崔勝輝，丁晟平，徐禮來，湯劍雄，李方一，沈育生

(1.中國科學院城市環(huán)境研究所、城市環(huán)境與健康重點實驗室，福建 廈門 361021； 2.廈門市城市代謝重點實驗室，福建 廈門 361021；3.中國科學院大學，北京 100049； 4.合肥工業(yè)大學管理學院，安徽 合肥 230009)

國土開發(fā)是人類與自然耦合系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，是人類與環(huán)境相互作用的主要形式[1]。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(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本問題[2]。尤其在海灣地區(qū)，工業(yè)化與城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，土地利用變化劇烈，人地矛盾更為突出，陸海統(tǒng)籌的需求凸顯。

從1995年國際上提出“土地利用/土地覆被變化”研究計劃后，國內(nèi)外已有豐富的沿海地區(qū)土地利用變化的研究，主要集中在土地利用變化的規(guī)模和速度、結(jié)構(gòu)、程度、擴張形式等時空變化特征[3-11]、驅(qū)動力機制[12-14]以及生態(tài)效應研究[15-20]。空間尺度上從海灣[3-6,15]、海岸帶[3,7-8]、海島[9]到發(fā)達省市[10-11,13,16-18]、國家[14,20]都有研究。如馮雪等(2016)對比分析了峴港灣和深圳灣1987—2015年土地利用變化的幅度、速度和程度，發(fā)現(xiàn)兩灣耕地、林地、水體都有減少，建設用地大幅增加[4]；吳莉等(2015)分析了2000—2010年環(huán)渤海省市海岸帶土地利用、海陸格局變化特征，發(fā)現(xiàn)環(huán)渤海省市土地利用變化的區(qū)域差異和陸海梯度特征非常顯著[11]。在研究方法上，土地利用動態(tài)度作為定量描述區(qū)域土地利用變化的速度和區(qū)域差異的指標，在已有研究中得到廣泛應用[4-5,7,11-12]。但是，以往的研究大多僅針對土地利用變化的規(guī)模、速度、結(jié)構(gòu)等某些方面，研究時間以10～30 a中小尺度居多，長時間序列的綜合土地利用演變過程研究較少，且大多關注陸域土地利用變化，將陸域與海域進行綜合分析的研究尚不多見。然而，海域與陸域開發(fā)在資源、環(huán)境等方面的沖突和矛盾日趨尖銳[21]，當前對于海灣地區(qū)國土開發(fā)利用規(guī)律的認識尚不足以支撐國土開發(fā)陸海統(tǒng)籌的決策，迫切需要深入探討。

本研究以廈門市馬鑾灣為例，綜合歷史地圖、遙感影像等多源數(shù)據(jù)，采用人機交互圖像處理的方法獲取了1957—2017年間9個時期的土地利用數(shù)據(jù)，從規(guī)模、速度和結(jié)構(gòu)3個方面分析了60年間馬鑾灣陸域和海域開發(fā)利用特征，以期揭示我國海灣地區(qū)不同發(fā)展時期的國土開發(fā)規(guī)律，為海灣地區(qū)國土開發(fā)與管理提供借鑒意義。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

馬鑾灣與廈門本島西北部隔海相望，西北邊和南邊分別有天竺山和蔡尖尾山構(gòu)成的天然生態(tài)屏障，地形從西北、南兩側(cè)向馬鑾灣水域傾斜，形成典型的海灣地形特征(圖1)。研究區(qū)涉及集美、海滄兩個行政區(qū)，總面積為62.21 km2，1957年常住人口約為3.2萬人，2017年增長為31.8萬人左右。研究區(qū)內(nèi)有廈門市重要的工業(yè)區(qū)含杏濱工業(yè)區(qū)、新陽工業(yè)區(qū)， 2015年進入馬鑾灣新城建設的新階段，新城規(guī)劃總面積約為37.00 km2，規(guī)劃人口為40.0萬人，新城定位為海峽兩岸合作的地區(qū)性服務基地、產(chǎn)城融合的國際化智慧生態(tài)海灣新城。從1957年半農(nóng)半漁的農(nóng)村發(fā)展到2017年高度城市化的城區(qū)，60年間馬鑾灣主導產(chǎn)業(yè)從“農(nóng)業(yè)-工業(yè)-工商業(yè)”逐步轉(zhuǎn)變，工業(yè)化與城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，土地利用變化顯著，是中國沿?？焖俪鞘谢牡湫蛥^(qū)域之一。

圖1 馬鑾灣地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用變化速度模型 土地利用變化速率可以用土地利用動態(tài)度表示，計算公式[22]為

(1)

(2)

式(1)、(2)中：K代表單一土地利用動態(tài)度，Ub和Ua分別是末期和初期某一土地利用類型的面積(hm2)，T為研究時段(a)，LC為綜合土地利用動態(tài)度，n為土地利用類型數(shù)量，LUi為初期i類土地類型面積(hm2)，LUi-j為i類型轉(zhuǎn)化為其他土地類型面積變化的絕對值。

1.3 數(shù)據(jù)來源和處理

1.3.1 數(shù)據(jù)來源 土地利用來源數(shù)據(jù)包括：①歷史圖集，其中包括1957、1972、1983、1992、1997、2002年廈門市地圖；②1972—2017年期間的8期遙感影像(表1)，其中MSS、TM影像來源于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov)，SPOT 5、SPOT 7和Worldview II為高分辨率影像；③廈門市10 m分辨率DEM數(shù)據(jù)；④其他輔助資料，如地方志、行政區(qū)劃圖，并進行了相關外業(yè)調(diào)查，為土地利用解譯提供了重要支持。

表1 馬鑾灣遙感影像數(shù)據(jù)表

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 本研究的海域范圍指起始年(1957年)研究區(qū)岸線以內(nèi)海域(含灘涂)，如圖1所示。應用ENVI 5.2軟件對影像進行幾何校正、圖像增強等預處理，以2013年Worldview II影像為基準對其他影像、歷史圖集進行配準；結(jié)合輔助資料，在ArcGIS 10.5中人工矢量化提取1957年土地利用信息；利用面向?qū)ο蟮姆椒?，在eCognition 8.7軟件中提取遙感影像的土地利用信息；再結(jié)合歷史地圖、實地調(diào)查等資料目視解譯以局部校正提取結(jié)果。參照土地利用現(xiàn)狀分類國家標準[23]，將土地類型分為草地、紅樹林、灘涂、鹽田、耕地、林地、村莊用地、工業(yè)用地、交通用地、其他城鎮(zhèn)用地、養(yǎng)殖用地、水體和未利用地共13類，最終得到9個時期的土地利用類型圖。

1.3.3 精度驗證 由于研究區(qū)尺度小，本研究綜合多源數(shù)據(jù)目視解譯得土地利用類型圖，對不確定的地塊通過歷史圖集、野外考察逐一比對，對錯分的地塊手動修正，從而提高分類精度。對土地利用解譯數(shù)據(jù)開展了2次野外考察，累積考察面積大于2 500 hm2，約占研究區(qū)面積的40.2%，共收集了66個驗證點對2017年土地利用數(shù)據(jù)開展精度驗證，共有61個點解譯正確，解譯精度為92.4%；對于1957、1972、1987、1992、1997、2002、2007年土地利用數(shù)據(jù)的精度驗證，每期隨機生成80個采樣點，通過查閱地方志、歷史地圖等資料，訪談當?shù)鼐用癫椭麄兓貞洰斈晖恋乩眯畔ⅲ@取相應驗證信息，80個驗證點中分別有66、65、68、69、72、73、78個顯示解譯正確，驗證精度均大于81.3%。數(shù)據(jù)精度符合研究的需要。

2 結(jié)果與討論

2.1 總體土地利用空間變化

如圖2所示，1957—2017年馬鑾灣土地利用變化劇烈，空間差異顯著。工業(yè)化和城鎮(zhèn)化導致建設用地迅速蠶食耕地和生態(tài)用地，生產(chǎn)用地從“農(nóng)業(yè)-工業(yè)-工商業(yè)”逐步變遷，生活用地由村莊用地逐步轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)居住用地，生態(tài)用地由自然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為人工生態(tài)用地，其中紅樹林、灘涂、鹽田在1972年后逐步消失。馬鑾灣城區(qū)自北向南、自東往西擴展，最先開始于杏濱街道，到1991年向南擴張了新陽工業(yè)區(qū)，2003年向西即東孚鎮(zhèn)擴張，陸域開發(fā)呈現(xiàn)杏濱→新陽→東孚→灌口的時序特征，總體特征東部快于西部。這種顯著分異是由區(qū)位和政策因素導致的，東部(杏濱、新陽)靠近廈門島，受廈門島的輻射作用，經(jīng)濟發(fā)展較快，同時杏濱工業(yè)區(qū)、新陽工業(yè)區(qū)的相繼成立，加速了土地利用變化。海域開發(fā)則從近岸往淺海發(fā)展，圍填?；顒宇l繁，1957—2007年海域面積快速減少，2009年后逐步“退圍還海”，部分海域面積得到恢復。

圖2 1957—2017年馬鑾灣土地利用變化過程

2.2 土地利用變化規(guī)模

1957年建成的鷹廈鐵路穿過馬鑾灣地區(qū)，連接了廈門島與陸上交通，使得馬鑾灣乃至廈門市快速發(fā)展，此后建設用地不斷增加。城鎮(zhèn)用地從無到有，60年間增加了2 556.22 hm2，后30年增量為前30年的21.4倍，其中工業(yè)用地增量最大，共計增加了1 365.63 hm2，1992—2013年增加最顯著，占比為79.5%。馬鑾灣新城開發(fā)之后，其他城鎮(zhèn)用地、退養(yǎng)和填海形成的未利用地顯著增加，2013—2017年增加量分別占其總量的52%、66%；村莊用地60年間增加了5.5倍，1997年后增速明顯放緩，這與部分村莊用地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地有關。

60年間建設用地的增加是以耕地、林地等生態(tài)用地的減少為代價，耕地減少了2 578.58 hm2，減幅高達79.0%，但耕地面積在1957—1972年大幅增加，這主要是由于20世紀50年代為燒堿工業(yè)用鹽需要，于1957年興建海堤，1960年建成后灘涂圍墾成海田所致；林地減幅71.0%，其中85.0%發(fā)生在1997—2017年，期間西南岸大片小山丘被平整用于廠房建設；草地面積少，變化不明顯。

養(yǎng)殖用地面積先增后減，水體則相反。馬鑾灣海堤建成后在灣內(nèi)南岸建成281.00 hm2的鹽田，1984年后鹽田逐步被改為養(yǎng)殖池，且發(fā)展迅速。1957—1972年養(yǎng)殖面積小于10.00 hm2，1972—1997年迅猛發(fā)展，15 a增加了1 929.54 hm2，這與1983年設立馬鑾灣水產(chǎn)養(yǎng)殖基地有關，同時1990年網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術的引進使海域養(yǎng)殖迅速形成規(guī)模，到2002年灣內(nèi)淺水區(qū)共開辟了2 000.00 hm2蝦類養(yǎng)殖和1 400.00 hm2淡水養(yǎng)殖，中西部較深水區(qū)發(fā)展了2 000只網(wǎng)箱養(yǎng)魚，而2007年隨著海域養(yǎng)殖的清理，養(yǎng)殖面積開始呈下降趨勢，期間水體面積小幅增加。

2.3 土地利用變化速度

60年間馬鑾灣土地利用變化速度呈加快趨勢(表2)，LC從1957—1987年的1.12%上升到1987—2017年的2.43%，變化較快的為2013—2017年、2007—2013年，分別為9.10%、5.23%，說明2007—2017年間變化尤為劇烈。陸域和海域的變化速度在不同階段具有顯著差異，1957—1987年陸域變化緩慢，LC僅為0.45%，同期海域變化速度為陸域的5.5倍。1987—2017年陸域和海域速度較快，尤其是2013—2017年，LC分別為5.87%、11.29%，這是由工業(yè)、城鎮(zhèn)快速擴張和養(yǎng)殖業(yè)劇烈變化所導致。

表2 1957—2017年馬鑾灣土地利用動態(tài)度變化

續(xù)表2

不同土地類型在各時期變化不均衡。臺商投資區(qū)(1989年)、新陽工業(yè)區(qū)(1991年)的相繼成立，使工業(yè)用地快速擴張，在1987—1992年、1992—1997年K較大，分別為29.94%、35.43%。60年間耕地、林地減少最多。1972年之后耕地快速減少，減速呈加快趨勢，且在2007—2013年、1992—1997年減速較快，K分別為-6.52%、-6.29%；林地不斷減少，減速較快的為2007—2013年、2013—2017年，K分別為-7.09%、-5.66%；養(yǎng)殖用地劇烈變化，2013—2017年急劇下降，K為-21.93%，這與新城建設前開展的生態(tài)修復工程有關。

2.4 土地利用結(jié)構(gòu)變化

受農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、工業(yè)化和城鎮(zhèn)化過程的影響，馬鑾灣土地利用結(jié)構(gòu)變化階段性特征顯著(圖2、3)，可以分為1957—1987年(30 a)、1987—2007年(20 a)、2007—2017年(10 a)3個階段，分別代表了種植業(yè)為主、養(yǎng)殖業(yè)與工業(yè)并重、工商業(yè)為主的經(jīng)濟發(fā)展階段。

1957—1987年耕地占主導地位，占比大于50%，國土開發(fā)以灘涂開發(fā)為主。灘涂轉(zhuǎn)出的面積最大(1 144.9 hm2)，并在1987年完全消失，其中69.1%轉(zhuǎn)為海田，22.4%轉(zhuǎn)為鹽田。1953—1985年全國實行糧食統(tǒng)購統(tǒng)銷政策，常出現(xiàn)“糧票難求”、“供應不足”等問題，灘涂開發(fā)大幅增加了耕地面積，緩解了糧食短缺，但同時也嚴重破壞了紅樹林，35.49 hm2的天然紅樹林到1972年完全消失，主要轉(zhuǎn)為耕地。同期養(yǎng)殖用地、工業(yè)用地增加，工業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)開始發(fā)展。

1987—2007年主要是養(yǎng)殖和工業(yè)快速擴張導致的土地利用變化。1997年形成耕地、養(yǎng)殖用地、建設用地三足鼎立之勢，占比分別為37.8%、25.9%、22.3%；1987—2007年工業(yè)用地增加了12.9倍(1 003.74 hm2)，90.1%為耕地轉(zhuǎn)入，7.5%為林地轉(zhuǎn)入；養(yǎng)殖用地20 a增加了3.80倍(1 444.07 hm2)，1987—1997年快速擴張，海田、鹽田逐步被改為養(yǎng)殖池，同時海水養(yǎng)殖迅猛發(fā)展到深水區(qū)，使得養(yǎng)殖面積10 a增加了1 217.04 hm2，其轉(zhuǎn)入類型中54.9%為耕地，22.3%為鹽田，22.2%為水體。

2007—2017年以城鎮(zhèn)擴張為主。10年間交通用地、其他城鎮(zhèn)用地、未利用地分別增加了1.45倍、2.26倍、5.67倍，城鎮(zhèn)用地的快速擴張使耕地、林地、養(yǎng)殖用地大幅減少，其中耕地和林地減幅分別為49.3%、48.1%，由于馬鑾灣新城的規(guī)劃建設，灣內(nèi)養(yǎng)殖全面清退，養(yǎng)殖用地急劇下降(減幅為90.9%)，68.9%轉(zhuǎn)為未利用地、9.0%轉(zhuǎn)為水體。至2017年建設用地占主導類型，占比為51.6%，城鎮(zhèn)用地占41.2%，同期耕地和養(yǎng)殖用地占比很少，分別為10.7%、3.2%。

2.5 討論

馬鑾灣從半農(nóng)半漁的農(nóng)村發(fā)展到高度城市化的海灣新城，經(jīng)濟從“農(nóng)業(yè)-工業(yè)-工商業(yè)”逐步發(fā)展，是中國沿海快速城市化地區(qū)的縮影。

2.5.1 馬鑾灣與內(nèi)陸及其他沿海地區(qū)的比較 研究結(jié)果表明，馬鑾灣建設用地不斷增加，耕地和生態(tài)用地減少，這是沿海地區(qū)與內(nèi)陸地區(qū)城市化進程中共有的特征[3-7,9-12,20,24-26]。然而，對比建設用地的增長速度發(fā)現(xiàn)，馬鑾灣1987—2007年建設用地年均增長率為17.10%，高于同期廈門島的10.90%[9]、天津濱海新區(qū)的9.58%[7]和鄭州城區(qū)的6.80%[24]，也高于1996—2004年重慶主城9區(qū)的5.86%[25]、1996—2010年武漢城區(qū)的4.63%[26]，快速城市化的沿海地區(qū)建設用地增長速度明顯高于內(nèi)陸地區(qū)的鄭州、重慶、武漢等城區(qū)，這在馬鑾灣更為明顯，主要是因為期間馬鑾灣處于工業(yè)快速擴張期，工業(yè)化進程推動了建設用地的快速增長；而沿海地區(qū)土地變遷中有其獨特性，主要表現(xiàn)在海域開發(fā)，前期以灘涂圍墾為主，包括海田、鹽田、養(yǎng)殖池[3,8,27-29]；后期主要是填海造陸，用于工業(yè)、港口碼頭、城鎮(zhèn)建設等[4,10,30-31]。圍填?；顒邮沟藐懹蛎娣e增加，緩解了土地資源供需緊張矛盾；與其他沿海地區(qū)不同的是，馬鑾灣養(yǎng)殖用地變化劇烈，這是由于馬鑾灣建立水產(chǎn)養(yǎng)殖基地和馬鑾灣新城的政策所致。

圖3 1957—2017年馬鑾灣土地利用類型轉(zhuǎn)移過程

2.5.2 堅持陸海統(tǒng)籌 馬鑾灣陸域和海域的開發(fā)存在顯著差異，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，陸域開發(fā)速度不斷上升，而海域開發(fā)速度先增后減，1957—2007年由于糧食供應不足、水產(chǎn)養(yǎng)殖效益高，海域被大范圍開發(fā)，2007年后海域開發(fā)逐步減弱，特別是2013年后海域養(yǎng)殖清退，甚至出現(xiàn)“退圍還?！爆F(xiàn)象。其實早在2002年馬鑾灣開展了海域綜合整治，清除水產(chǎn)養(yǎng)殖，但2005年又出現(xiàn)了大面積養(yǎng)殖回潮。此外，陸海用地之間存在沖突，出現(xiàn)爭搶淺海灘涂和近岸海域空間的情況，因此，在制定土地開發(fā)與管理政策時要堅持陸海統(tǒng)籌，并要根據(jù)所處的發(fā)展階段制定適合的政策。

2.5.3 國土開發(fā)的綜合效益 工業(yè)和城鎮(zhèn)擴張促進經(jīng)濟發(fā)展的同時也使耕地、林地等生態(tài)空間迅速減少；灘涂開發(fā)使耕地增加，一方面緩解了糧食短缺危機，另一方面嚴重破壞了紅樹林等濱海濕地，使其生態(tài)功能退化、生物多樣性減少；而海域養(yǎng)殖在獲得高收益的同時卻嚴重污染了馬鑾灣水質(zhì)，使得馬鑾灣常年成為廈門污染嚴重海域[32-34]。如何評價國土開發(fā)過程中的生態(tài)環(huán)境效應并平衡糧食安全、經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)保護三者之間的沖突，值得深入探討，如20世紀90年代馬鑾灣陸域的工業(yè)污染物排放對海域養(yǎng)殖造成損失。綜合評估國土開發(fā)的效益是國土開發(fā)中必須考慮的。

3 結(jié)論

(1)1957—2017年馬鑾灣經(jīng)歷了“灘涂大開發(fā)-養(yǎng)殖和工業(yè)快速擴張-城鎮(zhèn)擴張”逐步變遷的過程，建設用地快速擴張，耕地、林地大幅下降，紅樹林和灘涂消失，養(yǎng)殖用地劇烈變化，土地利用變化不斷加快且呈現(xiàn)明顯的海陸差異。海域開發(fā)從近岸往淺海發(fā)展，圍填?；顒宇l繁。陸域的開發(fā)時序則由區(qū)位和政策因素決定。

(2)馬鑾灣國土開發(fā)有以下規(guī)律：①1957—1987年土地利用變化的驅(qū)動作用為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，耕地占各用地類型的主導地位，占比大于50%，國土開發(fā)以灘涂開發(fā)為主；1987—2007年驅(qū)動作用為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與工業(yè)化，主要是養(yǎng)殖和工業(yè)快速擴張導致的土地利用變化；2007—2017年則主要來自城鎮(zhèn)化，至2017年建設用地占主導類型，占比為51.6%，城鎮(zhèn)用地占41.2%；農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化主要驅(qū)動了海域開發(fā)，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化主要驅(qū)動了陸域開發(fā)，而城鎮(zhèn)化驅(qū)動的土地利用變化速度最快。②海域開發(fā)前期以灘涂圍墾為主，后期主要是填海造地，大規(guī)模填海造地導致陸域面積增多。馬鑾灣的國土開發(fā)速度明顯高于內(nèi)陸地區(qū)和其他沿海地區(qū)，而且海域的土地利用動態(tài)度高于陸域。

(3)陸域和海域的開發(fā)在各歷史階段呈現(xiàn)明顯分異，沿海地區(qū)進行陸海統(tǒng)籌的國土開發(fā)中需要根據(jù)所處的發(fā)展階段依據(jù)國土開發(fā)的綜合效益分別制定相應的開發(fā)政策。同時要注重協(xié)調(diào)糧食安全、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護三者關系，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。