基于LandUSEM模型的山東半島海岸帶土地利用適宜性分析

宋歌，許景偉，楊志軍，韓芳，高蘭，穆豪祥

(1. 山東理工大學 建筑工程學院, 山東 淄博 255049；2.山東省林業科學研究院, 山東 濟南 250014；3.山東省國土空間規劃院, 山東 濟南 250014)

海岸帶作為水圈、巖石圈、生物圈以及大氣圈相結合的敏感地帶，是地球上自然和人為雙重作用用力改造最為強烈的區域之一[1]。在快速城鎮化背景下，大量人口涌入海岸帶地區，沿海城市迅猛發展，導致海岸帶地區土地開發利用的規模和強度進一步增大，海岸帶面臨的壓力日益增加[2-3]。土地利用變化能反映自然格局、過程與人類社會之間最直接的相互關系，是人口、資源、環境可持續發展的基本問題[4]。因此，研究海岸帶的土地利用變化顯得尤為重要。

國內外有很多學者從驅動力分析[5-6]、生態評價[7-8]和土地利用適宜性[9-10]等角度對土地利用進行了研究。Olaniyi等[5]利用馬來西亞雪蘭莪1990和2006年的土地利用數據、生物物理數據和社會經濟數據對其土地利用變化和驅動力進行分析。黃巧等[9]將層次分析法、德爾菲法和Arcgis地理空間分析技術相結合，對老撾沙灣水經濟區的農業用地、林業用地和建設用地進行適宜性評價。前人的研究為土地利用變化分析提供了多種分析角度和方法。但是，目前土地利用適宜性分析研究仍存在以下兩方面問題：一是多采用層次分析法和德爾菲法確定評價因子和權重，易受人為因素的干擾，評價結果具有一定的主觀性；二是分析時間周期較短，在反應土地利用長時間序列變化方面存在不足。

本文以山東半島海岸帶為研究區，以土地利用類型數據、DEM數據和土壤類型數據為基礎，選取對土地利用布局產生重要影響的高程、坡度、坡向和土壤為評價指標，選用LandUSEM模型對1990—2015年山東半島各主要土地利用類型分布的適宜性及變化過程進行分析，進而得到各用地類型適宜分布的環境因子指標范圍，在此基礎上評價2020年山東半島海岸帶的土地利用現狀，以期為山東半島海岸帶土地及空間資源的優化使用、保護海岸帶生態資源提供理論參考。

1 研究區概況

研究區位于山東半島35°05′～37°50′N、119°16′～122°42′E之間的海岸帶(以海岸線為基線，向陸延伸10 km的區域，且包括沿岸的島嶼[11])，行政區涉及濱州、東營、濰坊、煙臺、威海、青島、日照7個地級城市。研究區地處暖溫帶濕潤季風區，年平均溫度12.0～12.6 ℃，年平均降水量688 mm。

山東半島海岸帶包含黃河三角洲(泥質海岸)、萊州灣(西岸泥質海岸、東岸砂質海岸)和屺坶島高角-繡針河口(巖質海岸)3個岸段，地形以平原和丘陵為主，土壤類型主要有棕壤、潮土、粗骨土和濱海鹽土4種類型(圖1)，植被類型以落葉闊葉林和針葉林為主。近30年來，伴隨著經濟社會的迅速發展和城市化進程的加快，山東半島海岸帶土地利用發生很大變化，環境壓力和生態退化問題日益加劇，風暴潮、海岸侵蝕、濕地退化等災害事件頻發[12-13]。

圖1 研究區概況圖

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

1)1∶100萬數字化土壤圖。該數據是2005年由中國科學院南京土壤研究所集體制作的矢量數據，基本制圖單元為亞類，共分12個土綱，61個土類，226個亞類。根據土壤分類體系，研究區所包含的棕壤、濱海鹽土、粗骨土和潮土占總面積的90.47%。因此，將其余面積占比較小的土壤類型歸為其他類。

2)DEM數據。ASTER GDEM 30 m分辨率數字高程數據來源于中國科學院地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)。

3)土地利用類型數據。基于Landsat TM/ETM+/OLI人工目視解譯的1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年6期分辨率為100 m的柵格數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域用地、城鄉建設用地和未利用地6個一級類型以及25個二級類型。根據該分類體系，研究區所包含的土地利用類型有耕地、林地、草地、河渠、湖泊、水庫坑塘、灘涂、灘地、城鎮用地、農村居民點、其他建設用地和未利用地12種。

2020年分辨率為30 m的土地覆蓋數據來源于GLOBELAND30(http://www.globallandcover.com)。根據該現狀分類體系，研究區所包含的土地覆蓋類型有耕地、林地、草地、濕地、水體、人造地表和裸地。

2.2 研究方法

2.2.1 數據分級處理

利用DEM數據提取研究區坡度和坡向數據，參照國內相關研究中的分級方法[14-15]并結合研究區的實地特點，將高程、坡度和坡向數據分別劃分為5級(表1)，其中:高程分級根據研究區平原丘陵為主的地形和海岸帶特殊位置確定；坡度分級根據研究區地貌特征及參考粵東海岸分級標準確定；坡向分級根據研究對象對方向敏感性的強弱采用4方向法確定。

表1 環境條件數據的分級

2.2.2 LandUSEM模型

在人們頻繁的土地改造活動下，土地利用的適宜度可以有效、科學地反映土地利用情況，其值的計算顯得尤為重要。LandUSEM(land use suitability evaluation model)模型可以根據不同用地類型與各影響因子結合的頻度得到土地類型在不同影響程度下的適宜度。在人類意識驅使下，地形因素(高程、坡度、坡向)和土壤類型與土地利用布局之間存在較強的耦合關系：如耕地一般分布在坡度小于2°且土壤肥沃、光照條件良好的區域；建設用地對土壤類型選擇性較低，但通常分布在緩坡向陽區域。該模型將每一類土地類型在各級評價因素中適宜度的整體均方差作為評價因子權重，可以排除人為因素的干擾，更具科學性[10]。此模型的計算過程分為疊加分析、標準化處理、面積百分化、環境因子權值獲取和綜合適宜度評價5步[10,16]，具體實現流程如下：

步驟1：將高程、坡度、坡向和土壤數據分別與6期土地利用類型數據疊加，得到疊加矩陣。

步驟2：將疊加矩陣進行標準化及面積百分化處理。

步驟3：按公式(1)計算單一土地利用適宜度，計算單一適宜度矩陣行方向均方差STDEV以及矩陣方向整體均方差STDEV1。

(1)

式中：Zij是矩陣中第i類土地利用類型相對于第j種某項評價因素不同分級的適宜度；xij是土地利用面積百分化處理后面積矩陣中第i行第j列的值；yij是評價因素分級面積百分化處理后面積矩陣中第i行第j列的值。

步驟4：利用重分類工具對各種疊加組合情況進行賦值，得到單一因素下土地適宜度的柵格數據(Zij)r，按公式(2)將歸一化處理后的權重Kr進行加權運算，獲取綜合適宜度F。

(2)

式中：F為綜合適宜度;Kr為歸一化處理后的各因素權重。

步驟5：為定性評價土地利用適宜性，對綜合適宜度分級處理。因各評價因素均分為5級，對于百分化數據平均值為20，故將適宜度值域為15以下定義為不適宜、(15，25]為臨界適宜、(25,35]為中等適宜、(35,45]為比較適宜、大于45為非常適宜。

3 結果與分析

3.1 1990—2015年土地利用適宜性的差異分析

經土地利用適宜度模型計算，根據單一適宜度矩陣方向整體均方差STDEV1得出1990—2015年土地利用類型在各評價因子下的適宜度權重(表2)，進而獲得歷年土地利用適宜度的評價值。為利用歷史數據進行山東半島海岸帶土地利用適宜性研究，首先需對歷年各海岸帶綜合適宜性進行分級分析，其次分析各岸段在不同時期的土地利用類型轉化情況，最后對比分析各用地類型的適宜度差異。

表2 土地利用類型在各評價因子下的綜合適宜度權重表

3.1.1 綜合適宜性分級分析

總體來看，由歷年數據得出山東半島海岸帶綜

合土地利用適宜性分級情況(圖2)。分析圖2得出：1990—1995年，濱州市和東營市北部海岸帶大部分面積由非常適宜轉為中等適宜，萊州灣沿岸由比較適宜轉為臨界適宜；1995—2000年土地利用適宜性逐漸好轉，濱州市和東營市北部海岸帶由中等適宜轉為比較適宜；2000—2005年，東營市東南部不適宜土地面積減少，適宜性提高，體現在該地區不適宜類型草地轉為中等適宜類型耕地，耕地適宜性在棕壤和潮土類型下高于濱海鹽土，而黃河三角洲地區土壤類型為濱海鹽土，因此其它地區的耕地適宜性優于該地區；2005—2015年各區域土地適宜性趨于穩定狀態。

圖2 1990—2015年山東半島海岸帶綜合土地利用適宜性分級圖

3.1.2 各岸段土地利用類型轉化及適宜性分析

基于各時期土地利用類型數據及綜合適宜度分級數據經計算可知：黃河三角洲岸段土地利用變化最頻繁，1990—1995年土地利用變化最大的類型為未利用地向水域用地轉化，在該轉化過程中適宜性降低的區域占25%，水域用地和城鄉建設用地向未利用地轉化也導致適宜性降低；2000—2005年有29 716 hm2的草地向耕地轉化使土地適宜性提高，各時期未利用地向城鄉建設用地轉化均未造成土地適宜性降低。

萊州灣岸段在2000—2005年土地利用變化最頻繁且變化類型復雜，以水域用地向城鄉建設用地、未利用地以及草地轉化居多，其中，未利用地向草地轉化導致土地適宜性降低。總體來說，該岸段主要土地利用變化類型為水域用地向城鄉建設用地轉化，未造成土地適宜性降低。

屺坶島高角-繡針河口岸段土地利用變化最小，各時期共有12 291 hm2土地適宜性降低，均由耕地向城鄉建設用地轉化導致；在1990—1995年未利用地向林地轉化過程中未造成土地適宜性變化。

研究區三岸段土地利用變化的共性體現在城鄉建設用地增多，說明山東半島城市化進程發展迅速。但減少的土地類型存在差異，主要體現在黃河三角洲岸段多為未利用地，萊州灣岸段多為水域用地，屺坶島高角-繡針河口岸段為巖質海岸且未利用地稀少、分布零散，為耕地向城鄉建設用地轉化。

3.1.3 用地類型差異分析

山東半島海岸帶各時期耕地、城鄉建設用地(城鎮用地、農村居民點和其他建設用地)、水域用地(河渠、湖泊、水庫坑塘、灘涂和灘地)、未利用地為中等適宜以上的面積普遍較大，而林地和草地大部分處在臨界適宜以下。各土地利用類型與綜合適宜度的關系如圖3所示。從圖3中可看出，耕地在各時期中等適宜以上占99%且以比較適宜類型為主，綜合適宜度高，適宜性變化穩定，耕地在黃河三角洲和萊州灣西部岸段多呈中等適宜狀態，在萊州灣東部和屺坶島高角-繡針河口岸段多呈比較適宜狀態；林地適宜性較差，各時期中等適宜以上占52%～58%且在各適宜類型面積均勻分布；城鄉建設用地各時期中等適宜以上占94%～99%，且非常適宜類型在2005年達到峰值后呈穩定狀態，說明該土地利用類型適宜性呈好轉趨勢；水域用地和未利用地不同適宜類型面積在各時期變化頻繁，但兩者中等適宜以上面積變化不大，分別占94%～96%和92%～99%。各時期未利用地和水域用地向城鄉建設用地轉化頻繁且適宜性變化穩定，主要原因在于未利用地和水域用地主要分布于較平坦(坡度0°～2°)的濱海鹽土類型區，而城鄉建設用地在該條件下適宜度高。

圖3 各土地利用類型與綜合適宜度的關系

3.2 基于歷史數據的適宜性評價與現狀分析

根據1990—2015年各土地利用類型在單一條件下的平均適宜度，利用重分類工具分別為高程、坡度、坡向和土壤分級數據賦值，得到各土地利用類型在單一條件下的適宜度柵格圖；根據6期單一適宜度矩陣行方向均方差STDEV求取行方向均值STDEV2并歸一化處理，得到各因子對各土地利用類型的影響權重(表3)；進行加權運算，得到各土地利用類型在研究區內可適宜分布地區，利用土地利用類型可適宜分布結果與2020年土地利用類型數據疊加分析，對2020年土地利用適宜性現狀進行評價。

表3 不同土地利用類型在各評價因子下的適宜度權重表

3.2.1 主要用地的適宜地區分布

根據單一條件下土地利用類型適宜度以及各因子對耕地、林地和城鄉建設用地的影響權重，分析研究區耕地、林地及城鄉建設用地可適宜分布地區。適宜地分布的研究結果表明：耕地適宜分布在萊州灣岸段東部以及屺坶島高角-繡針河口岸段的大部分地區，萊州灣西部及黃河三角洲岸段為中等適宜的原因為該地區土壤類型為濱海鹽土，受鹽漬化影響，屺坶島高角-繡針河口岸段不適宜發展耕地的地區主要受高程和坡度的制約；林地適宜分布在嶗山地區且處于非常適宜狀態，與該地區海拔高、坡度大有關，在煙臺市、威海市以及青島市的山地丘陵地區也適宜發展林業用地；城鄉建設用地在黃河三角洲岸段和萊州灣西部岸段0 m以下地區為臨界適宜狀態，在該地區高程0 m以下區域不宜開發城鄉建設用地，在屺坶島高角-繡針河口岸段適宜性相對較差。

3.2.2 2020年土地利用現狀的適宜性分析

基于耕地、林地及城鄉建設用地適宜性評價結果對2020年土地利用現狀進行評價(圖4)可知：耕地面積比較適宜以上占84%，適宜性較低的地區主要分布在黃河三角洲岸段，在該岸段主要受土壤條件的制約，黃河三角洲岸段耕地面積與1990年相比增加，增加的耕地處于中等適宜狀態，其它岸段與1990年相比減少，減少的耕地處于比較適宜以上狀態；研究區林地比較適宜以上占50%，林地在以海岸線為軸線、向內陸延伸1 km范圍內的沿海防護林區域適宜性比嶗山等山地地區稍低，但該區域也應大力發展林業用地以保護海岸帶；城鄉建設用地比較適宜以上占70%，中等適宜地區分布在煙臺市、威海市和膠州灣沿岸。

圖4 2020年土地利用類型適宜等級分布

4 結果與討論

1)總體來看，山東半島海岸帶各時期土地利用適宜性均以比較適宜和非常適宜為主，近年內各區域土地適宜性趨于穩定。在1990—2015年土地利用類型變化存在差異，黃河三角洲岸段土地利用變化最頻繁，其次是萊州灣岸段，屺坶島高角-繡針河口岸段變化最小。

2)耕地和城鄉建設用地在各時期均處于中等適宜以上水平，耕地綜合適宜度高且適宜性變化穩定，林地的適宜性較差。各時期未利用地和水域用地向城鄉建設用地轉化頻繁且適宜性變化穩定。

3)耕地適宜區分布在萊州灣岸段東部以及屺坶島高角-繡針河口岸段的大部分地區，林地適宜區分布在嶗山地區且處于非常適宜狀態；城鄉建設用地在屺坶島高角-繡針河口岸段適宜性較黃河三角洲岸段和萊州灣西部岸段稍低。

4)2020年山東半島海岸帶耕地適宜性與2015年相比未發生明顯變化；林地適宜性提高，比較適宜以上占比較2015年增加16%；城鄉建設用地適宜性降低，比較適宜類型以上占比較2015年減少11%。

由土地利用類型轉化及適宜性變化可知，土地利用類型的變化不一定引起適宜等級的變化。在進行土地利用開發時，若開發前后適宜性保持不變或為提高狀態，則說明此種開發模式可行性高；若適宜性降低，則說明之前的土地利用類型更適宜該地區，則應調整開發模式，將土地利用效率提高到最大化。根據以上研究，建議在土地利用規劃過程中，應遵循土地適宜性原則，“宜農則農、宜林則林”；在耕地受城鎮化影響最大的屺坶島高角-繡針河口岸段，優先開發耕地適宜性較低的區域，推廣高效生態農業土地利用模式；此外，黃河三角洲和萊州灣岸段未利用地和水域用地適宜性好，可開發潛力大，在保護濕地的前提下，該區域可適當適時開發未利用地和水域用地以滿足區域經濟建設需要。

本研究僅選取影響土地利用的底質條件進行適宜性評價，未考慮社會發展潛力因素以及海岸帶特殊地理位置特征，若能將這兩者考慮其中，則可以更加理想地評價山東半島海岸帶土地利用適宜性；同時，本研究是針對6種土地利用類型的綜合適宜性評價，從實踐意義上來看，針對特定的土地利用類型評價以及規劃更有實際意義，是今后研究的主要方向。