土地利用景觀格局演變及驅動力分析
——以唐山市曹妃甸新區為例

王觀湧, 張 樂, 陳青鋒, 于化龍, 陳亞恒

(河北農業大學, 河北 保定 071000)

土地利用景觀格局演變及驅動力分析
——以唐山市曹妃甸新區為例

王觀湧, 張 樂, 陳青鋒, 于化龍, 陳亞恒

(河北農業大學, 河北 保定 071000)

以唐山市曹妃甸新區為研究區，運用遙感(RS)、地理信息系統(GIS)等技術方法，運用景觀生態學理論研究景觀動態變化，結合主成分分析方法從自然條件、區域政策與經濟發展等角度，探討了曹妃甸新區景觀格局變化的驅動力因素。結果表明：1990—2010年鹽田、居民點及工礦用地呈增加趨勢；港口碼頭為新增加用地；耕地、林地則有增有減；沿海灘涂和未利用地則處于減少趨勢。土地利用景觀多樣性增加，斑塊形狀復雜性降低，破碎化程度整體有所上升，景觀類型趨于均衡并且更加合理發展，這些變化主要受全區總人口、GDP、固定資產投資等社會經濟驅動因子和區域政策的影響，其研究對于曹妃甸新區土地利用規劃和生態環境保護具有重要意義。

土地利用; 驅動力; 景觀指數; 主成分分析; 曹妃甸新區

土地利用/覆被變化是陸地景觀生態系統變化的主要體現，也是自然交叉與人類活動最為密切的問題[1-2]，已經成為全球變化研究的核心主題之一[3-6]。目前國內外對土地利用/覆被變化的研究主要集中在時空變化特征[7-8]、土地利用變化的影響以及土地利用變化機制或驅動力方面，并取得了一系列研究成果。2005年IGBP和IHDP共同推出國際重大科學計劃“全球陸地計劃(GLP)”[9]，將土地利用變化的驅動機制和生態環境后果作為重點研究內容。近年來中國諸多學者利用遙感技術與GIS等手段分析景觀格局的演變過程，對不同研究區的土地利用變化特征發展趨勢及景觀格局變化的驅動因素進行了研究并取得了諸多成果[10-11]?？偨Y國內外研究現狀發現，基于景觀尺度的中國生態城市土地利用變化定量研究及其驅動力分析工作還較為薄弱。因此土地利用景觀格局演變及驅動力的研究成為土地相關學科的研究熱點，對研究區域環境變化有重要的現實意義。

曹妃甸位處環渤海經濟圈的中心軸線位置，是我國重要的鋼鐵、石化、煤炭和高科技發展基地，國家級經濟循環示范區，宜居生態的濱海新城和北方商務休閑之都，經濟熱點發展地區。曹妃甸新區為了打造北方國際生態城將更加注重曹妃甸新區生態環境的變化。本文則以曹妃甸新區為研究對象，利用遙感(RS)、地理信息系統(GIS)等技術方法，運用景觀生態學理論，結合主成分分析理論方法，探討曹妃甸新區土地利用景觀格局演變和驅動因素，為曹妃甸新區土地利用規劃、區域生態環境保護工作提供科學依據。

1 研究區域與資料來源

1.1 研究區概況

曹妃甸新區位于河北省唐山市南部沿海，地理坐標是北緯38°54′—39°26′，東經118°59′—118°54′，總面積為1 943.72 km2?，F管轄“兩區一縣一城”，即唐山市曹妃甸工業區、南堡經濟開發區、唐山市唐海縣和唐山市曹妃甸新城。截至2007年，曹妃甸新區現狀人口22萬?，F狀人口主要集中在唐海、南堡開發區和曹妃甸工業區，新區氣候屬東部季風區暖溫帶半濕潤氣候，四季分明，雨熱同季，年平均氣溫10.8℃，春夏兩季氣溫比同緯度地區偏低。區域主要分布濕地及蘆葦地、荒草地和鹽田、水澆地和草地等土地利用類型，其中有少量淡水水庫分布。新區具有豐富的水生動、植物資源，為以水禽為主的鳥類提供了豐富的食物來源和筑巢、隱藏等天然的活動場所及棲息環境。其中，唐海濕地是灤河水系沖積和海洋動力作用下形成的濱海復合型濕地，有天然濕地和人工濕地兩種類型。唐海濕地是多種候鳥遷徙的驛站、多種野生動植物的繁衍基地，形成了比較復雜的水陸動植物共生體系。

1.2 土地利用類型的劃分

基于成像時間為1990年9月、2000年9月和2010年8月曹妃甸新區Landsat-TM影像數據。軌道號為122/33成像質量好，平均云量為0。用幾何精校正及配準的1∶5萬土地利用現狀圖及其矢量化數據，對影像進行配準。采用遙感多波段數據融合獲取土地利用信息，通過相關性及統計分析，確定最佳三期波段影像組合為TM3(B)、4(G)、7(R)合成假彩色方案。根據建立的土地利用地表景觀解譯標志，利用Envi的分類監督功能解譯出土地利用三期土地利用現狀圖。參照《全國土地分類》，將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、鹽田、居民點及工礦用地、淡水水域及濕地、港口碼頭、沿海灘涂以及未利用地8種類型。

2 研究方法

2.1 土地利用變化分析

土地利用動態度將區域內土地利用變化速度進行定量描述，比較區域土地利用變化的差異，反映區域內土地利用變化劇烈程度，預測區域未來土地利用趨勢變化產生積極作用。按描述對象的不同，土地利用類型動態度可以分為單一土地利用動態度和綜合土地利用類型動態度。本文引用單一土地利用動態度以及綜合土地利用動態度來分析曹妃甸新區土地利用變化，具體如下[12-13]：

(1) 單一土地利用動態度。單一土地利用動態度用來描述區域內某種土地利用類型在一定時間范圍內的變化情況，其計算公式為：

式樣中：Ua，Ub——區域內某種土地利用類型在研究期初和期末的數量；T——研究時段長，一般以年為單位。

(2) 綜合土地利用動態度。綜合土地利用動態度用于表征整個研究區土地利用的變化速度，其公式可以表達為：

式中：Uai，Ubi——區域內第i種土地利用類型在研究期初和期末的數量；S——區域總面積；T——研究時段長。

2.2 景觀格局指數

“景觀格局指數”是指將景觀格局信息高度濃縮，對于其空間配置和結構組成等方面反映簡單定量指標，其中包括三個層次上的指數：單個斑塊，若干斑塊組合的板塊類型和若干板塊類型組成的整個景觀鑲嵌體[14-17]。景觀格局直接描述景觀格局以及變化趨勢，將景觀格局量化是景觀生態學中最常被運用的定量化研究方法。

2.3 景觀格局的驅動力分析

土地利用變化受到人口增長、社會經濟發展以及國家政策等外在驅動力控制，各種驅動力因素之間相互聯系，關系錯綜復雜，共同影響土地利用變化的趨勢和方向，簡單的相關分析方法已經沒有辦法滿足需要。因此，本文結合區域實際，以定性和定量相結合的方法，從經濟發展、自然條件和區域政策等角度對影響曹妃甸新城土地利用景觀格局變化的各種驅動因素進行分析。

3 曹妃甸新區土地利用變化分析

3.1 土地利用變化特征

從圖1中可以看出，研究區以沿海灘涂、耕地、鹽田、淡水水域及濕地景觀為主。研究期間鹽田、居民點及工礦用地呈增加趨勢；港口碼頭為新增加用地；耕地、林地則有增有減；沿海灘涂和未利用地則處于減少趨勢。鹽田面積由1990年的325.84km2，增加至2000年的339.44km2，到2010年面積達到444.83km2，成為了規模最大的地類 。2010年居民點及工礦用地面積增加至133.09km2，比例由1990年的4%增加至2010年的7%，增加的主要原因是經濟發展，人口增加的結果。經濟的增長促使了城鎮和農村的擴張，大量的農田轉變為居民點。為了加快港口物流體系建設，完善港口功能，使唐山港曹妃甸港區朝國際化、大型化、現代化綜合型港口邁出堅實步伐，圍繞建設現代化國際性綜合大港的目標，曹妃甸新區直到2010年港口碼頭建設大幅度增加，面積達到170.39km2。2010年曹妃甸新區前期建設港口、新開工以及正在安排續建項目19個，相應投資預計473億元，年內投資完成108億元。重點項目加緊建設，推進煤炭碼頭續建、焦 煤碼頭以及礦石碼頭二期等項目建設，力爭突破新港年吞吐量2億t。耕地先減少后增加。沿海灘涂和未利用地均處于減少趨勢，1990—2000年沿海灘涂雖有減少，但變化不大，從700.87km2減少到680.19km2；2000—2010年，這10a來沿海灘涂面積減少明顯，到2010年沿海灘涂面積僅為435.78km2；未利用地一直處于均勻減少，1990年未利用地面積為108.64km2，占土地總面積的6%，2000年未利用地面積為78.94km2，占土地總面積的4%，2010年未利用地面積為26.05km2，占土地總面積的1%。

3.2 土地轉化速率分析

由表1可知，1990—2000年林地動態度相對較大，為6.70%，說明該地區林地變化最為活躍并呈增長趨勢；沿海灘涂單一動態度僅為-0.30%，說明該土地類型在該時段較穩定。2000—2010年，由于港口碼頭的大量修建導致港口碼頭的動態度達到4 473.95%，林地、未利用地、沿海灘涂、淡水水域及濕地逐漸減少，動態度為-7.08%，-6.70%，-3.59%，-1.57%；鹽田、居民點及工礦用地和耕地逐漸增加，動態度為3.10%，2.99%，2.52%。對于整個流域的土地利用類型動態度可采用綜合動態度指標值進行描述。劉紀遠等[18]將我國土地利用的時間動態特征分為4種類型：21%～24%(急劇變化性)；13%～20%(快速變化型)；4%～12%(慢速變化型)；0～3%(極緩慢變化型)。曹妃甸新區屬于極緩慢變化類型，綜合動態值均小于4%，但有加快變化的趨勢。其中，2000—2010年曹妃甸新區土地利用綜合動態度值已經接近慢速變化類型范圍，例如耕地等土地利用類型已變為慢速變化類型范疇?？梢灶A見，倘若不調整現有的土地利用規劃，耕地面積轉變速度會加劇。

圖1 1990-2010年各土地利用類型面積

表1 1990-2010年各用地類型的土地利用動態度%

3.3 景觀格局演變分析

本文在研究曹妃甸新區景觀格局指數時采用景觀空間格局分析軟件FRAGSTATS 3.3，但是景觀格局指數眾多，部分景觀格局指數相關性比較高，在參考相關文獻[19-20]研究的基礎上將其排除，并且根據曹妃甸新區的具體情況，從斑塊形狀、面積、大小、結構以及景觀多樣性等方面選取生態意義較為明確的景觀格局特征指數：斑塊數量、平均分形指數、面積加權的平均形狀指數、香農均勻度指數、香農多樣性指數5個景觀格局指標，并對曹妃甸新區三年景觀變化進行分析，具體計算公式參見相關文獻[21]。計算結果見表2。

表2 1990-2010年曹妃甸新區土地利用景觀格局總體變化

由表2分析得出，在1990—2010年間，研究區內增加斑塊數127塊，為初期研究的1.27倍，平均分形指數降低，由研究初期的1.38降低至1.17，面積加權形狀指數有所起伏，1990年為2.81，2000年上升為3.29，直至2010年降低為2.85，香農均勻度指數和香農多樣性指數呈上升趨勢，分別由初期的1.13和0.58增加到1.44和0.74。景觀格局指數變化反映出，人類活動影響景觀變化，并且干擾程度越大，越會導致土地利用景觀破碎度整體上升，并且斑塊形狀復雜性降低，景觀多樣性增加，不同景觀類型更加均衡合理發展。通過對比前后不同時段兩個景觀格局指數變化幅度，在不同時期呈現不同的特征。研究區內斑塊數量、面積加權的形狀指數以及平均分形指數在1990—2000年之間變化幅度較大，表明人類活動的干擾較大直到2010年有所緩解。香農多樣性指數反映景觀類型的復雜程度，香農多樣性指數和香農均勻度指數在1990—2000年期間變化不大，景觀復雜程度變化不明顯。2000—2010年香農多樣性指數和香農均勻度指數均有明顯增加。為了加快港口物流體系建設，完善港口功能，曹妃甸新區直到2010年港口碼頭建設大幅度增加，面積達到170.39 km2，沿海灘涂占主導的景觀格局迅速轉變為港口碼頭、鹽田等其他地類，各地類均衡發展景觀多樣性指數明顯改善。

4 曹妃甸新區土地利用景觀格局演變的驅動力分析

4.1主成分分析

影響土地利用景觀格局變化的因素錯綜復雜，本文采用SPSS軟件對選取的9個指標進行主成分分析，旨在一定程度上解決指標因子數量選取和因子之間相關性，所選取主成分的標準需以特征值大于1，且特征值占方差百分數的累加值大于85%。其中第一主成分與全區GDP、總人口、固定資產投資、人均工業產值和農民人均純收入有較大的正相關；第二主成分與農牧漁業總產值、水產品總產量有較大的正相關；根據主成分反映信息篩選出兩個主成分，分別命名經濟發展因素、自然條件與區域政策因素，并從這兩方面就曹妃甸新區景觀格局變化原因進行探討。

4.2 驅動力分析

(1) 經濟發展因素。由表3可看出，經濟發展成為影響曹妃甸新區景觀格局變化的主要因素，全區GDP、總人口、固定資產投資相關指數均在95%以上。2006年新區GDP產值為77億元，2007年達到111.6億元，同比增長44.8%，人均地區生產總值達4.2萬元；截至2007年，曹妃甸新區現狀人口達到22萬人；2009年，唐山市曹妃甸新區完成固定資產投資近1 100億元，2010年完成1 600億元。導致土地利用結構在經濟利益的驅動下有低收入土地結構向高收入土地結構轉移，耕地急速減少，但由于糧食安全紅線的制約使得到2010年耕地下降的形勢有所緩解；沿海灘涂及未利用地則一直處于下降趨勢，主要轉向港口、基礎設施用地、住宅用地等城鄉用地。2005年10月，曹妃甸新區南部曹妃甸工業區成立，是曹妃甸新區的核心區和龍頭帶動區。工業區成立以后，曹妃甸工業區頒布了促進曹妃甸工業區建設相關政策，大力開展圍海造田工程，曹妃甸新區南部建設用地擴張明顯。

表3 主成分載荷矩陣

(2) 自然條件與區域政策因素。第二主成分與農牧漁業總產值、水產品總產量有較大的正相關，說明第二主成分可以代表曹妃甸新區第一、三產業發展。近20 a來，曹妃甸新區發生了翻天覆地的變化。第一個十年受農業產業政策的影響，位于曹妃甸新區北部的唐?？h農林牧漁業發展迅速。從用地結構看出，1990—2010年間魚蝦海淡水養殖業發展迅速。逐漸形成北部綠色旱地農業區，中部以水稻種植為主的立體農業發展區，南部為蘆葦及海淡水養殖發展區。

伴隨著河北省打造沿海經濟隆起帶，推進開發建設沿海地區，大力實施“11縣8區1路1帶”的重點推進計劃，促進工業向沿海轉移，推進新一輪的沿海開發格局。曹妃甸新區作為沿海經濟隆起帶上的戰略引擎，其將建成礦石、能源等新型工業化基地、商業性能源儲備基地、大宗貨物的集疏港以及國家級循環經濟示范區。區域土地利用格局將在較短時間內發生較大變化。未來變化將主要受曹妃甸空間開發格局、國際生態城市建設等因素的影響。伴隨著曹妃甸新區生態城的建設，將導致林地結構發生變化，同時也促進了未利用地、淡水水域及濕地的變化。

5 結 論

(1) 通過對曹妃甸新區土地利用變化及景觀格局分析，可以得出由各時期土地利用景觀變化分析可知研究區以沿海灘涂、耕地、鹽田、淡水水域及濕地景觀為主。研究期間鹽田、居民點及工礦用地呈增加趨勢；港口碼頭為新增加用地；耕地、林地則有增有減；沿海灘涂和未利用地則處于減少趨勢。由于近年來曹妃甸新區經濟的快速發展，曹妃甸空間開發格局和國際生態城市建設等因素的影響，1990—2010年曹妃甸新區土地利用空間格局發生了較大變化，從全區來看，土地利用景觀多樣性增加，斑塊形狀復雜性降低，破碎化程度整體有所上升，景觀類型趨于均衡并且更加合理發展。

(2) 依據驅動力分析結果，主要影響因子為GDP、總人口、固定資產投資的增加。曹妃甸工業區的建設對耕地、居民與工礦用地等景觀變化造成直接或間接影響，一、三產業的發展促使傳統糧食種植業在政策的驅動下分區重點發展，導致耕地與其他用地類型之間的轉化。曹妃甸新區經濟快速發展和國際生態城市建設的需要，土地利用結構和空間形態將持續發生變化，建設占用仍是造成地類變化的主要因素之一，水產養殖業發展繼續促使水田向養殖用地轉化，土地利用總的發展趨勢還不穩定。

(3) 通過研究曹妃甸新區土地利用變化景觀演變及驅動因子可以掌握其內在調控機制，在今后的土地利用中必須嚴格保護耕地，限制淡水水面和灘涂用地轉為其他地類，控制建設用地規模，同時考慮生態保護和城鎮用地空間擴展的合理性，促進曹妃甸新區朝著生態宜居的方向發展，為曹妃甸國際生態城的建設提供重要的自然基礎條件。

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AnalysisonLandscapePatternChangeandItsDrivingForces-TakingCaofeidianNewArea,TangshanCityasanExample

WANG Guan-yong, ZHANG Le, CHEN Qing-feng, YU Hua-long, CHEN Ya-heng

(InstituteofLandResources,AgriculturalUniversityofHeBei,Baodin,Hebei071000,China)

Caofeidian area in Tangshan City was taked as the study area, and by using remote sensing, geographic information system and global positioning system technology methods, based on landscape ecology theory combined with the method of principal component from economic development, natural conditions and regional policy, this paper analyzed the driving force factors. The results showed that: salt pan, land for residential areas and mining presented an increasing trend; port was for the new increased land; arable land, woodland would increase and decrease; coastal land and unused land were in a decreasing trend. Land use landscape fragmentation overall increased, patch shape complexity decreased, landscape diversity increased, different types of landscape were more balanced and reasonable development, these changes were mainly affected by the regional total population, GDP, investment in fixed assets, and other social and economic driving factors and the impact of regional policy, the research for land use planning and protection of the ecological environments in Caofeidian New area has the important significance.

land use; driving force; landscape index; principal component analysis; Caofeidian New area

2013-11-20

：2013-12-18

河北省住建廳“生態宜居城市土地利用格局配置研究”;國家重點基礎研究發展規劃資助項目(2005CB121107)

王觀湧(1988—),男,河北省青縣人,碩士研究生,研究方向為土地資源利用。E-mail:wangguanyongyun@sina.com

陳亞恒(1973—),男,河北省順平人,博士,副教授,主要從事土地評價、土地開發整理、土地規劃等方面的研究和教學工作。E-mail:chenyaheng@126.com

P901

：A

：1005-3409(2014)05-0084-05