2005—2020年環渤海地區土地利用變化及驅動因素研究

摘 要：作為拉動我國北方經濟增長的重要經濟體，環渤海地區已成為我國北方最具經濟活力的地區之一，在我國經濟建設發展過程中起著舉足輕重的作用。以遙感數據為基礎，利用相關社會經濟數據，從時間和空間兩個維度對環渤海地區9個典型城市（北京市，天津市，河北省石家莊市、保定市，山東省濟南市、青島市、煙臺市，遼寧省大連市、沈陽市）2005—2020年的土地利用變化及其驅動因素進行分析。結果表明，2005—2020年環渤海地區的耕地和草地面積減小，而建設用地、水域和未利用地的面積有所增加；從驅動因素來看，自然因素和經濟社會因素共同影響環渤海地區土地利用/覆被變化。

關鍵詞：土地利用；驅動因素；耕地面積；建設用地；環渤海地區

中圖分類號：F301.2 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2023）02-153-5

0 引言

土地利用／覆被變化（Land Use/Cover Change，LUCC）是全球環境變化的重要組成部分和主要原因之一［1］。自20世紀90年代以來，關于LUCC的研究已成為全球環境變化研究的重點領域和我國資源科學、地理學、遙感信息科學等多學科的研究熱點［2］。

環渤海地區已成為我國北方最具經濟活力的地區之一。而近年來，環渤海地區卻面臨著土地利用結構不合理及利用強度不高等問題，嚴重制約區域協調發展。因此，了解環渤海地區的土地利用/覆被變化與其驅動因素，對當地加強土地規劃和促進區域土地合理利用意義重大。近年來，針對環渤海地區土地利用狀況及其變化，不少學者開展了相關研究［3］。例如，吳莉等［4］基于Landsat TM/ETM遙感影像數據，分析2000—2010年環渤海地區海岸帶土地利用變化情況，但其研究區域僅限于海岸帶，并未對內陸地區及土地利用變化的驅動因素展開分析；朱會義等［5］利用遙感和地理信息系統方法，揭示1985—1995年環渤海地區土地利用的時空變化特征及其驅動因素的影響，但分析研究的驅動因素僅涉及社會經濟層面，對于自然層面的驅動因素分析較少。

筆者以遙感數據為基礎，利用相關社會經濟數據，從時間和空間兩個維度對環渤海地區9個典型城市（北京市，天津市，河北省石家莊市、保定市，山東省濟南市、青島市、煙臺市，遼寧省大連市、沈陽市）2005－2020年的土地利用變化進行分析，以期探明該區域土地利用變化和土地利用類型相互轉換的機制及驅動因素，以助力區域土地資源可持續利用和經濟社會可持續發展。

1 研究區概況

環渤海地區包括北京市、天津市及遼寧省、河北省、山西省、山東省和內蒙古自治區的中部地區，全區陸域面積達112萬km2，共有157個城市。為綜合考慮統計單元典型性，此研究選取9個典型城市（北京市、天津市、石家莊市、保定市、濟南市、青島市、煙臺市、大連市及沈陽市）作為研究對象。研究區地處暖溫帶季風氣候區，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，降水主要集中于夏季，多年平均降水量610 mm，季風性氣候顯著。研究區地形主要是平原和丘陵。截至2020年，研究區總人口達10 043.94萬人，國內生產總值為103 776.63億元。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

此研究所用的土地利用數據由中國科學院資源環境科學與數據中心提供，為2005年、2010年、2015年、2020年共4期分辨率為1 km的土地利用遙感監測數據。此研究通過Arcgis10.7疊加各市行政邊界獲得其土地利用數據，且根據中國科學院資源環境數據庫技術標準分類等級，結合研究區土地利用特點，將土地利用類型分為6類：耕地、草地、林地、水域、建設用地和未利用土地。此研究所用社會經濟數據來源為9市4期統計年鑒，包括地區生產總值（GDP）、人口數量等指標。研究區氣象資料來自中國氣象數據網，并通過對其進一步計算，進而對影響研究區土地利用變化的氣候驅動因素進行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態度。單一土地利用動態度指數可定量描述土地利用變化的速度，預測土地利用變化的區域差異和趨勢［6］。

[K=Ua-UbUa×1T×100%] （1）

式（1）中：K為研究期內某種土地利用類型的動態度，即年變化率；Ua、Ub分別為研究初期及末期某種土地類型的面積；T為研究時段長度。

綜合土地利用動態度（L）用于分析研究區土地利用類型整體的數量變化。

[L=i=1nΔΜUi-j2i=1nΔΜUi×1T×100%] （2）

式（2）中：L為研究初期第i類土地利用類型的面積；ΔMUi-j為第i類土地利用類型面積轉化為非i類土地利用類型面積的絕對值；ΔMUi為前期土地利用類型的面積；n為土地類型數（n=1，2，3，…）；T為研究時段長度。當T設定為年時，L的值就是該研究區土地利用年變化率［7］。

2.2.2 氣象數據。在提取研究區年均降水量和氣溫數據的基礎上，利用累積距平法對研究區研究期內的年均降水量和氣溫變化特征和趨勢進行分析。

[ADi=i=1n（xi-x）/x] （3）

式（3）中：ADi為研究期內某年的年均氣溫或降水量的累積距平值，xi為某年的年均氣溫或者降水量，[x]為研究期內的多年平均氣溫或降水量。

3 環渤海地區土地利用變化的時空分析

3.1 研究區土地利用變化過程分析

為研究2005—2020年環渤海地區（以典型區域為代表）的土地利用類型變化方向，筆者利用綜合土地利用變化動態度計算方法求出該研究區域的土地利用轉移矩陣（見表1）。

由表1可知，環渤海地區土地利用的主要轉移類型是耕地、建設用地和林地之間的轉化。其中，耕地轉出面積位于所有地類之首，主要轉向建設用地和林地。15年間，環渤海地區耕地轉化成建設用地的面積達到了11 348.20 km2，約占耕地總轉出面積的57.12%。這表明隨著城市的擴張和人們生活水平的提高，特別是城鎮化和工業化發展下，大量耕地轉化為居住用地和交通用地，造成耕地面積減少。此外，15 a間環渤海地區耕地轉化成林地的面積為3 782.15 km2，約占耕地總轉出面積的19.04%。這主要得益于自2009年渤海環境保護省部際第一次聯席會議以來，國家林業和草原局從渤海沿海區域濕地保護、沿海防護林建設、退耕還林和自然保護區建設入手，不斷加強環渤海地區生態修復所取得的顯著成效。在研究期內，環渤海地區草地面積有所減小，主要是轉化為耕地和林地，轉化成耕地和林地的草地面積之和占草地總轉化面積的83.07%。這表明環渤海地區為適應城市的高速發展和滿足更多人的生活需求而不得不進行過度墾荒，一定程度上對生態環境帶來不可逆轉的危害。在研究期內，環渤海地區水域面積有所增加，其主要轉化來源為耕地。這說明隨著社會的發展，人們的環保意識不斷增強，積極退耕還林、還水域。在研究期內，環渤海地區未利用地面積也有所增加，其主要轉化來源為水域，面積比例達54.22%。其部分原因可能是濱海地區土壤受到海水浸漬而形成鹽堿地，而鹽堿地作為未利用地的重要組成部分，勢必也會帶來未利用地面積的增加。

3.2 研究區土地利用變化程度分析

通過對環渤海地區（以典型區域為例）2005年、2010年、2015年和2020年4個時間截面土地利用數據的統計分析，總結2005—2020年環渤海地區土地利用的變化程度及區域內土地利用的差異。

2005—2020年，研究區內耕地的土地利用動態度為-0.01%。其中，天津市為-0.80%，北京市為-1.42%，保定市為-0.59%，石家莊市為-0.77%，濟南市為-0.49%，大連市和沈陽市分別為-0.09%和-0.42%。此變化多由于產業結構調整對耕地的占用，還有各種自然和人為因素影響下水土流失等現象造成的耕地面積減小。2005—2020年，青島市和煙臺市耕地利用動態度分別為0.27%和0.17%，其新增耕地包含土地開發整理和高標準農田建設新增耕地。2005—2020年，研究區草地的土地利用動態度為-0.78%。其中，北京市為-0.07%，河北省保定市為-0.40%，山東省濟南市、青島市和煙臺市分別為-1.16%、-4.21%和-1.81%，遼寧省大連市和沈陽市分別為-1.34%和-1.82%。不難看出，研究期內山東省和遼寧省草地面積的減小趨勢十分明顯。沈陽市在2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年內的草地土地利用動態度分別為-0.28%、-0.29%和-5.02%，大體呈穩步下降趨勢。但河北省石家莊市和天津市的草地土地利用動態度卻有所提高，天津市甚至高達3.61%。2020年天津市高覆蓋草地占草地總面積的97.35%，與2015年相比增加近62%，并集中分布于中北部和西南部，對于涵養水源起到巨大作用。2005—2020年，研究區林地的土地利用動態度為0.52%。其中，天津市為0.71%，北京市為0.11%，保定市為0.04%，沈陽市為0.25%，石家莊市為-0.57%，濟南市、青島市、煙臺市和大連市分別為-0.91%、-0.56%、-0.58%和-0.65%。研究期內京津冀主要地區林地面積增加的原因在于政府積極加大退耕還林還草還濕支持力度，加快改善京津冀水生態環境。而研究期內山東省及遼寧省部分地區林地面積減少的原因主要在于隨著城市發展進程的加快，亂砍濫伐林木及非法爭占林地的現象屢禁不止。2005—2020年，研究區水域土地利用動態度為0.46%。其中，青島市在2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年內的土地利用動態度分別為0.52%、0.10%和5.96%，煙臺市分別為0.68%、-0.06%和18.43%。2015—2020年，上述兩地水庫坑塘面積均有所增加，水庫坑塘對于蓄水防旱的作用不容小覷。2005—2020年，研究區建設用地的土地利用動態度為2.95%。其中，天津市為2.88%，北京市為2.30%，保定市為3.98%，石家莊市為4.83%，濟南市、青島市和煙臺市分別為4.35%、1.27%和2.23%，大連市和沈陽市分別為3.64%和2.35%。由上述數據不難看出建設用地面積增長之快，其原因主要在于高速擴張的城市規模和不斷增長的人口總量導致建設用地面積需求量不斷增大。以天津市為例，其在2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年的建設用地土地利用動態度分別為0.57%、0.85%和6.91%，反映出該地建設用地面積與日俱增的趨勢。2005—2020年，研究區未利用地的土地利用動態度為7.37%。其中，天津市為25.22%，北京市為100.00%，保定市為40.91%，石家莊市為93.33%，濟南市、青島市和煙臺市分別為-6.06%、-3.25%和-3.03%，大連市和沈陽市分別為6.11%和5.25%。天津市、北京市、保定市和石家莊市未利用地面積變化劇烈的原因在于2015—2020年當地沼澤地面積的顯著增大。近年來，京津冀陸續制定并實施多項濕地保護政策，不斷恢復建設濕地，嚴格濕地用途管控，對于保護生物多樣性、恢復生態環境做出巨大貢獻。而山東省未利用地面積的減小主要在于多年來山東省采取“改土”與“改種”相結合的策略，致使鹽堿地面積不斷縮小。

3.3 研究區土地利用空間差異

為了更加直觀地研究環渤海地區土地利用的空間差異，筆者利用綜合土地利用動態度測度不同時期不同地區土地利用動態變化。通過計算可知，濟南市2005—2010年土地利用動態度明顯大于同處于山東省的煙臺市和青島市，主要原因在于2005—2010年濟南市其他地類土地利用動態度在與同時期后兩市相差較小情況下，其建設用地的土地利用動態度高達2.23%，明顯高于同時期后兩市建設用地的土地利用動態度。而2005—2010年濟南市耕地面積減小了108.00 km2，說明其建設用地面積的擴大是以犧牲其他地類的面積為代價的。究其原因在于隨著人口的增加，城市居民住房與農村宅基地建設不可避免地占用耕地，加之城鎮化進程的加快，各類交通用地占用耕地的趨勢也愈發明顯。同處于環渤海地區東北部的沈陽市2010—2015年土地利用動態度明顯低于大連市。通過計算發現，2010—2015年沈陽市草地的土地利用動態度為-0.29%，而大連市為-0.11%，減少的草地部分向建設用地和耕地轉化。究其原因在于隨著城鎮化進程的加快，工礦、道路等建設用地占用了大量草地。同時，為滿足糧食需求而出現的盲目開墾、過度開墾等，也成為草地面積不斷減少的原因之一。就同處于環渤海地區西部的京津冀三地而言，天津市2015—2020年的土地利用動態度要明顯高于其他兩地。通過計算發現，2015—2020年天津市林地的土地利用動態度為2.67%，而北京市、保定市與石家莊市只有0.4%、0.07%和-1.66%，林地面積擴大是天津市土地利用動態度提高的主要原因。2015—2020年，天津市推行了諸多有關林地保護的政策方針，如《天津市雙城中間綠色生態屏障區造林綠化專項規劃（2018—2035年）》。在方針政策的驅動下，天津市林地面積不斷增加，對于保護生態環境、促進國民經濟發展起到巨大作用。

4 土地利用變更的驅動因素分析

4.1 自然驅動因素

降水和氣溫等氣候要素始終處于動態變化的過程中，且共同對土地利用的變化產生影響。由圖1可知，2005—2020年環渤海地區平均氣溫為11.06 ℃，總體來說氣溫變化趨勢并不明顯。2005—2010年研究區的平均氣溫出現小幅下降，隨后在2010—2020年又呈現逐年上升趨勢。2005—2020年，研究區平均降水量為610.86 mm，最高降水量達661.22 mm，最低降水量為541.02 mm。2010—2015年，環渤海地區年平均降水量下降趨勢十分明顯。結合土地利用動態度數據后發現，2010－2015年研究區水域的土地利用動態度為-0.48%，在同期六大地類土地利用動態度中排名最低；加之同期年平均氣溫有所升高，水分大量蒸發將地下水中的鹽分聚積于表層土壤，進而使鹽堿地面積增大，2015年鹽堿地面積比2020年多69.00 km2。

4.2 社會經濟驅動因素

筆者選取人口增長數量、地區生產總值，以及國家針對環渤海地區制定的相關政策，探究經濟社會驅動因素對環渤海地區土地利用變化的影響。

人口增長和經濟發展趨勢在一定程度上可以決定土地利用的變化方向。由圖2可知，2005—2020年，研究區人口由3 077.88萬人迅速增長至10 043.94萬人，增長率為226%。人口的迅速增長帶來了更多的勞動力，在推動經濟市場發展的同時，會造成住房等建設用地面積擴大。人口增長也會帶來更多的糧食需求，推動更多的地類向耕地轉化。2005—2020年，研究區耕地轉入面積高達15 620.31 km2，居各地類轉入面積之首；建設用地面積從2005年的15 296.00 km2增至2020年的22 070.00 km2，增長率為44.2%。而社會經濟的發展是土地利用結構變化的最根本動力。2005—2020年，研究區生產總值由24 407.53億元迅速增長至103 776.63億元。一方面，經濟的高速發展對于調整產業結構、擴大經濟發展規模、提高國家經濟實力有著舉足輕重的作用；另一方面，經濟的高速發展也會帶來土地利用強度的增加及對土地需求量的不斷上升。環渤海地區多年來大力發展第二、第三產業。在這種產業結構的影響下，此區域大量耕地轉化為建設用地，造成優質耕地資源持續減少。2005—2020年，研究區耕地轉出總面積高達19 867.90 km2，同樣居各地類轉出面積之首。

政策因素對于土地利用具有一定的導向作用。筆者通過總結歸納近年來國家為保護環渤海地區各地類制定的政策，從以下幾方面分析政策因素對環渤海地區土地利用變化造成的影響。首先，為保護濕地，有效發揮濕地涵養水源的作用，《渤海綜合治理攻堅戰行動計劃》要求到2020年底完成渤海濱海濕地生態修復規模不低于6 900 hm2。在濕地生態修復相關政策的支持下，環渤海地區濕地面積增加，極大地發揮了濕地涵養水源的作用。其次，為保護林地，發揮林地在改善生態環境等方面的作用，自2009年渤海環境保護省部際第一次聯席會議以來，國家林業和草原局從沿海防護林建設、退耕還林等方面入手，加強沿海區域生態修復。多年來，退耕還林政策發揮了巨大作用，耕地已成為該區域林地轉入的第一大地類。最后，針對水域方面，自2017年原國家海洋局印發《關于進一步加強渤海生態環境保護工作的意見》，要求控制開發強度以來，環渤海地區海洋生態環境有了明顯好轉，水域面積不斷擴大。與2015年相比，2020年環渤海地區水域面積增加了542 km2，增長率達到10.5%。

5 結論

筆者以遙感數據為基礎，利用相關社會經濟數據，從時間和空間兩個維度對環渤海地區9個典型城市2005－2020年的土地利用變化及其驅動因素進行分析，得出如下結論。

2005－2020年，環渤海地區耕地和草地面積減小，而建設用地、水域和未利用地面積有所增加。其中，耕地轉出面積位于所有地類總轉出面積之首，主要轉向建設用地和林地。

從土地利用/覆被變化的驅動因素來看，自然因素和社會經濟因素共同影響環渤海地區土地利用/覆被變化。在自然因素中，氣候的變化主要影響水域及鹽堿地面積的變化；在社會經濟驅動因素中，人口增加和地區生產總值的增長主要造成耕地面積的減小與建設用地面積的增加；政策因素主要作用于濕地、林地和水域，造成三者面積的增加。

通過以上研究分析，建議我國今后嚴格落實耕地保護硬措施，嚴守耕地紅線，推進土地集約高效利用；繼續出臺并實施環境保護相關的政策文件，發揮草地、林地在防風固沙、改良土壤等方面的積極作用；加強濕地保護，進一步發揮濕地在保護生物多樣性、涵養水源方面的作用；注意海洋環境保護，以推進經濟社會等方面協調發展。

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