近40年煙臺市海岸線及近岸土地利用變化與生態服務價值效應分析

丁偌楠，王玉梅

（魯東大學 資源環境與工程學院，山東 煙臺264025）

近40年煙臺市海岸線及近岸土地利用變化與生態服務價值效應分析

丁偌楠，王玉梅

（魯東大學 資源環境與工程學院，山東 煙臺264025）

為深入揭示煙臺市海岸線40年時空變遷及土地利用空間格局變化，采用Landsat MISS，TM，ETM+遙感數據，對煙臺市4個時期海岸線進行了長度提取，以海岸線向陸地延伸5 km作為研究范圍，結合地形圖和土地利用調查數據，運用監督分類提取了1973年和2014年兩個時期土地類型，分析了土地利用現狀和時空變化；在此基礎上，應用Costanza的生態服務價值計算方法，參考中國陸地生態系統景觀單位面積生態服務價值表進行了貨幣化計算評估。結果表明：（1）1973—2014年海岸線總體長度呈遞增趨勢，40年間凈增了55.976 km，其中人工岸線增幅最大，而基巖和淤泥質自然岸線大幅減少；（2）40年間總土地面積凈增了95.661 km2，主要是填海造陸導致建設用地面積增加，而濕地、林地和水體等生態用地面積大幅減少；（3）土地利用變化導致生態服務總價值損失了158.636萬元，其中濕地、林地的生態服務價值損失最多。自然濕地大量轉化為建設用地以及大力保護耕地是導致不同土地覆蓋類型生態服務價值發生變化的主要原因。

海岸線；土地利用/土地覆蓋變化；生態系統服務價值；景觀格局；煙臺市

海岸線是陸地與海洋的交界線，是多年平均大潮高潮時形成的實際痕跡線[1-2]，不僅是海陸的分界線，還載負著豐富的環境信息[3]，在自然因素和人類社會經濟發展的雙重影響下，動態、連續的演變對海平面升降、沿海灘涂、濕地生態系統、海岸帶生態過程改變及近岸海洋環境等有著重要指示意義，同時影響著沿海居民的生存和發展。改革開放以來，沿海地區社會經濟迅速發展，經濟向臨海區域布局，海岸線經濟密度持續增加，我國海岸線資源面臨愈加嚴峻的形勢，海岸侵蝕淤積，海平面上升等自然變化和人工堤壩、圍墾、采砂等人類活動降低了岸線的穩定性[4]。大規模的海岸線開發利用活動帶動了土地利用/土地覆蓋的迅速變化，造成景觀破碎化程度增加，生態系統服務功能價值降低，嚴重影響了岸線類型和海岸帶生態環境。作為海陸生態系統之間進行物質、信息、能量交換的重要生態過渡帶，海岸帶是典型的生態交錯帶，生態環境敏感脆弱。獨特的地理位置及其較強的人口、經濟和環境壓力等多因素耦合影響下，海岸地帶已成為眾多學者研究的熱點區域。目前研究內容主要集中在地區尺度上海岸線的提取方法研究[5-7]、海岸線變遷的遙感監測及成因分析[8-9]、填海造陸[10-11]等方面，而對海岸線變遷引起的土地利用變化及其生態服務價值效應研究較少。本文以煙臺市市區海岸線向陸地延伸5 km作為研究區，利用孫美仙[12]、馬小峰[13]等提出的海岸線提取方法，對4個時期的總海岸線及各類岸線進行提取，利用人機交互目視解譯遙感影像對土地類型進行分類，并基于RS和GIS進行空間對比分析，探討煙臺市海岸線近40年來的時空演變特征以及沿海地區土地利用/土地覆蓋變化特征，在此基礎上，對沿海生態系統服務功能價值進行損益核算，以期為煙臺市海岸線資源與土地資源的合理開發利用與保護提供參考。

1 研究區概況

煙臺市地處山東半島中部，位于東經119°34′—121°57′，北緯36°16′—38°23′。東部與威海市相鄰，西部與濰坊市接壤，瀕臨渤海、黃海。煙臺市屬暖溫帶大陸性季風氣候，雨水適中，空氣濕潤，氣候溫和。至2015年末全市人口700.23萬人，年平均降水量為800.1 mm，年平均氣溫12.5℃，日照時數2 457.8 h。全市土地總面積13 745.95 km2，海岸線全長909 km，其中陸地岸線702.5 km，島嶼岸線206.6 km，岸線曲折、岬灣相間。煙臺6個市轄區：芝罘區、福山區、牟平區、萊山區、經濟開發區及經濟開發產業園區（圖1）。本研究以煙臺市北部沿海區域開發區、芝罘區、萊山區和牟平區的海岸線為基線，以5 km緩沖半徑向內陸一側建立緩沖區作為研究區，圖中黑線表示距海岸線5 km的內陸界線。土地利用類型以建設用地、林地、耕地、草地、濕地為主，海岸線主要分基巖岸線、淤泥質岸線、砂質岸線和人工岸線。沿海區交通便利，社會經濟優越，濱海旅游資源和港口岸線等資源十分豐富。

圖1 研究區位置

2 數據來源及研究方法

2.1 數據獲取及影像處理

為了對煙臺市北部沿海岸線變化進行遙感監測提取，本文數據以Landsat數據為基礎，選取1973年的MISS數據、1989年和2000年的TM數據、2014年的ETM+數據，空間分辨率均為60 m，4個時相的遙感影像圖都是在秋季晴朗的白天所接收，具有相似的氣候和天氣狀況。908專項海岸帶遙感調查數據用于上述各期影像的幾何校正、煙臺市地形圖用于遙感影像配準以及煙臺市2003—2005年的土地利用調查數據。

Landsat TM 4，MISS 4波段為近紅外波段，光譜范圍 MISS：800～1 100 nm；TM 4，ETM+4：760～900 nm，該波段位于水體的強吸收區，用于勾繪水體邊界，識別與水有關的地質構造、地貌等。為了保證遙感圖像的幾何精度達到制圖要求，首先在ENVI 5.1中對遙感影像進行預處理后以908專項的SPOT-5融合影像（空間分辨率2.5 m，定位精度優于10 m）為地理參考，對2000年影像進行配準，以配準好的2000年影像為地理參考，對1973年、1989年、2014年的影像分別進行配準；再以配準好的1989年影像為地理參考，對其余兩期影像分別進行配準。配準后的影像定位精度均滿足本文海岸線變遷研究的需要，4期影像統一為高斯—克呂格投影（中央經線為111°E）、WGS84坐標系，均采用假彩色波段組合，為了更好地反映煙臺市海岸線信息，縮減地面控制點誤差，保證校正精度在1個像元以內，對4個時相的遙感影像圖都進行了適當的圖像增強處理，處理方式為直方圖拉伸。將4個時期的地圖海岸線數字化后迭加在假彩色遙感圖像上，顯示并驗證當時海岸線的真實位置。

2.2 研究方法及信息提取

2.2.1 海岸線獲取方法及提取 地物不同，反射波譜特征不同，不同岸線類型有各自的地貌特征，也有不同的遙感解譯標志，因此，針對不同的岸線類型，對經過處理的影像進行人機交互解譯來提取海岸線信息，確定各類型岸線的具體位置。

水體在Band 5波段的波長范圍1.55～1.75 nm的反射率幾乎為零，可對海陸邊界進行有效區分并削減水底泥沙對岸線提取的影響[14]。按不同海岸類型進行圖像裁剪，各類型海岸線提取方法如下[12-13]：（1）基巖海岸和人工海岸，其共同的特點是水陸分界明顯，通過銳化濾波器進行圖像增強來突出邊緣特征，其中基巖的反射特征高，灰度值大于水體，通過將灰度值臨界點作為閾值進行灰度分割提取邊界為基巖岸線；而人工岸線主要由港口碼頭、養殖區構成，反射率也高于水體，將灰度值分割進行人工岸線提取；（2）砂質海岸，在海浪作用下砂礫不斷堆積而在影像上亮度較高，則先通過中值濾波去掉一些亮度低于砂質而高于非砂質地物的像素，結果發現中值濾波不僅能去除噪聲，同時能保持圖像的不同亮度呈階梯狀，其次通過灰度拉伸使砂質和其他地物區分來提取砂質岸線；（3）淤泥質海岸，在影像上淤泥質岸灘與海水分界明顯，則可通過NDVI指數區分濕地與灘涂，將靠近陸地一側作為淤泥質岸線；在原圖像的海岸線上隨機選取像元，并在提取的岸線上找出對應點，根據發生位移的點的個數確定提取精度[13]。在各期影像中對各類型岸線分別選取20個像元點，結果表明，基巖海岸和人工海岸提取精度大于90%；砂質海岸和淤泥質海岸大于80%，結果總體準確可靠。運用相同方法對各個時期的影像進行處理，得到煙臺市4個時期海岸線輪廓變化圖。

2.2.2 土地利用分類方法 根據煙臺市2003—2005年土地利用調查數據，結合煙臺市具體情況，運用ENVI 5.1監督分類并結合Google Earth比對配準將土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、濕地、水體和建設用地6種土地利用類型。在ArcGIS中對1973年和2014年提取的岸線建立5 km范圍的緩沖區，并以此在ENVI 5.1中裁剪監督分類后的遙感影像，得到所需距離海岸線5 km的研究區，運用ArcGIS的空間分析得到土地類型的面積及分布。

2.2.3 生態系統服務價值評估方法 生態系統的服務價值是指人們能夠直接或者間接從生態系統功能中獲取的產品服務以及利益[15]，包括向社會經濟系統輸入物質能量、接受和轉化來自社會經濟系統的廢棄物，并且直接向人類社會成員提供服務，是對生態系統的服務和自然資本用經濟法則所做的估算。本文主要采用Costanza[15]和謝高地等[16]提出的生態系統單位面積服務價值（表1）及計算方法，對距離海岸線5 km的區域進行生態系統服務價值的貨幣化計算評估。其中，濕地包括庫塘、養殖區，然而隨著沿海養殖區的建設和開發，養殖區有其自身的生態服務價值，也對岸線變化和沿岸景觀產生影響，因而對養殖區的面積和生態服務價值進行單獨核算分析。

表1 不同陸地景觀類型單位面積生態服務價值 元/（hm2·a）

區域內生態系統服務總價值計算公式為：

式中：ESV為生態系統服務總價值[元/（hm2·a）]；Ai為第i類景觀類型的面積；VCi為第i類景觀單位面積服務價值，即生態價值系數。

3 結果與分析

3.1 煙臺市海岸線狀況及變遷分析

1973年、1989年、2000年、2014年煙臺市海岸線變化情況如表2所示。近40年來，煙臺市海岸線受人為開發活動影響劇烈，海岸線總體長度呈不斷增長趨勢，由1973年的148.05 km增長到2014年的204.02 km，凈增長了55.98 km；其中屬于自然岸線的基巖、砂質和淤泥質岸線總體上均呈減少趨勢，分別比1973年減少了31.87%，21.93%和48.62%，總長度減少了37.86 km；而人工岸線持續增加，凈增長93.84 km。1973年，人工岸線僅占自然岸線的11.12%，到2014年人工岸線比例上升到了54.06%，較明顯地表現在夾河口兩岸，1973年夾河口主要用于進出口河沙，沿岸主要為淤泥質岸線，隨著對夾河兩岸進行生態建設以及岸線的內陸延伸，到2014年，淤泥質岸線減少了6.757 km，基本上消失殆盡，而人工岸線增加了29.897 km。岸線類型轉變，長度增加，也改變了近岸的土地類型和結構。

從各時段來看，1973—1989年海岸線總體變化不大，主要人類對沿海地區的開發力度較小，影響程度不大。這一時期，海岸線總體凈增長僅2.81 km，其中基巖岸線增長11.31 km，人工岸線增長18.69 km，年均增長4.86%，而砂質和淤泥質岸線分別減少16.04 km和11.15 km，分別比1973年減少22.40%和61.39%。80年代中期是煙臺市改革開放后經濟迅速發展的一個階段，政府開始對海灣和海岸資源進行有計劃的開發利用，因此，這一時期減少的自然岸線主要在套子灣、芝罘灣附近的淤泥質及砂質岸線。

1989—2000 年海岸線凈增長了15.521 km，其中人工岸線大幅度增長了32.678 km，年均增長7.14%，主要分布在芝罘島、養馬島向陸地一側，其中基巖岸線減少最多，達17.58 km，比1989年減少33.09%，圍海養殖、填海造陸是本時段海岸線變遷的主要影響因素。

2000—2014 年海岸線不斷向海洋與陸地雙方向推進，總長度凈增長了37.65 km，其中人工岸線增長尤為顯著，增長了42.48 km，年均增長4.81%，沿海地區交通運輸的快速發展、海水養殖區域擴展及夾河生態園的建設是其主要影響因素。

3.2 煙臺市近岸土地利用結構動態變化

采用上述方法得到了1973年和2014年煙臺市近岸5 km范圍內的土地利用空間分布和面積變化情況，見表3。

表2 1973-2014年各類海岸線變遷情況

表3 1973年、2014年煙臺市近岸土地利用結構變化

40年間土地總面積增長了95.66 km2，沿海開發使海岸線類型轉變、長度增加，導致研究區發生偏移，夾河兩岸2014年比1973年多出一部分區域，這是由于轉變后的人工岸線向內陸延伸，以此為基準做5 km緩沖區時，再次向內陸選取了5 km區域。由于城市化和經濟快速發展，建設用地迅速增加，主要是環海道路的加擴、港口碼頭的建設以及沿夾河兩岸居民地、生態園的擴建，其原有的耕地和林地逐漸轉化成建設用地。耕地面積增長量僅次于建設用地，但增長率僅有16.20%，變化幅度不大。林地面積減少量最多，由1973年的87.20 km2減少到2014年的44.21 km2，減少了49.30%，主要在芝罘區和萊山區周圍，大部分轉化為建設用地。將養殖區從濕地中提取單獨分析發現，其增長率最高，達到了202.55%，主要分布在養馬島及金山港周圍，由此可知，填海造陸、圍海養殖及沿岸生態公園的開發，不僅改變了海岸線的類型，也使沿岸土地結構發生改變并影響近岸土地生態效應，破壞了島嶼海灣的原有景觀形態，也使淤泥質岸線發展為人工岸線，是造成濕地及水體面積減少、濕地生態系統遭到破壞的直接和根本原因。

3.3 煙臺市近岸土地利用變化的生態效應分析

依據表1、表3和公式（1）計算出1973年和2014年煙臺市距離海岸線5 km范圍內土地利用類型的生態系統服務價值及貢獻率（表4）。

由表4可見，研究區的ESV呈下降趨勢，由1973年的481.74萬元下降至2014年的323.10萬元，40年間減少了158.64萬元，減少幅度達32.93%，主要是由于近年來大規模的海洋開發活動和城市化建設導致生態系統服務功能價值較高的濕地、林地等用地類型減少而建設用地大幅增加造成的。

表4 1973年和2014年煙臺市近岸土地利用類型生態服務價值(ESV)及構成變化

在各類生態用地類型中，單位面積ESV最高的是濕地，為55 489元/（hm2·a），且濕地在兩個時期的ESV貢獻率也最高，1973年為215.20萬元，占生態總價值的44.67%，2014年為103.91萬元，占生態總價值的32.16%，充分說明了濕地在生態系統功能服務方面的重要性。但從ESV的損失來看，濕地的損失量也是最大的，2014年比1973年減少了111.28萬元，損失幅度達51.71%，占EVS總損失量的55.25%。將養殖區從濕地中分離出來單獨計算其面積和ESV可以看出，濕地面積減少、ESV虧損與養殖區面積增加、ESV獲益密切相關，因此養殖區的大面積開發和不合理占用是濱海濕地減少的直接原因。

林地提供的ESV僅次于濕地，但也呈大幅減少的趨勢，2014年為85.47萬元，比1973年減少了83.12萬元，價值損失量達49.30%，占EVS總損失量的41.17%。

耕地提供的ESV僅次于濕地和林地，且呈上升趨勢，由1973年的56.75萬元提高到2014年的24.33萬元，對ESV的貢獻率也由1973年的11.78%上升到2014年的20.14%。根據煙臺市土地利用調查數據可知，在1980s—1990s，耕地面積一度迅速減少，造成人均耕地面積少，耕地后備資源不足。進入21世紀，國家加強了耕地保護政策，2006年煙臺市頒布了《2006—2020年煙臺市土地利用總體規劃》，提出了加強對耕地尤其是基本農田的保護，加大補充耕地力度，嚴格控制非農建設占用耕地。在政策的推動下，耕地面積有所增加，ESV逐步增長。

綜上所述，濕地、林地面積萎縮是造成煙臺市近岸生態系統服務價值降低的主要原因。

4 結論

（1）煙臺市海岸線在1973—2014年的40年間時空異質性變化顯著，主要體現在海岸線長度、形態和類型3個方面。其中長度變化波動較大，前10年增長幅度較緩，中后期隨著改革開放對沿海的開發力度加大，岸線呈持續增長趨勢，大量自然岸線轉變為人工岸線，岸線遷移方向表現為人工岸線向海遷移，其他岸線均向陸地遷移。導致海岸線遷移的主要因素是人類活動的影響，包括沿海交通運輸的發展、大規模的填海造陸和圍海養殖、對沿海地區基礎設施建設不合理以及農林業的產業結構調整等。其次局部區域是沿岸海水侵入、侵蝕與堆積等自然因素造成的。

（2）從近海岸地區的土地類型分布可以看出，人類活動在改變岸線類型的同時也在改變近岸的土地利用類型。受人為干擾強的建設用地、耕地相對演變規律較簡單，而自然性較強的草地、林地、水體及濕地，包括養殖區在人類活動干擾下變化隨機復雜。40年間，經濟和城市化快速發展，海岸線土地利用模式是以建設用地和耕地為主，其他用地類型為斑塊鑲嵌體的景觀結構模式。土地類型空間分布的均衡性和空間占據能力表現出一定正相關關系，空間占據能力越強，空間分布則越均勻。隨著煙臺市工業化和城鎮化向縱深發展，沿海岸線區土地利用結構和空間形態持續發生變化，其中養殖業的快速發展使濕地和水體大量向養殖區轉化，養殖區的面積增長了2倍多。隨著沿海開發熱潮的興起，海洋經濟成為未來經濟發展的重要方向，關注海岸帶開發現狀，優化國土資源空間開發格局，控制開發力度，合理調整空間結構是生態文明建設的必然選擇。

（3）土地利用類型的變化影響和驅動著土地生態服務價值的變動，雖然40年間土地面積增長了95.661 km2，但生態服務價值卻損失了158.636萬元，主要是由于近年來大規模的海洋開發活動和城市化建設導致生態系統服務功能價值較高的濕地、林地等生態用地類型減少而建設用地大幅增加造成的。因此，不能只追求社會經濟發展而忽略了自然生態系統價值，經濟發展要以各系統服務價值平衡持續發展為原則，否則會導致對生態系統無節制利用而造成更嚴重的災害，也會導致物質生產功能下降，經濟發展緩慢。

根據上述研究結果，建議煙臺市合理規劃建設用地，繼續實施退耕還林還草戰略，提高森林覆蓋率，減少水土流失，控制耕地和濕地的減少速度，防止優質耕地流失，對干涸的受破壞的濕地進行適當恢復和有效重建，促進資源和經濟的可持續發展。

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Analysis of the Change in the Land-Use of the Coastal Area and Its Ecological Service Value Effects in Yantai City over the Past 40 Years

DING Ruonan，WANG Yumei
（School of Resources and Environmental Engineering，Ludong University，Yantai，Shandong264025，China）

In order to reveal the spatial and temporal changes of coastline in Yantai City and the change of spatial pattern of land use over the past 40 years，we extracted the length of the coastline with an extension of 5 km along the shore line during four different periods in Yantai City，along with data from the survey on land use.By using Landsat MISS，TM，ETM+remote sensing data and extracting land types in the two periods of 1973 and 2014，we also analyzed the current situation and characteristics of space-time of land use and cover change（LUCC）；the monetary evaluation on landscape has been made based on Costanza′s ecosystem services and Chinese land ecosystem services to value per unit area of coefficients.The results showed that：（1）the total length of coastline has been increasing by 55.976 km during the past 40 years，of which the largest rise took place in artificial coast and the natural coastline of bedrock and silt have been significantly reduced；（2）the total land area had increased by 95.661 km2over the past 40 years，and land reclamation was the main reason for leading to increased land area construction，while the areas of wetlands，forest land and water had substantially reduced；（3）the change of the land use in the total value of ecosystem services has caused the loss of 1 586 360 yuan，of which the loss of ecosystem values of wetlands and woodland make up the largest proportion，that a large number of natural wetlands have been used as building land and that protection of farmland has caused changes in the ecological value of different land cover types.

coastline；land use and cover change；ecosystem services value；landscape pattern；Yantai City

F301.2;P748

A

1005-3409（2017）01-0322-06

2016-02-23

2016-03-15

中國行政體制改革研究基金重大課題（2015CSOARJJKT016，2015CSOARJJKT018）；教育部人文社會科學研究課題（15YJA790053）

丁偌楠（1994—），女，新疆克拉瑪依人，學士，研究方向為資源環境遙感。E-mail：dingrn310＠163.com

王玉梅（1975—），女，內蒙古科爾沁左翼后期人，博士，副教授，主要從事區域環境規劃與評價研究。E-mail：wangym508＠163.com