美國本土海岸帶土地利用變化特征研究

王俊惠 侯西勇 張安定

摘 要：基于美國USGS提供的1992、2001和2011年土地利用數據，利用指數模型等方法研究美國本土海岸帶的土地利用變化特征。結果表明：（1）美國本土海岸帶區域土地利用類型豐富，多樣性突出；其中，林地分布最為廣泛，灌木次之，再次是作物栽培區，開闊水域面積列第4位，其他類型分布面積及占比均較小，常年冰雪帶僅分布于西海岸分區。（2）1992年～2011年，林地大量減少，且主要向開發區、灌木和濕地轉化，作物栽培區和牧草地相互轉換，但牧草地轉換為作物栽培區的面積更為突出；林地和作物栽培區的相互轉化明顯，轉化面積最多；開發區轉換為其他類型較少，又多由林地和作物栽培區等持續轉化而來，面積穩步增長。（3）美國本土海岸帶區域土地利用多樣性緩慢提高，其中，墨西哥灣沿岸土地利用多樣性最高，西海岸最低；各子區域平衡狀態依次為東北海岸>西海岸>東南海岸>墨西哥灣沿岸>全美>佛羅里達州>五大湖沿岸；總體上，1992年～2001年間土地利用類型變化更為劇烈。

關鍵詞：美國；海岸帶；土地利用變化；轉移矩陣；區域差異指數

中圖分類號：K903 文獻標識碼：A

0 引言

21世紀是海洋的世紀，人類活動不斷向海洋擴張，沿海國家尤其是沿海發達國家都制定了海洋發展戰略，其中，海岸帶構成了海洋發展戰略的重要組成部分[1-3]。海岸帶是海陸交替的過渡地帶，是由近海海域、潮間帶和臨海陸域三者構成的有機整體[4]。它處于大氣圈、生物圈、巖石圈、水圈的交界地帶，受各種作用，如地質運動、大氣天氣影響、浪流沖擊、泥沙堆積、人工圍墾等的影響，因而處于持續的動態變化之中[5]。海岸帶的海陸相互作用使其形成了多樣性且高生產力的生態系統，但人類對沿海資源的競爭性開發也引起了一系列的環境和生態問題。土地利用/覆蓋變化是21世紀重要的科學議題之一，也是地理科學最重要的研究領域之一[6]。土地利用是一個動態發展過程，而土地利用變化則是土地利用活動過程的外在表現，是人類利用土地的自然屬性和社會屬性不斷滿足自身發展需要的動態變化過程[7]。21世紀以來，伴隨著全球工業化、城市化和經濟的進一步發展，土地利用發生快速變化也使得生態環境每況愈下[8]，在很多區域其實際負荷已超過生態系統所能承受的極限，導致生態功能退化。土地利用變化直接改變地表的覆蓋程度，影響與人類生存和發展密切相關的環境氣候、生態系統、生物多樣性等[9-13]。海岸帶區域的多界面交互和動態變化特征也使得對海岸帶區域土地利用變化的研究成為各方關注的前沿和熱點。海岸帶土地利用不僅是沿海區域經濟社會可持續發展的基礎和保障，而且也會對海岸帶區域陸地、河口及近海環境和生態產生多方面深刻的影響[14]。因此，監測和研究海岸帶區域的土地利用變化有助于揭示多種壓力影響下的海岸帶變化特征，并有助于科學合理地制定和實施海岸帶綜合管理的政策和措施，以便促進海岸帶區域經濟社會的可持續發展。發達國家/地區海岸帶土地利用/覆蓋變化的過程、特征、問題及管理措施對發展中國家/地區具有參照和借鑒意義，本文針對美國海岸帶土地利用/覆蓋變化的格局—過程特征開展研究，以期為我國的海岸帶管理和可持續發展提供理論支持。

1 區域概況及數據處理

1.1 區域概況

美國是世界上經濟最發達的國家之一，其本土范圍在25°N～49°N和70°W～130°W之間，領土還包括北美洲西北部的阿拉斯加和太平洋中部的夏威夷群島等區域。作為一個海陸兼備的國家，南靠墨西哥灣、東瀕大西洋、西臨太平洋，在大西洋、太平洋和北冰洋的海岸線總計達22680km[10]，海岸帶自然環境復雜多樣。雖然海岸帶區域只占美國本土面積的17%，但超過53%的人口居住于此[11]。基于美國國家氣候評估報告[15]，將美國本土海岸帶分為六個區域（圖1）：西海岸（W）、五大湖沿岸（GC）、東北海岸（NE）、東南海岸（SE）、佛羅里達州（F）和墨西哥灣沿岸（M）。

1.2 數據處理

本文基于USGS（United States Geological Survey）建立的全美土地利用/覆蓋變化數據開展研究[16]。數據以州為單位存貯和提供下載，分辨率為30m；下載1992年、2001年和2011年三期數據，并對海岸帶地物類型進行重分類，確定10種類型作為研究對象（表1）。

2 研究方法

2.1 土地利用動態度

式中，Ka、Kb分別代表某區域某一特定土地利用類型研究初、末期的面積；Ca、Cb分別代表全研究區某一特定土地利用類型研究初、末期的面積。如果某區域某土地利用類型D>1，則表示該區域這種土地利用類型變化程度大于區域平均水平[23-24]。本文將6個海岸帶分區與整體海岸帶進行比較，得出區域差異指數，從而揭示出土地利用變化的熱點區域。

3 結果及分析

3.1 土地利用結構變化

美國本土海岸帶和各個子區的土地利用結構如表2所示，可見：美國本土海岸帶區域土地利用類型豐富，多樣性突出。在整個本土海岸帶區域，林地分布最為廣泛，占28.59%；灌木次之，占16.87%；再次是作物栽培區，占14.78%；開闊水域面積列第4位，占9.02%；濕地面積位列第5，占8.55%；開發區與牧草地面積占比相當，分別為7.77%和7.12%；荒地分布面積及其占比均較小；常年冰雪帶僅分布于西海岸分區。土地利用結構區域差異特征顯著：西海岸主要分布類型為林地和灌木，少量分布的常年冰雪帶是其較為獨特的方面；墨西哥灣沿岸主要為灌木、林地、作物栽培區和草地，荒地所占比例較小；東北海岸主要有林地、開發區和開闊水域，其中林地占比54.07%；東南海岸主要為林地和濕地，合計占比大于53%；佛羅里達州主要為濕地和開闊水域，荒地和草地所占比例較少；五大湖沿岸主要分布著作物栽培區和林地，開闊水域次之，草地和灌木所占比例較小。將整體海岸帶與各分區的土地利用面積比例進行比較，東北海岸、佛羅里達州和五大湖沿岸的開闊水域面積比例均高于整體海岸帶；東北海岸、東南海岸、佛羅里達州和五大湖沿岸的開發區面積比例也均高于整體海岸帶；只有東北海岸和東南海岸的林地面積比例多于整體海岸帶，西海岸林地面積比例與整體海岸帶相差不大；就灌木而言，只有西海岸和墨西哥灣沿岸面積比例高于整體海岸帶；就作物栽培區而言，只有五大湖沿岸的面積比例高于整體海岸帶；就牧草地而言，只有西海岸面積比例低于整體海岸帶；東南海岸、佛羅里達州和五大湖沿岸的濕地面積比例均高于整體海岸帶。

3.2 土地利用類型動態變化

美國本土海岸帶及各子區不同時段的土地利用動態度如表3所示。表中正值代表面積上升，負值表示面積下降，可見：整體而言，荒地、林地、牧草地的面積下降速率較快，開發區、灌木面積上升速率較快；1992年～2001年土地利用動態度普遍高于2001年～2011年，說明 1992年～2001年土地類型面積變化程度更為強烈；西海岸在兩個研究時段內各土地利用類型動態變化都很小，表明美國西海岸土地利用結構最為穩定；除西海岸以外，其他海岸帶區域中的開發區和草地面積呈快速增長趨勢，其余類型都屬于緩慢變化型。

根據土地利用動態度，可以發現，近20年間：（1）西海岸開發區和濕地面積上升速率較大，農作物栽培和荒地下降速率較大，作物栽培區、草地下降速率較小。值得注意的是，常年冰雪帶是西海岸獨有的土地利用類型，但該類型面積隨時間推移持續減少，這可能與最近全球氣候變暖有關；（2）墨西哥灣沿岸荒地、林地、牧草地、作物栽培區下降速率較大，開發區、灌木、濕地上升速率較大；（3）東北海岸的灌木、濕地、開發區上升速率較大，荒地、林地、栽培作物區下降速率較大；（4）東南海岸的開發區、灌木、草地上升速率較大，其中灌木上升速率最大，荒地、林地、作物栽培區下降速率較大，開闊水域、牧草地變化趨緩；（5）五大湖沿岸在前10年荒地和牧草地下降速率較大，其余類型均為上升速率，后10年所有土地類型面積變化速率均為下降趨勢；（6）佛羅里達州的開發區、灌木、牧草地上升速率較大，荒地、林地、作物栽培區、草地下降速率較大。

總體看來，人類活動影響最劇烈的為開發區，在不同子區中面積始終保持較大程度的增長。雖然6個子區域內各土地類型變化程度不同，但林地下降速率最為明顯。1992年～2001年、2001年～2011年兩個時段內各土地類型面積變化量差異顯著，前一時段變化速率明顯高于后者。

3.3 土地利用轉移特征

美國本土海岸帶1992年～2001年、2001年～2011年和1992年～2011年三個時段的土地利用轉移面積矩陣如表4。

1992年～2001年，林地主要向灌木、開發區和濕地轉化，有12.64萬km2轉換為灌木，其次有10.67萬km2林地向濕地轉換，有6.99萬km2林地轉換為開發區，表明人們在開發新型土地利用時大多以占用林地為代價；牧草地主要向作物栽培區、林地和開發區轉化；常年冰雪帶面積較小，與荒地相互轉換；開發區面積變化較為劇烈，總體看來轉入較多，主要來自于林地、作物栽培區和牧草地；荒地以轉出為主，主要轉向林地和灌木；灌木的轉移變化主要表現為其與林地和草地之間的相互轉換；作物栽培區主要由牧草地轉入較多，主要轉為開發區和牧草地；林地、灌木和作物栽培區為草地的主要轉入類型，灌木為草地的主要轉出類型；濕地主要向林地轉化。

2001年～2011年，土地利用變化較為緩和。開闊水域、常年冰雪帶、荒地轉移較少，開發區、林地、灌木、草地、牧草地轉移較多；林地增長以濕地、開發區、牧草地轉入為主，轉出則以開發區和濕地為主；草地與林地之間相互轉換較多，濕地和林地之間轉換較多；灌木主要向林地、草地轉化，可以推測畜牧業在2001年～2011年發展較為迅速；開發區以林地和作物栽培區相互轉換為主，主要向林地、作物栽培區和牧草地轉換，表明人們降低了自然資源開發力度。

對比2個時段，土地利用轉移較為頻繁的是1992年～2001年，主要以開發區、牧草地等人工土地利用類型為主且較為劇烈；2001年～2011年土地利用變化開始放緩，自然土地利用類型變化非常微小，人工土地利用類型變化也逐漸緩和。從20年時段來看：林地向灌木轉換15.25萬km2，而只有2.46萬km2的灌木轉換為林地，林地向濕地轉換10.61萬km2，濕地向林地轉換3.92萬km2，有7.54萬km2的林地轉換為開發區，只有0.82萬km2的開發區轉換為林地，表明林地大量減少，且主要向開發區、灌木和濕地轉化；作物栽培區主要向牧草地轉換，牧草地的主要轉換類型也是作物栽培區，二者雖大面積相互轉換，但牧草地轉換作物栽培區的面積遠遠大于作物栽培區轉出牧草地的面積。綜上可見，全美海岸帶地區林地和作物栽培區的相互轉化明顯，轉化面積最多；開發區未轉換為其他類型，又多由林地和作物栽培區等持續轉化而來，面積穩步增長。

3.4 土地利用區域變化狀態

基于區域變化趨勢與狀態指數計算結果（表5），從時間和空間維度上進一步分析土地利用變化的特征。

時間維度方面：1992年～2001年，大多數土地利用類型指數值較高，不同土地利用類型的數值波動較大，反映全美海岸帶在2001年以前處于快速發展階段；2001年～2011年的指數值較低，趨勢波動平緩2001年后發展呈現飽和狀態，整體發展趨勢平穩；1992年～2001年開發區的指數最高，數值大于0.8，處于極端不平衡狀態，主要表現為其他土地利用類型單向轉換為開發區，反映1992年～2001年城市化進程發展迅速，2001年～2011年各土地利用類型趨勢狀態指數均在0～0.25間波動，處于平衡狀態，體現該時段土地利用類型之間面積轉換較低，城市化進程發展較為平緩。

空間維度方面：開闊水域類型上，佛羅里達州的狀態指數接近0.6，處于不平衡狀態，而其他區域指數都在0.2左右，佛羅里達州在開闊水域類型轉移上較其他區域有明顯的變化優勢。草地類型上，東南海岸的狀態指數接近于1，是極端不平衡，而東北海岸狀態指數趨于0，同為美國東海岸區域，南北差異顯著。各子區域變化狀態均處于準平衡與不平衡狀態之間，平衡狀態依次為東北海岸>西海岸>東南海岸>墨西哥灣沿岸>全美>佛羅里達州>五大湖沿岸，其中佛羅里達州和五大湖沿岸水域變化趨勢均小于整體區域，與二者面積占比有一定關系。其他土地利用類型的區域差異有不同程度的差異，但總體變化趨勢較為相似。

3.5 土地利用變化區域差異

對土地利用變化區域差異指數（D）進行分級：低于平均值取值為0，高于平均值且一倍以內取值為1，高于平均值且大于一倍取值為2，結果如表6。D反映了各種土地利用類型變化在海岸帶區域內部的差異特征，表征特定類型變化的熱點區域和比較各種土地利用類型變化的區域差異。可以發現：20年間在6個海岸帶區域，作物栽培區、草地的變化非常顯著，而且區域差異突出。區域差異最不明顯的類型是濕地，其中表示沒有區域差異的地區幾乎占了一半，特別是在2001年～2011年期間，五個子區域濕地的變化幾乎沒有區域差異。灌木在海岸帶區域的差異最復雜：從整體趨勢看五大湖沿岸耕地變化率低于全美海岸帶灌木的變化率；佛羅里達州沿岸灌木的變化率高于全美海岸帶區域；東海岸和西海岸灌木的變化隨時間變化差異很大。林地在海岸帶土地利用結構中所占比重最大，它的面積變化對海岸帶區域整體的土地利用結構有重要影響，以2001年為分界線，在此之前五大湖沿岸林地面積變化高于海岸帶區域整體水平，西海岸和墨西哥灣沿岸林地區域差異低于整體水平，在此之后西海岸、墨西哥灣沿岸林地面積高于整體水平，五大湖沿岸低于整體水平，而佛羅里達州沿岸林地區域差異一直高于整體水平。

4 結論

基于USGS提供的1992、2001和2011年全美國的土地利用數據，分析美國本土海岸帶的土地利用變化特征，主要結論如下：

（1）美國本土海岸帶區域土地利用類型豐富，多樣性突出。整個本土海岸帶，林地分布最廣泛，占28.59%；灌木次之，占16.87%；再次是作物栽培區，占14.78%；開闊水域面積列第4位，占9.02%；濕地位列第5，占8.55%；開發區與牧草地占比相當，分別為7.77%和7.12%；荒地占比較小；常年冰雪帶僅分布于西海岸局部區域。

（2）從1992年～2011整體時段來看：林地大量減少，主要向開發區、灌木和濕地轉化；作物栽培區主要向牧草地轉換，牧草地的主要轉換類型也是作物栽培區，二者雖大面積相互轉換，但牧草地轉換作物栽培區的面積遠遠大于作物栽培區轉出牧草地的面積。全美海岸帶地區的總體趨勢是林地和作物栽培區的相互轉化明顯，轉化面積最多。開發區多由林地和作物栽培區等持續轉化而來，面積穩步增長。

（3）美國本土海岸帶土地利用變化的階段性特征突出。1992年～2001年，大多數土地利用類型變化速率較大、土地利用轉移較為頻繁；主要表現為開發區、牧草地等人工土地利用類型變化劇烈，表明海岸帶處于快速變化的階段。2001年～2011年，土地利用類型變化速率較小、土地利用變化逐漸緩和；土地利用類型之間的相互轉換處于平衡狀態，內部結構調整呈現均衡態勢。

（4）全美海岸帶區域土地利用多樣性在緩慢提高，其中墨西哥灣沿岸土地利用復雜度最高，西海岸最低。墨西哥灣沿岸的草地、西海岸常年的冰雪帶、東北海岸和五大湖沿岸的作物栽培區、東南海岸牧草地和佛羅里達州濕地狀態指數較低，反映出這些土地利用類型處于較好的平衡狀態。各子區域平衡狀態依次為東北海岸>西海岸>東南海岸>墨西哥灣沿岸>全美>佛羅里達州>五大湖沿岸。

綜上所述，美國本土海岸帶濕地、林地、作物栽培區、草地等生態型土地利用/覆被類型廣泛分布，土地利用的多樣性突出且多樣性仍在上升過程中；自2001年以來土地利用變化的幅度總體趨緩，在一定程度上反映了美國經濟發展速度放緩以及為應對氣候變化背景下海岸帶區域的一系列環境與生態問題而采取的政策與措施起到了較為顯著的成效。我國海岸帶區域人口密集，而且近年來眾多的沿海發展戰略相繼得以實施，海岸帶區域的環境和生態面臨嚴峻的挑戰。研究美國海岸帶土地利用/覆蓋的時空動態，了解其發展的過程和特征以及相關的開發與管理的經驗與措施等，有助于我國沿海各級政府部門加以借鑒，指導我國海岸帶區域的土地利用以及海岸帶綜合管理實踐等。

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Abstract： Based on land use data in coastal zone in mainland USA in 1992， 2001 and 2011， which were created and shared by USGS， characteristics of coastal land use change in mainland USA were studied by means of multiple index models. The results show that： （1） The diversity of coastal land use in mainland USA is prominent. Forest is the most widely distributed land use in the whole coastal zone in mainland USA， followed by shrub， grassland and open water area successively. The other types have limited area and proportion， while the perennial ice and Snow Belt could be found in the west coast area only. （2） From 1992 to 2011， forest land reduced greatly， and mainly changed into developed area， shrubs and wetlands. The grassland mainly converted into crop cultivation area， while amount of crop cultivation area converted into grassland was more significant. Significant inter-conversion between forest land and grassland was observed. And significant increment of developed area was observed， which was ceaselessly converted from woodland， grassland and the others， while the reversed conversions were trivial. （3） Increase of the land use diversity in coastal zone in mainland USA could be observed， although its a little bit slowly as a whole. And， the increase was much more significant in coastal zone in the Gulf of Mexico while very insignificant in the West Coastal Zone. Frequency of interconversions among various types of land use presented sequential features as Northeastern Coast> West Coast> Southeast Coast> Gulf Coast> Florida> Great Lakes Coast.Overall， the land use type changed more frequently from 1992 to 2001.

Key words： USA； coastal zone； land use change； transition matrix； regional difference index