2007年增至1.772 8 hm2/人，2012年进一步增至2.326 7 hm2/人。说明连云港市人口对自然资源的利用一直在增加，已逐渐超出自然生态系统的生态承载力范围，生态足迹与生态承载力之间的矛盾出现，意味着研究区生态系统有所退化，人地关系趋于紧张。

近10年间，水域和耕地在用地结构需求中占主要内容，随着该地类需求的逐渐增大，耕地的生态承载力开始逐渐减小，水域承载力尚可保持不变；其次为化石能源和草地，化石能源用地需求大幅增加，草地需求先略有减少后大幅增加，其承载力则基本保持不变；6 种土地利用类型的生态承载力都不足以支撑其生态足迹。可以看出，整个市域范围内的耕地面积呈现不足，水域、草地、林地面积偏少，化石能源用地量大。就海岸带区域而言，1987-2012年盐场和建筑用地的面积远大于耕地、林地、未利用地、滩涂和其他水域的面积；建筑用地面积基本呈增长趋势，且涨幅较大，而耕地面积基本呈减少趋势，且主要转化为建筑用地；海域、林地、滩涂和其他水域面积主要向建筑用地和盐场转换。

表6 2002-2012年人均生态足迹

表7 2002-2012年人均生态承载力

表8 2002-2012年生态足迹模型计算总结（hm2/人）

研究数据表明，连云港市整体土地利用模式表现出不可持续性，海岸带生态环境趋于不安全状态。

3 结论

研究数据表明，1987-2012年25年间，连云港海岸带的土地利用状况发生了显著变化，占据主要地位的土地利用类型是海域、盐场、建筑用地和耕地；盐场面积波动幅度较大；建设用地面积大幅度增加，25年间共增加了278.93 km2，耕地面积大幅度减少，25年间共减少了188.31 km2，耕地减少的流向主要是建设用地。说明这一时期为连云港海岸带的高速发展期。

土地利用类型转换矩阵分析表明，研究区25年间土地利用类型差异较大，转移较频繁，反映出人类活动对研究区土地利用影响不断加强，研究显示人口、土壤植被、地质地貌和经济发展是影响土地利用变化的主要驱动力。

近25年间，连云港市生态足迹与生态承载力供给呈反方向发展趋势，生态赤字日益明显，连云港市人口对自然资源的利用已逐渐超出自然生态系统的生态承载力范围，生态系统有所退化，人地关系趋于紧张。耕地面积的大幅减少导致生态承载力减小；化石能源用地和草地需求的大幅增加导致生态足迹增加；6 种土地利用类型的生态承载力都不足以支撑其生态足迹。连云港市耕地面积不足，水域、草地、林地面积偏少，化石能源用地量大。海岸带土地资源利用模式亟需改进，须调整海岸带资源开发利用的产业结构，加强海岸带土地利用集约节约力度及生态环境建设，研究适合连云港市海岸带土地利用可持续发展的科学模式。

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